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Tema 5. Proteínas
Bioquímica
TEMA 5
PROTEÍNAS
1. Clasificación de las proteínas y niveles estructurales
2. Proteínas Fibrosas. Queratinas
4. Proteínas Globulares. Mioglobina, Hemoglobina, Inmunoglobulinas
1. Clasificación de las proteínas y niveles estructurales
Las proteínas son cadenas polipeptídicas que se diferencian de los oligopéptidos en
el número de aminoácidos que contienen, en su carácter funcional y sobre todo en
que son el resultado del proceso de expresión genética. La conformación de una
proteína hace referencia a la disposición espacial de la misma, aspecto de vital
importancia, pues va a estar directamente relacionado con la función que
desempeñan. Según su conformación las proteínas pueden clasificarse en fibrosas
y globulares. Las proteínas fibrosas poseen las cadenas polipeptídicas ordenadas
de modo paralelo a lo largo de un eje, forman materiales físicamente resistentes e
insolubles en agua, siendo elementos básicamente estructurales como por ejemplo
la α-queratina del pelo, la fibroina de la seda o el colágeno de los tendones. Por su
parte, las proteínas globulares, están constituidas por una o varias cadenas
polipeptídicas plegadas de modo que puedan adoptar una conformación esférica o
globular, desempeñando diferentes funciones, entre ellas:
• proteínas transportadoras (mioglobina)
• catalizadores (enzimas)
• protectora (anticuerpos)
• receptoras de señal (rodopsina)
• reserva (albumina)
La conformación que presenta una proteína va a depender directamente de los
distintos niveles estructurales que posee, pudiéndose observar hasta cuatro nivels
estructurales, denominados estructura primaria, secundaría, terciaria y cuaternaria,
niveles que se muestran para el caso de la hemoglobina en la figura 1.
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Figura 1.
Esquema de los cuatro niveles de estructura de las proteínas.
Como se indicó estudió en el tema anterior, la estructura primaria hace referencia a
la posición que ocupa cada aminoácido en la cadena polipeptídica, es decir nos
indica la secuencia de la proteína. La importancia de este nivel radica en que la
posición que ocupa cada aminoácido dentro de la cadena va a condicionar
enormemente el resto de los niveles estructurales y en último término la función que
desempeña la proteína. Las proteínas no son sólo polipéptidos: son polipéptidos de
secuencia definida, cualquier alteración de la secuencia puede provocar cambios en
el resto de niveles e impedir el correcto funcionamiento de la proteína.
La Estructura secundaria: hace referencia a la ordenación regular y periódica de la
cadena polipeptídica en una dirección determinada. Los conocimientos sobre la
estructura secundaria tienen su origen en los estudios realizados por Linus Pauling,
de tal forma que trabajando básicamente con modelos estructurales, Pauling y sus
colaboradores pudieron llegar a un pequeño número de conformaciones regulares
que cumplían todos los criterios derivados de los estudios de difracción de rayos X.
Básicamente, se establecen dos tipos de estructura secundaria, la hélice-α y la
conformación-ß.
•
En la Hélice-α (Fig.2) la cadena polipeptídica adopta una conformación
helicoidal. Las estructuras helicoidales se caracterizan por el numero de
aminoácidos por vuelta (n) (3,6 restos en la Hélice-α) y por su paso de
rosca (p), o distancia entre vuelta (5,4 Å para la Hélice-α). Esta conformación
se estabiliza por puentes de hidrógeno (R-C=O ●●●● H-N-R) intracatenarios
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(dentro de la hélice) entre el grupo amino y el carbonilo de enlaces peptídicos
enfrentados. Además, los restos -R de los aminoácidos se disponen hacia
fuera de la hélice evitando las interacciones estéricas (por grupos
voluminosos) y estabilizando la conformación. Por otro lado, la hélice-α puede
distorsionarse o perder la conformación cuando en la secuencia aparece una
prolina, único aminoácido ciclado por su grupo α-amino.
Figura 2.
Esquema de la hélice-α
Aunque la hélice-α es la conformación más común, es posible encontrar en
algunas proteínas hélices 310 (con 3 residuos por vuelta), e incluso es
estéricamente posible la denominada hélice π (4,4 residuos por vuelta) si bien
aun no se ha observado en las proteínas.
