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F1. Introducción a la estabilidad de las proteínas: biología

F1. Introducción a la estabilidad de las proteínas: biología


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"No podías meterte dos veces en el mismo río"- Heráclito de Éfeso (c. 535 a. C. - 475 a. C.)

Este material no es fácil y es quizás el más desafiante intelectualmente de todo el libro. La mayor parte de esta revisión proviene de un artículo de Ken Dill, Biochemistry, 29, 7133-7155 (1990). Un reanálisis más reciente que llega a una conclusión significativamente diferente con respecto al papel de los enlaces H en el plegamiento y la estabilidad de las proteínas, escrito por Pace, Biochemistry. 40, pág. 310 (2001), se comenta al final.

En resumen, ahora parece que tanto el efecto hidrofóbico como los enlaces H parecen impulsar el plegamiento de proteínas y promover la estabilidad de las proteínas. Extrapolando los resultados de los estudios de la transferencia de modelos pequeños de donantes / aceptores de enlaces H y moléculas hidrofóbicas del agua a disolventes no polares, parecería que las interacciones del enlace H (así como las interacciones de iones ... iones) no impulsan el plegamiento de proteínas per se . Más bien, los mayores contribuyentes a la estabilización del estado nativo son el efecto hidrofóbico y las interacciones de van der Waals entre los átomos enterrados de la proteína. Sin embargo, a partir de estudios recientes (Pace) de proteínas mutantes producidas mediante mutagénesis específica de sitio, parece que los enlaces H contribuyen significativamente al plegamiento y estabilidad de las proteínas, y pueden hacer una mayor contribución a la estabilidad del estado nativo que el efecto hidrofóbico. El factor principal que se opone al plegamiento es la entropía conformacional de la cadena. Estos factores positivos y negativos se suman a una pequeña DG negativa que favorece el plegamiento de la proteína, lo que implica una estabilidad marginal de la proteína nativa a temperaturas normales.

¿Qué tipos de fuerzas intermoleculares podrían actuar dentro de una proteína y entre proteínas y moléculas de solvente que harían que una proteína se pliegue espontáneamente a una estructura 3D única? Estas fuerzas pueden ser de largo alcance (ion-ion, ion dipolo o dipolo-dipolo) o de corto alcance (fuerzas repulsivas y atractivas de van der Waals). Las interacciones pueden ser locales (entre aminoácidos adyacentes en la secuencia lineal) o no locales (entre secuencias separadas en la secuencia lineal pero juntas en el espacio 3D). Pueden obtenerse pistas sobre lo que estabiliza la estructura terciaria de una proteína nativa sometiendo las proteínas a agentes que despliegan o desnaturalizan una proteína. Dichos agentes incluyen extremos de pH, altas concentraciones de algunas soluciones salinas o disolventes orgánicos y temperaturas extremas. Tales experimentos muestran que las proteínas nativas son solo marginalmente estables (alrededor de 0,4 kJ / mol de aminoácidos, o alrededor de 10 kcal / mol para una proteína de peso molecular de 10.000, alrededor de 100 aminoácidos). Consideraremos los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares (ion-ion, enlaces H, van der Waals y el efecto hidrofóbico) individualmente y preguntaremos si cada una es una fuerza impulsora significativa para el plegamiento de proteínas.

Figura: Diagrama que muestra las contribuciones relativas al DG para el plegamiento de proteínas.

La mayor parte de este capítulo se ocupará de la unión de H y el efecto hidrofóbico. Un tema de cualquier curso de bioquímica es que si puede comprender las interacciones entre moléculas pequeñas, puede aplicar ese conocimiento a la comprensión de moléculas más grandes como las proteínas. Para comprender si los enlaces H dentro de las proteínas, a menudo enterrados en el interior más hidrofóbico de la proteína, impulsan el plegamiento de la proteína, primero examinaremos la termodinámica de la formación del enlace H de una molécula pequeña, N-metilacetamida, en agua y en un disolvente no polar. Para entender si el efecto hidrofóbico, mediado por el enterramiento de cadenas laterales no polares dentro del centro más no polar de la proteína, impulsa el plegamiento de la proteína, examinaremos la termodinámica de la solubilidad del benceno en agua. Los estudios más recientes implican la creación de mutantes específicos en la posición de los aminoácidos que podrían revelar las contribuciones de los enlaces H y el efecto hidrofóbico al plegamiento y la estabilidad de las proteínas.


Estabilidad de las proteínas: la perspectiva de un cristalógrafo

La estabilidad de las proteínas es un tema de gran interés para las industrias biotecnológica, farmacéutica y alimentaria, además de ser una consideración diaria para los investigadores académicos que estudian las proteínas. La comprensión de la estabilidad de las proteínas es esencial para optimizar la expresión, purificación, formulación, almacenamiento y estudios estructurales de las proteínas. En esta revisión, la discusión se centrará en los factores que afectan la estabilidad de las proteínas, en un nivel algo práctico, particularmente desde el punto de vista de un cristalógrafo de proteínas. Se discutirán las diferencias entre la estabilidad conformacional de la proteína y la estabilidad composicional de la proteína, junto con una breve introducción a los métodos clave útiles para analizar la estabilidad de la proteína. Finalmente, se discutirán las tácticas para abordar los problemas de estabilidad de las proteínas durante la expresión, purificación y cristalización de proteínas.

Palabras clave: cristalizabilidad cristalización de proteínas trastorno de proteínas estabilidad de las proteínas.

Cifras

Factores que influyen en la estabilidad de las proteínas. (…

Factores que influyen en la estabilidad de las proteínas. ( a ) Proteína composicional estabilidad y conformacional estabilidad…

Matriz de ejemplos de proteína ...

Matriz de ejemplos de estabilidad y desorden de proteínas. ( a ) Ejemplos de…

Espectro HSQC de plegado, no estructurado ...

Espectro de HSQC de proteínas plegadas, no estructuradas y unidas a apo y ligando. ( a )…

Ensayo de termofluor de fusión de proteínas ...

Ensayo de termofluor de la temperatura de fusión de las proteínas en presencia de ligandos estabilizadores. (…

Análisis de espectrometría de masas de intercambio de deuterio (DXMS).…

Análisis de espectrometría de masas de intercambio de deuterio (DXMS). Se utilizó DXMS para guiar el diseño de la construcción ...


Manual de preparación de proteínas

Obtenga más información sobre cómo desalinizar, intercambiar tampones, concentrar y / o eliminar contaminantes de muestras de proteínas, inmunoprecipitación y otros métodos de purificación y limpieza de proteínas utilizando varias herramientas de biología de proteínas de Thermo Scientific en este manual de 32 páginas.

  • Inmunoprecipitación (IP), co-IP y cromatina-IP
  • Etiquetas de purificación de proteínas recombinantes
  • Dializar las muestras de proteínas de forma segura utilizando casetes y dispositivos de diálisis Slide-A-Lyzer
  • Desalinice rápidamente las muestras con alta recuperación de proteínas utilizando placas y columnas de desalinización por centrifugación Zeba
  • Extraiga de manera eficiente contaminantes específicos utilizando resinas optimizadas para la eliminación de detergentes o endotoxinas
  • Concentre muestras de proteínas diluidas rápidamente utilizando concentradores de proteínas Pierce

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Las interacciones proteicas se caracterizan fundamentalmente como estables o transitorias, y ambos tipos de interacciones pueden ser fuertes o débiles. Las interacciones estables son aquellas asociadas con proteínas que se purifican como complejos de múltiples subunidades, y las subunidades de estos complejos pueden ser idénticas o diferentes. La hemoglobina y la ARN polimerasa del núcleo son ejemplos de interacciones de múltiples subunidades que forman complejos estables.

