Estructura de los lípidos insaponificables

Las proteínas constituyen el grupo de biomoléculas orgánicas más abundante. Suponen el 50% del peso seco de la materia viva. Su nombre proviene del griego “proteios” que significa primero. Las proteínas son biopolímeros (macromoléculas orgánicas), de elevado peso molecular, constituidas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N); aunque pueden contener también azufre (S) y fósforo (P) y, en menor proporción, hierro (Fe), cobre (Cu), magnesio (Mg), yodo (I), etc… Estos elementos químicos se agrupan para formar unidades estructurales (monómeros) llamados AMINOÁCIDOS, a los cuales podríamos considerar como los “ladrillos de los edificios moleculares protéicos”. Estos edificios macromoleculares se construyen y desmoronan con gran facilidad dentro de las células, y a ello debe precisamente la materia viva su capacidad de crecimiento, reparación y regulación.

LOS AMINOÁCIDOS


Son las unidades básicas que forman las proteínas. Su denominación responde a la composición química general que presentan, en la que un grupo amino (-NH2) y otro carboxilo o ácido (-COOH) se unen a un carbono (-C-). Las otras dos valencias de ese carbono quedan saturadas con un átomo de hidrógeno (-H) y con un grupo químico variable al que se denomina radical (-R).

CLASIFICACIÓN


Los radicales confieren al aminoácido unas carácterísticas propias. Por ello, estos radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos. Formando parte de las proteínas existen 20 aminoácidos. Existen otros muchos tipos de aminoácidos, pero no se asocian formando macromoléculas. A) Aminoácidos con grupo R no polar (neutros apolares): A pH=7 su carga neta es 0. R hidrófoba (baja solubilidad). Son alanina*, valina*, leucina*, isoleucina*, fenilalanina*, triptófano*, metionina y prolina. B) Aminoácidos con grupo R polar sin carga (neutros polares): A pH=7 su carga neta es 0. R hidrófila (alta solubilidad). Son serina, treonina*, cisteína, tirosina, asparagina, glutamina y glicina. C) Aminoácidos con grupo R con carga positiva (básicos). A pH=7 su carga neta es +. R lleva un grupo amino ionizado. Son lisina*, arginina e histidina. D) Aminoácidos con grupo R con carga negativa (ácidos). A pH =7 su carga neta es -. R lleva un grupo carboxilo ionizado. Son glutámico y aspártico.

PROPIEDADES


Los aminoácidos son compuestos de bajo PM, sólidos, incoloros, cristalizables, de elevado punto de fusión (habitualmente por encima de los 200 ºC) y solubles en agua. Además, presentan estereoisomería, actividad óptica y comportamiento anfótero.

1. ESTEREOISOMERÍA: Todos los aa, excepto la glicina, tienen un carbono asimétrico (C ). Son posibles 2 estereoisómeros: D y L. Por convenio se denominan D los que presentan el grupo amino a la derecha y L los que lo presentan a la izquierda. Estos estereoisómeros son enantiómeros (imágenes especulares). La configuración natural de los aa es la L.

2. ACTIVIDAD ÓPTICA: La actividad óptica se manifiesta por la capacidad de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos, y es debida a la asimetría del carbono , ya que se halla unido (excepto en la glicina) a cuatro radicales diferentes. Esta propiedad hace clasificar a los aminoácidos en Dextrógiros (+) si desvían el plano de luz polarizada hacia la derecha, y Levógiros (-) si lo desvían hacia la izquierda. La actividad óptica es independiente de que el aa sea D o L.

3. COMPORTAMIENTO ANFÓTERO: Los aminoácidos presentan cargas. Los aminoácidos pueden captar o ceder protones al medio, dependiendo del pH de la disolución en la que se encuentren. Si la disolución es ácida, los aminoácidos captan protones y se comportan como una base. Si la disolución es básica, ceden protones y se comportan como un ácido. Por tener este comportamiento, se dice que los aminoácidos son anfóteros.


El punto isoeléctrico es el valor de pH al que el aminoácido presenta una carga neta igual al cero. Es una propiedad específica de cada aa.

El comportamiento anfótero de los aa los capacita para actuar como amortiguadores del pH o sistemas tampón.

