martes, 8 de diciembre de 2009

Ácidos nucleicos III: el ARN, estructura y función

El ácido ribonucleico es un heteropolímero lineal no ramificado de ribonucleótidos, cada uno de los cuales está formado por una base nitrogenada (que puede ser adenina, citosina, guanina o uracilo), una molécula de ribosa y un grupo fosfato. Tiene tamaños muy variables, que van desde unas 80 bases a varios miles de ellas.

Una característica común a todos los ácidos ribonucleicos presentes en las células tanto procariotas como eucariotas es que son siempre de cadena simple, aunque pueden establecer uniones entre bases de la propia molécula para dar lugar a una estructura tridimensional característica.

En las células existen varios tipos de ARN diferentes, cada uno de los cuales tiene características propias:
  • El ARN ribosómico (ARNr) forma parte de los ribosomas. Incluye moléculas de diferentes tamaños, con estructuras tridimensionales complejas, que participan activamente en la síntesis de proteínas. Se supone que al menos algunos de ellos tienen funciones catalíticas en este proceso.
  • El ARN mensajero (ARNm) se forma en el núcleo, pero lo abandona para realizar sus funciones en el citoplasma. Su tamaño es bastante variable, y carece de estructura tridimensional definida; se une a los ribosomas para proporcionarles la información que necesitan para sintetizar proteínas.
  • El ARN transferente (ARNt) es un conjunto de moléculas de pequeño tamaño, aproximadamente unas 80 bases, todas ellas con una estructura tridimensional parecida (en hoja de trébol). Se encuentran en el citoplasma, y pueden estar unidos a un aminoácido por uno de sus extremos. Se unen temporalmente al ribosoma, para transferir el aminoácido que llevan unido a la proteína que se está sintetizando.
  • El ARN heteronuclear es una población heterogénea de ácidos ribonucleicos, que incluye todas las moléculas de este tipo de compuestos recién sintetizadas, y que se encuentran en el núcleo de las células eucariotas. Es el precursor del resto de los tipos de ácido ribonucleico.
ARN mensajero

Los ARN mensajeros que se encuentran en la célula son siempre moléculas lineales, sin estructura secundaria. Su función consiste en llevar la información genética que codifica para la síntesis de proteínas.

Existe un ARN mensajero distinto para cada tipo de proteína que se produce en la célula. Cada molécula de ARN mensajero recoge la información de un solo gen, y en general incluye la información para una única proteína. El tamaño de las moléculas de ARN mensajero es muy diferente, según el tamaño de la proteína que codifiquen.

ARN ribosómico

Los ribosomas son cuerpos nucleoprotéicos, es decir, estructuras formadas por una combinación de proteínas y ácidos ribonucleicos formados por dos subunidades que pueden unirse o separarse en función de su actividad. Cada una de estas subunidades está formada, a su vez, por varios tipos de proteínas y varias moléculas distintas de ácido ribonucleico.


Cada tipo de ARN ribosómico presenta una estructura tridimensional diferente, relacionada con la función que realiza, igual que ocurre con las proteínas. En el establecimiento de dicha estructura espacial juegan un importante papel los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre bases de la misma cadena, según el principio de complementariedad de bases.

ARN transferente

Los ARN transferentes son una población de moléculas de pequeño tamaño que se encuentran en el citoplasma de la célula. En total hay 61 tipos de ARNt (cifra que tiene importancia en el proceso de síntesis de proteínas). En la célula, los ARNt pueden encontrarse en dos formas: unidos o no unidos a un aminoácido. Su función en la síntesis de proteínas consiste, precisamente, en "transferir" ese aminoácido a la cadena de proteína que se está formando, de acuerdo con la secuencia del ARN mensajero que se lee en cada momento.

Todos los ARN transferentes tienen una estructura secundaria similar, llamada en "hoja de trébol", que da lugar a una estructura terciaria similar a una "L".


Dentro de la estructura del ARNt hay dos zonas que tienen una importancia fundamental en el proceso de síntesis de proteínas: el brazo anticodon, que "lee" la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero con información suficiente para indicar el aminoácido que debe incorporarse a la proteína, y el brazo aminoacil, la zona por donde se une dicho aminoácido al ARNt.


Papel biológico del ARN

En la célula, el ADN se encarga de almacenar y transmitir la información genética, necesaria para llevar a cabo la síntesis de las proteínas que la célula utiliza en cada momento y para controlar todos los procesos biológicos. El ARN tiene un papel central en el proceso de plasmación de la información almacenada en el ADN, actuando en todos los procesos que permiten construir una proteína a partir de la información contenida en el ADN.
  • El ARN mensajero traslada la información de un gen concreto desde el ADN hasta el ribosoma. La célula no lee simultáneamente toda la información que posee, sino solo la que corresponde a las proteínas que necesita en cada momento. Ese fragmento de información (gen) se copia en una molécula de ARN, en un proceso que se denomina transcripción. Luego, la molécula de ARN mensajero se traslada hasta el ribosoma, donde su información va a ser leída y utilizada para sintetizar una proteína.
  • El ribosoma "lee" la información presente en el ARN mensajero, y en función de la misma sintetiza una cadena de aminoácidos (proteína). Para ello, hace corresponder cada elemento de información del ARN mensajero con el aminoácido que codifica, y luego los une secuencialmente para formar la proteína. El ARN ribosómico juega, en este proceso, un doble papel: estructural, ya que contribuye a dar la forma adecuada al ribosoma, y catalítico, porque se sabe que ocupa el sitio catalítico de esta estructura.
  • En cuanto al ARN transferente, se encarga de "traducir" la información contenida, en forma de secuencia de nucleótidos, en el ARN mensajero en los aminoácidos correspondiente. Dicha traducción se hace "palabra por palabra", es decir, cada grupo de nucleótidos equivale directamente a un aminoácido, y el ARN transferente hace de intermediario entre ambas secuencias, relacionándolas entre sí. Cada uno de los tipos de ARN transferente presentes en la célula corresponde a un elemento de información de los ácidos nucleicos, concretamente a tres bases (conjunto que se denomina codón), cantidad de información mínima necesaria para permitir el uso de los veinte aminoácidos presentes en las proteínas. Las bases del brazo anticodón de cada ARNt son diferentes, y complementan a los diferentes codones del ARNm. Los tres anticodones que faltan (hay 64 codones posibles) corresponden a la señal de finalización de la proteína. El sitio de unión a los aminoácidos sirve para incluir cada aminoácido en su lugar correspondiente en la proteína. Cada secuencia del brazo anticodón equivale a un único aminoácido. Esta equivalencia constituye el código genético.


Ácidos nucleicos II: El ADN, estructura y función

Desde hace bastante tiempo se sabe que el ácido desoxirribonucleico (ADN) presente en todas las células es la molécula responsable del almacenamiento y utilización, por parte de la célula, de la información que ésta necesita utilizar para llevar a cabo todos los procesos químicos que, conjunta y coordinadamente, constituyen la vida. Esto ha hecho que, desde principios del siglo XX, haya existido una considerable preocupación por el conocimiento detallado de las características de esta molécula: su composición, su estructura y, especialmente, el modo en que dicha estructura contribuye al desarrollo de su función biológica.

Sabemos ahora que, desde el punto de vista de su naturaleza química el ADN es un heteropolímero lineal no ramificado de desoxirribonucleótidos. Es un heteropolímero porque está formado por diferentes tipos de desoxirribonucleótidos, concretamente cuatro; es lineal y no ramificado porque forma una única cadena abierta y sin cadenas laterales, a diferencia de la estructura de los polisacáridos que sí las presentan.


Estructura primaria del ADN

Como en todos los heteropolímeros, la estructura primaria se define como la secuencia ordenada de los monómeros que la forman. En el caso del ADN se considera, por convenio, que el primer nucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo fosfato. Como ese fosfato está unido al carbono 5' de la desoxirribosa se denomina extremo 5'. Por lo tanto, el último desoxirribonucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo hidroxilo del carbono 3' de la desoxirribosa, que recibe el nombre de extremo 3'. Así pues, la estructura primaria del ADN es la secuencia de desoxirribonucleótidos que forman la molécula, ordenados en sentido 5'→3'.

La unión de los desoxirribonucleótidos se produce entre los fosfatos y los monosacáridos, produciendo una estructura P-D-P-D-P-D..., de la que "cuelgan" las bases. Como los grupos fosfato y las desoxirribosas son idénticas entre todos los monómeros, basta con identificar las bases nitrogenadas para conocer la estructura primaria de la molécula.