Se espera que las interacciones transitorias controlen la mayoría de los procesos celulares. Como su nombre lo indica, las interacciones transitorias son de naturaleza temporal y normalmente requieren un conjunto de condiciones que promueven la interacción, como la fosforilación, los cambios conformacionales o la localización en áreas discretas de la célula. Las interacciones transitorias pueden ser fuertes o débiles, rápidas o lentas. Mientras están en contacto con sus compañeros de unión, las proteínas que interactúan transitoriamente están involucradas en una amplia gama de procesos celulares, incluida la modificación, el transporte, el plegamiento, la señalización, la apoptosis y el ciclo celular de las proteínas. El siguiente ejemplo proporciona una ilustración de las interacciones de proteínas que regulan los procesos apoptóticos y antiapoptóticos.


Interacción proteína-proteína BAD pesada. Panel A: gel SDS-PAGE teñido con Coomassie de BAD-GST-HA-6xHIS ligero y pesado recombinante purificado a partir de lisados ​​de HeLa IVT (L), usando resina de glutatión (E1) y resina de cobalto (E2) en tándem. Se indica el flujo continuo (FT) de cada columna. Panel B: esquema de la fosforilación de BAD y las interacciones de proteínas durante la supervivencia celular y la muerte celular (es decir, apoptosis). Panel C: Cobertura de la secuencia de la proteína BAD que muestra los sitios de fosforilación de consenso de Akt identificados (recuadro rojo). Panel D: espectros de EM del péptido BAD marcado con isótopos estables HSSYPAGTEDDEGmGEEPSPFr.

Las proteínas se unen entre sí mediante una combinación de enlaces hidrófobos, fuerzas de van der Waals y puentes salinos en dominios de unión específicos en cada proteína. Estos dominios pueden ser pequeñas hendiduras de unión o grandes superficies y pueden tener solo unos pocos péptidos de largo o abarcar cientos de aminoácidos. La fuerza de la unión está influenciada por el tamaño del dominio de unión. Un ejemplo de un dominio de superficie común que facilita interacciones estables proteína-proteína es la cremallera de leucina, que consta de α-hélices en cada proteína que se unen entre sí de forma paralela a través de la unión hidrofóbica de residuos de leucina regularmente espaciados en cada α -hélice que se proyecta entre las cadenas de péptidos helicoidales adyacentes. Debido al apretado empaquetamiento molecular, las cremalleras de leucina proporcionan unión estable para complejos de múltiples proteínas, aunque todas las cremalleras de leucina no se unen de manera idéntica debido a los aminoácidos no leucina en la hélice α que pueden reducir el empaquetamiento molecular y por lo tanto la fuerza de la Interacción.

Dos dominios de homología Src (SH), SH2 y SH3, son ejemplos de dominios de unión transitorios comunes que se unen a secuencias peptídicas cortas y se encuentran comúnmente en proteínas de señalización. El dominio SH2 reconoce secuencias de péptidos con residuos de tirosina fosforilados, que a menudo son indicativos de la activación de proteínas. Los dominios SH2 juegan un papel clave en la señalización del receptor del factor de crecimiento, durante el cual la fosforilación del receptor mediada por ligando en los residuos de tirosina recluta efectores corriente abajo que reconocen estos residuos a través de sus dominios SH2. El dominio SH3 normalmente reconoce secuencias de péptidos ricos en prolina y es comúnmente utilizado por quinasas, fosfolipasas y GTPasas para identificar proteínas diana. Aunque los dominios SH2 y SH3 generalmente se unen a estos motivos, la especificidad para distintas interacciones de proteínas viene dictada por residuos de aminoácidos vecinos en el motivo respectivo.

El resultado de dos o más proteínas que interactúan con un objetivo funcional específico se puede demostrar de varias formas diferentes. Los efectos medibles de las interacciones de proteínas se han descrito a continuación:

  • Alterar las propiedades cinéticas de las enzimas, que pueden ser el resultado de cambios sutiles en la unión del sustrato o efectos alostéricos.
  • Permitir la canalización del sustrato moviendo un sustrato entre dominios o subunidades, lo que finalmente da como resultado un producto final previsto.
  • Crear un nuevo sitio de unión, generalmente para pequeñas moléculas efectoras.
  • Inactivar o destruir una proteína
  • Cambiar la especificidad de una proteína por su sustrato a través de la interacción con diferentes socios de unión, por ejemplo, demostrar una nueva función que ninguna proteína puede exhibir sola
  • Desempeñar un papel regulador en un evento aguas arriba o aguas abajo

Por lo general, es necesaria una combinación de técnicas para validar, caracterizar y confirmar las interacciones de proteínas. Las proteínas previamente desconocidas pueden descubrirse por su asociación con una o más proteínas conocidas. El análisis de interacción de proteínas también puede descubrir roles funcionales únicos e imprevistos para proteínas bien conocidas. El descubrimiento o verificación de una interacción es el primer paso en el camino hacia la comprensión de dónde, cómo y bajo qué condiciones interactúan estas proteínas. en vivo y las implicaciones funcionales de estas interacciones.

Si bien los diversos métodos y enfoques para estudiar las interacciones proteína-proteína son demasiado numerosos para describirlos aquí, la tabla a continuación y el resto de esta sección se enfoca en métodos comunes para analizar las interacciones proteína-proteína y los tipos de interacciones que pueden ser estudios usando cada método. . En resumen, las interacciones proteína-proteína estables son más fáciles de aislar mediante métodos físicos como la coinmunoprecipitación y los ensayos de extracción porque el complejo proteico no se desarma con el tiempo. Las interacciones débiles o transitorias pueden identificarse usando estos métodos, primero entrecruzando covalentemente las proteínas para congelar la interacción durante el co-IP o pull-down. Alternativamente, la reticulación, junto con la transferencia de etiquetas y el análisis de transferencia de lejano oeste, se pueden realizar independientemente de otros métodos para identificar interacciones proteína-proteína.

Métodos comunes para analizar los diversos tipos de interacciones de proteínas.

MétodoInteracciones proteína-proteína
Co-inmunoprecipitación (co-IP)Estable o fuerte
Ensayo de descensoEstable o fuerte
Análisis de interacción de proteínas de reticulaciónTransitorio o débil
Análisis de interacción de proteínas de transferencia de etiquetasTransitorio o débil
Análisis de transferencia de lejano oesteModeradamente estable

La co-inmunoprecipitación (co-IP) es una técnica popular para el descubrimiento de interacciones de proteínas. La Co-IP se lleva a cabo esencialmente de la misma manera que una inmunoprecipitación (IP) de una sola proteína, excepto que la proteína objetivo precipitada por el anticuerpo, también llamada "cebo", se usa para coprecipitar un complejo de proteína / pareja de unión. , o "presa", de un lisado. Esencialmente, la proteína que interactúa se une al antígeno diana, que está unido por el anticuerpo que está inmovilizado al soporte. Las proteínas inmunoprecipitadas y sus compañeros de unión se detectan habitualmente mediante electroforesis en gel de poliacrilamida-dodecilsulfato de sodio (SDS-PAGE) y análisis de transferencia Western. La suposición que se suele hacer cuando se coprecipitan proteínas asociadas es que estas proteínas están relacionadas con la función del antígeno diana a nivel celular. Sin embargo, esta es solo una suposición que está sujeta a verificación adicional.

