Las 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 las células y los 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 las proteínas en una estructura tridimensional específica que determina su actividad.
Una cadena lineal de residuos de aminoácidos se llama 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 mediante 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 de una proteína suelen modificarse químicamente mediante modificación postraduccional , 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 protésicos o cofactores . Las proteínas también pueden trabajar juntas para lograr una función particular y, a menudo, se asocian para formar complejos proteicos estables .
Una vez formadas, las proteínas solo existen durante un período determinado y luego son degradadas y recicladas por la maquinaria celular mediante el proceso de recambio 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 ya sea porque están destinadas a ser destruidas o porque 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 pueden sintetizarse . La digestión descompone las proteínas para su uso metabólico.
Las proteínas pueden purificarse a partir de otros componentes celulares utilizando 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 función de las proteínas incluyen inmunohistoquímica , mutagénesis dirigida , cristalografía de rayos X , resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas .
Las proteínas fueron reconocidas como una clase distinta de moléculas biológicas en el siglo XVIII por Antoine Fourcroy y otros, distinguidas por la capacidad de las moléculas para coagularse o flocular bajo tratamientos con calor o ácido. [1] Los ejemplos conocidos en ese momento incluían la albúmina de las claras de huevo , la albúmina del suero sanguíneo , la fibrina y el 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. [2] [3] Mulder llevó a cabo análisis elementales de proteínas comunes y descubrió que casi todas las proteínas tenían la misma fórmula empírica , C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1 . [4] Llegó a la conclusión errónea de que podrían estar compuestos de un solo tipo de molécula (muy grande). El término "proteína" para describir estas moléculas fue propuesto por Berzelius, asociado de Mulder; La proteína se deriva de la palabra griega πρώτειος ( proteios ), que significa "primaria", [5] "a la cabeza" o "parado al frente", [6] + -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 . [4] Antes de "proteína", se utilizaban otros nombres, como "albúminas" o "materiales albuminosos" ( Eiweisskörper , en alemán). [7]
Los primeros científicos nutricionales, 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 carne". [8] Karl Heinrich Ritthausen amplió las formas de proteínas 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 llegó gracias al trabajo de Franz Hofmeister y Hermann Emil Fischer en 1902. [9] [10] El papel central de las proteínas como enzimas en los organismos vivos no se apreció plenamente hasta 1926, cuando James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era en realidad una proteína. [11]
La dificultad para purificar proteínas en grandes cantidades hizo que fuera muy difícil para los primeros bioquímicos de proteínas estudiarlas. Por lo tanto, los primeros estudios se centraron en proteínas que podían purificarse en grandes cantidades, por ejemplo, las de la sangre, la clara de huevo, diversas toxinas y enzimas digestivas/metabólicas obtenidas en 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 décadas siguientes. [4]
A Linus Pauling se le atribuye la predicción exitosa de estructuras secundarias de proteínas regulares basadas en enlaces de hidrógeno , una idea presentada por primera vez por William Astbury en 1933. [12] Trabajo posterior de Walter Kauzmann sobre la desnaturalización , [13] [14] basado en parte en estudios anteriores Los estudios de Kaj Linderstrøm-Lang , [15] contribuyeron a la comprensión del plegamiento y la estructura de las proteínas mediadas por interacciones hidrofóbicas .
