Las Proteínas

Las proteínas son macromoléculas biológicas complejas formadas por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Son las biomoléculas más diversas funcionalmente y constituyen alrededor del 50% del peso seco de la mayoría de células.

### 4.1. Introducción a las Proteínas

Las proteínas son polímeros de aminoácidos que desempeñan funciones esenciales en todos los procesos biológicos. Su nombre deriva del griego "proteios", que significa "de primera importancia".

#### Características generales:

- Macromoléculas formadas por C, H, O, N y frecuentemente S

- Peso molecular variable: desde 5,000 hasta varios millones de Daltons

- Estructura tridimensional específica esencial para su función

- Susceptibles a desnaturalización por calor, pH extremos, etc.

### 4.2. Aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades estructurales básicas de las proteínas. Todos los aminoácidos (excepto la prolina) tienen la estructura general:

NH₂-CHR-COOH

Donde R es la cadena lateral o grupo variable que determina las propiedades del aminoácido.

#### Estructura básica de un aminoácido:

- Grupo amino (-NH₂): Carácter básico

- Grupo carboxilo (-COOH): Carácter ácido

- Carbono α: Carbono central asimétrico (excepto en glicina)

- Cadena lateral (R): Variable, determina las propiedades

#### 4.2.1. Clasificación de los Aminoácidos

Los 20 aminoácidos proteínicos se clasifican según las propiedades de sus cadenas laterales:

##### Aminoácidos no polares (hidrofóbicos):

- Glicina (Gly): R = H, el más pequeño

- Alanina (Ala): R = CH₃

- Valina (Val): R = cadena ramificada

- Leucina (Leu): R = cadena ramificada

- Isoleucina (Ile): R = cadena ramificada

- Prolina (Pro): Aminoácido cíclico, forma giros

- Metionina (Met): Contiene azufre

- Fenilalanina (Phe): Aromático

- Triptófano (Trp): Aromático, más voluminoso

##### Aminoácidos polares sin carga:

- Serina (Ser): Contiene grupo -OH

- Treonina (Thr): Contiene grupo -OH

- Cisteína (Cys): Contiene -SH, forma puentes disulfuro

- Tirosina (Tyr): Aromático con -OH

- Asparagina (Asn): Amida del ácido aspártico

- Glutamina (Gln): Amida del ácido glutámico

##### Aminoácidos polares con carga negativa (ácidos):

- Ácido aspártico (Asp): pKa ~ 3.9

- Ácido glutámico (Glu): pKa ~ 4.3

##### Aminoácidos polares con carga positiva (básicos):

- Lisina (Lys): Grupo amino en la cadena lateral

- Arginina (Arg): Grupo guanidinio, fuertemente básico

- Histidina (His): Grupo imidazol, pKa ~ 6

#### 4.2.2. Propiedades de los Aminoácidos

##### Propiedades ácido-base:

Los aminoácidos son moléculas anfóteras (pueden actuar como ácidos o bases). En solución acuosa existen como iones dipolares o zwitteriones:

NH₃⁺-CHR-COO⁻

##### Punto isoeléctrico (pI):

Es el pH al cual el aminoácido tiene carga neta cero. Para aminoácidos simples (solo grupos α-amino y α-carboxilo):

pI = (pKa₁ + pKa₂)/2

##### Actividad óptica:

Todos los aminoácidos (excepto glicina) son moléculas quirales. Los aminoácidos naturales pertenecen a la serie L.

### 4.3. El Enlace Peptídico

El enlace peptídico es el enlace covalente que une los aminoácidos en las proteínas. Se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente.

#### Características del enlace peptídico:

- Se forma con eliminación de una molécula de agua

- Tiene carácter parcial de doble enlace (resonancia)

- Es plano (coplanar)

- No puede rotar libremente

- Configuración trans (grupos R en lados opuestos)

- Distancia C-N: 1.32 Å (intermedia entre enlace simple y doble)

#### Formación del enlace peptídico:

R₁-NH₂ + HOOC-R₂ → R₁-NH-CO-R₂ + H₂O

La cadena polipeptídica resultante tiene una dirección definida: extremo N-terminal (grupo amino libre) y extremo C-terminal (grupo carboxilo libre).

### 4.4. Proteínas

Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Su estructura tridimensional determina su función biológica.

#### 4.4.1. Estructura de las Proteínas

La estructura de las proteínas se describe en cuatro niveles jerárquicos:

##### 4.4.1.1. Estructura Primaria de las Proteínas

Es la secuencia lineal de aminoácidos en la cadena polipeptídica, unidos por enlaces peptídicos.

- Determina todas las propiedades de la proteína

- Se lee desde el extremo N-terminal al C-terminal

- Codificada en el ADN

- Específica para cada proteína

##### 4.4.1.2. Estructura Secundaria de las Proteínas

Es la conformación espacial local que adopta la cadena polipeptídica, estabilizada principalmente por puentes de hidrógeno entre los átomos del esqueleto peptídico.

Principales tipos:

Hélice α: - Estructura helicoidal dextrógira

- 3.6 aminoácidos por vuelta

- Puentes de hidrógeno entre CO de residuo n y NH de residuo n+4

- Cadenas laterales proyectadas hacia fuera

- Muy estable y común

Hoja β plegada: - Conformación extendida de la cadena

- Varias cadenas dispuestas paralelamente

- Puentes de hidrógeno entre cadenas adyacentes

- Puede ser paralela o antiparalela

- Cadenas laterales alternadas arriba y abajo

Giros β: - Estructuras de transición

- Permiten cambios de dirección

- Estabilizados por puentes de hidrógeno

- Involucran generalmente 4 aminoácidos

Bucles al azar: - Regiones sin estructura secundaria regular

- Conectan elementos de estructura secundaria

- Pueden ser funcionalmente importantes

##### 4.4.1.3. Estructura Terciaria de las Proteínas

Es el plegamiento tridimensional completo de una cadena polipeptídica. Resulta de las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos.

Fuerzas estabilizadoras: - Puentes de hidrógeno: Entre cadenas laterales polares

- Interacciones electrostáticas: Entre grupos cargados

- Fuerzas de van der Waals: Entre cadenas laterales

- Interacciones hidrofóbicas: Agrupación de cadenas apolares

- Puentes disulfuro: Entre residuos de cisteína

Tipos de estructura terciaria: - Proteínas globulares: Compactas, solubles en agua

- Proteínas fibrosas: Alargadas, insolubles, estructurales

##### 4.4.1.4. Estructura Cuaternaria de las Proteínas

Es la asociación de varias cadenas polipeptídicas (subunidades) para formar una proteína funcional.

- No todas las proteínas la poseen

- Estabilizada por las mismas fuerzas que la estructura terciaria

- Permite regulación alostérica

- Puede conferir nuevas propiedades

- Ejemplo: hemoglobina (4 subunidades)

#### 4.4.2. Propiedades de las Proteínas

##### Solubilidad:

- Depende de la distribución de aminoácidos polares y apolares

- Proteínas globulares: generalmente solubles

- Proteínas fibrosas: generalmente insolubles

##### Desnaturalización:

- Pérdida de estructura tridimensional nativa

- Causada por: calor, pH extremos, detergentes, urea

- Puede ser reversible o irreversible

- Se mantiene la estructura primaria

##### Especificidad funcional:

- Determinada por la estructura tridimensional

- Relación estructura-función

- Sitios activos específicos

#### 4.4.3. Clasificación de las Proteínas

##### 4.4.3.1. Holoproteínas

Proteínas formadas únicamente por aminoácidos:

Proteínas globulares: - Albúminas: Solubles en agua (ovoalbúmina)

- Globulinas: Solubles en soluciones salinas (inmunoglobulinas)

- Glutelinas: Solubles en ácidos y bases (glutenina)

- Prolaminas: Solubles en alcohol (zeína del maíz)

- Histonas: Básicas, asociadas al ADN

- Protaminas: Muy básicas, en espermatozoides

Proteínas fibrosas: - Colágeno: Proteína más abundante en animales

- Elastina: Componente elástico del tejido conectivo

- Queratina: Presente en pelo, uñas, cuernos

- Fibroína: Proteína de la seda

##### 4.4.3.2. Heteroproteínas

Proteínas formadas por aminoácidos más un grupo prostético no proteico:

- Glucoproteínas: Contienen glúcidos (mucinas)

- Lipoproteínas: Contienen lípidos (HDL, LDL)

- Nucleoproteínas: Contienen ácidos nucleicos (ribosomas)

- Cromoproteínas: Contienen grupos coloreados (hemoglobina)

- Metaloproteínas: Contienen iones metálicos (ferritina)

- Fosfoproteínas: Contienen grupos fosfato (caseína)

#### 4.4.4. Funciones Generales de las Proteínas

##### Función catalítica:

- Enzimas: catalizan reacciones bioquímicas

- Más de 3000 enzimas conocidas

- Altamente específicas y eficientes

##### Función estructural:

- Colágeno: tendones, huesos, cartílagos

- Queratina: pelo, uñas, plumas

- Elastina: ligamentos, arterias

##### Función de transporte:

- Hemoglobina: transporte de oxígeno

- Mioglobina: almacenamiento de oxígeno

- Lipoproteínas: transporte de lípidos

##### Función defensiva:

- Anticuerpos: defensa inmunológica

- Fibrinógeno: coagulación sanguínea

- Lisozima: actividad antibacteriana

##### Función reguladora:

- Hormonas proteicas: insulina, glucagón

- Factores de transcripción

- Proteínas reguladoras del ciclo celular

##### Función de movimiento:

- Actina y miosina: contracción muscular

- Tubulina: formación de microtúbulos

- Flagelina: componente de flagelos

##### Función de reserva:

- Ovoalbúmina: reserva en huevos

- Ferritina: reserva de hierro

- Caseína: proteína de la leche

### 4.5. Enzimas

Las enzimas son proteínas especializadas que actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones químicas en los organismos vivos sin ser consumidas en el proceso.

#### Características generales de las enzimas:

- Aumentan la velocidad de reacción (hasta 10¹⁷ veces)

- No alteran el equilibrio de la reacción

- Disminuyen la energía de activación

- Son altamente específicas

- Funcionan en condiciones suaves de temperatura y pH

- Pueden ser reguladas

#### 4.5.1. Estructura de las Enzimas

##### Apoenzima:

- Parte proteica de la enzima

- Catalíticamente inactiva por sí sola

- Confiere especificidad

##### Cofactor:

- Componente no proteico esencial

- Puede ser ion metálico o molécula orgánica

- Necesario para la actividad catalítica

##### Holoenzima:

- Enzima completa y activa

- Apoenzima + cofactor

- Forma catalíticamente funcional

#### 4.5.2. El Centro Activo de las Enzimas

El centro activo es la región específica de la enzima donde se une el sustrato y donde ocurre la catálisis.

##### Características del centro activo:

- Representan solo una pequeña parte de la enzima (2-5%)

- Formado por aminoácidos no consecutivos en la secuencia

- Estructura tridimensional complementaria al sustrato

- Microambiente químico específico

- Puede cambiar de conformación al unirse el sustrato

##### Modelos de interacción enzima-sustrato:

Modelo llave-cerradura (Fischer): - Complementariedad rígida entre enzima y sustrato

- El sustrato encaja perfectamente en el centro activo

Modelo del ajuste inducido (Koshland): - La enzima cambia de conformación al unirse el sustrato

- Se optimiza la complementariedad

- Más acorde con la realidad experimental

#### 4.5.3. Mecanismo General de Catálisis Enzimática

Las enzimas catalizan reacciones siguiendo este mecanismo general:

E + S ⇌ ES → EP → E + P

Donde:

- E = Enzima

- S = Sustrato

- ES = Complejo enzima-sustrato

- EP = Complejo enzima-producto

- P = Producto

##### Factores que afectan la actividad enzimática:

Temperatura: - Aumenta la velocidad hasta la temperatura óptima

- Temperaturas muy altas desnaturalizan la enzima

- Temperatura óptima varía según la enzima

pH: - Cada enzima tiene un pH óptimo

- Cambios de pH alteran la ionización de aminoácidos

- pH extremos pueden desnaturalizar la enzima

Concentración de sustrato: - Velocidad inicial proporcional a [S]

- Saturación a altas concentraciones

- Sigue cinética de Michaelis-Menten

#### 4.5.4. Regulación de la Actividad Enzimática

##### Inhibición competitiva:

- El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo

- Reversible aumentando [sustrato]

- Km aparente aumenta, Vmax no cambia

##### Inhibición no competitiva:

- El inhibidor se une a un sitio diferente al centro activo

- Cambia la conformación de la enzima

- Km no cambia, Vmax disminuye

##### Inhibición por retroalimentación:

- El producto final inhibe la primera enzima de la ruta

- Mecanismo de autorregulación

- Evita la sobreproducción

#### 4.5.5. Enzimas Alostéricas

Las enzimas alostéricas tienen sitios de unión separados para el sustrato (sitio activo) y para los reguladores (sitio alostérico).