Co-inmunoprecipitación de ciclina B y Cdk1. Las perlas magnéticas Thermo Scientific Pierce Protein A / G se unen al anticuerpo Cdk1 complejado con Cdk1. La ciclina B está unida a Cdk1 y se captura junto con su pareja de unión.


Estructura del genoma de AAV, replicación de ADN y ensamblaje de virus

El AAV tiene un genoma de ADN monocatenario lineal (ADNss) de aproximadamente 4,7 kilobases (kb), con dos repeticiones terminales invertidas (ITR) de 145 nucleótidos de longitud en los extremos. El virus no codifica una polimerasa y, por lo tanto, depende de las polimerasas celulares para la replicación del genoma. Las ITR flanquean los dos genes virales & # 8211 rep (replicación) y & # 8221yd cap (cápside), que codifican proteínas estructurales y no estructurales, respectivamente.

El gen rep, mediante el uso de dos promotores y empalme alternativo, codifica cuatro proteínas reguladoras que se denominan Rep78, Rep68, Rep52 y Rep40. Estas proteínas están involucradas en la replicación del genoma de AAV. El gen cap, mediante el corte y empalme alternativo y el inicio de la traducción, da lugar a tres proteínas de la cápside, VP1 (proteína virión 1), VP2 y VP3, con un peso molecular de 87, 72 y 62 kDa, respectivamente. Estas proteínas de la cápside se ensamblan en una capa proteica casi esférica de 60 subunidades.

Los resultados de la inmunofluorescencia sugieren que el ensamblaje de la cápside está confinado a los nucléolos de las células infectadas. Las cápsides de AAV completamente ensambladas entran en el nucleoplasma de una manera dependiente de la Rep de AAV. La encapsidación selectiva de ADN de AAV está presumiblemente dirigida por interacciones proteína-proteína entre dos complejos: (1) las cápsides vacías preformadas y (2), el complejo de Rep78 o Rep68 con el genoma del virus. A continuación, las proteínas Rep52 y Rep40 son responsables de transferir el ADN del genoma de AAV a partículas vacías a través de los poros. Cabe señalar que esta es solo una de las muchas hipótesis de trabajo para la replicación de AAV.


Descripción del libro

Introducción a las proteínas proporciona una introducción completa y de vanguardia a la estructura, función y movimiento de las proteínas para estudiantes, profesores e investigadores de todos los niveles. El libro cubre proteínas y enzimas en una amplia gama de contextos y aplicaciones, incluidos trastornos médicos, drogas, toxinas, guerra química y comportamiento animal. Cada capítulo incluye un resumen, ejercicios y referencias.

Las nuevas características de la segunda edición completamente actualizada incluyen:

    Un capítulo completamente nuevo sobre catálisis enzimática, que describe la bioquímica, clasificación, cinética, termodinámica, mecanismos y aplicaciones de las enzimas en la medicina y otras industrias. Estos están acompañados de múltiples animaciones de reacciones y mecanismos bioquímicos, accesibles a través de códigos QR integrados (que pueden verse en teléfonos inteligentes).

Cada capítulo incluye un resumen, ejercicios y referencias.

Para obtener más información, incluidas todas las presentaciones, tablas, animaciones y ejercicios, así como un curso completo de enseñanza sobre la estructura y función de las proteínas, visite el sitio web del autor.

Alabanza por la primera edición

"Este libro captura, de una manera muy accesible, un creciente cuerpo de literatura sobre la estructura, función y movimiento de las proteínas. Esta es una publicación excelente que sería muy útil para estudiantes universitarios, graduados, investigadores postdoctorales e instructores involucrados en cursos de biología o biofísica o en investigación sobre las relaciones estructura-función de las proteínas ". - David Sheehan, ChemBioChem, 2011

"Introducción a las proteínas es una excelente opción de vanguardia para los estudiantes, profesores o investigadores que necesitan una monografía sobre la estructura de las proteínas. Este es un texto inmensamente informativo, minuciosamente investigado y actualizado, con una amplia cobertura y profundidad notable. Introducción a las proteínas proporcionaría una base excelente para un curso de nivel superior o de posgrado sobre la estructura de las proteínas, y una valiosa adición a las bibliotecas de los profesionales interesados ​​en este campo de importancia central ". - Eric Martz, Educación en Bioquímica y Biología Molecular, 2012


Uso de biología sintética para superar las barreras a la expresión estable de nitrogenasa en orgánulos eucariotas

Ingeniería de la fijación biológica de nitrógeno en células eucariotas mediante la introducción directa de nif genes requiere enfoques de biología sintética elegantes para garantizar que los componentes necesarios para la biosíntesis de nitrogenasa activa sean estables y se expresen en la estequiometría adecuada. Anteriormente, las subunidades NifD de la proteína nitrogenasa MoFe de Azotobacter vinelandii y Klebsiella oxytoca se encontró que eran inestables en las mitocondrias de levaduras y plantas, respectivamente, presentando un cuello de botella para el ensamblaje de la proteína MoFe activa en células eucariotas. En este estudio, hemos delineado la región y posteriormente un residuo clave, NifD-R98, de K. oxytoca que confiere susceptibilidad a la degradación mediada por proteasas en las mitocondrias. El efecto observado es generalizado, ya que R98 se conserva entre todas las proteínas NifD analizadas. Se observó que las proteínas NifD de cuatro diazótrofos representativos, pero no sus variantes R98, eran inestables en las mitocondrias de levadura. Además, al reconstituir las peptidasas de procesamiento mitocondrial (MPP) de la levadura, Oryza sativa, Nicotiana tabacum, y Arabidopsis thaliana en Escherichia coli, demostramos que las MPP son responsables de la escisión de NifD. Estos resultados indican un efecto generalizado sobre la estabilidad de las proteínas NifD en las mitocondrias como resultado de la escisión por las MPP. Se obtuvieron variantes de NifD-R98 que retuvieron altos niveles de actividad nitrogenasa, con el potencial de apuntar de manera estable la proteína MoFe activa a las mitocondrias. Este enfoque de reconstitución podría ayudar a evaluar previamente la estabilidad de las proteínas Nif para la expresión de las plantas y allana el camino para la ingeniería de nitrogenasa activa en los orgánulos de las plantas.

Palabras clave: mitocondrias estabilidad nitrogenasa procesamiento de orgánulos de plantas peptidasa biología sintética.

Copyright © 2020 el autor (es). Publicado por PNAS.

Declaracion de conflicto de interes

Los autores declaran no tener intereses en competencia.

Cifras

Análisis del procesamiento de proteasas ...

Análisis del sitio de procesamiento de proteasa dentro de NifD. ( A ) Proteasa prevista ...

Detección de NifD de K. oxytoca ...

Detección de NifD de K. oxytoca para sustituciones de R98 que retienen la actividad nitrogenasa. (…

Reconstitución de MPP eucariotas y ...

Reconstitución de MPP eucariotas y determinación de la estabilidad de proteínas Nif frente a ...