Por último, el ADN está formado por cuatro desoxirribonucleótidos diferentes, cuyas bases nitrogenadas son, respectivamente Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) y Timina (T).

La estructura primaria no basta para explicar la función biológica del ADN. Además, desde el siglo XIX se conoce una particularidad en la composición de las moléculas de ADN que trajo de cabeza a los investigadores, hasta el punto de hacer pensar que el ADN no podía ser la molécula responsable de la herencia biológica: las reglas de Chargaff.

Chargaff descubrió que, al analizar el conjunto del material genético de un organismo, se cumplen siempre unas ciertas regularidades en la composición:
  • El porcentaje total de Adenina presente en el ADN es siempre igual al porcentaje de Timina.
  • El porcentaje de Citosina es siempre el mismo que el de Guanina.
  • El porcentaje de purinas (Adenina+Guanina) es siempre el mismo que el porcentaje de pirimidinas (Citosina+Timina).
Por el contrario, el porcentaje de Guanina+Citosina varía de unas especies de organismos a otros, siendo característica de cada una de ellas.

La importancia de las reglas de Chargaff es que establece restricciones a las posibles secuencias de nucleótidos que pueda presentar la molécula. Dado que la información genética debe residir en la secuencia de nucleótidos (igual que la información del lenguaje reside en la secuencia de letras que forman cada palabra), esta restricción supone un problema considerable, porque limitaría la información que una célula puede poseer. A pesar de ello, estaba claro que el ADN era el responsable de la información genética, tal y como lo habían demostrado los experimentos de Griffith, Avery, MacLeod y McCarthy o, finalmente de Hershey y Chase.


Por otra parte, se descubrió también que el ADN tiene una estructura geométrica regular, como demostraron las imágenes de difracción de rayos X que pudieron hacerse de cristales de este compuesto. Esto hizo que se considerara la descripción de la estructura secundaria del ADN (es decir, de su modelo geométrico) como una cuestión fundamental para entender su papel biológico.

Estructura secundaria del ADN

Antes de poder describir la estructura secundaria del ADN se sabía que ésta debía cumplir varios requisitos:
  • Debe ser una estructura geométrica regular, tal y como se deduce de las imágenes de difracción de rayos X.
  • Debe permitir el almacenamiento de la información genética, aparentemente sin restricciones.
  • Debe explicar las reglas de Chargaff.
  • Debe explicar la transmisión de la información genética, o al menos permitirla.
El descubrimiento de la estructura del ADN se debió a la unión de una serie de datos encontrados separadamente por diferentes investigadores: por una parte se descubrió que la estructura geométrica correspondía a una hélice formada por dos cadenas. Por otra, Watson y Crick descubrieron que las bases nitrogenadas podían establecer entre sí enlaces por puentes de hidrógeno: la adenina establece dos enlaces con la timina, mientras que la citosina forma tres puentes de hidrógeno con la guanina.

Watson y Crick lograron dar una interpretación conjunta a los datos. Propusieron que el ADN es, en realidad, una molécula doble formada por dos cadenas de nucleótidos cuya estructura primaria está relacionada. Las dos cadenas se disponen en paralelo, enrollándose una respecto a la otra para formar la doble hélice descrita por las imágenes de difracción de rayos X.

En cuanto a la relación que existe entre la estructura primaria de las dos cadenas, una de ella no tiene ningún tipo de restricción en su secuencia, pero la otra está totalmente determinada por la primera: los nucleótidos de la segunda cadena cumplen el principio de complementariedad de bases establecido por Watson y Crick, de acuerdo con las reglas de Chargaff:
  • Cuando en la primera cadena aparece una Adenina, la segunda presenta frente a ella una Timina, y viceversa.
  • Cuando en la primera cadena aparece una Citosina, la base que aparece frente a ella en la segunda es una Guanina, y viceversa.
Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí gracias a los enlaces por puentes de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases, de acuerdo con lo descubierto por Watson y Crick. Por último, ambas cadenas "corren" en sentidos antiparalelos: mientras una avanza en dirección 5'→3', su complementaria lo hace en sentido 3'→5'.


El modelo de Watson y Crick cumple con todos los requisitos que se exigen a la estructura del ADN:
  • Es una estructura geométrica regular, que cumple las especificaciones de forma y tamaño de las imágenes de difracción.
  • Permite el almacenamiento de la información genética sin ningún tipo de restricción, ya que la secuencia de una de las dos cadenas es totalmente libre.Cumple (y explica) las reglas de Chargaff: la proporción de Adenina es igual a la de Timina porque, por cada molécula de adenina que hay en una de las cadenas, hay una de timina en la otra; lo mismo ocurre con la proporción de citosina y guanina. La regla relativa a la proporción de purinas y pirimidinas está también explicada, porque cada purina es complementaria de una pirimidina que se encuentra en la otra cadena.
  • Permite explicar la transmisión de la información genética, porque cada una de las cadenas que forma la doble hélice puede servir como molde a la cadena complementaria. Teniendo en cuenta este sencillo principio, el mecanismo de replicación de la información genética es casi elemental: las dos cadenas se separan entre sí, y cada una sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria a sí misma, con lo que se consigue duplicar la información inicial, sin ninguna pérdida.
La estructura del material genético en los organismos eucariotas

El material genético de los organismos procariotas tiene una estructura muy sencilla, ya que consta básicamente de una única doble hélice que se cierra sobre sí misma. Sin embargo, en los organismos eucariotas esta organización es mucho más compleja. Para empezar, se encuentra distribuida en varios "paquetes" llamados cromosomas. Y en segundo lugar, también a diferencia de lo que ocurre en procariotas, el ADN se encuentra asociado a varios tipos de proteínas, que tienen fundamentalmente la función de protegerlo. Esta diferencia de organización se debe, fundamentalmente, a la diferencia en la cantidad de material genético que tienen unos y otros organismos, mucho mayor en los eucariotas, y a la necesidad de garantizar la división de este material durante los procesos de reproducción celular. El conjunto del material genético y sus proteínas asociadas que forma parte del núcleo de una célula eucariota recibe el nombre de cromatina.

En la mayoría de las circunstancias, la cromatina no es apreciable más que con la ayuda de un microscopio electrónico. Sin embargo, en las células en división sí que es posible observar los cromosomas a través de un microscopio óptico. Esta diferencia se debe a que cuando el ADN está activo, debe resultar accesible a las proteínas que lo "leen" para expresar la información genética que la célula utiliza. Por el contrario, cuando la célula necesita dividirse, el ADN tiene que estar protegido para impedir que sufra daños en el proceso de reparto. Para ello, la célula se encarga de "empaquetarlo" formando los cromosomas.

Los cromosomas representan, por tanto, una forma muy condensada de la cromatina, en la que ésta no realiza las funciones que le corresponde sino que sirve para proteger al ADN. Hasta llegar a formar los cromosomas, el ADN sufre varios procesos de empaquetamiento que reducen su longitud aparente y aumentan el grosor de la fibra:
  • El ADN "desnudo" es una fibra de 2 nm, diámetro que se corresponde con el de la doble hélice propuesta por Watson y Crick. Esta fibra solo se observa en fragmentos aislados de material genético.
  • En el núcleo, la fibra de ADN se enrolla en torno de unas partículas proteicas denominadas nucleosomas, dando una vuelta completa a su alrededor. Cada nucleosoma está constituido por ocho subunidades de un tipo de proteínas denominadas histonas. Entre un nucleosoma y el siguiente hay un fragmento de ADN desnudo de unos 150 pares de bases, con lo que la estructura resultante tiene el aspecto de un "collar de perlas", y un diámetro máximo de 11 nm.
  • La fibra de 11 nm se dispone, por acción de otra histona que no forma parte de los nucleosomas (llamada H1), formando una estructura en forma de muelle. Cada vuelta del muelle comprende seis nucleosomas, y el diámetro de la fibra resultante es de 30 nm.
  • Esta fibra se une a un conjunto de proteínas, llamadas proteínas del scaffold (andamiaje), que constituyen el "esqueleto" o armazón interno del cromosoma. El ADN se une al andamiaje formando lazos de un tamaño aproximado de unos 300 nm.
  • Finalmente, la fibra de 300 nm se enrolla sobre sí misma, formando la fibra de 700 nm que constituye cada cromátide.

lunes, 7 de diciembre de 2009

Ácidos nucleicos I: naturaleza y aspectos generales

Los ácidos nucleicos son un tipo de compuestos biológicos cuya función en los seres vivos es servir de soporte físico a la información genética. Todas las "instrucciones" que un organismo necesita están almacenadas en su ADN, que actúa como "memoria" y como sistema de copia, mientras que el ARN realiza todas las funciones necesarias para que esa información se "exprese", es decir, se plasme en otras moléculas que serán las que realicen los procesos químicos celulares: las proteínas.

