Estructura. Asociaciones. Propiedades. Clasificación y Funciones de las Proteínas

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Las proteínas como moléculas ejecutoras

Composición Química y Clasificación

Son las sustancias que componen las estructuras celulares y las herramientas que hacen posible las reacciones químicas del metabolismo celular. En la mayoría de los seres vivos (a excepción de las plantas que tienen más celulosa) representan más de un 50% de su peso en seco. Una bacteria puede tener cerca de 1000 proteínas  diferentes, en una célula humana puede haber 10.000 clases de proteínas  distintas.
Las proteínas son biopolímeros (macromoléculas orgánicas), de elevado peso molecular, constituidas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N); aunque pueden contener también azufre (S) y fósforo (P) y, en menor proporción, hierro (Fe), cobre (Cu), magnesio (Mg), yodo (Y), etc.
Estos elementos químicos se agrupan para formar unidades estructurales (monómeros) llamados Aminoácidos, a los cuales podríamos considerar como los "ladrillos de los edificios moleculares proteicos". Estos edificios macromoleculares se construyen y desmoronan con gran facilidad dentro de las células, y a ello debe precisamente la materia viva su capacidad de crecimiento, reparación y regulación.
Las proteínas son, en resumen, biopolímeros de aminoácidos y su presencia en los seres vivos es indispensable para el desarrollo de los múltiples procesos vitales.

Se clasifican, de forma general, en Holoproteinas y Heteroproteinas según esten formadas respectivamente sólo por aminoácidos o bien por aminoácidos más otras moléculas o elementos adicionales no aminoacídicos.

Los aminoácidos

Son las unidades básicas que forman las proteínas. Su denominación responde a la composición química general que presentan, en la que un grupo amino (-NH2) y otro carboxilo o ácido (-COOH) se unen a un carbono alfa (-C-). Las otras dos valencias de ese carbono quedan saturadas con un átomo de hidrógeno (-H) y con un grupo químico variable al que se denomina radical (-R).

Los aminoácidos que un organismo no puede sintetizar y, por tanto, tienen que ser suministrados con la dieta se denominan aminoácidos esenciales; y aquellos que el organismo puede sintetizar se llaman aminoácidos no esenciales.

Para la especie humana son esenciales nueve aminoácidos: histidina, treonina, metionina, lisina, valina, triptófano, leucina, isoleucina y fenilalanina.

Péptidos y Enlace peptídico

Los péptidos son cadenas lineales de aminoácidos enlazados por enlaces químicos de tipo amídico a los que se denomina Enlace Peptídico. Así pues, para formar péptidos los aminoácidos se van enlazando entre sí formando cadenas de longitud y secuencia variable. Para denominar a estas cadenas se utilizan prefijos convencionales como:

a) Oligopéptidos.- si el nº de aminoácidos es menor 10.

Dipéptidos.- si el nº de aminoácidos es 2.

Tripéptidos.- si el nº de aminoácidos es 3.

Tetrapéptidos.- si el nº de aminoácidos es 4.

etc.

b) Polipéptidos o cadenas polipeptídicas.- si el nº de aminoácidos es mayor 10.

Cada péptido o polipéptido se suele escribir, convencionalmente, de izquierda a derecha, empezando por el extremo N-terminal que posee un grupo amino libre y finalizando por el extremo C-terminal en el que se encuentra un grupo carboxilo libre, de tal manera que el eje o esqueleto del péptido, formado por una unidad de seis átomos (-NH-CH-CO-), es idéntico a todos ellos. Lo que varía de unos péptidos a otros, y por extensión, de unas proteínas a otras, es el número, la naturaleza y el orden o secuencia de sus aminoácidos.

El enlace peptídico es un enlace covalente y se establece entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) del aminoácido contiguo inmediato, con el consiguiente desprendimiento de una molécula de agua.

Estructura de las proteínas

La estructura tridimensional de una proteína es un factor determinante en su actividad biológica. Tiene un carácter jerarquizado, es decir, implica unos niveles de complejidad creciente que dan lugar a 4 tipos de estructuras: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Cada uno de estos niveles se construye a partir del anterior.

La estructura primaria viene determinada por la secuencia de aminoácidos  en la cadena proteica, es decir, el número de aminoácidos  presentes y el orden en que están enlazados. La conformación espacial de una proteína se analiza en términos de estructura secundaria y estructura terciaria. La asociación de varias cadenas polipeptídicas origina un nivel superior de organización, la llamada estructura cuaternaria. 

Por último, la asociación de proteínas con otros tipos de biomoléculas para formar asociaciones supramoleculares con carácter permanente da lugar a la estructura quinaria.

El eje hipotálamo - hipófisis

Se le puede considerar como una unidad funcional que se encuentra situado dentro del cráneo, en la base del encéfalo. 

El Hipotálamo tiene una función nerviosa (se relaciona con el sueño y con sensaciones como la sed y el hambre) y otra endocrina (coordina toda la función hormonal). 

