química
Las proteínas se pueden colocar en primer lugar en el "mundo biológico" ya que, dadas sus múltiples funciones, no habría vida sin ellas.
El análisis elemental de proteínas arroja los siguientes valores medios: 55% de carbono, 7% de hidrógeno y 16% de nitrógeno; está claro que las proteínas difieren entre sí, pero su composición elemental promedio difiere poco de los valores indicados anteriormente.
Constitucionalmente, las proteínas son macromoléculas formadas a partir de α-aminoácidos naturales; los aminoácidos se unen a través del enlace amida que se establece mediante la reacción entre un grupo amino de un a-aminoácido y el carboxilo de otro a-aminoácido.
Este enlace (-CO-NH-) también se denomina enlace peptídico ya que une péptidos (aminoácidos en combinación):
el obtenido es un dipéptido porque está compuesto por dos aminoácidos. Dado que un dipéptido contiene un grupo amino libre en un extremo (NH2) y un carboxilo en el otro (COOH), puede reaccionar con uno o más aminoácidos y alargar la cadena tanto por la derecha como por la izquierda, con la misma reacción. visto arriba.
La secuencia de reacciones (que, además, no son realmente tan simples) puede continuar indefinidamente: hasta que haya un polímero llamado polipéptido o proteína. La distinción entre péptidos y proteínas está ligada al peso molecular: normalmente para pesos moleculares superiores a 10.000 hablamos de proteínas.
Unir aminoácidos para obtener incluso proteínas pequeñas es una operación difícil, aunque recientemente se ha desarrollado un método automático para producir proteínas a partir de aminoácidos que da excelentes resultados.
La proteína más simple, por lo tanto, está formada por 2 aminoácidos: por convención internacional, la numeración ordenada de aminoácidos en una estructura de proteína comienza desde el aminoácido con el grupo a-amino libre.
estructura
Las moléculas de proteína están configuradas de tal manera que se pueden vislumbrar hasta cuatro organizaciones distintas: generalmente se distinguen, una estructura primaria, una secundaria, una terciaria y una cuaternaria.
Las estructuras primarias y secundarias son esenciales para las proteínas, mientras que las estructuras terciarias y cuaternarias son "accesorias" (en el sentido de que no todas las proteínas pueden tenerlas).
La estructura primaria está determinada por el número, tipo y secuencia de aminoácidos en la cadena de proteínas; Por tanto, es necesario determinar la secuencia ordenada de los aminoácidos que componen la proteína (saber esto significa conocer la secuencia exacta de bases de ADN que codifican esta proteína) que encuentra dificultades químicas no despreciables.
Fue posible determinar la secuencia ordenada de aminoácidos a través de la degradación de Edman: la proteína se hace reaccionar con fenilisotiocianato (FITC); inicialmente, el doblete de nitrógeno α-amino ataca al fenilisotiocianato que forma el derivado de tiocarbamilo; posteriormente, el producto obtenido se cicla dando el derivado de feniltiohidantoína que es fluorescente.
Edman ha ideado una máquina llamada secuenciador que ajusta automáticamente los parámetros (tiempo, reactivos, pH, etc.) para la degradación y proporciona la estructura primaria de las proteínas (por esto recibió el Premio Nobel).
La estructura primaria no es suficiente para interpretar completamente las propiedades de las moléculas de proteína; Se cree que estas propiedades dependen, de manera esencial, de la configuración espacial que tienden a asumir las moléculas de proteínas, plegándose de diversas formas: es decir, asumiendo lo que se ha definido como estructura secundaria de proteínas.
La estructura secundaria de las proteínas está parpadeando, es decir, tiende a desintegrarse debido al calentamiento; luego las proteínas se desnaturalizan, perdiendo muchas de sus propiedades características. Además de calentar por encima de 70 ° C, la desnaturalización también puede ser causada por irradiación o por la acción de reactivos (de ácidos fuertes, por ejemplo).
La desnaturalización de las proteínas por efecto térmico se observa, por ejemplo, al calentar la clara de huevo: se ve que pierde su aspecto gelatinoso y se convierte en una sustancia blanca insoluble. Sin embargo, la desnaturalización de las proteínas conduce a la destrucción de su estructura secundaria, pero deja inalterada su estructura primaria (la concatenación de los distintos aminoácidos).
Las proteínas adquieren el estructura terciaria cuando su cadena, aún flexible a pesar de la flexión de la estructura secundaria, se pliega de tal manera que origina una disposición tridimensional retorcida en forma de cuerpo macizo. Los responsables de la estructura terciaria son sobre todo los enlaces disulfuro que se pueden establecer entre la cisteína -SH dispersa a lo largo de la molécula.
