Las lipoproteínas

Son heteroproteínas formadas por una parte proteica (apoproteína) y una parte no proteica de naturaleza lipídica (grupo prostético).

Encontramos muchas lipoproteínas asociadas a las membranas celulares pero existe un conjunto realmente importante de lipoproteínas transportadoras de lípidos, que se encargan de transportar los lípidos a través de la sangre o la linfa entre el intestino, el hígado y los tejidos adiposos y musculares.

Básicamente están formadas por una monocapa lipídica de fosfolípidos con sus cabezas polares situadas en el exterior y sus colas apolares orientadas hacia el interior, de carácter hidrofóbico, donde se alojan los triacilglicéridos y el colesterol:

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Las proteínas se asocian a la monocapa lipídica, aumentando la estabilidad y la solubilidad, y permitiendo el reconocimiento celular. Las más importantes son:

  • Quilomicrones: se producen en las células del intestino delgado a partir de los ácidos grasos, la glicerina y el colesterol que absorben, desde donde pasan a la circulación (a la linfa y, posteriormente, a la sangre).
  • VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad): se sintetizan en el hígado para el transporte de triglicéridos, fosfolípidos y colesterol que podrán ser liberados en las células para su metabolismo (músculo) o su almacenamiento (tejido adiposo). En su composición, en torno al 90 % son lípidos. Son las precursoras de las LDL.
  • LDL (lipoproteínas de baja densidad): a medida que las VLDL van acumulando más lípidos se transforman en lipoproteínas LDL. Las células sintetizan unos receptores específicos que se unen a éstas, según sean sus necesidades. Si el contenido de colesterol en el interior de la célula es elevado, la síntesis de receptores disminuye y el contenido de LDL en sangre aumenta, lo que favorece la formación de depósitos en las paredes arteriales.
  • HDL (lipoproteínas de alta densidad): su función es la contraria, pues se encargan de transportar el colesterol desde los tejidos hasta el hígado para su eliminación. Pueden retirar colesterol de las arterias, evitando la formación de depósitos en las mismas, por lo que se le denomina “colesterol bueno”.

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Las proteínas globulares

Las proteínas globulares o esferoproteínas están constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructuralmente adoptando formas esféricas o globulares compactas, por lo que presentan estructuras terciaria y cuaternaria. Son solubles en agua, de modo que los aminoácidos con cadenas polares están en contacto con el exterior y aquellos con cadenas apolares hidrófobas se orientan hacia el interior.

Pertenecen a este grupo:

  • Las albúminas, que poseen funciones de transporte o de reserva de aminoácidos. Entre ellas destacan la ovoalbúmina (en la clara de huevo), la lactoalbúmina (en la leche) y la seroalbúmina (encargada del transporte de ácidos grasos en la sangre).

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  • Las globulinas, de forma esférica casi perfecta, entre las que destacan la ovoglobulina (en el huevo), la lactoglobulina (en la leche), la seroglobulina (en la sangre), la α–globulina (asociada a la hemoglobina) y las γ–globulinas o inmunoglobulinas (que forman los anticuerpos).
  • Las histonas, de carácter básico, asociadas al ADN. En los espermatozoides, el ADN está más compactado debido a otras proteínas denominadas protaminas.

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  • La mayoría de las enzimas son proteínas globulares.

Mioglobina

La mioglobina se encarga de almacenar y proporcionar oxígeno en las fibras musculares. Es una heteroproteína formada por una parte proteica (apoproteína) de 153 aminoácidos asociada a un grupo hemo (grupo prostético):

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El grupo hemo está formado por un anillo orgánico (porfirínico) en cuyo centro se enlaza un catión ferroso (de modo que es una metaloproteína):

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En la parte interna de la proteína se sitúan las cadenas apolares de los aminoácidos, proporcionando un entorno altamente hidrofóbico alrededor del grupo hemo, lo cual permite que el hierro no se oxide y pueda unirse al oxígeno.

La mioglobina tiene una afinidad por el monóxido de carbono unas 250 veces mayor que por el oxígeno, por lo que un aumento en los niveles sanguíneos de ese compuesto conduce al envenamiento.

