Las proteínas son grandes biomoléculas, o macromoléculas, que consta de una o más cadenas largas de aminoácidos ácidos residuos. Las proteínas realizan una amplia gama de funciones dentro de los organismos, como catalizar reacciones metabólicas, replicación del ADN, responder a estímulos, proporcionar estructura a las células y organismos, y transportar moléculas de un lugar a otro.
Las proteínas difieren 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 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 20-30 residuos, rara vez se consideran proteínas y comúnmente se denominan péptidos, u oligopéptidos. Los residuos de aminoácidos individuales están unidos 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; sin embargo, en ciertos organismos, el código genético puede incluirselenocisteína 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, que altera las propiedades físicas y químicas, el plegamiento, la estabilidad, la actividad y, en última instancia, la función de las proteínas. A veces, las proteínas tienen grupos no peptídicos unidos, 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 proteicos estables.
Una vez formadas, las proteínas solo existen durante un cierto período y luego son degradadas y recicladas por la maquinaria celular 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 media de 1 a 2 días en células de mamíferos.
Las proteínas anormales o mal plegadas se degradan más rápidamente debido a que son objetivo de destrucción o por ser inestables.
Al igual que otras macromoléculas biológicas como los polisacáridos y los ácidos nucleicos, las proteínas son partes esenciales de los organismos y participan en prácticamente 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 inmunes,adhesión celular y el ciclo celular.
En los animales, se necesitan proteínas en la Dieta para proporcionar los Aminoácidos esenciales que no se pueden sintetizar. La digestión descompone las proteínas para su uso en el metabolismo.
Las proteínas pueden purificarse de otros componentes celulares usando una variedad de técnicas tales 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 al sitio, cristalografía de rayos X, resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas.
Historia y etimologia
Las proteínas fueron reconocidas como una clase distinta de moléculas biológicas en el siglo XVIII por Antoine Fourcroy y otros, distinguidos por la capacidad de las moléculas para coagularse o flocular bajo tratamientos con calor o ácido. Los ejemplos conocidos en ese momento incluían albúmina de claras 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 realizó un análisis elemental 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.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; proteína se deriva de la palabra griega πρώτειος ( proteios ), que significa «primario», «en la punta», o «parado al frente», -in. Mulder pasó a identificar los productos de 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 albinos», en alemán).
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 generalmente se creía que «la carne hace carne». Karl Heinrich Ritthausen extendió 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 de Liebig del mínimo en la alimentación de ratas de laboratorio, los aminoácidos nutricionalmente esencialesFueron establecidas.
El trabajo fue continuado y comunicado por William Cumming Rose. La comprensión de las proteínas como polipéptidos llegó a través del 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 completamente hasta 1926, cuando James B.
Sumner demostró que la enzima ureasa era de hecho una proteína.
La dificultad para purificar proteínas en grandes cantidades las hizo 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, diversas toxinas y enzimas digestivas / metabólicas obtenidas de los mataderos.
En la década de 1950, Armor Hot Dog Co. purificó 1 kg de ribonucleasa pancreática A pura bovina y la puso a disposición de los científicos de forma gratuita; Este gesto ayudó a la ribonucleasa A a convertirse 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 presentada por primera vez por William Astbury en 1933. Trabajo posterior de Walter Kauzmann sobre desnaturalización, basado en parte en anteriores estudios de Kaj Linderstrøm-Lang, contribuyeron una comprensión de plegamiento de la proteína y la estructura mediada por interacciones hidrofóbicas.
La primera proteína 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 ciclos.
Ganó el Premio Nobel por este logro en 1958.
Las primeras estructuras de proteínas que se resolvieron fueron la hemoglobina y la mioglobina, por Max Perutz y Sir John Cowdery Kendrew, respectivamente, en 1958. A partir de 2017, el Banco de datos de proteínas tiene más de 126.060 estructuras de proteínas de resolución atómica. En tiempos más recientes, la microscopía crioelectrónica de grandes conjuntos macromoleculares y la predicción computacional de la estructura proteica de dominios proteicos pequeños son dos métodos que se aproximan a la resolución atómica.
Bioquímica
La mayoría de las proteínas consisten en polímeros lineales construidos a partir de series de hasta 20 aminoácidos L- α diferentes. Todos los aminoácidos proteinógenos 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 para el grupo amina del extremo N, que obliga al resto de amida CO-NH a 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 de polipéptidos están unidos por enlaces peptídicos. Una vez unidos en la cadena de proteínas, un aminoácido individual se llama un residuo, y las series de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno se conocen como la cadena principal o la cadena principal de la proteína.