La estructura cuaternaria, por otro lado, pertenece solo a proteínas formadas por dos o más subunidades. La hemoglobina, por ejemplo, está compuesta por dos pares de proteínas (es decir, en las cuatro cadenas de proteínas) ubicadas en los vértices de un tetraedro de tal manera que dan lugar a una estructura esférica; las cuatro cadenas de proteínas se mantienen unidas por fuerzas iónicas y no por enlaces covalentes.
Otro ejemplo de estructura cuaternaria es la de la insulina, que parece estar formada por hasta seis subunidades de proteínas dispuestas en pares en los vértices de un triángulo en el centro del cual hay dos átomos de zinc.
Fibrosis de proteínas
Son proteínas con cierta rigidez y que tienen un eje mucho más largo que el otro; la proteína fibrosa presente en mayor cantidad en la naturaleza es el colágeno (o colágeno).
Una proteína fibrosa puede asumir diferentes estructuras secundarias: α-hélice, β-hoja y, en el caso del colágeno, triple hélice; La hélice α es la estructura más estable, seguida de la hoja β, mientras que la menos estable de las tres es la triple hélice.
Α-elica
La hélice se denomina diestra si, siguiendo el esqueleto principal (orientado de abajo hacia arriba), se realiza un movimiento similar al atornillado de un tornillo a la derecha; mientras que la hélice es a la izquierda si el movimiento es análogo al atornillado de un tornillo a la izquierda. En las hélices α de la derecha, los sustituyentes -R de los aminoácidos son perpendiculares al eje principal de la proteína y miran hacia afuera, mientras que en las hélices a de la izquierda los sustituyentes -R están mirando hacia adentro. Las hélices a derechas son más estables que las zurdas porque entre las vati -R hay menos interacción y menos impedimentos estéricos. Todas las hélices α que se encuentran en las proteínas son dextrorotales.
La estructura de la α-hélice está estabilizada por los enlaces de hidrógeno (puentes de hidrógeno) que se forman entre el grupo carboxilo (-C = O) de cada aminoácido y el grupo amino (-NH) que se encuentra cuatro residuos más adelante en el secuencia lineal.
Un ejemplo de una proteína que tiene una estructura de hélice α es la queratina del cabello.
Β-prospecto
En la estructura de la hoja β, se pueden formar enlaces de hidrógeno entre aminoácidos que pertenecen a diferentes cadenas polipeptídicas pero paralelas entre sí o entre aminoácidos de la misma proteína incluso numéricamente distantes entre sí pero fluyendo en direcciones antiparalelas. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno son más débiles que los que estabilizan la forma de hélice α.
Un ejemplo de estructura de lámina β es la fibrina de seda (que también se encuentra en las telas de araña).
Al alargar la estructura de la hélice α, se lleva a cabo la transición de la hélice α a la hoja β; también el calor o la tensión mecánica permiten pasar de la hélice α a la estructura de la lámina β.
Por lo general, en una proteína, las estructuras de la hoja β están próximas entre sí porque se pueden establecer enlaces de hidrógeno entre cadenas entre las porciones de la propia proteína.
En las proteínas fibrosas, la mayor parte de la estructura de la proteína está organizada en una hélice α o una hoja β.
Proteinas globulares
Tienen una estructura espacial casi esférica (debido a los numerosos cambios de dirección de la cadena polipeptídica); algunas partes del ser pueden rastrearse hasta una estructura de hélice α o lámina β y, por otra parte, otras partes no son atribuibles a tales formas: la disposición no es aleatoria sino organizada y repetitiva.
Las proteínas mencionadas hasta ahora son sustancias de constitución completamente homogénea: es decir, secuencias puras de aminoácidos combinados; estas proteínas se llaman simples; hay proteínas compuestas por una parte proteica y una parte no proteica (grupo prostático) llamadas proteínas conjugadas.
El colágeno
Es la proteína más abundante en la naturaleza: está presente en los huesos, las uñas, la córnea y el cristalino del ojo, entre los espacios intersticiales de algunos órganos (por ejemplo, el hígado), etc.
Su estructura le confiere unas capacidades mecánicas particulares; tiene una gran resistencia mecánica asociada a una alta elasticidad (por ejemplo, en los tendones) o alta rigidez (por ejemplo, en los huesos) dependiendo de la función que tenga que realizar.
Una de las propiedades más curiosas del colágeno es su simplicidad constitutiva: está compuesto por aproximadamente un 30% de prolina y alrededor del 30% de glicina; los otros 18 aminoácidos solo tienen que compartir el 40% restante de la estructura proteica. La secuencia de aminoácidos del colágeno es notablemente regular: por cada tres residuos, el tercero es glicina.
