Representación de la estructura tridimensional digitalizada de lamioglobina. La figura corresponde a la transición conformacional entre las formas oxigenada Y desoxigenada.
La síntesis de las proteínas se presenta a través de latraducción ribosomal, es decir, que está a cargo de losribosomas y guiada por la información de una molécula deARNm que actúa como molde.[5]
Muchas proteínas están compuestas por una solacadena polipeptídica, por lo que se las llama proteínas monoméricas. Por otro lado, las proteínas «oligoméricas» presentan más de una cadena, que puede ser una copia adicional de ella o una cadena diferente, y a cada cadena polipeptídica se la llamasubunidad. Las proteínas oligoméricas presentanestructura cuaternaria.[6] Lamioglobina es un ejemplo de proteína monomérica y lahemoglobina, de proteína oligomérica.
Las proteínas pueden presentar adicionalmente una moléculaorgánica o bien uno o másiones para ser completamente funcionales, como es el caso de la mayoría de lasenzimas. Losgrupos prostéticos son estos componentes orgánicos no proteicos que están unidos fuertemente a la proteína y que hacen posibles sus funciones. Por otro lado, los iones unidos a las proteínas soncofactores.
Sonbiomoléculas muy diversas y son esenciales para la vida. La mayoría de las proteínas desempeñan más de una función (ver más adelante).
Sonpolímeros constituidas por tres unidades estructurales llamados aminoácidos.[7] Las proteínas son necesarias para la vida, sobre todo por su función plástica (constituyen el 80 % delprotoplasma deshidratado de toda célula), pero también por sus funcionesbiorreguladoras (forman parte de lasenzimas) y de defensa (losanticuerpos son proteínas).[8] Por este motivo el crecimiento, la reparación y el mantenimiento del organismo dependen de ellas.[9] Representan alrededor del 50 % del peso seco de los tejidos.[10]
Se clasifican de acuerdo con diversos criterios: localización, función, composición o elementos estructurales. A la fecha no existe un sistema único de clasificación.
La localización espacial y temporal de las proteínas depende de la regulación de laexpresión genética. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores externos. El conjunto de las proteínas expresadas en una circunstancia determinada es denominadoproteoma
Muchos organismos presentan otras biomoléculas formadas por aminoácidos,[11] pero cuya biosíntesis no depende del ribosoma; tal es el caso de algunospéptidos antimicrobianos desíntesis no ribosomal, los péptidos que entrelazan a los polisacáridos en lapeptidoglicana (pared celular bacteriana) y las toxinas de diversos organismos, como lasmicrocistinas.
Las moléculas proteicas abarcan una diversidad extraordinaria : presentes en enzimas, hormonas, proteínas de almacenamiento como los huevos de las aves y las de las semillas, proteínas de transporte como lahemoglobina, proteínas de contráctiles como las de los músculos, inmunoglobulinas (anticuerpos), proteínas de membranas y muchos otros tipos de proteínas estructurales. En relación con sus funciones, la diversidad es abrumadora; pero, en cuanto a su estructura, todas siguen un mismo plan general muy sencillo porque todas son polímeros de aminoácidos dispuestos en secuencias lineales.[12]
Los prótidos o proteínas sonbiopolímeros formados por un gran número de unidades estructurales simples denominadasaminoácidos, unidas porenlaces peptídicos. La formación de cada enlace peptídico ocurre por unareacción de condensación, entre elgrupo carboxilo (-COOH) y elgrupo amino (-NH2) de aminoácido subsecuentes, acompañado de la liberación de una molécula de agua, motivo por el cual se habla deresiduos de aminoácidos.[13]
Los aminoácidos que se incorporan durante latraducción son losestereoisómeros L-α-aminoácidos. La mayoría de organismos estudiados tiene proteínas formadas por combinaciones de 20 aminoácidos, que están especificados en elcódigo genético estándar. También se pueden encontrar en varias proteínas distintos aminoácidos modificados, como la 4-hidroxiprolina, 5-hidroxilisina, 6-N-metil-lisina, desmosina, γ-carboxiglutamato y la desmosina.[14] Muchos otros organismos presentan codones modificados para la incorporación deselenocisteína o depirrolisina.
Debido a su gran tamaño, cuando estas moléculas se dispersan en undisolvente adecuado, forman siempredispersiones coloidales, con características que las diferencian de las disoluciones de moléculas más pequeñas. Muchas proteínas presentan carga neta en ciertos rangos depH del medio. Por ello pueden considerarseionómeros.
Porhidrólisis, las moléculas de proteína se dividen en numerosos compuestos relativamente simples, de masa molecular pequeña, que son las unidades fundamentales constituyentes de lamacromolécula. Estas unidades son losaminoácidos, de los cuales existen veinteespecies diferentes y que se unen entre sí medianteenlaces peptídicos. Desde decenas a miles aminoácidos pueden participar en la formación de la gran molécula polimérica de una proteína.
Todas las proteínas tienencarbono,hidrógeno,oxígeno ynitrógeno, y casi todas poseen tambiénazufre. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido denitrógeno representa, por término medio, 16 % de la masa total de lamolécula; es decir, cada 6,25 g de proteína contienen 1 g de N. El factor 6,25 se utiliza para estimar la cantidad de proteína existente en una muestra a partir de la medición de N de la misma.[15]
Lasíntesis proteica es un proceso complejo cumplido por las células[16] según las directrices de la información suministrada por losgenes. La secuencia de aminoácidos en una proteína está codificada en sugen (una porción de ADN) mediante el código genético. Los residuos en una proteína sufren a veces modificaciones químicas pormodificación postraduccional. Dichas modificaciones ocurren antes de que la proteína sea funcional en lacélula o como parte de mecanismos de control. Las proteínas también pueden trabajar juntas para cumplir una función particular, a menudo asociándose para formarcomplejos proteicos estables. Las proteínas se ensamblan de diversas formas, lo que les permite participar como los principales componentes estructurales de las células y los tejidos.