Desde el punto de vista de su naturaleza química, los ácidos nucleicos son heteropolímeros lineales no ramificados de nucleótidos. A su vez, los nucleótidos son compuestos complejos, constituidos por la unión de tres moléculas más pequeñas de diferente naturaleza:
  • Una base nitrogenada: las bases nitrogenadas son compuestos cíclicos, con dos o más átomos de nitrógeno, que son los que les proporcionan su carácter básico. En los seres vivos existen seis fundamentales, aunque solo cinco de ellas forman parte de los ácidos nucleicos: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. La sexta, que forma parte de nucleótidos que actúan como coenzimas de oxidación-reducción es la flavina. Estas bases se agrupan en dos grupos: las pirimidinas y las purinas. La diferencia estructural entre ambas (las pirimidinas solo tienen un ciclo hexagonal en su molécula, mientras que las purinas tienen un ciclo hexagonal unido a otro pentagonal) resulta fundamental en la estructura y en la función de los ácidos nucleicos.


  • Un monosacárido, la ribosa, o un derivado de ella, la desoxirribosa. La ribosa es una aldopentosa que se encuentra habitualmente en su forma cíclica. Aparece en los nucleótidos libres (que no forman parte de los ácidos nucleicos) y en los ribonucleótidos, que son los que componen el ARN. La desoxirribosa es un derivado de la ribosa, que ha perdido el oxígeno del grupo hidroxilo de su carbono 2'. (En los nucleótidos, para no confundir el número que identifica el átomo de la base nitrogenada y del monosacárido, éste último se numera con la indicación '). Los nucleótidos formados por desoxirribosa se denominan, propiamente, desoxirribonucleótidos, y forman parte del ADN.
  • Un grupo fosfato, unido al grupo 5' del monosacárido, o varios (generalmente hasta tres) unidos uno a otro mediante enlaces de alta energía P-P.
La unión de una base nitrogenada a un monosacárido, sin grupos fosfato, recibe el nombre de nucleósido. Los nucleósidos no tienen demasiada importancia biológica, aparte de ser los constituyentes de los nucleótidos. En cambio, los nucleótidos juegan importantes papeles en la biología de la célula, tanto libres como encadenados formando parte de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos libres realizan funciones fundamentales como:
  • Actúan como coenzimas de oxidación-reducción, transfiriendo electrones y protones entre compuestos. Entre estos compuestos se encuentran el NAD, el NADP, el FAD o el FMN.
  • Proporcionan energía a las reacciones endotérmicas. El compuesto que realiza esta función en la mayoría de los casos es el ATP, razón por la cual se le considera la "moneda universal de energía" de los seres vivos.
  • Actúan como mensajeros químicos intracelulares, llevando información desde la membrana celular hasta el núcleo. Esta función es desempeñada por el AMP cíclico.


Nucleótidos libres

Los nucleótidos que podemos encontrar libres en una célula forman parte de varias "familias" de compuestos, caracterizadas por la base nitrogenada que entra en su composición.
  • Familia de la adenina: los nucleótidos de adenina se encuentran tanto libres como formando parte de los ácidos nucleicos. El compuesto "base" de la familia es el AMP (adenosín monofosfato). A su grupo fosfato puede unírsele otro más, formando el ADP (adenosín difosfato), o incluso dos, para dar lugar al ATP (adenosín trifosfato). Los enlaces que unen entre sí los grupos fosfato son ésteres de alta energía, que queda liberada al romperse. Muchas enzimas tienen capacidad de acoplar la hidrólisis de estos enlaces a otras reacciones químicas, permitiendo que ocurran procesos endotérmicos. Otro compuesto importante de esta familia de nucleótidos es el AMP cíclico, en el que el grupo fosfato se une dos veces a la ribosa, formando un anillo. Este compuesto, que se forma a partir del ATP, actúa como un mensajero químico intracelular, transmitiendo hasta el núcleo la información que llega desde el exterior de la célula.
  • Familia de la flavina: estos nucleótidos nunca forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción, en general unidos íntimamente a la proteína cuya función ayudan a realizar. Básicamente son dos compuestos, el FMN (flavín mononucleótido) y el FAD (flavín adenín dinucleótido). Este último es, como su nombre indica, un dímero formado por la unión de un mononucleótido de flavina y otro de adenina.
  • Familia del NAD: NAD son las siglas de nicotín adenín dinucleótido. Es decir, se trata de la unión de dos nucleótidos, uno de los cuales tiene la adenina como base nitrogenada, mientras que la base del otro es la nicotinamida. Los nucleótidos de este grupo no forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción aunque, a diferencia de los nucleótidos de flavina, no se unen firmemente a la enzima, sino que quedan libres en el entorno. Esto permite que puedan capturar electrones (y protones) en una reacción y liberarlos en otra distinta, incluso si ocurre en otro lugar de la célula. El NAD+ (es una molécula cargada positivamente) puede captar un par de electrones y un protón, asociándose a otro, dando lugar al NADH+H+. Existe otro par de compuestos similar a esta pareja, pero con un fosfato más en su composición: NADP+ (forma oxidada) y NADPH+H+ (forma reducida), que interviene fundamentalmente en la fotosíntesis.
Cadenas de nucleótidos

En un nucleótido hay dos grupos que pueden intervenir en la formación de un enlace con otras moléculas similares:
  • Uno de los oxígenos del grupo fosfato que, a su vez, se encuentra unido al carbono 5' del monosacárido.
  • El grupo hidroxilo del carbono 3' del monosacárido.
La presencia de estos dos grupos hace que cada nucleótido pueda formar dos enlaces distintos, uno a través de su grupo fosfato (extremo P o 5') y otro a través de su hidroxilo del carbono 3' (extremo 3' u OH). La unión 5'→3' de varios nucleótidos consecutivos da lugar a una cadena, llamada genéricamente ácido nucleico, que sigue teniendo dos extremos capaces de reaccionar, igual que cada uno de los nucleótidos, por lo que puede continuar aumentando su tamaño.

Existen dos tipos de cadenas, según estén formados por ribonucleótidos (si el monosacárido es la ribosa) o desoxirribonucleótidos (si el monosacárido es la 2' desoxirribosa). El primer tipo de ácido nucleico recibe el nombre de ácido ribonucleico (ARN), mientras que el segundo se denomina ácido desoxirribonucleico (ADN).

sábado, 5 de diciembre de 2009

Proteínas III: las funciones de las proteínas

Las proteínas son el tipo de moléculas que llevan a cabo la mayor parte de las funciones de las células, gracias a gran variedad de estructuras tridimensionales que pueden adquirir. Entre tales funciones se cuentan:
  • Función hormonal: las hormonas son sustancias que se encargan de transmitir una información de un órgano a otros, con el fin de que éstos produzcan una respuesta mantenida en el tiempo. La coordinación hormonal, a diferencia de la actividad del sistema nervioso, es lenta, pero duradera. En general hace que las células que reciben el "mensaje" sinteticen nuevas proteínas y modifiquen su actividad química. Existen, básicamente, dos tipos de hormonas según su naturaleza química: las lipídicas y las que derivan de aminoácidos o tienen naturaleza peptídica, como la insulina. Las hormonas peptídicas necesitan, además, unirse a moléculas concretas en la superficie de la célula (no pueden atravesar la membrana). Estas moléculas, específicas para cada hormona, reciben el nombre de receptores y son siempre proteínas.
  • Reconocimiento e identificación celular: la identificación de los elementos propios y ajenos dentro del mismo organismo ocurre siempre por unión a proteínas expuestas en la superficie celular. Los elementos que se unen a organismos o células extrañas que pueden penetrar en nuestro organismo (los anticuerpos) son también proteínas.
  • Función transportadora, tanto a través de las membranas biológicas como de sustancias no solubles en un medio acuoso.
  • Función estructural: muchas proteínas son utilizadas por la célula para formar la base de diferentes elementos estructurales, como el citoesqueleto. También se usan proteínas para dar resistencia a algunos tejidos de sostén, como el colágeno en el tejido conjuntivo.
  • Función defensiva: los anticuerpos, además de reconocer las moléculas propias y las ajenas, contribuyen a eliminar a los microorganismos invasores.
  • Movimiento: todas las funciones de los seres vivos que tienen que ver con la motilidad y el movimiento, tanto en el interior de las células como de las células en su conjunto, son realizadas por diferentes tipos de proteínas.
  • Función enzimática: posiblemente, la función más extendida de las proteínas sea actuar como enzimas, es decir, como catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células.
Reacciones químicas, catalizadores y enzimas

La célula funciona como una fábrica química en la que se están produciendo simultáneamente miles de reacciones químicas diferentes. La cantidad de productos que se genera en cada una de ellas está perfectamente ajustada a la cantidad de sustratos que están presentes en la célula en un momento determinado, y a las necesidades que la célula tiene en ese preciso momento. Evidentemente, esta coordinación no ocurre por casualidad, sino que requiere del funcionamiento correcto de elementos celulares que sean capaces de realizar los ajustes precisos en las diferentes reacciones. Esos elementos son las enzimas, y consiguen mantener el equilibrio entre las reacciones celulares modificando su velocidad.

La mayoría de las enzimas se encuentran en el interior de las células, aunque hay algunas que son secretadas y realizan su acción en el torrente circulatorio, el tubo digestivo y otros espacios extracelulares, o incluso fuera del organismo en el caso de muchos microorganismos. Una célula animal "típica" puede contener entre 1000 y 4000 enzimas distintas, cada una de las cuales cataliza una única reacción o un conjunto de reacciones estrechamente relacionadas.

Ciertas enzimas catalizan reacciones comunes a la mayoría de los organismos, entre las que están la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos o fosfolípidos, las reacciones que convierten la glucosa y el oxígeno en dióxido de carbono y agua, proporcionando energía a la célula. Estas enzimas son bastante parecidas en todos los organismos. Por otra parte, existen también enzimas que solo están presentes en algunas de las células del organismo.

Las reacciones celulares siguen, evidentemente, los mismos principios que el resto de las reacciones químicas. Para entender el funcionamiento de las enzimas habrá que recordar algunos de ellos. Para eso, partiremos de una reacción hipotética que podríamos representar como

A ↔ B + C

En ella, un sustrato (A) se divide en dos productos, B y C.

La posibilidad de que ocurra una reacción química depende de la energía interna que posean los sustratos, por una parte, y los productos por otra; si los sustratos tienen más energía interna que los productos la reacción será espontánea, aunque eso no nos dice nada de la velocidad con la que ocurrirá: puede ser tan lenta que, en la práctica no ocurra nunca.

Casi todas las reacciones químicas son, además, reversibles. Esto significa que, a medida que el sustrato A se descompone en B y C, una parte de estos reaccionan entre sí regenerando el sustrato original, A. Las velocidades de ambas reacciones (directa e inversa) guardan una curiosa relación: conforme avanza la reacción, la velocidad de la reacción directa va disminuyendo, mientras que la de la reacción inversa va aumentando, hasta llegar a igualarse. En ese momento, se genera tanta cantidad de productos como de sustratos, de modo que las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción permanecen constantes; se ha alcanzado el equilibrio químico. Estas variables (diferencia de energía entre sustratos y productos, velocidad de la reacción directa, velocidad de la reacción inversa y proporción de la concentración de sustancias en el equilibrio) caracterizan una reacción química, también en los seres vivos.

Las células pueden actuar, en distinto grado, sobre esas variables para controlar el transcurso de la reacción:

  • Pueden modificar la diferencia de energía interna entre sustratos y productos, por ejemplo fosforilando uno de los sustratos. Este compuesto tiene una energía interna mayor que el original, facilitando el transcurso de la reacción. También pueden acoplar una reacción que proporcione energía a la original, en particular la hidrólisis de ATP. Acoplar dos reacciones entre sí consiste en hacer que ambas transcurran simultáneamente, y en el mismo lugar, de modo que una pueda utilizar los productos de la otra (tanto moléculas como energía).
  • Pueden alterar las condiciones de equilibrio de la reacción, por ejemplo retirando los productos a medida que se van formando, con lo que nunca se alcanza la proporción entre sustratos y productos que caracteriza el equilibrio.
  • Pero el mecanismo más utilizado para controlar el transcurso de las reacciones químicas es modificar la velocidad a la que transcurren mediante el uso de catalizadores.
Un catalizador es una sustancia química que modifica la velocidad de una reacción, recuperándose intacto al final de la misma. Los catalizadores no modifican el equilibrio de la reacción, ni priman un sentido sobre otro (hacen que aumente tanto la velocidad de la reacción directa como de la inversa), sino que actúan modificando la energía de activación.

Para que una reacción tenga lugar, aunque los sustratos tengan más energía que los productos, es necesario que se forme un intermedio de reacción con mayor energía que la de los sustratos.
Se interpreta esta energía de activación teniendo en cuenta que, para que un compuesto estable reaccione químicamente, es necesario que se encuentre en un estado en el que se haga posible la reacción. Si tienen que reaccionar entre sí dos sustancias, el estado activado supondría que las dos moléculas han chocado con la velocidad y orientación necesarias para que los enlaces existentes se rompan, y se formen nuevos enlaces. Si es un único compuesto que se descompone, se trata de que los enlaces entre los átomos estén suficientemente forzados para que lleguen a romperse.

Las enzimas son catalizadores biológicos. Prácticamente todos los compuestos bioquímicos que tienen actividad enzimática son proteínas, siendo las únicas excepciones algunos ácidos ribonucleicos que también tienen este tipo de función. A diferencia de los catalizadores no biológicos, las enzimas son totalmente específicas: cada enzima cataliza una reacción específica o, a lo sumo, unas pocas reacciones muy parecidas entre sí.

La acción enzimática consiste, como la de todos los catalizadores, en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción tenga lugar. Para hacer esto, la enzima se une al (los) sustrato(s), formando un complejo enzima-sustrato que suele representarse como [ES], y que puede reaccionar requiriendo una menor energía de activación.


Lo que hace la enzima, como se ve en la animación anterior, es modificar la orientación del sustrato, o la posición de sus enlaces, para facilitar la reacción química.

El efecto macroscópico de un catalizador es, como se ha dicho, modificar la velocidad de las reacciones que cataliza. Para entender cómo el cambio en la energía de activación de las moléculas supone un cambio en la velocidad hay que tener en cuenta que cuando nos referimos a una reacción, aunque utilicemos el singular, en realidad estamos considerando un conjunto de moléculas que van a participar en el proceso. Cada una de esas moléculas tiene propiedades diferentes, por ejemplo su energía, de modo que algunas (normalmente unas pocas) poseen energía suficiente para alcanzar la energía de activación y, por lo tanto, reaccionar. Cuanto menor sea la proporción de moléculas con elevada energía, menor es la velocidad de la reacción (por eso calentar los sustratos suele acelerar las reacciones). Lo que consigue una enzima al reducir la energía de activación es que haya una mayor proporción de moléculas en condiciones de reaccionar, por lo que la velocidad de reacción es mayor.

Factores que determinan la acción enzimática

A continuación tienes una animación interactiva que muestra un modelo de reacción química en presencia de enzima. Antes de describir la actividad enzimática de modo teórico, es interesante que modifiques los parámetros de la animación y que vayas tratando de responderte algunas preguntas para que puedas comprender mejor cómo actúan las enzimas. La cuestión fundamental es la siguiente: ¿cómo se consigue una eficacia máxima de las enzimas a la hora de catalizar una reacción química?


Fíjate en la animación, y observa que en la parte derecha hay unas cuantas variables cuyos valores puedes modificar. Empezando por los dos primeros, que son los más importantes, cambia esos valores (uno de ellos cada vez) y responde a estas preguntas:
  • ¿Como afecta la cantidad de sustrato a la velocidad de la reacción?
  • ¿Cómo afecta la cantidad de enzima a la velocidad de la reacción?
Al aumentar la cantidad de enzima, la velocidad de la reacción también lo hace. Por otra parte, al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción se incrementa, pero solo hasta un determinado valor, por encima del cual la velocidad se hace constante. Estos resultados se resumen en la ecuación de Michaelis Menten:




En ella se observa que la velocidad inicial de la reacción (v0) depende de la velocidad máxima a la que puede transcurrir la reacción (Vmáx) y a la concentración de sustrato [S], y es inversamente proporcional de nuevo a la concentración de sustrato y a una constante característica de la enzima, KM, llamada constante de Michaelis-Menten, que indica la afinidad que la enzima muestra por el sustrato. Cuando la concentración de sustrato es igual a la constante de Michaelis-Menten, la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima de la reacción.
La gráfica de la derecha, que muestra la variación de la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato, tiene algunos aspectos destacables:
  • Cuando hay mucha más enzima que sustrato, es decir, cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la cantidad de sustrato.
  • Cuando la cantidad de enzima y de sustrato son comparables, la velocidad de la reacción sigue aumentando al incrementar la cantidad de sustrato, pero lo hace mucho más lentamente.
  • Por último, llega un momento en que aunque sigamos añadiendo sustrato la velocidad de la reacción permanece constante.
Esta gráfica describe una cinética de saturación. En esta situación, el principal determinante de la velocidad de la reacción es la disponibilidad de enzima. Cuando hay enzima disponible de sobra, la velocidad y la cantidad de sustrato son proporcionales; cuando la enzima está prácticamente ocupada, la velocidad de la reacción depende menos de la cantidad de sustrato, porque las moléculas de éste pueden llegar a tener que "esperar" a que la enzima quede desocupada para poder reaccionar. Por último, cuando hay un exceso de sustrato, la velocidad ha alcanzado su valor máximo, de forma que solo puede incrementarse añadiendo enzima.

Volvamos a la célula. El mantenimiento del equilibrio químico dentro de cada célula precisa que las reacciones químicas que ocurren en ella se produzcan coordinadamente, como si varios bailarines siguieran la misma danza. Para ello, la célula necesita regular y ajustar entre sí las velocidades de diferentes reacciones, lo que puede hacer cambiando la concentración de sustrato (lo que puede ser complejo, puesto que depende de la cantidad de nutrientes disponible) o cambiando la cantidad de enzima disponible, o su efectividad. La regulación de la actividad enzimática tiene, por lo tanto, una gran importancia.

Mecanismo de acción enzimática: fundamento molecular

Para catalizar una reacción química, la enzima se une al sustrato formando un complejo [ES]. Se trata de una unión reversible, ya que se debe a la formación de enlaces débiles entre enzima y sustrato, y altamente específica, porque la enzima y el sustrato presentan un elevado grado de complementariedad espacial: el sustrato encaja en la enzima como una mano en un guante. Para que el "encaje" se produzca suele ser necesario que las conformaciones (las formas tridimensionales instantáneas) de sustrato y enzima varíen hasta conseguir el mejor grado de complementariedad.


El sustrato se une específicamente a una región concreta de la enzima, llamada centro activo, donde se produce la reacción química. El centro activo es una zona tridimensional que puede estar formada por aminoácidos alejados entre sí en la estructura primaria de la proteína. Aunque suele ser solo una pequeña proporción del volumen total de la enzima, en general es necesario que toda la proteína esté intacta para que el centro activo pueda funcionar.

Regulación de las reacciones enzimáticas

En la célula, las reacciones químicas no se producen aisladas, sino interrelacionadas entre sí. En muchos casos, esa relación entre reacciones consiste en que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente, cuyo producto es, por su parte, sustrato de una tercera reacción... Este conjunto de reacciones químicas encadenadas recibe el nombre de ruta metabólica.

Cuando la célula lleva a cabo una o varias rutas metabólicas, cada una de las reacciones que las forman tienen unas características diferentes, en particular en lo que se refiere a su cinética: unas ocurren más rápidamente que las otras, lo que puede provocar desajustes en el transcurso de la ruta: se pueden acumular cantidades excesivas de un producto intermedio, o bien alguno de ellos puede llegar a agotarse. En ambos casos, se produce un desajuste que dificulta el funcionamiento ordenado de la célula. Para evitarlo, la célula trata de ajustar las velocidades de las diferentes reacciones químicas que ocurren en ella, lo que se conoce como regulación enzimática.

Los organismos pueden ajustar la cantidad de sustancias mediante diferentes mecanismos:
  • Regulando la expresión génica, es decir, los genes que se expresan (producen proteínas) en un momento dado. Una buena parte de los genes de cada célula no se expresan normalmente, sino solo cuando son estrictamente necesarios, en general como respuesta a un estímulo.
  • Regulando la concentración de sustratos y productos, lo que la célula hace, por ejemplo, separándolos físicamente en orgánulos distintos.
  • Regulando la actividad enzimática, mediante la unión a las enzimas de ciertas moléculas que modifican su estructura terciaria.
Muchas de las enzimas presentes en la célula pueden modificar su eficacia como resultado de factores de su entorno químico o por la acción de ciertas sustancias que la célula utiliza, precisamente, con ese propósito. Los factores que modifican la actividad enzimática son todos aquellos que son capaces de alterar la estructura tridimensional de las proteínas. Entre ellos, los más importantes son la temperatura, el pH o la fuerza iónica. En cuanto a las sustancias químicas que alteran la actividad enzimática, la mayor parte la reducen, por lo que reciben el nombre de inhibidores enzimáticos. Algunos inhibidores son toxinas o venenos, cuyo mecanismo de acción consiste, precisamente, en impedir la acción de las enzimas correspondientes. Sin embargo, existen también inhibidores enzimáticos que tienen una función importante en el funcionamiento de la célula. Su existencia es importante, porque la célula no solo necesita conseguir que las enzimas funcionen, sino que lo hagan de forma coordinada con el resto de los procesos celulares.

La inhibición enzimática ocurre siempre porque el inhibidor se une físicamente a alguno de los elementos que intervienen en la reacción, modificando su estructura tridimensional e impidiendo que la reacción prosiga. Según donde se produzca la unión del inhibidor se distinguen varios tipos distintos de inhibición:
  • Inhibición competitiva: el inhibidor se une a la enzima en el centro activo, compitiendo por él con el sustrato natural e impidiendo que se forme el complejo [ES].
  • Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une en una zona diferente al centro activo, una vez formado el complejo [ES], impidiendo que evolucione hacia la formación de los productos.
  • Inhibición no competitiva: el inhibidor se une fuera del centro activo, pero puede hacerlo tanto a la enzima libre como al complejo [ES].
Los tres tipos de inhibición producen efectos distintos sobre la actividad enzimática, y pueden diferenciarse por los cambios que inducen en la velocidad de la reacción.

También existen algunos compuestos que se unen irreversiblemente a las enzimas, provocando su inactivación definitiva. En estos casos, los inhibidores no son compuestos habituales en la célula, sino que actúan como venenos. Este es, por ejemplo, el caso del DDT, un insecticida que actúa inhibiendo de forma irreversible la acetilcolinesterasa, una enzima relacionada con la transmisión de la información en el sistema nervioso.

Regulación alostérica

Las células aprovechan los mecanismos de inhibición enzimática para regular la actividad de las enzimas, con el objetivo de ajustar los procesos químicos que ocurren en su interior de modo que disponga en todo momento de la cantidad apropiada de cada una de las sustancias que precisa. Para ello, existen muchas proteínas que poseen más de un lugar de unión a diferentes moléculas: el centro activo, para la unión del sustrato, y otro lugar donde se unen compuestos que van a modular la acción de la enzima, ya sea activándola o inhibiéndola. Los lugares de unión de estos otros compuestos reciben el nombre de sitios alostéricos (del griego, con el significado de "otro lugar"), y el mecanismo por el que los moduladores (activadores o inhibidores) alteran la acción de la proteína se denomina regulación alostérica.

Los reguladores alostéricos actúan del mismo modo que los inhibidores no competitivos y acompetitivos: su unión a la enzima, o al complejo enzima-sustrato, modifica la estructura terciaria de la proteína en su conjunto, modificando la afinidad de la enzima por el sustrato y, como consecuencia, la velocidad de la reacción.

En general, la regulación no ocurre sobre todas las enzimas, sino solo sobre algunas que juegan un papel clave dentro del conjunto de reacciones metabólicas que se producen en la célula, bien porque formen parte de varias rutas metabólicas, bien porque sean las que condicionan la velocidad de toda la ruta metabólica (las más lentas), bien por alguna otra razón.