LOS PÉPTIDOS Y EL ENLACE PEPTÍDICO


Los péptidos son cadenas lineales de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

a) Oligopéptidos.- si el nº de aminoácidos es menor 10. • Dipéptidos.- si el nº de aminoácidos es 2. • Tripéptidos.- si el nº de aminoácidos es 3. • Tetrapéptidos.- si el nº de aminoácidos es 4. • etc…

b) Polipéptidos o cadenas polipeptídicas.- si el nº de aminoácidos es mayor 10. Cada péptido se suele escribir, convencionalmente, de izquierda a derecha, empezando por el extremo N-terminal que posee un grupo amino libre y finalizando por el extremo C-terminal en el que se encuentra un grupo carboxilo libre.

PÉPTIDOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA


Entre ellos cabe citar algunas hormonas como la oxitocina (nueve residuos aminoácidos), que estimula las contracciones del útero durante el parto, o la bradiquinina (nueve residuos), que inhibe la inflamación de los tejidos. También son dignas de mención las encefalinas, péptidos cortos sintetizados en el sistema nervioso central que actúan sobre el cerebro produciendo analgesia (eliminación del dolor). Los venenos extremadamente tóxicos producidos por algunas setas como Amanita phaloides también son péptidos, al igual que muchos antibióticos.

El término proteína se asigna a polipéptidos de elevado PM que suelen estar formados por más de una cadena polipeptídica. Más de cien aminoácidos se considera una proteína. Incluso, si el número de aminoácidos es menor que cien, pero el peso molecular es mayor que 5.000 Daltons, la molécula sería una proteína.

El enlace peptídico es un enlace covalente y se establece entre el grupo carboxilo (- COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) del aminoácido contiguo inmediato, con el consiguiente desprendimiento de una molécula de agua.

CarácterÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO

1. Enlace covalente tipo amida

2. Presenta resonancia (carácter parcial de doble enlace), lo que le proporciona rigidez ya que no permite giros

3. Los enlaces del C sí se pueden girar

4. El O del grupo carbonilo y el H del grupo amino se sitúan en lados opuestos del enlace (configuración trans)

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS


La estructura tridimensional de una proteína es un factor determinante en su actividad biológica. Tiene un carácter jerarquizado, es decir, implica unos niveles de complejidad creciente que dan lugar a 4 tipos de estructuras: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

La ESTRUCTURA PRIMARIA esta representada por la sucesión lineal de aminoácidos que forman la cadena peptídica y por lo tanto indica qué aminoácidos componen la cadena y el orden en que se encuentran. El ordenamiento de los aminoácidos en cada cadena peptídica, no es arbitrario sino que obedece a un plan predeterminado en el ADN.


La ESTRUCTURA SECUNDARIA está representada por la disposición espacial que adopta la cadena peptídica (estructura primaria) a medida que se sintetiza en los ribosomas. Es debida a los giros y plegamientos que sufre como consecuencia de la capacidad de rotación del C y de la formación de enlaces débiles (puentes de hidrógeno). Las formas que pueden adoptar son:

a) – hélice Es una estructura helicoidal dextrógira, es decir, que las vueltas de la hélice giran hacia la derecha. Adquieren esta estructura proteínas que poseen elevado número de aminoácidos con radicales grandes o hidrófilos, ya que las cargas interactúan con las moléculas de agua que la rodean. Cada vuelta sucesiva de la hélice α se mantiene unida a las vueltas adyacentes mediante varios puentes de hidrógeno intracatenarios que, actuando cooperativamente, proporcionan a la estructura una considerable estabilidad.

b) lámina- También se denomina hoja plegada o lámina plegada. Es una estructura en forma de zig-zag, forzada por la rigidez del enlace peptídico y la apolaridad de los radicales de los aminoácidos que componen la molécula. Se estabiliza creando puentes de Hidrógeno entre distintas zonas de la misma molécula, doblando su estructura. De este modo adquiere esa forma plegada.

c) También existen secuencias en el polipéptido que no alcanzan una estructura secundaria bien definida y se dice que forman enroscamientos aleatorios.

