Funciones de las Proteínas

Introducción

El Conocer la estructura tridimensional de
una proteína es fundamental para entender como funciona.
Las proteínas son moléculas dinámicas y su
función depende de la interacción con otras
moléculas.

Las funciones de muchas proteínas
implican la unión reversible de otras moléculas.
Una proteína unida de manera reversible por otra
proteína se conoce como ligando. El ligando se une
a un lugar de la proteína llamado sitio de
fijación, que es complementario al ligando en
tamaño, forma, carga y carácter hidrofóbico
o hidrofílico.

La unión de una proteína con
un ligando está asociada con un cambio conformacional que
hace que el sitio de fijación sea más
complementario al ligando.

Unión
reversible de una proteína a un ligando: proteínas
de unión a oxígeno

La mioglogina y la hemoglobina son las dos
proteínas más estudiadas y mejor conocidas. Su
estudio ha proporcionado abundante información de
cómo trabajan las proteínas.

El oxígeno puede estar unido a un
grupo prostético hemo

El oxígeno no es muy soluble en el
agua por lo que no puede transportarse a los tejidos por simple
dilución en el plasma sanguíneo.

El grupo hemo tiene una estructura de
anillo orgánico complejo, protoporfirina, al cual
está unido un único átomo de hierro en su
estado ferroso (Fe2+).

El hierro en estado Fe2+ une oxígeno
de una manera reversible, mientras que el estado Fe3+ no une
oxígeno. El grupo hemo se encuentra en muchas
proteínas transportadoras de oxígeno, y
también en algunas proteínas como los citocromos,
que participan en reacciones de oxidación-reducción
(transferencia de electrones).

La mioglobina tiene un sitio único
de fijación para el oxígeno.

La mioglobina (abreviada Mb) es una
proteína de unión a oxígeno relativamente
simple y que está presente en casi todos los
mamíferos, sobre todo en el tejido muscular. Al ser una
proteína de transporte, facilita la difusión del
oxígeno en el músculo. Es especialmente abundante
en el músculo de los animales que se sumergen, tales como
focas y ballenas, que deben almacenar suficiente oxígeno
para estancias prolongadas bajo el mar.

Consta de un único péptido de
153 aminoacidos con una molécula de hem. Es un ejemplo
típico de la familia de proteínas llamadas
globinas, que poseen estructuras primarias y terciarias
similares.

La estructura proteica afecta al modo de
unión del ligando

La unión de un ligando a una
proteína no suele ser tan simple como podría
pensarse, la interacción se ve afectada en gran medida por
la estructura proteica y suele estar acompañada por
cambios conformacionales. Así, la especificidad con la que
el grupo hemo se une a sus diversos ligandos se ve alterada
cuando el grupo hemo es componente de la mioglobina. El
monóxido de carbono (CO) se une 20.000 veces mejor que el
O2 a las moléculas libres de grupo hemo, pero se une tan
solo unas 200 veces mejor que el O2 cuando el grupo hemo
está unido a la mioglobina.

El oxígeno es transportado en la
sangre por la hemoglobina

Prácticamente todo el oxígeno
transportado por la sangre en los animales es unido y
transportado por la hemoglobina de los eritrocitos
(glóbulos rojos). La principal función de los
eritrocitos es transportar hemoglobina la que está
disuelta en su citosol a una concentración muy alta
aproximadamente un 34 % de su peso).

En la sangre arterial que pasa de los
pulmones a través del corazón a los tejidos
periféricos, la hemoglobina está saturada con
oxígeno en un 96 % mientras que en la sangre venosa que
vuelve al corazón saturada solo un 64 %. Por lo tanto,
cada 100 mL de sangre que pasa a través de los tejidos
libera aproximadamente un tercio del oxígeno que
transporta.

Las subunidades de la hemoglobina son
estructuralmente similares a la mioglobina

La hemoglobina (Hb) es más o menos
esférica con un diámetro de 5,5 nm. Es una
proteína tetramérica que contiene cuatro grupos
prostéticos hemo, dos a y dos ß, similares entre
ellas y cada uno asociado a una de las cadenas
polipeptídicas.