Abstracto

El palmitato modifica las proteínas de membrana tanto periféricas como integrales y su adición puede ser permanente o transitoria, lo que lo hace único entre las modificaciones lipídicas de las proteínas. La presencia de palmitato en una proteína afecta la forma en que la proteína interactúa con lípidos y proteínas en un compartimento de membrana, y la reversibilidad de la palmitoilación permite diferentes modos de tráfico entre compartimentos de membrana. Aquí, revisamos estudios recientes que han proporcionado información sobre los mecanismos que median las consecuencias funcionales de esta modificación versátil.


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Contenido

Hay cuatro niveles distintos de estructura proteica.

Estructura primaria Editar

La estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica. La estructura primaria se mantiene unida por enlaces peptídicos que se forman durante el proceso de biosíntesis de proteínas. Los dos extremos de la cadena polipeptídica se denominan terminal carboxilo (terminal C) y terminal amino (terminal N) en función de la naturaleza del grupo libre en cada extremidad. El recuento de residuos siempre comienza en el extremo N-terminal (NH2-grupo), que es el extremo donde el grupo amino no está involucrado en un enlace peptídico. La estructura primaria de una proteína está determinada por el gen correspondiente a la proteína. Una secuencia específica de nucleótidos en el ADN se transcribe en ARNm, que el ribosoma lee en un proceso llamado traducción. La secuencia de aminoácidos en la insulina fue descubierta por Frederick Sanger, estableciendo que las proteínas tienen secuencias definitorias de aminoácidos. [3] [4] La secuencia de una proteína es exclusiva de esa proteína y define la estructura y función de la proteína. La secuencia de una proteína se puede determinar mediante métodos como la degradación de Edman o la espectrometría de masas en tándem. Sin embargo, a menudo se lee directamente de la secuencia del gen utilizando el código genético. Se recomienda estrictamente utilizar las palabras "residuos de aminoácidos" cuando se habla de proteínas porque cuando se forma un enlace peptídico, se pierde una molécula de agua y, por lo tanto, las proteínas están formadas por residuos de aminoácidos. Las modificaciones postraduccionales, como las fosforilaciones y las glicosilaciones, generalmente también se consideran parte de la estructura primaria y no se pueden leer en el gen. Por ejemplo, la insulina está compuesta por 51 aminoácidos en 2 cadenas. Una cadena tiene 31 aminoácidos y la otra 20 aminoácidos.

Estructura secundaria Editar

La estructura secundaria se refiere a subestructuras locales muy regulares en la cadena principal del polipéptido real. En 1951, Linus Pauling et al. Sugirieron dos tipos principales de estructura secundaria, la hélice α y la hebra β o láminas β. [5] Estas estructuras secundarias están definidas por patrones de enlaces de hidrógeno entre los grupos peptídicos de la cadena principal. Tienen una geometría regular, restringida a valores específicos de los ángulos diedros ψ y φ en la gráfica de Ramachandran. Tanto la hélice α como la hoja β representan una forma de saturar todos los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno en la estructura del péptido. Algunas partes de la proteína están ordenadas pero no forman estructuras regulares. No deben confundirse con una espiral aleatoria, una cadena polipeptídica desplegada que carece de estructura tridimensional fija. Varias estructuras secundarias secuenciales pueden formar una "unidad supersecundaria". [6]

Estructura terciaria Editar

La estructura terciaria se refiere a la estructura tridimensional creada por una sola molécula de proteína (una sola cadena polipeptídica). Puede incluir uno o varios dominios. Las hélices α y las láminas plegadas β se pliegan en una estructura globular compacta. El plegado es impulsado por el inespecífico interacciones hidrofóbicas, el entierro de residuos hidrofóbicos del agua, pero la estructura es estable solo cuando las partes de un dominio de proteína están bloqueadas en su lugar por específico interacciones terciarias, como puentes salinos, puentes de hidrógeno y el empaquetamiento apretado de cadenas laterales y enlaces disulfuro. Los enlaces disulfuro son extremadamente raros en las proteínas citosólicas, ya que el citosol (líquido intracelular) es generalmente un entorno reductor.

Estructura cuaternaria Editar

La estructura cuaternaria es la estructura tridimensional que consiste en la agregación de dos o más cadenas polipeptídicas individuales (subunidades) que operan como una sola unidad funcional (multímero). El multímero resultante se estabiliza mediante las mismas interacciones no covalentes y enlaces disulfuro que en la estructura terciaria. Hay muchas posibles organizaciones de estructura cuaternaria. [7] Los complejos de dos o más polipéptidos (es decir, múltiples subunidades) se denominan multímeros. Específicamente se llamaría dímero si contiene dos subunidades, un trímero si contiene tres subunidades, un tetrámero si contiene cuatro subunidades y un pentámero si contiene cinco subunidades. Las subunidades se relacionan con frecuencia entre sí mediante operaciones de simetría, como un eje doble en un dímero. Los multímeros formados por subunidades idénticas se denominan con un prefijo de "homo-" y los formados por diferentes subunidades se denominan con un prefijo de "hetero-", por ejemplo, un heterotetrámero, como los dos alfa y dos beta. cadenas de hemoglobina.

Las proteínas se describen con frecuencia como compuestas por varias unidades estructurales. Estas unidades incluyen dominios, motivos y pliegues. A pesar del hecho de que hay alrededor de 100.000 proteínas diferentes expresadas en sistemas eucariotas, hay muchos menos dominios, motivos estructurales y pliegues diferentes.

Dominio estructural Editar

Un dominio estructural es un elemento de la estructura general de la proteína que se autoestabiliza y, a menudo, se pliega independientemente del resto de la cadena proteica. Muchos dominios no son exclusivos de los productos proteicos de un gen o de una familia de genes, sino que aparecen en una variedad de proteínas. Los dominios a menudo se nombran y se destacan porque ocupan un lugar destacado en la función biológica de la proteína a la que pertenecen, por ejemplo, el "dominio de unión al calcio de la calmodulina". Debido a que son estables de forma independiente, los dominios se pueden "intercambiar" mediante ingeniería genética entre una proteína y otra para producir proteínas quimeras. Una combinación conservadora de varios dominios que se encuentran en diferentes proteínas, como el dominio de proteína tirosina fosfatasa y el par de dominios C2, se denominó "un superdominio" que puede evolucionar como una sola unidad. [8]

Motivos estructurales y secuenciales Editar

Los motivos estructurales y de secuencia se refieren a segmentos cortos de estructura tridimensional de proteínas o secuencia de aminoácidos que se encuentran en una gran cantidad de proteínas diferentes.

Estructura secundaria Editar

La estructura supersecundaria se refiere a una combinación específica de elementos de la estructura secundaria, como unidades β-α-β o un motivo hélice-vuelta-hélice. Algunos de ellos también pueden denominarse motivos estructurales.

Pliegue de proteínas Editar

Un pliegue de proteína se refiere a la arquitectura general de la proteína, como un paquete de hélice, un barril β, un pliegue de Rossmann o diferentes "pliegues" proporcionados en la base de datos de Clasificación Estructural de Proteínas. [9] Un concepto relacionado es la topología de proteínas.

