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Proteínas
Introducción

Polímeros  unión (enlaces peptídicos) de aminoácidos.

Muy complejas   PM: 6000 – 106 Da)  macromoléculas.

Prótidos  varios polímeros proteicos que + lípidos, glúcidos, etc.

Moléculas orgánicas más abundantes en las células  > 50% del peso seco de la célula  proteínas.

C, H, O y N y casi todas tienen también S  algunas: P, Fe, Zn o Cu.

Compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos.

Moléculas específicas  individualidad de cada ser vivo.

A través de ellas se va a expresar la información genética  DNARNAProteína
Funciones Generales
De reserva.- en casos especiales  desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo.
Estructural.- membranas celulares, cartílago, hueso, etc.
Enzimática.- todas las enzimas son proteínas.
Homeostática.- equilibrio osmótico del medio celular y extracelular.
Transporte.- de gases (hemoglobina) y lípidos (seroalbúmina) en la sangre. Intercambios entre la célula y el exterior
(permeasas)

Movimiento.- actina y miosina  células musculares  contracción muscular.

Hormonal.- hormonas  sustancias químicas  regulan procesos vitales: insulina, glucagón, etc.

Inmunológica.- anticuerpos son proteínas que intervienen en los procesos de defensa frente a los agentes patógenos.
Aminoácidos

Unidades estructurales  monómeros.

Todos los aa que se encuentran en las proteínas  excepto la prolina fórmula general: NH2–CHR–COOH
 2 grupos funcionales:

Grupo carboxilo o grupo ácido:-COOH

Grupo amino:-NH2

Proteínas de los seres vivos  20 aa diferentes  Venenos de serpientes  aa diferentes de estos 20.

Aa esenciales  no se sintetizan  dieta  diferentes para cada especie  humana son diez: Treonina, Arginina, Valina,
Leucina, Isoleucina, Fenilalanina, Lisina, Histidina, Metionina y Triptófano.





Clasificación

En función de sus características químicas:
 Aa Apolares.- R apolar  R: largas cadenas hidrocarbonadas  sin cargas eléctricas  proteínas apolares.
 Aa Polares No Ionizables.- R: cortas cadenas hidrocarbonadas con funciones polares: alcohol, tiol o amida  proteínas
polares.
 Aa polares ácidos.- R: más de un grupo carboxilo  a pH básico o neutro  cargados negativamente.
 Aa polares básicos.- R: uno o más grupo amino  a pH es ácido o neutro  cargados positivamente.
Asimetría
Excepto en la glicina.
C   asimétrico  molécula ópticamente activa  2 configuraciones: D y L  aa de seres vivos: L  paredes y antibióticos
bacterianos  aa no proteicos serie D.
Enlace Peptídico

Grupo -carboxilo aa1 + grupo -amino aa2.

Reacción de condensación  se forma una amida (dipéptido) + H2O.

Características
 Covalente entre un átomo de C y un átomo de N.
 Muy resistente  posibilita el gran tamaño y estabilidad de las proteínas.
 Rayos X  comporta como un doble enlace  no hay libertad de giro alrededor de él.
 Todos los átomos unidos al C y al N del enlace peptídico mantienen unas distancias y ángulos característicos y están
todos ellos en un mismo plano.
Péptidos, Polipéptidos y Proteínas

Según el nº de aa:
 Dipéptido: 2 aa
 Tripéptido: 3 aa
 Oligopéptido: 4 - 10 aa
 Polipéptido: 10 – 100 aa
 Proteína: > 100 aa

Cadena polipeptídica  extremo amino terminal--------extremo carboxilo terminal.

Muchas sustancias naturales de gran importancia son péptidos:
 Insulina  regula las concentraciones de glucosa en la sangre  2 cadenas de 21 y 30 aa unidas por puentes
disulfuro.
 Encefalina  pentapéptido (5 aa)  neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor.
 Vasopresina y oxitocina  nonapétidos (9aa)  hormonas del lóbulo posterior de la hipófisis  contracciones del útero
durante el parto.
 Gramicidina  antibiótico.


Estructura o Conformación de las Proteínas

La conformación de una proteína es la disposición espacial que adopta la molécula proteica. Las cadenas peptídicas, en
condiciones normales de pH y temperatura, poseen solamente una conformación y ésta es la responsable de las
importantes funciones que realizan.
Estructura Primaria


Secuencia de aa  determina el resto de los niveles  función de la proteína.
Alteración  eliminación, adición o intercambio de aa  puede cambiar  configuración general de una proteína  proteína
diferente  no pueda realizar su función.
Estructura Secundaria


Plegamiento que la cadena polipeptídica  puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico:
 Puentes de hidrógeno  grupos carboxilo (aceptor de H) y amino (dador de H) del enlace peptídico.
 Cadena polipeptídica  conformaciones de menor energía libre  más estables.
Características del enlace peptídico  restricciones  obligan a las proteínas a adoptar una estructura secundaria 
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Proteínas

configuraciones en hélice  distinto nº de aa por vuelta (n):
 Hélice : n = 4
 Hélice de colágeno: n = 3
 Conformación : n = 2

Hélice 
 Más simple y común
 Disposición helicoidal:
 R de los aa  hacia el exterior de la hélice  no participan en la estructura secundaria.
 Cada 3,6 aa da una vuelta completa
 Es muy estable:
 Permite la formación de puentes de hidrógeno:
 Entre el grupo C=O de un aa y el grupo N-H del cuarto aa situado por debajo de él
en la hélice: n y (n + 4)
 Intracatenarios
 Paralelos al eje central
 Cada enlace peptídico puede formar 2 puentes de hidrógeno
 No se forman puentes de hidrógeno:
 Los primeros 4 residuos del extremo amino terminal
 Los últimos 4 residuos del extremo carboxilo terminal
 Dos tipos:
 Levógira
 Dextrógira: es la que se encuentra en las proteínas
 Se estabiliza:
 Interacciones iónicas
 Aa con R (+) y aa con R (-)
 Interacciones hidrofóbicas
 Aa con R aromáticos próximos
 Aa pequeños o sin carga
 Se desestabiliza:
 Repulsión electrostática
 Entre aa con igual carga
 Volumen de R adyacentes
 No pueden ir seguido varios aa con R voluminosas: impedimento estérico
 Val, Ile
 Puentes de hidrógeno entre C
 Ser, Asp, Asn
 Presencia de Prolina
 El N de su enlace peptídico no tiene unido un hidrógeno para formar un
puente de hidrógeno con el aa (n + 4)

Conformación 
 Disposición en zig-zag
 Estabilidad:
 Disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación
 Cadenas de proteínas diferentes
 Partes de una misma molécula
 Se establecen puentes de hidrógeno entre grupos C=O y N-H
 Perpendiculares al eje de la cadena
 Las cadenas R van quedando alternativamente hacia arriba y hacia abajo
 No se estorban estéricamente
 Desestabilización:
 Cadenas R voluminosas próximas
 Cadenas R con las mismas cargas eléctricas próximas
 Cuando dos o más hélices  se sitúan una al lado de la otra y establecen puentes de hidrógeno, entre
ellas, aparece una hoja o lámina 
 En función de si los puentes de hidrógeno se establecen entre regiones  con el mismo sentido o
contrario, se distingue:
 Lámina  paralela: con el mismo sentido
 Lámina  antiparalela: sentido contrario
 Es la más estable, por la disposición de los puentes de hidrógeno
Proteínas  porciones con hélices , otras partes con conformaciones  y partes que no tienen una conformación definida
(zonas irregulares)
Estructura Terciaria


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
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


Estructura espacial tridimensional adoptada por la estructura secundaria.
Interacciones débiles entre las R de aa.
Pliegues  Pro, Ser, Ile  distorsionan la hélice  curvatura.
No ocurre al azar  favorecida energéticamente  única y siempre la misma bajo las mismas condiciones.
Responsable directa de la función de las proteínas  la pérdida de la estructura terciaria  pérdida de la función biológica
(desnaturalización).
Se estabiliza por:
 Puentes disulfuro (enlaces covalentes): entre –SH de 2 Cys que reaccionan entre sí para dar cistina
 Atracciones electrostáticas
 Puentes de hidrógeno
 Interacciones hidrofóbicas
En medio acuoso  restos hidrófobos hacia el interior y los restos hidrófilos hacia el exterior.
2 tipos:
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Proteínas


Fibrosa

Función : estructural y de protección

Insolubles en agua y en soluciones salinas

Ejemplos: Queratina, Colágeno y Elastina
Globular

Función: enzimática y de transporte

Solubles en agua y/o en disoluciones salinas

Hélice : en el centro de la molécula

Conformaciones : en la periferia

En solución acuosa, sus restos hidrófilos quedan hacia el exterior y los hidrófobos en el interior

En un ambiente lipídico, los restos hidrófilos quedan en el interior y los hidrófobos en el exterior
Estructura Cuaternaria




Las unidades de proteínas en su estado ya plegado (estructura terciaria)  se agregan  proteínas oligoméricas
 Cada polipéptido  protómero  dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc.
Estabilización por: puentes disulfuro, atracciones electrostáticas, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas
Hemoglobina:
 Globinas o parte proteica (dos cadenas  y dos cadenas , con un total de 146 aa)
 Parte no proteica o grupos hemo.
Anticuerpos  cuatro cadenas, dos cadenas cortas y dos largas.
Propiedades de las Proteínas

Directamente relacionadas con las cadenas R de los aa que quedan en la superficie de las proteínas.
Solubilidad

Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino dispersiones coloidales.
 Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas
con lo que no puede producirse la precipitación.
Especificidad de función

Cada proteína  función concreta.
 Tenemos unas 100 000 proteínas diferentes
 Diferencias evolutivas en determinadas regiones de las proteínas  sectores variables  no depende directamente la
función
 Secciones que determinan la función proteica  invariables
 Funciones biológicas  dependen de la forma que adopten en su conformación espacial.
Desnaturalización

Alteraciones  concentración, grado de acidez, temperatura (calor).

Pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario.

Desaparición de las interacciones débiles  no afecta a los enlaces peptídicos (estructura primaria).

Pérdida de la función biológica.

Proteínas globulares polares  desnaturalización  apolares  precipitan.

Renaturalización  excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor.
Clasificación de las Proteínas
Holoproteín as

Según su estructura:
 Filamentosas: forman fibras paralelas y son insolubles en agua.

Colágenos: tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo gran resistencia al estiramiento.

Queratinas: cabello, uñas, pezuñas, lana o seda.

Elastinas: flexibles  tendones, vasos sanguíneos u órganos que estén sometidos a deformaciones reversibles.

Miosinas: participan en la contracción muscular.
 Globulares: estructura globular y solubles en agua.

Histonas: asociadas al ADN, participan en los procesos de regulación génica (expresión de genes)

Albúminas: funciones de reserva de aa. Seroalbúmina de la sangre o la ovoalbúmina de huevo.

Globulinas: proteínas muy grandes (masa molecular de 1000000). Ovoglobulina de huevo.
Heteroproteín as
Parte peptídica (aa) + parte no proteica (grupo prostético).
Según la naturaleza de éste tenemos:
 Cromoproteínas o pigmentos: grupo prostético  sustancia con color: hemoglobina (Fe).
 Glucoproteínas: grupo prostético  glúcido: protrombina sanguínea.
 Lipoproteínas: grupo prostético  AG: en membranas plasmáticas o transportan lípidos.
 Fosfoproteínas: grupo prostético  ácido fosfórico: caseína de la leche.
 Nucleoproteínas: grupo prostético  ácidos nucleicos: histonas.
Las Enzimas

Proteínas  catalizan reacciones químicas en los seres vivos  catalizadores: sustancias que, sin consumirse en una
reacción, aumentan notablemente su velocidad.

Sólo aumentan la velocidad de las reacciones espontáneas

Catalizadores específicos  cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o
sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por una enzima:
 Sustrato.- es la sustancia sobre la que actúa la enzima
 Centro activo.- es la región de la enzima donde se une el sustrato

Sitio de unión, formado por los aa que están en contacto directo con el sustrato

Sitio catalítico, formado por los aa directamente implicados en el mecanismo de la reacción

No se consumen


Regulación de la Actividad


Cambios en la conformación  cambios en la actividad catalítica.
Factores que influyen en la actividad enzimática son:
 pH

Grupos químicos ionizables (-COOH, -NH2, -SH, imidazol, etc.) en las cadenas R de sus aa.

pH  grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra.
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Proteínas
Conformación proteica  depende en gran parte  cargas de las R  pH óptimo  conformación más
adecuada para la actividad catalítica.

Tampones fisiológicos.
Temperatura

 T:  velocidad  cada  10ºC: v x 2.

T de desnaturalización  por encima de ella la enzima se desnaturaliza y se pierde la actividad: v = 0.

T óptima  actividad catalítica máxima.
Cofactores

Sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis.

Tipos:
 Iones inorgánicos: Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+.
 Molécula orgánica: coenzima  muchas se sintetizan a partir de vitaminas.
Concentración de Sustrato

Cuanto  es la [S]:  es la velocidad  hasta la saturación.

Productos finales  puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido
Presencia de Inhibidores

Moléculas que pueden inhibir la acción catalítica de una enzima.

Tipos:
 Competitivos: ocupan el centro activo por semejanza estructurar con el sustrato.
 No competitivos: alteran la conformación espacial de la enzima e impide que se una al sustrato.
Modulación Alostérica

2 conformaciones interconvertibles que se encuentran en equilibrio R  T:
 R: relajada, más activa y con más afinidad con el sustrato.
 T: tensa.

Moduladores positivos (a veces el propio sustrato)  estabilizan la forma R.
 Activadores alostéricos  favorecen la forma R  actúan sobre una región distinta del centro activo.

Moduladores negativos  estabilizan la forma T  disminuyen la actividad enzimática.
 Inhibidores alostéricos  favorecen la forma T actúan en lugares distintos del centro activo.
Modificación Covalente

Unión/Desunión covalente  grupo químico de pequeño tamaño  Pi o AMP.

Enzimas:
 Catabolismo  forma fosforilada es más activa.
 Anabolismo  forma no fosforilada es más activa.
Activación por proteólisis

Enzimas  sintetizan como proteínas precursoras sin actividad enzimática  proenzimas o zimógenos  ataque
hidrolítico  liberación de uno o más péptidos  resto de la molécula  enzima activa.

Enzimas digestivas  se secretan como zimógenos  tubo digestivo  forma activa:
 -quimotripsina: se sintetiza en forma de quimotripsinógeno.
 Tripsina pancreática (proteasa): se sintetiza como tripsinógeno  si se activa en el páncreas 
pancreatitis aguda.
Isoenzimas

Enzimas  distinta estructura molecular  función biológica similar.

Diferencias de estructura  ligeros cambios en sus propiedades.

Existen en función de:
 Tipo de tejido: lactato deshidrogenasa  músculo y corazón.
 Compartimento celular de acción: malato deshidrogenasa  citoplasma y mitocondria.
 Momento del desarrollo: algunas enzimas de la glucolisis  feto y adulto.









Mecanismo de Acción


Reacciones espontáneas  productos  energía libre de Gibbs  reactivos  se libera energía de Gibbs (G<0).
 El comienzo de la reacción  aporte inicial de energía  energía de activación (Ea).

 Ea: más fácilmente transcurre la reacción.

Enzimas   la Ea  más que los catalizadores inorgánicos.
 Choques entre moléculas de reactivos  energía y orientación adecuadas:

Enzima  permite que los sustratos se unan a su centro activo con una orientación óptima  modifica las
propiedades químicas del sustrato  debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros
nuevos.
2 modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima:
 Modelo llave-cerradura

Estructura del sustrato y del centro activo  complementarias

Válido en muchos casos, pero no es siempre correcto
 Modelo del ajuste inducido

Centro activo  conformación idónea sólo en presencia del sustrato  unión del sustrato al centro activo 
conformacional  producto.
Cinética Enzimática
Estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Proporciona información directa acerca del
mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad de la enzima.
La velocidad de una reacción catalizada por una enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos
casos no es necesario purificar o aislar al enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH,
temperatura, presencia de cofactores, etc., y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas
condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede
determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.
Al seguir la velocidad de aparición de producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la
cinética de la reacción.
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[P]
Proteínas
Tiempo
Cuando [S] es pequeña, la v es directamente
proporcional a la [S], y por tanto, la reacción es de
primer orden. A altas [S], el enzima se encuentra
saturada por el sustrato, y la velocidad ya no
depende de [S]. En este punto, la reacción es de
orden cero y la velocidad es máxima (Vmax)
Velocidad
A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va  porque se va consumiendo el
sustrato de la reacción. Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v 0),
que es igual a la pendiente de la curva de avance a tiempo cero. Así, la medida de v0 se realiza antes de que se
consuma el 10% del total del sustrato, se considera la [S] como constante a lo largo del experimento.
En estas condiciones no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la cantidad de producto formada es
tan pequeña que la reacción inversa apenas ocurre.
Así se simplifican enormemente las ecuaciones de velocidad.
Para estudiar la cinética enzimática se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad
inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante.
[S]
Modelo de Michaelis – Menten
Para explicar la relación observada entre la v0 y la [S]0, Michaelis y Menten propusieron que las reacciones
catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: en la primera etapa se forma el complejo enzima-sustrato y
en la segunda, el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre:
[E] = [ET] - [ES]
v1= k1 [S] [ET] - k1 [S] [ES]
[concentación]
k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada proceso (constantes microscópicas de velocidad).
Según esto, podemos afirmar que:
v1 = k 1 [E] [S]
v2 = k 2 [ES]
v3 = k3 [ES]
Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato (ES), de forma que la concentración total de
enzima, [ET], constante a lo largo de la reacción, es: [ET] = [E] + [ES]
[P]
[S]
[ES]
[E]
Tiempo
Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario: la concentración del complejo E-S es pequeña
y constante a lo largo de la reacción. Por tanto, la velocidad de formación del complejo enzima-sustrato es igual a
la de su disociación:
v 1 = v2 + v3
Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es constante: v = v3 = K3 [ES] =
constante
Como v1 = v2 + v3, podemos decir que:
K1 [S] [ET] - K1 [S] [ES] = K2 [ES] + K3 [ES]
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Proteínas
En el estado estacionario, la velocidad de formación del producto es:
Para cualquier reacción enzimática, [ET], K3 y Km son constantes:

A concentraciones de sustrato pequeñas: [S] << Km
Como [ET], K3 y Km son constantes, pueden englobarse en una nueva constante, k’, de forma que la
expresión queda reducida a:
La reacción es un proceso cinético de primer orden
A concentraciones de sustrato elevadas: [S] >> Km
v = k3 [ET]
La velocidad de reacción es independiente de la [S], y por tanto, la reacción es un proceso cinético de
orden cero. Además, tanto k3 como [ET] son constantes, podemos definir un nuevo parámetro, la velocidad
máxima de la reacción (Vmax):
Vmax = k3 [ET]
Es la velocidad que se alcanzaría cuando todo el enzima disponible se encuentra unido al sustrato.
Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad,obtenemos la expresión más conocida
de la ecuación de Michaelis-Menten:

Velocidad
Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su cinética no es Michaeliana. Esto
ocurre con las enzimas alostéricas, cuya gráfica v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide. En la
cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la K m) se traduce en grandes
variaciones en la velocidad de reacción.
[S]
La Km es la constante de Michaelis-Menten, es un parámetro cinético importante:

Es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima
Km = [S]  v =

El valor de Km da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato:  Km,  afinidad, y viceversa
Si Km es grande, el complejo ES es inestable pues predomina la tendencia a destruirlo (poca afinidad hacia
el sustrato), y si Km es pequeña, el complejo ES es estable, ya que predomina la tendencia a formarlo
(gran afinidad hacia el sustrato)

La Km del sustrato natural es menor que la de los sustratos análogos.
Si dos sustratos de la misma enzima tienen distinta Km, el que presente  Km tiene  afinidad por la
enzima, y la reacción transcurre siempre a  velocidad que con el sustrato de menor Km, salvo a
concentraciones saturantes de sustrato, donde la v = V MÁX
Los valores de Km de muchas enzimas son próximos a los de la concentración fisiológica de sus sustratos,
de forma que pequeñas variaciones en la [S] pueden suponer grandes cambios en la velocidad de toda
una ruta metabólica
La representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten (v0 frente a [S] 0) es una hipérbola. La VMÁX
corresponde al valor máximo al que tiende la curva experimental, y la K M corresponde a la [S] a la cual la
velocidad de la reacción es la mitad de la VMÁX

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Proteínas
Para determinar gráficamente los valores de KM y VMÁX es más sencillo utilizar la representación doble recíproca
(1/v0 frente a 1/[S]0), ya que es una línea recta. Esta representación doble recíproca recibe el nombre de
representación de Lineweaver-Burk. Es una recta en la cual:
Abscisa en el origen: Pte:
Ordenada en el origen :
De esta forma, a partir de los datos experimentales se puede calcular gráficamente, los valores de K M y VMÁX de
una enzima para diversos sustratos
1/V
V
VMÁX
1 / VMÁX
KM
[S]
-1 / KM
Inhibidor Competitivo
1/[S]
Inhibidor No Competitivo
1/V
[I]
1/V
[I]
1 / VMÁX
1/[S]
-1 / KM
1/[S]