Proteínas: Estructura, Funciones y Clasificación

Las proteínas son polímeros de aminoácidos (aa) unidos por enlaces peptídicos. Existen unos 20 aminoácidos que forman proteínas, aunque hay otros 150 que no lo hacen. Sus funciones son diversas: estructurales, enzimáticas, de reserva energética, de transporte, hormonales, contráctiles y defensivas.

Estructura de las Proteínas

Las proteínas tienen un grupo amino en un extremo y un grupo carboxilo en el otro. Poseen un radical que, al variar, forma todos los tipos de aminoácidos conocidos. El radical también permite clasificar los aminoácidos en ácidos, básicos o neutros.

Propiedades de los Aminoácidos

• Isomería óptica: Son moléculas con isomería óptica debido a la presencia de un carbono asimétrico (carbono alfa) unido a cuatro radicales diferentes. Presentan dos disposiciones: D y L (estereoisómeros). En la naturaleza predomina la forma L.
• Anfóteras: Son moléculas anfóteras, es decir, pueden comportarse como ácido o como base, dependiendo del pH. Tienen un punto isoeléctrico.
• Estado físico: Son sólidos, cristalinos y solubles en agua.

Enlace Peptídico

El enlace peptídico es un enlace covalente que se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, liberándose una molécula de agua.

Estructuras de las Proteínas

• Estructura Primaria: Es la secuencia de aminoácidos unidos en cadena, presente en todas las proteínas.
• Estructura Secundaria: Resulta del plegamiento de las cadenas polipeptídicas primarias. Los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos quedan próximos y forman enlaces de hidrógeno. Hay dos formas principales:
  • Hélice alfa (α-hélice): La cadena se enrolla en espiral sobre sí misma, con los radicales orientados hacia el exterior. Se mantiene gracias a los enlaces de hidrógeno intracatenarios. La presencia de residuos de prolina puede afectar esta estructura.
  • Lámina beta (β-lámina): Se forman enlaces de hidrógeno intercatenarios entre dos o más cadenas contiguas. Los carbonos alfa actúan como puntos de plegamiento y los radicales quedan hacia arriba o hacia abajo. La lámina puede tener orientaciones paralela o antiparalela.
• Estructura Terciaria: Es la forma tridimensional de la proteína, resultado del plegamiento de las cadenas polipeptídicas en forma globular o esférica. Se debe a interacciones entre los radicales R de los diferentes aminoácidos. Los radicales hidrofóbicos se orientan hacia el interior y los hidrofílicos hacia el exterior. Incluye fuerzas covalentes (puentes disulfuro) y no covalentes (interacciones iónicas, hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals). Estas fuerzas pueden distorsionar las formas alfa y beta. En algunas proteínas pueden coexistir ambas estructuras secundarias.
• Estructura Cuaternaria: Es la asociación de varias cadenas con estructura terciaria (oligómeros). Pueden aparecer dímeros, trímeros o tetrámeros, como la hemoglobina.

Clasificación de las Proteínas

• Proteínas Fibrosas: Como el colágeno, que forma el tejido conjuntivo.
• Proteínas Globulares: Como las albúminas, que actúan como reserva energética.
• Heteroproteínas: Cromoproteínas, nucleoproteínas, glucoproteínas, fosfoproteínas, lipoproteínas.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad
• Especificidad
• Capacidad amortiguadora del pH
• Desnaturalización: Las proteínas pueden perder sus configuraciones espaciales características debido a variaciones de pH, temperatura o agitación, lo que resulta en la pérdida de su función. Solo se mantiene el enlace peptídico, desapareciendo las estructuras secundaria y terciaria. En algunos casos, la proteína puede renaturalizarse y recuperar su estructura original.

Estudio del ADN: Ácido Desoxirribonucleico

El ADN (ácido desoxirribonucleico) está compuesto por B-D-desoxirribofuranosa, ácido fosfórico y las bases nitrogenadas adenina (A), guanina (G), citosina (C) o timina (T). Es la molécula que contiene la información genética hereditaria. Se encuentra dentro de todas las células, compactado y empaquetado, lineal o circular, y normalmente es bicatenario. El ADN circular bicatenario se encuentra en la matriz de las mitocondrias de todas las eucariotas y en el estroma de los cloroplastos.

