Proteínas

Las proteínas son macromoléculas biológicas esenciales para todas las formas de vida. Están formadas por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos y desempeñan una amplia variedad de funciones cruciales para los organismos vivos. Las proteínas son los componentes estructurales más abundantes en las células y tejidos de los seres vivos y tienen roles fundamentales en procesos metabólicos, de señalización celular, transporte de moléculas, defensa inmunológica, y en la contracción muscular, entre otras funciones.

La química de las proteínas es un campo central dentro de la química orgánica, ya que estas macromoléculas están basadas en compuestos orgánicos, específicamente en aminoácidos, que contienen grupos funcionales como amino (-NH₂) y carboxilo (-COOH). Estas propiedades y la secuencia específica de aminoácidos determinan la estructura y, por ende, la función de cada proteína.

Objetivo de aprendizaje

Comprender la estructura, clasificación, funciones y propiedades de las proteínas, así como su importancia en los sistemas biológicos.

1. Estructura de las proteínas

Las proteínas son polímeros de aminoácidos, y su función está intrínsecamente relacionada con su estructura. La química de las proteínas abarca desde la síntesis de los aminoácidos hasta la formación de estructuras tridimensionales complejas que determinan la actividad biológica de cada proteína.

Las proteínas tienen una estructura jerárquica que se organiza en varios niveles:

1. Estructura primaria: Es la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Esta secuencia es determinada por la información genética contenida en el ADN. La secuencia de aminoácidos es clave para la función de la proteína, ya que determina la forma final que adoptará.
   
2. Estructura secundaria: Se refiere al plegamiento local de la cadena polipeptídica en estructuras estables como la hélice alfa y la lámina beta. Estas estructuras son estabilizadas por enlaces de hidrógeno entre los grupos NH y CO de los aminoácidos cercanos.
   
3. Estructura terciaria: Es el plegamiento global de la cadena polipeptídica en una estructura tridimensional compacta. Esta forma es estabilizada por interacciones no covalentes (como enlaces iónicos, interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno) y, en algunos casos, por enlaces covalentes (como los puentes disulfuro entre cisteínas).
   
4. Estructura cuaternaria: En proteínas que consisten en más de una cadena polipeptídica, la estructura cuaternaria se refiere a la disposición y organización de estas subunidades para formar una proteína funcional. Ejemplos incluyen la hemoglobina, que está formada por cuatro subunidades polipeptídicas.

2. Aminoácidos: Los bloques de construcción de las proteínas

Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos comunes, cada uno con una estructura básica que incluye un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH), y una cadena lateral (R) que varía entre los aminoácidos. Los aminoácidos pueden clasificarse en:

• Aminoácidos esenciales: Aquellos que el cuerpo no puede sintetizar y deben ser obtenidos de la dieta.
  
• Aminoácidos no esenciales: Aquellos que el cuerpo puede sintetizar a partir de otros compuestos.

Al unirse mediante enlaces peptídicos, los aminoácidos forman largas cadenas conocidas como polipéptidos. Un polipéptido con más de 50 aminoácidos se considera una proteína.

3. Funciones de las proteínas

Las proteínas desempeñan funciones biológicas cruciales en los organismos vivos. Algunas de las funciones más importantes incluyen:

1. Enzimática: Las proteínas pueden funcionar como enzimas, catalizando reacciones bioquímicas esenciales. Un ejemplo famoso es la amilasa, que descompone almidón en azúcares simples.
   
2. Estructural: Muchas proteínas proporcionan soporte estructural a las células y tejidos. La queratina en el cabello y las uñas, y el colágeno en la piel y los huesos, son ejemplos de proteínas estructurales.
   
3. Transporte: Las proteínas también participan en el transporte de moléculas dentro del organismo. Un ejemplo clave es la hemoglobina, que transporta oxígeno en la sangre.
   
4. Defensa: Las inmunoglobulinas (anticuerpos) son proteínas que protegen al cuerpo de infecciones al reconocer y neutralizar patógenos.
   
5. Movimiento: Proteínas como la actina y la miosina son responsables de la contracción muscular y el movimiento celular.
   
6. Almacenaje: Algunas proteínas almacenan nutrientes o moléculas importantes, como la ferritina, que almacena hierro en el cuerpo.

4. Clasificación de las proteínas

Las proteínas pueden clasificarse de acuerdo a su forma y función:

1. Proteínas fibrosas: Son largas, lineales y suelen ser insolubles en agua. Tienen funciones estructurales y mecánicas. Ejemplos incluyen colágeno, queratina y elastina.
   
2. Proteínas globulares: Son esféricas o globulares y generalmente son solubles en agua. Estas proteínas tienen funciones metabólicas y reguladoras, como enzimas, anticuerpos y hormonas. Ejemplos incluyen la hemoglobina y la insulina.
   
3. Proteínas conjugadas: Son proteínas que contienen grupos prostéticos no proteicos en su estructura. Estos grupos pueden ser de naturaleza lipídica, carbohidrato o metálica. Un ejemplo es la hemoglobina, que contiene un grupo hemo (un ion de hierro).
   
4. Proteínas de membrana: Son proteínas asociadas a las membranas celulares, que tienen funciones en el transporte de sustancias, señalización celular y adhesión. Un ejemplo es la glucoproteína de la membrana celular.

5. Desnaturalización de proteínas

Las proteínas son sensibles a cambios en su entorno, como el pH, la temperatura y la concentración de sal. Estos cambios pueden causar la desnaturalización, un proceso en el que la estructura terciaria o cuaternaria de la proteína se pierde, lo que resulta en la pérdida de su función biológica. La desnaturalización es irreversible en muchos casos, y puede ocurrir debido a factores como el calor (como cuando se cocina un huevo) o cambios en el pH (como en la digestión del estómago).

Actividad: Diseño de una proteína terapéutica

Objetivo:

Aplicar los conocimientos adquiridos sobre proteínas a un caso práctico en el campo de la medicina.

Instrucciones:

Los estudiantes trabajarán en grupos para diseñar una proteína terapéutica que podría utilizarse en un tratamiento médico. Deberán decidir su estructura (fibrosa o globular), función (enzimática, de transporte, etc.), y cómo interactuaría con el cuerpo humano para tratar una enfermedad o trastorno. Al final, presentarán sus ideas al resto de la clase.