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de los seres vivos)(Referencias
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Las proteínas son macromoléculas que pueden llevar a cabo
virtualmente todas las actividades de la célula, excepto por aquellas
relacionadas con el almacenamiento basal de la información genética. Las
proteínas pueden entenderse parcialmente con la analogía de herramientas o
máquinas que hacen que las cosas sucedan. Como enzimas, las proteínas son
capaces de acelerar tremendamente la tasa de las reacciones metabólicas; como
unidades estructurales, las proteínas pueden conformar esqueletos flexibles y
móviles, tanto al interior de las células como en sus perímetros circundantes.
Figura 32. Las proteínas y sus
funciones. Estructuras como el cabello o las plumas se encuentran hechas de
proteínas, que les otorgan no solo su estructura básica, sino también sus
colores representativos. Como hormonas y factores de crecimiento, las proteínas
transmiten órdenes por el cuerpo permitiendo que este pueda organizarse de
manera coordinada para relacionarse con el medioambiente del individuo. Algunas
proteínas pueden incluso unirse a fragmentos del ADN impidiendo la activación
de los genes y por lo tanto regulando la expresividad del genoma a un nivel
epigenético.
Como receptores de membrana las proteínas median la
interacción de la célula con el medioambiente, sirviendo como activadores o
como puertas de ingreso a diversas sustancias, siendo las principales
responsables del transporte pasivo y del transporte activo a través de la
membrana de la célula y de los organelos. Las proteínas pueden funcionar como
factores del sistema inmune alertando a las células para que devoren a los
invasores, como venenos o toxinas para atacar a los depredadores, a las presas
o a los competidores, y como factores reguladores de la homeostasis, como por
ejemplo impidiendo que se pierda sangre ante un corte como factores de
coagulación.
¿Cómo es que un tipo de moléculas puede tener tantas
funciones diferentes? La explicación reside en que las proteínas pueden asumir
virtualmente cualquier forma, de hecho, eso es lo que significa su nombre, pero
no son formas rígidas, la estructura de las proteínas es flexible e incluso
mecánica, lo cual les permite formar entramados que son describibles en
términos de máquinas moleculares con propiedades químicas.
Aunque como tipo, la forma de las proteínas es casi que
infinita, como moléculas individuales, la estructura de una proteína es
específica, y solo lo comparte con aquellas proteínas de una misma familia que
comparten un pasado evolutivo común. Adicionalmente las reacciones o
movimientos que hacen las proteínas no son absolutamente específicos, pues no
funcionan como un código, por ejemplo las enzimas catalizaran reacciones
químicas semejantes para reactivos semejantes, por medio de la selección
natural se puede restringir el número de reacciones semejantes catalizadas,
pero generalmente siempre hay un grupo de reactivos secundarios posibles para
una enzima por muy específica que esta pueda ser, estas reacciones cruzadas son
culpables entre otras de permitir la entrada de agentes infecciosos
potencialmente letales al cuerpo o de permitir las adicciones por reacciones
cruzadas con sustancias externas parecidas a las que el propio cuerpo produce.
Tomando en cuenta que las reacciones cruzadas son pocas con
respecto a todas las reacciones químicas que ocurren naturalmente sin las
enzimas, estas exhiben una gran especificidad. Por ejemplo, una enzima que
corta el ADN puede detectar secuencias de hasta 8 nucleótidos, ignorando a unas
65.535 combinaciones posibles.
Las proteínas son de importancia primordial en la estructura
y función de las células. Estas son algunas de sus muchas funciones:
Algunas proteínas son proteínas estructurales. Los ejemplos
incluyen la proteína en telarañas; queratina, la proteína que contribuye al
cabello y las uñas; y colágeno, la proteína que ayuda a la piel, los ligamentos
y los tendones.
Muchas proteínas son enzimas. Reúnen los reactivos y actúan
como catalizadores, acelerando las reacciones químicas en las células. Las
enzimas son específicas para tipos particulares de reacciones y pueden
funcionar a la temperatura corporal.