La convención para nombrar las
hélices que se describe en el caso de la mioglobina
también es aplicable para los polipéptidos de la
hemoglobina.

La hemoglobina experimenta un cambio
estructural al unirse al oxigeno

El análisis por rayos X ha revelado
dos conformaciones principales de la hemoglobina: el estado R y
el estado T. El oxígeno se une a la Hb en cualquiera de
estos estados pero muestra mucho mayor afinidad por el estado R.
Los estados T y R fueron denominados como "tenso" y "relajado" ya
que el primero es más estable en ausencia de
oxígeno mientras que el oxigeno estabiliza el estado
R.

La hemoglobina une oxígeno de manera
cooperativa.

La unión de oxígeno a la
hemoglobina es alostérica y cooperativa. Al unirse O2 a un
sitio de fijación, la hemoglobina experimenta cambios
conformacionales que afectan los otros sitios de fijación,
lo que es un ejemplo de comportamiento
alostérico.

Los cambios conformacionales entre los
estados T y R, mediados por interacciones subunidad-subunidad,
producen una unión cooperativa; este comportamiento se
describe mediante una curva sigmoidea y se analiza mediante la
representación de Hill.

Se ha propuesto dos modelos para explicar
la unión cooperativa de ligandos a proteínas con
múltiples subunidades: el modelo concertado y el modelo
secuencial.

El modelo concertado fue propuesto
en 1965 por Jacques Monod, Jeffries Wyman y Jean-Pierre Changeux.
Se considera que las subunidades de una proteína con
unión cooperativa son funcionalmente idénticas, que
cada subunidad puede existir (como mínimo) dos
conformaciones, y que todas las unidades sufren la
transición de una conformación a otra de manera
simultanea.

En el modelo secuencial propuesto
por Daniel Koshlan y colaboradores; la unión del ligando
puede inducir un cambio de conformación en una subunidad
individual.

La hemoglobina también transporta H+
y CO2

La hemoglobina también se une a H+ y
CO2, lo que resulta en la formación de pares
iónicos que estabilizan el estado T y hacen disminuir la
afinidad de la hemoglobina por el O2 (efecto Bohr).

La unión del oxígeno a la
hemoglobina está también modulada por el
2,3-bifosfoglicerato, que se une y estabiliza el estado
T.

La interacción del
2,3-bifosfoglicerato (BPG) con las moléculas de una
hemoglobina perfecciona aún más la función
de la hemoglobina y proporciona un ejemplo de modulación
alostérica heterotrópica.

El BPG está presente en
concentraciones relativamente altas en los eritrocitos. El BPG
disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno al
estabilizar el estado T. La transición al estado R provoca
un estrechamiento de la bolsa de unión a BPG, impidiendo
la unión del BPG. En ausencia de BPG, la hemoglobina pasa
más fácilmente al estado R.

La regulación de la unión de
oxígeno a la hemoglobina por el 2,3-bifosfoglicerato juega
un papel importante en el desarrollo fetal. La Hb fetal debe
tener una mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina materna
debido a que el feto debe extraer el oxígeno de la sangre
de su madre.

La anemia falciforme es una enfermedad
molecular de la hemoglobina, que demuestra de manera indiscutible
la gran importancia de la secuencia de aminoácidos para
determinar las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de
las proteínas globulares y por lo tanto sus funciones
biológicas. Se conocen más de 500 variedades
genéticas de la hemoglobina en la población humana,
la gran mayoría son variantes muy raras.

La mayoría se debe a una diferencia
en un único residuo aminoácido. El efecto en la
estructura y la función de la hemoglobina suele ser muy
pequeño pero a veces puede ser extraordinario. Cada
variante de la hemoglobina se debe a una alteración
genética. A cada variante de un gen se le llama
alelo.

La anemia falciforme se da en individuos
que han heredado el alelo de esta enfermedad de ambos
progenitores, los eritrocitos de estos individuos son anormales y
menos numerosos. Estos eritrocitos anormales son alargados,
delgados y en forma de media luna, similares a una
hoz.

