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PROTEÍNAS

En 1838 el Químico holandés Gerardus Johannes Mulder (1802–1880) denominó “proteínas” a este grupo de sustancias; estableció que “la palabra proteína se refería a un

compuesto que estaba en el origen de sustancias muy distintas y, por tanto, podía ser considerado como un compuesto primario”. La palabra “proteína” proviene del griego PROTOS = primero, sustancia original de la que están hechos los seres vivos. Emil Fischer (1852–1919), premio Nobel de Química en 1902, descubrió el enlace peptídico. Las proteínas son los componentes orgánicos más importantes de las células animales, constituyendo alrededor del 50% de su peso seco. Estas macromoléculas se emplean como componentes estructurales de las células y tejidos, intervienen en todos los aspectos de la estructura y función celular. Asimismo, son de principal importancia en la nutrición humana y animal. Están ampliamente distribuidas en los alimentos de origen animal y vegetal (carnes rojas, cereales, leche y productos lácteos, aves, huevos, pescado, legumbres, nueces, frutos secos, etc.)

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Las proteínas se encuentran entre los nutrientes más importantes, junto con los lípidos y los carbohidratos. Además de su función energética (1 g de proteína proporciona 4,1 Kcal al organismo), dada su naturaleza nitrogenada, son necesarias para la síntesis de compuestos propios del organismo implicados en la estructura de las membranas junto con los lípidos, como glicoproteínas en funciones de lubricación y como nucleídos que posibilitan la síntesis de las proteínas propias del organismo, así como la formación de los cromosomas y la división celular. Se estima que el ser humano tiene unas 30.000 proteínas distintas. Los seres vivos utilizan a las proteínas como materia prima para su desarrollo y control de los procesos químicos propios del metabolismo. La ingestión adecuada de proteínas favorece, entre otras cosas, la formación de musculatura, dientes, pelo, uñas, sangre, la oxigenación de las células, transporte de desechos del metabolismo, etc. Las proteínas son las biomoléculas con mayor número de funciones en el organismo.

I. CONCEPTO.- Son polímeros lineales de aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos,

de elevado peso molecular; contienen C, H, O, N y en algunos casos S, P y I. En la molécula de proteína los aminoácidos se unen siguiendo un orden específico. La composición elemental de la mayoría de las proteínas es la siguiente: C = 50% H = 6 – 8% O = 20 – 23% N = 15 – 18% S = 0 – 4% Una proteína está constituida a menudo por varias cadenas polipeptídicas unidas entre sí por ENLACES NO PEPTÍDICOS.

II. IMPORTANCIA BIOLÓGICA.-

Las proteínas constituyen alrededor del 50% del peso seco de los tejidos y no existe proceso biológico alguno que no dependa de la participación de este tipo de sustancias.

En función de la cantidad de aminoácidos esenciales (Isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina), se establece la calidad de los distintos tipos de proteínas. Aquellas que contienen cantidades suficientes de cada uno de los aminoácidos esenciales son proteínas de alto valor biológico y, cuando falta un aminoácido esencial, el valor biológico de esa proteína disminuye.

El organismo no puede sintetizar proteínas si tan sólo faltara un aminoácido esencial. Todos los aminoácidos esenciales se encuentran presentes en las proteínas de origen animal (huevo, carnes, pescados y lácteos), por tanto, estas proteínas son de mejor calidad o de mayor valor biológico que las de origen vegetal (legumbres, cereales y frutos secos), deficitarias en uno o más de esos aminoácidos

Son los elementos que definen la identidad de cada ser vivo, ya que son la base de la estructura del código genético (ADN) y de los sistemas de reconocimiento de organismos extraños en el sistema inmunitario.

Las proteínas desempeñan un papel fundamental en los seres vivos y son las biomoléculas más versátiles y más diversas.

Importantes en los mecanismos de defensa que involucran las γ–globulinas de la sangre y en la coagulación sanguínea mediante la protrombina y el fibrinógeno.

En la regulación del metabolismo por hormonas como el glucagón y la insulina.

