BASE MOLECULAR DE LA VIDA (II).

4.PROTEÍNAS.      

Son biomoléculas  formadas por 20 monómeros diferentes llamados aminoácidos.

4.1 AMINOÁCIDOS PROTEICOS.

En las proteínas sólo se encuentran 20 aa diferentes: los aa proteicos. Están formados por un carbono central que se une a un grupo amino (-NH2), un grupo ácido (-COOH), un hidrógeno (-H) y una cadena lateral (R) variable. Como el carbono central es asimétrico, los aa tienen estereoisomería (enantiómeros D y L) y son ópticamente activos (dextrógiros y levógiros). En las proteínas sólo hay aa L. Son anfóteros, actúan como ácidos y como bases. Algunos aa o derivados intervienen en la comunicación celular, como neurotransmisores o como hormonas.

CLASIFICACIÓN:

Se clasifican según la polaridad de las cadenas R laterales:

⦁ Apolares: cadena R con grupos hidrófobos que se unen a otros por fuerzas de Van der Waals.

Pueden ser: alifáticos, R es alifática o aromáticos: R con anillos aromáticos.

⦁ Polares sin carga: R con grupos polares que pueden formar puentes de H.

⦁ Polares con carga ácidos: R tiene grupos carboxilo (aniones).

⦁ Polares con carga básicos: R tiene grupos amino (cationes).

4.2 NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.

La funcionalidad de las proteínas depende de su estructura tridimensional o espacial, la cual presenta cuatro niveles de organización:

ESTRUCTURA PRIMARIA:

Es la formada por la secuencia de aa, los cuales se unen por enlace peptídico, unión entre el amino de un aa y el carboxilo de otro, con pérdida de H2O. Se forma así un péptido (<10 aa),  polipéptido (<100 aa), proteína (>100 aa). Toda cadena peptídica tiene un extremo amino (N-terminal) por donde empieza y otro carboxilo (C-terminal), donde acaba. La estructura primaria viene así definida por el número, tipo y secuencia de los aa.Las cadenas peptídicas no pueden rotar alrededor del enlace peptídico, que tiene carácter de doble enlace. Por ello, los átomos del enlace peptídico están en un mismo plano y le da a la cadena un aspecto de placas planas articuladas.

ESTRUCTURA SECUNDARIA:

A medida que la cadena polipeptídica se sintetiza en los ribosomas, se va plegando para adquirir la estructura tridimensional más estable. Es este plegamiento intervienen proteínas llamadas chaperonas.La estructura secundaria es la conformación espacial de la cadena polipeptídica, unida por puentes de H entre los grupos –C=O de unos enlaces peptídicos y los –NH de otros enlaces.La estructura secundaria adopta una de dos estructuras:

⦁ Conformación α-hélice:La sucesión de aa de la estructura primaria se enrolla sobre sí misma en forma de hélice. Algunos aa desestabilizan la hélice debido a su tamaño, sus cargas o su estructura (prolina).

⦁ Hélice de colágeno:Es una variedad de estructura secundaria. Consiste en tres hélices levógiras enrolladas entre sí. Se produce por el gran número de aa prolina.

⦁ Conformación β-laminar:La cadena polipeptídica queda extendida y se pliega sobre sí misma, con fragmentos paralelos y antiparalelos enfrentados y unidos por puentes de H. Queda una lámina plegada en zigzag.

ESTRUCTURA TERCIARIA:

Estructura espacial definitiva de la proteína con regiones en α-hélice y β-laminar mezcladas. El resultado puede ser:

⦁ Proteínas fibrosas o filamentosas: Estructura simple, alargada, resistente e insoluble. Las cadenas R tienen pocos grupos polares y apenas intervienen. Colágeno, queratina, fibroína.

⦁ Proteínas globulares: Esferoidales, compactas y solubles. Como suelen estar en disolución, las cadenas laterales hidrófobas se sitúan al interior de la proteína y las polares al exterior, en contacto con el agua.

ESTRUCTURA CUATERNARIA:

Consiste en la asociación de varias cadenas polipeptídicas para formar una proteína compleja. La unión entre cadenas se da por enlaces débiles: puentes de H, fuerzas electrostáticas, fuerzas de Van der Waals y  puentes disulfuro.En proteínas fibrilares la unión forma complejos supramoleculares con forma alargada y función estructural: queratina, colágeno.En proteínas globulares la estructura cuaternaria la forman proteínas con estructura terciaria compleja.

⦁ Estructura 4ria y funcionalidad: La estructura 4ria es responsable de su actividad biológica. Dado que, en última instancia, toda estructura depende de la secuencia de aa, cualquier cambio en esta puede afectar a la funcionalidad.

