CAPÍTULO 5: Aminoácidos, péptidos y proteínas

Sinopsis

Las proteínas son un grupo diverso de macromoléculas (fig. 5.1). Esta diversidad está directamente relacionada con las posibilidades de combinación de cada monómero de los 20 aminoácidos. En teoría, los aminoácidos pueden unirse para formar moléculas proteicas de cualquier tamaño o secuencia imaginables. Considérese por ejemplo una proteína hipotética compuesta por 100 aminoácidos. El número posible total de combinaciones de tal molécula es la cantidad astronómica de 20¹⁰⁰. Sin embargo, de los trillones de secuencias proteínicas posibles, sólo una pequeña fracción (aproximadamente no más de dos millones) es producida realmente por los seres vivos. Una razón importante de esta notable discrepancia es el complejo conjunto de propiedades estructurales y funcionales de las proteínas naturales, que han surgido y evolucionado durante billones de años en respuesta a la presión selectiva. Entre dichas propiedades se encuentran (1) las características estructurales que hacen del plegamiento proteínico un proceso relativamente rápido y exitoso, (2) la presencia de sitios de unión que son específicos para una, o un grupo pequeño de moléculas, (3) un balance apropiado entre flexibilidad y rigidez estructurales, de modo que se mantenga el funcionamiento, (4) una estructura superficial adecuada para el ambiente inmediato de una proteína (p. ej., hidrófobo en las membranas e hidrófilo en el citoplasma) y (5) la vulnerabilidad de las proteínas a las reacciones de degradación cuando se dañan o dejan de ser útiles.

Las proteínas pueden distinguirse en base a su número de aminoácidos (llamados residuos de aminoácidos), a su composición global de grupos aminoacilo, y a la secuencia de éstos. En la figura 5.1 se presentan ejemplos selectos de la diversidad de las proteínas. Las moléculas con pesos moleculares que van desde varios miles hasta varios millones de daltons (Da) se denominan polipéptidos. Aquellas con pesos moleculares bajos, que constan de menos de 50 aminoácidos, se denominan péptidos. El término proteína describe específicamente las moléculas con un contenido de más de 50 aminoácidos. Cada proteína consta de una o de varias cadenas polipeptídicas.

Este capítulo comienza con una revisión de las estructuras y de las propiedades químicas de los aminoácidos. Después se describen las características estructurales y funcionales de los péptidos y de las proteínas y el proceso de plegamiento proteínico. Se hace énfasis a lo largo del capítulo en la íntima relación que hay entre la estructura y la función de los polipéptidos. En el capítulo 6 se discute el funcionamiento de las enzimas, un grupo especialmente importante de las proteínas. En el capítulo 19 se describe la síntesis de las proteínas.

La hidrólisis de cada polipéptido genera un conjunto de aminoácidos, que se conoce como composición de aminoácidos de la molécula. En la figura 5.2 se muestran las estructuras de los 20 aminoácidos que se encuentran con regularidad en las proteínas.

Estos aminoácidos se denominan estándar. En el cuadro 5.1 se enumeran las abreviaturas de los aminoácidos estándar. Obsérvese que 19 de ellos tienen la misma estructura general (fig. 5.3). Estas moléculas contienen un átomo de carbono central (el carbono α) al que están unidos un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y un grupo R (cadena lateral). La excepción, la prolina, difiere de los otros aminoácidos estándar en que su grupo amino es secundario, formado por un anillo cerrado entre el grupo R y el nitrógeno del grupo amino. La prolina confiere rigidez a la cadena peptídica debido a que no es posible la rotación alrededor del carbono α. Esta característica estructural tiene implicaciones significativas en la estructura y, por lo tanto, en la función de las proteínas con un contenido elevado de prolina.

Los aminoácidos no estándar son residuos de aminoácidos que se han modificado químicamente después de haberse incorporado a un polipéptido o los aminoácidos que se encuentran en los seres vivos pero que no se encuentran en las proteínas. Los aminoácidos no estándar encontrados en las proteínas casi siempre resultan de modificaciones postraduccionales (cambios químicos que siguen a la síntesis de proteínas). La selenocisteína, una excepción a esta regla, se describe en el capítulo 19.

A pH de 7, el grupo carboxilo de un aminoácido se encuentra en su forma de base conjugada (—COO⁻) y el amino en su forma de ácido conjugado (—NH₃⁺). De este modo, cada aminoácido puede comportarse como un ácido o como una base. El término anfótero se utiliza para describir esta propiedad. Las moléculas neutras que llevan un número igual de cargas positivas y de negativas se denominan zwitteriones. El grupo R proporciona a cada aminoácido sus propiedades únicas.

Clases de aminoácidos

Dado que la secuencia de aminoácidos determina la configuración tridimensional final de cada proteína, sus estructuras se analizan detalladamente en las siguientes cuatro subsecciones. Los aminoácidos se pueden clasificar según su capacidad para interactuar con el agua. Utilizando este criterio, pueden distinguirse cuatro clases: (1) apolares, (2) polares, (3) ácidos y (4) básicos.

AMINOÁCIDOS APOLARES Los aminoácidos apolares contienen principalmente grupos R hidrocarbonados sin cargas positivas o negativas. Dado que interactúan poco con el agua, los aminoácidos apolares (p. ej., hidrófobos) tienen un cometido importante en el mantenimiento de la estructura tridimensional de las proteínas. En este grupo se encuentran dos tipos de hidrocarburos en las cadenas R: las aromáticas y las alifáticas. Los hidrocarburos aromáticos contienen estructuras cíclicas que los constituyen en una clase de hidrocarburos insaturados con nubes electrónicas π conjugadas. El benceno es uno de los hidrocarburos aromáticos más simples (fig. 5.4). El término alifático se refiere a hidrocarburos no aromáticos, como el metano y el ciclohexano. La fenilalanina y el triptófano contienen estructuras de anillo aromático. La glicina, la alanina, la valina, la leucina, la isoleucina y la prolina poseen grupos R alifáticos. En las cadenas laterales alifáticas de la metionina hay un átomo de azufre. La metionina contiene un grupo tioéter (—S—CH₃) en su cadena lateral. Su derivado, la adenosilmetionina S (SAM), es un importante metabolito que sirve como donador de metilo en numerosas reacciones bioquímicas.

AMINOÁCIDOS POLARES Dado que los aminoácidos polares poseen grupos funcionales capaces de formar enlaces (por puentes) de hidrógeno, interactúan de forma sencilla con el agua (los aminoácidos polares se describen como “hidrófilos” o “afines al agua”). Pertenecen a esta categoría, la serina, la treonina, la tirosina, la asparagina y la glutamina. La serina, la treonina y la tirosina contienen un grupo hidroxilo polar, que les permite participar en la formación de enlaces por puente de hidrógeno, un factor importante en la estructura proteínica. Los grupos hidroxilo tienen otras funciones en las proteínas. Por ejemplo, la formación del éster de fosfato de la tirosina es un mecanismo de regulación habitual. Además, los grupos —OH de la serina y de la treonina son puntos de unión para los carbohidratos. La asparagina y la glutamina son derivados amida de los aminoácidos ácidos: del ácido aspártico y del ácido glutámico, respectivamente. Dado que el grupo funcional amida es muy polar, la capacidad de formar enlaces por puente de hidrógeno de la asparagina y de la glutamina posee un efecto significativo en la estabilidad proteínica. El grupo sulfhidrilo (—SH) de la cisteína es muy reactivo y es un componente importante de muchas enzimas. También se une con metales (p. ej., iones hierro y cobre) en las proteínas. Además, los grupos sulfhidrilo de dos moléculas de cisteína se oxidan con facilidad en el compartimento extracelular para formar un compuesto disulfuro llamado cistina.

AMINOÁCIDOS ÁCIDOS Dos aminoácidos estándar poseen cadenas laterales con grupos carboxilo. Las cadenas laterales del ácido aspártico y del glutámico tienen carga negativa a pH fisiológico, por lo que suelen llamárseles aspartato y glutamato.

AMINOÁCIDOS BÁSICOS Los aminoácidos básicos possen carga positiva a pH fisiológico. Por lo tanto, pueden formar enlaces iónicos con los aminoácidos ácidos. La lisina, que tiene un grupo amino en la cadena lateral, acepta un protón del agua para formar el ácido conjugado (—NH₃⁺). Cuando se oxidan y después se condensan las cadenas laterales de las moléculas de lisina en las fibras de colágeno, un vital componente estructural de los ligamentos y de los tendones, se forman fuertes enlaces cruzados intramoleculares e intermoleculares. Debido a que el grupo guanidino de la arginina tiene un intervalo de pK_a de 11.5 a 12.5 en las proteínas, siempre está protonado a pH fisiológico y, en consecuencia, no actúa en las reacciones ácido-base. Por otra parte, la cadena lateral imidazol de la histidina, es una base débil porque sólo se ioniza de manera parcial en un pH de 7, ya que su pK_a es cercano a 6. Su capacidad, en condiciones fisiológicas, para aceptar o donar protones como respuesta a los pequeños cambios en el pH tiene un papel importante en la actividad catalítica de muchas enzimas.

Aminoácidos con actividad biológica

Además de su función principal como componentes de las proteínas, los aminoácidos poseen muchas otras funciones biológicas.

1. Numerosos aminoácidos α o sus derivados actúan como mensajeros químicos (fig. 5.5). Por ejemplo, la glicina, el glutamato, el ácido γ-aminobutírico (GABA, un derivado del glutamato) y la serotonina y la melatonina (derivados del triptófano) son neurotransmisores, sustancias liberadas por una célula nerviosa que influyen sobre la función de una segunda célula nerviosa o sobre una célula muscular. La tiroxina (un derivado de la tirosina que se produce en la glándula tiroides de los animales) y el ácido indolacético (un derivado del triptófano que se encuentra en las plantas) son hormonas, moléculas de señalización química producidas en una célula que regulan la función de otras células.

2. Los aminoácidos son precursores de diversas moléculas complejas que contienen nitrógeno. Entre los ejemplos se encuentran las bases nitrogenadas que componen los nucleótidos y los ácidos nucleicos, el hemo (el grupo orgánico que contiene el hierro necesario para la actividad biológica de varias proteínas importantes) y la clorofila (un pigmento de importancia crucial en la fotosíntesis).

3. Numerosos aminoácidos estándar y no estándar actúan como intermediarios metabólicos. Por ejemplo, la arginina (fig. 5.2), la citrulina y la ornitina (fig. 5.6) son componentes del ciclo de la urea (cap. 15). La síntesis de urea, una molécula que se forma en el hígado de los vertebrados, es el principal mecanismo para eliminar los desechos nitrogenados.

Aminoácidos modificados en las proteínas

Muchas proteínas contienen derivados de aminoácidos que se forman tras la síntesis de la cadena polipeptídica. Entre estos aminoácidos modificados se encuentra el ácido γ-carboxiglutámico (fig. 5.7), un residuo de aminoácido que se une al calcio que se encuentra en la protrombina, una proteína utilizada en el proceso de coagulación de la sangre. La 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina son componentes estructurales importantes del colágeno, la proteína más abundante del tejido conjuntivo. Suele utilizarse la fosforilación de los aminoácidos que contienen grupos hidroxilo, como la serina, la treonina y la tirosina, para regular la actividad de las proteínas. Por ejemplo, la síntesis del glucógeno está muy restringida cuando la enzima glucógeno sintetasa está fosforilada. En el capítulo 19 se consideran otros dos aminoácidos modificados, la selenocisteína y la pirolisina.

Estereoisómeros de los aminoácidos

Debido a que los carbonos α de 19 de los 20 aminoácidos estándar están unidos a cuatro grupos diferentes (p. ej., a un hidrógeno, a un grupo carboxilo, a un grupo amino y a un grupo R), se denominan carbonos asimétricos o quirales. La glicina es una molécula simétrica puesto que su carbono α está unido a dos hidrógenos. Las moléculas con carbonos quirales pueden existir como estereoisómeros, moléculas que sólo se diferencian en la disposición espacial de sus átomos. En la figura 5.8 se muestran las representaciones tridimensionales de los estereoisómeros del aminoácido alanina. Obsérvese en la figura que los átomos de los dos isómeros están unidos en el mismo patrón excepto por la posición del grupo amonio y del átomo de hidrógeno. Estos dos isómeros son imágenes especulares de sí mismos. Moléculas así, denominadas enantiómeros, no pueden superponerse una sobre otra. Las propiedades físicas de los enantiómeros son idénticas, excepto que desvían la luz polarizada en un plano en direcciones opuestas. (La luz polarizada en un plano, se produce haciendo pasar la luz sin polarizar a través de un filtro especial, las ondas luminosas sólo vibran en un plano.) Las moléculas que poseen esta propiedad se denominan isómeros ópticos.

El gliceraldehído es el compuesto de referencia para los isómeros ópticos (fig. 5.9). Un isómero del gliceraldehído desvía el haz de luz en el sentido de las manecillas del reloj y se denomina dextrógiro (se distingue por el signo +). El otro isómero del gliceraldehído, denominado levógiro (que se distingue por el signo −), desvía el haz en la dirección opuesta en el mismo grado. A los isómeros ópticos se les suele denominar d o l (p. ej., d-glucosa, l-alanina) para indicar la similitud de la disposición de los átomos alrededor de un carbono asimétrico de una molécula con la de los átomos alrededor del carbono asimétrico de cualquiera de los isómeros del gliceraldehído.

Debido a que muchas biomoléculas tienen más de un carbono quiral, las letras d y l sólo se refieren a las relaciones estructurales de una molécula con cualquiera de los isómeros del gliceraldehído, no con la dirección en la que desvían la luz polarizada en un plano. La mayoría de las moléculas asimétricas que se encuentran en los seres vivos se presentan en una sola forma estereoisomérica, d o l bien. Por ejemplo, con pocas excepciones, en las proteínas sólo hay aminoácidos l.