Hemoglobina

La hemoglobina es el transportador de oxígeno en los glóbulos rojos o eritrocitos, es decir, transporta en la sangre el oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos y músculos, donde se lo cede a la mioglobina.

La hemoglobina de los vertebrados es prácticamente esférica y está formada por 4 cadenas polipeptídicas, de dos tipos distintos, que se mantienen unidas por interacciones no covalentes (estructura cuaternaria). Cada cadena contiene un grupo hemo y un único lugar de unión para el oxígeno.

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A pesar de la diferencia entre las secuencias de aminoácidos, las subunidades de la hemoglobina son muy parecidas a la mioglobina en su estructura tridimensional y también ofrecen el entorno adecuado para que el grupo hemo pueda transportar oxígeno.

Sin embargo, en condiciones fisiológicas la mioglobina tiene una afinidad mayor por el oxígeno que la hemoglobina, por lo que está puede cedérselo a su llegada al músculo. Además, es capaz de unirse al dióxido de carbono y, en el músculo, la cesión de oxígeno va asociada a la captura del dióxido de carbono, y lo lleva hasta los alvéolos pulmonares, donde tiene lugar el proceso inverso.

El feto tiene una hemoglobina especial que tiene también mayor afinidad por el oxígeno que la hemoglobina materna, permitiendo que el oxígeno pase de la madre al feto en la circulación placentaria.

El grupo hemo aparece en otras muchas proteínas de gran importancia biológica, aunque su función no es la misma en todas, como los citocromos, las peroxidasas y las catalasas. Todas ellas son, por tanto, hemoproteínas o proteínas porfirínicas. Como están asociadas a un catión metálico se las puede englobar dentro del grupo de las metaloproteínas y, debido a que todas muestran un color característico, también se denominan cromoproteínas.

Las proteínas fibrosas

Las proteínas fibrosas o escleroproteínas están constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resistentes e insolubles en medios acuosos.

Son elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales superiores.

Queratina

En el pelo, la cadena polipeptídica se enrolla en una hélice α dextrógira que se estabiliza por puentes de hidrógeno. Cuatro hélices se enrollan de forma levógira aumentando la resistencia y formando una protofibrilla, estabilizada por puentes de hidrógeno y disulfuro. Once de éstas se juntan en una microfibrilla. Cientos de éstas forman las macrofibrillas de las células que se agrupan formando las fibras del cabello.

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La queratina es la principal proteína constitutiva del cabello, las plumas, la lana, la capa exterior de la piel, las pinzas, las escamas, los cuernos, las conchas de las tortugas, las púas y las pezuñas. Les proporciona resistencia, insolubilidad en agua y durabilidad.

Colágeno

Esta proteína tiene numerosos residuos de prolina e hidroxiprolina, que impiden la formación de estructuras α o β, adoptando una  estructura helicoidal triple de una resistencia extraordinaria y poca capacidad de estiramiento:

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Imprescindible en los tendones, cartílagos y en la matriz de los huesos.  Sus moléculas se fabrican en unas células especializadas: los fibroplastos.

Elastina

Es una proteína flexible localizada en el tejido conjuntivo de estructuras y órganos que son elásticos, como la piel, los ligamentos o los vasos sanguíneos.

Las redes de elastina se alargan o se doblan cuando son sometidas a un esfuerzo. La gran elasticidad que presenta es porque tiene una estructura irregular en la cual se establecen enlaces cruzados, que permiten que se estire hasta el 150% antes de romperse.

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Actina y miosina

Aunque presentan una estructura filamentosa son solubles en agua, por lo que a veces, no se incluyen dentro del grupo de las fibrosas. Aparecen en casi todas las células eucariotas y son las responsables de la contracción muscular debido al deslizamiento entre ambas:

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Fibroina

Proteínas resistentes, pero flexibles, que producen insectos y arañas para fabricar la seda, capullos, nidos… Su estructura es la de una lámina β:

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Son estructuras compactas ya que la disposición de las cadenas y que en su mayoría son residuos de glicina favorecen el empaquetamiento.

Niveles de organización de las proteínas

La rigidez del enlace peptídico posibilita que las proteínas adopten formas tridimensionales bien definidas. La libertad de rotación de los dos lados de la unidad peptídica es igualmente importante porque permite a las proteínas doblarse de formas muy diferentes. Las proteínas se disponen en el espacio formando una estructura tridimensional definida, que puede tener hasta cuatro niveles de organización: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos que integran una proteína, es decir, indica la cantidad y el tipo de los aminoácidos que la forman y el orden en que se encuentran unidos.