La primera proteína en ser secuenciada fue la insulina , por 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 . [16] Ganó el Premio Nobel por este logro en 1958. [17]
Con el desarrollo de la cristalografía de rayos X , fue posible secuenciar estructuras de proteínas. [18] Las primeras estructuras proteicas que se resolvieron fueron la hemoglobina de Max Perutz y la mioglobina de John Kendrew , en 1958. [19] [20] El uso de computadoras y la creciente potencia informática también respaldaron la secuenciación de proteínas complejas. En 1999, Roger Kornberg logró secuenciar la estructura altamente compleja de la ARN polimerasa utilizando rayos X de alta intensidad procedentes de sincrotrones . [18]
Desde entonces, se ha desarrollado la microscopía crioelectrónica (crio-EM) de grandes conjuntos macromoleculares [21] . 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. [18] La predicción computacional de la estructura de proteínas de pequeños dominios de proteínas [22] también ha ayudado a los investigadores a acercarse a la resolución de estructuras de proteínas a nivel atómico. A partir de 2017 [actualizar], el Banco de datos de proteínas tiene más de 126.060 estructuras de proteínas de resolución atómica. [23]
El número de proteínas codificadas en un genoma corresponde aproximadamente al número de genes (aunque puede haber un número significativo de genes que codifican el ARN de una proteína, por ejemplo, los ARN ribosómicos ). Los virus normalmente codifican entre unos pocos y cientos de proteínas, las arqueas y las bacterias , entre unos pocos cientos y unos miles, mientras que los eucariotas normalmente codifican entre unos pocos miles y decenas de miles de proteínas (consulte el tamaño del genoma para obtener una lista de ejemplos).
Las proteínas se clasifican principalmente por secuencia y estructura, aunque comúnmente se utilizan otras clasificaciones. Especialmente para las enzimas, el sistema numérico EC proporciona un esquema de clasificación funcional. De manera similar, la ontología genética clasifica tanto genes como proteínas por su función biológica y bioquímica, pero también por su ubicación intracelular.
La similitud de secuencia se utiliza para clasificar proteínas tanto en términos de similitud evolutiva como funcional. Esto puede utilizar proteínas completas o dominios proteicos , especialmente en proteínas multidominio . Los dominios de proteínas permiten la clasificación de proteínas mediante una combinación de secuencia, estructura y función, y se pueden combinar de muchas maneras diferentes. En un estudio inicial de 170.000 proteínas, a aproximadamente dos tercios se les asignó al menos un dominio, y las proteínas más grandes contenían más dominios (por ejemplo, las proteínas de más de 600 aminoácidos tenían un promedio de más de 5 dominios). [24]
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 están unidos un grupo amino , un grupo carboxilo y una cadena lateral variable . Sólo la prolina difiere de esta estructura básica, ya que contiene un anillo inusual en el grupo amino del extremo N, que fuerza al resto amida CO-NH a adoptar una conformación fija. [25] 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 en última instancia determina su estructura tridimensional y su reactividad química. [26] Los aminoácidos en una cadena polipeptídica están unidos por enlaces peptídicos . Una vez unido en la cadena de proteínas, un aminoácido individual se denomina residuo , y la serie unida de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno se conoce como cadena principal o columna vertebral de la proteína. [27] : 19
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 la columna vertebral de la proteína. [27] : 31 El extremo con un grupo amino libre se conoce como N-terminal o amino terminal, mientras que el extremo de la proteína con un grupo carboxilo libre se conoce como C-terminal o carboxi terminal (la secuencia de la proteína se escribe del extremo N al extremo C, de izquierda a derecha).
Las palabras proteína , polipéptido y péptido son un poco ambiguas y pueden superponerse en significado. La proteína se usa generalmente para referirse a la molécula biológica completa en una conformación estable , mientras que el 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 normalmente se encuentra entre 20 y 30 residuos. [28] Polipéptido puede referirse a cualquier cadena lineal única de aminoácidos, generalmente independientemente de su longitud, pero a menudo implica una ausencia de una conformación definida .