La quiralidad ha tenido un efecto importante sobre las propiedades estructurales y funcionales de las biomoléculas. Por ejemplo, las hélices α que giran a la derecha que se observan en las proteínas son consecuencia de la presencia de aminoácidos l. Los polipéptidos que se sintetizan en el laboratorio con una mezcla de aminoácidos d y l no forman hélices. Además, como las enzimas son moléculas quirales, la mayoría se une a moléculas de sustrato en una sola forma enantiómera o enantiomérica. Las proteasas, enzimas que degradan proteínas al hidrolizar los enlaces peptídicos, no pueden degradar polipéptidos artificiales formados por aminoácidos d.

Titulación de los aminoácidos

Debido a que los aminoácidos contienen grupos ionizables (cuadro 5.2), la forma iónica predominante de estas moléculas en solución depende del pH. La titulación de un aminoácido ilustra el efecto del pH sobre su estructura (fig. 5.10a). La titulación también es una herramienta útil para determinar la reactividad de las cadenas laterales de los aminoácidos. Considérese la alanina, un aminoácido sencillo con dos grupos titulables. Durante la titulación con una base fuerte como el NaOH, la alanina pierde dos protones de forma escalonada. En una solución muy ácida (p. ej., a pH 0), casi todas las moléculas de alanina se encuentran en la forma en la que el grupo carboxilo no está cargado. En estas circunstancias la carga neta de la molécula es +1, debido a que el grupo amonio está protonado. Si se reduce la concentración de H⁺, el grupo carboxilo pierde su protón y se transforma en un grupo carboxilato con carga negativa. (En un ácido poliprótico, los primeros protones que se pierden son los del grupo con el pK_a menor.) Una vez que el grupo carboxilo ha perdido su protón, la alanina no tiene carga neta y es eléctricamente neutra. El pH al que se produce esto se denomina punto isoeléctrico (pI). El punto isoeléctrico de la alanina puede calcularse de la siguiente manera:

Los valores de pK₁ y de pK₂ de la alanina son, respectivamente, 2.34 y 9.9 (cuadro 5.2). El valor de pI de la alanina es por lo tanto

Los aminoácidos con cadenas laterales ionizables tienen curvas de titulación más complejas. Por ejemplo, el ácido glutámico tiene un grupo carboxilo en la cadena lateral (fig. 5.10b). A pH bajo, el ácido glutámico tiene una carga neta de +1. Al añadir la base, el grupo α-carboxilo pierde un protón para transformarse en un grupo carboxilato. El glutamato ahora no tiene carga neta.

Conforme se añade más base, el segundo grupo carboxilo pierde un protón y la molécula tiene una carga de −1. La adición de más base hace que el ion amonio pierda su protón. En este punto, el glutamato tiene una carga neta de −2. El valor de pI del glutamato es el del pH que se encuentra entre los valores de pK_a de los dos grupos carboxilo (p.ej., los valores a ambos lados de la forma zwitterión):

Los problemas 5.1 a 5.3 son ejemplos de titulación.

Cuando los aminoácidos se incorporan en polipéptidos, los grupos α-amino y α-carboxilo pierden sus cargas. En consecuencia, excepto los residuos de los grupos α-amino y α-carboxilo (los aminoácidos que se encuentran al principio y al final, respectivamente, de una cadena polipeptídica), todos los grupos ionizables de las proteínas son los grupos de las cadenas laterales de siete aminoácidos: histidina, lisina, arginina, aspartato, glutamato, cisteína y tirosina. Es importante resaltar que los valores de pK_a de estos grupos difieren de los correspondientes a aminoácidos libres. Los valores de pK_a de grupos R individuales son afectados por sus posiciones dentro de los microambientes proteínicos. Por ejemplo, cuando los grupos R de dos residuos de aspartato están en estrecha cercanía, el pK_a de uno de los grupos carboxilato se eleva. La importancia de este fenómeno se hará evidente cuando se expongan los mecanismos catalíticos de las enzimas (sección 6.4).

Reacciones de los aminoácidos

Los grupos funcionales de las moléculas orgánicas determinan las reacciones que pueden experimentar. Los aminoácidos con sus grupos carboxilo, grupos amino y varios grupos R pueden experimentar numerosas reacciones químicas. Sin embargo, la formación de los enlaces peptídico y de puente disulfuro son de especial interés debido a su efecto sobre la estructura proteínica. La formación de bases de Schiff es otra reacción importante.

FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO Los polipéptidos son polímeros lineales formados por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Los enlaces peptídicos (fig. 5.11) son enlaces amida que se forman cuando el par de electrones sin compartir del átomo de nitrógeno α-amino de un aminoácido ataca al carbono α-carboxilo de otro en una reacción de sustitución de acilo nucleófila. En seguida se muestra una reacción general de sustitución de acilo:

Los aminoácidos unidos, en un polipéptido, se denominan residuos de aminoácidos dado que la formación del enlace peptídico es una reacción de deshidratación (p. ej., se elimina una molécula de agua).

Cuando dos aminoácidos se unen, el producto se llama dipéptido. Por ejemplo, la glicina y la serina pueden formar los dipéptidos glicilserina y serilglicina. Al añadirse los aminoácidos y alargarse la cadena, el prefijo refleja el número de residuos: un tripéptido contiene tres residuos de aminoácidos, un tetrapéptido cuatro, y así sucesivamente. Por convención, el residuo de aminoácido con el grupo amino libre se denomina residuo N-terminal y se escribe a la izquierda. El grupo carboxilo libre en el residuo C-terminal aparece a la derecha. Los péptidos se nombran utilizando su secuencia de aminoácidos, empezando por su residuo N-terminal. Por ejemplo,

es un tetrapéptido denominado tirosilalanilcisteinilglicina.

Los polipéptidos grandes tienen estructuras tridimensionales bien definidas. Esta estructura, que se denomina conformación nativa de la molécula, es una consecuencia directa de su secuencia de aminoácidos (el orden en el que éstos están unidos). Dado que todos los enlaces que conectan a los residuos de aminoácidos consisten en enlaces sencillos, puede esperarse que cada polipéptido experimente cambios de conformación constantes producidos por la rotación alrededor de los enlaces sencillos. Sin embargo, la mayoría de los polipéptidos se pliega de manera espontánea en una forma única biológicamente activa. A principios de la década de 1950, Linus Pauling (1901-1994, premio Nobel de Química en 1954) y sus colegas propusieron una explicación. Con estudios de difracción de rayos X, determinaron que el enlace peptídico (1.33 Å) es rígido y plano (fig. 5.12). Una vez que descubrió que los enlaces C—N que se unen cada dos aminoácidos son más cortos que otros tipos de enlaces C—N (1.45 Å), Pauling dedujo que los enlaces peptídicos tienen un carácter parcial de doble enlace. (Esto indica que los enlaces peptídicos son híbridos de resonancia.) Debido a la rigidez del enlace peptídico, por lo menos un tercio de los enlaces del esqueleto polipeptídico no puede girar con libertad. En consecuencia, existen límites en el número de posibilidades conformacionales.

OXIDACIÓN DE LA CISTEÍNA El grupo sulfhidrilo de la cisteína es muy reactivo. La reacción más común de este grupo es una oxidación reversible que forma un disulfuro. La oxidación de dos moléculas de cisteína forma cistina, una molécula que contiene un enlace disulfuro (fig. 5.13). Cuando dos residuos de cisteína forman uno de estos enlaces, éste se denomina puente disulfuro. Este enlace puede producirse en una cadena individual para formar un anillo o entre dos cadenas independientes para formar un puente intermolecular. Los puentes disulfuro ayudan a estabilizar muchos polipéptidos y proteínas.

FORMACIÓN DE BASES DE SCHIFF Moléculas como los aminoácidos que poseen grupos amino primarios pueden reaccionar de forma reversible con grupos carbonilo. Las moléculas de imina producidas por esta reacción a menudo reciben el nombre de bases de Schiff. En una reacción de adición nucleófila, un nitrógeno de un grupo amino ataca al carbono electrófilo de un grupo carbonilo para formar un producto alcóxido. La transferencia de un protón del grupo amino al oxígeno para formar una molécula de carbinolamina, seguida de la transferencia de otro protón de un catalizador ácido, convierte al oxígeno en un buen grupo saliente (OH₂⁺). La eliminación subsiguiente de una molécula de agua, seguida de la pérdida de un protón del nitrógeno produce imina. Los ejemplos más importantes de formación de bases de Schiff en bioquímica se presentan en el metabolismo de los aminoácidos. Las bases de Schiff, denominadas aldiminas, que se forman por la reacción reversible de un grupo amino con un grupo aldehído, son intermediarios (especies formadas durante una reacción) en las reacciones de transaminación (pág. 466).

Aunque sus estructuras son menos complejas que las de las moléculas proteínicas más grandes, los péptidos poseen actividades biológicas significativas. Se consideran ahora la estructura y la función de varios ejemplos interesantes, que se presentan en el cuadro 5.3.

El tripéptido glutatión (γ-glutamil-l-cisteinilglicina) contiene un enlace γ-amida poco habitual. (Obsérvese que al enlace peptídico contribuye el grupo γ-carboxilo del residuo de ácido glutámico y no el grupo α-carboxilo.)

El glutatión (GSH) se encuentra en casi todos los organismos y participa en la síntesis de proteínas y de DNA, en el metabolismo de fármacos y de toxinas ambientales, en el transporte de aminoácidos y en otros procesos biológicos importantes. Un grupo de las funciones del glutatión explota su efectividad como agente reductor. El glutatión protege a las células de los efectos destructores de la oxidación al reaccionar con sustancias como los peróxidos (R—O—O—R), productos derivados del metabolismo del O₂. Por ejemplo, en los eritrocitos, el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) oxida el hierro de la hemoglobina a su forma férrica (Fe³⁺). La metahemoglobina, el producto de esta reacción, es incapaz de unirse al O₂. El glutatión evita la formación de metahemoglobina al reducir el H₂O₂ en una reacción catalizada por la enzima glutatión peroxidasa. En el producto oxidado GSSG, se unen dos tripéptidos por medio de un enlace disulfuro:

Debido a la elevada proporción GSH:GSSG que se presenta de forma habitual en las células, el glutatión es un antioxidante intracelular importante. Se utiliza la abreviatura GSH porque el componente reductor de la molécula es el grupo —SH del residuo de cisteína.

Los péptidos son una clase de moléculas señalizadoras que utilizan los organismos multicelulares para regular sus complejas actividades. La interrelación dinámica entre los procesos opuestos, denominada homeostasis, mantiene un ambiente interno estable. En la actualidad se conocen moléculas peptídicas con funciones antagónicas que afectan la regulación de numerosos procesos (p. ej., la regulación de la presión sanguínea). A continuación se describen las funciones de algunos péptidos en cada uno de estos procesos.

La presión sanguínea, la fuerza que ejerce la sangre contra las paredes de los vasos sanguíneos, es influida por varios factores, como el volumen y la viscosidad sanguínea. Dos péptidos que afectan al volumen sanguíneo son la vasopresina y el factor natriurético auricular. La vasopresina, que también se denomina hormona antidiurética (ADH), contiene nueve residuos de aminoácidos. Se sintetiza en el hipotálamo, una pequeña estructura del cerebro que regula una gran variedad de funciones, entre las que se encuentran el equilibrio hídrico, el apetito, la temperatura corporal y el sueño. En respuesta a una baja presión arterial (hipotensión) o a una alta concentración sanguínea de Na⁺ (hipernatremia), los osmorreceptores del hipotálamo inducen la secreción de vasopresina. Esta hormona estimula la reabsorción de agua en los riñones iniciando un mecanismo de transducción de señales que inserta acuaporinas (conductos de agua) en la membrana de los túbulos renales. La presión sanguínea aumenta conforme el agua fluye en favor de su gradiente de concentración a través de las células de los túbulos y de nuevo a la sangre. El factor natriurético auricular (ANF, auricular natriuretic factor), un péptido producido por células especializadas en el corazón, como respuesta al estiramiento, y en el sistema nervioso, estimula la producción de orina diluida, un efecto opuesto al de la vasopresina. El ANF ejerce su efecto en parte mediante el incremento en la excreción de Na⁺, lo que aumenta la excreción de agua, y por inhibición de la secreción renal de renina. (La renina es una enzima que cataliza la formación de angiotensina, una hormona que induce vasoconstricción.)

La estructura de la vasopresina es notablemente similar a la de otro péptido producido en el hipotálamo llamado oxitocina, la molécula señal que estimula la secreción de leche por las glándulas mamarias durante la lactancia. La oxitocina que se produce en el útero estimula la contracción del músculo uterino durante el parto. Dado que la ADH y la oxitocina tienen estructuras semejantes, no es sorprendente que las funciones de las dos moléculas se solapen. La oxitocina tiene una actividad antidiurética ligera y la vasopresina tiene cierta actividad del tipo de la oxitocina.

De todas las moléculas que se encuentran en los seres vivos, las proteínas son las que tienen las funciones más diversas, como lo sugiere la siguiente relación:

1. Catálisis. Las enzimas son proteínas que dirigen y aceleran miles de reacciones bioquímicas en procesos como la digestión, la captura de energía y la biosíntesis. Estas moléculas tienen propiedades notables. Por ejemplo, pueden aumentar la velocidad de reacción de 10⁶ a 10¹² veces. Pueden realizar esta proeza en condiciones de pH y temperatura moderadas, dado que pueden inducir o estabilizar las formas tensas de los intermediarios de reacción. Entre los ejemplos se encuentran la ribulosa difosfato carboxilasa, una enzima importante en la fotosíntesis, y la nitrogenasa, un complejo proteínico que es responsable de la fijación del nitrógeno.

2. Estructura. Las proteínas estructurales suelen tener propiedades muy especializadas. Por ejemplo, el colágeno (el componente principal de los tejidos conjuntivos) y la fibroína (la proteína de la seda) poseen una fuerza mecánica significativa. La elastina, una proteína semejante a la goma que se encuentra en las fibras elásticas, está presente en varios tejidos del organismo (p. ej., en los vasos sanguíneos y en la piel) que para actuar de forma adecuada deben ser elásticos.

3. Movimiento. Las proteínas participan en todos los movimientos celulares. Por ejemplo, la actina, la tubulina y otras proteínas forman el citoesqueleto. Las proteínas del citoesqueleto son activas en la división celular, en la endocitosis, en la exocitosis y en el desplazamiento ameboide de los leucocitos.