El enlace peptídico tiene dos formas de resonancia que contribuyen con un 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 asumida por el esqueleto de la proteína.
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 carboxilo (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. 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 tridimensional estable.
Sin embargo, el límite entre los dos no está bien definido y generalmente se encuentra cerca de 20-30 residuos. El polipéptido puede referirse a cualquier cadena lineal única de aminoácidos, generalmente independientemente de la longitud, pero a menudo implica una ausencia de una conformación definida.
Interacciones
Las proteínas pueden interactuar con muchos tipos de moléculas, incluso con otras proteínas, con Lípidos, con Carbohidratos y con ADN.
Abundancia en celdas
Se ha estimado que las bacterias de tamaño promedio contienen aproximadamente 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 mucha más proteína.
Por ejemplo, se ha estimado que las células de levadura contienen aproximadamente 50 millones de proteínas y 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 las proteínas se expresan en la mayoría de las células y su número depende, por ejemplo, del tipo de célula y 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. Además, el número de proteínas que codifica el genoma se correlaciona bien con la complejidad del organismo. Los eucariotas tienen 15,000, las bacterias tienen 3,200, las arqueas tienen 2,400 y los virus tienen 42 proteínas en promedio codificadas en sus respectivos genomas.
Síntesis
Biosíntesis
Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos utilizando información codificada en genes. Cada proteína tiene su propia secuencia de aminoácidos única que se especifica 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 para la Metionina.
Debido a que 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) por proteínas como la ARN polimerasa.
La mayoría de los organismos luego procesan el pre-ARNm (también conocido como transcripción primaria ) usando varias formas de modificación postranscripcional para formar el ARNm maduro, que luego se utiliza como plantilla para la síntesis de proteínas por el ribosoma. En los procariotas, el ARNm puede usarse tan pronto como se produce o estar unido por un ribosoma después de haberse alejado del nucleoide.
En contraste, los eucariotas producen ARNm en el núcleo celular y luego se traslocana través de la membrana nuclear hacia el citoplasma, donde se produce la síntesis de proteínas. La tasa de síntesis de proteínas es más alta 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 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 de N-terminal a 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 un mayor número de dominios de proteínas que constituyen proteínas en organismos superiores.
Por ejemplo, las proteínas de levadura tienen un promedio de 466 aminoácidos de largo y 53 kDa en masa. Las proteínas más grandes conocidas son las titinas, un componente de 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 de alto rendimiento. La síntesis química permite la introducción de aminoácidos no naturales en las cadenas de polipéptidos, como la unión de sondas fluorescentes a las 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 ineficiente para polipéptidos de más de aproximadamente 300 aminoácidos, y las proteínas sintetizadas pueden no asumir fácilmente su estructura terciaria nativa.
La mayoría de los métodos de síntesis química proceden de C-terminal a N-terminal, opuesto a la reacción biológica.
Estructura
La mayoría de las proteínas se pliegan en estructuras tridimensionales únicas. La forma en que se pliega naturalmente una proteína 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 en 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 : estructuras locales que se repiten regularmente estabilizadas por enlaces de hidrógeno. Los ejemplos más comunes son la hélice α, la hoja β y las 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 molécula de proteína única; La relación espacial de las estructuras secundarias entre sí. La estructura terciaria generalmente se estabiliza mediante interacciones no locales, más comúnmente la formación de un núcleo hidrófobo, pero también a través de puentes salinos, enlaces de hidrógeno, enlaces disulfuro e incluso modificaciones postraduccionales.
El término «estructura terciaria» se usa a menudo como sinónimo del término pliegue. La estructura terciaria es lo que controla la función básica de la proteína.
Estructura cuaternaria : la estructura formada por varias moléculas de proteínas (cadenas de polipéptidos), generalmente llamadas subunidades de proteínas en este contexto, que funcionan como un único complejo de proteínas.
Estructura quinaria : las firmas de la superficie proteica que organizan el interior celular abarrotado. La estructura quinaria depende de interacciones macromoleculares transitorias, pero esenciales, 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 generalmente se denominan » conformaciones «, y las transiciones entre ellas se denominan cambios conformacionales.
Tales 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 experimentan variación en la estructura a través de la vibración térmica y la colisión con otras moléculas.