Estructuras del ADN

• Estructura Primaria: Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster entre el radical fosfato del carbono 5′ y el radical OH del carbono 3′. Comienza con un extremo 5′-P libre y termina con un extremo OH 3′ libre.
• Estructura Secundaria (Modelo de Watson-Crick): Es una molécula larga y rígida con estructuras repetidas cada 0.34 nm y cada 3.4 nm. El número de bases púricas y pirimídicas es el mismo. Es una doble hélice de 2 nm de diámetro, formada por dos cadenas antiparalelas unidas por las bases nitrogenadas complementarias: A con T y C con G, mediante doble y triple puente de hidrógeno, respectivamente. Esta doble hélice es dextrógira y plectonémica. Cada par está separado del siguiente por 0.34 nm y cada vuelta de hélice comprende 10 pares de nucleótidos.
• Estructura Terciaria: Resulta del enrollamiento de la doble hélice alrededor de proteínas histonas. La unidad que se repite es el nucleosoma, formado por dos vueltas de doble hélice alrededor de ocho proteínas histonas. Entre nucleosoma y nucleosoma hay solo dos hélices (collar de perlas, fibra de 10 nm).
• Estructura Cuaternaria: Resulta del empaquetamiento de la estructura anterior alrededor de otras histonas, incluyendo una histona 1, y comprende seis nucleosomas. Forma una fibra de 30 nm. La estructura cuaternaria continúa su empaquetamiento formando estructuras en fibras de 300 y 700 nm. El máximo empaquetamiento de la cromatina ocurre durante la metafase de la mitosis, alcanzando 1400 nm.

Tipos de ARN: Ácido Ribonucleico

El ARN (ácido ribonucleico) está compuesto por B-D-ribofuranosa, ácido fosfórico y las bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U). Sus funciones son:

• ARNm (mensajero): Lleva la información genética del ADN hasta los ribosomas, donde se traduce en proteínas.
• ARNt (transferencia): Aporta el aminoácido correspondiente a cada triplete de bases nitrogenadas durante la traducción.
• ARNr (ribosómico): Forma los ribosomas.

Localización del ARN

• ARNm: En el núcleo, citoplasma, mitocondrias y cloroplastos, previo al proceso de traducción.
• ARNt: En el citoplasma, mitocondrias y cloroplastos.
• ARNr: Constituyendo los ribosomas.

Estructuras del ARN

• ARNm: Representa del 2 al 5% del total. Es lineal y, en eucariotas, es monocistrónico.
• ARNr: Es el 80% del total de una célula. Son largas y monocatenarias, y puede producirse apareamiento.
• ARNt: Puede contener bases distintas de las normales. Representa alrededor del 15% del total. Hay 50 tipos distintos, pero todos tienen estructuras similares. Hay un ARNt para transportar cada aminoácido de las proteínas. En el extremo 5′ siempre hay G y un ácido fosfórico libre. En el extremo 3′ está el triplete ACC, donde se une el aminoácido transportado durante el proceso de «activación». En el brazo A hay un triplete de bases (anticodón) complementario a otro triplete mensajero. El brazo T se fija al ribosoma durante la traducción.

Existen otros tipos de ARN, como el nucleolar o las ribozimas.

Bomba de Na+ y K+

Se encuentra en las membranas de las neuronas y se encarga de expulsar del interior de la célula átomos de Na+ en contra del gradiente eléctrico. El objetivo es recuperar la polaridad normal de una célula después de la transmisión del impulso nervioso. En el interior predominan las proteínas de cargas negativas y en el exterior las cargas positivas, como el Na+. Cuando se produce un estímulo, las cargas positivas entran y de la célula solo sale K+. Una vez que la célula está despolarizada y el estímulo ha pasado, la célula se repolariza, y es aquí donde se utilizan las bombas de Na+ y K+.

