Funciones de las Proteínas: Clasificación Funcional

Las proteínas desempeñan una vasta gama de funciones vitales en los organismos. Se pueden clasificar según su función principal:

Proteínas Estructurales

Proporcionan soporte, forma, rigidez o flexibilidad a diversas partes de los organismos. Predominan las proteínas fibrosas en este grupo.

• Ejemplos a nivel celular: Glicoproteínas de la membrana plasmática, histonas (asociadas al ADN), microtúbulos de tubulina (componentes del citoesqueleto).
• Ejemplos a nivel tisular: Colágeno (en tejido conectivo), queratina (en piel, pelo, uñas), elastina (en tejidos elásticos).

Proteínas de Reserva

Actúan como almacén de aminoácidos, que se utilizarán posteriormente para el crecimiento o la reparación de estructuras.

• Ejemplo: Ovoalbúmina (en la clara de huevo), caseína (en la leche).

Proteínas Activas

Realizan múltiples funciones dinámicas. Para ello, deben interaccionar específicamente con otra sustancia llamada ligando.

Subclases de Proteínas Activas:

• Enzimas: Son catalizadores biológicos. El ligando específico se denomina sustrato. Las enzimas aceleran la transformación del sustrato en un producto diferente. Son esenciales en casi todas las reacciones químicas celulares.

• Proteínas Reguladoras: Modulan procesos celulares al interaccionar con su ligando.

  • Receptores hormonales: Al unirse a una hormona específica (ligando), desencadenan una cascada de señalización o un conjunto de reacciones en la célula.
  • Hormonas proteicas: Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina, la hormona del crecimiento o la parathormona.
  • Proteínas homeostáticas: Contribuyen a mantener el equilibrio del medio interno (homeostasis).

• Proteínas Transportadoras: Se unen reversiblemente a un ligando para transportarlo de un lugar a otro.

  • Las lipoproteínas del plasma sanguíneo transportan lípidos.
  • Los citocromos transportan electrones; intervienen en la respiración celular y la fotosíntesis.
  • La hemoglobina (en vertebrados) y la hemocianina (en algunos invertebrados) transportan oxígeno en la sangre.
  • La mioglobina almacena y transporta O₂ en los músculos.
  • La seroalbúmina (albúmina sérica) transporta ácidos grasos y otras moléculas en la sangre.

• Proteínas Contráctiles: Al interaccionar con su ligando o recibir una señal, experimentan un cambio conformacional que resulta en el acortamiento o movimiento de células u orgánulos.

  • Ejemplo: La actina y la miosina son responsables de la contracción muscular.

• Proteínas con Función Defensiva: Protegen al organismo.

  • La trombina y el fibrinógeno participan en la coagulación de la sangre para evitar hemorragias.
  • Las inmunoglobulinas (anticuerpos) reconocen y se unen específica e irreversiblemente a sustancias extrañas o agentes patógenos (antígenos), neutralizándolos o marcándolos para su eliminación por el sistema inmunitario.

Especificidad de las Proteínas

La secuencia única de aminoácidos (estructura primaria) determina el plegamiento tridimensional de la proteína (estructuras secundaria, terciaria y, si existe, cuaternaria). Esta estructura tridimensional es crucial para su función específica.

Hay dos tipos principales de proteínas cuya función depende críticamente de una secuencia y estructura altamente específicas:

• Enzimas: Generalmente, existe una enzima específica para cada sustrato (ligando) y para cada tipo de reacción química que cataliza. Esta especificidad asegura la eficiencia y regulación del metabolismo celular.
• Inmunoglobulinas (Anticuerpos): Cada tipo de antígeno induce la producción de anticuerpos específicos que pueden reconocerlo y unirse a él de forma precisa, lo que es fundamental para la respuesta inmunitaria adaptativa.

Comportamiento Ácido-Base de las Proteínas

Aunque los grupos carboxilo (-COOH) y amino (-NH₂) de los extremos N-terminal y C-terminal y los que participan en el enlace peptídico están mayormente neutralizados o implicados en el enlace, las propiedades ácido-base de una proteína dependen fundamentalmente de las cadenas laterales (grupos R) de los aminoácidos que la componen.

Existen aminoácidos con cadenas laterales ionizables que pueden actuar como ácidos o bases débiles (ej. Asp, Glu, His, Lys, Arg). Por lo tanto, la carga eléctrica neta de una proteína varía según el pH del medio.

