Proteína

Representación de la estructura 3D de la mioglobina de proteína que muestra piojos de α turquesa. Esta proteína fue la primera en tener su estructura resuelta por la cristalografía de rayos X. Hacia el centro derecho entre las bobinas, un grupo prótesis llamado grupo de hemo (que aparece en gris) con una molécula de oxígeno (rojo).

proteínas son grandes biomoléculas y macromoléculas que comprenden una o más cadenas largas de residuos de aminoácidos. Las proteínas realizan una amplia gama de funciones dentro de los organismos, incluida la catalización de reacciones metabólicas, la replicación del ADN, la respuesta a estímulos, la estructura de células y organismos y el transporte de moléculas de un lugar a otro. Las proteínas se diferencian entre sí principalmente en su secuencia de aminoácidos, que está dictada por la secuencia de nucleótidos de sus genes y que generalmente da como resultado el plegamiento de la proteína en una estructura 3D específica que determina su actividad.

Una cadena lineal de residuos de aminoácidos se denomina polipéptido. Una proteína contiene al menos un polipéptido largo. Los polipéptidos cortos, que contienen menos de 20 a 30 residuos, rara vez se consideran proteínas y comúnmente se denominan péptidos. Los residuos de aminoácidos individuales están unidos entre sí por enlaces peptídicos y residuos de aminoácidos adyacentes. La secuencia de residuos de aminoácidos en una proteína está definida por la secuencia de un gen, que está codificado en el código genético. En general, el código genético especifica 20 aminoácidos estándar; pero en ciertos organismos el código genético puede incluir selenocisteína y, en ciertas arqueas, pirrolisina. Poco después o incluso durante la síntesis, los residuos en una proteína a menudo se modifican químicamente por modificación postraduccional, lo que altera las propiedades físicas y químicas, el plegamiento, la estabilidad, la actividad y, en última instancia, la función de las proteínas. Algunas proteínas tienen unidos grupos no peptídicos, que pueden denominarse grupos prostéticos o cofactores. Las proteínas también pueden trabajar juntas para lograr una función particular y, a menudo, se asocian para formar complejos de proteínas estables.

Una vez formadas, las proteínas solo existen durante un cierto período y luego son degradadas y recicladas por la maquinaria de la célula a través del proceso de renovación de proteínas. La vida útil de una proteína se mide en términos de su vida media y cubre un amplio rango. Pueden existir durante minutos o años con una vida útil promedio de 1 a 2 días en células de mamíferos. Las proteínas anormales o mal plegadas se degradan más rápidamente debido a que están destinadas a la destrucción o debido a que son inestables.

Al igual que otras macromoléculas biológicas, como los polisacáridos y los ácidos nucleicos, las proteínas son partes esenciales de los organismos y participan prácticamente en todos los procesos dentro de las células. Muchas proteínas son enzimas que catalizan reacciones bioquímicas y son vitales para el metabolismo. Las proteínas también tienen funciones estructurales o mecánicas, como la actina y la miosina en el músculo y las proteínas en el citoesqueleto, que forman un sistema de andamiaje que mantiene la forma celular. Otras proteínas son importantes en la señalización celular, las respuestas inmunitarias, la adhesión celular y el ciclo celular. En los animales, las proteínas son necesarias en la dieta para proporcionar los aminoácidos esenciales que no se pueden sintetizar. La digestión descompone las proteínas para su uso metabólico.

Las proteínas se pueden purificar de otros componentes celulares usando una variedad de técnicas como ultracentrifugación, precipitación, electroforesis y cromatografía; el advenimiento de la ingeniería genética ha hecho posible una serie de métodos para facilitar la purificación. Los métodos comúnmente utilizados para estudiar la estructura y la función de las proteínas incluyen la inmunohistoquímica, la mutagénesis dirigida al sitio, la cristalografía de rayos X, la resonancia magnética nuclear y la espectrometría de masas.

Historia y etimología

Las proteínas fueron reconocidas como una clase distinta de moléculas biológicas en el siglo XVIII por Antoine Fourcroy y otros, distinguidas por las moléculas ' capacidad de coagular o flocular bajo tratamientos con calor o ácido. Los ejemplos destacados en ese momento incluían albúmina de clara de huevo, albúmina de suero sanguíneo, fibrina y gluten de trigo.

Las proteínas fueron descritas por primera vez por el químico holandés Gerardus Johannes Mulder y nombradas por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius en 1838. Mulder llevó a cabo un análisis elemental de proteínas comunes y descubrió que casi todas las proteínas tenían la misma fórmula empírica, C ₄₀₀H₆₂₀N₁₀₀O₁₂₀P₁S₁. Llegó a la conclusión errónea de que podrían estar compuestos por un solo tipo de molécula (muy grande). El término "proteína" para describir estas moléculas fue propuesto por el asociado de Mulder, Berzelius; proteína se deriva de la palabra griega πρώτειος (proteios), que significa "primario", "a la cabeza", o "de pie al frente", + -in. Mulder pasó a identificar los productos de la degradación de proteínas, como el aminoácido leucina, para el que encontró un peso molecular (casi correcto) de 131 Da. Antes de "proteína", se usaban otros nombres, como "albúminas" o "materiales albuminosos" (Eiweisskörper, en alemán).

