Estructura, Tipos y Funciones de las Proteínas: Glucólisis, Ciclo de Krebs y Biología Molecular

Estructura de las Proteínas

Las proteínas son biomoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos (aa).

Estructura Primaria: Es la forma de organización más básica de las proteínas. Está determinada por la secuencia de aa de la cadena proteica, es decir, el número de aa presentes y el orden en que están enlazados por medio de enlaces peptídicos. Las cadenas laterales de los aa se extienden a partir de una cadena principal.
Estructura Secundaria: Es el plegamiento regular local entre residuos de aa cercanos de la cadena polipeptídica. Se adopta gracias a la formación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas laterales (radicales). Incluye:
- Hélice alfa: En esta estructura, la cadena polipeptídica se enrolla en espiral sobre sí misma debido a los giros producidos en torno al carbono alfa de cada aa. Esta estructura se mantiene gracias a los enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo -NH de un enlace peptídico y el grupo -C=O del cuarto aminoácido que le sigue.
- Giros beta: Son secuencias cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180 grados a la cadena principal de un polipéptido.
- Láminas beta: Algunas regiones de proteínas adoptan una estructura en zigzag y se asocian entre sí estableciendo uniones mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios, paralelas o antiparalelas.
Estructura Terciaria: Es el modo en el que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio. Es la disposición de los dominios en el espacio. La estructura terciaria se realiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia el exterior.
Estructura Cuaternaria: Es la disposición espacial de las distintas cadenas polipeptídicas de una proteína multimérica, es decir, compuesta por varios péptidos.

Otros conceptos importantes:

Renaturalización: Reactivación de la función de las proteínas.
Desnaturalización: Pérdida de la conformación nativa.
Disociación: Pérdida de la estructura cuaternaria.

Tipos de Proteínas

Proteínas Fibrosas

Presentan cadenas polipeptídicas largas y una estructura secundaria atípica. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas.

Alfa-Queratina:
- Estructura primaria: Más de 300 residuos de longitud.
- Estructura secundaria: Alfa-hélice con 3,6 residuos/vuelta.
- Formación del dímero: Cada 4 aa hay uno con la cadena lateral hidrófoba no polar.
Beta-Queratina: Presentes en las plumas y escamas.
Tropomiosina: Componente del filamento delgado del músculo. Tiene una estructura en la que el primer y cuarto aminoácido tienen cadenas laterales apolares, y el quinto y séptimo, polares.
Colágeno: Es la proteína más abundante. Constituye la piel, huesos y cartílagos. El colágeno posee una estructura secundaria tridimensional consistente en una «cadena α» (no confundir con α hélice), es una hélice levógira con alrededor de 3 residuos de aa por vuelta. En cuanto a la estructura terciaria, tres cadenas α superenrolladas forman una triple hélice dextrógira.
- Modificaciones de los residuos:
  - Hidroxilación: Algunos residuos de prolina y lisina se hidroxilan tras la síntesis de cada cadena de colágeno.
  - Adición de azúcares: La lisina modificada es la encargada de unir a los azúcares.
- Biosíntesis y ensamblaje del colágeno: Traducción del ribosoma/hidroxilación de prolina y lisina/liberación del ribosoma y adición de azúcares/formación de la triple hélice/secreción desde la célula/eliminación de los dominios –N y C-/Desaminación de residuos de lisina para formar aldehído.
- Síntesis y degradación: Hidroxilación/glicosilación/ensamblaje/liberación vesicular/proteólisis limitada/unión covalente de unidades de tropocolágeno/renovación del colágeno.
Elastina: Fibra elástica o tejido elástico. Componente de una matriz fibrosa y tiene una tinción histoquímica característica, carece casi de estructura secundaria.

Proteínas Globulares

Proteínas transportadoras y almacenadoras, pueden transportar por difusión simple y sistema circulatorio.

Mioglobina: Une el oxígeno liberado por la hemoglobina (Hb) de los glóbulos rojos, y lo transporta hasta la mitocondria, donde participa en sustratos energéticos. Está formada por una única cadena polipeptídica y un grupo prostético.
Hemoglobina (Hb): Formada por 4 subunidades, dos alfa y dos beta. Es una proteína tetramérica ya que tiene 4 grupos prostéticos. La Hb tiene dos estados conformacionales:
- Tensa: No transporta oxígeno, más estable y poco afín con el oxígeno.
- Relajada: Transporta oxígeno. La unión del oxígeno provoca unos movimientos coordinados, lo que da un cambio de T a R.