La ESTRUCTURA TERCIARIA esta representada por los superplegamientos y enrollamientos de la estructura secundaria, constituyendo formas tridimensionales geométricas muy complicadas que se mantienen por enlaces fuertes (puentes disulfuro entre dos cisteínas) y otros débiles (puentes de hidrógeno; fuerzas de Van der Waals; interacciones iónicas e interacciones hidrofóbicas).

La estructura terciaria es la forma que manifiesta en el espacio una proteína. Depende de la estructura de los niveles de organización inferiores. Puede ser una conformación redondeada y compacta, adquiriendo un aspecto globular. También puede ser una estructura fibrosa y alargada. La conformación espacial de la proteína condiciona su función biológica.

A la estructura terciaria se la denomina conformación y se distinguen dos tipos:

• Conformación globular: La estructura secundaria se pliega y adopta una forma tridimensional compacta más o menos esférica. Proteínas solubles en agua (Mioglobina, muchos enzimas).

• Conformación fibrosa: La estructura secundaria no se pliega y la proteína tiene una forma alargada. Proteínas insolubles idóneas para realizar funciones estructurales. Entre ellas, las más conocidas son el colágeno de los huesos y del tejido conjuntivo; la queratina del pelo, plumas, uñas, cuernos, etc…; la fibroína del hilo de seda y de las telarañas y la elastina del tejido conjuntivo, que forma una red deformable por la tensión.

La ESTRUCTURA CUATERNARIA está representada por el acoplamiento de varias cadenas polipeptídicas, iguales o diferentes, con estructuras terciarias (protómeros) que quedan autoensambladas por enlaces débiles, no covalentes. Esta estructura no la poseen todas las proteínas. Un ejemplo es la hemoglobina, formada por cuatro protómeros.

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

Las propiedades que manifiestan las proteínas dependen de los grupos radicales de los aminoácidos que las componen.

• Solubilidad: los radicales de los aminoácidos permiten a las proteínas interaccionar con el agua. Si abundan radicales hidrófobos, la proteína será poco o nada soluble en agua. Si predominan los radicales hidrófilos, la proteína será soluble en agua. Las proteínas son solubles en agua cuando adoptan una conformación globular. La solubilidad es debida a los radicales (-R) libres de los aminoácidos que, al ionizarse, establecen enlaces débiles (puentes de hidrógeno) con las moléculas de agua.

• Capacidad amortiguadora: Las proteínas tienen un comportamiento anfótero y esto las hace capaces de neutralizar las variaciones de pH del medio, ya que pueden comportarse como un ácido o una base y por tanto liberar o retirar protones (H+ ) del medio donde se encuentran.

• Especificidad: Es una de las propiedades más carácterísticas y se refiere a que cada una de las especies de seres vivos es capaz de fabricar sus propias proteínas (diferentes de las de otras especies) y, aún, dentro de una misma especie hay diferencias proteicas entre los distintos individuos. Esto no ocurre con los glúcidos y lípidos, que son comunes a todos los seres vivos. La especificidad de las proteínas explica algunos fenómenos biológicos como la compatibilidad o no de transplantes de órganos; injertos biológicos; sueros sanguíneos; etc… O los procesos alérgicos e incluso algunas infecciones.

• Desnaturalización: La desnaturalización de una proteína se refiere a la ruptura de los enlaces que manténían sus estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria, conservándose solamente la primaria. En estos casos las proteínas se transforman en filamentos lineales y delgados que se entrelazan hasta formar compuestos fibrosos e insolubles en agua. Los agentes que pueden desnaturalizar a una proteína pueden ser: calor excesivo; sustancias que modifican el pH; alteraciones en la concentración; alta salinidad; agitación molecular; etc… El efecto más visible de éste fenómeno es que las proteínas se hacen menos solubles o insolubles y que pierden su actividad biológica. Si el cambio de estructura es reversible, el proceso se llama renaturalización.

FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

ESTRUCTURAL

Glucoproteínas forman parte de las membranas celulares, actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias.

Histonas, forman parte de los cromosomas.

Colágeno del tejido conjuntivo fibroso.

Elastina del tejido conjuntivo elástico.

Queratina de uñas y pelo.