Las proteínas no son objetos estáticos, sino que pueblan conjuntos de estados conformacionales. Las transiciones entre estos estados ocurren típicamente en nanoescalas y se han relacionado con fenómenos funcionalmente relevantes como la señalización alostérica [10] y la catálisis enzimática. [11] La dinámica de las proteínas y los cambios conformacionales permiten que las proteínas funcionen como máquinas biológicas a nanoescala dentro de las células, a menudo en forma de complejos de múltiples proteínas. [12] Los ejemplos incluyen proteínas motoras, como la miosina, que es responsable de la contracción muscular, la kinesina, que mueve la carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos, y la dineína, que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonemal de cilios móviles y flagelos. "[En] efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas. Los enlazadores flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión y inducir alosterio de largo alcance a través de la dinámica de los dominios de proteínas ". [13]

A menudo se piensa que las proteínas son estructuras terciarias relativamente estables que experimentan cambios conformacionales después de ser afectadas por interacciones con otras proteínas o como parte de la actividad enzimática. Sin embargo, las proteínas pueden tener diversos grados de estabilidad y algunas de las variantes menos estables son proteínas intrínsecamente desordenadas. Estas proteínas existen y funcionan en un estado relativamente "desordenado" que carece de una estructura terciaria estable. Como resultado, son difíciles de describir mediante una única estructura terciaria fija. Los conjuntos conformacionales se han ideado como una forma de proporcionar una representación más precisa y "dinámica" del estado conformacional de proteínas intrínsecamente desordenadas. [15] [14]

Los archivos de conjuntos de proteínas son una representación de una proteína que puede considerarse que tiene una estructura flexible. La creación de estos archivos requiere determinar cuál de las diversas conformaciones de proteínas teóricamente posibles existe realmente. Un enfoque consiste en aplicar algoritmos computacionales a los datos de proteínas para intentar determinar el conjunto más probable de conformaciones para un archivo de conjunto. Existen varios métodos para preparar datos para la base de datos de conjuntos de proteínas que se dividen en dos metodologías generales: enfoques de dinámica molecular (MD) y de grupo (diagramado en la figura). El enfoque basado en el grupo utiliza la secuencia de aminoácidos de la proteína para crear un grupo masivo de conformaciones aleatorias. Luego, este grupo se somete a un procesamiento más computacional que crea un conjunto de parámetros teóricos para cada conformación en función de la estructura. Se seleccionan los subconjuntos conformacionales de este grupo cuyos parámetros teóricos promedio coinciden estrechamente con los datos experimentales conocidos para esta proteína. El enfoque de dinámica molecular alternativa toma múltiples conformaciones aleatorias a la vez y las somete todas a datos experimentales. Aquí los datos experimentales sirven como limitaciones que se deben colocar en las conformaciones (por ejemplo, distancias conocidas entre átomos). Solo se aceptan conformaciones que logren mantenerse dentro de los límites marcados por los datos experimentales. Este enfoque a menudo aplica grandes cantidades de datos experimentales a las conformaciones, lo cual es una tarea muy exigente desde el punto de vista informático. [14]

Los conjuntos conformacionales se generaron para una serie de proteínas altamente dinámicas y parcialmente desplegadas, como Sic1 / Cdc4, [16] p15 PAF, [17] MKK7, [18] Beta-sinucleína [19] y P27 [20]

A medida que se traduce, los polipéptidos salen del ribosoma principalmente como una espiral aleatoria y se pliegan a su estado nativo. [21] [22] Generalmente se asume que la estructura final de la cadena de proteínas está determinada por su secuencia de aminoácidos (dogma de Anfinsen). [23]

La estabilidad termodinámica de las proteínas representa la diferencia de energía libre entre los estados de proteína plegada y desplegada. Esta diferencia de energía libre es muy sensible a la temperatura, por lo que un cambio en la temperatura puede resultar en un desdoblamiento o desnaturalización. La desnaturalización de proteínas puede resultar en pérdida de función y pérdida del estado nativo. La energía libre de estabilización de proteínas globulares solubles no excede típicamente de 50 kJ / mol. [ cita necesaria ] Teniendo en cuenta el gran número de enlaces de hidrógeno que tienen lugar para la estabilización de estructuras secundarias y la estabilización del núcleo interno a través de interacciones hidrofóbicas, la energía libre de estabilización emerge como una pequeña diferencia entre grandes números. [24]

Alrededor del 90% de las estructuras de proteínas disponibles en el banco de datos de proteínas se han determinado mediante cristalografía de rayos X. [25] This method allows one to measure the three-dimensional (3-D) density distribution of electrons in the protein, in the crystallized state, and thereby infer the 3-D coordinates of all the atoms to be determined to a certain resolution. Roughly 9% of the known protein structures have been obtained by nuclear magnetic resonance (NMR) techniques. [ cita necesaria ] For larger protein complexes, cryo-electron microscopy can determine protein structures. The resolution is typically lower than that of X-ray crystallography, or NMR, but the maximum resolution is steadily increasing. This technique is still a particularly valuable for very large protein complexes such as virus coat proteins and amyloid fibers.

General secondary structure composition can be determined via circular dichroism. Vibrational spectroscopy can also be used to characterize the conformation of peptides, polypeptides, and proteins. [26] Two-dimensional infrared spectroscopy has become a valuable method to investigate the structures of flexible peptides and proteins that cannot be studied with other methods. [27] [28] A more qualitative picture of protein structure is often obtained by proteolysis, which is also useful to screen for more crystallizable protein samples. Novel implementations of this approach, including fast parallel proteolysis (FASTpp), can probe the structured fraction and its stability without the need for purification. [29] Once a protein's structure has been experimentally determined, further detailed studies can be done computationally, using molecular dynamic simulations of that structure. [30]

A protein structure database is a database that is modeled around the various experimentally determined protein structures. The aim of most protein structure databases is to organize and annotate the protein structures, providing the biological community access to the experimental data in a useful way. Data included in protein structure databases often includes 3D coordinates as well as experimental information, such as unit cell dimensions and angles for x-ray crystallography determined structures. Though most instances, in this case either proteins or a specific structure determinations of a protein, also contain sequence information and some databases even provide means for performing sequence based queries, the primary attribute of a structure database is structural information, whereas sequence databases focus on sequence information, and contain no structural information for the majority of entries. Protein structure databases are critical for many efforts in computational biology such as structure based drug design, both in developing the computational methods used and in providing a large experimental dataset used by some methods to provide insights about the function of a protein. [31]

Protein structures can be grouped based on their structural similarity, topological class or a common evolutionary origin. The Structural Classification of Proteins database [32] and CATH database [33] provide two different structural classifications of proteins. When the structural similarity is large the two proteins have possibly diverged from a common ancestor, [34] and shared structure between proteins is considered evidence of homology. Structure similarity can then be used to group proteins together into protein superfamilies. [35] If shared structure is significant but the fraction shared is small, the fragment shared may be the consequence of a more dramatic evolutionary event such as horizontal gene transfer, and joining proteins sharing these fragments into protein superfamilies is no longer justified. [34] Topology of a protein can be used to classify proteins as well. Knot theory and circuit topology are two topology frameworks developed for classification of protein folds based on chain crossing and intrachain contacts respectively.

The generation of a protein sequence is much easier than the determination of a protein structure. However, the structure of a protein gives much more insight in the function of the protein than its sequence. Therefore, a number of methods for the computational prediction of protein structure from its sequence have been developed. [36] Ab initio prediction methods use just the sequence of the protein. Threading and homology modeling methods can build a 3-D model for a protein of unknown structure from experimental structures of evolutionarily-related proteins, called a protein family.