⦁ Alosterismo: Algunas proteínas presentan dos tipos de estructura espacial, un estado activo y otro inactivo, debido a cambios conformacionales en respuesta a cambios de pH o de temperatura. El alosterismo es uno de los mecanismos más eficaces para regular la función de una proteína, activándola o inactivándola según las necesidades.

4.3 PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS.

ESPECIFICIDAD:

Las proteínas presentan una superficie o centro activo, formado por grupos funcionales de algunas cadenas laterales R que les permite interaccionar con otras moléculas. La actividad biológica de las proteínas se basa en la unión selectiva del centro activo con moléculas que encajan perfectamente en él,ya sean iguales o diferentes. Cualquier cambio en esta secuencia alterará la estructura tridimensional de la proteína y su funcionalidad.

SOLUBILIDAD:

Las proteínas globulares son solubles debido a sus cargas, que atraen al agua, formando una capa de solvatación.

DESNATURALIZACIÓN:

Es la pérdida de la conformación espacial, que conlleva la pérdida de funcionalidad. Las proteínas se convierten en filamentos fibrosos insolubles. Se produce en condiciones desfavorables, que  si duran poco tiempo o son poco intensas, la desnaturalización puede ser reversible y la proteína recuperar su estructura y función.

 4.4 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.

⦁ HOLOPROTEÍNAS:Formadas sólo por aa. Pueden ser
:
-Globulares: esféricas y solubles.Albúminas: función de reserva y transporte.Globulinas: incluyen las α y β globulinas (hemoglobina), y las γ-globulinas de los anticuerpos.

-Fibrosas o escleroproteínas: insolubles, estructurales: colágeno, queratina, elastina, fibroína.

⦁ HETEROPROTEÍNAS O PROTEÍNAS CONJUGADAS:Llevan un grupo proteico y una parte no proteica (grupo prostético).

-Glucoproteínas: glucoconjugados.

-Lipoproteínas: proteínas sanguíneas que transportan triglicéridos, colesterol y otros lípidos.

⦁ Cromoproteínas: el grupo prostético es una sustancia coloreada.De naturaleza porfirínica: grupo hemo de hemoglobinas. De naturaleza no porfirínica: sangre de invertebrados.

⦁ Otras heteroproteínas: fosfoproteínas (con ácido fosfórico) y nucleoproteínas (cromatina).

4.5  FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS.

⦁ Reserva: no suelen ser combustibles. Ovoalbúmina, caseína.

⦁ Estructural: una función típica. Glucoproteínas (membranas). Huso acromático y citoesqueleto. Histonas (estructura y regulación del ADN). Colágeno (tejido conjuntivo)

⦁ Homeostática: actúan como tampones o sistemas buffer, regulando el pH.

⦁ Portadoras de mensajes: hormonas, neurotransmisores.

⦁ Recepción y transmisión de señales: actúan como receptores de membrana. Se unen a una molécula portadora de un mensaje  y sufren un cambio que provoca una respuesta. Las señales pasan de las membranas al citoplasma por un sistema de transducción de señales.

⦁ Transporte: transporte a través de membranas, oxígeno, electrones y lípidos, fármacos y tóxicos.Destacan las lipoproteínas plasmáticas, que transportan lípidos en sangre:

-Quilomicrones: transportan triacilglicéridos y colesterol de la dieta, desde intestino a hígado.

-VLDL y LDL: transportan triacilglicéridos y colesterol sintetizados desde el hígado a los tejidos.

-HDL: transportan colesterol desde tejidos al hígado.

⦁ Defensa: coagulación, germicidas y anticuerpos
.
⦁ Contráctil: son los motores moleculares, proteínas que se desplazan por el citoesqueleto. Transportan orgánulo y vesículas.

⦁ Enzimática: las más numerosas y especializadas. Son biocatalizadores del metabolismo. Son específicas de las reacciones y sustratos que catalizan.

4.6 ENZIMAS, BIOCATALIZADORES.

Las enzimas aceleran las reacciones y no sufren modificaciones. La mayoría son proteínas, por lo que ejercen su función mediante  la unión selectiva a sustancias denominadas sustratos.La unión enzima-sustrato,produce cambios químicos en los sustratos, transformándose en productos.

ACTUACIÓN DE LAS ENZIMAS:

Las enzimas son las responsables del metabolismo, reacciones que permiten a los seres vivos obtener energía y materia para sus funciones. Los sustratos se transforman en productos mediante rutas metabólicas catabólicas y anabólicas. El sustrato ha de alcanzar un estado llamado estado de transición o estado activado. La energía necesaria para alcanzar este estado se denomina energía de activación.

COFACTORES: COENZIMAS Y VITAMINAS:

Algunas enzimas, llamadas holoenzimas no poseen la estructura necesaria para realizar su función. Para conseguirla han de unirse a otras moléculas no proteicas, los cofactores.