Glucólisis

Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.

Fase de Inversión de Energía

Primera reacción: Fosforilación: Se permite el paso de la glucosa a una carga negativa, evitando que la glucosa pase a través de la membrana celular.
Isomerización glucosa-6P: La isomerización es el paso de una aldosa a una cetosa.
Segunda fosforilación: Fosforilación de la fructosa 6-fosfato en el carbono 1, con gasto de un ATP, a través de la enzima fosfofructoquinasa-1. También este fosfato tendrá una baja energía de hidrólisis. Por el mismo motivo que en la primera reacción, el proceso es irreversible. El nuevo producto se denominará fructosa-1,6-bifosfato.
Fragmentación en dos triosas fosfato: La enzima aldolasa rompe la fructosa-1,6-bifosfato en dos triosas: dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.
Isomerización de la dihidroxiacetona-P: Puesto que sólo el gliceraldehído-3-fosfato puede seguir los pasos restantes de la glucólisis, la dihidroxiacetona-fosfato es isomerizada en gliceraldehído-3-fosfato.

Fase de Regeneración

Generación de 1,3 bifosfoglicerato (BPG): Esta reacción consiste en oxidar el gliceraldehído-3-fosfato utilizando NAD⁺ para añadir un ion fosfato a la molécula, la cual es realizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.
Primera fosforilación a nivel de sustrato: La enzima fosfoglicerato quinasa transfiere el grupo fosfato de 1,3-bisfosfoglicerato a una molécula de ADP, generando así la primera molécula de ATP de la vía.
Preparación para la síntesis del siguiente compuesto de energía elevada: Se isomeriza el 3-fosfoglicerato procedente de la reacción anterior dando 2-fosfoglicerato, la enzima que cataliza esta reacción es la fosfoglicerato mutasa.
Generación de fosfoenolpiruvato (PEP): La enzima enolasa propicia la formación de un doble enlace en el 2-fosfoglicerato, eliminando una molécula de agua. El resultado es el fosfoenolpiruvato.
Segunda fosforilación a nivel de sustrato: Desfosforilación del fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP. Reacción irreversible mediada por la piruvato quinasa.

Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Cadena Respiratoria: Transporte de Electrones a Través de los Complejos Proteicos

Cada una de las reacciones de oxidorreducción de transporte electrónico es exergónica, de forma que los electrones fluyen de manera continua desde los transportadores de potencial bajo a los transportadores de potencial alto. Flujo de electrones y caída del potencial desde el NADH hasta el oxígeno molecular.

Complejo I: Cataliza la transferencia de 2e^– desde el NADH a la ubiquinona o coenzima Q. Contiene 16-25 cadenas polipeptídicas, una molécula de FMN, y 16 a 24 átomos de Fe no hemo en un mínimo de 5 y un máximo de 8 centros Fe-S. También se conoce como NADH-coenzima Q reductasa, NADH deshidrogenasa o NADH-coenzima Q oxidoreductasa. En este complejo participa:
- FMN: El electrón se transfiere al FMN: NADH+H⁺ + FMN → NAD⁺ + FMNH₂. Posteriormente, el FMNH₂ donará los electrones a los centros Fe-S para después cederlos a la coenzima Q.
- Centros Fe-S: Están formados por hierro no hemo que forma un complejo con azufre en 4 formas conocidas: /FeS/Fe₃S₄/Fe₂S₂/Fe₄S₄.
Complejo II: Succinato deshidrogenasa o succinato-CoQ reductasa. Cataliza la transferencia de 2e^– desde el succinato a la CoQ. Es una proteína de la membrana interna de la mitocondria. Transfiere los electrones a la CoQ a través del FAD y los centros Fe-S.
Complejo III: CoQ-cit c reductasa. Cataliza la transferencia de 2e^– desde la CoQ al citocromo c. Los citocromos son grupos de proteínas que contienen un grupo hemo, que actúan como portadores de un electrón en procesos de oxidación-reducción.
Complejo IV: Citocromo c oxidasa. Cataliza la transferencia de 4e^– desde el citocromo c al oxígeno. La transferencia de electrones provoca el bombeo de protones desde el lado de la matriz hacia el espacio intermembrana.

Fosforilación Oxidativa

La síntesis de ATP se lleva a cabo por la ATP sintasa, utilizando la fuerza protón-motriz que se genera en la cadena de transporte electrónico como consecuencia del bombeo de protones.