Elabora hormonas que están relacionadas con la función de la Hipófisis. Los compuestos liberados por el hipotálamo activan o inhiben la producción  de las hormonas de la hipófisis.

La Hipófisis es un pequeña glándula endocrina que cuelga del hipotálamo. Está divida en varios lóbulos. Los que tienen relación con el sistema endocrino son:

La Adenohipófisis o hipófisis anterior

La Neurohipófisis o hipófisis posterior

Además de la relación ontogénica (por su origen embrionario) y anatómica, el hipotálamo y la hipófisis mantienen una estrecha conexión funcional; las funciones de la hipófisis dependen directamente del hipotálamo y ambos forman una unidad fisiológica: el eje hipotálamo-hipofisario. 

La relación funcional entre la hipófisis y el hipotálamo tiene dos aspectos:

1) La secreción de las hormonas sintetizadas en la adenohipófisis está bajo el control de factores liberadores o inhibidores producidos en el hipotálamo. Estos factores hipotalámicos son sintetizados en neuronas del hipotálamo y llegan hasta las células glandulares del lóbulo anterior mediante la circulación (comunicación neuroendócrina). La comunicación neuroendócrina existente entre el hipotálamo y la adenohipófisis depende del sistema porta hipofisario. 

Un sistema porta es una red capilar interpuesta entre dos venas o dos arterias, a diferencia de los capilares comunes, que se interponen entre una arteria y una vena. Los capilares que drenan la sangre del hipotálamo reciben las neurosecreciones y luego se unen formando venas. Estas venas se capilarizan nuevamente al llegar al lóbulo anterior. La segunda red capilar (sistema porta) permite la difusión de los factores hipotalámicos hacia el espacio intersticial y desde allí hacia las células glandulares de la hipófisis anterior, a las cuales controlan. Esta conexión corta y directa entre el hipotálamo y la hipófisis favorece una respuesta rápida, impidiendo que la escasa cantidad de neurohormonas se diluya en la circulación general.

2) La neurohipófisis libera dos hormonas, la oxitocina y la hormona antidiurética (HAD). Estas hormonas son sintetizadas en los cuerpos de neuronas ubicadas en núcleos del hipotálamo (núcleos supraóptico y paraventricular). Una vez sintetizadas descienden por los axones de dichas neuronas, a través del infundíbulo. Los terminales axónicos se encuentran en el lóbulo posterior y desde allí las hormonas son liberadas a la circulación.

Regulación de la glucemia

El páncreas regula la glucemia a través de las hormonas insulina y glucagón. La insulina se secreta en respuesta a un incremento en la concentración de glucosa o de aminoácidos en la sangre. Estimula la absorción y la utilización de glucosa e induce la conversión de glucosa en glucógeno. Estos procesos disminuyen la glucemia. El glucagón estimula la degradación de glucógeno a glucosa en el hígado y la degradación de grasas y proteínas. Estas actividades incrementan la concentración de azúcar en la sangre.

La diabetes mellitus es una deficiencia de insulina que produce un aumento tan grande de la glucosa en la sangre que el riñón no puede reabsorberla totalmente. La pérdida de glucosa por la orina implica una pérdida importante de agua. La deshidratación resultante puede llevar a un colapso de la circulación.

La somatostatina es secretada por un tercer tipo de células del páncreas. Su principal función es la de inhibir la secreción tanto de insulina como de glucagón. Además, ayuda a regular el ritmo del pasaje de la glucosa y otros nutrientes desde el tubo digestivo al torrente sanguíneo.

Regulación hormonal de la glucosa sanguínea(a) Cuando la concentración de glucosa en la sangre es baja, el páncreas libera glucagón, que estimula la degradación de glucógeno y la salida de glucosa del hígado. (b) Cuando la concentración de azúcar en la sangre es elevada, el páncreas libera insulina, que incrementa la absorción de glucosa por las células y promueve su conversión y almacenamiento en glucógeno. (c) En situaciones de estrés, la hormona adrenocorticotrófica (ACTH) producida por la hipófisis anterior estimula la corteza suprarrenal. Ésta libera cortisol y otras hormonas que incrementan la degradación de lípidos y proteínas y su conversión en glucosa en el hígado. Por otra parte, la estimulación de la médula suprarrenal por las fibras nerviosas del sistema nervioso autónomo (simpático) produce la liberación de adrenalina y noradrenalina, que también elevan la concentración de glucosa en la sangre. La hormona del crecimiento y la somatostatina, que no se muestran en este esquema, también afectan los niveles de glucosa. La hormona del crecimiento inhibe la absorción y la oxidación de la glucosa y estimula la degradación de los ácidos grasos y ejerce así un efecto hiperglucemiante. La somatostatina influye en la velocidad a la cual la glucosa es absorbida por el torrente sanguíneo desde el tubo digestivo.

Insulina, glucagón y diabetes