Canales iónicos y las proteínas transportadoras en la
membrana plasmática permiten que las sustancias entren y salgan de las células.
Otras proteínas transportan moléculas en la sangre de animales; por ejemplo, la
hemoglobina, que se encuentra en los glóbulos rojos, es una proteína compleja
que transporta oxígeno.
Algunas proteínas, llamadas anticuerpos, se combinan con
agentes causantes de enfermedades para evitar que esos agentes destruyan las
células y causen enfermedades y trastornos.
Las hormonas son proteínas reguladoras. Sirven como
mensajeros intercelulares que influyen en el metabolismo de las células. Por
ejemplo, la hormona insulina regula la concentración de glucosa en la sangre,
mientras que la hormona de crecimiento humana (hGH) contribuye a determinar la
altura de un individuo.
Las proteínas contráctiles actina y miosina permiten que
partes de las células se muevan y provoquen la contracción de los músculos. La
contracción muscular permite a los animales moverse de un lugar a otro y
sustancias para moverse a través del cuerpo. También regula la temperatura
corporal.
Las estructuras y funciones de las células difieren según
los tipos de proteínas que contienen. Las células musculares contienen actina y
miosina; los glóbulos rojos contienen hemoglobina; las células de soporte
producen el colágeno que secretan. Mientras que las proteínas pueden ser
empleadas como fuente de energía de emergencia.
Los aminoácidos son la base para la creación de las
proteínas. Las proteínas son largas cadenas lineales de aminoácidos unidos por
medio del enlace peptídico. Las proteínas cumplen una infinidad de roles debido
a que las interacciones débiles de un aminoácido con sus vecinos provocan u
plegamiento de la cadena y la conformación de estructuras tridimensionales
dinámicas que son capaces de realizar funciones mecánicas, químicas o ambas.
Las principales proteínas con funciones químicas se denominan enzimas, las
cuales son las que regulan el metabolismo en sí. Otras proteínas poseen
funciones mecánicas y/o estructurales como las proteínas retractiles del
citoesqueleto celular. Las proteínas también son importantes en la señalización
celular, aspecto importante para las funciones inmune, de adhesión y transporte
de sustancias a través de membranas. En caso de necesidad, los aminoácidos
pueden ser degradados a amoníaco, agua y dióxido de carbono para producir
energía celular, impulsando el ciclo de Krebs, el cual es una de las rutas
metabólicas más importantes. Sin embargo, el uso de los aminoácidos como fuente
de energía es raro, y la célula generalmente emplea carbohidratos o lípidos
para esa función.
Todos os aminoácidos poseen un grupo carboxilo que les da
sus propiedades ácidas y un grupo amino. Los grupos carboxilos en solución
acuosa al ser ácidos liberan un protón y tienden a hacerse negativos, mientras
que los grupos amino captura el protón y tienden a hacerse positivos, esto le
otorga a los aminoácidos y a las proteínas cargas electrostáticas que son
importantes para sus propiedades químicas.
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Estructura general
de un aminoácido.
Al igual que los carbohidratos, los aminoácidos posee
carbonos quirales, lo que conlleva a la formación de esteroisómeros, y al igual
que con los carbohidratos, los seres vivos tienden a usar preferentemente
aminoácidos de una sola de las configuraciones ópticas “derecha o izquierda”,
aunque algunas estructuras emplean mezclas racémicas “en las cuales se mezclan
los dos isómeros ópticos”. La configuración óptica de la mayoría de los
aminoácidos en los seres vivos es levógira, o de giro izquierdo.
Los aminoácidos se unen unos con otros por medio den enlace
peptídico que resulta de la unión entre un grupo carboxilo cargado
negativamente con un grupo amino cargado positivamente de un aminoácido vecino.
El proceso elimina una molécula de agua.