En la conformación-ß (Fig.3) la cadena adopta una ordenación lineal en la
que los restos -R, de los aminoácidos, se van alternando por encima y por
debajo (zig-zag) del plano del enlace peptídico. Esta conformación se
estabiliza con puentes de hidrógeno entre varias cadenas de proteínas con
conformación-ß, dando lugar a una hoja plegada ß, que puede presentar un
plegamiento paralelo, (en el que las cadenas vecinas se desarrollan en la
misma dirección), o bien un plegamiento antiparalelo con cadenas vecinas en
direcciones opuestas.
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Figura 3.
Esquema de la hoja plegada-β. En conformación antiparalela (a) y paralela (b)
La Estructura Terciaria hace referencia al modo en que se curvan o pliegan en el
espacio los segmentos de hélice-α y/o conformación-ß, que presenta una cadena
polipeptídica de las proteínas globulares. El plegamiento de una proteína globular
hasta alcanzar su conformación espacial es un proceso claramente favorecido
termodinámicamente, es decir el cambio de energía libre global que se produce con
el plegamiento es negativo. Dicho proceso, que implicaría una reorganización
espacial y por lo tanto una disminución de entropía, se ve favorecido por
interacciones que se producen entre los residuos de os aminoácidos, entre ellas,
interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno, fuerzas de van der Waals,
interacciones hidrofóbicas y puentes disulfuro.
La estructura terciaria depende lógicamente de su estructura primaria, así las
cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas globulares se hallan
distribuidas espacialmente de acuerdo con sus polaridades, de tal forma que:
• Los restos no polares aparecen, casi siempre, en el interior de la proteína,
para no entrar en contacto con el disolvente acuoso que la envuelve,
creando un ambiente hidrofóbico.
• Los residuos polares con carga se hallan situados, normalmente en la
zona externa, interaccionando con el medio acuoso. A veces, se requiere
de estos centros en la parte interna de la proteína y en estos casos
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también ocurre que están directamente implicados en alguna
funcionalidad de la proteína, bien a nivel estructural o bien a nivel
catalítico.
• Los grupos polares sin carga, aparecen distribuidos por la totalidad de la
cadena, si bien mayoritariamente, también aparecen en las partes
externas, en contacto con la disolución acuosa.
Como consecuencia de esta distribución de restos, las proteínas globulares son muy
compactas, hay poco espacio en el interior, de modo que el agua difícilmente accede
a dicho espacio. La figura 4 muestra para el caso de la mioglobina la distribución
espacial de los residuos de aminoácidos polares y apolares.
Fig. 4
K = lys
E = Glu
V = val
Aminoácidos (general)
• polares cargados, hacia fuera
• apolares, hacia dentro
• polares, distribuidos
Estructura cuaternaria. Muchas proteínas globulares son oligoméricas, es decir
están formadas por más de una cadena polipeptídica (subunidad). La posición
espacial que ocupa cada una de estas subunidades respecto a las otras queda
determinada por la estructura cuaternaria. De nuevo surgen interacciones entre los
residuos de los aminoácidos, de la misma naturaleza que las indicadas en la
estructura terciaria, y que, en este caso, además se producen entre las cadenas
polipeptídicas que conforman la proteína. Un ejemplo claro ocurre con la
hemoglobina (que se estudiará más adelante), proteína formada por 4 subunidades.
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2. Proteínas Fibrosas. Queratinas
Fig.5
α-queratina del pelo
La α-queratina es una proteína que
aparece en todos los vertebrados
superiores y es el componente
principal del pelo, la lana, las uñas o
los cuernos. El pelo (Fig. 5) está
constituido por células muertas, cada
una
de
las
cuales
contiene
macrofibrillas empaquetadas que se
orientan paralelamente a la fibra del
pelo. Éstas están formadas por
microfifrillas, que es una asociación de
protofibrillas que continúen dos
cadenas de hélice-αque se retuercen
en un arrollamiento hacia la izquierda.
Las α-queratinas poseen un alto
contenido de Cys (R= -CH2-SH) de tal
manera que las interacciones entre las hebras se producen a través de puentes
disulfuro (-S-S-) dando una gran resistencia e insolubilidad al conjunto. Aunque la
insolubilidad de las α-queratinas impide que la mayor parte de los animales la
puedan digerir, la polilla, posee una concentración elevada de mercaptanos, que
rompen los puentes disulfuro en su tracto digestivo y por lo tanto pueden digerir la
lana.