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III. ESTRUCTURA.-

3.1 Estructura Primaria.- Está constituida por la sucesión de aminoácidos unidos

por enlaces peptídicos que constituyen la base de la estructura, pero no son los únicos, porque existen cadenas polipeptídicas unidas entre sí por enlaces secundarios como puentes de H, puentes disulfuro (S–S), etc. La estructura primaria indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte. Ejm.: Ribonucleasa (consta de una cadena de 124 aminoácidos); Insulina de buey (tiene 2 cadenas: A con 21 aminoácidos y B con 30 aminoácidos).

3.2 Estructura Secundaria.- Corresponde a la disposición de la secuencia de los

aminoácidos en el espacio. Se refiere a la disposición espacial que adopta la cadena peptídica a medida que se sintetiza en los ribosomas. La cadena no es plana; el polipéptido posee una estructura helicoidal o de α-hélice, con enlaces de H o disulfuro. La estructura es estable debido al gran número de enlaces de H entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos. La forma de la cadena varía según la naturaleza de la proteína. Pauling y Corey han establecido que la mayor parte de las proteínas tienen una estructura de α–hélice como el colágeno y elastina.

Configuración de α -hélice

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Algunas proteínas fibrosas tienen configuración β, que es una estructura en forma de hoja

plegada formando un cierto ángulo como sucede en la β–queratina. En esta configuración

β, los aminoácidos no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag, denominada

disposición en lámina plegada.

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3.3 Estructura Terciaria.- Está representada por los súper plegamientos y

enrollamientos de la estructura secundaria, constituyendo formas tridimensionales geométricas muy complicadas que se mantienen por enlaces fuertes (puentes disulfuro entre dos cisteinas) y otros débiles (puentes de H; fuerzas de Van der Waals; interacciones iónicas e interacciones hidrofóbicas), originando una conformación globular, lo cual facilita la solubilidad en agua. Ejm.: escleroproteínas, ubiquitina, globulinas.

3.3 Estructura Cuaternaria.- Son proteínas complejas en la que existe una

organización de dos o más cadenas de polipéptidos que forman una proteína de muchas sub-unidades (protémeros) unidas por enlaces débiles; a éstas se les llama proteínas oligoméricas. En esta estructura se unen, mediante enlaces débiles, varias

cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, a muchos como la cápside del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades proteicas. Otros ejemplos son los siguientes: a) Fosforilasa: tiene 2 sub-unidades idénticas, las cuales son inactivas por separado.

Tiene estructura cuaternaria homogénea.

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b) Hemoglobina: proteína oligomérica con estructura cuaternaria heterogénea;

posee dos protómeros idénticos con cadena α y dos protómeros idénticos con cadena β. Las cuatro cadenas se adaptan conjuntamente y luego adoptan una disposición aproximadamente tetraédrica para constituir la estructura cuaternaria.

c) Triptófano sintetasa: La unidad biológicamente activa es un hetero-tetrámero

compuesto de dos subunidades α y dos subunidades β, cataliza la biosíntesis del triptófano.

d) Hexoquinasa: es la enzima de la levadura, posee dos protómeros.

Izq.: Estructura de la hemoglobina. Las subunidades proteicas se encuentran señaladas en rojo y azul, y

los grupos hemo de hierro en verde. Der.: estructura de la hemoglobina mostrando los protómeros de

cadena α y β.

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Cambio conformacional de la Hexoquinasa de levadura al catalizar

su reacción. La flecha muestra el sitio activo.

e) Lactato deshidrogenasa (LDH, deshidrogenasa láctica): formada por la

asociación de cinco cadenas peptídicas, su presencia es mayor en el corazón, hígado, riñones, músculos, glóbulos rojos, cerebro y pulmones.

Estructura de las proteínas (esquema global)

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IV. CLASIFICACIÓN.- Existe una gran diversidad de proteínas, por ello existen

diversos criterios para clasificarlas: 4.1 En función a la solubilidad (criterio físico):

a) ALBUMINAS: son solubles en agua o en soluciones salinas diluidas; se coagulan con calor y precipitan en soluciones salinas saturadas. Contienen abundante azufre. Las más importantes se encuentran en la clara de huevo (ovoalbúmina), en el suero de la sangre (seroalbúmina) y en la leche (lactoalbúmina).

