Índex del tema

1. Què són les proteïnes

2. Els aminoàcids

3. L’estructura de les proteïnes

4. Propietats i funcions de les proteïnes

5. La classificació de les proteïnes

6. Presentació en diapositives

1. Què són les proteïnes

Les proteïnes són biomolècules formades bàsicament per Carboni, Oxigen, Hidrogen i Nitrogen i en quantitats menors el Sofre. En alguns tipus de proteïnes, també són presents fòsfor, ferro, magnesi i coure entre altres elements.  El seu nom prové del grec proteios, que vol dir principal.

Constitueixen aproximadament el 50% del pes sec de la cèl·lula i són les molècules fonamentals en l’organització i funcionament cel·lular, no només per la seva abundància, sinó per la gran varietat de funcions que realitzen. Per una banda, formen part de l’estructura bàsica dels teixits (músculs, tendons, pell, ungles…) i, per altra banda, tenen funcions metabòliques, transportadores i reguladores (assimilació de nutrients, transport d’oxigen i greixos a la sang, inactivació de materials tòxics o perillosos…). També són els elements que confereixen la identitat de cada ésser viu, ja que les proteïnes són el producte resultant del codi genètic i són les encarregades del reconeixement d’organismes estranys en el sistema immunitari.

Estructuralment, les proteïnes són polímers formats per la unió de petites molècules anomenades aminoàcids, que són les unitats bàsiques de construcció de proteïnes.

Els aminoàcids estan units mitjançant enllaços peptídics.

La unió d’un baix nombre d’aminoàcids dóna lloc a un pèptid; si el nombre d’aminoàcids que forma la molècula no és major de 10, es denomina oligopèptid, si és superior a 10, s’anomena polipèptid i si és superior a 100, es parla ja de proteïna.

Per tant, les proteïnes són cadenes d’aminoàcids que es pleguen adquirint una estructura tridimensional que els permet dur a terme milers de funcions. Les proteïnes estan codificades en el material genètic de cada organisme, on s’especifica la seva seqüència d’aminoàcids, i després són sintetitzades pels ribosomes.

Les proteïnes tenen un paper fonamental en els éssers vius i són les biomolècules més versàtils i més diverses.

Vull tornar a l’índex del tema

2. Els aminoàcids

Els aminoàcids són compostos orgànics de baix pes molecular que constitueixen les unitats bàsiques per formar les proteïnes. Els aminoàcids estan formats per:

• Un àtom de C central (C?).
• Un grup carboxil o àcid (-COOH).
• Un grup amino (-NH₂).
• Un àtom d’H.
• Un radical variable.

Els radicals confereixen a l’aminoàcid unes característiques pròpies. Per això, aquests radicals s’utilitzen com a criteri de classificació dels aminoàcids. Formant part de les proteïnes existeixen 20 aminoàcids. Existeixen altres aminoàcids, però no s’associen formant macromolècules.

Podem classificar els aminoàcids segons la seva polaritat i segons la seva càrrega iònica:

Aminoàcids neutres. La seva cadena lateral no posseeix grups carboxil ni amino i, per tant, a pH neutre la seva càrrega elèctrica neta és 0. Poden ser:

• Neutres polars. La cadena lateral té grups hidròfils amb els quals pot formar ponts d’hidrogen amb molècules polars com l’aigua, però no estan carregats elèctricament. Són solubles en aigua i es troben a l’exterior de les proteïnes. Per exemple: serina (Ser), treonina (Thr), cisteïna (Cys), tirosina (Tyr), asparagina (Asn) i Glutamina (Gln).
• Neutres apolars. La seva llarga cadena hidrocarbonada lateral és hidròfoba i és menys soluble en aigua. Les cadenes laterals no tenen grups carregats ni formen enllaços d’hidrogen amb l’aigua. Són insolubles en aigua i tendeixen a ubicar-se a l’interior de les proteïnes, allunyats del medi aquós. Per exemple: glicina (Gly), alanina (Ala), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile), fenilalanina (Phe), metionina (Met), prolina (Pro) i triptòfan (Trp).