Los primeros científicos especializados en nutrición, como el alemán Carl von Voit, creían que la proteína era el nutriente más importante para mantener la estructura del cuerpo, porque en general se creía que "la carne hace la carne". Karl Heinrich Ritthausen amplió las formas proteicas conocidas con la identificación del ácido glutámico. En la Estación Experimental Agrícola de Connecticut, Thomas Burr Osborne compiló una revisión detallada de las proteínas vegetales. Trabajando con Lafayette Mendel y aplicando la ley del mínimo de Liebig en la alimentación de ratas de laboratorio, se establecieron los aminoácidos nutricionalmente esenciales. El trabajo fue continuado y comunicado por William Cumming Rose. La comprensión de las proteínas como polipéptidos surgió gracias al trabajo de Franz Hofmeister y Hermann Emil Fischer en 1902. El papel central de las proteínas como enzimas en los organismos vivos no se apreció por completo hasta 1926, cuando James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era de hecho una proteína

La dificultad para purificar proteínas en grandes cantidades hizo que fueran muy difíciles de estudiar para los primeros bioquímicos de proteínas. Por lo tanto, los primeros estudios se centraron en proteínas que podrían purificarse en grandes cantidades, por ejemplo, las de sangre, clara de huevo, varias toxinas y enzimas digestivas/metabólicas obtenidas de los mataderos. En la década de 1950, Armor Hot Dog Co. purificó 1 kg de ribonucleasa A pancreática bovina pura y la puso a disposición de los científicos de forma gratuita; este gesto ayudó a que la ribonucleasa A se convirtiera en un objetivo importante para el estudio bioquímico durante las siguientes décadas.

A Linus Pauling se le atribuye la predicción exitosa de estructuras secundarias de proteínas regulares basadas en enlaces de hidrógeno, una idea propuesta por primera vez por William Astbury en 1933. Trabajo posterior de Walter Kauzmann sobre desnaturalización, basado en parte en estudios previos de Kaj Linderstrøm-Lang, aportó una comprensión del plegamiento y la estructura de proteínas mediada por interacciones hidrofóbicas.

La primera proteína que se secuenció fue la insulina, de Frederick Sanger, en 1949. Sanger determinó correctamente la secuencia de aminoácidos de la insulina, demostrando así de manera concluyente que las proteínas consistían en polímeros lineales de aminoácidos en lugar de cadenas ramificadas, coloides o cicloles.. Ganó el Premio Nobel por este logro en 1958.

John Kendrew con modelo de mioglobina en progreso

Con el desarrollo de la cristalografía de rayos X, fue posible secuenciar estructuras de proteínas. Las primeras estructuras de proteínas que se resolvieron fueron la hemoglobina de Max Perutz y la mioglobina de John Kendrew, en 1958. El uso de computadoras y el aumento de la potencia informática también apoyaron la secuenciación de proteínas complejas. En 1999, Roger Kornberg logró secuenciar la estructura altamente compleja de la polimerasa de ARN utilizando rayos X de alta intensidad de sincrotrones.

Desde entonces, se ha desarrollado la microscopía crioelectrónica (crio-EM) de grandes conjuntos macromoleculares. Cryo-EM utiliza muestras de proteínas congeladas en lugar de cristales y haces de electrones en lugar de rayos X. Causa menos daño a la muestra, lo que permite a los científicos obtener más información y analizar estructuras más grandes. La predicción computacional de la estructura proteica de pequeños dominios proteicos también ha ayudado a los investigadores a abordar la resolución a nivel atómico de las estructuras proteicas. A partir de 2017, Protein Data Bank tiene más de 126,060 estructuras de proteínas de resolución atómica.

Número de proteínas codificadas en los genomas

La cantidad de proteínas codificadas en un genoma corresponde aproximadamente a la cantidad de genes (aunque puede haber una cantidad significativa de genes que codifican ARN de proteína, por ejemplo, ARN ribosomal). Los virus suelen codificar de unos pocos a unos pocos cientos de proteínas, las arqueas y las bacterias de unos pocos cientos a unos pocos miles, mientras que los eucariotas suelen codificar de unos pocos miles a decenas de miles de proteínas (consulte el tamaño del genoma para obtener una lista de ejemplos).

Bioquímica

Estructura química del vínculo péptidos (abajo) y estructura tridimensional de un vínculo péptidos entre una alanina y un aminoácido adyacente (top/inset). El vínculo mismo está hecho de los elementos CHON.

Estructuras de resonancia de la unión de péptidos que une aminoácidos individuales para formar un polímero de proteínas

La mayoría de las proteínas consisten en polímeros lineales construidos a partir de series de hasta 20 L-α-aminoácidos diferentes. Todos los aminoácidos proteinogénicos poseen características estructurales comunes, incluido un carbono α al que se unen un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral variable. Solo la prolina difiere de esta estructura básica, ya que contiene un anillo inusual en el grupo amino del extremo N, que obliga al resto de amida CO-NH a adoptar una conformación fija. Las cadenas laterales de los aminoácidos estándar, detalladas en la lista de aminoácidos estándar, tienen una gran variedad de estructuras y propiedades químicas; es el efecto combinado de todas las cadenas laterales de aminoácidos en una proteína lo que finalmente determina su estructura tridimensional y su reactividad química. Los aminoácidos en una cadena polipeptídica están unidos por enlaces peptídicos. Una vez enlazado en la cadena de la proteína, un aminoácido individual se denomina residuo y la serie enlazada de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno se conoce como cadena principal o < i>esqueleto proteico.

El enlace peptídico tiene dos formas de resonancia que aportan cierto carácter de doble enlace e inhiben la rotación alrededor de su eje, de modo que los carbonos alfa son aproximadamente coplanares. Los otros dos ángulos diédricos en el enlace peptídico determinan la forma local que asume el esqueleto de la proteína. El extremo con un grupo amino libre se conoce como extremo N o extremo amino, mientras que el extremo de la proteína con un grupo carboxilo libre se conoce como extremo C o extremo carboxi (la secuencia de la proteína se escribe de N- terminal a C-terminal, de izquierda a derecha).

Las palabras proteína, polipéptido y péptido son un poco ambiguas y pueden superponerse en significado. Proteína se usa generalmente para referirse a la molécula biológica completa en una conformación estable, mientras que péptido generalmente se reserva para oligómeros de aminoácidos cortos que a menudo carecen de una estructura 3D estable. Pero el límite entre los dos no está bien definido y generalmente se encuentra cerca de 20 a 30 residuos. Polipéptido puede referirse a cualquier cadena lineal única de aminoácidos, generalmente independientemente de su longitud, pero a menudo implica la ausencia de una conformación definida.