Fibroína de las telarañas o los capullos de seda

ENZIMÁTICA


Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular.

HORMONAL


Insulina y glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre).

Hormonas segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica (que regula la síntesis de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).

REGULADORA


Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan la división celular (como la ciclina).

HOMEOSTÁTICA


Algunas mantienen el equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno.

DEFENSIVA


Las inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos.

La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias.

Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas.

Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes.

TRANSPORTE


La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados.

La hemocianina transporta oxígeno en la sangre de los invertebrados.

La mioglobina transporta oxígeno en los músculos.

Las lipoproteínas transportan lípidos por la sangre.

Los citocromos transportan electrones.

CONTRÁCTIL


La actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción muscular. La dineina está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos.

DE RESERVA


La ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeina de la cebada, constituyen la reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión. La caseína de la leche.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS


Las holoproteínas están constituidas exclusivamente por aa, mientras que las heteroproteínas presentan una parte proteica unida covalentemente a otra de naturaleza distinta y que recibe el nombre de grupo prostético.

Las esferoproteínas tienen estructura globular (solubles) y las escleroproteínas son fibrosas (insolubles).

La actina es una proteína globular que se ensambla formando filamentos.

ENZIMAS.
Los enzimas son moléculas de elevado PM y naturaleza proteica con actividad catalítica (biocatalizadores). La catálisis se define como la aceleración de una reacción química por efecto de una sustancia o catalizador.

En una reacción enzimática, las moléculas que reaccionan reciben el nombre de sustratos, y las sustancias formadas se denominan productos.

-Los enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas (solubilidad, capacidad amortiguadora, desnaturalización y especificidad) y además las siguientes:


• Gran actividad catalítica: Aceleran la reacción entre 106 y 1014 veces. • Especificidad de sustrato:
Actúan sobre uno o pocos sustratos catalizando un tipo de transformación concreto. • Actúan en condiciones de pH y temperaturas suaves. • Pueden regularse por estímulos intra o extracelulares.

-Según su naturaleza se clasifican en dos grupos: Holoproteínas (constituidos exclusivamente por aa) y holoenzimas (presentan una parte no proteica).

HOLOENZIMAS


Presentan una parte proteica o apoenzima y una no proteica o cofactor. El cofactor puede ser un ión metálico o una coenzima (molécula orgánica compleja: NAD+, FAD+, CoA). Si el cofactor se une permanentemente a la apoenzima se denomina grupo prostético (heteroproteínas). La apoenzima es responsable de la especificidad de sustrato y el cofactor es necesario para que se produzca la reacción. Por separado son inactivos.

LA ACCIÓN ENZIMÁTICA


Las enzimas son los biocatalizadores celulares. Son proteínas específicas que catalizan las reacciones químicas que tienen lugar en las células —metabolismo celular—, acelerándolas hasta hacerlas casi instantáneas, sin consumirse. Sin la acción catalítica de los enzimas, las reacciones químicas serían tan lentas que el metabolismo celular no podría desarrollarse.

• Energía de activación: Para que se produzca una reacción química es necesario alcanzar un nivel mínimo de energía que se denomina energía de activación. Los enzimas actúan bajando este nivel formando una asociación pasajera con los sustratos de la reacción. De esta forma consiguen que la reacción suceda más rápidamente.

• Centro activo: En las reacciones enzimáticas el enzima (E) se une al sustrato (S) para formar el complejo (ES). Tras la reacción se obtienen los productos (P) y el enzima queda libre (E). La uníón tiene lugar en una pequeña parte del enzima que se denomina centro activo. El centro activo tiene forma de hueco y se adapta perfectamente a la forma del sustrato. Se localizan dos tipos de aa: de uníón (con grupos hidrófobos o cargas que permiten la uníón del sustrato) y catalíticos (responsables de la transformación). En las holoenzimas el cofactor se encuentra en el centro activo.

• Especificidad enzimática: Las carácterísticas del centro activo y la necesaria complementariedad del sustrato determinan la especificidad enzimática.

o De acción: Un enzima sólo realiza un tipo de transformación (oxidación, reducción, descarboxilación, polimerización, etc.)

o De sustrato: Cada enzima actúa sobre un solo tipo de sustrato o sobre un nº reducido de ellos.