Aminoàcids àcids (amb càrrega negativa):  els seus radicals posseeixen un grup carboxil que s’ionitza negativament, de manera que a pH neutre tenen càrrega negativa, ja que aquest grup desprèn H+. Exemples: àcid aspàrtic (Asp) i àcid glutàmic (Glu)

Aminoàcids bàsics (amb càrrega positiva): quan el grup R porta un grup bàsic (amino), de manera que a pH neutre, tenen càrrega elèctrica positiva (accepten H+). Exemples: lisina (Lys), arginina (Arg) i histidina (His).

També podem classificar els aminoàcids atenent a la seva disponibilitat, aleshores distingirem aminoàcids no essencials i aminoàcids essencials.

Alguns dels aminoàcids no poden ser sintetitzats en els teixits animals en quantitats suficients per cobrir les necessitats metabòliques d’aquests, per la qual cosa se’ls dóna nom d’aminoàcid essencials o indispensables.

Els aminoàcids que un organisme no pot sintetitzar i, per tant, han de ser subministrats amb la dieta es denominen aminoàcids essencials; i aquests que l’organisme sí pot sintetitzar s’anomenen aminoàcids no essencials. Per a l’espècie humana són essencials vuit aminoàcids: treonina, metionina, lisina, valina, triptòfan, leucina, isoleucina i fenilalanina. A més, pot afegir-se la histidina com a essencial durant el creixement, però no per l’adult.

Els aminoàcids presenten isomeria

Tots els aminoàcids, menys un, anomenat glicina, presenten el carboni alfa asimètric, ja que està enllaçat a quatre radicals diferents: un grup amino, un grup carboxil, un radical R i un hidrogen.

La presencia de carbonis asimètrics deytermina l’existència d’isòmers òptics.

Un aminoàcid té una configuració D si, quan es disposa en l’espai de manera que el grup carboxil quedi a dalt, el grup NH₂ queda situat a la dreta, mentre que, si es troba a l’esquerra, té una configuració L.

A causa d’això, els aminoàcids presenten activitat òptica, és a dir, són capaços de desviar el pla de llum polaritzada que travessa una dissolució d’aminoàcids. Si un aminoàcid desvia el pla de llum polaritzada cap a la dreta, s’anomena dextrogir (+), i si ho fa cap a l’esquerra, levogir (-). La disposició L o D és independent de l’activitat òptica. Per això, un L-aminoàcid pot ser levogir o dextrogir, i passa el mateix amb la configuració D.

En la natura, la forma L és la més abundant. Només els aminoàcids L formen proteïnes. Els aminoàcids D són rars (apareixen només en alguns bacteris)

Vull tornar a l’índex del tema

L’enllaç peptídic

Els aminoàcids s’uneixen entre ells per formar polímers  a través de l’enllaç peptític.

És un enllaç covalent que s’estableix entre el -OH del grup carboxil d’un aminoàcid i el H del grup amino del següent aminoàcid, amb despreniment d’una molècula d’aigua.

L’enllaç peptídic té un comportament similar al d’un enllaç doble, és a dir, presenta una certa rigidesa que immobilitza en un pla els àtoms que el formen i no poden girar lliurement. L’enllaç peptídic és, per tant, un enllaç pla i rígid i imposa una sèrie de restriccions que afectaran la conformació que adoptarà cada proteïna.

3. L’estructura de les proteïnes

L’organització d’una proteïna ve definida per quatre nivells estructurals de caràcter jerarquitzat denominats: estructura primària, estructura secundària, estructura terciària i, en alguns casos, estructura quaternària. Cadascuna d’aquestes estructures informa de la disposició de l’anterior en l’espai.