Interacciones

Las proteínas pueden interactuar con muchos tipos de moléculas, incluidas otras proteínas, lípidos, carbohidratos y ADN.

Abundancia en células

Se ha estimado que las bacterias de tamaño medio contienen alrededor de 2 millones de proteínas por célula (por ejemplo, E. coli y Staphylococcus aureus). Las bacterias más pequeñas, como Mycoplasma o espiroquetas contienen menos moléculas, del orden de 50.000 a 1 millón. Por el contrario, las células eucariotas son más grandes y, por lo tanto, contienen muchas más proteínas. Por ejemplo, se ha estimado que las células de levadura contienen alrededor de 50 millones de proteínas y las células humanas del orden de 1 a 3 mil millones. La concentración de copias de proteínas individuales varía desde unas pocas moléculas por célula hasta 20 millones. No todos los genes que codifican proteínas se expresan en la mayoría de las células y su número depende, por ejemplo, del tipo de célula y de los estímulos externos. Por ejemplo, de las aproximadamente 20.000 proteínas codificadas por el genoma humano, solo 6.000 se detectan en las células linfoblastoides.

Síntesis

Biosíntesis

Un ribosoma produce una proteína usando mRNA como plantilla

La secuencia de ADN de un gen codifica la secuencia de aminoácidos de una proteína

Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos usando información codificada en los genes. Cada proteína tiene su propia secuencia de aminoácidos única que está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que codifica esta proteína. El código genético es un conjunto de conjuntos de tres nucleótidos llamados codones y cada combinación de tres nucleótidos designa un aminoácido, por ejemplo, AUG (adenina-uracilo-guanina) es el código de la metionina. Como el ADN contiene cuatro nucleótidos, el número total de codones posibles es 64; por lo tanto, existe cierta redundancia en el código genético, con algunos aminoácidos especificados por más de un codón. Los genes codificados en el ADN se transcriben primero en ARN pre-mensajero (ARNm) mediante proteínas como la ARN polimerasa. Luego, la mayoría de los organismos procesan el pre-ARNm (también conocido como transcripción primaria) utilizando varias formas de modificación postranscripcional para formar el ARNm maduro, que luego se usa como plantilla para la síntesis de proteínas por parte del ribosoma.. En los procariotas, el ARNm puede usarse tan pronto como se produce o unirse a un ribosoma después de haberse alejado del nucleoide. Por el contrario, los eucariotas producen ARNm en el núcleo celular y luego lo translocan a través de la membrana nuclear hacia el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. La tasa de síntesis de proteínas es mayor en procariotas que en eucariotas y puede alcanzar hasta 20 aminoácidos por segundo.

El proceso de sintetizar una proteína a partir de una plantilla de ARNm se conoce como traducción. El ARNm se carga en el ribosoma y se lee tres nucleótidos a la vez haciendo coincidir cada codón con su anticodón de emparejamiento de bases ubicado en una molécula de ARN de transferencia, que lleva el aminoácido correspondiente al codón que reconoce. La enzima aminoacil tRNA sintetasa 'carga' las moléculas de ARNt con los aminoácidos correctos. El polipéptido en crecimiento a menudo se denomina cadena naciente. Las proteínas siempre se biosintetizan desde el extremo N-terminal hasta el extremo C-terminal.

El tamaño de una proteína sintetizada se puede medir por la cantidad de aminoácidos que contiene y por su masa molecular total, que normalmente se informa en unidades de daltons (sinónimo de unidades de masa atómica), o la unidad derivada kilodalton (kDa). El tamaño promedio de una proteína aumenta de Archaea a Bacteria a Eukaryote (283, 311, 438 residuos y 31, 34, 49 kDa respectivamente) debido a una mayor cantidad de dominios proteicos que constituyen proteínas en organismos superiores. Por ejemplo, las proteínas de levadura tienen una longitud media de 466 aminoácidos y una masa de 53 kDa. Las proteínas más grandes conocidas son las titinas, un componente del sarcómero muscular, con una masa molecular de casi 3.000 kDa y una longitud total de casi 27.000 aminoácidos.

Síntesis química

Las proteínas cortas también se pueden sintetizar químicamente mediante una familia de métodos conocidos como síntesis de péptidos, que se basan en técnicas de síntesis orgánica, como la ligadura química, para producir péptidos con un alto rendimiento. La síntesis química permite la introducción de aminoácidos no naturales en cadenas polipeptídicas, como la unión de sondas fluorescentes a cadenas laterales de aminoácidos. Estos métodos son útiles en bioquímica de laboratorio y biología celular, aunque generalmente no para aplicaciones comerciales. La síntesis química es ineficaz para polipéptidos de más de 300 aminoácidos, y es posible que las proteínas sintetizadas no asuman fácilmente su estructura terciaria nativa. La mayoría de los métodos de síntesis química proceden del extremo C al extremo N, opuesto a la reacción biológica.

Estructura

La estructura de cristal de la chaperonina, un enorme complejo de proteínas. Se destaca una única subunidad de proteínas. Las Chaperoninas ayudan a doblar proteínas.

Tres posibles representaciones de la estructura tridimensional de la proteína triosa fosfato isomerasa. Izquierda: Representación de todos los átomos coloreado por tipo átomo. Medio: Representación simplificada que ilustra la conformación de la columna vertebral, colorada por la estructura secundaria. Bien.: Representación superficial accesible al Solvento coloreado por tipo de residuos (residuos acidios rojos, residuos básicos azules, residuos polares verdes, residuos no polares blancos).