Las proteínas pueden interactuar con muchos tipos de moléculas, incluso con otras proteínas , con lípidos , con carbohidratos y con el ADN . [29] [30] [27] [31]
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 tanto, contienen mucha más proteína. 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. [32] La concentración de copias de proteínas individuales varía desde unas pocas moléculas por célula hasta 20 millones. [33] 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, sólo 6.000 se detectan en las células linfoblastoides . [34]
Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos utilizando información codificada en 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 tanto, existe cierta redundancia en el código genético, con algunos aminoácidos especificados por más de un codón. [31] : 1002–42 Los genes codificados en el ADN se transcriben primero en ARN premensajero (ARNm) mediante proteínas como la ARN polimerasa . Luego, la mayoría de los organismos procesan el pre-ARNm (también conocido como transcripción primaria ) utilizando diversas formas de modificación postranscripcional para formar el ARNm maduro, que luego el ribosoma utiliza como plantilla para la síntesis de proteínas . En los procariotas, el ARNm puede utilizarse 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 trasladan a través de la membrana nuclear hasta el citoplasma , donde tiene lugar la síntesis de proteínas . La tasa de síntesis de proteínas es mayor en los procariotas que en los eucariotas y puede alcanzar hasta 20 aminoácidos por segundo. [35]
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 transporta el aminoácido correspondiente al codón que reconoce. La enzima aminoacil tRNA sintetasa "carga" las moléculas de tRNA con los aminoácidos correctos. El polipéptido en crecimiento a menudo se denomina cadena naciente . Las proteínas siempre se biosintetizan desde el extremo N al extremo C. [31] : 1002–42
El tamaño de una proteína sintetizada se puede medir por el número de aminoácidos que contiene y por su masa molecular total , que normalmente se expresa 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 y Eucariota (283, 311, 438 residuos y 31, 34, 49 kDa respectivamente) debido a un mayor número de dominios proteicos que constituyen proteínas en organismos superiores. [36] Por ejemplo, las proteínas de levadura tienen en promedio 466 aminoácidos de longitud y 53 kDa de masa. [28] 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. [37]
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 alto rendimiento. [38] La síntesis química permite la introducción de aminoácidos no naturales en cadenas polipeptídicas, como la unión de sondas fluorescentes a las cadenas laterales de aminoácidos. [39] Estos métodos son útiles en bioquímica de laboratorio y biología celular , aunque generalmente no para aplicaciones comerciales. La síntesis química es ineficiente para polipéptidos de más de aproximadamente 300 aminoácidos, y es posible que las proteínas sintetizadas no adopten fácilmente su estructura terciaria nativa . La mayoría de los métodos de síntesis química proceden del extremo C al extremo N, al contrario de la reacción biológica. [40]
La mayoría de las proteínas se pliegan en estructuras tridimensionales únicas. La forma en la que una proteína se pliega naturalmente se conoce como conformación nativa . [27] : 36 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. [27] : 37 Los bioquímicos a menudo se refieren a cuatro aspectos distintos de la estructura de una proteína: [27] : 30–34
Las proteínas no son moléculas enteramente 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. Estos cambios suelen ser 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 su estructura a través de la vibración térmica y la colisión con otras moléculas. [31] : 368–75
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 componente principal del tejido conectivo, 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 moléculas polares o cargadas atraviesen la membrana celular . [31] : 165–85
Un caso especial de enlaces de hidrógeno intramoleculares dentro de las proteínas, mal protegidos del ataque del agua y, por tanto, que favorecen su propia deshidratación , se denominan deshidrones . [41]
Muchas proteínas están compuestas de varios dominios proteicos , es decir, segmentos de una proteína que se pliegan en distintas unidades estructurales. Los dominios normalmente también tienen 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).
Las secuencias cortas de aminoácidos dentro de las proteínas a menudo actúan como sitios de reconocimiento para otras proteínas. [42] 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).
La topología de una proteína describe el entrelazamiento de la columna vertebral y la disposición de los contactos dentro de la cadena plegada. [43] Se han aplicado dos marcos teóricos de la teoría de nudos y la topología de circuitos para caracterizar la topología de proteínas. Ser capaz de describir la topología de las proteínas abre nuevas vías para la ingeniería de proteínas y el desarrollo farmacéutico, y aumenta nuestra comprensión de las enfermedades por plegamiento incorrecto de las proteínas, como los trastornos neuromusculares y el cáncer.