Holoenzima = apoenzima + cofactor

El cofactor puede ser:

⦁ Orgánico o metaloorgánico: unido por enlaces débiles o covalentes.Coenzimas: unidos por enlaces débiles y vitaminas hidrosolubles.Grupo prostético: unido por enlaces covalentes.

⦁ Iónico: iones minerales que moldean la enzima para darle la forma adecuada.

VITAMINAS:

Son sustancias de naturaleza variable, no sintetizables que deben tomarse en la dieta.Las vitaminas, se requieren en cantidades mínimas, lo que provoca avitaminosis o hipovitaminosis. El exceso provoca hipervitaminosis, que ocasiona efectos secundarios.Las vitaminas se clasifican en hidrosolubles (son coenzimas) y  liposolubles (sólo la K actúa como coenzima).

ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA:

Las enzimas son altamente específicas, pues poseen en su superficie una zona activa denominada centro catalítico que tiene una estructura apropiada para el sustrato,el cual modifica el centro catalítico para que ambos se acoplen.Las cadenas laterales R del centro catalítico crean las condiciones fisicoquímicas para que se produzca la reacción.

CINÉTICA ENZIMÁTICA:

Estudia la velocidad de actuación de las enzimas, mediante unidades de sustrato transformado o unidades de producto.

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA:

Los inhibidores disminuyen o anulan la velocidad enzimática y pueden ser:

⦁ Reversibles: la unión con el inhibidor es temporal. Hay tres tipos:

-Competitiva: el inhibidor compite con el sustrato por unirse al centro activo.

-No competitiva: el inhibidor se une en un lugar diferente del centro activo y lo modifica, impidiendo la unión del sustrato.

-Acompetitiva: el inhibidor se une al complejo E-S, impidiendo que se forme el producto.

⦁ Irreversible (venenos): la unión del inhibidor es permanente.

FACTORES QUE MODULAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA:

⦁ Variaciones de temperatura: el aumento de la temperatura altera la estructura tridimensional de la enzima, provocando que se desactive.

⦁ Cambios de pH: las variaciones de pH ocasionan alteración de cargas y cambios conformacionales. Existe un pH óptimo para cada enzima.

⦁ Alosterismo: las enzimas alostéricas presentan una forma activa y otra inactiva.

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN:

Las enzimas suelen nombrarse con un prefijo que indica el sustrato sobre el que actúan o la reacción que catalizan seguido del sufijo –asa.

5. ÁCIDOS NUCLEICOS.

Biomoléculas fibrilares no ramificadas, que contienen la información genética, en forma de genes.

Están formados por monómeros llamados nucleótidos, que a su vez, son moléculas complejas, formadas por 3 componentes:Una molécula de ácido fosfórico, un azúcar ciclada (que puede ser β-D-ribosa, en el ARN.β-D-desoxirribosa, en el ADN), y una base nitrogenada que puede ser de dos tipos: púricas, estructura con doble anillo. Son adenina (A) y guanina (G) ,y pirimidínicas, con un único anillo. Son citosina (C), timina (T) y uracilo (U).

NUCLEÓSIDOS:

Los nucleósidos resultan de la unión de la pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada (púrica o pirimidínica).Existen 2 tipos de nucleósidos:

⦁ Ribonucleósidos: contienen ribosa unida a A, G, C o U.

⦁ Desoxirribonucleósidos: contienen desoxirribosa unida a A, G, C o T.

NUCLEÓTIDOS:

Los nucleótidos resultan de la unión, mediante enlace éster, de un grupo fosfato al de la pentosa . Un nucleótido es un nucleósido fosforilado.Tipos de nucleótidos y funciones que desempeñan:

⦁ Enlaces “ricos en energía” con otros grupos fosfato: nucleótidos difosfato y trifosfato (ADP, ATP).

⦁ Un enlace éster intramolecular con el –OH en posición 3’, formando el AMP cíclico (AMPc): que actúa como segundo mensajero entre moléculas extracelulares e intracelulares.

⦁ Unión al grupo fosfato de otro nucleótido o de otra molécula, formando nucleótidos no nucleicos, que actúan como coenzimas.

⦁ Otro enlace éster con el –OH en posición 3’ de otro nucleótido, que se une a otro y así sucesivamente, dando cadenas de nucleótidos: ácidos nucleicos.

5.2 ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN).

Biopolímero lineal de desoxirribonucleótidos de A, G, C y T. En medio acuoso adopta una estructura tridimensional, pero sólo con conformación primaria y secundaria.

⦁ ESTRUCTURA 1RIA: secuencia de desoxirribonucleótidos-5’-monofosfato. Las uniones se realizan por enlace éster. La cadena transcurre en dirección 5’  3’. El grupo fosfato forma un puente fosfodiéster entre dos desoxirribosas. Cada polinucleótido tiene dos partes: un esqueleto de polidesoxirribosa-fosfato, común para todos los ADN, y una secuencia de bases nitrogenadas que diferencia unos ADN de otros.