La mayoría de las proteínas se pliegan en estructuras 3D únicas. La forma en la que una proteína se pliega naturalmente se conoce como su conformación nativa. Aunque muchas proteínas pueden plegarse sin ayuda, simplemente a través de las propiedades químicas de sus aminoácidos, otras requieren la ayuda de chaperonas moleculares para plegarse a sus estados nativos. Los bioquímicos a menudo se refieren a cuatro aspectos distintos de la estructura de una proteína:

• Estructura primaria: la secuencia de aminoácidos. Una proteína es una poliamida.
• Estructura secundaria: repitiendo regularmente estructuras locales estabilizadas por bonos de hidrógeno. Los ejemplos más comunes son el α-helix, β-sheet y vueltas. Debido a que las estructuras secundarias son locales, muchas regiones de diferente estructura secundaria pueden estar presentes en la misma molécula de proteína.
• Estructura terciaria: la forma general de una sola molécula de proteína; la relación espacial de las estructuras secundarias entre sí. La estructura terciaria se estabiliza generalmente por interacciones no locales, más comúnmente la formación de un núcleo hidrofóbico, pero también a través de puentes de sal, bonos de hidrógeno, bonos desulfidos e incluso modificaciones posttranslacionales. El término "estructura territorial" se utiliza a menudo como sinónimo del término plegable. La estructura terciaria es lo que controla la función básica de la proteína.
• Estructura cuaternaria: la estructura formada por varias moléculas de proteína (cadenas de polipéptidos), generalmente llamadas subunidades de proteínas en este contexto, que funciona como un solo complejo de proteínas.
• Estructura quinaria: las firmas de la superficie de proteínas que organizan el interior celular abarrotado. La estructura quinaria depende de interacciones transitorias, pero esenciales, macromoleculares que ocurren dentro de las células vivas.

Las proteínas no son moléculas completamente rígidas. Además de estos niveles de estructura, las proteínas pueden cambiar entre varias estructuras relacionadas mientras realizan sus funciones. En el contexto de estos reordenamientos funcionales, estas estructuras terciarias o cuaternarias suelen denominarse "conformaciones", y las transiciones entre ellas se denominan cambios conformacionales. Dichos cambios a menudo son inducidos por la unión de una molécula de sustrato al sitio activo de una enzima, o la región física de la proteína que participa en la catálisis química. En solución, las proteínas también sufren variaciones en la estructura a través de la vibración térmica y la colisión con otras moléculas.

Superficie molecular de varias proteínas que muestran sus tamaños comparativos. De izquierda a derecha son: inmunoglobulina G (IgG, un anticuerpo), hemoglobina, insulina (una hormona), kinasa adenilato (una enzima), y sintetasa de glutamina (una enzima).

Las proteínas se pueden dividir informalmente en tres clases principales, que se correlacionan con estructuras terciarias típicas: proteínas globulares, proteínas fibrosas y proteínas de membrana. Casi todas las proteínas globulares son solubles y muchas son enzimas. Las proteínas fibrosas suelen ser estructurales, como el colágeno, el principal componente del tejido conjuntivo, o la queratina, el componente proteico del cabello y las uñas. Las proteínas de membrana a menudo sirven como receptores o proporcionan canales para que las moléculas polares o cargadas atraviesen la membrana celular.

Un caso especial de enlaces de hidrógeno intramoleculares dentro de las proteínas, mal protegidos del ataque del agua y, por lo tanto, que promueven su propia deshidratación, se denominan deshidrones.

Dominios de proteínas

Muchas proteínas se componen de varios dominios proteicos, es decir, segmentos de una proteína que se pliegan en distintas unidades estructurales. Los dominios también suelen tener funciones específicas, como actividades enzimáticas (p. ej., quinasa) o sirven como módulos de unión (p. ej., el dominio SH3 se une a secuencias ricas en prolina en otras proteínas).

Motivo de secuencia

Las secuencias de aminoácidos cortas dentro de las proteínas a menudo actúan como sitios de reconocimiento para otras proteínas. Por ejemplo, los dominios SH3 normalmente se unen a motivos PxxP cortos (es decir, 2 prolinas [P], separadas por dos aminoácidos no especificados [x], aunque los aminoácidos circundantes pueden determinar la especificidad de unión exacta). Muchos de estos motivos se han recopilado en la base de datos Eukaryotic Linear Motif (ELM).

Funciones celulares

Las proteínas son los actores principales dentro de la célula, se dice que llevan a cabo las funciones especificadas por la información codificada en los genes. Con la excepción de ciertos tipos de ARN, la mayoría de las demás moléculas biológicas son elementos relativamente inertes sobre los que actúan las proteínas. Las proteínas constituyen la mitad del peso seco de una célula de Escherichia coli, mientras que otras macromoléculas como el ADN y el ARN constituyen solo el 3% y el 20%, respectivamente. El conjunto de proteínas expresadas en una célula o tipo de célula en particular se conoce como su proteoma.

La enzima hexokinasa se muestra como un modelo molecular convencional de bolas y palillos. Para escalar en la esquina superior derecha son dos de sus sustratos, ATP y glucosa.

La característica principal de las proteínas que también permite su conjunto diverso de funciones es su capacidad para unirse a otras moléculas de manera específica y estrecha. La región de la proteína responsable de unirse a otra molécula se conoce como sitio de unión y, a menudo, es una depresión o un "bolsillo". en la superficie molecular. Esta capacidad de unión está mediada por la estructura terciaria de la proteína, que define el bolsillo del sitio de unión, y por las propiedades químicas de los aminoácidos que la rodean. cadenas laterales. La unión a proteínas puede ser extraordinariamente estrecha y específica; por ejemplo, la proteína inhibidora de la ribonucleasa se une a la angiogenina humana con una constante de disociación subfemtomolar (<10⁻¹⁵ M) pero no se une en absoluto a su homólogo anfibio onconasa (>1 M). Los cambios químicos extremadamente pequeños, como la adición de un solo grupo metilo a un compañero de unión, a veces pueden ser suficientes para eliminar casi por completo la unión; por ejemplo, la aminoacil tRNA sintetasa específica del aminoácido valina discrimina la cadena lateral muy similar del aminoácido isoleucina.