4. Defensa. Una extensa variedad de proteínas son protectoras. En los vertebrados, por ejemplo, la queratina, una proteína que se encuentra en las células de la piel, ayuda a proteger al organismo contra los daños mecánicos y químicos. Las proteínas implicadas en la coagulación hemática, el fibrinógeno y la trombina, impiden la pérdida de sangre cuando los vasos sanguíneos se lesionan. Los linfocitos producen las inmunoglobulinas (o anticuerpos) cuando organismos extraños, como las bacterias, invaden a un organismo. La unión de los anticuerpos a un organismo invasor es el primer paso para su destrucción.

5. Regulación. La unión de una molécula hormonal o de un factor de crecimiento a los receptores en sus células diana modifica la función celular. Entre los ejemplos de hormonas peptídicas se encuentran la insulina y el glucagon: ambos regulan la concentración sanguínea de glucosa. La hormona del crecimiento estimula el desarrollo y la división celulares. Los factores de crecimiento son polipéptidos que controlan la división y la diferenciación de las células animales. Algunos ejemplos son el factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF) y el factor de crecimiento epidérmico (EGF).

6. Transporte. Muchas proteínas actúan como transportadoras de moléculas o de iones a través de las membranas o entre las células. Entre los ejemplos de proteínas transportadoras de membrana están la bomba de Na⁺-K⁺ ATPasa y el transportador de glucosa. Otras proteínas transportadoras son la hemoglobina, que lleva O₂ a los tejidos desde los pulmones, y las lipoproteínas LDL y HDL, que transportan los lípidos insolubles por el torrente sanguíneo. La transferrina y la ceruloplasmina son proteínas séricas que transportan, hierro y cobre.

7. Almacenamiento. Determinadas proteínas actúan como reserva de nutrientes esenciales. Por ejemplo, durante el desarrollo la ovoalbúmina de los huevos de las aves y la caseína de la leche de mamíferos son fuentes abundantes de nitrógeno orgánico. Las proteínas vegetales, como la zeína, tienen una función semejante en la germinación de las semillas.

8. Respuesta al estrés. La capacidad de los organismos para sobrevivir a diversos tipos de estrés abiótico está mediada por determinadas proteínas. Entre los ejemplos se encuentran el citocromo P₄₅₀, un grupo diverso de enzimas que se encuentran en los animales y en las plantas que de forma habitual transforman a un gran número de contaminantes orgánicos tóxicos en derivados menos tóxicos, y la metalotioneína, una proteína intracelular con abundante cisteína que virtualmente se encuentra en todas las células de los mamíferos y que se une y secuestra metales tóxicos como el cadmio, el mercurio y la plata. Las temperaturas muy elevadas y otros tipos de estrés dan lugar a la síntesis de una clase de proteínas denominadas proteínas de choque térmico (hsps) que promueven el plegamiento correcto de las proteínas dañadas.

Si esas proteínas se dañan de forma grave, las hsps estimulan su degradación. (Determinadas hsps actúan en el proceso normal de plegamiento proteínico.) Las células están protegidas de la radiación por enzimas reparadoras de DNA. En años recientes, ciertas investigaciones han revelado que numerosas proteínas tienen múltiples funciones, en ocasiones no relacionadas entre sí. Alguna vez consideradas un fenómeno raro, las proteínas multifuncionales constituyen una clase diversa de moléculas. Es un ejemplo notable la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPD). Como su nombre indica, la GAPD es una enzima que cataliza la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato, un intermediario en el catabolismo de la glucosa. Ahora se sabe que la proteína GAPD interviene en procesos tan diversos como la duplicación y la reparación del DNA, la endocitosis y los eventos de la fusión de membranas.

Las proteínas también se categorizan con base en semejanzas en las secuencias de aminoácidos y en su forma tridimensional global. Las familias de proteínas están formadas por moléculas relacionadas por su similitud en la secuencia de aminoácidos. Evidentemente, tales proteínas comparten un ancestro común. Dos familias de proteínas clásicas son la de las hemoglobinas (proteínas de transporte de oxígeno en la sangre) y la de las inmunoglobulinas, anticuerpos producidos por el sistema inmunitario en respuesta a antígenos (sustancias extrañas). Algunas veces las proteínas con relación más distante se clasifican en superfamilias. Por ejemplo, la superfamilia de las globinas incluye proteínas que contienen al grupo hemo, las cuales participan en la unión y/o en el transporte de oxígeno. Además de las hemoglobinas y las mioglobinas (proteínas de unión a oxígeno en células musculares), la superfamilia de las globinas incluye a la neuroglobina y a la citoglobina (proteínas de unión al oxígeno en el encéfalo y en otros tejidos, respectivamente) y las leghemoglobinas (proteínas secuestradoras de oxígeno en los nódulos radiculares de las leguminosas).

Dada su diversidad, las proteínas suelen clasificarse de otras dos maneras: por su forma y por su composición. Las proteínas se clasifican en dos grupos principales según su morfología. Como su nombre sugiere, las proteínas fibrosas son moléculas largas con forma de varilla que son insolubles en agua y físicamente resistentes. Las proteínas fibrosas, como las queratinas de la piel, del pelo y de las uñas, tienen funciones estructurales y protectoras. Las proteínas globulares son moléculas esféricas compactas y en general hidrosolubles. Generalmente, las proteínas globulares tienen funciones dinámicas. Por ejemplo, casi todas las enzimas tienen estructuras globulares. Otros ejemplos son las inmunoglobulinas y las proteínas de transporte hemoglobina y albúmina (un transportador de ácidos grasos en la sangre).

Según su composición, las proteínas se clasifican en simples o conjugadas. Las proteínas simples, como la albúmina sérica y la queratina, contienen sólo aminoácidos. Por el contrario, cada proteína conjugada consta de una proteína simple combinada con un componente no proteico, que se denomina grupo protésico. (Una proteína sin su grupo protésico se denomina apoproteína. Una molécula proteínica combinada con su grupo protésico se denomina holoproteína.) Los grupos protésicos desempeñan una tarea importante, a veces crucial, en el funcionamiento de las proteínas. Las proteínas conjugadas se clasifican según la naturaleza de su grupo protésico. Por ejemplo, las glucoproteínas contienen carbohidratos, las lipoproteínas contienen moléculas de lípidos y las metaloproteínas portan iones metálicos. De manera semejante, las fosfoproteínas poseen grupos fosfato y las hemoproteínas poseen grupos hemo.

Estructura de las proteínas

Las proteínas son moléculas extraordinariamente complejas. Los modelos completos que ilustran incluso las más pequeñas de las cadenas polipeptídicas son casi imposibles de comprender. Las imágenes más simples que resaltan las características específicas de una molécula resultan útiles. En la figura 5.15 se muestran dos métodos para presentar la información estructural de las proteínas. Más adelante se ilustra otra representación estructural, que se denomina modelo de barras y esferas (figs. 5.37 y 5.39).

Los bioquímicos han diferenciado varios niveles en la organización estructural de las proteínas. La estructura primaria, la secuencia de aminoácidos, es especificada por la información genética.

Al plegarse la cadena polipeptídica se forman determinadas disposiciones localizadas de aminoácidos adyacentes (no necesariamente contiguos) que constituyen la estructura secundaria. La forma tridimensional global que asume un polipéptido se denomina estructura terciaria. Se dice que las proteínas que constan de dos o más cadenas polipeptídicas (o subunidades) tienen estructura cuaternaria.

ESTRUCTURA PRIMARIA Cada polipéptido tiene una secuencia de aminoácidos específica. Las interacciones entre los residuos de aminoácidos determinan la estructura tridimensional de la proteína, su función y sus relaciones con otras proteínas. Los polipéptidos que tienen secuencias de aminoácidos semejantes y se han originado a partir de un mismo gen ancestral, se dice que son homólogos. Se han utilizado comparaciones de secuencias de polipéptidos homólogos para detectar las relaciones genéticas entre distintas especies. Por ejemplo, en el estudio de la evolución de las especies, se han utilizado con mucha frecuencia las homologías de secuencia de la proteína redox mitocondrial citocromo c. Las comparaciones de la secuencia del citocromo c, una molécula esencial para la producción de energía, de numerosas especies, han revelado una gran conservación de su secuencia. Se presume que los residuos de aminoácidos que son idénticos en las proteínas homólogas, que se denominan invariables, son esenciales para la función de una proteína. (En el citoctromo c los residuos invariables interactúan con el hemo, un grupo protésico, o con determinadas proteínas que participan en la generación de energía.)

ESTRUCTURA PRIMARIA, EVOLUCIÓN Y ENFERMEDADES MOLECULARES Como resultado de procesos evolutivos, con el tiempo las secuencias de aminoácidos de los polipéptidos cambian debido a alteraciones aleatorias y espontáneas de las secuencias de DNA, las cuales se denominan mutaciones. Una cantidad significativa de cambios en la secuencia primaria no afecta la función de un polipéptido. Se dice que algunas de estas sustituciones son conservativas, puesto que se sustituye un aminoácido con una cadena lateral con características químicas semejantes. Por ejemplo, en determinadas posiciones de la secuencia la leucina y la isoleucina, las cuales contienen cadenas laterales hidrófobas, pueden sustituirse una por la otra sin que se afecte la función. Algunas posiciones de la secuencia son significativamente menos estrictas. Estos residuos, a los que se les denomina variables, al parecer tienen funciones inespecíficas en la función del polipéptido.

Se han hecho sustituciones en lugares conservados y variables para trazar las relaciones evolutivas. Estos estudios suponen que cuanto mayor es el tiempo desde que dos especies se han separado, mayor es el número de diferencias en la estructura primaria de un determinado polipéptido. Por ejemplo, se cree que el ser humano y el chimpancé se separaron hace relativamente poco tiempo (quizá hace sólo cuatro millones de años). Esta suposición, que se fundamenta principalmente en evidencias fósiles y anatómicas, la respaldan los datos de la secuencia primaria del citocromo c que indican que la proteína es idéntica en ambas especies. Se cree que los canguros, las ballenas y las ovejas, cuyas moléculas de citocromo c se diferencian sólo en 10 residuos de la proteína humana, evolucionaron a partir de un antecesor común que vivió hace más de 50 millones de años. Resulta interesante el hecho de que, muy a menudo, la estructura tridimensional global no se modifica a pesar de numerosos cambios en la secuencia de aminoácidos. Las proteínas codificadas por genes que divergieron hace millones de años suelen presentar una forma muy similar.

Sin embargo, las mutaciones también pueden ser perjudiciales. Los efectos de tales cambios al azar en la secuencia génica van de moderados a graves. Los organismos individuales con sustituciones no conservativas de aminoácidos en los residuos invariables del citocromo c no son viables. Las mutaciones pueden tener un profundo efecto sin ser letales de inmediato. La drepanocitosis provocada por una hemoglobina mutante, es ejemplo de un grupo de enfermedades a las que Linus Pauling denominó enfermedades moleculares, fue el primero que demostró utilizando la electroforesis que los pacientes con drepanocitosis tienen una hemoglobina mutante. La hemoglobina del ser humano adulto (HbA) está formada por dos cadenas α idénticas y dos cadenas β iguales. La drepanocitosis es consecuencia de la sustitución de un solo aminoácido en la cadena β de la HbA. El análisis de las moléculas de hemoglobina de los pacientes con drepanocitosis revela que la única diferencia entre la HbA y la hemoglobina drepanocítica (HbS) se encuentra en el residuo del aminoácido 6 de la cadena β (fig. 5.16). Debido a la sustitución de una valina hidrófoba por un ácido glutámico con carga negativa, las moléculas de HbS se agregan para formar estructuras rígidas en forma de varilla en el estado desoxigenado (fig. 5.17).

Los eritrocitos del paciente adquieren forma de hoz y son susceptibles a la hemólisis, lo que produce una anemia grave. La capacidad de unión al oxígeno de estos eritrocitos está reducida. La obstrucción intermitente de los capilares por las células con forma de hoz contribuye con la hipoxia de los tejidos. La drepanocitosis se caracteriza por dolor extremo, el consiguiente daño orgánico y la muerte prematura.

Hasta hace poco tiempo, debido a la naturaleza debilitante de la drepanocitosis, las personas afectadas no solían sobrevivir más allá de la infancia. Por lo tanto podría predecirse que la mutación perjudicial que produce esta enfermedad sería eliminada rápidamente de las poblaciones humanas. Sin embargo, el gen de la drepanocitosis no es tan poco frecuente como se esperaría. La drepanocitosis se produce sólo en las personas que han heredado dos copias del gen drepanocítico. Estas personas, llamadas homocigotas, heredan una copia del gen defectuoso de cada progenitor. Se dice que cada uno de los padres tiene el rasgo drepanocítico, y se denominan heterocigotos porque tienen un gen HbA normal y un gen HbS defectuoso. Estas personas llevan vidas normales a pesar de que un 40% de su hemoglobina es HbS. La incidencia del rasgo drepanocítico es muy elevada en algunas regiones de África. En estas regiones el paludismo, producido por el parásito Plasmodium del mosquito Anopheles, es un problema de salud grave. Las personas que portan el rasgo drepanocítico son menos vulnerables al paludismo debido a que sus eritrocitos ofrecen un ambiente menos favorable para el crecimiento del parásito que las células normales. Debido a que los portadores del rasgo drepanocítico sobreviven al paludismo con mayor probabilidad que las personas normales, la incidencia del gen drepanocítico ha permanecido elevada. (En algunas zonas, hasta el 40% de la población nativa tiene el rasgo drepanocítico.)

ESTRUCTURA SECUNDARIA La estructura secundaria de los polipéptidos consta de varios patrones repetitivos. Los tipos de estructura secundaria que se observan con mayor frecuencia son la hélice α y la lámina plegada β. Estas dos últimas estructuras están estabilizadas por enlaces por puente de hidrógeno entre los grupos carbonilo y N—H del esqueleto polipeptídico. Como los enlaces peptídicos son rígidos, los carbonos α son puntos de giro (pivote) para la cadena polipeptídica. Varias propiedades de los grupos R (p. ej., tamaño y carga, si la hay) unidos al carbono α influyen en los ángulos ϕ y ψ. Ciertos aminoácidos fomentan o inhiben patrones específicos de estructura secundaria. Muchas proteínas fibrosas están formadas casi por completo por patrones de estructura secundaria.