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La estructura primaria de las proteínas está determinada en la información genética y los enlaces que mantienen su estabilidad son enlaces peptídicos. La comparación de secuencias de distintas proteínas permite establecer relaciones evolutivas entre especies.

La estructura primaria de las proteínas es lineal, y se convierte en tridimensional al plegarse.

Estructura secundaria

Es la organización regular y periódica en el espacio de las cadenas polipeptídicas en una dirección.

El plegamiento característico de este tipo de organización está determinado por la secuencia de aminoácidos y la rigidez del enlace peptídico, que sólo posibilita giros en torno a los enlaces sencillos. La estabilidad de esta estructura es posible gracias a los puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos amino y carboxilo.

Estructura helicoidal o hélice α

Es la estructura secundaria más corriente. En ella, la cadena polipeptídica se va enrollando en espiral sobre sí misma debido a los giros que se producen en torno al carbono α de cada aminoácido. Características:

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— Se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios, entre el grupo –CO de un aminoácido y el grupo –NH del aminoácido situado cuatro residuos después.

— Hay 3’6 aminoácidos por vuelta de hélice, cada aminoácido gira 100º respecto al anterior.

— Se produce un avance por residuo de 1’5 Å, por lo que el paso de rosca de 5’4 Å.

— El giro en las hélices α que se encuentran en las proteínas es dextrógiro (sentido de las agujas del reloj)

— Todos los grupos carboxilo quedan orientados en la misma dirección, mientras que los amino se orientan en la dirección contraria. Los radicales de los aminoácidos quedan dirigidos hacia el exterior de la α–hélice.

— Los residuos de prolina y hidroxiprolina desestabilizan la α–hélice, ya que estos aminoácidos impiden la formación de enlaces de hidrógeno.

Estructura de hoja plegada o β–laminar

En este tipo de estructura secundaria la cadena polipeptídica se pliega de manera que los planos de los enlaces peptídicos se disponen en forma de zig-zag. La interacción con otros fragmentos de la cadena conduce a la formación de láminas u hojas, en vez de estar estrechamente enrollada como en el caso de la hélice α. En ella:

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— Se establecen puentes de hidrógeno intercatenarios, entre grupos –NH y –CO de filamentos polipeptídicos diferentes.

— Las cadenas laterales se sitúan alternativamente por encima y por debajo del plano de la lámina.

— Cada resto de aminoácido ocupa 3’5 Å.

— Las cadenas adyacentes en una hoja plegada β pueden orientarse en la misma dirección (hojas β paralelas) o en direcciones opuestas (hojas β antiparalelas). En ambos casos, los radicales de los aminoácidos se orientan hacia ambos lados de la hoja, de forma alterna. La disposición antiparalela es un poco más compacta que la paralela, y aparece con mayor frecuencia en las proteínas.

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Como se puede observar es necesario introducir giros o codos en las cadenas polipeptídicas que también se estabilizan por puentes de hidrógeno. Dependiendo de la secuencia de aminoácidos se favorecerá una u otra estructura, y pueden aparecer combinadas en una misma proteína.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria define la forma tridimensional que adquiere una cadena polipeptídica, es decir, al modo en que una proteína se encuentra plegada en el espacio.

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La estructura tridimensional condiciona la función de la proteína. En ella se pueden identificar agrupaciones de menor tamaño que denominamos dominios. El concepto de dominio es muy útil al explicar la relación entre estructura y función en las proteínas pues dominios particulares tienen funciones propias en más de una proteína.

En la conformación espacial de una proteína influye la tendencia de las cadenas laterales hidrófobas de los aminoácidos a mantenerse en el interior de la proteína; adoptando la forma termodinámicamente más estable en ese medio. La proteína puede sufrir cambios conformacionales en el desempeño de su función y en la regulación de su actividad.