Las proteínas pueden unirse a otras proteínas, así como a sustratos de moléculas pequeñas. Cuando las proteínas se unen específicamente a otras copias de la misma molécula, pueden oligomerizarse para formar fibrillas; este proceso ocurre a menudo en proteínas estructurales que consisten en monómeros globulares que se autoasocian para formar fibras rígidas. Las interacciones proteína-proteína también regulan la actividad enzimática, controlan la progresión a través del ciclo celular y permiten el ensamblaje de grandes complejos proteicos que llevan a cabo muchas reacciones estrechamente relacionadas con una función biológica común. Las proteínas también pueden unirse o incluso integrarse en las membranas celulares. La capacidad de los socios de unión para inducir cambios conformacionales en las proteínas permite la construcción de redes de señalización enormemente complejas. Dado que las interacciones entre proteínas son reversibles y dependen en gran medida de la disponibilidad de diferentes grupos de proteínas asociadas para formar agregados capaces de llevar a cabo conjuntos discretos de funciones, el estudio de las interacciones entre proteínas específicas es clave para comprender aspectos importantes de la función celular. y, en última instancia, las propiedades que distinguen tipos de células particulares.

Enzimas

La función más conocida de las proteínas en la célula es la de enzimas, que catalizan reacciones químicas. Las enzimas suelen ser muy específicas y aceleran sólo una o unas pocas reacciones químicas. Las enzimas llevan a cabo la mayoría de las reacciones involucradas en el metabolismo, además de manipular el ADN en procesos como la replicación del ADN, la reparación del ADN y la transcripción. Algunas enzimas actúan sobre otras proteínas para agregar o eliminar grupos químicos en un proceso conocido como modificación postraduccional. Se sabe que unas 4.000 reacciones son catalizadas por enzimas. La aceleración de la velocidad conferida por la catálisis enzimática suele ser enorme: hasta 10¹⁷-veces de aumento en la velocidad sobre la reacción no catalizada en el caso de la orotato descarboxilasa (78 millones de años sin la enzima, 18 milisegundos con la enzima).

Las moléculas unidas y sobre las que actúan las enzimas se denominan sustratos. Aunque las enzimas pueden constar de cientos de aminoácidos, por lo general es solo una pequeña fracción de los residuos que entran en contacto con el sustrato, y una fracción aún más pequeña (de tres a cuatro residuos en promedio) que están directamente involucrados en la catálisis. La región de la enzima que se une al sustrato y contiene los residuos catalíticos se conoce como sitio activo.

Las proteínas directriz son miembros de una clase de proteínas que dictan la estereoquímica de un compuesto sintetizado por otras enzimas.

Señalización celular y unión de ligandos

Diagrama de la cinta de un anticuerpo del ratón contra el cólera que une un antígeno de carbohidratos

Muchas proteínas están involucradas en el proceso de señalización celular y transducción de señales. Algunas proteínas, como la insulina, son proteínas extracelulares que transmiten una señal desde la célula en la que fueron sintetizadas a otras células en tejidos distantes. Otras son proteínas de membrana que actúan como receptores cuya función principal es unir una molécula señalizadora e inducir una respuesta bioquímica en la célula. Muchos receptores tienen un sitio de unión expuesto en la superficie celular y un dominio efector dentro de la célula, que puede tener actividad enzimática o puede sufrir un cambio conformacional detectado por otras proteínas dentro de la célula.

Los anticuerpos son componentes proteicos de un sistema inmunitario adaptativo cuya función principal es unir antígenos o sustancias extrañas en el cuerpo y atacarlos para su destrucción. Los anticuerpos pueden secretarse en el entorno extracelular o anclarse en las membranas de células B especializadas conocidas como células plasmáticas. Mientras que las enzimas están limitadas en su afinidad de unión por sus sustratos por la necesidad de realizar su reacción, los anticuerpos no tienen tales restricciones. La afinidad de unión de un anticuerpo a su objetivo es extraordinariamente alta.

Muchas proteínas de transporte de ligandos se unen a biomoléculas pequeñas particulares y las transportan a otras ubicaciones en el cuerpo de un organismo multicelular. Estas proteínas deben tener una alta afinidad de unión cuando su ligando está presente en altas concentraciones, pero también deben liberar el ligando cuando está presente en bajas concentraciones en los tejidos diana. El ejemplo canónico de una proteína de unión a ligandos es la hemoglobina, que transporta oxígeno desde los pulmones a otros órganos y tejidos en todos los vertebrados y tiene homólogos cercanos en todos los reinos biológicos. Las lectinas son proteínas de unión al azúcar que son altamente específicas para sus fracciones de azúcar. Las lectinas típicamente juegan un papel en los fenómenos de reconocimiento biológico que involucran células y proteínas. Los receptores y las hormonas son proteínas de unión altamente específicas.

Las proteínas transmembrana también pueden servir como proteínas transportadoras de ligandos que alteran la permeabilidad de la membrana celular a moléculas pequeñas e iones. La membrana sola tiene un núcleo hidrofóbico a través del cual las moléculas polares o cargadas no pueden difundirse. Las proteínas de membrana contienen canales internos que permiten que dichas moléculas entren y salgan de la célula. Muchas proteínas de canales iónicos están especializadas para seleccionar solo un ion en particular; por ejemplo, los canales de potasio y sodio a menudo discriminan solo uno de los dos iones.

Proteínas estructurales

Las proteínas estructurales confieren dureza y rigidez a los componentes biológicos que de otro modo serían fluidos. La mayoría de las proteínas estructurales son proteínas fibrosas; por ejemplo, el colágeno y la elastina son componentes fundamentales del tejido conjuntivo, como el cartílago, y la queratina se encuentra en estructuras duras o filamentosas, como el cabello, las uñas, las plumas, las pezuñas y algunos caparazones de animales. Algunas proteínas globulares también pueden desempeñar funciones estructurales, por ejemplo, la actina y la tubulina son globulares y solubles como monómeros, pero se polimerizan para formar fibras largas y rígidas que forman el citoesqueleto, lo que permite que la célula mantenga su forma y tamaño.