Por sus propiedades fisicoquímicas, las proteínas se pueden clasificar en proteínas simples (holoproteidos), formadas solo poraminoácidos o sus derivados; o proteínas conjugadas (heteroproteidos), formadas por aminoácidos acompañados de sustancias diversas, y proteínas derivadas, sustancias formadas pordesnaturalización y desdoblamiento de las anteriores.
Las proteínas se ensamblan a partir de susaminoácidos utilizando la información codificada en losgenes. Cada proteína tiene su propia secuencia de aminoácidos que está especificada por la secuencia denucleótidos del gen que la codifica. Elcódigo genético está formado por un conjunto de tri-nucleótidos denominadoscodones. Cadacodón (combinación de tres nucleótidos) designa un aminoácido, por ejemplo AUG (adenina-uracilo-guanina) es el código para la metionina. Como elADN contiene cuatro nucleótidos distintos, el número total de codones posibles es 64; por lo tanto, existe cierta redundancia en el código genético, estando algunos aminoácidos codificados por más de un codón. Los genes codificados en elADN se transcriben primero en ARN pre-mensajero mediante proteínas como laARN polimerasa. La mayor parte de los organismos procesan entonces este pre-ARNm (también conocido como tránscrito primario) utilizando varias formas de modificación post-transcripcional para formar ARNm maduros, que se utilizan como molde para lasíntesis de proteínas en elribosoma. En losprocariotas el ARNm puede utilizarse tan pronto como se produce, o puede unirse alribosoma después de haberse alejado delnucleoide. Por el contrario, loseucariotas sintetizan el ARNm en elnúcleo celular y lo translocan a través de laenvoltura nuclear hasta elcitoplasma donde se realiza la síntesis proteica. La tasa de síntesis proteica es mayor en procariotas que en eucariotas y puede alcanzar los 20 aminoácidos por segundo.[17]
El proceso de sintetizar una proteína a partir de un molde deARNm se denomina traducción. ElARNm se carga en elribosoma y se lee, tres nucleótidos cada vez, emparejando cadacodón con suanticodón complementario localizado en una molécula deARN de transferencia que lleva el aminoácido correspondiente alcodón que reconoce. La enzimaaminoacil ARNt sintetasa "carga" las moléculas deARN de transferencia (ARNt) con los aminoácidos correctos. El polipéptido creciente se denomina cadena naciente. Las proteínas se biosintetizan siempre del extremo N-terminal al extremoC-terminal.
De esta forma, se consigue laestructura primaria de la proteína, es decir, su secuencia de aminoácidos. Ahora ésta debeplegarse de la forma adecuada para llegar a su estructura nativa, la que desempeña la función.Anfinsen en sus trabajos con la ribonucleasa A, postuló su hipótesis que dice que toda la información necesaria para el plegamiento se encuentra contenida enteramente en la estructura primaria.[18] Esto dio pie a que en 1969Levinthal sugiriese la existencia de una paradoja a la que se conoce como laparadoja de Levinthal: si una proteína se pliega explorando al azar todas las conformaciones posibles necesitaría un tiempo mayor que la edad del propio Universo. Dado que las proteínas se pliegan en un tiempo razonable y de forma espóntanea, se ha resuelto esta paradoja indicando que las proteínas no prueban todas las conformaciones posibles, sino que eligen una vía de plegamiento específica con un número de pasos finitos, es decir, se reduce el hiperespacio potencial de plegamiento. También cabe mencionar la existencia de chaperonas moleculares, proteínas que ayudan a otras a plegarse con gasto energético (ATP).[19]
El tamaño de la proteína sintetizada puede medirse por el número deaminoácidos que contiene y por sumasa molecular total, que normalmente se expresa endaltons (Da) (sinónimo deunidad de masa atómica), o su unidad derivada kilodalton (kDa). Por ejemplo, las proteínas de la levadura tienen en promedio 466 aminoácidos y una masa de 53 kDa. Las proteínas más largas que se conocen son las titinas, un componente delsarcómero muscular, con una masa molecular de casi 3000 kDa y una longitud total de casi 27 000 aminoácidos.[20]
Mediante una familia de métodos denominados desíntesis peptídica es posible sintentizar químicamente proteínas pequeñas. Estos métodos dependen de técnicas desíntesis orgánica como la ligación para producir péptidos en gran cantidad.[21] Lasíntesis química permite introducir aminoácidos no naturales en la cadena polipeptídica, como por ejemplo aminoácidos con sondas fluorescentes ligadas a sus cadenas laterales.[22] Estos métodos son útiles en laboratorios de bioquímica y biología celular, pero no tanto para aplicaciones comerciales. La síntesis química es ineficiente para polipéptidos de más de 300 aminoácidos, y las proteínas sintetizadas puede que no adopten fácilmente su estructura tridimensional nativa. La mayor parte de los métodos de síntesis química proceden del extremo C-terminal al extremo N-terminal, en dirección contraria por tanto a la reacción biológica.[23]
Al igual que la síntesis de las proteínas, su degradación es un proceso complejo y regulado con cuidado. la conjugación de las proteínas con el polipéptido de 74 aminoácidos ubiquitina las marca para su degradación. Este polipéptido se ha conservado mucho a lo largo de la evolución y está presente en especies que van de desde las bacterias hasta los seres humanos. Se ha sostenido que es esencial un grupo NH2- libre terminal para unirse a la ubiquitina, pero la conformación causante del proceso es, en la actualidad, un tema de debate y de activa investigación.[24]
Todas las proteínas realizan elementales funciones para la vidacelular, pero hay proteínas que tienen más de una actividad. Entre las distintas funciones se conocen las siguientes:
Catálisis: Lasenzimas proteicas que se encargan de realizarreacciones químicas de una manera más rápida y eficiente. Procesos que resultan de suma importancia para el organismo. Por ejemplo lapepsina, esta enzima se encuentra en elsistema digestivo y se encarga dedegradar los alimentos.