Molécula de albúmina albergando seis ácidos palmíticos

b) GLOBULINAS: insolubles en agua pero solubles en soluciones salinas diluidas como cloruro de sodio; pueden ser de origen vegetal o animal, se encuentran en los tejidos blandos animales y en la sangre; en frutos y semillas. Ejm: seroglobulinas (sangre), ovoglobulina, inmunoglobulinas, globulina fijadora de corticosteroides.

Molécula de globulina fijadora de corticosteroides (Transcortina)

c) PROLAMINAS: insolubles en agua y alcohol absoluto, solubles en solución acuosa

alcohólica (70 a 80%). Son de origen vegetal. Ejm.: zeína (maíz), gliadina (trigo), hordeína (cebada).

d) GLUTELINAS: Solubles en ácidos y bases diluidos, insolubles en agua y soluciones salinas diluidas. De origen vegetal. Ejm.: glutenina (trigo), orizanina (arroz).

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e) HISTONAS: solubles en agua y ácidos diluidos, presentan reacción alcalina; se

encuentran en el núcleo de las células eucariotas, en timo, páncreas, riñones, leucocitos, etc. Son las proteínas responsables del empaquetamiento del ADN, forman parte de alrededor de la mitad de la masa de la cromatina. Hay 5 clases principales de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4, todas ellas contienen una gran cantidad de residuos cargados positivamente (Arg y Lys). Contienen azufre.

Estructura molecular de una Histona

d) PROTAMINAS: son proteínas básicas (por su contenido en ARG y LIS), no se

encuentran libres sino unidas a ácidos nucleicos (nucleoproteínas) y sólo se detectan

en el núcleo celular. Se encuentran en los fluidos seminales; son solubles en agua y

amoniaco diluido, fácilmente cristalizables, de peso molecular menor que las histonas.

4.2 En función a su composición (criterio químico):

a) PROTEÍNAS SIMPLES (holoproteínas) : formadas sólo por aminoácidos. Ejm.: albúminas, ubiquitina (proteasa intracelular formada por 53 aminoácidos).

b) PROTEÍNAS CONJUGADAS (heteroproteínas): contienen, además de la cadena polipeptídica, un componente no aminoacídico, orgánico o inorgánico llamado grupo prostético, que puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o simplemente un ión inorgánico. De acuerdo a la naturaleza del grupo prostético se subdividen en:

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Glucoproteínas: son heterosacáridos nitrogenados, se les llama también

mucopolisacáridos. Ejm.: mucinas (saliva) protegen y lubrican la mucosa gástrica; hormonas anterohipofisiarias.

Nucleoproteínas: tienen ácidos nucleicos como grupo prostético. La más antiguamente conocida es la del timo; otras se encuentran en el páncreas, el bazo, los riñones, la levadura de cerveza, etc., otra nucleoproteína es la ribonucleasa. Los virus están constituidos en parte por nucleoproteínas.

Fosfoproteínas: Su grupo prostético es el ácido fosfórico combinado con el

hidroxilo de algunos aminoácidos que lo contienen, en especial la serina. No se coagulan por efecto del calor, pero sí por el de los ácidos. Se encuentran entre ellas la caseína de la leche y la vitelina de la yema de huevo.

Lipoproteínas: tienen lípidos como grupo prostético. Ejm.: lipoproteínas del

plasma. Porfirinoproteínas: Contienen un metal (hierro, magnesio, cobre, etc.) al que

deben sus colores característicos. Están unidos a un grupo prostético y constituyen los pigmentos respiratorios de los animales y vegetales. Ejm.: Hemoglobina (Fe), Mioglobina (hemo), clorofiloproteína (Mg) y ciertas enzimas como los citocromos (citocromo a que contiene Cu, citocromo b con un grupo hierro-protoporfirina y citocromo c con un grupo hemo).

Citocromo C Esquema tridimensional de la mioglobina. El círculo rojo corresponde a un grupo hemo

Estructura básica de las hemoproteínas o cromoproteínas

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4.3 En función a su forma molecular: a) Proteínas Globulares.- presentan una estructura mas o menos esférica y compacta.

Pertenecen a este grupo las prolaminas, gluteninas, albúminas, insulina, prolactina, hidrolasas, oxidasas, transferasas.

b) Proteínas Fibrosas o Fibrilares.- son proteínas resistentes y en su mayoría

insolubles en agua. Pertenecen a este grupo las siguientes: fibrinógeno, miosina, actina, troponina y tropomiosina; colágeno, queratina, fibroína.