Las proteínas son los actores principales dentro de la célula y se dice que llevan a cabo las tareas especificadas por la información codificada en los genes. [28] 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 representan sólo el 3% y el 20%, respectivamente. [44] El conjunto de proteínas expresadas en una célula o tipo de célula particular se conoce como su proteoma .
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 unir otra molécula se conoce como sitio de unión y suele ser una depresión o "bolsillo" en la superficie molecular. Esta capacidad de unión está mediada por la estructura terciaria de la proteína, que define el sitio de unión, y por las propiedades químicas de las cadenas laterales de los aminoácidos circundantes. 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 homóloga anfibia onconasa (>1 M). A veces, cambios químicos extremadamente menores, como la adición de un solo grupo metilo a un compañero de unión, pueden ser suficientes para casi eliminar la unión; por ejemplo, la aminoacil tRNA sintetasa específica del aminoácido valina discrimina la cadena lateral muy similar del aminoácido isoleucina . [45]
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 lo largo 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 a las membranas celulares o incluso integrarse en ellas. La capacidad de los socios de unión para inducir cambios conformacionales en las proteínas permite la construcción de redes de señalización enormemente complejas . [31] : 830–49 Como las interacciones entre proteínas son reversibles y dependen en gran medida de la disponibilidad de diferentes grupos de proteínas asociadas para formar agregados que sean capaces de llevar a cabo conjuntos discretos de funciones, el estudio de las interacciones entre proteínas específicas es clave. comprender aspectos importantes de la función celular y, en última instancia, las propiedades que distinguen tipos de células particulares. [46] [47]
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 implicadas en el metabolismo , además de manipular el ADN en procesos como la replicación , reparación y transcripción del ADN . Algunas enzimas actúan sobre otras proteínas para agregar o eliminar grupos químicos en un proceso conocido como modificación postraduccional. Se sabe que alrededor de 4.000 reacciones son catalizadas por enzimas. [48] La aceleración de la velocidad conferida por la catálisis enzimática es a menudo enorme: un aumento de hasta 10 17 veces en la velocidad con respecto a la reacción no catalizada en el caso de la orotato descarboxilasa (78 millones de años sin la enzima, 18 milisegundos con la enzima). [49]
Las moléculas unidas y sobre las que actúan las enzimas se denominan sustratos . Aunque las enzimas pueden constar de cientos de aminoácidos, normalmente es sólo una pequeña fracción de los residuos los que entran en contacto con el sustrato, y una fracción aún más pequeña (de tres a cuatro residuos en promedio) la que está directamente involucrada en la catálisis. [50] La región de la enzima que se une al sustrato y contiene los residuos catalíticos se conoce como sitio activo .
Las proteínas dirigentes son miembros de una clase de proteínas que dictan la estereoquímica de un compuesto sintetizado por otras enzimas. [51]
Muchas proteínas participan 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 unirse a 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 sufrir un cambio conformacional detectado por otras proteínas dentro de la célula. [30] : 251–81
Los anticuerpos son componentes proteicos de un sistema inmunológico adaptativo cuya función principal es unirse a antígenos o sustancias extrañas en el cuerpo y atacarlos para destruirlos. 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 limitaciones. La afinidad de unión de un anticuerpo a su objetivo es extraordinariamente alta. [31] : 275–50
Muchas proteínas transportadoras 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 proteína de unión a ligando 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 . [31] : 222–29 Las lectinas son proteínas fijadoras de azúcar que son altamente específicas para sus fracciones de azúcar. Las lectinas suelen desempeñar un papel en los fenómenos de reconocimiento biológico que involucran células y proteínas. [52] 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 pequeñas moléculas e iones. La membrana por sí 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 únicamente un ion en particular; por ejemplo, los canales de potasio y sodio a menudo discriminan sólo uno de los dos iones. [30] : 232–34
Las proteínas estructurales confieren rigidez y rigidez a 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 críticos del tejido conectivo 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 . [31] : 178–81 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 a la célula mantener 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 los espermatozoides de muchos organismos multicelulares que se reproducen sexualmente . También generan las fuerzas ejercidas por los músculos en contracción [31] : 258–64, 272 y desempeñan funciones esenciales en el transporte intracelular.