⦁ ESTRUCTURA 2RIA: doble hélice formada por dos cadenas polinucleotídicas, enrolladas entre sí, enfrentadas por sus bases y unidas por puentes de H.

DESNATURALIZACIÓN DEL ADN.

Separación de las dos cadenas por rotura de los puentes de H, sin que se afecten los enlaces éster de cada cadena. Se produce por aumento de la temperatura (fusión), variación de pH o cambios iónicos. La desnaturalización es reversible, si dos cadenas son total o parcialmente complementarias, volverán a unirse (renaturalización).

5.3 OTROS NIVELES DE COMPLEJIDAD DEL ADN.

El ADN unido a proteínas puede alcanzar otros niveles de complejidad, así en procariotas, se une a unas pocas proteínas y se enrolla en una superhélice en forma de ochos.En eucariotas, para plegarse, se une a un gran número de proteínas llamadas histonas. La forma compacta adquirida se denomina cromatina (estructura muy compleja y ordenada).Durante la división celular, la cromatina se empaqueta aún más, formando los cromosomas.

5.4 ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN).

Biopolímero lineal de ribonucleótidos-5’-monofosfato, con uniones fosfodiéster 5’-3’ de ribonucleótidos.

⦁ El ARN lleva ribosa y  la base U, en lugar de T, frente a la A, mientras que el ADN, desoxirribosa.

⦁ El ARN suele tener sólo estructura primaria, aunque en ciertas regiones de la cadena puede aparecer complementariedad de las bases y formar una doble cadena (doble hélice).

⦁ Algunos ARN tienen actividad catalítica, es decir, son enzimas llamados ribozimas.

⦁ Para clasificar los ARN se mide sumasa molecular de forma indirecta mediante el coeficiente de sedimentación.

ARN MENSAJERO (ARNM):

Es una larga cadena polinucleotídica con estructura primaria.Existe una correspondencia entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aa de la proteína: el código genético.El ARNm es diferente en procariotas que poseen en el extremo 5’ un grupo trifosfato, y en eucariotas,en el extremo 5’ llevan una especie de caperuza (metil guanosina unida a un trifosfato). La información genética aparece fragmentada y el ARNm debe pasar un proceso de maduración para dar un ARNm funcional.

ARN NUCLEOLAR (ARNN):

Elevado peso molecular, con estructura terciaria en algunas regiones. Se sintetiza en el nucleolo y es un precursor de diferentes ARNr, que formarán las subunidades del ribosoma.

 ARN RIBOSÓMICO (ARNR):

Moléculas de tamaño variable, con estructura 2ria y 3ria en algunas regiones. Se unen a más de 60 proteínas para formar los ribosomas. Los diferentes ARNr le dan a los ribosomas la estructura apropiada para albergar al ARNm y a los aa unidos a ARNt para la síntesis de proteínas.

ARN DE TRANSFERENCIA (ARNT):

Moléculas pequeñas, con estructura 2ria y 3ria, que llevan los aa hasta los ribosomas para la síntesis proteica.Cada ARNt tiene regiones con bases complementarias, que se emparejan y adquieren estructura de doble hélice.La estructura 2ria del ARNt consta de:

⦁ Un brazo aceptor: formado por el extremo 5’ (G-P) y el 3’ con la secuencia CCA cuyo –OH terminal servirá de unión al aa correspondiente.

⦁ Un bucle o brazo TψC (TpsiC): lugar de reconocimiento del ribosoma.

⦁ Un bucle o brazo D: con una secuencia reconocida por una de las 20 enzimas aminoacil-ARNt sintetasas, que unen cada aa a su ARNt correspondiente.

⦁ El brazo anticodón, un bucle situado en el extremo del brazo largo. Contiene una secuencia de 3 bases llamada anticodón, que se une complementarias del ARNm que se lee en el ribosoma.
5.5 FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.

⦁ Replicación: el ADN se replica o duplica, haciendo copias de sí mismo. Se libera de las histonas y se sintetiza la complementaria de cada una. Así se forman dos copias idénticas para repartir a las células hijas en la división celular, pasando la información genética de generación en generación.

⦁ Almacenamiento de la información genética: contiene en secuencia de bases la información necesaria para sintetizar todas las proteínas de un organismo.

⦁ Transcripción: la información del ADN se transcribe al ARNm, gracias a la complementariedad de bases A=U y G≡C.

⦁ Traducción: el mensaje del ADN se convierte en proteínas. Los ribosomas leen el ARNm y fabrican una proteína con ayuda del ARNt que aporta los aa.

Fuentes: BIOGEO