La hélice α es una estructura rígida en forma de varilla que se origina cuando una cadena polipeptídica se enrolla en una conformación helicoidal dextrógira (fig. 5.18). Se forman enlaces por puente de hidrógeno entre el grupo N—H de cada aminoácido y el grupo carbonilo del aminoácido que se encuentra cuatro residuos más adelante. Existen 3.6 residuos de aminoácidos por cada vuelta de la hélice, y la distancia entre los puntos correspondientes de cada vuelta es 0.54 nm. Los grupos R de los aminoácidos se extienden hacia afuera de la hélice. Debido a varias restricciones estructurales (p. ej., la rigidez de los enlaces peptídicos y los límites permitidos de los valores de los ángulos ϕ y ψ), determinados aminoácidos no estimulan la formación de la hélice α. Por ejemplo, el grupo R de la glicina (un átomo de hidrógeno) es tan pequeño que la cadena polipeptídica puede ser demasiado flexible. Por otro lado, la prolina tiene un anillo rígido que impide que gire el enlace N—Cα. Además, la prolina no tiene grupo N—H disponible para formar los enlaces por puente de hidrógeno dentro de la cadena, los cuales son cruciales en la estructura de la hélice α. Las secuencias de aminoácidos con grandes cantidades de aminoácidos cargados (p. ej., el glutamato y el aspartato) y grupos R voluminosos (p. ej., el triptófano) son también incompatibles con las estructuras de la hélice α.

Las láminas plegadas β se forman cuando se alinean dos o más segmentos de la cadena polipeptídica uno al lado del otro (fig. 5.19). Cada segmento individual se denomina cadena β. En lugar de estar enrollada, cada cadena β está extendida por completo. Las láminas plegadas β son estabilizadas por enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre los grupos N—H y carbonilo del esqueleto polipeptídico de cadenas adyacentes. Las láminas plegadas β son paralelas o antiparalelas. En las estructuras de láminas plegadas β paralelas, los enlaces por puente de hidrógeno de las cadenas polipeptídicas están dispuestos en la misma dirección; en las cadenas antiparalelas dichos enlaces se encuentran en direcciones opuestas. En ocasiones se observan láminas β paralelas y antiparalelas mezcladas.

Muchas proteínas globulares contienen combinaciones de las estructuras secundarias hélice α y lámina plegada β (fig. 5.20). Estos patrones se denominan estructuras supersecundarias o motivos estructurales. En la unidad βαβ, dos láminas plegadas β paralelas están conectadas mediante un segmento de hélice α. La estructura de las unidades βαβ es estabilizada por interacciones hidrófobas entre cadenas laterales apolares que se proyectan desde las superficies de interacción de las cadenas β y de la hélice α. Los cambios súbitos en la dirección de un polipéptido implican elementos estructurales llamado bucles o asas. El giro β, un tipo de asa encontrado a menudo, es un giro de 180° formado por cuatro residuos. El oxígeno carbonilo del primer residuo del bucle forma un puente de hidrógeno con el hidrógeno amida del cuarto residuo. Es frecuente hallar residuos de glicina y de prolina en los giros β. La ausencia de un grupo lateral orgánico en la glicina permite que una prolina contigua asuma una orientación cis (en el mismo lado del plano del péptido), y puede formarse un giro cerrado en una cadena polipeptídica. La prolina es un residuo que impide la formación de la hélice, debido a que altera la dirección de la cadena polipeptídica. El giro β es común en proteínas con abundantes segmentos de hélice α.

En el patrón meandro β están conectadas dos láminas β antiparalelas mediante aminoácidos polares y glicinas para realizar un cambio más abrupto de la dirección de la cadena polipeptídica denominado reverso o giro de horquilla. En las unidades αα (o hélice-lazo-hélice), dos regiones de hélice α sucesivas separadas por un lazo no helicoidal se alinean de una forma determinada debido a la compatibilidad de las cadenas laterales. Se forman numerosas disposiciones de barriles β cuando varias configuraciones de lámina β se repliegan sobre sí mismas. Cuando una lámina β antiparalela se dobla sobre sí misma en un patrón que se asemeja a un diseño de alfarería griega, el motivo estructural se denomina llave griega.

ESTRUCTURA TERCIARIA Aunque las proteínas globulares suelen contener cantidades significativas de elementos estructurales secundarios, otros factores contribuyen con su estructura. El término estructura terciaria señala las conformaciones tridimensionales únicas que asumen las proteínas globulares cuando se pliegan en sus estructuras nativas (biológicamente activas) y se insertan los grupos protésicos, si es el caso. El plegamiento proteínico, un proceso en el que una molécula desorganizada naciente (recién sintetizada) adquiere una estructura muy organizada, se produce como consecuencia de las interacciones que ocurren entre las cadenas laterales de su estructura primaria. La estructura terciaria tiene varias características importantes:

1. Muchos polipéptidos se pliegan de tal forma que los residuos de aminoácidos distantes en la estructura primaria quedan cerca.

2. Debido al eficaz empaquetamiento al plegarse la cadena polipeptídica, las proteínas globulares son compactas. Durante este proceso, la mayoría de las moléculas de agua quedan excluidas del interior de la proteína, permitiendo las interacciones entre los grupos polares y apolares.

3. Las proteínas globulares grandes (es decir, aquellas con más de 200 residuos de aminoácidos) suelen contener varias unidades compactas denominadas dominios. Los dominios (fig. 5.21) son segmentos independientes en términos estructurales que poseen funciones específicas (p. ej., la unión de un ion o de una molécula pequeña). La estructura tridimensional central de un dominio se denomina pliegue. Dos ejemplos bien conocidos de pliegues son el pliegue Rossman de unión a nucleótidos y el pliegue de las globinas. Los dominios se clasifican con base en la estructura de su motivo central. Algunos ejemplos son α, β, α/β y α + β. Los dominios α están formados exclusivamente por hélices α, y los dominios β constan de cadenas β antiparalelas. Los dominios α/β contienen diversas combinaciones de una hélice α alternada con cadenas β (motivos βαβ). Los dominios α + β son principalmente láminas β desde las cuales se proyectan una o más hélices α. La mayoría de las proteínas contienen dos o más dominios.

4. Varias proteínas procariotas, llamadas proteínas modulares o de mosaico, contienen copias duplicadas o imperfectas, de uno o más dominios, que se unen en serie. La fibronectina (fig. 5.22) contiene tres dominios repetitivos: F1, F2 y F3, que se encuentran en diversas proteínas de la matriz extracelular (ECM); contienen sitios de unión para otras moléculas de ECM como el colágeno y el sulfato de heparán, así como receptores de superficie celular. Los módulos de dominio son codificados por secuencias genéticas creadas por duplicaciones génicas (copias extra de algunos genes que surgen debido a errores en la duplicación del DNA). Los seres vivos utilizan tales secuencias para formar nuevas proteínas. Por ejemplo, el dominio estructural de las inmunoglobulinas se encuentra no sólo en los anticuerpos, sino también en diversas proteínas de la superficie celular.

La estructura terciaria se estabiliza por las interacciones siguientes (fig. 5.23):

1. Interacciones hidrófobas. Al plegarse un polipéptido, los grupos R hidrófobos se acercan debido a que son excluidos del agua. Luego, las moléculas de agua muy ordenadas en cubiertas de solvatación se liberan del interior, aumentando el desorden (entropía) de las moléculas de agua. La variación de entropía favorable es una fuerza impulsora fundamental en el plegamiento proteínico. Es importante resaltar que unas pocas moléculas de agua permanecen en el centro de las proteínas plegadas, donde cada una forma hasta cuatro enlaces por puente de hidrógeno con el esqueleto del polipéptido. La estabilización aportada por las pequeñas moléculas de agua “estructural” puede liberar al polipéptido de sus interacciones internas. Se piensa que el aumento resultante de la estabilidad de la cadena polipeptídica tiene un cometido crítico en la unión de moléculas llamadas ligandos a sitios específicos. La unión a ligandos es una función importante de las proteínas.

2. Interacciones electrostáticas. La interacción electrostática más fuerte en las proteínas se produce entre los grupos iónicos de carga opuesta. Denominados puentes salinos, estos enlaces no covalentes son significativos sólo en las regiones de la proteína donde está excluida el agua, debido a la energía que se requiere para eliminar las moléculas de H₂O de los grupos iónicos cerca de la superficie. Se ha observado que los puentes salinos contribuyen con las interacciones entre las subunidades adyacentes en las proteínas complejas. Lo mismo ocurre con las interacciones electrostáticas más débiles (ion-dipolo, dipolo-dipolo y de van der Waals). Éstas son significativas en el interior de la proteína plegada y entre las subunidades o en las interacciones proteína-ligando. (En las proteínas que constan de varias cadenas polipeptídicas cada polipéptido se denomina subunidad.) Los sitios de unión del ligando son huecos de las proteínas en los que el agua está excluida.

3. Enlaces por puente de hidrógeno. Se forma un número significativo de enlaces por puente de hidrógeno en el interior de una proteína y sobre su superficie. Además de formar enlaces por puente de hidrógeno entre sí, las cadenas laterales polares de los aminoácidos pueden interactuar con el agua o con el esqueleto polipeptídico. De nuevo, la presencia de agua impide la formación de enlaces por puente de hidrógeno con otras especies.

4. Enlaces covalentes. Las uniones covalentes se crean por reacciones químicas que alteran la estructura del polipéptido durante su síntesis o después. (En la Sección 19.2 se describen ejemplos de estas reacciones, que se denominan modificaciones postraduccionales.) Los enlaces covalentes más destacados en la estructura terciaria son los puentes disulfuro, que se encuentran en muchas proteínas extracelulares. En los ambientes extracelulares estos enlaces fuertes protegen, en parte, a la estructura proteínica de los cambios adversos de pH o de concentración salina. Las proteínas intracelulares no contienen enlaces disulfuro debido a las elevadas concentraciones citoplásmicas de agentes reductores.

5. Hidratación. Como se describió con anterioridad, el agua estructurada es una importante estabilizadora de la estructura proteínica. La capa de hidratación dinámica que se forma alrededor de una proteína (fig. 5.24) también contribuye con la flexibilidad requerida para la actividad biológica.

Sin embargo, no se ha determinado por completo cuál es la naturaleza precisa de las fuerzas que impulsan el plegamiento de las proteínas (que se describe en las págs. 142 a 143). Aunque está claro que el plegamiento proteínico es un proceso favorable en términos termodinámicos, con una variación de energía libre global negativa. Según la ecuación de la energía libre:

una variación de energía libre negativa en un proceso es el resultado de un equilibrio entre las variaciones de entalpía y entropía favorables y desfavorables. Al plegarse un polipéptido, los valores de ΔH favorables (negativos) son en parte el resultado del secuestro de las cadenas laterales hidrófobas en el interior de la molécula y de la optimización de otras interacciones no covalentes. Se oponen a estos factores la disminución desfavorable de la entropía que tiene lugar al plegarse el polipéptido desorganizado en su estado nativo muy ordenado. El cambio de entropía del agua que rodea la proteína es positivo, en virtud de la menor organización del agua al pasar del estado desplegado al plegado de la proteína. Para la mayoría de las moléculas polipeptídicas la variación de energía libre neta entre los estados plegado y desplegado es relativamente modesta (la energía equivalente a numerosos enlaces por puente de hidrógeno). El equilibrio precario entre las fuerzas favorables y desfavorables permite a las proteínas la flexibilidad que requieren para su función biológica.

ESTRUCTURA CUATERNARIA Muchas proteínas, en particular las que tienen pesos moleculares elevados, están formadas por varias cadenas polipeptídicas. Como se ha mencionado, a cada componente polipeptídico se le denomina subunidad. Las subunidades en un complejo proteínico pueden ser idénticas o bastante diferentes. Las proteínas con múltiples subunidades en las que algunas o todas son idénticas se denominan oligómeros. Los oligómeros están formados por protómeros, que pueden estar formados por una o por varias subunidades. Un gran número de proteínas oligoméricas contienen dos o cuatro subunidades protoméricas, denominadas dímeros y tetrámeros, respectivamente. Parece haber varias razones para que existan las proteínas con múltiples subunidades:

1. La síntesis de subunidades aisladas es más eficaz que aumentar sustancialmente la longitud de una única cadena polipeptídica.

2. En los complejos supramoleculares, como las fibras de colágeno, la sustitución de componentes más pequeños desgastados o dañados puede realizarse de manera más eficaz.

3. Las interacciones complejas de varias subunidades sirven para regular la función biológica de una proteína.

Las subunidades polipeptídicas se ensamblan y se mantienen unidas por interacciones no covalentes, como las interacciones hidrófobas y electrostáticas, los enlaces por puente de hidrógeno, y por entrecruzamientos covalentes. Como en el plegamiento proteínico, el efecto hidrófobo es claramente el más importante debido a que las estructuras de las superficies de interconexión complementarias entre las subunidades son semejantes a las observadas en el interior de los dominios de las proteínas globulares. Aunque son menos numerosos, los entrecruzamientos covalentes estabilizan de forma significativa determinadas proteínas con múltiples subunidades. Entre los ejemplos más destacados se encuentran los puentes disulfuro de las inmunoglobulinas (fig. 5.25) y los enlaces de desmosina y de lisinonorleucina en determinadas proteínas del tejido conjuntivo. Los entrecruzamientos de desmosina (fig. 5.26) conectan mediante enlaces covalentes cuatro cadenas polipeptídicas en la proteína elastina del tejido conjuntivo, semejante a la goma. Se forman como consecuencia de diversas reacciones que implican la oxidación y la condensación de las cadenas laterales de lisina. Un proceso semejante provoca la formación de lisinonorleucina, una estructura entrecruzada que se encuentra en la elastina y en el colágeno.