V. FUNCIONES.- de acuerdo con su función biológica:

5.1 Proteínas estructurales: Forman parte de células y tejidos a los que confieren apoyo, fuerza y protección estructural. Otras confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos. Dentro de estas podemos citar, el colágeno que tiene una resistencia a la tensión muy alta, se encuentra en tendones y cartílago, el cuero es colágeno casi puro; la elastina presente en el tejido conectivo de los vertebrados, es capaz de extenderse en dos dimensiones; la queratina de la piel, pelo y uñas; la espectrina presente en la membrana de los eritrocitos. Las arañas y los gusanos de seda segregan fibroína para fabricar las telas de araña y los capullos de seda respectivamente. Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la expresión de los genes.

Fibroína vista al microscopio electrónico

5.2 Proteínas de transporte: Como su nombre lo indica, transportan sustancias o biomoléculas tanto en el interior como en el exterior de la célula, se encuentran en el plasma sanguíneo o en músculos. Ejemplo: hemoglobina que capta oxígeno y lo transporta a los tejidos de los vertebrados; mioglobina transporta oxígeno en los músculos; lipoproteínas que transportan lípidos desde el hígado a otros tejidos; hemocianina transporta oxígeno en la sangre de los invertebrados.

Molécula de hemocianina

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5.3 Proteínas de defensa: Protegen al organismo contra posibles ataques de agentes

extraños, entre las que se consideran los anticuerpos (inmunoglobulinas) de la fracción gamma globulínica de la sangre; las proteínas denominadas interferones cuya función es inhibir la proliferación de virus en células infectadas e inducir resistencia a la infección viral en otras células; el fibrinógeno y la trombina de la sangre importantes en el proceso de coagulación; las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas.

5.4 Proteínas hormonales: Algunas proteínas colaboran en la regulación de la actividad

celular o fisiológica. Se sintetizan en un tipo particular de células pero su acción la ejercen en otro tipo. Ejemplo, la insulina y glucagón que regulan el metabolismo de la glucosa; la somatotropina que es la hormona del crecimiento; la calcitonina que

regula el metabolismo del calcio. Otras proteínas regulan la expresión de ciertos genes, participando en los procesos genéticos a través de las nucleoproteínas y las ciclinas.

Molécula de somatotropina

5.5 Proteínas catalíticas o enzimas: Permiten aumentar la velocidad de las reacciones metabólicas. Casi todas las reacciones químicas de las biomoléculas orgánicas en las células están catalizadas por enzimas. Dentro de las células son variadas y se encuentran en cantidad considerable para satisfacer adecuadamente sus necesidades. La gran mayoría de proteínas son enzimas. Ejemplo: proteasas, lipasas, amilasas, fosfatasas, etc.

5.6 Proteínas contráctiles: Son proteínas capaces de modificar su forma, dando la

posibilidad a las células o tejidos que estén constituyendo de desplazarse, contraerse, relajarse, razón por la cual se encuentran implicadas en los diferentes mecanismos de motilidad. Las proteínas más conocidas de este grupo son la actina y la miosina en el tejido muscular; tubulina y dineina en los microtúbulos de los flagelos y cilios.

Molécula de tubulina

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5.7 Proteínas de nutrición y reserva: necesarias para el crecimiento del embrión en las semillas como las de trigo, maíz, arroz, etc. Ejemplo: ovoalbúmina y caseína (proteínas nutritivas); gliadina y hordeína (sirven como reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión; ferritina (almacena Fe en los tejidos animales).

Molécula de ferritina

5.8 Proteínas de transferencia de electrones: Son proteínas integrales de membrana,

comunes en las mitocondrias y cloroplastos cuya función se basa en el transporte de electrones desde un donador inicial hasta un aceptor final con liberación y aprovechamiento de energía. Como ejemplo se citan a los Citocromos que forman parte de la cadena respiratoria.