ATP Sintasa: La energía liberada por la descarga del gradiente electroquímico permite la fosforilación de ADP a ATP por el complejo V. El ATP formado debe ser transportado al citoplasma para ser utilizado en procesos anabólicos. El ADP y el Pi generados deben ser transportados al interior de la mitocondria, para que se produzca de nuevo la síntesis del ATP.

Sistemas Transportadores

Aunque el ATP se sintetiza en la mitocondria, su hidrólisis ocurre mayoritariamente en el citosol. Así, el ADP y el Pi deben ser transportados al interior de la mitocondria para que se produzca de nuevo la síntesis de ATP.

Conceptos Básicos de Genética

Genotipo: Conjunto de genes de un organismo (genoma). Es específico de cada individuo.
Fenotipo: Conjunto de rasgos de un organismo.
Gen: Segmento de ADN que contiene información necesaria para que se sintetice una proteína determinada. La información fluye del ADN al ARNm y de este a la proteína.

Replicación de la Doble Hélice

El material genético es capaz de copiarse a sí mismo, exacta y fielmente. Es el proceso por el cual las células hijas contienen la misma información genética que la célula madre de la que proceden. Durante la replicación, cada hebra se separa y actúa como molde para dirigir la formación posterior de una hebra complementaria, dando lugar a dos hebras.

Fases:

Apertura y desenrollamiento de la doble hélice: La iniciación de la replicación tiene lugar en sitios concretos de la molécula de ADN. La apertura en el origen de replicación y su avance da lugar a la formación de las horquillas de replicación. Las células eucariotas tienen múltiples orígenes de replicación.
Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN: La replicación es bidireccional. Las características de la ADN polimerasa son: requiere un OH libre para elongar y la cadena se sintetiza en la dirección 5’→3’.

Proteínas requeridas:

Helicasas: Separan las dos cadenas.
SSB: Proteína de unión que estabiliza el ADN monocatenario lineal.
Primasa: Sintetiza el fragmento de ARN cebador.
ADN polimerasa III: Une nucleótidos para formar nuevas hebras.
ADN polimerasa I: Elimina el ARN cebador e inserta las bases correctas.
Ligasa: Une los fragmentos de Okazaki y sella otra posible ruptura.

Corrección de errores: La célula necesita que en la replicación no se produzcan errores, para ello tiene que proteger la fidelidad de la copia. La actividad de las enzimas ADN polimerasas debe ser exacta, rápida y fiel. Las ADN polimerasas I y III son autocorrectoras. En eucariotas, estas células tienen múltiples orígenes de replicación. Las ADN polimerasas I, II y III son equivalentes a la polimerasa alfa, beta y gamma.

Transcripción

Consiste en la formación de ARNm a partir de una copia de la secuencia de nucleótidos del ADN. Se hace la copia siguiendo la ley de bases complementarias.

Fases:

Iniciación: Formación de la burbuja de transcripción e incorporación de los primeros nucleótidos.
Elongación: Incorporación de nucleótidos alargando la cadena de ARN.
Terminación: Frenado de la ARN polimerasa y liberación del complejo de transcripción, unión de ribonucleósidos por enlaces fosfodiéster 3’→5’.

Proceso de maduración:

Lo primero que tiene que sufrir el ARNm es la eliminación de los intrones. Los intrones forman unos pequeños bucles que se cortan gracias a la nucleasa, más adelante se pegan los exones con las ligasas y se le añade una caperuza de MG (extremo 5’), y se le añade también una cola de Poli A para conferir estabilidad química.

Traducción

Es el proceso por el cual se sintetizan proteínas de acuerdo con el ARNm en los ribosomas.

Fases:

Iniciación: Se introduce el aminoacil-ARNt iniciador: met-ARNt.
Elongación: Incorporación de los sucesivos ARNt-aminoácidos formando enlaces peptídicos y translocándose el ribosoma.
Terminación: Aparece un codón de terminación del ARNm y se produce la liberación de la cadena polipeptídica.

Glúcidos

Moléculas orgánicas formadas por cadenas carbonadas, portadoras de grupos hidroxilo y funciones aldehídicas o cetónicas.

Funciones:

Elementos estructurales.
Reserva energética.
Componentes de metabolitos.
Gran versatilidad.

