Las proteínas son polipéptidos naturales que se construyen a partir de una gran cantidad de residuos de aminoácidos. Se organizan en cadenas lineales y se conectan entre sí mediante enlaces peptídicos entre el átomo de carbono y el grupo amino de dos aminoácidos.
La secuencia de aminoácidos en una proteína está definida en los genes y contenida en el código genético. El código genético está determinado por 20 aminoácidos «básicos». Las proteínas pueden trabajar juntas para lograr ciertas funciones más fácilmente, y es por eso que se unen en complejos estables. Como todas las macromoléculas biológicas, como los polisacáridos y los aminoácidos, las proteínas forman parte de los organismos vivos y participan en todos los procesos entre las células.
Muchas proteínas son enzimas que catalizan reacciones bioquímicas y son importantes para el metabolismo. Otros tienen funciones estructurales o mecánicas como proteínas en el citoesqueleto, formando la «columna vertebral» que da forma a la célula. Son importantes en la transducción de señales celulares, la adhesión celular, el sistema inmunitario y el ciclo celular. Son necesarios en nuestra dieta, porque los animales no pueden sintetizar todos los aminoácidos y deben tomar algunos de los alimentos.
La palabra proteína tiene su origen en la palabra griega Ελληνική, que significa «la más importante, la primera». Estas moléculas fueron descritas y nombradas por primera vez por Jons Berzelius en 1838. La primera proteína que se aisló fue la insulina, y el más merecedor de esto fue Frederick Sanger, quien recibió el Premio Nobel en 1958 por este descubrimiento. Entre los primeros, se descubrieron la hemoglobina y la mioglobina en base a la cristalografía de rayos X.
Las proteínas son polímeros lineales construidos a partir de unos 20 aminoácidos L-α diferentes. Todos los aminoácidos comparten características estructurales comunes, incluido el carbono α al que se unen el grupo amino, el grupo COO- y la cadena lateral.
Solo la prolina difiere en estructura lateral porque contiene un anillo inusual en el extremo N del grupo amino que mantiene el resto CO-NH en una conformación fija. La cadena lateral de aminoácidos, cuyos detalles se dan en la lista de aminoácidos estándar, tiene diferentes características químicas que reproducen la estructura 3D.
Los aminoácidos en la cadena polipeptídica están conectados por enlaces peptídicos. El enlace peptídico está formado por grupos COO– y [NH3]+. Un enlace peptídico es la base de una cadena peptídica. La formación de enlaces peptídicos da como resultado la liberación de H2O. La secuencia repetida de NCC es la «columna vertebral» del péptido, mientras que las cadenas laterales (R) se encuentran a los lados. El etiquetado del orden lineal de los residuos de aminoácidos va desde el extremo N-terminal hasta el extremo C-terminal.
El carácter parcialmente bicatenario del enlace peptídico hace que la cadena tenga solo dos grados de libertad por aminoácido, de modo que el oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno de la amida están en el mismo plano que el enlace peptídico y solo rotan alrededor. CO-Cα y N-Cα es posible. Debido a las interacciones estéricas, el oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del grupo amida están en la posición trans energéticamente más favorable (trans es más estable que cis por 8 KJ/mol). El extremo de la proteína con un grupo COO– libre se designa como el extremo C-terminal y el extremo [NH3]+ como el extremo N-terminal.
Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos, cuya disposición está escrita en los genes. Cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos única que está determinada por la secuencia de nucleótidos en el gen, que está determinada por la proteína. El código genético es un conjunto de tres nucleótidos llamados codones. Las tres combinaciones de nucleótidos son específicas de un aminoácido, por ejemplo, AUG es la combinación de metionina.
El ADN contiene cuatro nucleótidos diferentes, lo que significa que el número de posibles combinaciones de codones es 64. Los genes contenidos en el ADN se transcriben primero en ARN informativo a través de mensajeros (ARNi), como la ARN polimerasa. Luego pasa a los ribosomas. En los procariotas, el ARNm se puede usar solo o unido a los ribosomas que lo transportan desde los nucleótidos.