Otras proteínas que cumplen funciones estructurales son las proteínas motoras como la miosina, la cinesina y la dineína, que son capaces de generar fuerzas mecánicas. Estas proteínas son cruciales para la motilidad celular de los organismos unicelulares y el esperma de muchos organismos multicelulares que se reproducen sexualmente. También generan las fuerzas ejercidas por los músculos que se contraen y juegan papeles esenciales en el transporte intracelular.

Evolución de proteínas

Una pregunta clave en biología molecular es cómo evolucionan las proteínas, es decir, ¿cómo pueden las mutaciones (o más bien cambios en la secuencia de aminoácidos) dar lugar a nuevas estructuras y funciones? La mayoría de los aminoácidos en una proteína se pueden cambiar sin alterar la actividad o la función, como se puede ver en numerosas proteínas homólogas entre especies (recopiladas en bases de datos especializadas para familias de proteínas, por ejemplo, PFAM). Para evitar las consecuencias dramáticas de las mutaciones, un gen puede duplicarse antes de que pueda mutar libremente. Sin embargo, esto también puede conducir a la pérdida completa de la función del gen y, por lo tanto, a los pseudogenes. Más comúnmente, los cambios de un solo aminoácido tienen consecuencias limitadas, aunque algunos pueden cambiar sustancialmente la función de la proteína, especialmente en las enzimas. Por ejemplo, muchas enzimas pueden cambiar su especificidad de sustrato por una o unas pocas mutaciones. Los cambios en la especificidad del sustrato se ven facilitados por la promiscuidad del sustrato, es decir, la capacidad de muchas enzimas para unirse y procesar múltiples sustratos. Cuando se producen mutaciones, la especificidad de una enzima puede aumentar (o disminuir) y, por tanto, su actividad enzimática. Por lo tanto, las bacterias (u otros organismos) pueden adaptarse a diferentes fuentes de alimentos, incluidos sustratos no naturales como el plástico.

Métodos de estudio

Las actividades y estructuras de las proteínas pueden examinarse in vitro, in vivo e in silico. Los estudios in vitro de proteínas purificadas en entornos controlados son útiles para aprender cómo lleva a cabo su función una proteína: por ejemplo, los estudios de cinética enzimática exploran el mecanismo químico de una enzima's actividad catalítica y su afinidad relativa por varias moléculas de sustrato posibles. Por el contrario, los experimentos in vivo pueden proporcionar información sobre el papel fisiológico de una proteína en el contexto de una célula o incluso de un organismo completo. Los estudios in silico utilizan métodos computacionales para estudiar proteínas.

Purificación de proteínas

Para realizar un análisis in vitro, se debe purificar una proteína de otros componentes celulares. Este proceso generalmente comienza con la lisis celular, en la cual la membrana de una célula se rompe y su contenido interno se libera en una solución conocida como lisado crudo. La mezcla resultante se puede purificar mediante ultracentrifugación, que fracciona los diversos componentes celulares en fracciones que contienen proteínas solubles; lípidos y proteínas de membrana; orgánulos celulares y ácidos nucleicos. La precipitación por un método conocido como salado puede concentrar las proteínas de este lisado. A continuación, se utilizan varios tipos de cromatografía para aislar la proteína o las proteínas de interés en función de propiedades como el peso molecular, la carga neta y la afinidad de unión. El nivel de purificación se puede monitorear utilizando varios tipos de electroforesis en gel si se conocen el peso molecular y el punto isoeléctrico de la proteína deseada, mediante espectroscopia si la proteína tiene características espectroscópicas distinguibles o mediante ensayos enzimáticos si la proteína tiene actividad enzimática. Además, las proteínas se pueden aislar según su carga mediante electroenfoque.

Para las proteínas naturales, puede ser necesaria una serie de pasos de purificación para obtener proteínas lo suficientemente puras para aplicaciones de laboratorio. Para simplificar este proceso, la ingeniería genética se usa a menudo para agregar características químicas a las proteínas que las hacen más fáciles de purificar sin afectar su estructura o actividad. Aquí, una "etiqueta" que consta de una secuencia de aminoácidos específica, a menudo una serie de residuos de histidina (una 'etiqueta His'), se une a un extremo de la proteína. Como resultado, cuando el lisado se pasa por una columna de cromatografía que contiene níquel, los residuos de histidina ligan el níquel y se adhieren a la columna mientras que los componentes no marcados del lisado pasan sin obstáculos. Se han desarrollado varias etiquetas diferentes para ayudar a los investigadores a purificar proteínas específicas de mezclas complejas.

Localización celular

Proteínas en diferentes compartimentos celulares y estructuras etiquetadas con proteína fluorescente verde (aquí, blanco)

El estudio de proteínas in vivo a menudo se ocupa de la síntesis y localización de la proteína dentro de la célula. Aunque muchas proteínas intracelulares se sintetizan en el citoplasma y proteínas unidas a la membrana o secretadas en el retículo endoplásmico, los detalles de cómo las proteínas se dirigen a orgánulos o estructuras celulares específicos a menudo no están claros. Una técnica útil para evaluar la localización celular utiliza la ingeniería genética para expresar en una célula una proteína de fusión o quimera que consta de la proteína natural de interés unida a un "reportero" como la proteína verde fluorescente (GFP). La posición de la proteína fusionada dentro de la célula se puede visualizar de manera limpia y eficiente mediante microscopía, como se muestra en la figura opuesta.

Otros métodos para dilucidar la ubicación celular de las proteínas requieren el uso de marcadores compartimentales conocidos para regiones como el ER, el aparato de Golgi, los lisosomas o vacuolas, las mitocondrias, los cloroplastos, la membrana plasmática, etc. Con el uso de versiones marcadas con fluorescencia de estos marcadores o de anticuerpos contra marcadores conocidos, resulta mucho más sencillo identificar la localización de una proteína de interés. Por ejemplo, la inmunofluorescencia indirecta permitirá la colocalización de la fluorescencia y la demostración de la ubicación. Los tintes fluorescentes se utilizan para etiquetar compartimentos celulares con un propósito similar.