Por su parte, la Fibroína (Fig.6) de la seda es una agrupación de ß-queratinas en
conformación hoja plegada-ß antiparalela unidas por enlaces de hidrógeno
intracatenarios. La fibroina y otras ß-queratinas son muy ricas en aminoácidos poco
voluminosos (gly y ala), lo que facilita que las hojas se apilen unas sobre otras, de tal
modo que se alternan zonas de contacto entre glicinas y zonas de contacto entre
alaninas, interaccionando mediante fuerzas débiles de van der Waals. Este hecho
hace posible que la seda pueda extenderse en fibras fácilmente separables
(separando hojas) pero relativamente difíciles de romper (implicaría romper los
enlaces peptídicos).
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Figura 6.
Hoja plegada-β de
fibroina de la seda.
la
Por otro lado, existe la posibilidad de transformar la α-queratina en ß-queratina. Así,
cuando el pelo o la lana se someten a la acción del vapor (calor + humedad) pueden
incluso duplicar su longitud. Lo que ocurre es que se rompen los puentes de
hidrógeno de la hélice-α y las cadenas polipeptídicas adoptan una conformación-ß;
no obstante los grupos -R de las α-queratinas son voluminosos, lo que hace que la
conformación-ß se desestabilice y al poco tiempo adopte de nuevo la conformación
en α-hélice con lo que el pelo o la lana recuperan su longitud original.
4. Proteínas Globulares. Mioglobina, Hemoglobina, Inmunoglobulinas
Algunas proteínas, como le ocurre a la mioglobina (Fig.7) están constituidas solo
por hélices-α. La mioglobina es una proteína globular que contiene una sola cadena
polipeptídica, constituida por ocho segmentos de hélice-α . La mioglobina se halla,
principalmente en las células de los músculos esqueléticos y es especialmente
abundante en los mamíferos buceadores, en los que no sólo actúa almacenando
oxígeno, sino también contribuyendo al aumento de la velocidad de difusión del
oxígeno.
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Fig.12.
Mioglobina
Fig.8. Estructura de la Mioglobina, donde se aprecia el grupo hemo
(en rojo) y los 8 segmentos en hélice-α
La proteína, además, contiene un componente no proteico (grupo prostético),
denominado grupo hemo que permite la oxigenación y desoxigenación de forma
reversible. El grupo hemo (Fig.9) es un sistema de anillos tetrapirrólico denomina
protoporfirina IX que contiene hierro (II), este grupo está unido de forma no
covalente en una hendidura hidrofóbica de la molécula de mioglobina. El Fe (II)
presenta una coordinación octaédrica, cuatro ligandos corresponden al sistema
tetrapirrólico, otro lo realiza con una residuo de histidina (His F8) y el octavo ligando
lo realiza con el oxígeno cuando la mioglobina está oxigenada, a su vez el oxígeno
se coordina con otra histidina (His E7).
Figura 9
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El grupo hemo aparece también como grupo prostético de la molécula de
hemoglobina (Fig. 10), una proteína que posee una estructura cuaternaria formada
por cuatro subunidades. Estas subunidades, iguales dos a dos, se denominan α y β,
y cada una contiene un grupo hemo, implicado también en el transporte de oxígeno.
Fig.10
Estructura cuaternaria
de la hemoglobina
En la oxigenación de la hemoglobina ocurre un fenómeno denominado
cooperatividad positiva, de tal manera que la entrada de la primera molécula de
oxígeno, acelera la entrada de la segunda, ocurriendo lo mismo con la tercera y
cuarta molécula de oxigeno que puede transportar. Aunque existen varios modelos
que tratan de explicar el proceso que tiene lugar, en general todos se basan en
cambios conformacionales que tiene lugar en las distintas subunidades al enlazar la
molécula de oxígeno, cambios que facilitan la entrada de la siguiente. Por otro lado,
la liberación del dióxido de carbono por parte de los tejidos que respiran reduce la
afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, en este caso el CO2 se convierte en
bicarbonato, parte del cual reacciona directamente con la hemoglobina, uniéndose a
los grupos amino N-terminales de las cadenas que la forman.
Existen mutaciones de las moléculas de hemoglobina en las que la secuencia de
aminoácidos difiere un poco de la secuencia de la hemoglobina normal (conocida
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como HbA). La mayoría de estas mutaciones son inofensivas, pero algunas causan
graves enfermedades, como es el caso de la Hb de las células falciformes (HbS).
La diferencia entre la HbA y la HbS (Fig.11a y
11b) radica sólo en que en la secuencia una
molécula de ac. glutámico (polar con carga) es
sustituida por una Val (apolar). Este pequeño
cambio (1 de los 146 aas de las cadenas- ß)
tiene un profundo efecto sobre el resto de
niveles estructurales, pues la apolaridad de la Fig.11a
Val (situada en un extremo exterior) interacciona Glóbulos rojos con HbA
de modo hidrofóbico con partes apolares de las
subunidades a de otras HbS. Esto hace que las moléculas se agreguen y precipiten
en las células. Como consecuencia, los glóbulos rojos (normalmente con forma de
disco) adoptan una forma de media luna, obstruyendo los capilares más delgados,
restringiendo el flujo sanguíneo y provocando entre otras complicaciones dolores
severos y sudoración.
Fig.11b
Glóbulos rojos con HbS
La mioglobina y la hemoglobina son dos ejemplos de proteína trasportadoras, en las
que la estructura secundaria básica es de hélices-α, también existen proteínas que
mayoritariamente están formada por regiones extensas de hoja plegada-ß, como es
el caso de la concanavalina A (Fig.12a) (lectina de soja) una proteína vegetal (con
cuatro subunidades) capaz de fijar específicamente mono- u oligosacáridos de
receptores celulares de superficie, desencadenando en la célula determinadas
acciones. Por su parte, la anhidrasa carbónica (encargada de hidratar el CO2, para
producir bicabonato) es un ejemplo de proteína que posee cantidades significativas
de ambos tipos de estructura secundaria, (Fig.12b).
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a
b
Fig.12.
Estructura de la concanavalina A (a) y la anhidrasa carbónica (b)
Las inmunoglobulinas (Ig) o anticuerpos son proteínas de bajo peso molecular (≈
150 kDa), que, con una función protectora, están especializadas en el
reconocimiento de otras moléculas, denominadas antígenos. Los anticuerpos o
inmunoglobulinas son producidos por células especializas en la respuesta inmune,
denominadas linfocitos B. Existen cinco clases de moléculas de anticuerpos (Tabla
1) que desempeñan distinta funciones en el sistema inmunitario (IgG, IgM, IgA, IgD e
IgE).
Tabla 1, las cinco clases de inmunoglobulinas
Las IgM se producen durante la respuesta inicial contra en antígeno. Es la inmunoglobulina más
grande y contiene 5 unidades, en forma de Y, que se mantiene unidas con un componente,
denominado cadena J. El tamaño relativamente grande limita su existencia en el torrente
sanguíneo.
Las IgG son los anticuerpos más abundantes en la sangre. Una variante se fija a la superficie de
las células B. Están formadas por una sola unidad en forma de Y y pueden atravesar con
facilidad las paredes de los vasos sanguíneos y (en su caso) la placenta.
Las IgA se encuentran en las secreciones corporales (saliva, sudor y lágrimas) y en las paredes
del intestino, además es el principal anticuerpo del calostro y de la leche. Se presentan como
monómeros o dímeros.
Las IgD e IgE son las menos conocidas. Se presentan como monómeros. Las IgD se
encuentran en la superficie de los células B (no se sabe mucho sobre su función) y las IgE
parecen implicas en las respuestas alérgicas.
Todas las clases de Ig se construyen a partir del mismo patrón de inmunoglobulina
básico que se presenta en la siguiente figura (Fig.13).
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Fig.13
El estudio de sus niveles estructurales muestra regiones de hojas plegadasβ, formando dos cadenas polipeptídicas pesadas (cadenas H) y dos cadenas ligeras
(cadenas L) unidas mediante enlace disulfuro (-S-S-), cada cadena contiene
dominios constantes (C) y dominios variables (V). Además también presentan en su
estructura dos carbohidratos (-CHO) unidos a las cadenas pesadas, que facilitan la
determinación de los destinos de los anticuerpos y estimulan la respuesta de los
macrófagos.
Los dominios constantes son idénticos para todos los anticuerpos de una clase
determinada, y además de su función estructural, actúan de señal localizadora de
los macrófagos (leucocitos, células especializas en engullir y digerir sustancias
extrañas) del sistema circulatorio para que ataquen a las partículas que han sido
señaladas con los anticuerpos. Los dominios variables son los que crean la enorme
diversidad de especificidades de los antígenos, en base a la síntesis de distintas
secuencias de aminoácidos en las cadenas, que pueden llegar a producir más de un
billón de combinaciones distintas. El lugar de unión del anticuerpo al antígeno se
encuentra en el final del extremo de los dominios variables y en él participan
aminoácidos de las dos cadenas.