Una cadena peptídica por lo tanto posee un esqueleto de carbonos y
nitrógenos, con grupos específicos (R) laterales que otorgan propiedades
concretas.
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Dos aminoácidos
unidos por un enlace peptídico.
Una cadena polipeptídica consta de unos 450 aminoácidos. El
polipéptido más largo encontrado en la proteína titina contiene más de 30.000
aminoácidos. Una vez incorporados en una cadena polipeptídica los aminoácidos
se denominan residuos. Dos residuos son importantes, el que expone el grupo
amino que se denomina terminal en N o N terminal, mientras que su opuesto se
denomina C terminal y es quien expone el grupo carboxilo cargado negativamente.
Los residuos de
una proteína no se limitan a los 20 aminoácidos posibles, pues pueden existir
adiciones de otros tipos de sustancias como carbohidratos para producir
glicoproteínas, grupos orgánicos para producir flavoproteínas y grupos
metálicos para producir metal-proteínas. Las metal-proteínas son bastante
relevantes ya que sin fundamentales en procesos básicos del metabolismo que una
proteína en si no puede hacer, siendo esta un marco para un mejor
funcionamiento del metal. Las propiedades químicas de los 20 residuos y otras
sustancias es lo que les da a las proteínas la enorme versatilidad bioquímica.
Algunas cadenas pueden tener cargas electrostáticas netas, siendo hidrofilias y
por ende solubles en agua, mientras que otras cadenas pueden tener una carga
neta de cero, y por ende ser hidrófóbicas, siendo solubles en grasas y aceites.
La función de una proteína depende de su forma, no de su
código, y aunque el código determina la forma de la proteína, puede darse casos
en que diferentes códigos generan la misma estructura. En cualquier caso, si
hablamos en términos básicos podemos decir simplemente que la proteína funciona
en la medida que su forma le permite ejecutar dicha función, de forma tal que
las proteínas son el mejor ejemplo de la relación forma-función que existe en
la biología. Clásicamente la forma de la proteína se ha estudiado bajo los
conceptos de niveles estructurales llamados primario, secundario, terciario y
cuaternario, aunque algunos biólogos insisten en la existencia de un nivel 2,5
para explicar algunos problemas o fenómenos evolutivos de las proteínas que son
bastante relevantes.
Figura 33. Estructura primaria de las proteínas.
La estructura primaria de una proteína es su secuencia
lineal de residuos, cada posición puede reemplazarse por 20 residuos
diferentes, lo cual otorga gran variabilidad a una secuencia que puede superar
los 100 residuos diferentes. La información para la organización precisa de los
residuos depende de la estructura del ARN mensajero, y a su vez esta depende de
la estructura del ADN. En consecuencia, estamos hablando de una transferencia
estructural de una molécula a otra, fenómeno que los humanos generalmente
consideramos bajo la analogía de la información genética.
Toda materia existe en el espacio y en consecuencia posee una estructura tridimensional, para el caso de las proteínas esto implica que las interacciones débiles y fuertes de los residuos provoca el plegamiento de la secuencia en una maraña compleja pero organizada. No todos los residuos poseen la misma importancia en este plegamiento, por lo que existirán unas posiciones principales que aseguran el plegamiento normal y unas posiciones secundarias que pueden experimentar cierto grado de variabilidad sin que la forma general cambie radicalmente.
Figura 34. Estructura secundaria de las proteínas.
A pesar de que el plegamiento es complejo, no es caótico,
generando dos tipos de estructuras denominadas hélices alfa y láminas beta.
Los módulos son sumas de varias hélices y láminas que
permiten la realización de una sola función bioquímica, pero que fuera de un
contexto más general no son específicos, y se los puede asimilar con los
dominios activos, aunque hay módulos netamente estructurales. Por ejemplo, los
dominios proteasa de serina que cortan posiciones específicas de algunos
péptidos pueden encontrarse en diferentes proteínas de diferentes contextos.
