2.10: Proteínas

Las proteínas son macromoléculas. Se construyen a partir de una o más cadenas de aminoácidos no ramificadas; es decir, son polímeros. Una proteína eucariota promedio contiene alrededor de 500 aminoácidos pero algunas son mucho más pequeñas (las más pequeñas a menudo se llaman péptidos) y otras mucho más grandes (la más grande hasta la fecha es la titina, una proteína que se encuentra en el músculo esquelético y cardíaco; ¡una versión contiene 34,350 aminoácidos en una sola cadena! ).

Toda función en la célula viva depende de las proteínas.

• El movimiento y la locomoción de células y organismos depende de las proteínas. [Ejemplos: Músculos, Cilios y Flagelos]
• La catálisis de todas las reacciones bioquímicas es realizada por enzimas, que contienen proteínas.
• La estructura de las células, y la matriz extracelular en la que están incrustadas, está compuesta en gran parte de proteínas. [Ejemplos: Colágenos] (Las plantas y muchos microbios dependen más de los carbohidratos, por ejemplo, la celulosa, para el soporte, pero estos son sintetizados por enzimas).
• El transporte de materiales en los fluidos corporales depende de proteínas.
• Los receptores para hormonas y otras moléculas de señalización son proteínas.
• Las proteínas son un nutriente esencial para los heterótrofos.
• Los factores de transcripción que encienden y apagan los genes para guiar la diferenciación de la célula y su posterior respuesta a las señales que la alcanzan son proteínas.
• y muchos más — las proteínas son verdaderamente la base física de la vida.

La proteína aquí representada muestra muchas de las características de las proteínas. Examinemos algunos de ellos mientras te desplazas hacia abajo en la imagen. La proteína consiste en dos cadenas polipeptídicas, una larga a la izquierda de 346 aminoácidos —se llama la cadena pesada — y una corta a la derecha de 99 aminoácidos. La cadena pesada se muestra como constituida por 5 regiones o dominios principales:

• tres dominios extracelulares, designados aquí como N (incluye el N-terminal), C1 y C2;
• un dominio transmembrana donde la cadena polipeptídica pasa a través de la membrana plasmática de la célula;
• un dominio citoplásmico (con el terminal C) dentro del citoplasma de la célula.

Figura 2.10.X: Estructura del ciclotido prototípico kalata B1 (dominio público: KalataB1).

Inteins

Otra modificación postraduccional muy rara es la posterior eliminación de una sección del polipéptido y el corte y empalme (con un enlace peptídico) del resto de los segmentos N-terminal y C-terminal. La porción eliminada se llama inteína (un “intrón de proteína”), y los segmentos ligados se llaman exteínas (“exones de proteínas”). Se han descubierto genes que codifican inteínas en una variedad de organismos, incluyendo

• algunas bacterias “verdaderas” como
  • Bacillus subtilis
  • varias micobacterias
  • varias algas verdeazuladas (cianobacterias)
• algunas Archaea como
  • Methanococcus jannaschii
  • Aeropyrum pernix
• y algunos eucariotas unicelulares, por ejemplo, levadura en ciernes (Saccharomyces cerevisiae).
• No se ha encontrado ninguno en los genomas de eucariotas multicelulares como Drosophila, C. elegans o la planta verde Arabidopsis.

Cómo las proteínas obtienen su forma

La función de una proteína está determinada por su forma. La forma de una proteína está determinada por su estructura primaria (secuencia de aminoácidos). La secuencia de aminoácidos en una proteína está determinada por la secuencia de nucleótidos en el gen (ADN) que la codifica. La función de una proteína (excepto cuando está sirviendo como alimento) depende absolutamente de su estructura tridimensional. Varios agentes pueden alterar esta estructura desnaturalizando así la proteína.

• cambios en el pH (altera las interacciones electrostáticas entre aminoácidos cargados)
• cambios en la concentración de sal (hace lo mismo)
• cambios en la temperatura (las temperaturas más altas reducen la fuerza de los enlaces de hidrógeno)
• presencia de agentes reductores (romper los enlaces S-S entre cisteínas)

Ninguno de estos agentes rompe los enlaces peptídicos, por lo que la estructura primaria de una proteína permanece intacta cuando se desnaturaliza. Cuando una proteína se desnaturaliza, pierde su función.

Ejemplo 2.10.1

• Una enzima desnaturalizada deja de funcionar.
• Un anticuerpo desnaturalizado ya no puede unirse a su antígeno.

A menudo, cuando una proteína se ha desnaturalizado suavemente y luego se devuelve a condiciones fisiológicas normales de temperatura, pH, concentración de sal, etc., recupera espontáneamente su función (por ejemplo, actividad enzimática o capacidad para unirse a su antígeno). Esto nos dice

• La proteína ha reanudado espontáneamente su forma tridimensional nativa.
• Su capacidad para hacerlo es intrínseca; no se necesitó ningún agente externo para que se replegara correctamente.