La anemia falciforme es una enfermedad
genética causada por la sustitución de un
único aminoácido (Glu6 por Val6) en cada una de las
cadenas ß de la hemoglobina. El cambio genera la
aparición de una zona hidrofóbica en la superficie
de la hemoglobina que hace que las moléculas se agreguen
en haces de fibras. En condiciones de homozigosis, esta
enfermedad presenta graves complicaciones.

Interacciones
complementarias entre proteínas y ligandos: el sistema
inmune y las inmunoglobulinas

Todos los vertebrados poseen un sistema
inmune capaz de distinguir las moléculas "propias" de las
"ajenas" y destruir a continuación las consideradas
ajenas. De esta manera el organismo cuenta con el sistema inmune
que elimina virus, bacterias y otros patógenos, como
también otras moléculas que puedan representar una
amenaza para el organismo.

En la respuesta inmune intervienen un
conjunto de células y proteínas
especializadas.

La acción inmune es llevada a cabo
por una amplia gama de leucocitos (glóbulos blancos de la
sangre) que incluyen a los macrófagos y
linfocitos

La respuesta inmune está mediada por
interacciones entre un conjunto de leucocitos especializados y
sus proteínas asociadas, los linfocitos T producen
receptores de células T. Los linfocitos B producen
inmunoglobulinas. La respuesta inmune es el resultado de la
acción de dos sistemas complementarios, el sistema inmune
humoral y el celular.

El sistema inmune humoral (del latin
humor; "fluido") está dirigido contra infecciones
bacterianas y virus extracelulares (que se encuentran en los
fluidos corporales), pero también pueden responder a
proteínas externas individuales.

El sistema inmune celular destruye
las células propias infectadas por virus y también
parásitos y tejidos ajenos.

Mediante un proceso denominado
selección clonal, las células T auxiliares (helper)
inducen la proliferación de células B y de
células T citotóxicas que producen inmunoglobulinas
o de receptores de células T que se unen a un
antígeno específico.

Los anticuerpos poseen dos lugares
idénticos de unión a antigenos

El ser humano posee cinco clases de
inmunoglobulinas, con diferentes funciones biológicas para
cada una de ellas. La clase más abundante es la de las
IgG, proteínas en forma de Y con dos cadenas pesadas y dos
ligeras. Los dominios cercanos los extremos superiores de la Y
son hipervariables dentro de la amplia población de las
IgG y forman dos sitios de fjjación de
antígeno.

En muchos vertebrados la IgG es solamente
una de las cinco clases de inmunoglobulinas. Cada clase tiene un
tipo característico de cadena pesada llamadas a, d, e, ? y
&µ, que corresponden a las IgA, IgD, IgE, IgG e IgM
respectivamente.

Una inmunoglobulina determinada se une
generalmente a una única parte, denominada epitopo, de un
antígeno más grande. La unión suele implicar
un cambio conformacional de la IgG a través de un encaje
inducido con el antígeno.

Las IgA se encuentran principalmente en
secreciones como la saliva, las lágrimas y la leche. Las
IgM son los primeros anticuerpos producidos por los linfocitos B
y el principal anticuerpo en los primeros estadios de la
respuesta inmune primaria. La función específica de
la IgD no está bien definida.

La IgD es el principal anticuerpo en la
respuesta inmune secundaria.

Los anticuerpos se unen fuertemente y de
manera específica al antígeno

La especificidad de unión de un
anticuerpo viene determinada por la composición de
aminoácidos de los dominios variables de sus cadenas
pesada y ligera. La especificidad se debe a la complementariedad
química entre el antígeno y su sitio de
fijación específico.

Las interacciones
antígeno-anticuerpo son la base de diversos procesos
analíticos importantes, la extraordinaria afinidad y
especificidad de unión de los anticuerpos los convierten
en valiosos reactivos para análisis.

Se emplean dos tipos de anticuerpos: los
policlonales y los monoclonales.

Los anticuerpos policlonales son
producidos por diferentes poblaciones de linfocitos B en
respuesta a un antígeno como podría ser el caso de
una proteína inyectada a un animal. Una preparación
policlonal contiene una mezcla de anticuerpos que reconocen
diferentes partes de una proteína.