Retículo Endoplasmático

El retículo endoplasmático (RE) está formado por un conjunto de conductos y cavidades que se extienden por todo el citoplasma. Se divide en dos tipos:

• RE Liso: Sin ribosomas adheridos, abundante en células con intenso metabolismo lipídico. Sus funciones principales son la detoxificación en el hígado, la liberación de glucosa a partir de glucógeno y la síntesis de fosfolípidos.
• RE Rugoso: Con ribosomas unidos a través de una proteína, la riboforina, abundante en células secretoras. Sus funciones destacadas son formar la envoltura nucleolar, sintetizar proteínas para la membrana o para secretar, y glicosilar proteínas.

Aparato de Golgi

El aparato de Golgi está formado por seis sacos aplanados rodeados de vesículas. Tiene dos caras: la cara cis, cerca del núcleo, con membranas muy finas receptoras de las vesículas de transporte; y la cara trans, cerca de la membrana plasmática, con membranas más gruesas y emisoras de vesículas de secreción. Entre la cara cis y la trans, se transportan vesículas de transición por endo y exocitosis. Sus funciones más destacadas son secretar sustancias y reciclar membranas.

Mitocondrias

Las mitocondrias son orgánulos de doble membrana presentes en todas las células eucariotas, abundantes en células con intensa actividad. Junto con los cloroplastos, son los orgánulos energéticos de las células. Se distinguen varias partes:

• Membrana Externa: Bicapa lipídica unida a proteínas muy permeable debido a la presencia de proteínas transmembrana como la porina, que constituyen auténticos canales acuosos. También posee enzimas que participan en la síntesis mitocondrial de lípidos y en la activación de ácidos grasos.
• Espacio Intermembrana: De composición similar al citosol y con escasos enzimas.
• Membrana Interna: Forma crestas que aumentan su superficie y su actividad. Es impermeable a sustancias polares e iones, pero permeable a H2O, CO2 y O2. Su composición es diferente a la externa (25% lípidos y 75% proteínas). Lleva muchas proteínas transportadoras específicas que regulan el paso de ácidos grasos entre el exterior y el interior. Posee proteínas transportadoras de electrones hasta el O2. Destacan proteínas con función enzimática asociadas para formar el complejo ATP-sintetasa, cuya función es fabricar ATP. Este complejo está formado por 8 cadenas polipeptídicas.
• Matriz Mitocondrial: Espacio interno de las mitocondrias, relleno de una sustancia gelatinosa compuesta por menos de un 50% de H2O, ADP, ATP, iones, varias copias idénticas del ADN circular bicatenario, enzimas para la replicación, transcripción y traducción. Sus funciones son la síntesis de proteínas a partir del ADN mitocondrial (que tiene lugar en los ribosomas), la producción de precursores para la síntesis de otras sustancias como aminoácidos o ácidos grasos, y la respiración celular, en concreto el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la hélice de Lynen en la matriz.

Cloroplastos

Los cloroplastos son orgánulos presentes en las células eucariotas vegetales. Fabrican azúcares y otras moléculas orgánicas a partir de luz solar y moléculas inorgánicas.

• Membrana Externa: Permeable y similar a la membrana celular.
• Espacio Intermembrana: Similar al citoplasma.
• Membrana Interna: Idéntica composición a la externa pero impermeable, excepto para el CO2.
• Membrana Tilacoidal: Predominan las proteínas, las del sistema ATP sintetasa y las de transporte electrónico. Es una membrana impermeable a la mayoría de las moléculas y se sitúa en el espacio interno del cloroplasto, llamado grana.
• Estroma: Formado por una disolución concentrada con ADN circular bicatenario, ARN ribosómico 70S, gránulos de almidón y lípidos, y enzimas implicados en el ciclo de Calvin, en la reducción de nitratos y sulfatos, o en la replicación. Sus funciones son la síntesis de proteínas en sus ribosomas, el almacenamiento temporal de sustancias de reserva y la realización del proceso de fotosíntesis.