Una cuestión clave en biología molecular es cómo evolucionan las proteínas, es decir, ¿cómo pueden las mutaciones (o más bien cambios en la secuencia de aminoácidos ) conducir a nuevas estructuras y funciones? La mayoría de los aminoácidos de una proteína se pueden cambiar sin alterar la actividad o función, como se puede observar en numerosas proteínas homólogas de distintas especies (recopiladas en bases de datos especializadas para familias de proteínas , por ejemplo, PFAM ). [53] Para evitar consecuencias dramáticas de las mutaciones, un gen puede duplicarse antes de que pueda mutar libremente. Sin embargo, esto también puede provocar una pérdida total de la función genética y, por tanto, de pseudogenes . [54] Más comúnmente, los cambios de un solo aminoácido tienen consecuencias limitadas, aunque algunos pueden cambiar sustancialmente la función de las proteínas, especialmente en las enzimas . Por ejemplo, muchas enzimas pueden cambiar su especificidad de sustrato mediante una o unas pocas mutaciones. [55] 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. [55] Por lo tanto, las bacterias (u otros organismos) pueden adaptarse a diferentes fuentes de alimentos, incluidos sustratos no naturales como el plástico. [56]
Las actividades y estructuras de las proteínas pueden examinarse in vitro , in vivo e in silico . Los estudios in vitro de proteínas purificadas en ambientes controlados son útiles para aprender cómo una proteína lleva a cabo su función: por ejemplo, los estudios de cinética enzimática exploran el mecanismo químico de la actividad catalítica de una enzima y su afinidad relativa por varias posibles moléculas de sustrato. 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.
Para realizar un análisis in vitro , una proteína debe purificarse de otros componentes celulares. Este proceso generalmente comienza con la lisis celular , en la que se rompe la membrana de una célula 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 mediante un método conocido como sal puede concentrar las proteínas de este lisado. Luego se utilizan varios tipos de cromatografía para aislar la proteína o proteínas de interés en función de propiedades como el peso molecular, la carga neta y la afinidad de unión. [27] : 21–24 El nivel de purificación se puede controlar mediante 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 enzimatica. Además, las proteínas se pueden aislar según su carga mediante electroenfoque . [57]
Para las proteínas naturales, puede ser necesaria una serie de pasos de purificación para obtener proteínas suficientemente puras para aplicaciones de laboratorio. Para simplificar este proceso, a menudo se utiliza la ingeniería genética para agregar características químicas a las proteínas que las hagan más fáciles de purificar sin afectar su estructura o actividad. Aquí, una "etiqueta" que consiste en 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 pasa sobre 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 etiquetados del lisado pasan sin obstáculos. Se han desarrollado varias etiquetas diferentes para ayudar a los investigadores a purificar proteínas específicas a partir de mezclas complejas. [58]
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 membrana o secretadas en el retículo endoplásmico , a menudo no está claro cómo se dirigen las proteínas a orgánulos o estructuras celulares específicas. Una técnica útil para evaluar la localización celular utiliza la ingeniería genética para expresar en una célula una proteína de fusión o quimera que consiste en la proteína natural de interés unida a un " reportero " como la proteína verde fluorescente (GFP). [59] La posición de la proteína fusionada dentro de la célula se puede visualizar de forma limpia y eficiente mediante microscopía , [60] como se muestra en la figura de al lado.