Los módulos son una unidad evolutiva de las proteínas que permite entender la
evolución de estas, pues muchas proteínas aparentemente nuevas parecen ser solo
la recombinación de dos o más módulos de diferentes proteínas antiguas más
otras secuencias nuevas. Por lo general el nivel de complejidad del módulo no
es analizado por la mayoría de los libros de texto (Bornberg-Bauer & Alba,
2013; Broom et al., 2012; van Dam et al., 2013). exactamente iguales. Una vez que los dos módulos quedan conectados
en un solo producto génico, uno de ellos puede acumular SNP sin riesgo de
selección negativa para su portador. Con el tiempo uno de los módulos puede
evolucionar
Bueno ¿y cómo aparece una proteína multimodular en primera
instancia?, bueno esto no ocurre en las mutaciones de genoma completo, pero lo
explicaremos aquí de todas formas. Por lo general los genes están flanqueados
por secuencias regulatorias y un iniciador de la secuencia, así como un
finalizador, el cual le dice a las enzimas especializadas –inicie a leer aquí y
termine de leer aquí. Si una mutación corte de forma tal que el segmento
duplicado queda en tándem con respecto al viejo borrando la sección de
terminación, la enzima leerá las dos secciones generando un único mensajero.
Este mensajero único al ser leído por el ribosoma creará una
proteína el doble de grande con dos dominios a la perdida de la función, con lo
que se convertiste en un elemento estructural de la proteína o a una nueva
función, generando una proteína con múltiples dominios funcionales.
La estructura terciara habla de la conformación de una sola proteína funcional, la cual está compuesta por varios dominios, más una estructura que los une a todos. La estructura terciara de las proteínas generalmente es determinada empleando la técnica de la cristalografía de rayos X. Sin embargo, dicha técnica conllevó a que por muchos años se concibiera a la estructura terciara de la proteína como una entidad fija, sin embargo, muchas proteínas poseen una estructura variable, la analogía más cercana a este dinamismo es la de una estructura palpitante que cambia de forma rítmicamente de forma muy compleja.
Figura 35. Estructura terciaria. Tanto los módulos, como
las estructuras terciarias y cuaternarias son combinaciones de hélices y láminas
capaces de moverse mecánicamente e involucrarse en reacciones químicas.
Al igual que varios dominios se unen para formar una
proteína, varias proteínas pueden unirse para formar entidades macromoleculares
más complejas, conocidas como proteínas cuaternarias. En este sentido, cada una
de las proteínas terciarias originales se conocen como subunidades, y cada una
de estas subunidades puede contener dos o más dominios, semejantes o diferentes
a los de las demás subunidades. Si están compuestas por el mismo tipo de
subunidad se llaman homomeros y si están compuestos por diferentes tipos de
subunidad se llaman heterómeros. Se emplean prefijos di, tri, tetra, entre
otros para distinguir si hay dos, tres, cuatro o más subunidades. De esta forma
una proteína cuaternaria conformada por dos subunidades iguales se llama
homodímero.
Los niveles de complejidad de las proteínas son diversos, de esta forma podemos tener que varias proteínas de nivel cuaternario se unan para conformar un complejo multiprotéico. Un ejemplo de un complejo multiprotéico es la priruvato deshidrogenasa encontrada originalmente en Escherichia coli, el cual consiste en tres proteínas cuaternarias. Las tres enzimas conectan una compleja serie de reacciones que deben ejecutarse rápido tanto en el tiempo como en el espacio de dos rutas metabólicas diferentes. Debido a que los dominios activos se encuentran físicamente juntos, los productos de un dominio pueden transferirse rápidamente como reactivos de otro dominio, haciendo que la cadena de reacciones de una ruta metabólica se ejecute rápidamente. Los complejos multiprotéicos no son necesariamente estructuras estables, y por lo general se unen en un estado palpitante o desordenado de unión y separación rítmicas.
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