Con mucha frecuencia las interacciones entre las subunidades están afectadas por la unión de los ligandos. En el alosterismo, el control de la función proteínica mediante la unión de ligandos, la unión de un ligando a un lugar específico en una proteína desencadena un cambio conformacional que altera su afinidad por otros ligandos. Los cambios conformacionales inducidos por ligandos en dichas proteínas se denominan transiciones alostéricas, y los ligandos que las desencadenan efectores o moduladores. Los efectos alostéricos pueden ser positivos o negativos, dependiendo de si la unión del efector aumenta o disminuye la afinidad de la proteína por otros ligandos. En las páginas 151 a 153 se describe uno de los ejemplos mejor comprendidos de los efectos alostéricos, la unión reversible del O₂ y de otros ligandos a la hemoglobina. (Debido a que las enzimas alostéricas desempeñan un papel clave en el control de los procesos metabólicos, el alosterismo se discute más adelante en las Secciones 6.3 y 6.5.)

PROTEÍNAS NO ESTRUCTURADAS En el modo tradicional de percibir las proteínas, la función de un polipéptido es determinada por su estructura tridimensional específica y relativamente estable. Sin embargo, como resultado de las nuevas metodologías genómicas y de las nuevas aplicaciones de diversas formas de espectroscopia, en los últimos años se ha hecho evidente que muchas proteínas no están estructuradas en parte o en su totalidad. Las proteínas no estructuradas se conocen como IUP (proteínas intrínsecamente no estructuradas). Si el desorden de la estructura es total, se usa el término proteínas originalmente desplegadas. La mayoría de las IUP son eucarióticas. Resulta sorprendente que más del 30% de las proteínas de las eucariotas estén parcial o totalmente desordenadas, mientras que sólo alrededor del 2 y del 4% de las proteínas de las archaea y de las bacterias, respectivamente, pueden describirse como no estructuradas. El plegamiento de las IUP en conformaciones tridimensionales estables es impedido por secuencias sesgadas de aminoácidos que contienen altos porcentajes de residuos polares y con carga (p. ej., Ser, Gln, Lys y Glu) y bajas cantidades de residuos hidrófobos (p. ej., Leu, Val, Phe y Trp).

Las IUP tienen diversas de funciones. Muchas intervienen en la regulación de procesos tales como la transducción de señales, la transcripción, la traducción y la proliferación celular. Segmentos desordenados muy extendidos y maleables permiten a la molécula “buscar” compañeros de unión. Un ejemplo representativo es la proteína de unión al elemento de respuesta del monofosfato de adenosina cíclico (CREB), una proteína reguladora de la transcripción que se considera más adelante (cap. 18) la cual se une al CRE, un tipo de secuencia de DNA llamada elemento de respuesta del monofosfato de adenosina cíclico. Cuando el pKID (kinase inducible domain, dominio inducible por cinasa) de la CREB es fosforilado por una cinasa (una enzima que fija grupos fosfato a cadenas laterales de aminoácidos específicos), pierde su estructura. El dominio pKID no estructurado es entonces capaz de buscar un dominio de la proteína de unión a CREB (CBP) llamado KIX (dominio de unión a KID) y unirse a él (fig. 5.27). Como sucede a menudo con las IUP, el dominio pKID desordenado pasa a una conformación más ordenada cuando se une al dominio KIX de la CBP. Como resultado de la unión CREB-CBP, la CREB forma un dímero que modifica la expresión de determinados genes cuando se une a su elemento de respuesta.

PÉRDIDA DE LA ESTRUCTURA PROTEÍNICA Considerando las pequeñas diferencias de energía libre de las proteínas plegadas y desplegadas, no es sorprendente que la estructura proteínica sea muy sensible a los factores del entorno. Muchos agentes físicos y químicos pueden perturbar la conformación nativa de una proteína. El proceso de desorganización de la estructura, que puede o no implicar desplegamiento, se denomina desnaturalización. (Ésta en general no incluye la rotura de los enlaces peptídicos.) Dependiendo del grado de desnaturalización, la molécula puede perder de forma parcial o total su actividad biológica. La desnaturalización con frecuencia da lugar a cambios observables de las propiedades físicas de las proteínas. Por ejemplo, la albúmina de huevo (la clara) soluble y transparente se hace insoluble y opaca tras calentarla. Como muchas desnaturalizaciones, cocinar huevos es un proceso irreversible.

El ejemplo siguiente de desnaturalización reversible lo comprobó en la década de 1950 Christian Anfinsen, quien compartió el premio Nobel de Química en 1972. La ribonucleasa pancreática bovina (una enzima digestiva presente en el ganado que degrada el RNA) se desnaturaliza cuando se trata con β-mercaptoetanol y urea 8 M (fig. 5.28). Durante este proceso, la ribonucleasa, formada por un solo polipéptido con cuatro puentes disulfuro, se despliega por completo y pierde toda su actividad biológica. La eliminación cuidadosa de los agentes desnaturalizantes por medio de diálisis produce el repliegue correcto del polipéptido y se vuelven a formar los enlaces disulfuro. El hecho de que el experimento de Anfinsen condujera al restablecimiento total de la actividad catalítica de la enzima proporcionó conocimientos importantes sobre las funciones de diferentes fuerzas y de la estructura primaria en el plegamiento de proteínas. Sin embargo, la mayoría de las proteínas que se tratan de forma similar no se renaturalizan.

Entre las condiciones desnaturalizantes se incluyen las siguientes:

1. Ácidos y bases fuertes. Los cambios de pH alteran el estado de protonación de algunos grupos laterales de la proteína, lo cual altera los patrones de los enlaces por puente de hidrógeno y de los puentes salinos. Al acercarse la proteína a su punto isoeléctrico, ésta se hace insoluble y precipita en la solución.

2. Solventes orgánicos. Los solventes orgánicos hidrosolubles, como el etanol, interfieren con las interacciones hidrófobas, debido a que interactúan con los grupos R apolares y forman enlaces por puente de hidrógeno con el agua y con los grupos polares de las proteínas. Algunos solventes apolares también interrumpen las interacciones hidrófobas.

3. Detergentes. Los detergentes interrumpen las interacciones hidrófobas, haciendo que las proteínas se desplieguen en cadenas polipeptídicas extendidas. Se dice que estas moléculas son anfipáticas porque tienen tanto componentes hidrófobos como hidrófilos.

4. Agentes reductores. En presencia de reactivos como la urea, los agentes reductores (como β-mercaptoetanol) convierten los puentes disulfuro en grupos sulfhidrilos. La urea rompe los enlaces por puente de hidrógeno y las interacciones hidrófobas.

5. Concentración salina. Cuando la concentración de sal aumenta en una solución acuosa de proteína, algunas de las moléculas de agua que interactúan con los grupos ionizables de la proteína son atraídas hacia los iones de la sal. A medida que disminuye el número de moléculas de solvente disponibles para interactuar con estos grupos, las interacciones proteína-proteína aumentan. Si la concentración de sal es suficientemente elevada, quedan tan pocas moléculas de agua disponibles para interactuar con grupos ionizables, que las esferas de solvatación alrededor de los grupos ionizados de la proteína desaparecen. Las moléculas proteínicas se agregan y precipitan. Este proceso se denomina salting out (precipitación de proteínas por medio de sales). Debido a que dicho procedimiento es reversible y en cada proteína se produce a diferentes concentraciones de sal, suele emplearse como un primer paso en la purificación de proteínas.

6. Iones metálicos pesados. Los metales pesados, como el mercurio (Hg²⁺) y el plomo (Pb²⁺), afectan de varias maneras la estructura proteínica. Pueden romper los puentes salinos al formar enlaces iónicos con los grupos con carga negativa. Los metales pesados también forman enlaces con los grupos sulfhidrilo, un proceso que puede provocar cambios significativos en la estructura y en la función proteínica. Por ejemplo, el Pb²⁺ se une a los grupos sulfhidrilo de dos enzimas de la vía de síntesis del grupo hemo. El descenso de la síntesis de hemoglobina que se produce da lugar a una anemia grave. (En la anemia disminuye por debajo de lo normal el número de eritrocitos o la concentración de hemoglobina.) La anemia es uno de los síntomas que se mide con mayor facilidad en el envenenamiento por plomo.

7. Cambios de temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de vibración molecular. Por último se rompen las interacciones débiles como los enlaces por puente de hidrógeno, y la proteína se despliega. Algunas proteínas son más resistentes a la desnaturalización por el calor, y este hecho puede utilizarse en los procedimientos de purificación.

8. Agresión mecánica. La agitación y la trituración rompen el equilibrio de las fuerzas que mantienen la estructura proteínica. Por ejemplo, la espuma que se forma al batir vigorosamente la clara de huevo contiene proteínas desnaturalizadas.

El problema del plegamiento

La relación directa entre la secuencia primaria de una proteína y su conformación tridimensional final y, por extensión, su actividad biológica, se encuentra entre las suposiciones más importantes de la bioquímica moderna. Ya se mencionó uno de los principales fundamentos de este paradigma: la serie de experimentos que realizó Christian Anfinsen a finales de la década de 1950. Anfinsen, trabajando con la RNAasa pancreática bovina, demostró que en condiciones favorables una proteína desnaturalizada puede replegarse a su estado nativo y biológicamente activo (fig. 5.28). Este descubrimiento sugirió que podía predecirse la estructura tridimensional de cualquier proteína si se comprenden las propiedades físicas y químicas de los aminoácidos y las fuerzas que impulsan el proceso de plegamiento (p. ej., las rotaciones de los enlaces, las consideraciones de la energía libre y el comportamiento de los aminoácidos en ambientes acuosos). Desafortunadamente, varias décadas de una concienzuda investigación con las herramientas más sofisticadas de las que se dispone (p. ej., la cristalografía de rayos X y la NMR, en combinación con la mutagénesis dirigida y los modelos matemáticos con ordenadores) sólo produjeron progresos limitados. En resumen, este trabajo ha revelado que el plegamiento proteínico es un proceso escalonado en el que una característica inicial es la formación de la estructura secundaria (hélice α y lámina plegada β). Las interacciones hidrófobas parecen ser una fuerza importante en el plegamiento. Además, las sustituciones de aminoácidos introducidas de forma experimental en determinadas proteínas revelan que los cambios de los aminoácidos de la superficie en pocas ocasiones afectan a la estructura de la proteína. Por el contrario, las sustituciones de los aminoácidos dentro del centro hidrófobo suelen provocar variaciones estructurales importantes de la conformación.

En los últimos años, los bioquímicos han realizado avances importantes en la investigación sobre el plegamiento proteínico. Los investigadores del plegamiento proteínico han determinado que el proceso no consiste, como se pensó al principio, en una sola vía, sino en varias. Como se presenta en la figura 5.29a, un panorama energético con una forma de embudo parece describir mejor la forma en la que un polipéptido desplegado con su propio y único conjunto de restricciones (p. ej., su secuencia de aminoácidos, las modificaciones que sufre después de la traducción y las características ambientales del interior de la célula como la temperatura, el pH y el hacinamiento molecular) gestiona su camino hacia un estado plegado de baja energía. Dependiendo en gran medida de su tamaño, un polipéptido puede o no formar intermediarios (especies que existen el tiempo suficiente para detectarse) que son momentáneamente atrapados en pozos de energía local (fig. 5.29b). Las moléculas pequeñas (con menos de 100 residuos) suelen plegarse sin formación de intermediarios (fig. 5.30a). Conforme estas moléculas emergen del ribosoma, comienza un proceso de plegamiento rápido y cooperativo en el que las interacciones de las cadenas laterales facilitan la formación y el alineamiento de las estructuras secundarias. El plegamiento de los polipéptidos más grandes suele requerir la formación de varios intermediarios (fig. 5.30b, c). En muchas de estas moléculas o en los dominios dentro de una molécula, la forma colapsada de manera hidrófoba del intermediario se denomina glóbulo fundido. El término glóbulo fundido se refiere a un estado globular en parte organizado de un polipéptido en proceso de plegamiento y que se asemeja al estado nativo de la molécula. Dentro de un glóbulo fundido las interacciones terciarias entre las cadenas laterales de los aminoácidos son fluctuantes, es decir, aún no se han estabilizado.

Asimismo, está cada vez más claro que el plegamiento y el direccionamiento de muchas proteínas en las células se produce con la colaboración de un grupo de moléculas que ahora se denominan chaperones moleculares. Estas moléculas, la mayoría de las cuales parecen ser proteínas de choque térmico (hsps), al parecer se encuentran en todos los organismos. Se han encontrado varias clases de chaperones moleculares en organismos que van desde las bacterias hasta los animales superiores y las plantas. Además, también se encuentran en muchos orgánulos eucariotas, como las mitocondrias, los cloroplastos y el retículo endoplásmico (ER). Existe un grado elevado de homología de secuencia entre los chaperones moleculares de todas las especies investigadas hasta ahora. A continuación se describen las propiedades de numerosas de estas moléculas importantes.

CHAPERONES MOLECULARES Los chaperones moleculares, al parecer, ayudan a las proteínas desplegadas de dos formas. En primer lugar, durante un tiempo finito entre la síntesis y el plegamiento, las proteínas deben estar protegidas de las interacciones proteína-proteína inadecuadas. Por ejemplo, ciertas proteínas de las mitocondrias y de los cloroplastos deben permanecer desplegadas hasta que se insertan en la membrana de un organelo. En segundo lugar, las proteínas deben plegarse de forma rápida y precisa en sus conformaciones correctas. Algunas deben ensamblarse en complejos formados por múltiples subunidades. Las investigaciones del plegamiento proteínico en diversos organismos han revelado que en este proceso participan dos clases principales de chaperones.

1. Hsp70. Las proteínas hsp70 son una familia de chaperones moleculares que se unen a las proteínas y las estabilizan durante las primeras fases del plegamiento. Numerosos monómeros de la hsp70 se unen a segmentos hidrófobos cortos de los polipéptidos desplegados, impidiendo de esta manera la formación de los glóbulos fundidos. Cada clase de hsp70 posee dos sitios de unión, uno para un segmento proteínico desplegado y otro para el ATP. La liberación de un polipéptido de una hsp70 requiere la hidrólisis del ATP. Se requieren hsp70 mitocondriales y del ER para la translación a través de la membrana de algunos polipéptidos.