La prolina es un aminoácido cíclico en el que el grupo R se une al nitrógeno α-amino y esto le confiere cierta rigidez.
La estructura final es una cadena repetitiva que tiene la forma de una hélice; dentro de la cadena de colágeno no existen enlaces de hidrógeno. El colágeno es una hélice a la izquierda con un paso (longitud correspondiente a una vuelta de la hélice) mayor que la hélice α; la hélice de colágeno está tan suelta que tres cadenas de proteínas pueden enrollarse entre sí formando una sola cuerda: una estructura de triple hélice.
Sin embargo, la triple hélice del colágeno es menos estable que la estructura de la hélice α y la lámina β.
Ahora veamos el mecanismo por el cual es produce colágeno; considérese, por ejemplo, la rotura de un vaso sanguíneo: esta rotura va acompañada de una miríada de señales con el objetivo de cerrar el vaso, formando así el coágulo.
La coagulación requiere al menos treinta enzimas especializadas. Después del coágulo es necesario continuar con la reparación del tejido; las células cercanas a la herida también producen colágeno. Para ello, primero se induce la expresión de un gen, es decir, los organismos que parten de la información de un gen son capaces de producir la proteína (la información genética se transcribe en el ARNm que sale del núcleo y llega a los ribosomas en el citoplasma donde la genética la información se traduce en proteínas). Luego, el colágeno se sintetiza en los ribosomas (aparece como una hélice izquierda compuesta por unos 1200 aminoácidos y con un peso molecular de unos 150000 d) y luego se acumula en los lúmenes donde se convierte en sustrato de enzimas capaces de llevar a cabo modificaciones posteriores -tradual (modificaciones del idioma traducido por el ARNm); en el colágeno, estas modificaciones consisten en la hidroxilación de algunas cadenas laterales, especialmente prolina y lisina.
El fallo de las enzimas que conducen a estas modificaciones provoca el escorbuto: es una enfermedad que inicialmente provoca la rotura de los vasos sanguíneos, rotura de los dientes que puede ir seguida de hemorragias interintestinales y muerte; puede ser causado por el uso continuo de alimentos de larga duración.
Posteriormente, debido a la acción de otras enzimas, se producen otras modificaciones que consisten en la glicosidación de los grupos hidroxilo de prolina y lisina (un azúcar se une al oxígeno del OH); estas enzimas se encuentran en áreas distintas a la luz, por lo tanto, la proteína, mientras sufre modificaciones, migra dentro del retículo endoplásmico para terminar en sacos (vesículas) que se cierran sobre sí mismos y se desprenden del retículo: en su interior está contenido el glicosidato pro -monómero de colágeno; este último alcanza el aparato de Golgi donde determinadas enzimas reconocen la cisteína presente en la parte carboxi terminal del procolágeno glicosidado y hacen que las diferentes cadenas se acerquen entre sí y formen puentes disulfuro: así, tres cadenas de colágeno pro glicosidado enlazados entre sí y este es el punto de partida del cual las tres cadenas, interpenetrando, luego, espontáneamente, dan lugar a la triple hélice. Las tres cadenas de procolágeno glucoxidado unidas entre sí llegan a una vesícula que, ahogándose sobre sí misma, se desprende del aparato de Golgi, transportando las tres cadenas hacia la periferia de la célula donde, a través de la fusión con la membrana plasmática, es expulsado el trímetro. desde la celda.
En el espacio extracelular, existen unas enzimas particulares, las pro-colágeno peptidasas, que eliminan de las especies expulsadas de la célula, tres fragmentos (uno por cada hélice) de 300 aminoácidos cada uno, de la parte carboxi terminal y tres fragmentos ( uno por cada hélice) de aproximadamente 100 aminoácidos cada uno, de la parte aminoterminal: queda una triple hélice que consta de aproximadamente 800 aminoácidos por hélice conocida como tropocolágeno.
El tropocolágeno parece una barra bastante rígida; los diferentes trímeros están asociados con enlaces covalentes para dar estructuras más grandes: las microfibrillas. En las microfibrillas, los distintos trímeros están dispuestos de forma escalonada; muchas microfibrillas constituyen haces de tropocolágeno.
En los huesos, entre las fibras de colágeno, hay espacios intersticiales en los que se depositan sulfatos y fosfatos de calcio y magnesio: estas sales también cubren todas las fibras; esto hace que los huesos se vuelvan rígidos.
En los tendones, los espacios intersticiales son menos ricos en cristales que en los huesos, mientras que hay proteínas más pequeñas que en el tropocolágeno: esto da elasticidad a los tendones.
La osteoporosis es una enfermedad causada por la falta de calcio y magnesio que imposibilita la fijación de sales en las áreas intersticiales de las fibras de tropocolágeno.