Reguladoras: Lashormonas proteicas ayudan a mantener lahomeostasis en el cuerpo. Tal es el caso de lainsulina que se encarga de regular laglucosa que se encuentra en lasangre.
Estructural: Muchas proteínas determinan la forma o el soporte en las células y los tejidos, ya que forman cables o rieles para dirigir el movimiento y se forman por el ensamble de subunidades.[26] Este es el caso de latubulina que se encuentra en elcitoesqueleto. También otras proteínas tienen la función de dar resistencia y elasticidad que permite formartejidos así como la de dar soporte a otras estructuras. Por ejemplo, lacolágena es el principal componente de la matriz extracelular del tejido conectivo.
Receptoras: Este tipo de proteínas se encuentran en lamembrana celular y llevan a cabo la función de recibir señales para que la célula pueda realizar su función, como elreceptor de acetilcolina que recibe señales para producir la contracción muscular.
Proteínas motoras. Estas proteínas actúan como motores de escala nanométrica que mueven a otros componentes celulares. Por ejemplo, en las fibras musculares laactina compone a los microfilamentos de las células y lamiosina activa el movimiento durante la contracción muscular.
Funciones de reservay almacenamiento. Son materia prima como fuente de carbono y de energía química en diferentes organismos. Ejemplos: laovoalbúmina en el huevo, o lacaseína de la leche. Laferritina forma una estructura hueca donde se almacena hierro.
Prácticamente todos los procesos biológicos dependen de la presencia o la actividad de este tipo de moléculas. Muchas proteínas que se encuentran en elcitoplasma colaboran además en el mantenimiento delpH, ya que actúan como untampón químico.
Es la manera como se organiza una proteína para adquirir cierta forma, presentan una disposición característica en condiciones fisiológicas, pero si se cambian estas condiciones como temperatura opH pierde la conformación y su función, proceso denominado desnaturalización. La función depende de la conformación y ésta viene determinada por lasecuencia de aminoácidos en un medio determinado. Una hipótesis propone que solamente una conformación es funcional termodinámicamente.
Y es esa manera de organización que tiene cada proteína la que definirá sus propiedades biológicas tales como las inmunológicas, enzimáticas u hormonales. Si ocurre una modificación o pérdida de esa confomación "nativa" se sucederán cambios en su entorno y por lo tanto cambios en sus propiedades.[27]
Para el estudio de la estructura es frecuente considerar una división en cuatro niveles de organización, aunque el cuarto no siempre está presente.
Están compuestos por tres o cuatro aminoácidos, son giros se encuentran en la superficie de una proteína, formando curvas cerradas que redirigen el esqueleto del polipéptido de vuelta hacia el interior, glicina y prolina son comúnmente presentes en los giros, son estructuras definidas.[29]
Son combinaciones particulares de estructura secundaria, se acumulan en la estructura terciaria de una proteína. En algunos casos, los motivos son para una función específica asociada, los tres principales motivos[29] son:
Hélice-giro-hélice: caracteriza a la familia de factores transcripcionales.
Dedo de cinc: encontrado en proteínas que enlazan ARN o ADN.
Son parte de laestructura terciaria de las proteínas, es una región compacta plegada del polipéptido, que no dependen de otras partes de la proteína para mantener su estabilidad. Pueden ser diferentes combinaciones de motivos, por ejemplo, la membrana viral presenta dos tipos de dominios, un dominio globular y un dominio fibroso.
Cinco son las propiedades principales que permiten la existencia y aseguran la función de las proteínas:
Amortiguador de pH (conocido comoefecto tampón): Actúan como amortiguadores de pH debido a su carácter anfótero, es decir, pueden comportarse como ácidos (donando electrones) o como bases (aceptando electrones).
Capacidad electrolítica: Se determina a través de laelectroforesis, técnica analítica en la cual si las proteínas se trasladan al polo positivo es porque su molécula tiene carga negativa y viceversa.
Estabilidad: La proteína debe ser estable en el medio donde desempeñe su función. Para ello, la mayoría de proteínas acuosas crean un núcleo hidrofóbico empaquetado. Está relacionado con su vida media y el recambio proteico.
Solubilidad: Es necesario solvatar la proteína, lo cual se consigue exponiendo residuos de similar grado de polaridad al medio en la superficie proteica. Se mantiene siempre y cuando los enlaces fuertes y débiles estén presentes. Si se aumenta latemperatura y elpH se pierde la solubilidad.