Sin embargo, existen:

• enzimas que agregan azúcares a ciertos aminoácidos, y estos pueden ser esenciales para el correcto plegamiento;
• proteínas, llamadas chaperonas moleculares, que pueden permitir que una proteína recién sintetizada adquiera su forma final de manera más rápida y confiable de lo que haría de otra manera.

Chaperones

Aunque la estructura tridimensional (terciaria) de una proteína está determinada por su estructura primaria, puede necesitar ayuda para lograr su forma final.

• A medida que se sintetiza un polipéptido, emerge (primero N-terminal) del ribosoma y comienza el proceso de plegamiento.
• Sin embargo, el polipéptido emergente se encuentra rodeado por el citosol acuoso y muchas otras proteínas.
• A medida que aparecen los aminoácidos hidrófobos, deben encontrar otros aminoácidos hidrófobos con los que asociarse. Idealmente, estos deberían ser propios, pero existe el peligro de que se puedan asociar con proteínas cercanas en su lugar, lo que lleva a la agregación y a que no se forme la estructura terciaria adecuada.

Para evitar este problema, las células de todos los organismos contienen chaperonas moleculares que estabilizan los polipéptidos recién formados mientras se pliegan en su estructura adecuada. Los chaperones utilizan la energía del ATP para realizar este trabajo.

Chaperoninas

Algunas proteínas son tan complejas que se necesita un subconjunto de chaperonas moleculares —llamadas chaperoninas—. Las chaperoninas son cilindros huecos en los que encaja la proteína recién sintetizada mientras se pliega. La pared interna del cilindro está revestida con aminoácidos hidrofóbicos que estabilizan las regiones hidrofóbicas de la cadena polipeptídica mientras se pliega de forma segura alejándose del

• citosol acuoso y
• otras proteínas en el exterior.

Las chaperoninas también utilizan ATP como fuente de energía para impulsar el proceso de plegado.

Como se mencionó anteriormente, las altas temperaturas pueden desnaturalizar las proteínas, y cuando una célula se expone a altas temperaturas, varios tipos de chaperonas moleculares entran en acción. Por esta razón, estas chaperonas también se denominan proteínas de choque térmico (HSP). Las chaperonas moleculares no solo ayudan en el plegamiento de proteínas recién sintetizadas, sino que algunas de ellas también pueden desplegar proteínas agregadas y luego replegar la proteína correctamente. La agregación de proteínas es la causa de trastornos como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Huntington y las enfermedades priónicas (por ejemplo, la enfermedad de “vaca loca”). Quizás algún día se encuentren formas de tratar estas enfermedades aumentando la eficiencia de las chaperonas desagregantes.

A pesar de la importancia de las chaperonas, la regla aún se mantiene: la forma final de una proteína está determinada por una sola cosa: la secuencia precisa de aminoácidos en la proteína. Y la secuencia de aminoácidos en cada proteína viene dictada por la secuencia de nucleótidos en el gen que codifica esa proteína. Por lo que la función de cada una de las miles de proteínas en un organismo es especificada por uno o más genes.

Estructura primaria

La estructura primaria de una proteína es su secuencia lineal de aminoácidos y la ubicación de cualquier puente disulfuro (-S-S-). Tenga en cuenta el terminal amino o "N-terminal" (NH ₃ ⁺) en un extremo; carboxilo terminal (” C-terminal “) (COO ^-) en el otro.

Estructura secundaria

La mayoría de las proteínas contienen uno o más tramos de aminoácidos que adquieren una estructura característica en el espacio 3-D. Los más comunes son la hélice alfa y la conformación beta.

Hélice Alfa

Los grupos R de los aminoácidos se extienden todos hacia el exterior.

• La hélice hace un giro completo cada 3.6 aminoácidos.
• La hélice es diestra; se tuerce en el sentido de las agujas del reloj.
• El grupo carbonilo (-C=O) de cada enlace peptídico se extiende paralelo al eje de la hélice y apunta directamente al grupo -N-H del enlace peptídico 4 aminoácidos debajo de él en la hélice. Se forma un enlace de hidrógeno entre ellos [-N-H······O=C-]

Conformación Beta

• consiste en pares de cadenas que se encuentran lado a lado y
• estabilizado por enlaces de hidrógeno entre el átomo de oxígeno carbonilo en una cadena y el grupo -NH en la cadena adyacente.
• Las cadenas suelen ser “antiparalelas”; la dirección N-terminal a C-terminal de una es la inversa de la otra.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria se refiere a la estructura tridimensional de toda la cadena polipeptídica.

Las imágenes (cortesía del Dr. D. R. Davies) representan la estructura terciaria de la porción de unión al antígeno de una molécula de anticuerpo. Cada círculo representa un carbono alfa en una de las dos cadenas polipeptídicas que componen esta proteína. (Los círculos rellenos en la parte superior son aminoácidos que se unen al antígeno). La mayor parte de la estructura secundaria de esta proteína consiste en conformación beta, que es particularmente fácil de ver en el lado derecho de la imagen.