Cada proteína posee un punto isoeléctrico (pI), que es el valor de pH específico en el cual su carga eléctrica neta es cero. A pH por debajo del pI, la proteína tendrá carga neta positiva, y a pH por encima del pI, tendrá carga neta negativa. Esta propiedad es la base de técnicas de separación de proteínas como la electroforesis.

Solubilidad de las Proteínas

La solubilidad de una proteína en agua depende de la distribución de aminoácidos polares (hidrofílicos) y apolares (hidrofóbicos) en su superficie.

• Las proteínas fibrosas, con estructuras alargadas y a menudo ricas en aminoácidos hidrofóbicos, suelen ser insolubles en agua (ej. queratina, colágeno).
• La mayoría de las proteínas globulares son solubles en medios acuosos porque pliegan de manera que exponen sus cadenas laterales hidrofílicas hacia el exterior, permitiendo la interacción con las moléculas de agua (solvatación), mientras que los residuos hidrofóbicos tienden a quedar en el interior.

La solubilidad proteica se ve afectada por varios factores:

• pH del medio: La solubilidad es mínima en el punto isoeléctrico (pI), donde la carga neta es cero y las interacciones atractivas entre moléculas de proteína pueden llevar a la agregación y precipitación. A pH alejado del pI, las cargas netas similares en las moléculas de proteína provocan repulsión electrostática, favoreciendo la solvatación y la solubilidad.

• Concentración salina del medio:

  • Disoluciones salinas diluidas (Baja fuerza iónica): La solubilidad suele aumentar (efecto conocido como ‘salting in’). Los iones de la sal pueden apantallar las cargas de las proteínas, reduciendo las interacciones intermoleculares y favoreciendo la interacción con el solvente.
  • Disoluciones salinas concentradas (Alta fuerza iónica): La solubilidad disminuye drásticamente (efecto conocido como ‘salting out’). Los iones de la sal compiten eficazmente con las proteínas por las moléculas de agua necesarias para la solvatación, lo que provoca la deshidratación y precipitación de las proteínas.

Desnaturalización de Proteínas

Las proteínas se sintetizan y pliegan adoptando una conformación tridimensional específica y funcional, denominada estructura nativa. Esta conformación suele ser la más estable termodinámicamente en condiciones fisiológicas.

La desnaturalización es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria (es decir, la pérdida de la estructura nativa y, por tanto, de la función biológica), conservando únicamente la estructura primaria (la secuencia de aminoácidos unida por enlaces peptídicos).

Causas de Desnaturalización:

Diversos agentes físicos y químicos pueden provocar la desnaturalización al romper las interacciones débiles (puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, hidrofóbicas, fuerzas de Van der Waals) que mantienen la estructura nativa:

• Aumento de temperatura: Incrementa la energía cinética, vibraciones y colisiones moleculares, rompiendo las interacciones débiles.
• Cambios extremos de pH: Alteran el estado de ionización de las cadenas laterales de los aminoácidos, modificando las interacciones electrostáticas (iónicas) y los puentes de hidrógeno.
• Agentes químicos:
  • Disolventes orgánicos miscibles en agua (etanol, acetona): Interfieren con las interacciones hidrofóbicas.
  • Solutos como la urea y el cloruro de guanidinio: Interrumpen los puentes de hidrógeno y las interacciones hidrofóbicas.
  • Detergentes: Rompen las interacciones hidrofóbicas.
  • Metales pesados (plomo, mercurio): Pueden reaccionar con grupos sulfhidrilo (-SH) de cisteínas o alterar interacciones iónicas.
• Agitación mecánica intensa: Puede introducir energía suficiente para romper interacciones débiles.

Tipos de Desnaturalización:

• Reversible: Si el agente desnaturalizante se elimina suavemente y la estructura primaria no ha sufrido modificaciones químicas (ej. rotura de enlaces peptídicos), algunas proteínas pueden plegarse de nuevo espontáneamente, recuperando su estructura nativa y su función. Este proceso se llama renaturalización.
• Irreversible: Si el tratamiento desnaturalizante es muy drástico, prolongado, o si causa cambios químicos permanentes en la cadena polipeptídica, la proteína no puede recuperar su conformación nativa funcional. Ejemplo clásico: la coagulación de la albúmina del huevo al cocinarla por calor.