Estas propiedades son el resultado de tres actividades principales que presentan distintas proteínas:[26]
se unen a otrasbiomoléculas, incluyendo otras proteínas
El cumplimiento de su función por parte de una proteína depende del mantenimiento de una conformación adecuada, lo cual, a su vez, exige que sus estructuras (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria) no sufran alteraciones. La desorganización en la estructura molecular lleva a la pérdida de las propiedades y funciones naturales de la proteína. Por eso se llama a este proceso desnaturalización.[30]
Cuando las proteínas pierden su función y estructura por cambios repentinos y drásticos en las condiciones del medio, se dice que sedesnaturalizaron. Las enzimas pierden sus propiedades catalíticas, ya sea por la pérdida de la estructura en elsitio activo o de lacoenzima. Esta variación de la conformación se denomina desnaturalización. La desnaturalización no afecta a losenlaces peptídicos: al volver a las condiciones normales, puede darse el caso de que la proteína recupere la conformación primitiva, lo que se denominarenaturalización.
Desnaturalización de una proteína.
Los cambios que provocan la desnaturalización pueden ser variaciones bruscas detemperatura,pH,fuerza iónica,presión osmótica opresión hidrostática o la adición de solventes orgánicos (por ej. acetona, hexanos, tolueno). A estos factores que provocan la desnaturalización se les llamaagentes desnaturalizantes.
En lasproteínas globulares se asume que laconformación nativa de una proteína es la estructura funcional, la cual consiste en una forma compacta, con los residuos hidrofóbicos localizados en el interior de su estructura y con los residuos polares o cargados expuestos en la superficie de la proteína. Pero laconformacióndesnaturalizada es aquella en la que están expuestos estos residuos hidrofóbicos. Ambas conformaciones, nativa y desnaturalizada, corresponden a estructuras de mínima energía, ya que las interacciones entre las distintas partes de la proteína y el solvente se encuentran estabilizadas.[31] En muchas ocasiones, las proteínas desnaturalizadas formanagregados inespecíficos y seprecipitan. De este modo, la capa de moléculas de agua no recubre completamente a las moléculas proteicas, las cuales tienden a unirse entre sí dando lugar a grandes partículas que precipitan.
Los agentes desnaturalizantes mencionados arriba, desestabilizan a las proteínas y provocan que pierdan suplegamiento, o lo que es lo mismo, vuelven al estado desnaturalizado más favorable en comparación con el estado plegado compacto. Los distintos destaturalizantes actúan por mecanismos diferentes, pero es probable que muchos (como los disolventes orgánicos, sales, ácidos y bases) actúen por medio de uniones favorables con la columna vertebral de enlaces peptídicos. De esta manera estabilizan a la forma desnaturalizada, ya que presenta un mayor número de estos enlaces.[31] Algunos de estos agentes desnaturalizantes provocan el rompimiento deenlaces covalentes cuando están en concentraciones muy elevadas (por ej.,hidrólisis ácida de los enlaces peptídicos), y en estas circunstancias es imposible la recuperación de la conformación nativa.
Bajo condiciones controladas, se puede provocar la desnaturalización suave o lenta de las proteínas y después aplicar un método inverso para larenaturalización de las proteínas de la muestra. Esto solamente es posible con algunas proteínas, como laribonucleasa A (RNasa A, verexperimento de Anfinsen).
Ejemplos de desnaturalización son laleche cortada como consecuencia de la desnaturalización de lacaseína, la precipitación de laclara de huevo al desnaturalizarse laovoalbúmina por efecto delcalor o la fijación de un peinado del cabello por efecto decalor sobre lasqueratinas delpelo.[32]
La determinación de la estabilidad proteínica puede realizarse con diversas técnicas. La única de ellas que mide directamente los parámetros energéticos es lacalorimetría (normalmente en la modalidad de calorimetría diferencial de barrido). En ésta se mide la cantidad de calor que absorbe una disolución de proteína cuando es calentada, de modo que al aumentar la temperatura se produce una transición entre el estado nativo y el estado desnaturalizado que lleva asociada la absorción de una gran cantidad de calor.
El resto de técnicas miden propiedades de las proteínas que son distintas en el estado nativo y en el estado desplegado. Entre ellas se pueden citar la fluorescencia detriptófanos ytirosinas, eldicroísmo circular,radio hidrodinámico,espectroscopia infrarroja y laresonancia magnética nuclear. Una vez hemos elegido la propiedad que vamos a medir para seguir la desnaturalización de la proteína, podemos distinguir dos modalidades: Aquellas que usan como agente desnaturalizante el incremento de temperatura y aquellas que hacen uso de agentes químicos (comourea,cloruro de guanidinio,tiocianato de guanidinio,alcoholes, etc.). Estas últimas relacionan la concentración del agente utilizado con la energía necesaria para la desnaturalización. Una de las técnicas que han emergido en el estudio de las proteínas es la microscopía de fuerza atómica, esta técnica es cualitativamente distinta de las demás, puesto que no trabaja con sistemas macroscópicos, sino con moléculas individuales. Mide la estabilidad de la proteína a través del trabajo necesario para desnaturalizarla cuando se aplica una fuerza por un extremo mientras se mantiene el otro extremo fijo a una superficie.
La importancia del estudio de la estabilidad proteica está en sus implicaciones biomédicas y biotecnológicas. Así, enfermedades como elAlzheimer o elParkinson están relacionadas con la formación deamiloides (polímeros de proteínas desnaturalizadas). El tratamiento eficaz de estas enfermedades podría encontrarse en el desarrollo defármacos que desestabilizaran las formas amiloidogénicas o bien que estabilizaran las formas nativas. Por otro lado, cada vez más proteínas van siendo utilizadas como fármacos. Resulta obvio que los fármacos deben presentar una estabilidad que les dé un alto tiempo de vida cuando están almacenados y un tiempo de vida limitado cuando están realizando su acción en el cuerpo humano.