Conceptos clave:

Estereoisómeros: Se producen cuando una molécula presenta uno o más carbonos asimétricos.
Enantiómeros: Son moléculas que tienen los grupos –OH de todos los carbonos asimétricos en posición opuesta, reflejo de otra molécula isómera.
Epímeros: Son las moléculas isómeras que se diferencian en la posición del único –OH en un carbono asimétrico.
Configuración alfa: El –OH debajo.
Tautómeros: Isómeros estructurales que difieren en la disposición de sus hidrógenos y dobles enlaces.
Anómeros: Estereoisómeros que difieren en la disposición del carbono asimétrico.

Disacáridos importantes:

Lactosa: β-D-galactopiranosil(1→4) β-D-glucopiranosil.
Maltosa: α-D-glucopiranosil(1→4)α-D-glucopiranosa.
Sacarosa: α-D-glucopiranosil(1→2)β-D-fructofuranósido.

Polisacáridos importantes:

Almidón: Constituido por la amilosa.
Glucógeno: Polímero ramificado de α-D-glucopiranosa unidos por enlaces 1→4 y 1→6.
Celulosa: Principal polisacárido de las plantas leñosas y el polímero más abundante en la biosfera.

Lípidos

Son el grupo de moléculas orgánicas formadas por C, H y O. Son insolubles en agua, solubles en disolventes orgánicos y poco densos. Los ácidos grasos son los componentes característicos de muchos lípidos, pueden ser saturados (sin dobles enlaces) o insaturados.

Ácidos Grasos Saponificables

Triacilglicéridos: Formados por 3 ácidos grasos unidos mediante un enlace éster con el glicerol. Funciones: reserva energética y aislamiento térmico.
Ceras: Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga con alcoholes también en la cadena larga. Son sólidos e insolubles en agua.
Fosfoglicéridos: Son los principales componentes de las membranas biológicas. Son moléculas anfipáticas y tienen una parte hidrófila (cabeza) e hidrófoba apolar (cola).
Esfingolípidos:
- Esfingomielinas: Son ceramidas cuyo grupo polar es la fosfocolina, aíslan los axones de las neuronas.
- Glucolípidos: Tienen como grupo polar un glúcido.

Ácidos Grasos Insaponificables

Esteroides: Lípidos que derivan del esterano, comprenden los esteroles y las hormonas esteroideas.
Colesterol: Forma parte estructural de las membranas a las que confiere estabilidad.
Hormonas sexuales: Progesterona.
Hormonas suprarrenales: Cortisona.

Mosaico Fluido y Transporte Celular

La membrana celular, también conocida como mosaico fluido, envuelve la célula y está formada por lípidos, proteínas y glúcidos. Dentro de los lípidos hay una bicapa de fosfolípidos y colesterol, tiene una capacidad de autosellado y está en movimiento continuo (rotación, flip-flop, cambio de monocapa). Las proteínas pueden ser periféricas o integrales.

Características:

Bicapa fluida debido al movimiento de los fosfolípidos.
Capacidad de autosellado.
Asimétrica.
Permeabilidad selectiva.

Funciones:

Confiere individualidad a la célula.

Tipos de Transporte

Difusión simple: A favor del gradiente (sin intervención de un transportador).
Difusión facilitada: A favor del gradiente (con intervención de un transportador).
Transporte activo: En contra del gradiente.
- Primario: Acopla el transporte con la hidrólisis de ATP.
- Secundario: Acopla el transporte contra el gradiente con un transporte favorecido.

Ciclo de Krebs

Una molécula de 2 carbonos (2C) entra en el ciclo, se une a otra con 4C para dar citrato. Después de 8 reacciones, se obtiene energía, se liberan 2 CO₂ y se regenera el oxalacetato (OAA), para volver a empezar.

Reacciones:

Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato): El sitio activo de la enzima activa el acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxalacetato. Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato.
Aconitasa (De citrato a isocitrato): La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La enzima cataliza también la reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a causa de la ley de acción de masa.
Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato): La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD⁺ y de Mn²⁺ o Mg²⁺. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD⁺.
α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA): Después de la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa, que lleva a la formación de succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α-cetoácido.
Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato).
Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato): La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxalacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos, además de regenerar oxalacetato, permiten la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH₂ y NADH.
Fumarasa (De fumarato a L-malato): La fumarasa cataliza la adición en trans de un protón y un grupo OH^– procedentes de una molécula de agua.
Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato): La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato deshidrogenasa.

Regulación del ciclo:

Principalmente por la disponibilidad de sustratos.
Relación de NADH/NAD⁺.
Regulación alostérica sobre: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa.