Las Proteínas

Las proteínas son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O y N (CHON). Son las más abundantes en las células y constituyen macromoléculas de enorme tamaño con un elevado peso molecular. Se definen como polímeros formados por la unión de aminoácidos. Solo cuando un polipéptido está formado por más de 50 aminoácidos se habla de proteínas.

Los Aminoácidos

Los aminoácidos son compuestos orgánicos que poseen un grupo Amino (–NH₂) y un grupo Carboxilo (–COOH) unidos a un carbono central llamado carbono Alfa (Cα), al cual también se unen un átomo de H y una cadena lateral (R).

• Forma L (Levógira): Todos los aminoácidos presentes en las proteínas son de forma L.
• Estereoisomería: Todos los aminoácidos, excepto la glicina, presentan un carbono asimétrico y, por lo tanto, tienen actividad óptica, es decir, son capaces de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácido.
• Carácter Anfótero: Cuando están en disolución, se pueden ionizar actuando como ácidos o como bases.

Clasificación de los Aminoácidos en función del radical R

1. Hidrofóbicos: El radical R es una cadena hidrocarbonada y no posee cargas eléctricas.
2. Neutros Polares: Cadenas R cortas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares (como alcohol, tiol o amida). Son hidrófilas y forman enlaces por puentes de hidrógeno (P de H).
3. Polares Ácidos (con carga negativa): Presentan un grupo ácido en el radical R.
4. Polares Básicos (con carga positiva): Presentan un grupo básico (amino) en el radical R.

El Enlace Peptídico

Los aminoácidos se unen entre sí formando cadenas mediante el enlace peptídico. Es un enlace covalente que se establece entre el grupo Carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, perdiéndose una molécula de agua. Es un enlace de tipo amida y tiene carácter parcial de enlace doble, lo que le confiere rigidez. Presenta conformación Trans, lo que significa que el átomo de oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del grupo amino se sitúan en lados opuestos.

Niveles Estructurales de las Proteínas

Estructura Primaria (Estructura 1º)

Es la secuencia lineal de aminoácidos (aa) que forman la proteína. Indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que se encuentran unidos. Es de gran importancia, pues la secuencia de aa es la que determina el resto de los niveles estructurales y, como consecuencia, la función de la proteína.

Estructura Secundaria (Estructura 2º)

Es la disposición espacial que adopta la estructura primaria. Se pliega gracias a la capacidad de giro de los enlaces no peptídicos y se estabiliza gracias a puentes de hidrógeno. Hay dos tipos principales:

• Alfa Hélice (α-hélice): La cadena polipeptídica se enrolla en espiral sobre sí misma gracias a la capacidad de rotación del Cα, originando una hélice que se mantiene por P de H entre el grupo NH₂ de un aa y el grupo CO del cuarto aminoácido que le sigue. Presenta 3.6 aa por cada vuelta y se enrosca hacia la derecha. Esta estructura está presente en proteínas como la α-queratina del pelo y de las uñas.
• Conformación Beta (Lámina β): La cadena se pliega en zigzag, uniendo los tramos que quedan enfrentados por P de H. Tienen esta estructura la β-queratina y la fibroína de la seda.
• La Triple Hélice de Colágeno: Consiste en tres cadenas polipeptídicas, cada una con una hélice levógira o más distendida que la α-hélice (teniendo 3 aa por vuelta). Las tres hélices se enrollan para formar un cordón retorcido.

Estructura Terciaria (Estructura 3º)

Es la configuración espacial definitiva que adopta la cadena polipeptídica. La estructura secundaria se pliega como un ovillo, formando la estructura terciaria. Los enlaces que la estabilizan pueden ser de cuatro tipos:

• Puentes Disulfuro: Son enlaces covalentes fuertes entre dos grupos –SH de dos aminoácidos cisteína.
• Fuerzas Electrostáticas: Se dan entre grupos R con carga opuesta (entre un aminoácido ácido y uno básico).
• Puentes de Hidrógeno (P de H): Se establecen entre los grupos polares de las cadenas laterales.
• Fuerzas de Van der Waals y Atracciones Hidrofóbicas: Se dan entre radicales apolares.