Los eucariotas producen ARNm en el núcleo celular y luego se mueven a través de la membrana nuclear hacia el citoplasma donde se produce la síntesis de proteínas. El proceso de síntesis de proteínas usando ARNm se llama traducción. El ARNm se inserta en los ribosomas y encuentra los tres nucleótidos que lo emparejan. Las enzimas aminoacil-tRNA sintetasa llenan el tRNA con los aminoácidos apropiados. Las proteínas siempre se sintetizan desde el extremo N hasta el extremo C.
Las proteínas se pueden clasificar en tres clases: proteínas globulares, proteínas fibrilares, proteínas de membrana.
Casi todas las proteínas globulares son solubles y muchas de ellas también son enzimas. Según el tipo de estructura secundaria que los domine, se pueden dividir en:
- Proteínas de hélice α antiparalelas
- Proteínas del plano β paralelas o combinadas
- Proteínas antiparalelas del plano β
- Pequeñas proteínas ricas en sulfuros metálicos
El interior y el exterior de la proteína están bien definidos:
- Los residuos de aminoácidos no polares se dirigen casi exclusivamente hacia el interior de la molécula de proteína.
- Los residuos cargados de aminoácidos polares se dirigen casi exclusivamente hacia la superficie
- Los residuos no cargados de aminoácidos polares se encuentran tanto en el interior como en la superficie de la proteína.
- casi todos los grupos que pueden formar enlaces de hidrógeno están posicionados de manera que se formen estos enlaces
Las proteínas fibrilares son moléculas muy alargadas, cuya estructura secundaria forma un motivo estructural dominante. La mayoría de las veces tienen una función estructural o motora. Incluyen queratina α y β, fibronectina, colágeno, elastina.
Las proteínas de membrana se dividen en integrales y periféricas. Las integrales están firmemente incrustadas en la membrana a la que están unidas por enlaces hidrofóbicos. Los periféricos se separan fácilmente de la membrana, a la que suelen unirse mediante proteínas integrales, interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno. La parte de la estructura de la proteína de membrana que está en contacto directo con la membrana está dispuesta frente a la parte de la solución acuosa. Los grupos laterales hidrofóbicos y las estructuras miran hacia afuera, mientras que el núcleo es relativamente polar.
Las proteínas de membrana no están fijas, pero se les permite moverse transversalmente, y algunas incluso se mueven de un tirón. No se distribuyen uniformemente en la membrana, sino que hay partes de la membrana con más o menos de alguna proteína. Las proteínas que construyen canales iónicos o acuaporinas son particularmente interesantes, porque la parte que atraviesa la membrana debe ser no polar hacia los lípidos y polar o incluso cargada hacia el interior del canal.
Clasificación de las proteínas según su función
Con el fin de clasificar estructuralmente las proteínas, se han desarrollado varios métodos. Esta búsqueda también tiende a clasificar los datos en la base de datos de proteínas en orden estructural. Hay varias bases de datos que clasifican las proteínas utilizando diferentes métodos.
SCOP, CATH y FSSP representan los más grandes. Los métodos utilizados son puramente manuales, manuales y automatizados o puramente automatizados. La clasificación es la misma para la mayoría de las proteínas clasificadas en estas bases de datos, pero aún existen algunas discrepancias e inconsistencias.
Alrededor del 90 % de las estructuras de proteínas disponibles en la base de datos de proteínas se han determinado mediante cristalografía de rayos X. Este método permite la medición de la densidad 3D de la distribución de electrones en la proteína, a partir de la cual se pueden sacar conclusiones sobre las coordenadas 3D de todos los átomos con cierta certeza.
Aproximadamente el 9% de las estructuras proteicas conocidas se han obtenido utilizando técnicas de resonancia magnética nuclear, que también se pueden utilizar para determinar la estructura secundaria. Debe enfatizarse que los aspectos de la estructura secundaria pueden determinarse completamente utilizando otras técnicas bioquímicas como el dicroísmo circular.
La estructura secundaria también se puede predecir con una alta tasa de precisión. La microscopía crioelectrónica se ha convertido recientemente en un método de baja resolución para la determinación de la estructura de proteínas, pero se prevé que se convierta en una herramienta para la determinación de alta resolución en la próxima década. Esta técnica sigue siendo un recurso valioso para el trabajo de investigación con complejos proteicos muy grandes, como la proteína de membrana viral y las fibrillas de amiloide.
Clasificación de las proteínas según su estructura
Los bioquímicos se refieren a cuatro aspectos diferentes de la estructura de la proteína:
- Estructura primaria: secuencia de aminoácidos de la cadena peptídica (número, tipo y orden de los aminoácidos en la proteína)
- Estructura secundaria: subestructuras muy regulares – hélice alfa y plano beta. Las estructuras secundarias se definen localmente, lo que significa que puede haber diferentes motivos secundarios en una sola molécula de proteína.
- Estructura terciaria: la estructura tridimensional de una molécula de proteína individual; disposición espacial de la estructura secundaria. El proceso de ruptura de la estructura terciaria – desnaturalización.
- Estructura cuaternaria: un complejo de varias moléculas proteicas o cadenas polipeptídicas, normalmente denominada subunidad proteica, que funciona como parte de un conjunto mayor o complejo proteico.
Una proteína puede cambiar a través de varias estructuras similares al realizar funciones biológicas. En el contexto de estos reordenamientos funcionales, las estructuras terciarias y cuaternarias se denominan comúnmente «conformaciones», y las transiciones entre ellas son cambios conformacionales.
La estructura primaria se caracteriza por una conexión estructural por enlaces peptídicos covalentes (químicamente hablando, estos son grupos funcionales amida), que se formaron durante el proceso de traducción. Los dos extremos de la cadena de aminoácidos se denominan extremo carboxilo (terminal C) y extremo amino (terminal N) según la naturaleza de su grupo libre en cada extremo.
Los diferentes tipos de estructura secundaria están determinados por diferentes patrones de enlaces de hidrógeno entre los grupos peptídicos de la cadena principal. Sin embargo, estos enlaces de hidrógeno generalmente no son estables en ellos, ya que el enlace de hidrógeno agua-amida es más favorable que el enlace de hidrógeno amida-amida. Más específicamente, la estructura secundaria es estable solo cuando la concentración local de agua es lo suficientemente alta, por ejemplo, en el estado completamente plegado.
De manera similar, el orden de las proteínas globulares y su estructura terciaria está determinado principalmente por interacciones estructurales no específicas, como las propensiones turbulentas de los aminoácidos y las interacciones hidrofóbicas. Sin embargo, la estructura terciaria se determina solo cuando partes de un dominio de proteína se fijan en su lugar mediante interacciones estructurales específicas, como interacciones iónicas, enlaces de hidrógeno y empaquetamiento apretado en las cadenas laterales. La estructura terciaria de las proteínas extracelulares también puede estabilizarse mediante enlaces disulfuro, que reducen la entropía de las formas estiradas. Los puentes disulfuro son extremadamente raros en las proteínas citoplasmáticas, ya que el citoplasma es generalmente un entorno reductor.
Clasificación de las proteínas por su conformación
Los átomos ubicados a lo largo de la cadena lateral se designan con las letras del alfabeto griego en el orden de ese alfabeto: α, β, γ, δ y así sucesivamente. El átomo de Cα (o α-C) generalmente se considera parte de la columna vertebral. Los ángulos diedros alrededor de los enlaces entre los átomos se denominan π1, π2, π3, etc.
Por ejemplo, los átomos de carbono primero y segundo en la cadena lateral de la lisina son α y β, y los ángulos diedros alrededor del enlace α-β se denominan π1. La cadena lateral puede tener diferentes conformaciones que llamamos cis(-), trans y cis(+). Las cadenas laterales generalmente intentan entrar en una conformación escalonada alrededor de π2, impulsada por la minimización de la superposición entre los orbitales electrónicos de los átomos de hidrógeno.