Si
el
antígeno
(partícula
invasora) es grande, como una
célula, un virus o una proteína,
puede provocar la formación de
muchos anticuerpos diferentes,
cada uno de los cuales se une
específicamente
a
un
determinante antigénico (o
epítopo) dado en la superficie
de
la
partícula.
Estos
determinantes
antigénicos
(Fig.14) pueden ser, por
ejemplo, aminoácidos de la
superficie de la proteína o
Figura 14. Anticuerpos y epítopos
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incluso residuos de azúcares de un hidrato de carbono.
Cuando una sustancia el antígeno invade los tejidos de un vertebrado superior, el
organismo se defiende mediante la respuesta inmune. Esta defensa tiene dos
vertientes, respuesta inmunitaria humoral y respuesta inmunitaria celular. En la
respuesta inmunitaria humoral los linfocitos B sintetizan moléculas de
inmunoglobulinas específicas que son liberadas y se unen a la sustancia invasora,
para posteriormente ser fagocitada por acción de los macrógafos. En la respuesta
inmunitaria celular, interviene los linfocitos T, que llevan moléculas similares a las
inmunoglobulinas en su superficie y son capaces de identificar y destruir a las
células extrañas. En este apartado examinaremos la respuesta humoral ligada a los
linfocitos B.
La forma en la que puede actuar el sistema inmune se describe en la teoría de la
selección clonal, cuyos postulados básicos (Figura 15) son:
Figura 15. Teoría de la selección clonal
1. Las células madre B de la médula osea se diferencian para hacer linfocitos B,
cada uno de los cuales produce un único tipo de moléculas de anticuerpo (con un
lugar de unión que reconocerá una
forma molecular específica). Estos
anticuerpos están unidos a la superficie externa de los linfocitos B.
2. La unión de un antígeno a uno de estos anticuerpos estimula a las células
portadoras para que se repliquen, generando un clon (un conjunto de células con
la misma información genética). Esta respuesta primara se facilita por una clase
especial de células denominadas células T colaboradoras. Así, si una célula T
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colaboradora identifica a un antígeno ligado a un anticuerpo, se une al linfocito B
adecuado y produce una proteína señal que estimula la reproducción del linfocito
B.
3. En este proceso se producen dos tipos de
células B clonadas (Fig.16), los linfocitos B
efectores, que generan y liberan anticuerpos
solubles que pasan al torrente sanguíneo y
que se une directamente al agente extraño, y
además se producen linfocitos B memoria
que persistirán durante cierto tiempo, aun
después
de
que
el
antígeno
haya
desaparecido (esto permite una respuesta
secundaria rápida ante el mismo antígeno).
Figura 16. Los dos tipos de linfocitos B
La Teoría de la selección clonal explica muchas de las características de la
respuesta inmune. Entre ellas ¿por qué no encontramos clones de linfocitos B que
produzcan anticuerpos contra nuestras propias proteínas y tejidos?. La respuesta es
fascinante, así, cuando las células B inmaduras del feto se encuentran con
antígenos que se unen a sus anticuerpos de superficie, no se estimulan para
replicarse, en su lugar, estas células fetales son destruidas. Ello hace que las células
B que producen anticuerpos contra todos los posibles antígenos “propios” con los
que podrían reaccionar se eliminen antes del nacimiento. Las únicas células B que
maduran son las que producen anticuerpos contra las sustancias no propias.
A veces, el sistema inmunitario se altera y produce anticuerpos contra los tejidos
normales de un adulto. Las causas de esta autoinmunidad no se conocen del todo,
pero las enfermedades producidas pueden ser devastadoras. Un ejemplo es la
enfermedad del lupus eritematoso, en ella son los propios ácidos nucleicos, los que
sufren el ataque de los anticuerpos en las personas que padecen la enfermedad.
Así pues, el cuerpo posee una capacidad inherente para producir una inmensa
diversidad de anticuerpos con distintas secuencias de aminoácidos que son capaces
de unirse a una enorme gama de antígenos, protegiendo de esta forma al
organismo, de hecho la respuesta inmune constituye la primera barrera de
protección frente a infecciones, y probablemente también frente las células
cancerosas. Así, es la inhabilitación del sistema inmune producida por el virus del
SIDA la que hace que sea una enfermedad tan devastadora. Las víctimas del SIDA
no fallecen por efecto directo del virus, sino que mueren a causa de enfermedades
infecciosas o cánceres, de los que el sistema inmunitario no es capaz ya de
defenderles.
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