20.11: Proteínas

La capacidad de servir una variedad de funciones es característica de la mayoría de las biomoléculas. En ninguna parte se ejemplifica mejor esta versatilidad que por las proteínas. Quizás por sus múltiples funciones, las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células vivas, constituyendo más del 50 por ciento de la masa una vez que se elimina el agua. Se estima que el cuerpo humano contiene más de un millón de tipos diferentes de proteínas, e incluso un organismo unicelular contiene miles. Cada uno de estos es un polímero de aminoácidos que tiene una composición altamente específica, un peso molecular único (generalmente en el rango de 6000 a 1 000 000) y su propia secuencia de diferentes aminoácidos a lo largo de la cadena polimérica.

Las proteínas pueden dividirse en dos clases principales en función de su comportamiento cuando reaccionan con agua. Los productos obtenidos tras la hidrólisis de proteínas simples son todos aminoácidos. En el caso de las proteínas conjugadas se obtienen otras sustancias orgánicas y/o inorgánicas. Las porciones no aminoacídicas de las proteínas conjugadas pueden consistir en metales, lípidos, azúcares, fosfato u otros tipos de moléculas. Estos componentes son referidos como grupos protésicos.

Las proteínas también se pueden subdividir en base a su forma molecular o conformación. En las proteínas fibrosas se disponen cadenas poliméricas largas paralelas o casi paralelas entre sí para dar fibras o láminas largas. Esta disposición da como resultado materiales físicamente duros que no se disuelven en agua. Las proteínas fibrosas son componentes fundamentales de los tejidos estructurales como tendones, hueso, pelo, cuerno, cuero, garras y plumas.

Por el contrario, las cadenas poliméricas de las proteínas globulares se pliegan sobre sí mismas para producir formas compactas, casi esféricas. La mayoría de las proteínas globulares son solubles en agua y por lo tanto son relativamente móviles dentro de una célula. Algunos ejemplos son enzimas, anticuerpos, hormonas, toxinas y sustancias como la hemoglobina cuya función es transportar moléculas simples o incluso electrones de un lugar a otro. La enzima tripsina, es una proteína globular típica.

Otra clase de proteínas son las proteínas de membrana, que, como su nombre sugiere, residen en la membrana bicapa lipídica de una célula. Dichas proteínas pueden actuar como canales para iones u otras moléculas incapaces de pasar a través de la bicapa lipídica; como transductores de señal, capaces de responder a moléculas de señal en un lado de una membrana para comenzar una respuesta molecular en el otro lado de la membrana; o como anclajes de otras moléculas a la membrana celular, para nombrar algunos ejemplos de función de la proteína de membrana. Debido a que estas proteínas interactúan con porciones no polares de la bicapa lipídica, no mantienen la función y la estructura en una solución acuosa, haciéndolas mucho más difíciles de estudiar que las proteínas globulares o las proteínas fibrosas.

Enzimas

Las enzimas son la clase de proteínas más extensa y altamente especializada. La estructura y el modo de acción de la tripsina, una enzima típica, se describieron en enzimas. La mayoría de los procesos catalizados por enzimas ocurren de 10 ⁸ a 10 ¹¹ veces más rápido que las reacciones no catalizadas. La especificidad es tan grande en algunos casos que solo una molécula en particular puede servir como sustrato de la enzima. Incluso las estructuras estrechamente relacionadas son incapaces de encajar en el sitio activo, por lo que sus reacciones no pueden acelerarse. A menudo, una enzima estará catalíticamente inactiva hasta que los sustratos correctos ingresen al sitio activo e induzcan un cambio conformacional de la enzima a su forma activa.

Las enzimas son de crucial importancia para los organismos vivos porque catalizan casi todas las reacciones importantes en el metabolismo celular. En los casos en que sea necesario llevar a cabo una reacción no espontánea, las enzimas son capaces de acoplar una reacción que tenga un cambio negativo de energía libre a la deseada. Cuando un sistema vivo se reproduce, crece o repara los daños causados por el ambiente externo, las enzimas catalizan las reacciones necesarias. Algunas enzimas son incluso estimuladas o inhibidas por la presencia de moléculas más pequeñas. Esto permite la regulación de las concentraciones de ciertas sustancias debido a que estas últimas pueden desactivar las enzimas que inician su síntesis. A nivel molecular, las enzimas son los medios por los cuales se mantiene funcionando el mecanismo de una célula.