Clasificación de las proteínas de las fibras musculares
Las fibras musculares o miofibrillas, también conocidas como fibras musculares, son las unidades básicas de banda de varilla de una célula muscular. Los músculos están formados por células de miocitos tubulares, conocidas como fibras musculares estriadas. Este tipo de célula contiene muchas cadenas de miofibrillas. Las miofibrillas se crean durante el desarrollo embrionario, en un proceso conocido como miogénesis.
Las miofibrillas consisten en proteínas largas, que incluyen: actina, miosina, titina y otras proteínas que las mantienen unidas. Estas proteínas están organizadas en hebras gruesas y delgadas llamadas miofilamentos, que se repiten a lo largo de las miofibrillas en secciones llamadas sarcómeros. Los músculos se contraen (espasmos) al deslizar fibras más gruesas (miosina) y más delgadas (actina) entre sí.
Clasificación de las proteínas según su solubilidad
La solubilidad de las proteínas y la precipitación son algunas de las características importantes.
Las sales neutras tienen una gran influencia en la solubilidad de las proteínas. A altas concentraciones de sal, es posible precipitar proteínas. Este fenómeno se conoce como formación de sales en las proteínas y puede explicarse por el hecho de que los iones de sal tienden a tomar moléculas de agua de las moléculas de proteína, lo que provoca la precipitación.
En el punto isoeléctrico, la solubilidad de la proteína es la más baja. Entonces no hay fuerzas repulsivas entre las moléculas sin carga (la proteína IET no está cargada), y cuando chocan en la solución, se produce la precipitación o agregación de la proteína. A valores de pH que están por encima o por debajo del valor de la proteína IET, las moléculas de proteína tienen el mismo tipo de carga, las moléculas se repelen y permanecen en la solución.
Las proteínas con propiedades similares se pueden separar sobre la base de moléculas con carga diferente mediante electroforesis. Las moléculas de proteína cargadas se mueven en un campo eléctrico, y la velocidad de movimiento de las moléculas dependerá del tipo y la cantidad de no carga, la fuerza del campo eléctrico y el tamaño de la molécula.
La carga de las proteínas afectará la dirección de su movimiento y su tamaño afectará la velocidad del movimiento. Así, las moléculas de proteína cargadas negativamente se moverán hacia el cátodo (electrodo positivo), y las moléculas de proteína sin carga positiva se moverán hacia el ánodo (electrodo cargado negativamente), a diferentes velocidades.
Como la carga de la proteína depende del tipo de proteína y del valor de pH, las condiciones para la separación de proteínas pueden ajustarse. La electroforesis se realiza aplicando una mezcla de proteínas a un soporte adecuado, que se coloca en un aparato de electroforesis. Al conectarse a una fuente de corriente continua y usar un tampón adecuado, se crean las condiciones para la separación y el análisis de las proteínas en la mezcla.
Para detectar las proteínas separadas después de la separación, el soporte se tiñe con tintes apropiados y, según la intensidad del color, se puede determinar la cantidad de proteínas separadas.
Una reacción general para la detección de proteínas es la reacción de Biuret. Se utiliza como reactivo una solución alcalina de sulfato de cobre (II), que produce una coloración púrpura.
Beneficios de la clasificación de las proteínas
La clasificación de proteínas es el mecanismo por el cual la célula transporta proteínas a posiciones apropiadas dentro o fuera de la célula. La clasificación de objetivos puede tener lugar dentro del orgánulo, en una de las membranas internas, la membrana externa de la célula o en el espacio exterior a través de la secreción. Este proceso de entrega se realiza en base a la información contenida en la proteína. La clasificación correcta es crucial para la celda. Los errores de clasificación conducen a la enfermedad.