La estructura terciaria se estabiliza mediante enlaces que se establecen entre determinados grupos de las cadenas laterales:

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  • Enlaces o puentes de hidrógeno: entre las cadenas laterales de aminoácidos polares sin carga. Son de vital importancia debido a su abundancia.
  • Atracciones electrostáticas o interacciones iónicas, entre grupos carboxilo y amino de aminoácidos ácidos y básicos.
  • Atracciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals entre radicales alifáticos y aromáticos de las cadenas laterales de los aminoácidos apolares.
  • Puentes disulfuro: enlaces covalentes –S–S–, más fuertes que los anteriores, entre dos grupos –SH de dos cisteínas (o derivados).
  • Enlaces coordinados: entre cationes de metales de transición y la proteína.

Estructura cuaternaria

Aparece en las proteínas constituidas por más de una subunidad o protómero. La estructura cuaternaria hace referencia a esta asociación de protómeros para formar la proteína biológicamente activa.

Los protómeros pueden unirse débilmente entre sí a través de enlaces de hidrógeno o fuerzas de van der Waals, y en algunos casos, aunque no es habitual, esta unión puede establecerse mediante puentes disulfuro.

Esta estructura sólo la presentan las proteínas oligoméricas, que tienen dos o más cadenas polipeptídicas, iguales o no, cada una de las cuales posee su propia estructura secundaria y terciaria.

Así, en la queratina del pelo se forman tres hebras y cada una de las hebras está constituida por un arrollamiento α–hélice. Por su parte, las cuatro cadenas polipeptídicas globulares de la hemoglobina se encajan y adoptan una disposición aproximadamente tetraédrica, que constituye la estructura cuaternaria de la hemoglobina.

En un nivel aún superior encontraríamos la asociación entre proteínas y moléculas no proteínicas como glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos.

Desnaturalización

La pérdida de la estructura nativa de una proteína se denomina desnaturalización y se debe a la rotura de los enlaces que mantienen las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias lo que conduce a la pérdida de su actividad biológica (los enlaces covalentes se mantienen, por lo que la estructura primaria se mantiene).

La desnaturalización puede ser provocada por cambios en el pH o en la temperatura, por radiación ultravioleta o por determinados agentes químicos desnaturalizantes (como la urea) y en ciertas condiciones puede ser reversible (renaturalización).

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Los péptidos

La unión de aminoácidos conduce a la formación de péptidos. Cada uno de los aminoácidos que lo componen se denomina residuo y según sea su número distinguimos:

  • Oligopéptidos: aquellos que poseen un número pequeño de residuos, desde 2 hasta 30 o 50, aproximadamente. Entre ellos se encuentran los dipéptidos, los tripéptidos, los tetrapéptidos…
  • Polipéptidos: son aquellos que poseen un mayor número de residuos.

Independiente del número de aminoácidos que se unan, tiene dos extremos diferentes. Por convenio, el grupo amino terminal del primer aminoácido se sitúa en el extremo izquierdo, y el grupo carboxilo terminal del último aminoácido corresponde al extremo derecho del péptido:

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Existe un gran número de péptidos y oligopéptidos que realizan importantes funciones:

  • Vasopresina (hormona antidiurética, ADH), que estimula la retención de agua en el riñón e incrementa la presión sanguínea para facilitar el flujo sanguíneo en el riñón.
  • Oxitocina, nonapéptido estimulador de la contracción del musculo liso uterino en el parto y en la glándula mamaria durante la lactancia.
  • Insulina, hormona pancreática que consta de dos cadenas polipeptídicas unidas por dos disulfuros, encargada de la homeostasis de la glucosa junto con otra hormona pancreática, el glucagón, cuya estructura es también polipeptídica.

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  • Neutrotransmisores, como las encefalinas: leucin-encefalina (secuencia YGGFL) y metionin-encefalina (YGGFM). La acción de las drogas opiáceas (morfina, heroína, etc.) se debe a su parecido estructural con estos péptidos.
  • Glutatión (GSH), molécula reductora gracias a un -SH libre. El glutatión participa en una gran cantidad de procesos redox intracelulares: evita la oxidación permanente de la hemoglobina y otras proteínas o el efecto oxidante de algunos fármacos y tóxicos que podrían oxidar proteínas de manera irreversible.
  • Antibióticos, como la valinomicina, un decapéptido que potencia el transporte de iones a través de las membranas.