Las proteínas se pueden dividir informalmente en tres clases principales, que se correlacionan con las 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 a menudo son estructurales, como el Colágeno, el componente principal del tejido conectivo, o 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 pasen a través de la membrana celular.
Un caso especial de enlaces de hidrógeno intramoleculares dentro de las proteínas, mal protegidos del ataque de agua y, por lo tanto, que promueven su propia deshidratación, se denominan deshidrones.
Dominios de proteínas
Muchas proteínas están compuestas por varios dominios de proteínas, es decir, segmentos de una proteína que se pliegan en unidades estructurales distintas. Los dominios generalmente también tienen funciones específicas, como actividades enzimáticas (por ejemplo, quinasa ) o sirven como módulos de unión (por ejemplo, el dominio SH se une a secuencias ricas en prolina en otras proteínas).
Motivo de secuencia
Las secuencias cortas de aminoácidos dentro de las proteínas a menudo actúan como sitios de reconocimiento para otras proteínas. Por ejemplo, los dominios SH generalmente se unen a motivos PxxP cortos (es decir, 2 prolina, separadas por dos aminoácidos no especificados, aunque los aminoácidos circundantes pueden determinar la especificidad de unión exacta).
Muchos de estos motivos se han recopilado en la base de datos de Motivos Lineales Eucarióticos (ELM).
Funciones celulares
Las proteínas son los principales actores dentro de la célula, se dice que llevan a cabo las tareas especificadas por la información codificada en los genes. Con la excepción de ciertos tipos de ARN, la mayoría de las otras 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 solo el 3% y el 20%, respectivamente. 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 forma específica y estrecha. La región de la proteína responsable de la unión de otra molécula se conoce como el sitio de unión y es a menudo una depresión o «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 las cadenas laterales de los aminoácidos circundantes. La unión a proteínas puede ser extraordinariamente estrecha y específica; por ejemplo, la proteína inhibidora de ribonucleasa se une a la angiogenina humana con una constante de disociación subfemtomolar (< −15M) pero no se une en absoluto a su homólogo anfibio onconase (> 1 M).
Los cambios químicos extremadamente menores, como la adición de un solo grupo metilo a un compañero de unión, a veces pueden ser suficientes para eliminar casi la unión; por ejemplo, la aminoacil tRNA sintetasa específica del aminoácido Valina discrimina contra la cadena lateral muy similar del aminoácido Isoleucina.
Las proteínas pueden unirse a otras proteínas, así como a sustratos de molécula pequeña. 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 de proteínas.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. 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 son 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 particulares de células.
Enzimas
El papel más conocido de las proteínas en la célula es como enzimas, que catalizan reacciones químicas. Las enzimas suelen ser muy específicas y aceleran solo 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, 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 unas 4.000 reacciones son catalizadas por enzimas. La aceleración de la velocidad conferida por la catálisis enzimática es a menudo enorme, tanto como 10 17aumento de la velocidad en la reacción no catalizada en el caso de la orotato de descarboxilasa (78 millones de años sin la enzima, 18 milisegundos con la enzima).
Las moléculas unidas y actuadas por enzimas se denominan sustratos. Aunque las enzimas pueden consistir en cientos de aminoácidos, generalmente 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, están directamente involucrados en la catálisis.
La región de la enzima que une el sustrato y contiene los residuos catalíticos se conoce como el sitio activo.
Las proteínas dirigidas son miembros de una clase de proteínas que dictan la estereoquímica de un compuesto sintetizado por otras enzimas.
Señalización celular y unión a ligando
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 de la célula en la que se sintetizaron a otras células en tejidos distantes. Otras son proteínas de membrana que actúan como receptores cuya función principal es unir una molécula de señalización 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 experimentar 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 las 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 llevar a cabo su reacción, los anticuerpos no tienen tales restricciones. La afinidad de unión de un anticuerpo a su objetivo es extraordinariamente alta.
Muchas proteínas transportadoras de ligandos se unen a pequeñas biomoléculas particulares y las transportan a otros lugares del 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 objetivo.
El ejemplo canónico de una 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 cada reino biológico. Lectinasson proteínas de unión al azúcar que son altamente específicas para sus restos 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 de transporte de ligandos que alteran la permeabilidad de la membrana celular a pequeñas moléculas 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 tales moléculas entren y salgan de la célula.
Muchas proteínas del canal iónico están especializadas para seleccionar solo un ión particular; por ejemplo, los canales de potasio y sodio a menudo discriminan solo uno de los dos iones.