Su uso en las aplicacionesbiotecnológicas se dificulta debido a que pese a su extrema eficacia catalítica presentan una baja estabilidad, ya que muchas proteínas de potencial interés apenas mantienen su configuración nativa y funcional por unas horas.
Se pueden aplicar distintos criterios para clasificar a las proteínas y no existe un sistema universal de clasificación. Se ofrecen los que se citan con más frecuencia.
Fibrosas: presentan cadenas polipeptídicas largas y una estructura secundaria en la cual predomina un tipo de estructura secundaria: hélice alfa u hoja beta. Tienen secuencias repetitivas de residuos. Usualmente tienen función estructural. Se asocian en forma paralela y con frecuencia las cadenas vecinas están entrecruzadas con enlaces covalentes (disulfuro o de otro tipo).[33] Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas. Algunos ejemplos de éstas sonqueratina,colágeno yfibrina.
Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína y grupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventes polares como el agua. Presentan elementos diversos de estructura secundaria en una misma cadena polipeptídica (hélices alfa, hojas beta, giros, vueltas, regiones intrínsecamente desordenadas). Las hojas beta comúnmente están enrolladas o envueltas.[33] La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares.
Mixtas: posee una parte fibrilar (comúnmente en el centro de la proteína) y otra parte globular (en los extremos).
Proteínas integrales de membrana (o proteínas transmembranales): presentan secuencias de residuos hidrofóbicos, que usualmente adoptan conformaciones de hélice alfa o hebras beta afines a la parte hidrofóbica de las membranas celulares. Siguen mecanismos de plegamiento distintos a las de las proteínas citoplásmicas.
Proteínas intrínsecamente desordenadas. Tienen una estructura flexible que cambia en función de sus interacciones con el disolvente o con otras moléculas que actúan como ligandos. Usualmente tienen una composición rica en residuos cargados (lisina, arginina, glutamato, aspartato e histidina) y se les encuentra con mayor frecuencia en células eucariontes que en procariontes. Muchas proteínas presentan dominios intrínsecamente desordenados (comop53), pero otras carecen completamente de estructura rígida (por ej., lasproteínas ribosomales o delspliceosoma).[34]
Proteínas conjugadas oheteroproteína: estas proteínas contienen cadenas polipeptídicas y un grupo prostético. La porción no aminoacídica se denomina grupo prostético, estos pueden ser un ácido nucleico, un lípido, un azúcar o ion inorgánico. Ejemplo de estas son lamioglobina y loscitocromo. Las proteínas conjugados o heteroproteínas se clasifican de acuerdo a la naturaleza de su grupo prostético:
Nucleoproteínas: Su grupo prostético son los ácidos nucleicos.
Lipoproteínas: Su grupo prostético son los fosfolípidos, colesterol y triglicéridos.
Metaloproteínas: El grupo prostético está formado por metales.
Cromoproteínas: Son proteínas conjugadas por un grupo cromóforo (sustancia coloreada que contiene un metal).
Glucoproteínas: El grupo prostético está formado por los carbohidratos.[35]
Fosfoproteínas: Son proteínas conjugadas con un radical que contiene fosfato, distinto de un ácido nucleico o de un fosfolípido.
Las fuentes dietéticas de proteínas incluyen carne, huevos, legumbres, frutos secos, cereales, verduras y productos lácteos tales comoqueso oyogur. Tanto las proteínas de origen animal, como las de origen vegetal, poseen los 20aminoácidos necesarios para la alimentación humana. El yogur contiene dos tipos principales de proteínas:caseína yproteína de suero de leche. Ambas son consideradas de alto valor biológico debido a su riqueza enaminoácidos esenciales y su elevadadigestibilidad.[36]
Las diferentes proteínas tienen diferentes niveles de familia biológica para el cuerpo humano. Muchos índices han sido definidos para medir la tasa de utilización y retención de proteínas en humanos. Estos incluyen valor biológico, NPU (Net Protein Utilization), NPR (Cociente Proteico Neto) y PDCAAS (Protein Digestibility Corrected Amino Acids Score), la cual fue desarrollado por laFDA mejorando el PER (Protein Efficiency Ratio). Estos métodos examinan qué proteínas son más eficientemente usadas por el organismo.
El reactivo de Biuret está formado por una disolución desulfato de cobre en medioalcalino, este reconoce el enlace peptídico de las proteínas mediante la formación de un complejo de coordinación entre los iones Cu2+ y los pares deelectrones no compartidos delnitrógeno que forma parte de los enlaces peptídicos, lo que produce una coloración rojo-violeta.
Se pone de manifiesto por la formación de un precipitado negruzco de sulfuro de plomo. Se basa esta reacción en la separación mediante un álcali, del azufre de los aminoácidos, el cual al reaccionar con una solución de acetato de plomo, forma el sulfuro de plomo.
Reconoce residuosfenólicos, o sea aquellas proteínas que contengantirosina. Las proteínas se precipitan por acción de los ácidos inorgánicos fuertes del reactivo, dando un precipitado blanco que se vuelve gradualmente rojo al calentar.