2. Hsp60. Una vez que un polipéptido desplegado es liberado de la hsp70, se pasa a un miembro de una familia de chaperones moleculares conocida como hsp60 (también llamadas chaperoninas o Cpn60), que intermedia el plegamiento proteínico. Las hsp60 forman una gran estructura compuesta por dos anillos de siete subunidades apilados. La proteína desplegada entra en la cavidad hidrófoba del complejo hsp60 (fig. 5.31). El sistema hsp60, que consiste en dos anillos y cavidades idénticos, aumenta la velocidad y eficiencia del proceso de plegado. La hidrólisis del ATP convierte una cavidad en un microambiente hidrófilo que facilita el colapso del centro hidrófobo de la proteína que se está plegando hasta la forma de glóbulo fundido. Se requieren de 15 a 20 s para que las 7 moléculas de ATP hidrolicen las subunidades anulares y se complete el proceso de plegamiento. En el estado (ADP)₇, el carácter hidrofóbico de la cavidad se restaura, la cámara se abre y se libera la proteína o dominio plegado. Ahora puede unirse una proteína no plegada para repetir el ciclo. El plegado de las proteínas sucede en dos ciclos en forma superpuesta, según el estado de unión ATP/ADP de las dos cavidades.

Además de promover el plegamiento de las proteínas nacientes, las chaperonas moleculares dirigen el repliegue de las proteínas parcialmente desplegadas como consecuencia de condiciones agresivas. Si no es posible el repliegue, las chaperonas promueven la degradación proteínica. En la figura 5.32 se presenta una visión esquemática del plegamiento proteínico. Los efectos del plegamiento anormal de las proteínas en la salud humana pueden ser considerables. Tanto la enfermedad de Alzheimer como la de Huntington son trastornos neurodegenerativos causados por acumulaciones de agregados proteínicos insolubles. (Véase Biochemistry in Perspective essay Protein Folding and Human Disease, en línea.)

Proteínas fibrosas

Las proteínas fibrosas contienen por lo general proporciones elevadas de estructuras secundarias regulares, como hélices α y láminas plegadas β. Como consecuencia de sus formas de varilla o de lámina, muchas proteínas fibrosas tienen funciones estructurales en vez de dinámicas. La queratina (fig. 5.33) es una proteína fibrosa formada por haces de hélices α, mientras que las cadenas polipeptídicas de la fibroína de la seda (fig. 5.34) están dispuestas en láminas plegadas β antiparalelas. A continuación se describen con algún detalle las características estructurales del colágeno, la proteína más abundante en los vertebrados.

COLÁGENO El colágeno es sintetizado por células de tejido conjuntivo, que lo secretan al espacio extracelular para formar parte de la matriz de este tejido. Las 20 familias principales de moléculas de colágeno incluyen muchas proteínas muy relacionadas que poseen diversas funciones. Las moléculas de colágeno genéticamente distintas de la piel, de los huesos, de los tendones, de los vasos sanguíneos y de la córnea proporcionan a estas estructuras muchas de sus propiedades especiales (p. ej., la fuerza tensora de los tendones y la transparencia de la córnea).

El colágeno está formado por tres hélices polipeptídicas levógiras que están enrolladas una sobre la otra para formar una triple hélice dextrógira (fig. 5.35). Las moléculas de colágeno tipo I, que se encuentran en los dientes, en los huesos, en la piel y en los tendones, tienen aproximadamente 300 nm de longitud y 1.5 nm de grosor. Cerca del 90% del colágeno que se encuentra en el ser humano es de tipo I.

La composición de aminoácidos del colágeno es característica. La glicina constituye alrededor de un tercio de los residuos de aminoácidos. La prolina y la 4-hidroxiprolina pueden representar hasta el 30% de la composición de aminoácidos de una molécula de colágeno. También están presentes cantidades pequeñas de 3-hidroxiprolina y de 5-hidroxilisina. Algunos residuos específicos de prolina y de lisina de la secuencia primaria del colágeno se hidroxilan dentro del ER rugoso tras sintetizarse los polipéptidos. Estas reacciones, que se estudian en el capítulo 19, requieren ácido ascórbico.

La secuencia de aminoácidos del colágeno está formada en su mayoría por un gran número de tripletes redundantes con la secuencia Gly—X—Y, donde X y Y son a menudo prolina e hidroxiprolina. También se encuentra en la posición Y la hidroxilisina. Diversos grupos de carbohidratos sencillos se encuentran unidos al grupo hidroxilo de los residuos de hidroxilisina. Se ha sugerido que se requieren los carbohidratos del colágeno para la fibrilogénesis, el ensamblaje de las fibras de colágeno en sus localizaciones extracelulares, como los tendones y los huesos.

La enzima lisil oxidasa convierte algunos de los grupos laterales de las lisinas y de las hidroxilisinas en aldehídos mediante desaminación oxidativa, lo que facilita la formación no enzimática espontánea de la aldimina fortalecida, y entrecruzamientos aldólicos. (Un enlace cruzado aldol se forma en una reacción, llamada condensación aldólica, en la cual dos aldehídos forman un enlace aldehído α,β-insaturado. En las reacciones de condensación se elimina una molécula pequeña, en este caso H₂O.) También se producen entrecruzamientos entre los carbohidratos ligados a la hidroxilisina y el grupo amino de otros residuos de lisina y de hidroxilisina de moléculas adyacentes. El aumento de los entrecruzamientos, con la edad, conduce a la fragilidad y a la rotura de las fibras de colágeno que ocurren al envejecer.

La glicina es notable en las secuencias de colágeno debido a que la triple hélice se forma por enlaces por puente de hidrógeno intercatenarios con participación de los residuos de glicina. Por lo tanto, cada tercer residuo está muy cerca de las otras dos cadenas. La glicina es el único aminoácido con un grupo R lo suficientemente pequeño para el espacio disponible. Los grupos R más grandes desestabilizarían la estructura de la superhélice. La triple hélice se fortalece aún más por los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre los polipéptidos (producidos en primera instancia por el gran número de residuos de hidroxiprolina) y por los enlaces lisinonorleucina, que estabilizan las formaciones ordenadas de triples hélices en la fibrilla final de colágeno.

Proteínas globulares

Las funciones biológicas de las proteínas globulares en general implican la unión precisa de pequeños ligandos o de grandes macromoléculas como los ácidos nucleicos u otras proteínas. Cada proteína posee una o más cavidades o hendiduras únicas cuya estructura es complementaria a la de ligandos específicos. Tras la unión del ligando, la proteína experimenta un cambio conformacional que está ligado a un suceso bioquímico. Por ejemplo, la unión del ATP a la miosina en las células musculares es un suceso crítico en la contracción muscular.

Las proteínas mioglobina y hemoglobina que se unen al oxígeno son ejemplos interesantes y bien analizados de proteínas globulares. Ambas son miembros de las hemoproteínas, un grupo especializado de proteínas que contiene el grupo protésico hemo. Aunque el grupo hemo (fig. 5.36) en ambas proteínas es responsable de la unión reversible del oxígeno molecular, las funciones fisiológicas de la mioglobina y de la hemoglobina son muy diferentes. Las propiedades químicas del grupo hemo dependen del ion Fe²⁺ que se localiza en el centro del grupo protésico. El átomo de hierro, que forma seis enlaces coordinados, está unido a los cuatro nitrógenos ubicados en el centro del anillo de protoporfirina. Hay otros dos enlaces coordinados disponibles, uno en cada lado de la estructura plana del hem. En la mioglobina y en la hemoglobina el quinto enlace de coordinación es para el átomo de nitrógeno de un residuo de histidina y el sexto se encuentra disponible para la unión del oxígeno. Además de servir como un reservorio para el oxígeno dentro de las células musculares, la mioglobina facilita la difusión intracelular del oxígeno en las células con un metabolismo activo. La función de la hemoglobina, la proteína principal de los eritrocitos, es aportar oxígeno a las células de todo el cuerpo. La comparación de la arquitectura de estas dos proteínas explica varios principios importantes de la estructura, de la función y de la regulación de las proteínas.

MIOGLOBINA La mioglobina, que se encuentra en una concentración elevada en los músculos esquelético y cardiaco, proporciona a estos tejidos su color rojo característico. Los mamíferos que se sumergen, como las ballenas (que permanecen bajo el agua durante periodos prolongados), poseen concentraciones elevadas de mioglobina en sus músculos. Dadas las concentraciones tan elevadas de mioglobina, estos músculos son en general de color marrón. El componente proteínico de la mioglobina, el cual se denomina globina, es una cadena polipeptídica única que contiene ocho segmentos de hélice α (fig. 5.37). La cadena de globina plegada forma una hendidura que encierra casi por completo al grupo hemo. El grupo hemo libre [Fe²⁺] posee una afinidad elevada por el O₂ y se oxida de forma irreversible para formar hematina [Fe³⁺]. La hematina no puede unirse al O₂. Las interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de los aminoácidos y el anillo de porfirina apolar, dentro de la hendidura de unión del oxígeno, disminuye la afinidad del hem por el O₂. La reducción de la atracción protege al Fe²⁺ de la oxidación y permite la unión reversible del O₂. Todos los aminoácidos que interactúan con el grupo hemo son apolares, con la excepción de dos histidinas, una de las cuales (la histidina proximal) se une directamente al átomo de hierro (fig. 5.38). La otra (la histidina distal) estabiliza el sitio de unión del oxígeno.

HEMOGLOBINA La hemoglobina es una molécula casi esférica que se encuentra en los eritrocitos, donde su función principal es transportar oxígeno de los pulmones a todos los tejidos del cuerpo. Recuérdese que la HbA está formada por dos cadenas α y dos cadenas β (fig. 5.39). La molécula de HbA se denomina α₂β₂. [No obstante, hay otro tipo de hemoglobina en el adulto: cerca del 2% de la hemoglobina humana es HbA₂, que contiene cadenas δ (delta) en lugar de cadenas β.] Antes del nacimiento se sintetizan numerosos polipéptidos de hemoglobina adicionales. La cadena ε (épsilon), que aparece en la vida embrionaria temprana, y la cadena γ, que se encuentra en el feto, se parecen mucho a la cadena β. Dado que las hemoglobinas α₂ε₂ y α₂γ₂ poseen una mayor afinidad por el oxígeno que la hemoglobina α₂β₂ (HbA), el feto puede absorber preferentemente el oxígeno del torrente sanguíneo materno.

Aunque las configuraciones tridimensionales de la mioglobina y de las cadenas α y β de la hemoglobina son muy semejantes, sus secuencias de aminoácidos poseen muchas diferencias. La comparación de estas moléculas de docenas de especies ha descubierto nueve residuos de aminoácidos invariables.

Muchos de éstos afectan de forma directa al sitio de unión del oxígeno, mientras que otros estabilizan los segmentos peptídicos de hélice α. Los residuos restantes pueden variar de manera considerable. Sin embargo, la mayoría de las sustituciones son conservadoras. Por ejemplo, cada interior del polipéptido permanece apolar.

Las cuatro cadenas de la hemoglobina están dispuestas en dos dímeros idénticos, llamados α₁β₁ y α₂β₂. Cada polipéptido de globina posee una unidad de unión al grupo hemo semejante a la descrita para la mioglobina. Aunque tanto la mioglobina como la hemoglobina se unen al oxígeno de forma reversible, la última molécula posee una estructura compleja y unas propiedades de unión más complicadas. Las numerosas interacciones no covalentes (la mayoría hidrófobas) entre las subunidades en cada dímero αβ permanecen en gran medida sin cambios cuando la hemoglobina se interconvierte en sus formas oxigenada y desoxigenada. En contraste, el número relativamente pequeño de interacciones entre los dos dímeros cambia de forma sustancial durante esta transición. Cuando la hemoglobina está oxigenada, los puentes salinos y determinados enlaces por puente de hidrógeno se rompen mientras que los dímeros α₁β₁ y α₂β₂ se deslizan uno sobre otro y giran 15° (fig. 5.40). La conformación desoxigenada de la hemoglobina (desoxiHb) suele denominarse estado T (tenso) y la hemoglobina oxigenada (oxiHb) se dice que está en el estado R (relajado). Los reajustes inducidos por el oxígeno en los contactos entre los dímeros son casi simultáneos. En otras palabras, un cambio conformacional en una subunidad se propaga con rapidez a las otras subunidades. Por consiguiente, la hemoglobina se alterna entre dos conformaciones estables, los estados T y R.

Debido a las interacciones de las subunidades, la curva de disociación del oxígeno posee una forma sigmoidea (fig. 5.41). La unión del primer O₂ a la hemoglobina potencia la unión de otro O₂ a la misma molécula. Este patrón de unión, que se denomina unión cooperativa, es consecuencia de los cambios de la estructura tridimensional de la hemoglobina que inician cuando se une el primer O₂. La unión del primer O₂ facilita la unión de las tres moléculas de O₂ restantes a las moléculas tetraméricas de hemoglobina. En los pulmones, donde la presión parcial de O₂ es elevada, la hemoglobina se satura rápidamente (se convierte al estado R). En los tejidos sin O₂, la hemoglobina libera la mitad de su oxígeno. A diferencia de la hemoglobina, la curva de disociación de la mioglobina tiene una forma hiperbólica. Este patrón de unión más simple, una consecuencia de la estructura menos compleja de la mioglobina, refleja varios aspectos de la función de esta proteína en el almacenamiento de oxígeno.

Dado que su curva de disociación está a la izquierda de la curva de la hemoglobina, la mioglobina suelta el oxígeno sólo cuando la concentración de oxígeno de la célula muscular es muy baja (p. ej., en el ejercicio extenuante). Además, como la mioglobina tiene una mayor afinidad por el oxígeno que la hemoglobina, el oxígeno se desplaza de la sangre al músculo.