Proteínas estructurales
Las proteínas estructurales confieren rigidez y rigidez a los componentes biológicos 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 pelo, las uñas, las plumas, los cascos y algunas conchas de animales.
Algunas proteínas globulares también pueden desempeñar funciones estructurales, por ejemplo, actina y tubulinason 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 kinesina y la dineína, que son capaces de generar fuerzas mecánicas. Estas proteínas son cruciales para la motilidad celular de organismos unicelulares y el esperma de muchos organismos multicelulares que se reproducen sexualmente.
También generan las fuerzas ejercidas por la contracción de los músculos y juegan papeles esenciales en el transporte intracelular.
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 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. En silico Los estudios utilizan métodos computacionales para estudiar proteínas.
Purificación de proteínas
Para realizar el análisis in vitro, una proteína debe purificarse lejos 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 usando 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 salado puede concentrar las proteínas de este lisado. Varios tipos deLa cromatografía se usa para aislar la proteína o proteínas de interés en función de propiedades tales como el peso molecular, la carga neta y la afinidad de unión.
El nivel de purificación se puede controlar usando varios tipos de electroforesis en gel si se conoce el peso molecular y el punto isoeléctrico de la proteína deseada, mediante espectroscopía si la proteína tiene características espectroscópicas distinguibles, o mediante ensayos enzimáticos si la proteína tiene actividad enzimática.
Además, las proteínas se pueden aislar de acuerdo con su carga mediante electrofoco.
Para proteínas naturales, puede ser necesaria una serie de pasos de purificación para obtener proteínas suficientemente puras para aplicaciones de laboratorio. Para simplificar este proceso, la ingeniería genética a menudo se usa para agregar características químicas a las proteínas que las hacen 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 se pasa sobre una columna de cromatografía que contiene níquel, los residuos de histidina unen el níquel y se unen a la columna mientras los componentes sin etiquetar del lisado pasan sin impedimentos.
Se han desarrollado varias etiquetas diferentes para ayudar a los investigadores a purificar proteínas específicas de mezclas complejas.
Localización celular
El estudio de proteínas in vivo a menudo se refiere a la síntesis y localización de la proteína dentro de la célula. Aunque muchas proteínas intracelulares se sintetizan en el citoplasma y las proteínas secretadas o unidas a la membrana en el retículo endoplásmico, los detalles específicos de cómo las proteínas se dirigen a orgánulos específicos o estructuras celulares a menudo no están claras.
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 vinculada a un » indicador » 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 siguiente.
Otros métodos para dilucidar la ubicación celular de las proteínas requieren el uso de marcadores compartimentales conocidos para regiones como ER, Golgi, lisosomas o vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, membrana plasmática, etc. Con el uso de versiones con etiquetas fluorescentes de estos marcadores o de anticuerpos a marcadores conocidos, se vuelve mucho más simple identificar la localización de una proteína de interés.
Por ejemplo, la inmunofluorescencia indirecta permitirá la colocalización de fluorescencia y la demostración de la ubicación. Los tintes fluorescentes se usan para etiquetar compartimentos celulares para un propósito similar.
También existen otras posibilidades. Por ejemplo, la inmunohistoquímica generalmente utiliza 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 la información de localización.
Otra técnica aplicable es la cofraccionamiento en gradientes de sacarosa (u otro material) usando 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 susceptible de estudios a gran escala.
Finalmente, el método estándar de localización celular es la microscopía inmunoelectrónica. Esta técnica también utiliza un anticuerpo para 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 incluso permite la incorporación de aminoácidos no naturales en proteínas, utilizando ARNt modificados, y puede permitir el diseño racional de nuevas proteínas con propiedades novedosas.
Proteómica
El complemento total de proteínas presentes en un momento en una célula o tipo de célula se conoce como su proteoma, y el estudio de tales 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 la electroforesis 2D, que permite la separación de muchas proteínas, la espectrometría de masas, que permite la identificación rápida de alto rendimiento de proteínas y la secuenciación de péptidos (la mayoría de las veces 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 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 cada pliegue posible se conoce como genómica estructural.
Bioinformática
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 tanto, solo unas pocas son sometidas a experimentos de laboratorio, mientras que las herramientas computacionales se utilizan para extrapolar a proteínas similares.