Deficiencia de proteínas en países en vías de desarrollo
La deficiencia de proteínas es una causa importante de enfermedad y muerte en paísesen vías de desarrollo. La deficiencia de proteínas juega una parte en la enfermedad conocida comokwashiorkor. Laguerra, lahambruna, lasobrepoblación y otros factores incrementaron la tasa demalnutrición y deficiencia de proteínas. La deficiencia de proteínas puede conducir a unainteligencia reducida oretardo mental.
La malnutrición proteico-calórica afecta a 500 millones de personas y más de 10 millones anualmente.[cita requerida] En casos graves el número decélulas blancas disminuye, y la misma manera se ve reducida drásticamente la habilidad de losleucocitos de combatir una infección.
Deficiencia de proteínas en países desarrollados
La deficiencia de proteínas es rara en países desarrollados, pero un pequeño número de personas tiene dificultad para obtener suficientes proteínas debido a la pobreza. La deficiencia de proteínas también puede ocurrir en países desarrollados en personas que están haciendo dieta para perder peso, o en adultos mayores que pueden tener una dieta pobre. Las personas convalecientes que se recuperan de una cirugía, trauma o enfermedad pueden tener déficit proteico si no incrementan su consumo para soportar el incremento en sus necesidades. Una deficiencia también puede ocurrir si la proteína consumida por una persona está incompleta y falla en proveerla de todos los aminoácidos esenciales.
Como el organismo es incapaz de almacenar las proteínas, el exceso de proteínas es digerido y convertido enazúcares oácidos grasos. Elhígado retira elnitrógeno de losaminoácidos, una manera de que estos pueden ser consumidos como combustible, y el nitrógeno es incorporado en laurea, la sustancia que es excretada por los riñones. Estos órganos normalmente pueden lidiar con cualquier sobrecarga adicional, pero si se padece una enfermedad renal, frecuentemente se prescribirá una disminución en la proteínas.
El exceso en el consumo de proteínas también puede causar la pérdida decalcio corporal, lo cual puede conducir a pérdida de masa ósea a largo plazo. Sin embargo, varios suplementos proteicos vienen suplementados con diferentes cantidades decalcio por ración, de manera que pueden contrarrestar el efecto de la pérdida de calcio.
Algunos médicos sospechan[¿quién?] que el consumo excesivo de proteínas está ligado a varios problemas:
Disfunción hepática debido al incremento de residuos tóxicos.
Pérdida de densidad ósea; la fragilidad de los huesos se debe a que el calcio y laglutamina se filtran de los huesos y el tejido muscular para balancear el incremento en la ingesta de ácidos a partir de la dieta. Este efecto no está presente si el consumo de mineralesalcalinos (a partir de frutas y vegetales [los cereales son ácidos como las proteínas; lasgrasas son neutrales]) es alto.
En tales casos, el consumo de proteínas esanabólico para el hueso. Algunos investigadores[¿quién?] piensan que un consumo excesivo de proteínas produce un incremento forzado en laexcreción del calcio. Si hay consumo excesivo de proteínas, se piensa que un consumo regular de calcio sería capaz de estabilizar, o inclusive incrementar, la captación de calcio por elintestino delgado,[cita requerida] lo cual sería más beneficioso en mujeres mayores.[cita requerida]
Las proteínas son frecuentemente causa dealergias y reacciones alérgicas a ciertosalimentos. Esto ocurre porque la estructura de cada forma de proteína es ligeramente diferente. Algunas pueden desencadenar una respuesta a partir delsistema inmune, mientras que otras permanecen perfectamente seguras. Muchas personas sonalérgicas a lacaseína (la proteína en la leche), algluten (la proteína en eltrigo y otros granos), a la proteína particular encontrada en elmaní o aquellas presentes enmariscos y otras comidas marinas.
Es extremadamente inusual que una misma persona reaccione adversamente a más de dos tipos diferentes de proteínas, debido a la diversidad entre los tipos de proteínas oaminoácidos. Aparte de eso, las proteínas ayudan a la formación de lamasa muscular.
Las proteínas en los alimentos, es un parámetro de importancia desde el punto de vista económico y de la calidad y cualidades organolépticas y nutricionales. Debido a ello su medición está incluida dentro delAnálisis Químico Proximal de los alimentos (en el cual se mide principalmente el contenido dehumedad,grasa, proteína ycenizas).[38]
El clásico ensayo para medir concentración de proteínas en alimentos es elmétodo de Kjeldahl. Este ensayo determina el nitrógeno total en una muestra. El único componente de la mayoría de los alimentos que contiene nitrógeno son las proteínas (las grasas, los carbohidratos y la fibra dietética no contienen nitrógeno). Si la cantidad de nitrógeno es multiplicada por un factor dependiente del tipo de proteína esperada en el alimento, la cantidad total de proteínas puede ser determinada. En las etiquetas de los alimentos, la proteína es expresada como el nitrógeno multiplicado por 6,25, porque el contenido de nitrógeno promedio de las proteínas es de aproximadamente 16 %. El método de Kjeldahl es usado porque es el método que la AOAC International ha adoptado y por lo tanto es usado por varias agencias alimentarias alrededor del mundo.[39]
Existen otros ensayos realizados para cuantificar del contenido de proteínas y se basan en distintos principios:
Reacción química del enlace peptídico y posterior medida fotométrica ( por ejemplo el método de Biuret)
Reacción química de determinados aminoácidos de la proteína y posterior medida fotométrica (por ejemplo determinación con el reactivo Folin-Ciocalteu; reacciona fundamentalmente la tirosina)
Medida de absorción ultravioleta (determinación de los aminoácidos aromáticos Triptófano, tirosina y fenilalanina)
Medida de la turbidez por floculación de la proteína disuelta mediante un precipitante de proteínas.