La unión de ligandos diferentes al oxígeno afecta las propiedades de unión de la hemoglobina al oxígeno. Por ejemplo, la disociación del oxígeno de la hemoglobina se potencia al disminuir el pH. Por este mecanismo, denominado efecto Bohr, el oxígeno se reparte en las células según sus necesidades. Las células con un metabolismo activo, que requieren cantidades importantes de oxígeno para generar energía, producen también cantidades considerables del producto de desecho CO₂. Al difundirse el CO₂ en la sangre, éste reacciona con el agua para formar HCO₃⁻ e H⁺. (El amortiguador de bicarbonato se estudió en la pág. 85.) La unión subsiguiente de H⁺ a varios grupos ionizables en las moléculas de hemoglobina potencia la disociación del O₂ al convertir la hemoglobina a su estado T. (Los iones hidrógeno se unen preferentemente a la desoxiHb. Cualquier aumento de la concentración de H⁺ estabiliza la conformación desoxi de la proteína y, por lo tanto, desplaza la distribución de equilibrio entre los estados T y R.) Cuando se unen un número pequeño de moléculas de CO₂ a los grupos terminales amino de la hemoglobina (formando grupos carbamato o —NHCOO⁻) se estabiliza más la forma desoxi (estado T) de la proteína.

El 2,3-difosfoglicerato (BPG) (denominado también glicerato-2,3-difosfato) es asimismo un regulador importante de la función de la hemoglobina. Aunque la mayoría de las células sólo contiene cantidades mínimas de BPG, los eritrocitos contienen una cantidad considerable. El BPG deriva del glicerato-1,3-difosfato, un intermediario de la degradación de la glucosa, un compuesto rico en energía. En ausencia de BPG, la hemoglobina tiene una afinidad muy elevada por el oxígeno (fig. 5.42). Como con el H⁺ y con el CO₂, la unión del BPG estabiliza la desoxiHb. Una molécula de BPG con carga negativa se une en la cavidad central del interior de la hemoglobina que está revestida con aminoácidos con carga positiva.

En los pulmones se invierte el proceso. Una concentración elevada de oxígeno impulsa la conversión de la configuración desoxiHb a la oxiHb. El cambio de la estructura tridimensional de la proteína iniciado por la unión de la primera molécula de oxígeno libera el CO₂, el H⁺ y el BPG unidos. El H⁺ se vuelve a combinar con el HCO₃⁻ para formar ácido carbónico, que posteriormente se disocia para formar CO₂ y H₂O. Luego, el CO₂ difunde de la sangre a los alveolos.

El movimiento deliberado es el sello distintivo de los organismos. Este comportamiento asume miríadas de formas que van del sprint plusmarquista de 110 km/h del guepardo hasta movimientos más sutiles como la migración de los leucocitos en el cuerpo de los animales, las corrientes citoplásmicas en las células vegetales, el transporte intracelular de los orgánulos y el desenrollamiento del DNA catalizado enzimáticamente. Las proteínas formadas por múltiples subunidades responsables de estos fenómenos (p. ej., la sarcómera muscular y otros tipos diversos de componentes citoesqueléticos, así como la polimerasa de DNA) funcionan como máquinas biológicas. Las máquinas se definen como dispositivos mecánicos con partes móviles que realizan trabajo (el producto de fuerza y distancia). Cuando las máquinas se utilizan de modo correcto, permiten la ejecución de tareas que a menudo serían imposibles sin ellas. Aunque las máquinas biológicas están formadas por proteínas relativamente frágiles que no soportan las condiciones físicas en que operan las máquinas creadas por el ser humano (como calor y fricción), ambos tipos comparten características importantes. Además de tener partes móviles, todas las máquinas requieren mecanismos transductores de energía; esto es, convierten energía en movimiento dirigido.

A pesar de la amplia diversidad de tipos de movimiento en los seres vivos, en todos los casos los cambios de conformación de las proteínas inducidos por energía dan por resultado un trabajo. Los cambios de conformación de las proteínas ocurren cuando a ellas se une un ligando. Si un ligando específico se une a una subunidad de un complejo proteínico formado por múltiples subunidades, el cambio en la conformación de dicha subunidad afectará la forma de las subunidades adyacentes. Tales cambios son reversibles; es decir, la proteína revierte a su conformación previa cuando de ella se disocia el ligando. Para que las complejas máquinas biológicas realicen trabajo es necesario que el cambio conformacional y por tanto los cambios funcionales ocurran de manera ordenada y dirigida. En otras palabras, una fuente de energía (por lo común la hidrólisis de ATP o GTP) impulsa una secuencia de cambios conformacionales de subunidades adyacentes en una dirección funcional. El funcionamiento dirigido de esta y de otras máquinas biológicas es posible gracias a que la hidrólisis de los nucleótidos es irreversible en condiciones fisiológicas.

Proteínas motoras

A pesar de su diversidad funcional, todas las máquinas biológicas poseen uno o más componentes proteínicos que se unen a nucleósidos trifosfato (NTP). Estas subunidades, llamadas NTPasas, funcionan como transductores mecánicos o proteínas motoras. Los cambios en la conformación de una proteína motora, impulsados por la hidrólisis de NTP, a su vez provocan cambios estructurales en subunidades adyacentes de la máquina molecular. Las proteínas de unión a NTP realizan una amplia variedad de funciones en los organismos eucariotas, la mayoría de las cuales corresponde a una, o a más, de las siguientes categorías.

1. Motores clásicos. Las proteínas motoras clásicas son ATPasas que mueven una carga a lo largo de un filamento de proteína, como se mostró antes (fig. 2.5). Los ejemplos mejor conocidos son las miosinas, que se mueven a lo largo de filamentos de actina, y las cinesinas y las dineínas, que transportan vesículas y organelos a lo largo de microtúbulos. Las cinesinas “caminan” por los microtúbulos hacia el extremo (+) desde el centrosoma (el centro organizador de microtúbulos). Las dineínas “caminan” por los microtúbulos hacia el extremo (−), al centrosoma.

2. Temporizadores. La función de determinadas proteínas de unión a NTP es proporcionar un periodo de demora durante un proceso complejo para asegurar la exactitud. La síntesis de la proteína procariota EF-Tu (sección Bioquímica en perspectiva: EF-Tu, una proteína motora, cap. 19) es un ejemplo bien conocido. La lentitud relativa de la hidrólisis de GTP por EF-Tu cuando está unida a un aminoacil-tRNA da el tiempo suficiente para que el complejo se disocie del ribosoma si la unión de secuencias de bases de tRNA-mRNA no es correcta.

3. Conmutadores de microprocesamiento. Diversas proteínas de unión al GTP actúan como interruptores moleculares en las vías de transducción de señales. Son ejemplos las subunidades β de las proteínas G triméricas. Numerosos mecanismos de control de señales intracelulares son regulados por las proteínas G.

4. Factores de ensamble y desensamble. Numerosos procesos celulares requieren el ensamble rápido y reversible de subunidades proteínicas en complejos moleculares más grandes. Entre los ejemplos más impresionantes de polimerización de subunidades proteínicas están el ensamble de la tubulina y de la actina en microtúbulos y en microfilamentos, respectivamente. La lenta hidrólisis de GTP por monómeros de tubulina y de ATP por monómeros de actina, tras la incorporación de estas moléculas en sus respectivos filamentos poliméricos, promueve sutiles cambios de conformación que más tarde permiten el desensamble.

La proteína motora mejor caracterizada es la miosina. En la sección en línea en el ensayo Biochemistry in Perspective “Myosin: A Molecular Machine” se presenta la estructura y función de la miosina en los fenómenos moleculares de la contracción muscular.

Resumen del capítulo

1. Los polipéptidos son polímeros de aminoácidos. Las proteínas pueden constar de una o de varias cadenas polipeptídicas.

2. Cada aminoácido contiene un átomo de carbono central (el carbono α) al que están unidos un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y un grupo R. Además de constituir las proteínas, los aminoácidos poseen otras funciones biológicas. Según su capacidad para interactuar con el agua, los aminoácidos pueden separarse en cuatro clases: apolares, polares, ácidos y básicos.

3. La titulación de los aminoácidos y de los péptidos explica el efecto del pH sobre sus estructuras. Se denomina punto isoeléctrico el pH al que una molécula carece de carga neta.

4. Los aminoácidos experimentan diversas reacciones químicas. Tres reacciones son especialmente importantes: la formación de los enlaces peptídicos, la oxidación de la cisteína y la formación de bases de Schiff.

5. Las proteínas tienen una amplia gama de funciones en los seres vivos. Además de servir como materiales estructurales, participan en la regulación metabólica, en el transporte, en la defensa y en la catálisis. Algunas proteínas son multifuncionales; es decir, tienen dos o más funciones al parecer no relacionadas. También pueden clasificarse en familias y en superfamilias, conforme a las semejanzas en su secuencia, en su forma y en su composición. Las proteínas fibrosas (p. ej., el colágeno) son moléculas largas, con forma de varilla, que son insolubles en agua y físicamente duras. Las proteínas globulares (p. ej., la hemoglobina) son moléculas esféricas compactas que por lo general son hidrosolubles.

6. Los bioquímicos diferencian cuatro niveles de estructura proteínica. La estructura primaria, la secuencia de aminoácidos, está determinada por la información genética. Al plegarse la cadena polipeptídica, los patrones locales de plegamiento constituyen la estructura secundaria de la proteína. La forma tridimensional global que asume un polipéptido se denomina estructura terciaria. Las proteínas que constan de dos o más polipéptidos poseen estructura cuaternaria. Numerosas proteínas, en especial las que participan en procesos regulatorios en eucariotas, están parcial o totalmente no estructuradas. Muchas condiciones físicas y químicas desorganizan la estructura proteínica. Los agentes desnaturalizantes son los ácidos o las bases fuertes, los agentes reductores, los solventes orgánicos, los detergentes, las concentraciones salinas elevadas, los metales pesados, los cambios de temperatura y las agresiones mecánicas.

7. Uno de los aspectos más importantes de la síntesis de proteínas es el plegamiento de los polipéptidos en sus conformaciones con actividad biológica. A pesar de décadas de investigación sobre las propiedades físicas y químicas de las cadenas polipeptídicas, aún no se ha resuelto el mecanismo por el cual una secuencia primaria dicta la conformación final de la molécula. Muchas proteínas requieren de chaperones moleculares para plegarse en su conformación tridimensional final. Ahora se sabe que el plegamiento incorrecto de las proteínas es una característica importante de varias enfermedades humanas, como la de Alzheimer y la de Huntington.

8. Las proteínas fibrosas (p. ej., la α-queratina y el colágeno), que contienen altas proporciones de hélices α y de láminas plegadas β, tienen funciones estructurales en lugar de dinámicas. A pesar de sus variados cometidos, la mayoría de las proteínas globulares tiene características que les permiten unirse a ligandos o sitios específicos en determinadas macromoléculas. Estos sucesos de unión implican cambios conformacionales en la estructura de las proteínas globulares.

9. La actividad biológica de las proteínas complejas con varias subunidades con frecuencia se regula por interacciones alostéricas en las que ligandos pequeños se unen a la proteína. Cualquier cambio de la actividad de la proteína se debe a cambios de las interacciones entre las subunidades de la proteína. Los efectores pueden aumentar o disminuir la función de una proteína.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• aldiminas

• alosterismo

• antígeno

• apoproteína

• bases de Schiff

• carbono asimétrico

• carbono quiral

• chaperones moleculares

• chaperoninas

• cinesina

• condensación aldólica

• cromatografía por afinidad

• cromatografía de filtración en geles

• cromatografía de intercambio iónico

• desnaturalización

• dineína

• efectores

• electroforesis

• electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS

• elemento de respuesta

• enantiómeros

• enfermedad de Alzheimer

• enfermedad de Huntington

• enfermedades moleculares

• enlaces peptídicos

• espectrometría de masas

• estereoisómeros

• estructura cuaternaria

• estructura primaria

• estructura secundaria

• estructura supersecundaria

• estructura terciaria

• familias de proteínas

• fase estacionaria

• fase móvil

• fosfoproteínas

• glóbulo fundido

• glucoproteínas

• grupo protésico

• hemoproteína

• hidrocarburo alifático

• hidrocarburo aromático

• holoproteína

• hormonas

• hsp60

• hsp70

• isómeros ópticos

• ligandos

• lipoproteínas

• metaloproteínas

• miosina

• moduladores

• molécula anfipática

• molécula anfótera

• motivos

• neurotransmisores

• oligómeros

• péptidos

• plegamiento proteínico

• pliegue

• polipéptidos

• polipéptido homólogo

• proteína

• proteína conjugada

• proteína modular

• proteínas fibrosas

• proteínas globulares

• proteínas intrínsecamente no estructuradas

• proteínas motoras

• proteínas multifuncionales

• proteínas originalmente desplegadas

• proteínas de choque térmico

• protómeros

• puente disulfuro

• puentes salinos

• punto isoeléctrico

• residuos de aminoácidos

• separación por sal

• subunidad

• superfamilia de proteínas

• transición alostérica

• unión cooperativa

• zwitteriones

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Definir los términos siguientes:

   1. estructura supersecundaria

   2. promotor

   3. fosfoproteína

   4. desnaturalización

   5. cromatografía por intercambio iónico

2. Definir los términos siguientes:

   1. Motivo proteínico

   2. Proteína conjugada

   3. Dineína

   4. Zwitterión

   5. Electroforesis

3. Definir los términos siguientes:

   1. Metaloproteína

   2. Hormona

   3. Holoproteína

   4. Proteína sin estructura intrínseca

   5. Cinesina

4. Definir los términos siguientes:

   1. Hidrocarburo alifático

   2. Neurotransmisor

   3. Carbono asimétrico

   4. Carbono quiral

   5. Estereoisómero

5. Definir los términos siguientes:

   1. Isómero óptico

   2. Punto isoeléctrico

   3. Enlace peptídico

   4. Puente disulfuro

   5. Base de Schiff

6. Definir los términos siguientes:

   1. Aldimina

   2. Proteína de choque de calor

   3. Proteína multifuncional

   4. Familia proteínica

   5. Superfamilia proteínica

7. Definir los términos siguientes:

   1. Proteínas de funciones múltiples

   2. Proteína fibrosa

   3. Proteína globular

   4. Grupo prostético

   5. Apoproteína

8. Definir los términos siguientes:

   1. Polipéptido homólogo

   2. Enfermedad molecular

   3. Pliegue proteínico

   4. Proteína en mosaico

   5. Ligando

9. Definir los términos siguientes:

   1. Puente salino

   2. Oligómero

   3. Transición alostérica

   4. Desnaturalización de proteínas

   5. Molécula anfipática

10. Definir los términos siguientes:

    1. Chaperona molecular

    2. Chaperonina

    3. Unión cooperativa

    4. Proteína motora

    5. Estructura primaria

11. Definir los términos siguientes:

    1. Condensación aldólica

    2. Carbono α

    3. Aminoácido hidrofóbico

    4. Estructura secundaria

    5. Hoja plegada β

12. La arginina tiene los siguientes valores de pK_a:

    $pK1=2.17,pK2=9.04,pKR=12.48$

    Indicar la estructura y carga neta de la arginina en los siguientes valores de pH: 1, 4, 7, 10, 12.