L’estructura tridimensional d’una proteïna determina la seva funcionalitat.

L’estructura primària

L’estructura primària la determina la seqüència d’aminoàcids de la proteïna. Informa dels aminoàcids que la constitueixen i de l’ordre en què s’han unit.

Totes les proteïnes tenen un primer aminoàcid i un últim aminoàcid:

• El primer es reconeix perquè té el grup amino lliure (NH₂), l’anomenat extrem N-inicial de la proteïna.
• L’últim es reconeix perquè té el grup carboxil lliure (COOH), l’anomenat extrem C-terminal.

La seqüència d’una proteïna s’expressa enumerant els aminoàcids des de l’extrem N-inicial fins a l’extrem C-terminal.

L’estructura secundària

L’estructura secundària de les proteïnes és el plegament local entre aminoàcids propers. És degut a la capacitat de rotació dels enllaços que formen el carboni ?, i als radicals dels aminoàcids, que fan que el polipèptid adquireixi una disposició espacial estable, l’estructura secundària. Aquest tipus d’estructura de les proteïnes s’adopta gràcies a la formació d’enllaços d’hidrogen entre els grups carbonil (-COOH-) i amino (-NH-) dels carbonis involucrats en els enllaços peptídics d’aminoàcids propers a la cadena. Aquests replegament fan que el polipèptid adquireixi una disposició espacial estable, l’estructura secundària.  
L’estructura secundària de la cadena polipeptídica depèn dels aminoàcids que la formen.

Se’n coneixen tres tipus d’estructura secundària:

L’estructura secundària és la que dona a la molècula una disposició espacial estable. Existeixen dos tipus d’estructura secundària:

• 
  L’hèlix alfa. Es forma quan l’estructura primària s’enrotlla helicoïdalment sobre si mateixa. Això és degut a la formació d’enllaços d’hidrogen entre l’oxigen del CO- d’un
  aminoàcid i l’hidrogen del -NH del quart aminoàcid que el segueix.

• La conformació beta o làmina beta. En la conformació els aminoàcids no formen una hèlix, sinó una cadena estesa en forma de zig-zag, a causa de la manca d’enllaços d’hidrogen entre els aminoàcids pròxims. Si la cadena amb conformació es replega, es poden establir enllaços d’hidrogen entre els segments, abans distants, que ara han quedat propers. Això dóna lloc a una làmina en ziga-zaga, molt estable, anomenada làmina plegada.

• A més de l’alfa-hèlix i de la làmina plegada, hi ha altres tipus d’estructures secundàries, com la triple hèlix del col·lagen. És l’estructura secundària que presenta el col·lagen, que forma part dels tendons i els teixits connectius; és una estructura particularment rígida.
  El col·lagen posseeix una disposició en hèlix especial, una mica més allargada que l’?-hèlix, a causa de l’abundància de glicina, prolina i hidroxiprolina. Aquests aminoàcids tenen una estructura que dificulta molt la formació d’enllaços d’hidrogen, per la qual cosa no es forma una hèlix alfa sinó una hèlix levògira una mica més estirada que l’alfa-hèlix, tenint únicament tres aminoàcids per volta.

L’estructura terciària

L’estructura terciària ens informa de la forma que adopta en l’espai tridimensional una proteïna. Depèn de l’estructura dels nivells d’organització inferiors. L’estructura terciària indica, en l’espai tridimensional, com les estructures secundàries: hèlixs, làmines, corbes, voltes i nanses, s’acoblen per formar dominis i com aquests dominis es relacionen entre si en l’espai.

Les proteïnes poden presentar dues formes bàsiques d’estructura terciària:

• Globulars:  quan es plega l’estructura secundària i dóna lloc a estructures amb forma d’esfera. La conformació globular facilita la solubilitat en aigua, així que proteïnes globulars solen ser solubles en aigua i presenten funcions enzimàtiques, de transport o hormonals.