Otro aspecto interesante de la regulación alostérica es cuáles son los compuestos que la célula utiliza como reguladores. En general, se trata de sustancias que forman parte de la ruta metabólica que se está regulando, lo cual tiene mucho sentido desde el punto de vista de la eficacia de la regulación.
  • Los activadores alostéricos suelen ser precursores del sustrato de la enzima regulada. De este modo se consigue que, cuando se acumulan en la célula, la enzima funcione más rápidamente, consumiéndolos. A medida que se reduce la concentración del activador, la enzima va reduciendo su velocidad, con lo que consigue ajustar su actividad a la disponibilidad de precursor.
  • Los inhibidores alostéricos suelen ser los productos finales de la ruta metabólica regulada. Con esto se consigue que, si se acumulan los productos, éstos frenen la acción de la enzima, con lo que se van produciendo más lentamente. A medida que los productos finales van siendo utilizados, la reacción regulada vuelve a aumentar su velocidad, impidiendo que los productos se consuman por completo.
Ambas situaciones caracterizan un sistema de regulación por retroalimentación negativa, que tiene como principal ventaja que puede mantener los elementos que participan en él en una situación de equilibrio dinámico: nunca se acumulan en exceso los precursores, ni se agotan los productos, porque la velocidad de la enzima se ajusta para evitarlo.

Animación: regulación alostérica de una ruta metabólica

Actividad enzimática y elementos no proteicos

Muchas enzimas necesitan para realizar su función la presencia de otro tipo de moléculas que son las que realmente participan en la reacción catalizada por la enzima, mientras que la parte proteica (que recibe el nombre de apoenzima), les proporciona un entorno adecuado para facilitar que transcurra la reacción. La parte no proteica recibe diferentes nombres, en función de su naturaleza química y de su grado de unión a la proteína:
  • Las moléculas no proteicas unidas covalentemente a la parte proteica de la enzima se denominan cofactores.
  • Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza inorgánica reciben el nombre de grupos prostéticos.
  • Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza orgánica, se denominan coenzimas.
De este modo se tiene que el NADH es una coenzima de oxidación reducción, porque se mantiene unido débilmente a las proteínas que lo utilizan, mientras que el FADH2, que realiza esa misma función, es un cofactor porque se une covalentemente a las enzimas que lo emplean. Por el contrario el hierro, que es necesario por ejemplo para el transporte de oxígeno por la hemoglobina, es un grupo prostético, porque es una molécula inorgánica.



domingo, 29 de noviembre de 2009

Las proteínas II: estructura


Si definimos estructura como la "disposición y orden de las partes dentro de un todo" podríamos considerar que la secuencia de aminoácidos de una proteína nos basta para determinar su estructura porque nos informa, precisamente, del orden en el que están dispuestos sus elementos. Sin embargo, aunque esto es cierto, también es insuficiente.

Como se comentaba en la entrada anterior, una proteína es una especie de varilla articulada rígida, de la que "cuelgan" fragmentos de moléculas. Ahora bien, esos fragmentos de moléculas, las cadenas laterales de los aminoácidos que forman la proteína, tienen características químicas que les hacen interactuar entre sí: los aminoácidos polares tienden a formar puentes de hidrógeno entre ellos, mientras que los aminoácidos hidrófobos tienden a alejarse de los polares, y a atraerse entre sí mediante interacciones hidrofóbicas. Los aminoácidos ácidos serán atraídos electrostáticamente por los básicos... En resumen, cada proteína es un pequeño "mundo" de fuerzas atractivas y repulsivas que, al sumarse "empujan" a los aminoácidos a ocupar determinada posición en el espacio, haciendo que las proteínas adopten una determinada forma tridimensional.

Así que tenemos, al menos, dos "niveles" en la descripción de la estructura de las proteínas: por una parte, su secuencia de aminoácidos. Por otra, la forma tridimensional de la proteína, que depende de su secuencia de aminoácidos, pero que no queda totalmente determinada por esa secuencia.

En realidad, el problema se complica aún más; se sabe desde hace tiempo que ciertas combinaciones de aminoácidos se ordenan en el espacio, adquiriendo formas geométricas regulares (hélices, láminas) y que, en muchos casos, fragmentos de una proteína que presentan esa forma regular actúan como "piezas" de construcción de la proteína, como "motivos estructurales" que se presentan en diferentes proteínas, para ayudarles a realizar funciones similares. Además, hay algunas proteínas que solo son funcionales cuando se asocian varias cadenas de aminoácidos producidas por separado.



En resumen, podemos establecer distintos "niveles" de estructura en el estudio de las proteínas. El primero de ellos, la estructura primaria, se refiere a la secuencia de aminoácidos que constituye la proteína. La estructura secundaria, que puede presentarse o no, corresponde a la existencia de partes de la proteína que poseen formas geométricas regulares. La estructura terciaria describe la forma que la proteína en su conjunto adopta en el espacio, mientras que la estructura cuaternaria, por último, describe si la proteína funcional consta de una o de varias cadenas de proteínas, y de cuáles son esas cadenas.


Hay una razón fundamental para preocuparse por el conocimiento de la estructura de las proteínas. Una de las "grandes ideas de la Biología", recogidas en otra entrada de este blog, es que los procesos que ocurren en las células necesitan que se produzcan interacciones entre moléculas con una gran especificidad, hasta el punto de que las moléculas que participan en tales procesos deben encajar perfectamente entre sí. (A menudo se usa la comparación con una mano y un guante). Las proteínas son las responsables de que ocurran la mayor parte de las interacciones moleculares dentro de la célula, por lo que la forma tridimensional que adquiera una proteína, así como las alteraciones que esa proteína pueda sufrir, son fundamentales para entender el funcionamiento de las proteínas.



Estructura primaria de las proteínas

La estructura primaria de las proteínas está determinada por la secuencia de los aminoácidos que forman la molécula, ordenados desde el aminoácido N-terminal hasta el C-terminal. La estructura primaria de las proteínas está determinada por los enlaces covalentes que se establecen entre sus aminoácidos, lo que incluye también a los enlaces que pueden establecerse entre cisteínas que se encuentran separadas en la secuencia de aminoácidos.

Los puentes disulfuro entre aminoácidos alejados en la estructura primaria contribuyen en una medida importante a que las proteínas consigan alcanzar su estructura tridimensional definitiva y a que la conserven una vez que la han alcanzado.

Estructura secundaria

En la mayoría de las proteínas existen algunos fragmentos cuyos aminoácidos se disponen forma regular, con una estructura geométrica concreta. Es necesario destacar dos aspectos de la estructura secundaria: en primer lugar, no se presenta en todas las proteínas. En segundo lugar, cuando aparece, no afecta a toda la proteína, sino solo a ciertas regiones de la misma.

Existen dos tipos fundamentales de estructuras secundarias en las proteínas: la hélice α y la hoja plegada o lámina β.

En la hélice α participan aminoácidos pequeños y polares, capaces de establecer entre sí enlaces por puente de hidrógeno que estabilizan la estructura. La cadena de aminoácidos gira en dirección dextrógira, quedando el esqueleto de la proteína hacia el interior mientras que las cadenas laterales se proyectan hacia el exterior de la hélice. La hélice da una vuelta completa cada 3,6 aminoácidos.


Los aminoácidos que forman parte de la hélice alfa siempre son contiguos en la estructura primaria de la proteína.

La lámina u hoja plegada β es el otro tipo de estructura secundaria que aparece en muchas proteínas. Se caracteriza porque varios segmentos de la proteína, separados entre sí en la estructura primaria, se disponen paralelos entre sí formando una "plancha" en la que los aminoácidos se encuentran prácticamente en un plano. Los diferentes fragmentos de la lámina se mantienen unidos entre sí mediante puentes de hidrógeno, y las cadenas laterales se proyectan por encima y por debajo del plano de la lámina.



En muchos casos varias estructuras secundarias se agrupan dentro de la misma proteína formando estructuras más complejas, llamadas "estructuras supersecundarias" o "motivos". Existen varios tipos de motivos más o menos complejos, como los que se recogen en las siguientes figuras:


Estructura terciaria

La forma tridimensional de las proteínas, es decir, su estructura terciaria, es el factor que determina su funcionamiento: sea cual sea la función que realiza una proteína, su acción necesita que se produzca un contacto íntimo entre la molécula de proteína y otro compuesto o estructura, para lo cual la forma de ambas moléculas tiene que ser complementaria. Esta complementariedad de la forma de ambas moléculas se describe, en muchas ocasiones, comparándola con la relación que existe entre una mano y un guante; al igual que ocurre cuando nos ponemos una de estas prendas, el guante y la mano pueden cambiar de posición (y ligeramente de forma) hasta acoplarse perfectamente. Lo mismo ocurre cuando una proteína se une a su sustrato. La forma tridimensional en la que una proteína es activa es su conformación nativa.