Las señales de clasificación son información que permite que la maquinaria de transporte celular coloque correctamente una proteína dentro o fuera de la célula. Esa información está contenida en la cadena polipeptídica o proteína plegada. Los segmentos continuos de residuos de aminoácidos que permiten la clasificación se denominan péptidos señal o péptidos de clasificación.
Hay dos tipos de péptidos de clasificación, presecuencias y péptidos de clasificación internos. Las presecuencias peptídicas de clasificación a menudo se ubican en el extremo N-terminal y consisten en 6-136 aminoácidos básicos e hidrofóbicos.
En el caso de los peroxisomas, las secuencias de clasificación se encuentran principalmente en el extremo C-terminal. Otras señales consisten en partes que están separadas en la secuencia primaria. Para funcionar, estos componentes deben unirse a la superficie de la proteína durante el plegamiento. Estas se llaman áreas de señal. Además, las modificaciones de proteínas, como la glicosilación, pueden inducir la clasificación.
Clasificación de las proteínas por el tipo
Además de construir la célula y sus partes, las proteínas realizan todas las funciones básicas del cuerpo. Enumeraremos solo los más famosos:
- las proteínas constructoras (estructurales) le dan a la célula su tamaño y forma y participan en los movimientos celulares y la interconexión de las células; los más famosos son la queratina, la elastina y el colágeno
- las proteínas reguladoras, las hormonas (en griego, hormon = poner en movimiento) tienen el papel de reguladores del metabolismo; casi no hay proceso en el cuerpo humano que no esté directa o indirectamente influenciado por una o más hormonas; son secretadas por las glándulas endocrinas a la sangre, donde llegan a los órganos sobre los que actúan; Químicamente, las hormonas pueden ser proteínas, derivados de aminoácidos o esteroides.
- los anticuerpos son proteínas de defensa que reaccionan con moléculas grandes de organismos extraños (antígenos) e impiden su acción; antígeno puede ser cualquier cosa que pueda dañar la salud del organismo, incluida su supervivencia en vida: bacterias, virus o veneno;
- las enzimas son catalizadores biológicos; todas las enzimas son proteínas
- las proteínas de transporte son capaces de unir ciertas moléculas y transportarlas a través de las membranas celulares o la sangre; así, la hemoglobina transporta oxígeno desde los pulmones a todos los tejidos y transporta dióxido de carbono en la dirección opuesta; la albúmina del plasma sanguíneo transfiere ácidos grasos;
- Las proteínas contráctiles son los elementos básicos en las células musculares que logran la contracción (acortamiento), como la actina y la miosina.
- Las proteínas de reserva se acumulan en semillas y huevos y tienen la función de almacenamiento de aminoácidos que se utilizan para el crecimiento y desarrollo del embrión.
Clasificación de las proteínas de acuerdo a su función biológica
Las proteínas son extremadamente importantes desde un punto de vista biológico. Entonces, veámoslo de esta manera:
| Proteína | Ejemplo | El papel |
| Enzimas | Aceleración de procesos bioquímicos | |
| Transporte | HemoglobinaMioglobinaAlbúmina de suero | Transporte de O2 y CO2Transporte de O2 en los músculosTransporte de ácidos grasos, medicamentos |
| Protector, defensivo o protector | Inmunoglobulinas (anticuerpos)FibrinógenoTrombin | Forman complejos con antígenos. Precursor de fibrina en la coagulaciónFactor de coagulación de la sangre |
| Hormonas | Insulina Hormonas de crecimiento (somatotropina) | Regulación del metabolismo de la glucosaEstimulación del crecimiento |
| Repuesto o almacenamiento | Ovoalbúmina (blancas)Caseína (leche) | Reserva de aminoácidos para el individuo |
| Contractible | ActinaMiosina | Movilidad muscular |
| Estructural | α – keratinColágeno Elastina | Construye cabello, piel, plumas, uñas.Construye tejido conectivoConstruye tejidos conectivos (ligamentos) |
| Toxinas | Clostridium BotulinumVeneno de serpiente | / |