En la estructura terciaria se pueden encontrar tramos que presentan estructura secundaria y tramos sin forma regular. Según su forma, se clasifican en:

• Globulares: Poseen un alto grado de plegamiento y adoptan formas esféricas.
• Fibrosas: El plegamiento es menor, adoptando formas alargadas.

Estructura Cuaternaria (Estructura 4º)

Esta estructura solo ocurre cuando la proteína está formada por varias cadenas polipeptídicas, denominadas subunidades proteicas. Los enlaces que las mantienen son los mismos que los de la estructura terciaria. La estructura cuaternaria (o terciaria, si solo hay una cadena) es la responsable de su actividad biológica. La hemoglobina y las inmunoglobulinas tienen estructura cuaternaria, que depende de la terciaria, y esta de la secundaria, que a su vez depende de la primaria.

Propiedades y Funciones de las Proteínas

Propiedades

• Solubilidad: Las proteínas son macromoléculas solubles en agua cuando tienen forma globular. Las proteínas fibrosas son insolubles en agua, pero debido a su elevada masa molecular, forman dispersiones coloidales.
• Desnaturalización: Consiste en la rotura de los enlaces que mantienen las estructuras 2ª, 3ª y 4ª, conservándose solo la 1ª por sus enlaces covalentes. La desnaturalización provoca la pérdida de la actividad biológica de la proteína. Puede producirse por medios físicos (calor excesivo) o químicos (pH). Si el agente desnaturalizante actúa poco tiempo o con poca intensidad, la desnaturalización es reversible (renaturalización); si actúa mucho tiempo y con mucha intensidad, es irreversible.
• Especificidad: Son moléculas específicas. Cada especie biológica posee proteínas distintas a las de otro organismo. Incluso proteínas con la misma función y estructura semejante suelen tener una secuencia algo diferente en distintos organismos.

Funciones

• Estructural: Constituyen la mayoría de las estructuras celulares (ej. la queratina del pelo o uñas).
• Transporte: Además de proteínas transportadoras de membrana, hay otras extracelulares que transportan sustancias por el organismo (ej. la hemoglobina).
• Defensiva: Los anticuerpos son capaces de defender al organismo contra infecciones. La trombina ayuda a la formación del coágulo en una herida.
• Hormonal: Algunas hormonas son de naturaleza proteica (ej. la insulina del páncreas, que regula el metabolismo de la glucosa).
• Contráctil: La actina y la miosina llevan a cabo la contracción y relajación del músculo estriado.
• Enzimática: Todas las reacciones químicas que tienen lugar en la célula están catalizadas por enzimas, aumentando la velocidad de las reacciones.
• Reserva: Algunas proteínas almacenan aminoácidos a la espera de que sean utilizados por la célula.
• Homeostática: Proteínas intracelulares que ayudan a mantener el pH.

Clasificación Química de las Proteínas

• Holoproteínas o Proteínas Simples: Formadas solo por aminoácidos.
  • Fibrosas: Insolubles en agua, con función estructural.
  • Globulares: Solubles en agua, que realizan funciones dinámicas.
• Heteroproteínas o Proteínas Complejas: Están formadas por una parte proteica y otra no proteica, denominada grupo prostético. Según la naturaleza del grupo prostético, se clasifican en:
  • Glucoproteínas: Su grupo prostético es un glúcido. Se encuentran en las membranas celulares (función energética) e inmunoglobulinas.
  • Fosfoproteínas: El grupo prostético es el ácido fosfórico (ej. caseína de la leche y vitelina de la yema del huevo).
  • Lipoproteínas: Lípido. Forman parte de la membrana plasmática.
  • Cromoproteínas: Una sustancia coloreada (pigmento). Puede contener la porfirina, como sucede en la hemoglobina.
  • Nucleoproteínas: Es un ácido nucleico asociado (ej. el ADN y las histonas para formar cromatina).

ii.: Biocatalizadores

En toda reacción química se produce la transformación de unas sustancias iniciales (reactivos o sustratos) en otras sustancias finales llamadas productos. Para ello, es necesario que las sustancias que van a reaccionar reciban una cantidad de energía que las active (Energía de Activación, EA). Esta energía se emplea para debilitar enlaces de los reactivos y favorecer su ruptura.