La adquisición y el mantenimiento de la estructura terciaria de una proteína ocurre gracias al establecimiento de enlaces débiles entre los aminoácidos que la forman. Entre estas interacciones destacan los enlaces por puente de hidrógeno, que se forman entre aminoácidos polares, pero también son muy importantes las interacciones hidrofóbicas que se establecen entre los aminoácidos apolares. En este caso, además de las débiles fuerzas de atracción que tienden a atraer a estos aminoácidos entre sí, resulta también importante la repulsión que experimentan hacia el medio celular, de naturaleza acuosa y, por lo tanto, polar: los aminoácidos apolares tienden a mantenerse lo más alejados posibles del medio polar, lo que hace que se orienten hacia el interior de la proteína, mientras que los aminoácidos cargados o polares se sitúan en el exterior.

Proteínas fibrilares y globulares

Según la forma que adopta una proteína suele distinguirse entre proteínas fibrilares, que tienen forma alargada, similar a un hilo o un cable, y proteínas globulares, más o menos redondeadas. Usando el gadget que tienes a la derecha de este blog puedes ver la estructura terciaria de diferentes proteínas, siempre que conozcas el código que se usa para identificarlas (el código PDB). Puedes probar, por ejemplo, las siguientes:

Proteínas fibrilares
Proteínas globulares
Nombre
Código PDB
Nombre
Código PDB
Tropomiosina
Colágeno
1C1G
2KLW
Mioglobina
Triosa fosfato isomerasa
3H57
3GVG

Estructura cuaternaria

Existen algunas proteínas que, en su forma funcional, están formadas por varias cadenas de aminoácidos unidas entre sí mediante enlaces débiles. Cada una de estas cadenas es una subunidad de la proteína completa. Las proteínas que poseen varias subunidades suelen denominarse proteínas oligoméricas.

Cada una de las cadenas que componen la proteína se forma por separado, y la unión ocurre solo después de que se hayan sintetizado. En muchos casos, además, esa unión es reversible y temporal: las subunidades pueden encontrarse separadas, con lo que la proteína no es activa, y solo cuando se da un estímulo determinado se produce la unión entre ellas (el ensamblaje) de la proteína, momento en el que la proteína comienza a realizar su función. El ensamblaje de las subunidades es, por lo tanto, un mecanismo que permite controlar la actividad de este tipo de proteínas.

La estructura cuaternaria de las proteínas oligoméricas describe el conjunto de subunidades que las forman: el número y tipo de cada una de las cadenas. Por ejemplo, la hemoglobina, la proteína que se encarga del transporte del oxígeno en la sangre, es una proteína oligomérica formada por cuatro subunidades, iguales dos a dos: dos reciben el nombre de alfa y las otras dos se llaman beta. Así pues, la estructura cuaternaria de la hemoglobina se describe, brevemente, indicando que es una proteína con estructura cuaternaria (α2β2). Algunas proteínas pueden estar constituidas por un número muy elevado de subunidades.


Ciclo de vida de una proteína

Las proteínas, como todas las moléculas, están sujetas a procesos de degradación que pueden hacer que se estropeen con el paso del tiempo, de modo que la célula tiene la necesidad de sustituirlas por otras copias en buen estado. El ciclo de vida de una proteína comprende todos los procesos que tienen lugar desde su síntesis hasta su eliminación y el reciclaje de los aminoácidos.

La síntesis de proteínas es un proceso complejo, que se produce en el ribosoma. Este proceso se analizará en profundidad en otro momento, pero hay que saber de él que la proteína adquiere en el ribosoma su estructura primaria, y que va abandonando esta estructura a medida que se va formando.

La estructura tridimensional es fundamental para que la proteína funcione. El gran número de interacciones posibles que pueden establecerse entre los aminoácidos hace que el plegamiento sea un proceso complicado, que empieza a producirse incluso antes de que termine la síntesis de la proteína.

Conforme la proteína va saliendo del ribosoma, debido a los movimientos de sus aminoácidos, se van estableciendo entre ellos los enlaces débiles que permitirán la formación de las estructuras de orden superior: secundaria y terciaria, así como (cuando existen), los puentes disulfuro entre cisteínas. El ambiente químico en el que ocurre este proceso es fundamental para el mismo, de modo que los aminoácidos hidrófobos tienden a atraerse entre sí, al tiempo que tratan de situarse lo más lejos posible del entorno polar del citoplasma (o del retículo endoplásmico), mientras que los aminoácidos polares y cargados tienden a situarse en el exterior.



En ocasiones, no es suficiente con el entorno celular para que la proteína adquiera su estructura terciaria adecuada. En esos casos intervienen las chaperonas, una familia de proteínas que se unen a los aminoácidos hidrófobos y ayudan a que la proteína se pliegue. Como los aminoácidos hidrófobos de las proteínas ya plegadas se encuentran en el interior de la proteína, las chaperonas solo se unen a las proteínas en formación.

Otra posibilidad que también puede tener lugar es la participación de las chaperoninas. En este caso, se trata de complejos multiproteicos que tienen forma aproximada de barril. En su interior se crea un entorno adecuado para que se produzca el plegamiento de las proteínas. Las chaperonas se unen a la proteína en formación y la transportan hasta el interior de la chaperonina, donde se consigue el entorno adecuado para el plegamiento de la proteína. Una vez terminado, la proteína, en su conformación nativa (la funcional) abandona la chaperonina.

En general, las proteínas son funcionales al terminar su proceso de plegamiento. En ese caso, se dice que la proteína ha alcanzado su conformación nativa, que es la estructura tridimensional en la que la proteína puede desarrollar sus funciones. Sin embargo, existen algunas proteínas que solo deben ser activarse tras un estímulo determinado. Por ejemplo, los factores de coagulación sanguínea, que solo deben alcanzar su conformación nativa después de que se haya producido una herida, o las enzimas digestivas, que solo deben activarse fuera de la célula, para ayudar a romper las macromoléculas ingeridas por la dieta.

En estos casos, la proteína sintetizada y plegada es un zimógeno, un precursor inactivo de la proteína funcional, con un fragmento de cadena que impiden que la proteína realice su función. Ese fragmento es eliminado cuando ocurre un evento desencadenante, por acción de otra proteína o de algún cambio químico que provoca la rotura del enlace correspondiente.

Las proteínas funcionales pueden perder su estructura tridimensional de forma accidental o programada. La pérdida de la conformación nativa de una proteína recibe el nombre de desnaturalización, y puede ocurrir por la acción de cualquier agente que sea capaz de alterar los enlaces débiles que fundamentan esta estructura: cambios en el entorno químico de la proteína (temperatura, pH, fuerza iónica) o en la propia proteína (oxidación, glicosilación...).

Por otra parte, las proteínas mal plegadas o desnaturalizadas son eliminadas por la célula, que recicla sus aminoácidos en la medida de lo posible. El proceso de rotura de una proteína recibe siempre el nombre de proteolisis. En la célula existen varios sistemas que permiten la proteolisis de las proteínas no funcionales: el lisosoma, un orgánulo en cuyo interior se encuentran varios tipos de proteínas hidrolíticas, incluyendo las que rompen proteínas, la ubiquitinación, proceso de reconocimiento e identificación de las proteínas que deben ser degradadas, las calpaínas, proteínas que se encargan de degradar a otras proteínas y los proteasomas, complejos de proteínas donde se degradan las proteínas unidas a la ubiquitina.

Algunas enfermedades importantes parecen ser debidas al plegamiento incorrecto de ciertas proteínas. Esto ocurre, por ejemplo, en el Alzheimer o en la enfermedad de las vacas locas.