• Fibroses o filamentoses: l’estructura secundària no es plega, de manera que aquestes estructures presenten formes allargades. Les proteïnes filamentoses són insolubles en aigua i dissolucions salines i solen tenir funció estructural, com la queratina, el col·lagen o l’elastina.

L’estructura terciaria es manté gràcies als enllaços que es produeixen entre els radicals -R dels diferents aminoàcids, situats en posicions molt allunyades de la cadena peptídica.

• Enllaços covalents: els més importants els ponts disulfur, enllaços covalents entre dos grups tiol (-SH), corresponents a dues cisteïnes.
• Interaccions no covalents: entre aquests s’inclouen
  • Enllaços per pont d’hidrogen entre grups polars no iònics en què hi ha càrregues parcials en la seva cadena lateral.
  • Interaccions iòniques (pots salins), enllaços iònics entre grups R d’aminoàcids àcids (amb càrrega negativa, -COO^–) i aminoàcids bàsics (amb càrrega positiva, -NH₃⁺).
  • Interaccions hidrofòbiques: que es donen entre aminoàcids amb cadenes laterals apolars. En medi aquós, aquestes parts “fugen” de l’aigua i s’agrupen al nucli de la proteïna. Això ajuda a plegar la proteïna cap a dins i estabilitzar la seva forma.
  • Forces de Van der Waals, que són interaccions febles entre radicals alifàtics de les cadenes laterals d’aminoàcids apolars.    

L’estructura terciària d’una proteïna és la responsable directa de les seves propietats biològiques, ja que la disposició espacial dels diferents grups funcionals determina la seva interacció amb els diversos lligands.

Per a les proteïnes que consten d’una sola cadena polipeptídica (no tenen estructura quaternària), l’estructura terciària és la màxima informació estructural que es pot obtenir.

L’estructura quaternària

L’estructura quaternària és la que presenten les proteïnes constituïdes per dues o més cadenes polipeptídiques amb estructura terciària, idèntiques o no, unides per mitjà d’enllaços febles (no covalents).

Cadascuna d’aquestes cadenes polipeptídiques rep el nom de protòmer. El nombre de protòmers que trobem en les proteïnes amb estructura quaternària és variable: hi ha proteïnes amb dos protòmers, com és el cas de l’hexoquinasa, altres com l’hemoglobina presenten quatre protòmers, la RNA-polimerasa en té cinc… però podem trobar complexos proteïcs molts més grans com la càpside del virus de la poliomielitis, que consta de 60 subunitats proteiques.

Vull tornar a l’índex del tema

4. Propietats i funcions de les proteïnes

Les propietats de les proteïnes depenen sobretot dels seus radicals R. Els radicals posseeixen la capacitat d’unir-se a altres molècules i de reaccionar amb elles.

Les principals propietats de les proteïnes són la solubilitat, la desnaturalització, l’especificitat i la capacitat amortidora.

Solubilitat

La solubilitat és la capacitat d’una proteïna de dissoldre’s en aigua. La solubilitat depén sobretot de: els radicals R dels aminoàcids, la distribució de càrregues a la superfície de la proteïna, el pH i la concentració de sals.

• Les proteïnes amb radicals polars o carregats solen ser solubles en aigua.
• Les proteïnes amb molts radicals hidrofòbics solen ser insolubles.

En general, les proteïnes fibroses (col·lagen, queratina) són insolubles en aigua, mentre que les globulars (enzims, hemoglobina, albúmina) són hidrosolubles.

La solubilitat de les proteïnes és deguda a una proporció més alta d’aminoàcids amb radicals polars (sobretot si tenen càrrega) que d’aminoàcids amb radicals apolars. Els radicals polars estableixen enllaços d’hidrogen amb les molècules d’aigua i, així, cada molècula queda recoberta d’una capa de molècules d’aigua que impedeix que es pugui unir a altres molècules proteiques, fet que en provocaria la precipitació.