También existen otras posibilidades. Por ejemplo, la inmunohistoquímica generalmente usa un anticuerpo para una o más proteínas de interés que se conjugan con enzimas que producen señales luminiscentes o cromogénicas que se pueden comparar entre muestras, lo que permite obtener información de localización. Otra técnica aplicable es el cofraccionamiento en gradientes de sacarosa (u otro material) mediante centrifugación isopícnica. Si bien esta técnica no prueba la colocalización de un compartimento de densidad conocida y la proteína de interés, aumenta la probabilidad y es más adecuada para estudios a gran escala.

Por último, el método estándar de oro para la localización celular es la microscopía inmunoelectrónica. Esta técnica también utiliza un anticuerpo contra la proteína de interés, junto con las técnicas clásicas de microscopía electrónica. La muestra se prepara para un examen microscópico electrónico normal y luego se trata con un anticuerpo contra la proteína de interés que se conjuga con un material extremadamente electrodenso, generalmente oro. Esto permite la localización tanto de los detalles ultraestructurales como de la proteína de interés.

A través de otra aplicación de ingeniería genética conocida como mutagénesis dirigida al sitio, los investigadores pueden alterar la secuencia de la proteína y, por lo tanto, su estructura, localización celular y susceptibilidad a la regulación. Esta técnica permite incluso la incorporación de aminoácidos no naturales en proteínas, utilizando tRNA modificados, y puede permitir el diseño racional de nuevas proteínas con propiedades novedosas.

Proteómica

El complemento total de proteínas presentes a la vez en una célula o tipo de célula se conoce como su proteoma, y el estudio de estos conjuntos de datos a gran escala define el campo de la proteómica, llamado así por analogía con el campo relacionado de la genómica. Las técnicas experimentales clave en proteómica incluyen la electroforesis 2D, que permite la separación de muchas proteínas, la espectrometría de masas, que permite la identificación rápida y de alto rendimiento de proteínas y la secuenciación de péptidos (la mayoría de las veces después de la digestión en gel), micromatrices de proteínas, que permiten la detección de los niveles relativos de las diversas proteínas presentes en una célula, y la detección de dos híbridos, que permite la exploración sistemática de las interacciones proteína-proteína. El complemento total de tales interacciones biológicamente posibles se conoce como interactoma. Un intento sistemático de determinar las estructuras de las proteínas que representan todos los pliegues posibles se conoce como genómica estructural.

Determinación de la estructura

Descubrir la estructura terciaria de una proteína, o la estructura cuaternaria de sus complejos, puede proporcionar pistas importantes sobre cómo la proteína realiza su función y cómo puede verse afectada, es decir, en el diseño de fármacos. Como las proteínas son demasiado pequeñas para verse con un microscopio óptico, se deben emplear otros métodos para determinar su estructura. Los métodos experimentales comunes incluyen la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN, los cuales pueden producir información estructural a resolución atómica. Sin embargo, los experimentos de RMN pueden proporcionar información a partir de la cual se puede estimar un subconjunto de distancias entre pares de átomos, y las posibles conformaciones finales para una proteína se determinan resolviendo un problema de geometría de distancia. La interferometría de polarización dual es un método analítico cuantitativo para medir la conformación general de la proteína y los cambios conformacionales debidos a interacciones u otros estímulos. El dicroísmo circular es otra técnica de laboratorio para determinar la composición interna de lámina β/helicoidal α de las proteínas. La microscopía crioelectrónica se usa para producir información estructural de baja resolución sobre complejos de proteínas muy grandes, incluidos los virus ensamblados; una variante conocida como cristalografía electrónica también puede producir información de alta resolución en algunos casos, especialmente para cristales bidimensionales de proteínas de membrana. Las estructuras resueltas generalmente se depositan en el Protein Data Bank (PDB), un recurso disponible gratuitamente desde el cual se pueden obtener datos estructurales sobre miles de proteínas en forma de coordenadas cartesianas para cada átomo en la proteína.

Se conocen muchas más secuencias de genes que estructuras de proteínas. Además, el conjunto de estructuras resueltas está sesgado hacia proteínas que pueden someterse fácilmente a las condiciones requeridas en la cristalografía de rayos X, uno de los principales métodos de determinación de estructuras. En particular, las proteínas globulares son comparativamente fáciles de cristalizar en preparación para cristalografía de rayos X. Las proteínas de membrana y los grandes complejos de proteínas, por el contrario, son difíciles de cristalizar y están subrepresentados en el PDB. Las iniciativas de genómica estructural han intentado remediar estas deficiencias resolviendo sistemáticamente estructuras representativas de las principales clases de pliegues. Los métodos de predicción de la estructura de proteínas intentan proporcionar un medio para generar una estructura plausible para proteínas cuyas estructuras no han sido determinadas experimentalmente.

Predicción de estructuras

Los aminoácidos constitutivos se pueden analizar para predecir la estructura de proteínas secundaria, terciaria y cuaternaria, en este caso la hemoglobina que contiene unidades heme

Como complemento al campo de la genómica estructural, la predicción de la estructura de proteínas desarrolla modelos matemáticos eficientes de proteínas para predecir computacionalmente las formaciones moleculares en teoría, en lugar de detectar estructuras con observación de laboratorio. El tipo de predicción de estructura más exitoso, conocido como modelado de homología, se basa en la existencia de una "plantilla" estructura con similitud de secuencia con la proteína que se está modelando; genómica estructural' El objetivo es proporcionar suficiente representación en estructuras resueltas para modelar la mayoría de las que quedan. Aunque la producción de modelos precisos sigue siendo un desafío cuando solo se dispone de estructuras de plantilla relacionadas de forma distante, se ha sugerido que la alineación de la secuencia es el cuello de botella en este proceso, ya que se pueden producir modelos bastante precisos si se dispone de una estructura "perfecta" se conoce el alineamiento de secuencias. Muchos métodos de predicción de estructuras han servido para informar el campo emergente de la ingeniería de proteínas, en el que ya se han diseñado nuevos pliegues de proteínas. También las proteínas (en eucariotas ~33%) contienen grandes segmentos no estructurados pero biológicamente funcionales y pueden clasificarse como proteínas intrínsecamente desordenadas. Predecir y analizar el desorden de proteínas es, por lo tanto, una parte importante de la caracterización de la estructura de proteínas.