Contenido

En su definición más completa, la bioquímica puede verse como un estudio de los componentes y la composición de los seres vivos y cómo se unen para convertirse en vida. En este sentido, la historia de la bioquímica puede, por tanto, remontarse a los antiguos griegos. [10] Sin embargo, la bioquímica como disciplina científica específica comenzó en algún momento del siglo XIX, o un poco antes, dependiendo de en qué aspecto de la bioquímica se esté enfocando. Algunos argumentaron que el comienzo de la bioquímica pudo haber sido el descubrimiento de la primera enzima, diastasa (ahora llamada amilasa), en 1833 por Anselme Payen, [11] mientras que otros consideraron la primera demostración de Eduard Buchner de un complejo proceso bioquímico de fermentación alcohólica en células. extractos libres en 1897 para ser el nacimiento de la bioquímica. [12] [13] [14] Algunos también podrían señalar como su comienzo el influyente trabajo de 1842 de Justus von Liebig, Química animal, o química orgánica en sus aplicaciones a la fisiología y patología., que presentó una teoría química del metabolismo, [10] o incluso estudios anteriores al siglo XVIII sobre fermentación y respiración de Antoine Lavoisier. [15] [16] Muchos otros pioneros en el campo que ayudaron a descubrir las capas de complejidad de la bioquímica han sido proclamados fundadores de la bioquímica moderna. Emil Fischer, que estudió la química de las proteínas, [17] y F. Gowland Hopkins, que estudió las enzimas y la naturaleza dinámica de la bioquímica, representan dos ejemplos de los primeros bioquímicos. [18]

El término "bioquímica" en sí mismo se deriva de una combinación de biología y química. En 1877, Felix Hoppe-Seyler usó el término (bioquímica en alemán) como sinónimo de química fisiológica en el prólogo del primer número de Zeitschrift für Physiologische Chemie (Revista de Química Fisiológica) donde defendió la creación de institutos dedicados a este campo de estudio. [19] [20] Sin embargo, a menudo se cita al químico alemán Carl Neuberg por haber acuñado la palabra en 1903, [21] [22] [23] mientras que algunos se lo atribuyen a Franz Hofmeister. [24]

Alguna vez se creyó generalmente que la vida y sus materiales tenían alguna propiedad o sustancia esencial (a menudo referida como el "principio vital") distinta de cualquier encontrada en la materia no viva, y se pensaba que solo los seres vivos podían producir las moléculas de vida. [26] En 1828, Friedrich Wöhler publicó un artículo sobre su síntesis fortuita de urea a partir de cianato de potasio y sulfato de amonio, algunos lo consideraron un derrocamiento directo del vitalismo y el establecimiento de la química orgánica. [27] [28] Sin embargo, la síntesis de Wöhler ha provocado controversia ya que algunos rechazan la muerte del vitalismo en sus manos. [29] Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde mediados del siglo XX, con el desarrollo de nuevas técnicas como cromatografía, difracción de rayos X, interferometría de polarización dual, espectroscopia de RMN, marcaje radioisotópico, microscopía electrónica y simulaciones de dinámica molecular. Estas técnicas permitieron el descubrimiento y análisis detallado de muchas moléculas y vías metabólicas de la célula, como la glucólisis y el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico), y llevaron a una comprensión de la bioquímica a nivel molecular.

Otro acontecimiento histórico significativo en bioquímica es el descubrimiento del gen y su papel en la transferencia de información en la célula. En la década de 1950, James D. Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins fueron fundamentales para resolver la estructura del ADN y sugerir su relación con la transferencia genética de información. [30] En 1958, George Beadle y Edward Tatum recibieron el Premio Nobel por su trabajo en hongos que demuestra que un gen produce una enzima. [31] En 1988, Colin Pitchfork fue la primera persona condenada por asesinato con evidencia de ADN, lo que llevó al crecimiento de la ciencia forense. [32] Más recientemente, Andrew Z. Fire y Craig C. Mello recibieron el Premio Nobel de 2006 por descubrir el papel de la interferencia de ARN (ARNi) en el silenciamiento de la expresión génica. [33]

Alrededor de dos docenas de elementos químicos son esenciales para varios tipos de vida biológica. La mayoría de los elementos raros de la Tierra no son necesarios para la vida (las excepciones son el selenio y el yodo), [34] mientras que algunos de los más comunes (aluminio y titanio) no se utilizan. La mayoría de los organismos comparten necesidades de elementos, pero existen algunas diferencias entre plantas y animales. Por ejemplo, las algas del océano usan bromo, pero las plantas y los animales terrestres parecen no necesitarlo. Todos los animales necesitan sodio, pero algunas plantas no. Las plantas necesitan boro y silicio, pero los animales pueden no (o pueden necesitar cantidades ultra pequeñas).

Solo seis elementos (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, calcio y fósforo) constituyen casi el 99% de la masa de células vivas, incluidas las del cuerpo humano (consulte la composición del cuerpo humano para obtener una lista completa). Además de los seis elementos principales que componen la mayor parte del cuerpo humano, los seres humanos requieren cantidades más pequeñas de posiblemente 18 más. [35]

Las 4 clases principales de moléculas en bioquímica (a menudo llamadas biomoléculas) son carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. [36] Muchas moléculas biológicas son polímeros: en esta terminología, los monómeros son macromoléculas relativamente pequeñas que se unen entre sí para crear grandes macromoléculas conocidas como polímeros. Cuando los monómeros se unen para sintetizar un polímero biológico, se someten a un proceso llamado síntesis por deshidratación. Las diferentes macromoléculas se pueden ensamblar en complejos más grandes, a menudo necesarios para la actividad biológica.

Carbohydrates Edit

Dos de las funciones principales de los carbohidratos son el almacenamiento de energía y la estructuración. Uno de los azúcares comunes conocidos como glucosa son los carbohidratos, pero no todos los carbohidratos son azúcares. Hay más carbohidratos en la Tierra que cualquier otro tipo conocido de biomolécula; se utilizan para almacenar energía e información genética, además de desempeñar un papel importante en las interacciones y comunicaciones de célula a célula.

El tipo más simple de carbohidrato es un monosacárido, que entre otras propiedades contiene carbono, hidrógeno y oxígeno, principalmente en una proporción de 1: 2: 1 (fórmula generalizada CnorteH2norteOnorte, dónde norte es al menos 3). Glucosa (C6H12O6) es uno de los carbohidratos más importantes, otros incluyen fructosa (C6H12O6), el azúcar comúnmente asociado con el sabor dulce de las frutas, [37] [a] y la desoxirribosa (C5H10O4), un componente del ADN. Un monosacárido puede cambiar entre una forma acíclica (cadena abierta) y una forma cíclica. La forma de cadena abierta se puede convertir en un anillo de átomos de carbono puenteados por un átomo de oxígeno creado a partir del grupo carbonilo de un extremo y el grupo hidroxilo del otro. La molécula cíclica tiene un grupo hemiacetal o hemicetal, dependiendo de si la forma lineal era una aldosa o una cetosa. [38]

En estas formas cíclicas, el anillo suele tener 5 o 6 átomos. Estas formas se denominan furanosas y piranosas, respectivamente, por analogía con el furano y el pirano, los compuestos más simples con el mismo anillo carbono-oxígeno (aunque carecen de los dobles enlaces carbono-carbono de estas dos moléculas). Por ejemplo, la aldohexosa glucosa puede formar un enlace hemiacetal entre el hidroxilo en el carbono 1 y el oxígeno en el carbono 4, produciendo una molécula con un anillo de 5 miembros, llamada glucofuranosa. La misma reacción puede tener lugar entre los carbonos 1 y 5 para formar una molécula con un anillo de 6 miembros, llamado glucopiranosa. Las formas cíclicas con un anillo de 7 átomos llamadas heptosis son raras.