Aquesta propietat és la que fa possible la hidratació dels teixits dels éssers vius.

Vull tornar a l’índex del tema

Desnaturalització

La desnaturalització és la pèrdua de la conformació tridimensional d’una proteïna, és a dir: consisteix en la pèrdua de l’estructura terciària i, generalment, també de la secundària i quaternària per trencar-se els ponts que formen aquesta estructura. es manté l’estructura primària i la proteïna perd la seua funció.

Quan una proteïna es desnaturalitza es fa insoluble en aigua i precipita.

Aquesta destrucció pot ser produïda per canvis de pH, variacions de temperatura, alteracions en la concentració salina del medi o per simple agitació molecular.

Quan una proteïna es desnaturalitza, generalment adopta una conformació filamentosa i precipita. La desnaturalització no afecta els enllaços peptídics, però sí que es veuen afectats els ponts disulfur, els ponts d’hidrogen i les interaccions febles.

La desnaturalització comporta una pèrdua de la funció biològica. En perdre la seva forma tridimensional, la proteïna deixa de poder interactuar amb els substrats.

Són exemples de desnaturalització la llet tallada, a causa de la desnaturalització de
la caseïna per canvis en el pH; la precipitació de l’ovoalbúmina de l’ou, a causa de la desnaturalització d’aquesta per efecte de la calor, i la «permanent» o fixació d’un pentinat per efecte de l’escalfor o canvi del pH sobre les queratines dels cabells.

En algunes poques ocasions, la desnaturalització és reversible: algunes proteïnes poden patir una renaturalització i tornar a recuperar l’estructura i la funció.

Especificitat

L’especificitat és la capacitat d’una proteïna de realitzar una funció concreta i reconéixer una molècula específica

Les proteïnes que han d’interactuar amb altres molècules presenten una estructura tridimensional concreta i una seqüència d’aminoàcids única, que els permeten diferenciar unes molècules d’unes altres de semblants.

D’aquesta manera, poden efectuar un control fisiològic molt precís. Exemples d’aquests tipus són les que actuen com a reguladores de reaccions químiques (proteïnes enzimàtiques), les hormones peptídiques com la insulina, i els anticossos o immunoglobulines.

La funció d’una proteïna ve determinada per la estructura primària, que al seu torn, determina els nivells estructurals superiors.

Per ex. en alguns individus, l’hemoglobina té una valina en lloc d’un àcid glutàmic en la posició 6 d’una cadena de 146 aminoàcids. El grup R de la valina és molt diferent al de l’àcid glutàmic. El canvi provoca alteracions greus en l’hemoglobina i en els glòbuls rojos que la contenen. Els glòbuls rojos adopten la forma de falç. Els individus que tenen aquesta hemoglobina pateixen anèmia falciforme, una malaltia greu de la sang.

En algunes proteïnes, alguns aminoàcids poden ser substituïts per altres mantenint aquesta la seva funció. Això ha fet que, durant el procés evolutiu, s’hagi donat lloc a una gran variabilitat de proteïnes, el que permet que cada espècie tingui les seves proteïnes específiques i que, fins i tot, apareguin diferències entre individus de la mateixa espècie. Les diferències entre proteïnes homòlogues, és a dir, amb la mateixa funció, són grans entre espècies allunyades evolutivament i escasses entre espècies emparentades.

Es distingeixen dos tipus d’especificitat:

• Especificitat de funció. Cada proteïna està especialitzada en una determinada funció. La seqüència d’aminoàcids condiciona l’ estructura terciària (o quaternària) de la proteïna, que és la responsable, en última instància, de la seva funció característica. Una petita variació en la seqüència d’aminoàcids pot provocar la pèrdua de funcionalitat de la proteïna.