Holoproteínas y heteroproteínas

Se denominan holoproteínas a las que están formadas exclusivamente por cadenas de aminoácidos, a diferencia de las heteroproteínas que incluyen, además, otros tipos de compuestos. Existen diferentes tipos de heteroproteínas, en función del tipo de compuesto que se une a las cadenas de aminoácidos: las lipoproteínas están formadas por lípidos y cadenas proteicas. Hemos hablado de ellas en el apartado de lípidos. Las glucoproteínas tienen glúcidos en su estructura. Incluyen proteínas expuestas en la superficie celular, proteínas que se encuentran en el sistema circulatorio y las proteínas de secreción. Las nucleoproteínas están formadas por la unión de proteínas y ácidos nucleicos. Forman parte del material genético en los organismos eucariotas. Por último, las cromoproteínas están formadas por la unión de una proteína y un pigmento, que les ayuda a realizar su función. Un ejemplo de este tipo de compuestos es la hemoglobina, que contiene un pigmento llamado tetraporfirina (con hierro), molécula que se encarga del transporte de oxígeno.

sábado, 28 de noviembre de 2009

Las proteínas I: los aminoácidos

La tercera gran familia de compuestos orgánicos que forman parte de los organismos vivos son las proteínas. La importancia que estos compuestos tienen para los seres vivos es inmensa. Si en otras ocasiones se ha comparado una célula con una fábrica química, en la que los glúcidos serían, fundamentalmente, combustibles y materias primas y los lípidos actuarían como reservas de energía y piezas estructurales (sobre todo de la membrana), las proteínas serían, a la vez, los productos de la fábrica, piezas estructurales de la misma y, sobre todo, las máquinas y las herramientas que permitirían el funcionamiento de la propia fábrica.

Desde el punto de vista de su naturaleza química, las proteínas son un tipo de macromoléculas, heteropolímeros lineales no ramificados de aminoácidos. Analizando esta descripción podemos apreciar que:
  • Son moléculas de gran peso molecular (macromoléculas), aunque algunas de ellas, llamadas más propiamente péptidos, pueden ser relativamente pequeñas.
  • Están formadas por la unión de unidades más pequeñas (polímeros), concretamente de un tipo de compuestos denominados aminoácidos.
  • Los aminoácidos que forman cada proteína pueden ser distintos entre sí (heteropolímeros), lo que significa que unas proteínas se diferenciarán de las demás en función de los aminoácidos que formen cada una de ellas.
  • Su estructura consiste en una cadena de aminoácidos unidos uno tras otro, como un collar (son lineales, y no presentan ramificaciones).
Aminoácidos

Antes de seguir estudiando las proteínas es importante saber algo más de sus constituyentes, los aminoácidos. En primer lugar, como su propio nombre indica, se trata de un grupo de compuestos que comparten una característica química: la presencia de un grupo amino y de un grupo ácido en la misma molécula. En concreto, en los seres vivos ambos grupos funcionales siempre se encuentran unidos al mismo carbono (el primero después del carboxilo, es decir, el α, motivo por el que se denominan α-aminoácidos). A ese mismo carbono se une también un hidrógeno, y un cuarto grupo que varía de un aminoácido a otro. Su fórmula general es, por lo tanto, la siguiente:

Excepto si el grupo R es otro átomo de hidrógeno, el carbono α de los aminoácidos es asimétrico, y puede presentarse en una configuración D o en configuración L. Los aminoácidos que forman parte de las proteínas en todos los seres vivos son siempre de la forma L.

Tanto el grupo carboxilo como el grupo amino son ionizables, es decir, tienen tendencia a perder (el carboxilo) o a ganar (el amino) protones, en función de la concentración de protones en el medio en que se encuentren. Esto hace que un mismo aminoácido pueda tener carga positiva, neutra o negativa dependiendo del pH.


El valor del pH del medio en el que un determinado aminoácido tiene carga neutra es su punto isoeléctrico. El punto isoeléctrico de los aminoácidos presenta bastante interés, porque permite su identificación y su separación de entre una mezcla.

En las proteínas aparecen hasta 20 aminoácidos distintos, que se diferencian entre sí por su grupo R. El más sencillo de todos ellos es la glicina o glicocola, en el que la cadena lateral (-R) es, simplemente, otro átomo de Hidrógeno. El resto, se suelen clasificar en grupos según las características de su cadena lateral.

Como se aprecia en la imagen, se suelen clasificar los aminoácidos en varios grupos:
  • Los polares se disuelven bien en el agua, y suelen situarse en las partes de la proteína que van a estar en contacto con el medio hidrófilo. Incluyen la glicina (gly), serina (ser), treonina (thr), cisteína (cys), asparragina (asn), glutamina (gln) y tirosina (tyr).
  • Los aminoácidos apolares, por el contrario, se disuelven muy mal en el agua, con la que no forman enlaces por puentes de hidrógeno. Esto hace que tiendan a agruparse entre sí, y a orientarse hacia el interior de la proteína o hacia entornos de naturaleza apolar. Por ejemplo, las proteínas que se integran dentro de la membrana celular tienen aminoácidos apolares en la zona hidrófoba de la bicapa. En las proteínas aparecen alanina (ala), valina (val), leucina (leu), isoleucina (ile), prolina (pro), metionina (met), fenilalanina (phe) y triptófano (trp).
  • Los aminoácidos ácidos tienen un segundo grupo carboxilo en su estructura. Son dos: el ácido glutámico (glu) y el ácido aspártico (asp).
  • Los aminoácidos básicos, de modo similar, tienen al menos dos grupos amino en su estructura. En las proteínas aparecen tres aminoácidos básicos: lisina (lys), histidina (his) arginina (arg).
Dos de estos aminoácidos incluyen un átomo de azufre en su composición: la metionina y la cisteína. Este último, además, es de gran importancia porque su átomo de azufre está en el extremo de la cadena lateral, lo que hace que pueda reaccionar con el átomo de azufre de otra cisteína, formando un enlace disulfuro. La formación de puentes disulfuro entre aminoácidos de la misma proteína es fundamental para que estas moléculas adquieran su forma tridimensional, que constituye la base de su actividad.

La formación de las proteínas: el enlace peptídico

Aparte de los grupos que constituyen sus cadenas laterales, todos los aminoácidos poseen dos grupos capaces de reaccionar químicamente y de hacerlo, además, el uno con el otro: el carboxilo (de carácter ácido) y el amino (de carácter básico). Así que dos aminoácidos, cualquiera de ellos, pueden reaccionar entre sí en una reacción ácido-base para formar una sal, con liberación de una molécula de agua. La nueva molécula formada es un péptido (más concretamente un dipéptido) y el enlace formado recibe el nombre de enlace peptídico.


El nuevo grupo químico formado, en el que un carbono carbonílico (unido a un oxígeno mediante un doble enlace) se une directamente a un nitrógeno es una amida.

El enlace peptídico se estabiliza por resonancia entre formas diferentes de organización de los electrones entre los átomos que lo establecen. Esta resonancia hace que dicho enlace sea algo más rígido que un enlace simple "normal", y presente ciertas características más parecidas a un doble enlace.

En cualquier caso, la particularidad más importante de la formación de un enlace peptídico entre dos aminoácidos es que el dipéptido formado tiene, de nuevo, un grupo carboxilo y un grupo amino libres, de forma que puede participar en la formación de nuevos enlaces de este tipo. Así, es posible la formación de cadenas, que reciben el nombre de péptidos cuando son cortas y de proteínas cuando son largas, de un número variable de aminoácidos, unidos entre sí mediante enlaces peptídicos, con un grupo carboxilo en un extremo y un grupo amino en el otro.

En una cadena de aminoácidos, el que presenta el grupo carboxilo no enlazado se denomina extremo carboxilo terminal (o, de modo más abreviado, C-terminal), y el que presenta el grupo amino libre se denomina extremo Amino terminal (o N-terminal). Debido al orden en que se produce la síntesis de proteínas en los seres vivos, se considera que el N-terminal es el primer aminoácido de la cadena. La relación ordenada de los aminoácidos que forman un péptido o una proteína, desde su extremo N-terminal a su extremo C-terminal es la secuencia de aminoácidos de esa proteína.

Los enlaces peptídicos son planos y rígidos, lo que hace que las proteínas se comporten como cadenas formadas por piezas rígidas articuladas entre sí. Por otra parte, los enlaces que forman los grupos laterales de los aminoácidos son, en su gran mayoría, sencillos y por lo tanto flexibles. La consecuencia de eso es que podemos imaginar una proteína como una varilla rígida pero articulada, que puede doblarse por multitud de puntos, y de la que "cuelgan" grupos que pueden moverse libremente en el espacio. Eso proporciona una gran variedad de formas tridimensionales posibles para este tipo de sustancias.