Los biocatalizadores son sustancias capaces de aumentar la velocidad de una reacción al disminuir la EA. No se gastan durante la reacción y se necesitan en cantidades pequeñas.

Las Enzimas

Las enzimas son proteínas globulares que actúan como biocatalizadores de las reacciones biológicas. Aceleran las reacciones y no se consumen, es decir, pueden volver a utilizarse.

Tipos de Enzimas

• Enzimas exclusivamente proteicas: Formadas solo por aminoácidos, pueden estar constituidas por una o más cadenas polipeptídicas.
• Holoenzimas: Enzimas formadas por una parte proteica (apoenzima) y una parte no proteica llamada cofactor. El cofactor puede ser un catión metálico o una molécula orgánica compleja llamada coenzima. La mayoría de las coenzimas se unen a la enzima débilmente, y otras estrechamente por enlaces covalentes.

Mecanismo de Acción Enzimática

En primer lugar, el sustrato (S) se une a la enzima (E) formando el complejo E-S. El resultado es que el sustrato se transforma en otra molécula llamada producto (P), que se separa de la enzima, la cual queda libre para volver a unirse a otras moléculas de sustrato.

El Centro Activo

El centro activo es la región de la enzima donde se une el sustrato. Está formado por tres tipos de aminoácidos:

• Estructurales: La mayoría, que integran la molécula y dan forma a la enzima.
• De Fijación: Establecen enlaces débiles con el sustrato y lo fijan.
• Catalizadores: Establecen enlaces débiles o fuertes (covalentes) con el sustrato y son los responsables directos de la actividad enzimática.

Especificidad Enzimática

Las enzimas tienen un alto grado de especificidad, ya que solo los sustratos que tienen la forma adecuada pueden acoplarse al centro activo.

• Modelo de Llave-Cerradura (Fischer): Propuso que una enzima se une al sustrato como una llave a una cerradura.
• Ajuste Inducido: En la actualidad, se ha comprobado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificarse ligeramente para acoplarse al sustrato.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

Las reacciones catalizadas por enzimas no se producen siempre a la misma velocidad. Esta puede modificarse por:

• Concentración del Sustrato.
• Temperatura: A mayor temperatura, mayor actividad enzimática, porque el aumento de esta aumenta la movilidad de las moléculas y, por tanto, la posibilidad de encuentro.
• pH: Cuando el pH es óptimo, la enzima presenta su máxima eficacia. Si no es óptimo, la enzima se desnaturaliza, provocando cambios en su estructura tridimensional.

Inhibición Enzimática

Consiste en la pérdida de la actividad enzimática debido a que la enzima se une a un compuesto llamado inhibidor.

• Inhibición Irreversible: Tiene lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente por enlaces covalentes al centro activo de la enzima, alterando su estructura e inutilizándola.
• Inhibición Reversible: La enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. La unión del inhibidor con la enzima no es por enlaces covalentes, sino por P de H.

La velocidad de una reacción enzimática depende de la cantidad de sustrato y de la cantidad de enzima. Existe una saturación de la enzima en el momento en el que toda la enzima está ocupada formando el complejo E-S.

Enzimas Alostéricas

Son aquellas que pueden adoptar dos formas distintas: una es la conformación activa de la enzima y otra la inactiva. El paso de una forma a otra se logra con la unión de ciertas moléculas llamadas ligandos. Hay ligandos inhibidores y activadores que, al unirse a la enzima, modifican la estructura de la proteína, impidiendo o favoreciendo la unión con el sustrato.