En alguns individus, l’hemoglobina té una valina en lloc d’un àcid glutàmic en la posició 6 d’una cadena de 146 aminoàcids. La cadena lateral de la valina és molt diferent de la del glutamat. El canvi provoca alteracions en l’hemoglobina i en els glòbuls vermells que la contenen. Els glòbuls vermells adopten la forma de falç. Els individus que tenen aquesta hemoglobina pateixen anèmia falciforme, una malaltia greu de la sang.

• Especificitat d’espècie. Cada espècie té proteïnes exclusives, però les proteïnes que exerceixen la mateixa funció en diferents espècies solen tenir una composició i estructura similars. A aquestes proteïnes se’ls anomena proteïnes homòlogues, com la insulina, exclusiva de vertebrats, però la cadena A és idèntica a l’espècie humana, el porc, el gos, el conill i el catxalot.

Els grups funcionals de les cadenes laterals R dels aminoàcids defineixen una superfície activa o centre actiu, capaç d’interaccionar amb altres molècules; la resta de la cadena peptídica només és necessària per mantenir la forma precisa de la proteïna, per tal que el centre actiu es trobe en la posició correcta.

L’especificitat de la unió del centre actiu de les proteïnes amb altres molècules es basa en el plegament particular de cada proteïna (estructura terciària o quaternària) que, en darrer terme, depenen de la seqüència d’aminoàcids i aquesta és pròpia de cada espècie.

L’activitat biològica d’una proteïna es basa en la unió selectiva amb una altra molècula amb geometria complementària al centre actiu d’aquesta proteïna. Aquesta unió és altament específica i es pot establir entre:

• molècules idèntiques, com l’associació entre diferents subunitats proteiques per formar estructures fibroses, laminars, etc.
• molècules diferents, com la unió dels anticossos amb els antígens, l’hemoglobina amb l’oxigen, els enzims amb els seus substrats, els receptors de la membrana amb els seus corresponents missatgers (hormones, neurotransmissors, etc.).

Ampliació: els enzims i el centre actiu (si vols aprofundir en el funcionament de les proteïnes que fan funció enzimàtica, és a dir són enzims: molècules especialitzades en la catàlisi de les reaccions químiques que tenen lloc a la cèl·lula. Són molt eficaços com a catalitzadors ja que són capaços d’augmentar la velocitat de les reaccions químiques.

La capacitat amortidora

La capacitat amortidora és la capacitat de les proteïnes de regular el pH i oposar-se als canvis bruscos d’acidesa o basicitat.

Les proteïnes poden actuar com a tampó perquè contenen: grups àcids (–COOH), grups bàsics (–NH?) i radicals R ionitzables.

Aquests grups poden:

• cedir protons (H+) si el medi és molt àcid
• captar protons (H+) si el medi és molt bàsic

Les proteïnes dissoltes tendeixen a neutralitzar les variacions de pH del medi (dissolucions tampó o amortidores). Aquesta propietat de les proteïnes protegeix les cèl·lules de canvis de pH perillosos i manté condicions òptimes per al funcionament dels enzims. Tenim un exemple en les proteïnes del plasma sanguini que ajuden a mantenir el pH de la sang al voltant de 7,4.

Vull tornar a l’índex del tema

Totes aquestes propietats confereixen a les proteïnes la capacitat de realitzar una gran diversitat de funcions diferents de gran trascendència per a la vida. Les proteïnes són els actors principals dins la cèl·lula, executant les missions especificades per la informació codificada als gens.

En aquesta taula (extreta d’aquesta web) podeu trobar un resum de les principals funcions de les proteïnes:

 5. Classificació de les proteïnes

Podem classificar les proteïnes en dos grans grups:

– Holoproteïnes: aquelles de naturalesa totalment peptídica, donat que estan formades únicament per aminoàcids.

– Heteroproteïnes: Formades per una fracció proteica i per un grup no proteic anomenat grup prostètic.

HOLOPROTEÏNES

HETEROPROTEÏNES

6. La presentació de diapositives del tema