Dos monosacáridos se pueden unir mediante un enlace glicosídico o éter en un disaccharide a través de una reacción de deshidratación durante la cual se libera una molécula de agua. La reacción inversa en la que el enlace glicosídico de un disacárido se rompe en dos monosacáridos se denomina hidrólisis. El disacárido más conocido es la sacarosa o azúcar común, que consiste en una molécula de glucosa y una molécula de fructosa unidas. Otro disacárido importante es la lactosa que se encuentra en la leche, que consta de una molécula de glucosa y una molécula de galactosa. La lactosa puede ser hidrolizada por la lactasa y la deficiencia de esta enzima da como resultado intolerancia a la lactosa.

Cuando se unen unos pocos (alrededor de tres a seis) monosacáridos, se denomina oligosacárido (oligo- que significa "pocos"). Estas moléculas tienden a usarse como marcadores y señales, además de tener otros usos. [39] Muchos monosacáridos unidos forman un polisacárido. Pueden unirse en una cadena lineal larga o pueden estar ramificados. Dos de los polisacáridos más comunes son la celulosa y el glucógeno, ambos compuestos por monómeros de glucosa repetidos. Celulosa es un componente estructural importante de las paredes celulares de la planta y glucógeno se utiliza como forma de almacenamiento de energía en animales.

El azúcar se puede caracterizar por tener extremos reductores o no reductores. Un extremo reductor de un carbohidrato es un átomo de carbono que puede estar en equilibrio con la forma de aldehído de cadena abierta (aldosa) o ceto (cetosa). Si la unión de monómeros tiene lugar en dicho átomo de carbono, el grupo hidroxi libre de la forma piranosa o furanosa se intercambia con una cadena lateral OH de otro azúcar, produciendo un acetal completo. Esto evita la apertura de la cadena a la forma aldehído o ceto y hace que el residuo modificado no sea reductor. La lactosa contiene un extremo reductor en su resto de glucosa, mientras que el resto de galactosa forma un acetal completo con el grupo C4-OH de la glucosa. La sacarosa no tiene un extremo reductor debido a la formación completa de acetal entre el carbono aldehído de la glucosa (C1) y el carbono ceto de la fructosa (C2).

Lípidos Editar

Lípidos comprenden una amplia gama de moléculas y, hasta cierto punto, es un conjunto de compuestos de origen biológico relativamente insolubles en agua o apolares, que incluyen ceras, ácidos grasos, fosfolípidos derivados de ácidos grasos, esfingolípidos, glicolípidos y terpenoides (p. ej., retinoides y esteroides) . Algunos lípidos son moléculas alifáticas lineales de cadena abierta, mientras que otros tienen estructuras de anillo. Algunos son aromáticos (con un [anillo] cíclico y una estructura [plana] plana) mientras que otros no lo son. Algunos son flexibles, mientras que otros son rígidos.

Los lípidos suelen estar hechos de una molécula de glicerol combinada con otras moléculas. En los triglicéridos, el grupo principal de lípidos a granel, hay una molécula de glicerol y tres ácidos grasos. Los ácidos grasos se consideran el monómero en ese caso y pueden estar saturados (sin dobles enlaces en la cadena de carbono) o insaturados (uno o más dobles enlaces en la cadena de carbono).

La mayoría de los lípidos tienen algún carácter polar además de ser en gran parte apolares. En general, la mayor parte de su estructura es no polar o hidrófoba ("teme al agua"), lo que significa que no interactúa bien con disolventes polares como el agua. Otra parte de su estructura es polar o hidrófila ("amante del agua") y tenderá a asociarse con disolventes polares como el agua. Esto las convierte en moléculas anfifílicas (que tienen porciones hidrofóbicas e hidrofílicas). En el caso del colesterol, el grupo polar es un mero –OH (hidroxilo o alcohol). En el caso de los fosfolípidos, los grupos polares son considerablemente más grandes y más polares, como se describe a continuación.

Los lípidos son una parte integral de nuestra dieta diaria. La mayoría de los aceites y productos lácteos que utilizamos para cocinar y comer, como mantequilla, queso, ghee, etc., están compuestos de grasas. Los aceites vegetales son ricos en varios ácidos grasos poliinsaturados (PUFA). Los alimentos que contienen lípidos se someten a digestión dentro del cuerpo y se descomponen en ácidos grasos y glicerol, que son los productos finales de degradación de grasas y lípidos. Los lípidos, especialmente los fosfolípidos, también se utilizan en diversos productos farmacéuticos, ya sea como cosolubilizantes (por ejemplo, en infusiones parenterales) o como componentes portadores de fármacos (por ejemplo, en un liposoma o transferoma).

Proteínas Editar

Las proteínas son moléculas muy grandes, macrobiopolímeros, hechas de monómeros llamados aminoácidos. Un aminoácido consta de un átomo de carbono alfa unido a un grupo amino, –NH2, un grupo de ácido carboxílico, –COOH (aunque existen como –NH3 + y –COO - en condiciones fisiológicas), un átomo de hidrógeno simple y una cadena lateral comúnmente denominada "–R". La cadena lateral "R" es diferente para cada aminoácido de los cuales hay 20 estándar. Es este grupo "R" el que hace que cada aminoácido sea diferente, y las propiedades de las cadenas laterales influyen en gran medida en la conformación tridimensional general de una proteína. Algunos aminoácidos tienen funciones por sí mismos o en una forma modificada, por ejemplo, el glutamato funciona como un neurotransmisor importante. Los aminoácidos se pueden unir mediante un enlace peptídico. En esta síntesis de deshidratación, se elimina una molécula de agua y el enlace peptídico conecta el nitrógeno del grupo amino de un aminoácido con el carbono del grupo ácido carboxílico del otro. La molécula resultante se llama dipéptido, y los tramos cortos de aminoácidos (por lo general, menos de treinta) se denominan peptides o polipéptidos. Los tramos más largos merecen el título proteinas. Como ejemplo, la importante proteína albúmina del suero sanguíneo contiene 585 residuos de aminoácidos. [42]

Proteins can have structural and/or functional roles. Por ejemplo, los movimientos de las proteínas actina y miosina son, en última instancia, responsables de la contracción del músculo esquelético. Una propiedad que tienen muchas proteínas es que se unen específicamente a una determinada molécula o clase de moléculas; pueden ser extremadamente selectivo en lo que se unen. Los anticuerpos son un ejemplo de proteínas que se unen a un tipo específico de molécula. Los anticuerpos están compuestos de cadenas ligeras y pesadas. Dos cadenas pesadas estarían unidas a dos cadenas ligeras a través de enlaces disulfuro entre sus aminoácidos. Los anticuerpos son específicos a través de la variación basada en diferencias en el dominio N-terminal. [43]

El ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA), que utiliza anticuerpos, es una de las pruebas más sensibles que utiliza la medicina moderna para detectar diversas biomoléculas. Sin embargo, probablemente las proteínas más importantes son las enzimas. Prácticamente todas las reacciones en una célula viva requieren una enzima para reducir la energía de activación de la reacción. [12] Estas moléculas reconocen moléculas reactivas específicas llamadas sustratos luego catalizan la reacción entre ellos. Al reducir la energía de activación, la enzima acelera esa reacción a una velocidad de 10 11 o más [12]. Una reacción que normalmente tardaría más de 3.000 años en completarse espontáneamente podría tardar menos de un segundo con una enzima. La enzima en sí no se agota en el proceso y es libre de catalizar la misma reacción con un nuevo conjunto de sustratos. Utilizando varios modificadores, se puede regular la actividad de la enzima, lo que permite el control de la bioquímica de la célula en su conjunto. [12]

La estructura de las proteínas se describe tradicionalmente en una jerarquía de cuatro niveles. La estructura primaria de una proteína consiste en su secuencia lineal de aminoácidos, por ejemplo, "alanina-glicina-triptófano-serina-glutamato-asparagina-glicina-lisina-…". La estructura secundaria se ocupa de la morfología local (la morfología es el estudio de la estructura). Algunas combinaciones de aminoácidos tenderán a enrollarse en una espiral llamada α-hélice o en una hoja llamada β-lámina, algunas α-hélices se pueden ver en el esquema de hemoglobina anterior. La estructura terciaria es la forma tridimensional completa de la proteína. Esta forma está determinada por la secuencia de aminoácidos. De hecho, un solo cambio puede cambiar toda la estructura. La cadena alfa de la hemoglobina contiene 146 residuos de aminoácidos. La sustitución del residuo de glutamato en la posición 6 por un residuo de valina cambia tanto el comportamiento de la hemoglobina que da como resultado la anemia de células falciformes. Finalmente, la estructura cuaternaria se ocupa de la estructura de una proteína con múltiples subunidades de péptidos, como la hemoglobina con sus cuatro subunidades. No todas las proteínas tienen más de una subunidad. [44]

Las proteínas ingeridas generalmente se descomponen en aminoácidos individuales o dipéptidos en el intestino delgado y luego se absorben. Luego se pueden unir para formar nuevas proteínas. Los productos intermedios de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la vía de la pentosa fosfato se pueden utilizar para formar los veinte aminoácidos, y la mayoría de las bacterias y plantas poseen todas las enzimas necesarias para sintetizarlos. Los humanos y otros mamíferos, sin embargo, solo pueden sintetizar la mitad de ellos. No pueden sintetizar isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Debido a que deben ingerirse, estos son los aminoácidos esenciales. Los mamíferos poseen las enzimas para sintetizar alanina, asparagina, aspartato, cisteína, glutamato, glutamina, glicina, prolina, serina y tirosina, los aminoácidos no esenciales. Si bien pueden sintetizar arginina e histidina, no pueden producirla en cantidades suficientes para animales jóvenes en crecimiento, por lo que a menudo se consideran aminoácidos esenciales.

Si el grupo amino se elimina de un aminoácido, deja un esqueleto de carbono llamado α-cetoácido. Las enzimas llamadas transaminasas pueden transferir fácilmente el grupo amino de un aminoácido (lo que lo convierte en un α-cetoácido) a otro α-cetoácido (lo que lo convierte en un aminoácido). Esto es importante en la biosíntesis de aminoácidos, ya que para muchas de las rutas, los intermedios de otras rutas bioquímicas se convierten en el esqueleto de α-cetoácido y luego se agrega un grupo amino, a menudo mediante transaminación. A continuación, los aminoácidos pueden unirse para formar una proteína.

Se utiliza un proceso similar para descomponer las proteínas. Primero se hidroliza en los aminoácidos que lo componen. El amoníaco libre (NH3), que existe como ión amonio (NH4 +) en la sangre, es tóxico para las formas de vida. Por tanto, debe existir un método adecuado para excretarlo. Se han desarrollado diferentes tácticas en diferentes animales, dependiendo de las necesidades de los animales. Los organismos unicelulares simplemente liberan el amoníaco al medio ambiente. Del mismo modo, los peces óseos pueden liberar el amoníaco en el agua, donde se diluye rápidamente. En general, los mamíferos convierten el amoníaco en urea a través del ciclo de la urea.

Para determinar si dos proteínas están relacionadas, o en otras palabras, para decidir si son homólogas o no, los científicos utilizan métodos de comparación de secuencias. Los métodos como los alineamientos de secuencias y los alineamientos estructurales son herramientas poderosas que ayudan a los científicos a identificar homologías entre moléculas relacionadas. La relevancia de encontrar homologías entre proteínas va más allá de formar un patrón evolutivo de familias de proteínas. Al descubrir qué tan similares son dos secuencias de proteínas, adquirimos conocimiento sobre su estructura y, por lo tanto, su función.

Ácidos nucleicos Editar

Los ácidos nucleicos, llamados así por su prevalencia en los núcleos celulares, es el nombre genérico de la familia de los biopolímeros. Son macromoléculas bioquímicas complejas de alto peso molecular que pueden transmitir información genética a todas las células vivas y virus. [2] Los monómeros se denominan nucleótidos y cada uno consta de tres componentes: una base heterocíclica nitrogenada (ya sea una purina o una pirimidina), un azúcar pentosa y un grupo fosfato. [45]

Los ácidos nucleicos más comunes son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El grupo fosfato y el azúcar de cada nucleótido se unen entre sí para formar la columna vertebral del ácido nucleico, mientras que la secuencia de bases nitrogenadas almacena la información. Las bases nitrogenadas más comunes son adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. Las bases nitrogenadas de cada hebra de un ácido nucleico formarán enlaces de hidrógeno con algunas otras bases nitrogenadas en una hebra complementaria de ácido nucleico (similar a una cremallera). La adenina se une a la timina y el uracilo, la timina se une solo a la adenina, y la citosina y la guanina solo pueden unirse entre sí. La adenina y la timina y la adenina y el uracilo contienen dos enlaces de hidrógeno, mientras que los enlaces de hidrógeno formados entre la citosina y la guanina son tres.

Aparte del material genético de la célula, los ácidos nucleicos a menudo desempeñan un papel como segundos mensajeros, además de formar la molécula base del trifosfato de adenosina (ATP), la principal molécula portadora de energía que se encuentra en todos los organismos vivos. Además, las posibles bases nitrogenadas en los dos ácidos nucleicos son diferentes: la adenina, la citosina y la guanina se encuentran tanto en el ARN como en el ADN, mientras que la timina solo se encuentra en el ADN y el uracilo en el ARN.

Los carbohidratos como fuente de energía Editar

La glucosa es una fuente de energía en la mayoría de las formas de vida. Por ejemplo, los polisacáridos se descomponen en sus monómeros mediante enzimas (la glucógeno fosforilasa elimina los residuos de glucosa del glucógeno, un polisacárido). Los disacáridos como lactosa o sacarosa se escinden en sus monosacáridos de dos componentes.


Ver el vídeo: Introducción a los aminoácidos. Macromoléculas. Biología. Khan Academy en Español (Septiembre 2022).