Vitaminas y Hormonas

Vitaminas

Las vitaminas son otro grupo de biocatalizadores indispensables para el buen funcionamiento del metabolismo de los seres vivos. Los animales no podemos sintetizarlas, por ello debemos obtenerlas en la dieta. Se necesitan en pequeñas cantidades, pero su déficit puede generar trastornos. Las vitaminas son sustancias lábiles que se alteran con facilidad (el calor, el oxígeno o la luz provocan su destrucción).

Clasificación de las Vitaminas

• Liposolubles: A este grupo pertenecen las vitaminas A, D, K y E. Son insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos.
• Hidrosolubles: Son solubles en agua y no se acumulan, ya que se eliminan rápidamente por la orina. Aquí se encuentran la vitamina C y las del complejo B.
  • Vitamina B₁ (Tiamina): Su déficit produce el beriberi.
  • Vitamina B₈ (Biotina): Su déficit provoca dermatitis y anemia.
  • Vitamina C (Ácido Ascórbico): Su déficit provoca el escorbuto.

Hormonas

Las hormonas son biocatalizadores elaborados por los propios seres vivos. Son sustancias segregadas por glándulas de secreción interna (endocrinas) que, al carecer de conducto excretor, vierten su secreción directamente a la sangre. Están dispersas por todo el organismo, aunque actúan solo en aquellas células que poseen un receptor para ellas (células diana). Su naturaleza es muy variada.

Los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos monómeros denominados nucleótidos.

Los Nucleótidos

Los nucleótidos son moléculas compuestas por la unión de tres unidades:

1. Ácido Fosfórico (H₃PO₄).
2. Monosacárido (Pentosa): Ribosa (con OH abajo) o Desoxirribosa (con H abajo).
3. Base Nitrogenada:
   • Púricas (grandes): Derivan de la Purina (dos anillos). Son la Adenina (A) y la Guanina (G).
   • Pirimidínicas (pequeñas): Derivan de la Pirimidina (un anillo). Son la Citosina (C), la Timina (T) y el Uracilo (U).

Nucleósidos y Enlaces

Un nucleósido es la unión entre una pentosa y una base nitrogenada. El enlace que une ambas moléculas se llama N-glucosídico. Este enlace se forma entre el C-1 de la pentosa y el N-1 (si la base es pirimidínica) o el N-9 (si es púrica), perdiéndose una molécula de H₂O.

Un nucleótido es un nucleósido + ácido fosfórico (H₃PO₄). La unión de dos nucleótidos forma un dinucleótido. Los ácidos nucleicos se sintetizan de su extremo 5′ a su extremo 3′, ya que la enzima que lee los nucleótidos lo hace en sentido 3’→5′.

El Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN está formado, excepto en algunos virus, por dos cadenas de nucleótidos enrolladas formando una doble hélice. Cada cadena es un polímero de desoxirribonucleótidos, que contienen las bases A, G, C y T (nunca U). En el medio acuoso, el ADN adopta una estructura tridimensional en la que se pueden ver varios niveles de complejidad.

Estructura Primaria del ADN

Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Presenta dos extremos libres: el carbono 5′ unido al grupo fosfato y el 3′ unido al hidroxilo. Su función es contener la información genética. En eucariotas, se encuentra en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos.

Estructura Secundaria del ADN

Es el modelo de Watson y Crick (1953). Se basa en las reglas de Chargaff, que establecen que A/T = 1 y C/G = 1 (es decir, el número de A es igual al de T, e igual en C y G). Por otra parte, Franklin y Wilkins descubrieron la doble hélice.

El ADN está constituido por dos cadenas antiparalelas de polinucleótidos unidas entre sí. La unión de estas cadenas se realiza mediante Puentes de Hidrógeno (P de H) entre las bases nitrogenadas: A se une a T (A=T) y C se une a G (C≡G) alrededor de un eje imaginario. Las bases quedan en el interior de la doble hélice. El enrollamiento de las cadenas es dextrógiro y plectonémico. El diámetro de la doble hélice es de 2 nm (Forma B).