Bioinformática

Se ha desarrollado una amplia gama de métodos computacionales para analizar la estructura, la función y la evolución de las proteínas. El desarrollo de tales herramientas ha sido impulsado por la gran cantidad de datos genómicos y proteómicos disponibles para una variedad de organismos, incluido el genoma humano. Es simplemente imposible estudiar todas las proteínas de forma experimental, por lo que solo unas pocas se someten a experimentos de laboratorio, mientras que las herramientas informáticas se utilizan para extrapolar a proteínas similares. Dichas proteínas homólogas pueden identificarse eficazmente en organismos relacionados de forma lejana mediante alineación de secuencias. Las secuencias de genes y genomas se pueden buscar mediante una variedad de herramientas para ciertas propiedades. Las herramientas de perfilado de secuencias pueden encontrar sitios de enzimas de restricción, abrir marcos de lectura en secuencias de nucleótidos y predecir estructuras secundarias. Se pueden construir árboles filogenéticos y desarrollar hipótesis evolutivas utilizando un software especial como ClustalW con respecto a la ascendencia de los organismos modernos y los genes que expresan. El campo de la bioinformática es ahora indispensable para el análisis de genes y proteínas.

Simulación in silico de procesos dinámicos

Un problema computacional más complejo es la predicción de interacciones intermoleculares, como el acoplamiento molecular, el plegamiento de proteínas, la interacción proteína-proteína y la reactividad química. Los modelos matemáticos para simular estos procesos dinámicos implican la mecánica molecular, en particular, la dinámica molecular. En este sentido, las simulaciones in silico descubrieron el plegamiento de pequeños dominios de proteínas α-helicoidales, como la cabeza de villina, la proteína accesoria del VIH y los métodos híbridos que combinan la dinámica molecular estándar con las matemáticas mecánicas cuánticas han explorado los estados electrónicos. de rodopsinas.

Más allá de la dinámica molecular clásica, los métodos de dinámica cuántica permiten la simulación de proteínas en detalle atomístico con una descripción precisa de los efectos mecánicos cuánticos. Los ejemplos incluyen el método Hartree dependiente del tiempo de configuración múltiple multicapa (MCTDH) y el enfoque de ecuaciones jerárquicas de movimiento (HEOM), que se han aplicado a criptocromos de plantas y complejos de captación de luz de bacterias, respectivamente. Tanto las simulaciones mecánicas cuánticas como las clásicas de sistemas a escala biológica son extremadamente exigentes desde el punto de vista computacional, por lo que las iniciativas de computación distribuida (por ejemplo, el proyecto Folding@home) facilitan el modelado molecular al explotar los avances en el procesamiento paralelo de GPU y las técnicas de Monte Carlo.

Análisis químico

El contenido total de nitrógeno de la materia orgánica está formado principalmente por los grupos amino de las proteínas. El nitrógeno total Kjeldahl (TKN) es una medida de nitrógeno ampliamente utilizada en el análisis de aguas (residuales), suelos, alimentos, piensos y materia orgánica en general. Como su nombre indica, se aplica el método Kjeldahl. Hay métodos más sensibles disponibles.

Nutrición

La mayoría de los microorganismos y las plantas pueden biosintetizar los 20 aminoácidos estándar, mientras que los animales (incluidos los humanos) deben obtener algunos de los aminoácidos de la dieta. Los aminoácidos que un organismo no puede sintetizar por sí solo se denominan aminoácidos esenciales. Las enzimas clave que sintetizan ciertos aminoácidos no están presentes en los animales, como la aspartoquinasa, que cataliza el primer paso en la síntesis de lisina, metionina y treonina a partir del aspartato. Si los aminoácidos están presentes en el medio ambiente, los microorganismos pueden conservar energía tomando los aminoácidos de su entorno y regulando a la baja sus vías biosintéticas.

En los animales, los aminoácidos se obtienen a través del consumo de alimentos que contienen proteínas. Las proteínas ingeridas luego se descomponen en aminoácidos a través de la digestión, lo que generalmente implica la desnaturalización de la proteína mediante la exposición al ácido y la hidrólisis por enzimas llamadas proteasas. Algunos aminoácidos ingeridos se utilizan para la biosíntesis de proteínas, mientras que otros se convierten en glucosa a través de la gluconeogénesis o se introducen en el ciclo del ácido cítrico. Este uso de proteínas como combustible es particularmente importante en condiciones de inanición, ya que permite que las propias proteínas del cuerpo se utilicen para mantener la vida, en particular las que se encuentran en los músculos.

En animales como perros y gatos, la proteína mantiene la salud y la calidad de la piel al promover el crecimiento del folículo piloso y la queratinización y, por lo tanto, reduce la probabilidad de que los problemas de la piel produzcan malos olores. Las proteínas de baja calidad también tienen un papel en la salud gastrointestinal, aumentando el potencial de flatulencia y compuestos olorosos en los perros porque cuando las proteínas llegan al colon sin digerir, se fermentan y producen gas de sulfuro de hidrógeno, indol y escatol. Los perros y gatos digieren mejor las proteínas animales que las de origen vegetal, pero los productos de origen animal de baja calidad se digieren mal, como la piel, las plumas y el tejido conectivo.