Otros métodos para dilucidar la ubicación celular de las proteínas requieren el uso de marcadores compartimentales conocidos para regiones como el RE, el Golgi, lisosomas o vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, membrana plasmática, etc. Con el uso de versiones marcadas fluorescentemente 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. [61]
También existen otras posibilidades. Por ejemplo, la inmunohistoquímica suele utilizar un anticuerpo contra 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 . [62] Si bien esta técnica no prueba la colocalización de un compartimento de densidad conocida y la proteína de interés, sí aumenta la probabilidad y es más susceptible a estudios a gran escala.
Finalmente, el método estándar de localización celular es la microscopía inmunoelectrónica . Esta técnica también utiliza un anticuerpo contra la proteína de interés, junto con 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 detalles ultraestructurales como de la proteína de interés. [63]
A través de otra aplicación de ingeniería genética conocida como mutagénesis dirigida , los investigadores pueden alterar la secuencia de la proteína y, por tanto, su estructura, localización celular y susceptibilidad a la regulación. Esta técnica permite incluso la incorporación de aminoácidos no naturales en proteínas, utilizando ARNt modificados, [64] y puede permitir el diseño racional de nuevas proteínas con propiedades novedosas. [sesenta y cinco]
El complemento total de proteínas presentes en un momento dado en una célula o tipo de célula se conoce como su proteoma , y el estudio de conjuntos de datos a gran escala define el campo de la proteómica , denominado por analogía con el campo relacionado de la genómica . Las técnicas experimentales clave en proteómica incluyen electroforesis 2D , [66] que permite la separación de muchas proteínas, espectrometría de masas , [67] que permite una rápida identificación de alto rendimiento de proteínas y secuenciación de péptidos (con mayor frecuencia después de la digestión en gel ), proteínas microarrays , que permiten la detección de los niveles relativos de las diversas proteínas presentes en una célula, y cribado de dos híbridos , que permite la exploración sistemática de las interacciones proteína-proteína . [68] El complemento total de tales interacciones biológicamente posibles se conoce como interactoma . [69] Un intento sistemático de determinar las estructuras de las proteínas que representan todos los pliegues posibles se conoce como genómica estructural . [70]
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 , es necesario 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 con 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 de una proteína se determinan resolviendo un problema de geometría de distancias . La interferometría de polarización dual es un método analítico cuantitativo para medir la conformación general de la proteína y los cambios conformacionales debido a interacciones u otros estímulos. El dicroísmo circular es otra técnica de laboratorio para determinar la composición interna de proteínas en lámina β / hélice α. La microscopía crioelectrónica se utiliza para producir información estructural de menor resolución sobre complejos proteicos muy grandes, incluidos virus ensamblados ; [30] : 340–41 una variante conocida como cristalografía electrónica también puede producir información de alta resolución en algunos casos, especialmente para cristales bidimensionales de proteínas de membrana. [71] 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 de la proteína. [72]
Se conocen muchas más secuencias de genes que estructuras de proteínas. Además, el conjunto de estructuras resueltas se inclina 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 la cristalografía de rayos X. Las proteínas de membrana y los grandes complejos proteicos, por el contrario, son difíciles de cristalizar y están subrepresentados en el PDB. [73] 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 las proteínas intentan proporcionar un medio para generar una estructura plausible para proteínas cuyas estructuras no se han determinado experimentalmente. [74]
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. [75] El tipo más exitoso de predicción de estructuras, conocido como modelado de homología , se basa en la existencia de una estructura "modelo" con similitud de secuencia con la proteína que se está modelando; El objetivo de la genómica estructural es proporcionar suficiente representación en estructuras resueltas para modelar la mayoría de las que quedan. [76] Aunque producir modelos precisos sigue siendo un desafío cuando solo se encuentran disponibles estructuras de plantilla relacionadas lejanamente, se ha sugerido que la alineación de secuencias es el cuello de botella en este proceso, ya que se pueden producir modelos bastante precisos si se conoce una alineación de secuencias "perfecta". [77] 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. [78] Además, las proteínas (en eucariotas ~33%) contienen grandes segmentos no estructurados pero biológicamente funcionales y pueden clasificarse como proteínas intrínsecamente desordenadas . [79] Predecir y analizar el trastorno de las proteínas es, por lo tanto, una parte importante de la caracterización de la estructura de las proteínas. [80]
Se ha desarrollado una amplia gama de métodos computacionales para analizar la estructura, función y 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 experimentalmente, por lo que sólo unas pocas se someten a experimentos de laboratorio mientras se utilizan herramientas computacionales para extrapolar a proteínas similares. Estas proteínas homólogas pueden identificarse eficazmente en organismos emparentados lejanamente mediante el alineamiento de secuencias . Se pueden buscar secuencias de genes y genoma mediante una variedad de herramientas para determinar ciertas propiedades. Las herramientas de creación de perfiles 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 sobre la ascendencia de los organismos modernos y los genes que expresan. El campo de la bioinformática es hoy indispensable para el análisis de genes y proteínas.