La digestión de las proteínas se inicia típicamente en elestómago, cuando elpepsinógeno es convertido apepsina por la acción delácido clorhídrico, y continúa por la acción de latripsina y laquimotripsina en elintestino. Las proteínas de la dieta son degradadas apéptidos cada vez más pequeños, y estos hasta aminoácidos y sus derivados, que son absorbidos por elepitelio gastrointestinal. La tasa de absorción de los aminoácidos individuales es altamente dependiente de la fuente de proteínas. Por ejemplo, la digestibilidad de muchos aminoácidos en humanos difiere entre la proteína de lasoja y la proteína de laleche[40] y entre proteínas de la leche individuales, como beta-lactoglobulina ycaseína.[41]
Para las proteínas de la leche, aproximadamente el 50 % de la proteína ingerida se absorbe en el duodeno o elyeyuno,[42] y el 90 % se ha absorbido ya cuando los alimentos ingeridos alcanzan elíleon.[43]
Además de su rol en la síntesis de proteínas, los aminoácidos también son una importante fuente nutricional de nitrógeno. Las proteínas, al igual que loscarbohidratos, contienen cuatrokilocalorías por gramo, mientras que loslípidos contienen nueve kcal., y losalcoholes, siete kcal. Los aminoácidos pueden ser convertidos en glucosa a través de un proceso llamadogluconeogénesis.
Las estructuras y actividades de las proteínas pueden ser estudiadasin vitro,in vivo ein silico. Los estudiosin vitro de proteínas purificadas en ambientes controlados son útiles para comprender de qué manera una proteína lleva a cabo su función: por ejemplo, los estudios decinética enzimática exploran losmecanismos químicos de la actividad catalítica de una enzima y su afinidad relativa por diferentes sustratos moleculares. Por su parte, los experimentosin vivo pueden aportar información sobre el papel fisiológico de una determinada enzima en el contexto de lacélula o incluso de todo unorganismo. Los estudiosin silico usan métodos computacionales para el estudio de las proteínas.[44]
Para realizar el análisis in vitro de una proteína, esta debe ser separada de otros componentes celulares. Este proceso generalmente empieza con lalisis de la célula, en la cual se destruye la membrana celular y su contenido se libera formando una solución llamadalisado crudo. La mezcla resultante puede ser purificada utilizandocentrifugación diferencial, que separa los distintos componentes celulares en fracciones que contienen proteínas solubles; lípidos y proteínas de membrana; orgánulos celulares yácidos nucléicos. Laprecipitación por unmétodo que se basa en la utilización de elevadas concentraciones salinas puede concentrar las proteínas del lisado. Diversos tipos decromatografía se usan para aislar la proteína o proteínas de interés basándose en propiedades como la masa molecular, carga neta o afinidad de unión. El nivel de purificación puede ser monitorizado empleando varios tipos deelectroforesis en gel si se conocen lamasa molecular y elpunto isoeléctrico de la proteína estudiada, porespectroscopía si la proteína tiene características espectroscópicas distinguibles, o bien por ensayos de enzimas si la proteína tiene una actividad enzimática. Además, las proteínas pueden ser aisladas según su carga por medio de la técnica deisoelectroenfoque.
Para las proteínas naturales, pueden ser necesarios varios pasos de purificación para obtener proteína suficientemente pura para su uso en laboratorios. Para simplificar este proceso se utiliza a menudo laingeniería genética para añadir características químicas a la proteína que faciliten su purificación, sin alterar su estructura o función. Como ejemplo, se le puede unir al final de la proteína unaetiqueta consistente en una secuencia de aminoácidos específica, a menudo una serie de residuos dehistidina. Como resultado, cuando el lisado se hace pasar por una columna de cromatografía que contenganíquel los residuos de histidina se unen al níquel y anclan la proteína a la columna mientras que los componentes no etiquetados del lisado pasan sin impedimento.
Proteínas localizadas en distintos compartimentos celulares y estructuras etiquetadas conproteína verde fluorescente (que aquí se ve blanca).
El estudio de las proteínas in vivo trata de conocer cual es la localización y el lugar de síntesis de la proteína en la célula. Aunque muchas proteínas intracelulares se sintetizan en el citoplasma y las proteínas de membrana o secretadas en elretículo endoplasmático, los detalles de cómo las proteínas son dirigidas a orgánulos o estructuras celulares específicas no se conocen bien. Una técnica útil para estimar la localización celular utiliza laingeniería genética para expresar en la célula unaproteína de fusión oquimera formada por la proteína natural de interés unida a unreportero como laproteína verde fluorescente. La localización en la célula de la proteína fusionada puede ser visualizada de forma clara y eficiente pormicroscopía, como se ve en el ejemplo de la figura.
Otro método para elucidar la localización celular de las proteínas de marcadores de compartimento conocidos para regiones como elretículo endoplasmático,aparato de golgi,lisosomas,vacuolas,mitocondrias,cloroplastos,membrana plasmática, etc. Con el uso se versiones etiquetadas con fluorescencia de estos marcadores o de anticuerpos para marcadores conocidos se facilita la localización celular de una proteína de interés. Por ejemplo, lainmunofluorescencia indirecta permite la colocalización por fluorescencia y la demostración de la localización. Las tinciones fluorescentes se usan para etiquetar compartimentos celulares con un propósito similar.