13. Considerar la siguiente molécula

    

    1. Nómbrela

    2. Usar los símbolos de tres letras para los aminoácidos representados en la molécula

14. La rotación alrededor del enlace peptídico en la glicilglicina está disminuida. Dibuje las formas de resonancia del enlace peptídico y explique por qué.

15. Enumere seis funciones de las proteínas en el cuerpo.

16. Indique el nivel de estructura proteínica al cual contribuye cada uno de los siguientes:

    1. Secuencia de aminoácidos

    2. Hoja plegada β

    3. Enlace por puente de hidrógeno

    4. Enlace por puente disulfuro

17. ¿Cuál es el tipo de estructura secundaria más probable para la siguiente secuencia de aminoácidos?

    1. Poliprolina

    2. Poliglicina

    3. Ala—Val—Ala—Val—Ala—Val—

    4. Gly—Ser—Gly—Ala—Gly—Ala

18. Enumerar tres factores que no permiten la formación de una hélice α.

19. La desnaturalización es la pérdida de la función proteínica por cambio estructural o reacción química. ¿En qué nivel de estructura proteínica o por qué reacción química actúa cada uno de los siguientes agentes desnaturalizantes?

    1. Calor

    2. Ácido fuerte

    3. Solución salina saturada

    4. Solventes orgánicos (p. ej., alcohol o cloroformo)

20. Un polipéptido tiene un valor pI alto. Sugerir qué aminoácidos podrían ser.

21. Esbozar los pasos para aislar una proteína típica. ¿Qué se logra en cada paso?

22. Esbozar los pasos para purificar una proteína. ¿Qué criterios se usan para evaluar la pureza?

23. Enumerar los tipos de cromatografía usados para purificar proteínas. Describir cómo funciona cada método de separación.

24. Describir las fuerzas participantes en el plegamiento de proteínas.

25. Hacer una descripción breve de las funciones de las chaperonas moleculares en el plegamiento de proteínas.

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan sólo una respuesta correcta.

1. En el interior de las proteínas suelen encontrarse residuos como la valina, la leucina, la isoleucina, la metionina y la fenilalanina, mientras que la arginina, la lisina, el ácido aspártico y el ácido glutámico en general se encuentran en la superficie de las proteínas. Sugiérase una razón para esta observación. ¿Dónde se esperaría encontrar la glutamina, la glicina y la alanina?

2. Las proteínas que sintetizan los seres vivos adoptan una conformación con actividad biológica, pero cuando estas proteínas se preparan en el laboratorio normalmente no suelen adoptar de forma espontánea sus conformaciones activas. ¿Por qué?

3. El sitio activo de una enzima contiene secuencias que están conservadas debido a que participan en la actividad catalítica de la proteína. Sin embargo, el volumen de una enzima no es parte del sitio activo. Debido a que se requiere una cantidad sustancial de energía para ensamblar las enzimas, ¿por qué son usualmente tan grandes?

4. Una proteína estructural puede incorporar cantidades grandes de agua inmovilizada como parte de su estructura. Sugiérase de qué forma “congelan” el agua las moléculas proteínicas en un lugar y la hacen parte de la estructura proteínica.

5. Debido a su tendencia a evitar al agua, los aminoácidos apolares desempeñan una función importante en la formación y en el mantenimiento de la estructura tridimensional de las proteínas. Sugiérase cómo realizan dichas moléculas esta hazaña.

6. Considérese el siguiente tripéptido:

   Gly—Ala—Val

   1. ¿Cuál es el punto isoeléctrico aproximado?

   2. ¿En qué dirección se moverá el tripéptido cuando se coloque en un campo eléctrico a pH 1, 5, 10 y 12?

7. Cuando la proteína multifuncional gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPD) cataliza una reacción clave en la glucólisis (una vía metabólica del citoplasma), lo hace como un homotetrámero (con cuatro subunidades idénticas). El monómero GAPD es una enzima de reparación del DNA nuclear. Descríbanse en términos generales las propiedades de la estructura de las proteínas multifuncionales que permiten que ocurra este fenómeno.

8. Dada la siguiente secuencia de un decapéptido, ¿cuáles aminoácidos se esperaría que estuvieran en la superficie de esta molécula una vez que se plegara en su conformación nativa?

   Gly—Phe—Tyr—Asn—Tyr—Met—Ser—His—Val—Leu

9. La endorfina β, un péptido opiáceo, es secretada por el lóbulo anterior de la hipófisis (una glándula situada en la base del encéfalo de los mamíferos) en respuesta a estrés o a dolor. Como en el caso de otras moléculas señal, los efectos de la endorfina β en su tejido diana (las neuronas) se producen cuando se une a su receptor. En términos generales, esbócese el proceso por el cual podría aislarse y caracterizar la estructura del receptor de la endorfina.

1

Los aminoácidos a y b son neutros, no polares, c es básico y d es un aminoácido ácido.

2

Las bacterias con polipéptidos de superficie formados con d-aminoácidos son resistentes a la degradación porque las proteasas, las enzimas que las células del sistema inmunitario utilizan para degradar las proteínas de las células ajenas, sólo pueden catalizar la hidrólisis de enlaces peptídicos entre l-aminoácidos. En otras palabras, los sitios activos de las proteasas son estereoespecíficos; es decir, sólo pueden unirse con efectividad a péptidos formados por l-aminoácidos.

3

El punto isoeléctrico para el tripéptido valilcisteiniltriptófano se calcula de la siguiente manera: los valores de pKa son (1) grupo valil amino = 2.32; (2) grupo carboxilo triptófano = 9.39, y (3) cadena lateral cisteína = 8.33. La especie eléctricamente neutra de este tripéptido contendría un grupo amino con carga positiva y un grupo carboxilato con carga negativa. El pI se calcula con la suma de los valores de pKa de los grupos amino y carboxilato para luego dividir entre dos; o sea, 2.32 + 9.39/2 = 5.86. Como el pK_R para la cadena lateral cisteinilo está a más de dos unidades de pH del pI, se mantiene casi sin carga.

4

La estructura del disulfuro de cisteína-penicilamina es:

5

La estructura completa de la oxitocina es:

A pH 4 el grupo amino terminal de la glicina estará protonado para dar a la molécula una carga +1. El punto isoeléctrico de la oxitocina es 5.6. Por lo tanto, a pH 9 la molécula tendrá una carga neta negativa.

6

La superposición parcial de las propiedades biológicas de la vasopresina y de la oxitocina puede explicarse en parte por el residuo Ile en la posición 3 de la oxitocina. Se supone que dadas las semejanzas generales de tamaño y la naturaleza idéntica de seis de los ocho aminoácidos de las dos moléculas, la cadena lateral hidrófoba de esta Ile puede alcanzar el sitio hidrófobo del receptor de vasopresina y embonar parcialmente en él. El grado de superposición funcional entre los dos péptidos es reducido por el residuo leucina en la posición 8 de la oxitocina, porque la cadena lateral de este residuo no sólo es neutra sino también es menor que el residuo de arginina con carga positiva de la vasopresina. Si el residuo de arginina de la vasopresina es sustituido por un residuo de lisina, se espera que ocurra un decremento en las propiedades de unión de la molécula debido a las diferencias estructurales entre las dos cadenas laterales. Es probable que este decremento no sea grande, dado que las cadenas laterales son similares en longitud y ambas tienen carga positiva.

7

El rasgo es recesivo y para que la enfermedad se exprese en su totalidad se requieren dos copias del gen aberrante. La primaquina induce la producción de cantidades excesivas del fuerte agente oxidante peróxido de hidrógeno. En ausencia de cantidades suficientes del agente reductor NADPH, las moléculas de peróxido producen un gran daño a la célula. No debe causar sorpresa, puesto que en concentraciones superiores a las normales en las células sanguíneas es dañino para el parásito palúdico, y experimenta selección evolutiva en regiones geográficas con paludismo.

8

La solución para las dos primeras ilustraciones es:

La solución para la tercera ilustración es:

Esta proteína es un ejemplo de una estructura en barril.

9

10

El colágeno es una proteína estructural fundamental del tejido conjuntivo. Por consiguiente, cuando las moléculas de colágeno no se forman de modo correcto estos tejidos se debilitan y ocurren diversos síntomas; entre ellos, cataratas, deformación fácil de los huesos, fragilidad de los vasos sanguíneos y rotura de tendones y de ligamentos.

11

El BPG estabiliza la desoxihemoglobina. En ausencia de BPG, se forma con mayor facilidad oxihemoglobina. La hemoglobina fetal se une poco al BPG y, por lo tanto, tiene mayor afinidad por el oxígeno.

12

La mioglobina, formada por un solo polipéptido, se une al oxígeno con un patrón simple: se une a la molécula con firmeza y la libera sólo cuando la concentración de oxígeno de la célula es muy baja. La unión del oxígeno por parte de la hemoglobina, un tetrámero, tiene un patrón sigmoideo más complicado que es posible gracias a las interacciones no covalentes entre sus cuatro subunidades.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

3

1. metaloproteína: proteína que contiene iones metálicos

2. hormona: moléculas de señalización química producidas en una célula que regulan la función de otras células

3. holoproteína: una proteína que se combina con su grupo prostético

4. proteína sin estructura intrínseca: una proteína con falta parcial o total de estructura ordenada

5. cinesina: proteína motora que desplaza vesículas y organelos sobre microtúbulos

6

1. aldimina: bases de Schiff formadas por un grupo amino que reacciona con un grupo aldehído

2. proteína de choque térmico: un grupo de proteínas conservadas que ayuda al plegamiento de proteínas mediante la prevención de interacciones inapropiadas entre proteínas

3. proteína multifuncional: una proteína con varias funciones, a menudo no relacionadas

4. familia proteínica: formada por moléculas de proteínas relacionadas por su similitud en la secuencia de aminoácidos

5. superfamilia de proteínas: proteínas con una relación más distante

9

1. puente salino: enlaces no covalentes que se forman entre grupos iónicos de carga opuesta

2. oligómero: proteínas con múltiples subunidades

3. transición alostérica: cambios en la conformación inducida por un ligando

4. desnaturalización proteínica: el proceso de interrupción estructural de una proteína

5. molécula anfipática: una molécula que tiene componentes hidrófobos e hidrófilos

13

El nombre de la molécula es cisteinilgliciltirosina. Su estructura abreviada es:

16

1. La secuencia de aminoácidos es la estructura primaria de un polipéptido.

2. Una hoja β plegada es un tipo de estructura secundaria.

3. Los puentes de hidrógeno dentro y entre las cadenas entre grupos N–H, y los grupos carbonilo de los enlaces peptídicos son la característica principal de una estructura secundaria. Los puentes de hidrógeno formados entre las cadenas laterales polares son importantes en la estructura terciaria y cuaternaria.

4. Los enlaces disulfuro son enlaces covalentes fuertes que contribuyen a la estructura terciaria y cuaternaria.

19

1. calor: puente de hidrógeno (estructura secundaria y terciaria)

2. ácido fuerte: puentes de hidrógeno (estructura secundaria y terciaria) y puentes salinos (estructura secundaria y terciaria)

3. solución salina saturada: puentes salinos (estructura terciaria)

4. solventes orgánicos: interacciones hidrófobas (estructura terciaria)

22

El primer paso en el aislamiento de una proteína específica es el desarrollo de una prueba que permita al investigador detectarla durante el protocolo de purificación. A continuación, la proteína y otras sustancias se liberan del tejido fuente mediante la rotura y homogeneización de las células. Las técnicas de purificación preliminar incluyen el tratamiento con sal, en el que se usan grandes cantidades de sal para inducir la precipitación de las proteínas, y diálisis, en la que se retiran las sales y otro material de peso molecular bajo. Los métodos de purificación adicional, que se adaptan a cada objetivo de investigación a criterio del investigador, incluyen varios tipos de cromatografía y electroforesis. Tres métodos cromatográficos son: cromatografía por intercambio de iones, cromatografía por filtración en gel y cromatografía por afinidad. La electroforesis en gel puede usarse para purificar una proteína y para valorar la pureza de una proteína.

24

La principal fuerza impulsora en el plegamiento de las proteínas es el requerimiento para alcanzar un estado de baja energía a pesar del descenso en la entropía que ocurre cuando la estructura tridimensional de la proteína se vuelve más ordenada. Las consideraciones clave incluyen la energía relacionada con los distintos ángulos de enlace y la rotación de los enlaces; las propiedades químicas de las cadenas laterales de los aminoácidos (p. ej., si la cadena lateral tiene carga eléctrica o no en el pH celular); y las interacciones entre las cadenas laterales. De las interacciones no covalentes posibles, las interacciones hidrófobas tienen importancia particular. (Recuerde que las interacciones hidrófobas están impulsadas en parte por el aumento de la entropía en las moléculas de agua circundantes.)

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

28

El gran tamaño de las enzimas es necesario para estabilizar la forma y las propiedades funcionales del sitio activo y protegerlo de las moléculas extrañas. Además, las características estructurales de la proteína pueden participar en los procesos de reconocimiento, en la señalización o en la unión a estructuras celulares.

30

Las cadenas laterales hidrófobas de aminoácidos son repelidas por el agua y tienden a agruparse entre sí. Esta compactación mantiene partes de los polipéptidos en una conformación específica.