##### Características:

- Cinética sigmoidal (no michaelianas)

- Múltiples subunidades

- Cambios conformacionales cooperativos

- Regulación fina del metabolismo

##### Tipos de efectores:

- Activadores alostéricos: Aumentan la actividad

- Inhibidores alostéricos: Disminuyen la actividad

#### 4.5.6. Nomenclatura y Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican en 6 clases principales según la Unión Internacional de Bioquímica:

##### EC 1. Oxidorreductasas:

- Catalizan reacciones de oxidación-reducción

- Transfieren electrones

- Ejemplos: deshidrogenasas, oxidasas

##### EC 2. Transferasas:

- Catalizan la transferencia de grupos funcionales

- Ejemplos: aminotransferasas, quinasas

##### EC 3. Hidrolasas:

- Catalizan reacciones de hidrólisis

- Rompen enlaces con agua

- Ejemplos: peptidasas, lipasas, amilasas

##### EC 4. Liasas:

- Catalizan la adición o eliminación de grupos

- Forman o rompen dobles enlaces

- Ejemplos: descarboxilasas, aldolasas

##### EC 5. Isomerasas:

- Catalizan reacciones de isomerización

- Reordenan los átomos dentro de la molécula

- Ejemplos: triosa fosfato isomerasa

##### EC 6. Ligasas:

- Catalizan la formación de enlaces

- Requieren energía (ATP)

- Ejemplos: aminoacil-tRNA sintetasas

### 4.6. Las Vitaminas

Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales que el organismo no puede sintetizar en cantidades suficientes y deben obtenerse de la dieta. Muchas actúan como coenzimas o precursores de coenzimas.

#### 4.6.1. Vitaminas Liposolubles

##### Vitamina A (Retinol):

- Función: visión, crecimiento, diferenciación celular

- Fuentes: hígado, zanahoria, vegetales verdes

- Deficiencia: ceguera nocturna, xeroftalmia

##### Vitamina D (Calciferol):

- Función: homeostasis del calcio y fósforo

- Fuentes: síntesis cutánea, pescado graso

- Deficiencia: raquitismo, osteomalacia

##### Vitamina E (Tocoferol):

- Función: antioxidante, protege membranas

- Fuentes: aceites vegetales, frutos secos

- Deficiencia: rara, anemia hemolítica

##### Vitamina K:

- Función: coagulación sanguínea

- Fuentes: vegetales verdes, síntesis bacteriana

- Deficiencia: trastornos hemorrágicos

#### 4.6.2. Vitaminas Hidrosolubles

##### Complejo B:

B₁ (Tiamina): - Coenzima: TPP (pirofosfato de tiamina)

- Función: metabolismo de carbohidratos

- Deficiencia: beriberi

B₂ (Riboflavina): - Coenzima: FAD, FMN

- Función: reacciones redox

- Deficiencia: queilosis, dermatitis

B₃ (Niacina): - Coenzima: NAD, NADP

- Función: reacciones redox

- Deficiencia: pelagra

B₅ (Ácido pantoténico): - Coenzima: CoA

- Función: metabolismo de lípidos y carbohidratos

- Deficiencia: rara

B₆ (Piridoxina): - Coenzima: PLP (fosfato de piridoxal)

- Función: metabolismo de aminoácidos

- Deficiencia: dermatitis, anemia

B₇ (Biotina): - Coenzima en reacciones de carboxilación

- Función: síntesis de ácidos grasos

- Deficiencia: rara

B₉ (Ácido fólico): - Coenzima: tetrahidrofolato

- Función: síntesis de nucleótidos

- Deficiencia: anemia megaloblástica

B₁₂ (Cobalamina): - Coenzima en reacciones de transferencia

- Función: síntesis de ADN, metabolismo de ácidos grasos

- Deficiencia: anemia perniciosa

##### Vitamina C (Ácido ascórbico):

- Función: antioxidante, síntesis de colágeno

- Fuentes: frutas cítricas, vegetales

- Deficiencia: escorbuto

## Importancia Biológica de las Proteínas

Las proteínas son las macromoléculas más versátiles funcionalmente. Su importancia radica en:

- Ser los principales catalizadores biológicos (enzimas)

- Formar estructuras de soporte y protección

- Transportar sustancias por el organismo

- Defender contra agentes patógenos

- Regular procesos metabólicos

- Permitir el movimiento y contracción

- Almacenar información funcional en su estructura

La relación estructura-función es fundamental en las proteínas: cualquier alteración en su estructura puede afectar dramáticamente su función, como ocurre en enfermedades genéticas causadas por mutaciones que alteran la secuencia de aminoácidos.