Otras Conformaciones del ADN

• Forma A: Es dextrógira, pero con las bases inclinadas respecto al eje de la hélice. Esta forma se consigue por desecación de la forma B, y es más ancha y corta que la B.
• Forma Z: Es más larga y estrecha que la B. La hélice es levógira y presenta irregularidades en forma de zigzag.

Estructura Terciaria del ADN

El ADN no se encuentra en la célula en la forma extendida correspondiente a su estructura secundaria, sino plegado sobre sí mismo, dando lugar a un tercer nivel estructural.

• En Células Procariotas: (Ej. bacterias) Es una molécula de ADN circular, con sus extremos cerrados, y recibe el nombre de cromosoma bacteriano, localizado en el citoplasma en la zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la delimite.
• En Células Eucariotas: El ADN está en el interior del núcleo y se presenta como largas moléculas lineales de doble hebra, estrechamente asociadas a proteínas básicas (histonas). Cada molécula forma una fibra visible al microscopio. El conjunto de estas fibras constituye la cromatina (durante la interfase). Cuando la célula se va a dividir, cada fibra de cromatina se compacta y forma los cromosomas.
• En Virus: Puede adoptar múltiples formas (monocatenaria o bicatenaria, y con forma lineal o circular).

Propiedades del ADN

Cuando el ADN se somete a temperaturas elevadas o cambios de pH, las dos cadenas de polinucleótidos se separan al romperse los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Este proceso se llama Desnaturalización. Es reversible (Renaturalización) siempre que el tratamiento aplicado no haya sido muy drástico. Gracias a esto, se pueden hibridar cadenas de ADN de diferentes orígenes para conocer el grado de parentesco entre individuos.

El Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN está formado por la unión de ribonucleótidos (con ribosa) y las bases A, G, C y U (no hay T). La cadena de ARN es más corta que la de ADN y puede localizarse en el núcleo y en el citoplasma celular. La función del ARN es extraer la información del ADN y dirigir la síntesis de proteínas a partir de esta información.

Tipos de ARN

• ARN Mensajero (ARNm): Constituye entre el 3% y 5% del ARN. Es una larga cadena de ribonucleótidos con una estructura lineal. Su función es copiar la información genética del ADN y transportarla desde el núcleo hasta los ribosomas para que se sinteticen las proteínas.
• ARN Ribosómico (ARNr): Es el más abundante. Son moléculas largas y monocatenarias. Varias de ellas están asociadas a un conjunto de proteínas básicas y forman las dos subunidades de los ribosomas.
• ARN Transferente (ARNt): Constituye un 10% del ARN y está formado por pocos nucleótidos. Su función es transportar los aminoácidos del citoplasma hasta los ribosomas para formar las proteínas.
• ARN Nucleolar (ARNn): Está asociado a diferentes proteínas, formando el nucléolo de las células eucariotas.

Nucleótidos con Función Energética y Coenzimática

El ADP (Adenosín Difosfato) y el ATP (Adenosín Trifosfato) son las moléculas transportadoras de energía más importantes. Los enlaces que unen entre sí los tres grupos fosfato en el ATP se llaman enlaces de alta energía y son enlaces que liberan gran cantidad de energía al ser hidrolizados. La energía almacenada en el ATP es utilizada para realizar las funciones vitales.

La Coenzima A está formada por ADP, ácido pantoténico y una cadena corta de etilamina unida a un grupo tiol.

Funciones de los Nucleótidos

• Transporte de Energía: Los nucleótidos acumulan gran cantidad de energía en sus enlaces éster con los ácidos fosfóricos, y así puede ser transportada hasta los lugares donde la necesite la célula. La hidrólisis del enlace libera la energía acumulada.
• Mensajeros Intracelulares: El adenosín monofosfato cíclico (AMPc) actúa como segundo mensajero, activando las enzimas correspondientes en el interior de la célula.
• Coenzimas: Algunos nucleótidos forman coenzimas, como la Coenzima A y las coenzimas de enzimas deshidrogenasas (NAD, FAD).
• Componentes Estructurales de los Ácidos Nucleicos.