Un problema computacional más complejo es la predicción de interacciones intermoleculares, como el acoplamiento molecular , [81] el plegamiento de proteínas , la interacción proteína-proteína y la reactividad química. Los modelos matemáticos para simular estos procesos dinámicos involucran 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 villin , [82] la proteína accesoria del VIH [83] y métodos híbridos que combinan la dinámica molecular estándar con las matemáticas de la mecánica cuántica han explorado los estados electrónicos de rodopsinas . [84]
Más allá de la dinámica molecular clásica, los métodos de dinámica cuántica permiten la simulación de proteínas con detalle atomístico con una descripción precisa de los efectos de la mecánica cuántica. Los ejemplos incluyen el método Hartree (MCTDH) de múltiples capas y múltiples configuraciones dependientes del tiempo y el enfoque de ecuaciones jerárquicas de movimiento (HEOM), que se han aplicado a criptocromos de plantas [85] y complejos de recolección de luz de bacterias, [86] respectivamente. Tanto las simulaciones cuánticas como las simulaciones mecánicas 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 [87] ) facilitan el modelado molecular al explotar los avances en el procesamiento paralelo de GPU y las técnicas de Monte Carlo .
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 sugiere el nombre, se aplica el método Kjeldahl . Hay métodos más sensibles disponibles. [88] [89]
La mayoría de los microorganismos y plantas pueden biosintetizar los 20 aminoácidos estándar , mientras que los animales (incluidos los humanos) deben obtener algunos de los aminoácidos de la dieta . [44] 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 aspartocinasa , que cataliza el primer paso en la síntesis de lisina , metionina y treonina a partir de aspartato . Si hay aminoácidos presentes en el medio ambiente, los microorganismos pueden conservar energía absorbiendo los aminoácidos de su entorno y regulando a la baja sus vías biosintéticas.
En los animales, los aminoácidos se obtienen mediante el consumo de alimentos que contienen proteínas. Las proteínas ingeridas luego se descomponen en aminoácidos mediante la digestión , que normalmente implica la desnaturalización de la proteína mediante la exposición al ácido y la hidrólisis mediante 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 proteínas del cuerpo se utilicen para sustentar la vida, particularmente las que se encuentran en los músculos . [90]
En animales como perros y gatos, las proteínas mantienen la salud y la calidad de la piel promoviendo el crecimiento de los folículos pilosos y la queratinización, y reduciendo así la probabilidad de que los problemas de la piel produzcan malos olores. [91] Las proteínas de mala 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 en un estado no digerido, se fermentan produciendo gas sulfuro de hidrógeno, indol y escatol. [92] Los perros y gatos digieren las proteínas animales mejor que las de las plantas, pero los productos de origen animal de baja calidad se digieren mal, incluida la piel, las plumas y el tejido conectivo. [92]
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Medios de los comunes