Intente fusionar estas dos imágenes en una vista estereoscópica (3D). Encuentro que funciona mejor cuando mis ojos están a unos 18" de la pantalla y trato de relajarme para que mis ojos se dirijan a un punto detrás de la pantalla.

Cuando toda la proteína o partes de una proteína se exponen al agua (por ejemplo, en la sangre o el citosol), se encuentran en la superficie grupos R hidrófilos —incluidos los grupos R con azúcares unidos; los grupos R hidrófobos están enterrados en el interior.

Importancia de la estructura terciaria

La función de una proteína (excepto como alimento) depende de su estructura terciaria. Si esto se altera, se dice que la proteína está desnaturalizada, y pierde su actividad. Ejemplos:

• Las enzimas desnaturalizadas pierden su poder catalítico
• Los anticuerpos desnaturalizados ya no pueden unirse al antígeno

Una mutación en el gen que codifica una proteína es una causa frecuente de alteración de la estructura terciaria.

• Curiosamente, pequeñas cantidades de la versión mutante pueden desencadenar la conversión alfa a beta en la proteína normal. Así, la versión mutante puede ser infecciosa. Ha habido varios casos en Europa de personas enfermas con la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob que pueden haberla adquirido al ingerir pequeñas cantidades de la proteína mutante en su carne de res.
• Varias otras proteínas alteradas por una mutación puntual en el gen que las codifica, p. ej.
  • fibrinógeno
  • lisozima
  • transtiretina (una proteína sérica que transporta tiroxina y retinol (vitamina A) en la sangre)
  puede formar depósitos amiloides insolubles en humanos.

Los numerosos enlaces de hidrógeno que se pueden formar entre las cadenas principales polipeptídicas en la conformación beta sugieren que esta es una estructura secundaria estable potencialmente disponible para muchas proteínas y, por lo tanto, también lo es una tendencia a formar agregados insolubles. La evitación de la formación de amiloide puede explicar la gran inversión en la célula en

• chaperones
• proteasomas

así como la importancia crucial de las cadenas laterales de aminoácidos particulares para mantener una estructura terciaria globular y, por lo tanto, soluble.

Dominios Proteínas

La estructura terciaria de muchas proteínas se construye a partir de varios dominios. A menudo, cada dominio tiene una función separada para realizar para la proteína, como:

• unirse a un ligando pequeño (por ejemplo, un péptido en la molécula mostrada aquí)
• abarcando la membrana plasmática (proteínas transmembrana)
• que contiene el sitio catalítico (enzimas)
• Encuadernación al ADN (en factores de transcripción)
• proporcionar una superficie para unirse específicamente a otra proteína

En algunos casos (pero no en todos), cada dominio en una proteína está codificado por un exón separado en el gen que codifica esa proteína. En la molécula de histocompatibilidad que se muestra aquí,

• tres dominios α ₁, α ₂ y α ₃ están codificados cada uno por su propio exón.
• Dos dominios adicionales, un dominio transmembrana y un dominio citoplásmico, también están codificados por exones separados.
• (β ₂ -microglobulina, “β ₂ m”, NO es un dominio de esta molécula. Es una molécula separada que se une a los tres dominios alfa (línea roja y círculo) únicamente por fuerzas no covalentes. El complejo de estas dos proteínas es un ejemplo de estructura cuaternaria).

Esta imagen (cortesía de P. J. Bjorkman de Nature 329:506, 1987) es una representación esquemática de la porción extracelular de HLA-A2, una molécula de histocompatibilidad de clase I humana. También ilustra dos ejemplos comunes de estructura secundaria: los tramos de conformación beta están representados por las flechas verdes anchas (apuntando N -> C terminal); las regiones de hélice alfa se muestran como cintas helicoidales. Los pares de esferas moradas representan los puentes disulfuro. Una correspondencia entre exones y dominios es más probable que se vea en proteínas recientemente evolucionadas. Presumiblemente, el "barajado de exones" durante la evolución ha permitido a los organismos fabricar nuevas proteínas, con nuevas funciones, al agregar exones de otras partes del genoma para codificar nuevos dominios (más bien como las piezas de Lego®).

Estructura Cuaternaria

Complejos de 2 o más cadenas polipeptídicas mantenidas unidas por fuerzas no covalentes (generalmente) pero en proporciones precisas y con una configuración 3-D precisa. La asociación no covalente de una molécula de beta-2 microglobulina con la cadena pesada de cada molécula de histocompatibilidad clase I es un ejemplo.

Cinesia de Proteína

Todas las proteínas son sintetizadas por ribosomas utilizando la información codificada en moléculas de ARN mensajero (ARNm). Los diversos destinos para las proteínas ocurren en dos conjuntos principales:

• un conjunto para aquellas proteínas sintetizadas por ribosomas que permanecen suspendidos en el citosol, y
• un segundo conjunto para proteínas sintetizadas por ribosomas que se unen a las membranas del retículo endoplásmico (ER) formando “retículo endoplásmico rugoso” (RER).

Algunos de los destinos importantes para las proteínas son:

• el citosol
• el núcleo
• mitocondrias
• cloroplastos
• peroxisomas