5.9 Existen otras proteínas cuyas funciones son más bien exóticas, como las proteínas

anticongelantes que se encuentran en el plasma sanguíneo de los peces antárticos y

que protegen a la sangre del peligro de congelación. Son producidas por algunos animales, insectos, plantas y bacterias que les permiten sobrevivir en ambientes a temperaturas bajo cero. La monelina, es una proteína extraída del fruto de Doscoreophylium camensi (baya de Nigeria), planta trepadora que se encuentra en África y Madagascar, en zonas forestales. El poder edulcorante de la monelina es aproximadamente 2,000 veces el de la sacarosa. Las temperaturas elevadas mayores a los 70°C, los pH extremos y el frío ocasionan una descomposición y pérdida del poder edulcorante. La Resilina, es una proteína que se encuentra en las alas de los

insectos, posee propiedades elásticas casi perfectas.

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VI. DESNATURALIZACIÓN Y RENATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.- La desnaturalización de una proteína se refiere a la ruptura de los enlaces débiles (puentes de H, enlaces hidrófobos y electrostáticos) que mantenían sus estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria, conservándose solamente la primaria, la molécula se desordena. En estos casos las proteínas se transforman en filamentos lineales y delgados que se entrelazan hasta formar compuestos fibrosos e insolubles en agua, la desnaturalización va acompañada de una precipitación de la proteína y hace que ésta pierda sus propiedades biológicas, como la actividad enzimática por ejemplo. Los agentes que pueden desnaturalizar a una proteína pueden ser: calor excesivo; radiaciones; sustancias que modifican el pH; agitación molecular; ácidos, bases, detergentes, disolventes orgánicos, urea, etc. El efecto más visible de este fenómeno es que las proteínas se hacen menos solubles o insolubles y que pierden su actividad biológica. La mayor parte de las proteínas experimentan desnaturalización cuando se calientan entre 50 y 60ºC; otras se desnaturalizan también cuando se enfrían por debajo de los 10 a 15ºC. Por lo general la desnaturalización es irreversible pero en algunos casos puede ser

reversible y la proteína se renaturaliza (renaturalización) cuando se hace desaparecer

al agente desnaturalizante, recuperando su estructura nativa. Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aislamiento y purificación de proteínas.

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VII. ANÁLISIS Y CRITERIOS DE PUREZA DE LAS PROTEÍNAS.-

Se refiere a los métodos que permiten poner en evidencia o identificar las distintas proteínas presentes en una preparación biológica y demostrar que se puede obtener una proteína única. Se aplican los siguientes métodos: 7.1 Métodos Físicos:

Electroforesis de zona: separa las proteínas manifestándose por medio de bandas

coloreadas, se lleva cabo sobre acetato de celulosa o gel de poliacrilamida.

Electrofocalización: electroforesis de zona que emplea tampones; se usa una

mezcla que hace variar el pH en forma continua. La proteína se manifiesta sobre el gel de acuerdo a su pHi.

Centrifugación analítica: en donde una proteína única debe dar una cúspide

simétrica.

Cromatografía en columna: permite la separación de proteínas en una mezcla

biológica. 7.2 Métodos Inmunológicos:

Método de doble difusión: se manifiesta mediante líneas de precipitación, se

realiza en una placa de Petri con gel agar.

Inmunoelectroforesis: electroforesis que emplea antígenos.

Fases de una inmunoelectroforesis (IEF).

VIII. REACCIONES DE RECONOCIMIENTO DE LAS PROTEÍNAS.-

8.1 Reacción de Biuret:

El reactivo de Biuret está formado por una disolución de sulfato de cobre en medio alcalino, éste reconoce el enlace peptídico de las proteínas mediante la formación de un complejo entre los iones Cu2+ y los pares de electrones no compartidos del nitrógeno que forma parte de los enlaces peptídicos, lo que produce una coloración rojo-violeta.

8.2 Reacción de Millon: Reconoce residuos fenólicos, o sea aquellas proteínas que contengan tirosina. Las proteínas se precipitan por acción de los ácidos inorgánicos fuertes del reactivo, dando un precipitado blanco que se vuelve gradualmente rojo al calentar.

8.3 Reacción Xantoproteica: Reconoce grupos aromáticos, o sea aquellas proteínas que contengan tirosina o fenilalanina, con las cuales el ácido nítrico forma compuestos nitrados amarillos

Magaly Torres B.