Dichas proteínas homólogas pueden identificarse eficazmente en organismos relacionados de forma distante mediante la alineación de secuencias. El genoma y las secuencias de genes pueden buscarse mediante una variedad de herramientas para ciertas propiedades. Las herramientas de creación de perfiles de secuencia pueden encontrar sitios de enzimas de restricción, marcos de lectura abiertos en nucleótidossecuencias y predicen 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.
Determinación de 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 bajo un microscopio óptico, se deben emplear otros métodos para determinar su estructura.
Los métodos experimentales comunes incluyen cristalografía de rayos X y espectroscopía de RMN, los cuales pueden producir información estructural a nivel atómico.resolución. 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 conformaciones finales posibles 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 proteica general y los cambios conformacionales debidos a interacciones u otros estímulos. El dicroísmo circular es otra técnica de laboratorio para determinar la composición interna de láminas β / α-helicoidales de proteínas.
Microscopía crioelectrónicase utiliza para producir información estructural de baja resolución sobre complejos proteicos muy grandes, incluidos 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 del que 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 las 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 la estructura.
En particular, las proteínas globulares son relativamente fáciles de cristalizar en preparación para la cristalografía de rayos X. Las proteínas de membrana y los complejos de proteínas grandes, por el contrario, son difíciles de cristalizar y están subrepresentadas en el PDB. Las iniciativas de genómica estructural han intentado remediar estas deficiencias mediante la resolución sistemática de estructuras representativas de las principales clases de pliegue.
Predicción de estructura proteicaLos métodos intentan proporcionar un medio para generar una estructura plausible para proteínas cuyas estructuras no se han determinado experimentalmente.
Estructura de predicción y simulación
Complementaria al campo de la genómica estructural, la predicción de la estructura de la proteína 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 más exitoso de predicción de estructura, conocido como modelado de homología, se basa en la existencia de una estructura de «plantilla» con similitud de secuencia con la proteína que se está modelando;
El objetivo de la genómica estructural es proporcionar una representación suficiente en estructuras resueltas para modelar la mayoría de las que quedan. Aunque la producción de modelos precisos sigue siendo un desafío cuando solo están disponibles estructuras de plantillas relacionadas de forma distante, se ha sugerido queLa alineación de secuencia es el cuello de botella en este proceso, ya que se pueden producir modelos bastante precisos si se conoce una alineación de secuencia «perfecta».
Muchos métodos de predicción de estructura han servido para informar el campo emergente de la ingeniería de proteínas, en el que ya se han diseñado nuevos pliegues de proteínas. Un problema computacional más complejo es la predicción de interacciones intermoleculares, como en el acoplamiento molecular y la predicción de interacción proteína-proteína.
Los modelos matemáticos para simular procesos dinámicos de plegamiento y unión de proteínas involucran mecánica molecular, en particular, dinámica molecular. Las técnicas de Monte Carlo facilitan los cálculos, que aprovechan los avances en la computación paralela y distribuida (por ejemplo, el proyecto Folding @ home que realiza el modelado molecular en GPU ).
Las simulaciones in silico descubrieron el plegamiento de pequeños dominios de proteínas α-helicoidales como el casco de villin y el VIHproteína accesoria Los métodos híbridos que combinan la dinámica molecular estándar con la matemática mecánica cuántica exploraron los estados electrónicos de las rodopsinas.
Trastorno proteico y predicción de desestructuración
Muchas proteínas (en Eucaryota : 33%) contienen grandes segmentos no estructurados pero biológicamente funcionales y pueden clasificarse como proteínas intrínsecamente desordenadas. Predecir y analizar el trastorno proteico es, por lo tanto, una parte importante de la caracterización de la estructura de la proteína.
nutrición
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. 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 los aminoácidos están presentes en el medio ambiente, los microorganismos pueden conservar Energía al absorber los aminoácidos de su entorno y regular a la baja sus vías biosintéticas.
En los animales, los aminoácidos se obtienen mediante el consumo de alimentos que contienen proteínas. Las proteínas ingeridas se descomponen en aminoácidos a través de la digestión, que generalmente implica la desnaturalización de la proteína a través de la exposición al ácido y la hidrólisis por enzimas llamadas proteasas.
Algunos aminoácidos ingeridos se usan 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 bajo el hambre.condiciona, ya que permite que las propias proteínas del cuerpo se utilicen para mantener la vida, particularmente las que se encuentran en el músculo.
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 así reducir 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 en un estado no digerido, se fermentan produciendo gas sulfuro de hidrógeno, indol y skatole.
Los perros y los 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.