En una técnica analítica muy
versátil, un anticuerpo puede marcarse radiactivamente o
con algún otro reactivo que lo haga fácil de
detectar. Cuando el anticuerpo se une a la proteína diana,
la marca revela la presencia de la proteína en una
solución o su localización en un gel o incluso en
una célula viva.

Los anticuerpos monoclonales se
sintetizan por una población de.

células B idénticas (un clon)
crecidos en cultivo celular estos anticuerpos son
homogéneos, todos reconocen el mismo epitopo. Las
técnicas para producir anticuerpos monoclonales fueron
desarrolladas por George Kóhler y Cesar
Milstein.

La especificidad de los anticuerpos tiene
utilidades prácticas por ejemplo para purificación
de proteinas

Una prueba ELISA (enzyme-linkek
immunosorbent assay: análisis del inmunoadsorbente
unido a enzima) permite un rastreo rápido y una
cuantificación de la presencia de un antígeno en
una muestra. La formación de producto (medida
colorimétricamente) es proporcional a la
concentración de la proteína de interés en
la muestra.

Otra variante de estas técnicas es
el ensayo de inmunotransferencia o inmunoblot.

George Köhler

César Milstein

Interacciones
proteicas moduladas por energía química: actina,
miosina y motores moleculares

Los organismos se mueven, las
células se mueven, los orgánulos y las
macromoléculas dentro de las células se mueven la
mayoría de estos movimientos se originan a partir de la
actividad de unos fascinantes motores moleculares basados en
proteínas.

Las principales proteínas del
músculo son la actina y la miosina

Las interacciones proteína-ligando
adquieren un grado especial de organización espacial y
temporal en las proteínas motoras. La contracción
muscular es el resultado de un conjunto de interacciones entre
miosina y actina, acopladas a la hidrólisis del ATP a
cargo de la miosina.

Otras proteínas adicionales
organizan a la actina y miosina en filamentos delgado y grueso y
en estructuras ordenadas. Entre estas proteínas tenemos en
los filamentos delgados a la a-actinina, desmina y
vimentina y una gran proteína llamada
nebulina. Los filamentos gruesos contienen las
proteínas paramiosina, proteína C y la
proteína M.

Los filamentos gruesos de miosina se
deslizan a lo largo de los filamentos delgados de la
actina

La miosina consiste de dos cadenas pesadas
y cuatro cadenas ligeras que forman un dominio enrollado
superhelicoidal (cola) y un dominio globular (cabeza). Las
moléculas de miosina se organizan en filamentos gruesos
que se deslizan sobre filamentos delgados compuestos
principalmente por actina. La hidrólisis de ATP en la
miosina se acopla a una serie de cambios conformacionales en la
cabeza de la miosina que conducen a la disociación de la
miosina de una subunidad de actina F y su posterior
reasociación con otra subunidad, en una posición
más lejana en el filamento delgado. De este modo, la
miosina se desliza a lo largo de los filamentos de
actina.

La interacción entre la actina y la
miosina debe ser regulada de manera que la contracción
muscular se produzca solo como respuesta a las señales
adecuadas con origen en el sistema nervioso. De esta
regulación se encarga un complejo formado por dos
proteínas, la tropomiosina y la
troponina.

La contracción muscular es
estimulada por la liberación de Ca2+ desde el
retículo sarcoplasmático. El Ca2+ se une a la
proteína troponina, provocando un cambio conformacional en
un complejo troponin-tropomiosina que da lugar al inicio del
ciclo de interacciones actina-miosina.

Comentario

Como se ha visto en esta breve
revisión, las proteínas cumplen múltiples
funciones de suma importancia en el organismo. Las
proteínas participan de uno u otro modo en todos los
procesos químicos de un organismo vivo. Asimismo con el
conocimiento de las funciones de las proteínas se ha
podido encontrar muchas utilidades, que se puede ver encontrar
por ejemplo en el campo de la medicina, que puede ser en el
conocimiento de las enfermedades, las infecciones, el
diagnóstico e incluso el tratamiento.

Bibliografía

Principios de Bioquímica de
Lehninger – David L. Nelson y Michael M. Cox. 5ta.
Edición.

Autor:

Rosa E. Pérez
Ramos

Asesor: Ing. Myriam Vilca Arana