Existen otras posibilidades. Por ejemplo, lainmunohistoquímica utiliza un anticuerpo específico de una o varias proteínas de interés que están conjugadas a enzimas que producen señales por luminiscencia o cromogénicas que pueden detectarse y compararse entre muestras, lo que permite obtener información sobre la localización celular de las proteínas. Otra técnica aplicable es la cofraccionación en gradientes desacarosa (u otro material) utilizando la centrifugación isopícnica o diferencial.
1838 el nombre"Proteína" (del griego proteios, "primero") fue sugerido porJöns Jacob Berzelius para la sustancia compleja rica en nitrógeno hallada en las células de todos los animales y vegetales.
1819-1904 se descubren la mayor parte de los 20aminoácidos comunes en las proteínas.
1894Hermann Emil Fischer propone una analogía "llave y cerradura" para las interaccionesenzima-sustrato.
1897 Buchner y Buchner demostraron que los extractos exentos de células de levadura pueden fermentar la sacarosa para formar dióxido de carbono yetanol, por lo tanto sentaron las bases de laenzimología.
1934 Bernal y Crowfoot prepararon los primeros patrones detallados de una proteína pordifracción de rayos X, obteniendo a partir de cristales de la enzima pepsina.
1951Linus Carl Pauling YRobert Corey propusieron la estructura de una conformación helicoidal de una cadena de aminoácidos-la "hélice" α-y la estructura de la "lámina" β, las cuales fueron halladas posteriormente en muchas proteínas.
1955Frederick Sanger determina por primera vez la secuencia de aminoácidos de una proteína (insulina).
1956Vernon Ingram produjo la primerahuella proteica y demostró que la diferencia entre la hemoglobina de la anemia falciforme y la hemoglobina normal se debe al cambio de un solo aminoácido.
1960John Kendrew describió la primera estructura tridimensional detallada de una proteína (lamioglobina del esperma de la ballena) con una resolución de 0,2 nm, y Perutz propuso una estructura de resolución mucho más baja para la hemoglobina.
1963 Monod, Jacob y Changeux reconocieron que muchas enzimas se regulan por medio decambios alostéricos en su conformación.
1969 Levinthal propone la parádoja sobre el plegamiento que se conoce con su nombre,Paradoja de Levinthal.
1972Christian B. Anfinsen recibe el Nobel de Química por sus trabajos con la ribonucleasa, lo que le llevó a proponer su famosa hipótesis sobre el plegamiento.
↑Martinez Silva, A.; Dinkova, T. (Septiembre, 2010). «Mecanismos de regulación traduccional mediados por el factor de inicio 4e:las dos caras de la moneda.».Revista de Educación Bioquímica29 (3): 82:91.|fechaacceso= requiere|url= (ayuda)
↑Solomon (2013). «La química de la vida; compuestos orgánicos.».Biología. Cengage.
↑Badui Dergal, Química de los Alimentos (2006).«capítulo 3». En Enrique Quintanar Duarte, ed.Química de los alimentos. Biblioteca de la Escuela Técnica 4-005 Josefa Capdivila Balcarce 96 San Martín: Pearson Educación. p. 209.ISBN970-26-0670-5. Consultado el 5 de julio de 2019.
↑Bruckdorfer, T; Marder O; Albericio F (2004). «From production of peptides in milligram amounts for research to multi-tons quantities for drugs of the future».Current Pharmaceutical Biotechnology5 (1): 29-43.PMID14965208.doi:10.2174/1389201043489620.
↑Schwarzer, D; Cole P (2005). «Protein semisynthesis and expressed protein ligation: chasing a protein's tail».Current Opinions in Chemical Biology9 (6): 561-69.PMID16226484.doi:10.1016/j.cbpa.2005.09.018.
↑abcMolecular cell biology, Lodish H., Berk A., Matsudaira P., Kaiser C., Krieger M., Scott M., Zipursky S., Darnell J.(2004) 5ª Edición.RR Donelley & Sons Company. 59-72 pp.
↑Blanco, Antonio (1993). «Proteínas».Química Biológica. El Ateneo. p. 46.
↑abMathews, Christopher K., 1937-; Ahern, Kevin G.; González de Buitrago, José Manuel, (2002).Bioquímica. Addison Wesley.ISBN84-7829-053-2.OCLC53317350. Consultado el 9 de abril de 2020.
↑Matissek, Schnepel, Steiner. «3: Proteínas, péptidos, aminoácidos».Análisis de los Alimentos. Fundamentos-Métodos - Aplicaciones. Acribia S.A. p. 93.
↑Gaudichon C, Bos C, Morens C, Petzke KJ, Mariotti F, Everwand J, Benamouzig R, Dare S, Tome D, Metges CC. (2002). Ileal losses of nitrogen and amino acids in humans and their importance to the assessment of amino acid requirements. Gastroenterology 123(1):50-9.
↑Mahe S, Roos N, Benamouzig R, Davin L, Luengo C, Gagnon L, Gausseunrges N, Rautureau J, Tome D. (1996). Gastrojejunal kinetics and the digestion of 15Nbeta-lactoglobulin and casein in humans: the influence of the nature and quantity of the protein. Am J Clin Nutr 63(4):546-52.
Kerstetter, J. E., O'Brien, K. O., Caseria, D.M, Wall, D. E. & Insogna, K. L (2005)The impact of dietary protein on calcium absorption and kinetic measures of bone turnover in women. J Clin Endocrinol Metab (2005) Vol. 90, p. 26-31.
-es.png)