 Absoluta: Sobre un único sustrato.

De grupo: Sobre un grupo de sustratos que presentan un tipo de enlace concreto.

Estereoquímica: Sobre un tipo de estereoisómero (D o L)

HIPÓTESIS DEL AJUSTE INDUCIDO


La uníón entre enzima y sustrato puede compararse con la existente entre una mano y un guante. Inicialmente, la forma del centro activo y del sustrato no son exactamente complementarias. La cercanía del sustrato provoca un cambio en la estructura del enzima que permite el acoplamiento entre ellos. El sustrato es transformado, se liberan los productos y el enzima recupera su conformación original.


CINÉTICA ENZIMÁTICA


Estudia la velocidad de la catálisis. Esta velocidad depende de algunos factores como la concentración de sustrato, el pH, la temperatura y los inhibidores.

1. Concentración de sustrato: Si la concentración de sustrato aumenta y se mantiene constante la concentración del enzima, la velocidad de la reacción aumenta. Al principio este aumento es exponencial y luego se hace más lento hasta alcanzar una velocidad máxima que ya no varía aunque sigamos aumentando la concentración de sustrato. Constante de Michaelis (Km): Concentración de sustrato (en milimoles por litro) necesaria para que la reacción alcance la mitad de la velocidad máxima. Valores altos indican poca afinidad enzima-sustrato, y valores bajos indican lo contrario.

2. Efecto del pH: Las enzimas presentan un pH óptimo en el cual su actividad es máxima (velocidad máxima y Km mínima). Pequeñas variaciones de pH provocan un descenso brusco en la actividad porque se alteran las cargas del centro activo y del sustrato afectando la uníón ES. Si la variación de pH es muy acusada, el enzima se desnaturaliza perdiendo su funcionalidad.

3. Efecto de la temperatura: Un pequeño incremento de Tª aumenta la velocidad de la reacción. Valores superiores a 40ºC provocan la desnaturalización del enzima.

4. Inhibidores: Son sustancias químicas que disminuyen o bloquean la actividad enzimática. La inhibición puede ser irreversible o reversible. Cuando la inhibición es reversible pueden darse dos casos:

Inhibición competitiva:

El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo. Un aumento de la concentración de sustrato aminora el efecto del inhibidor.

Inhibición no competitiva:

El inhibidor se une al enzima por un lugar distinto al centro activo provocando un cambio en su conformación que impide la uníón del sustrato. Un aumento en la concentración de sustrato no afecta a la acción del inhibidor.

El DIPF reacciona con el aminoácido serina del sitio activo de la enzima acetilcolinesterasa, inhibíéndola irreversiblemente. Esta enzima participa en el mecanismo de propagación de los impulsos nerviosos. El DIPF es conocido como gas nervioso, algunos ejemplos son el gas SARIN (usado en el ataque terrorista en un subte en Tokio en 1995)y el MALATION (insecticida).

REGULACIÓN ENZIMÁTICA


Las células regulan la síntesis de los productos que necesitan en cada momento evitando una sobreproducción que supondría un desperdicio de energía y de materias primas. La regulación de la actividad enzimática puede ejercerse de dos formas: 1. Sobre la síntesis del enzima: El enzima sólo se produce cuando hace falta y se degrada rápidamente tras ejercer su acción. 2. Sobre la actividad enzimática: El enzima presenta una forma inactiva y otra activa que se consigue por la uníón de un ligando.

MODIFICACIÓN COVALENTE Algunos enzimas sufren un proceso reversible de fosforilación-defosforilación (sobre un residuo de serina) que regula su estado de actividad o inactividad.

ENZIMAS ALOSTÉRICOS Enzimas regulados por la uníón no covalente de una molécula (modulador o efector alostérico) a un sitio distinto del centro activo (sitio alostérico). Los moduladores pueden actuar como inhibidores (Véase inhibición no competitiva) o como activadores. Los inhibidores suelen ser los productos finales de las rutas metabólicas, de manera que cuando aumenta su concentración se detiene la ruta que los produce. Los activadores pueden ser los mismos sustratos, capaces de unirse tanto al centro activo como al sitio alostérico.