Proteínas: Clasificación, Propiedades y Funciones

Clasificación General de Proteínas

Las proteínas se clasifican en:

• Holoproteínas: Formadas únicamente por aminoácidos. Se subdividen en filamentosas (colágeno, queratina, elastina) y globulares (albúminas, globulinas, histonas, etc.).
• Heteroproteínas: Formadas por una parte proteica y un grupo prostético no proteico.

Propiedades de las Proteínas

Las proteínas presentan diversas propiedades fisicoquímicas esenciales para su función:

• Solubilidad: Depende de la proporción de radicales polares que forman puentes de hidrógeno con el agua. Cambios de pH modifican la ionización y, por ende, la solubilidad.
• Desnaturalización: Es la pérdida de la estructura cuaternaria, terciaria o secundaria (4ª/3ª/2ª) debido a cambios en el pH, temperatura (Tª), salinidad o agitación. Puede ocasionar precipitación y pérdida de función, aunque a veces es reversible (renaturalización).
• Especificidad: Viene dada por la estructura y disposición de los aminoácidos (aa).
• Capacidad Amortiguadora: Las proteínas son anfóteras y actúan como tampones, ayudando a mantener el pH celular y sanguíneo.

Funciones Biológicas de las Proteínas

Las proteínas cumplen una amplia gama de funciones vitales:

• Estructural
• Reserva
• Transporte
• Enzimática
• Contráctil
• Hormonal
• Defensiva
• Homeostática (mantienen pH, glucosa, etc.)

Heteroproteínas: Grupos Prostéticos Específicos

Las heteroproteínas se clasifican según la naturaleza de su grupo prostético:

1. Cromoproteínas: Poseen un grupo prostético con color. Puede ser porfirínico (como el grupo hemo con hierro, Fe) o no porfirínico (como la hemocianina con cobre, Cu).
2. Glucoproteínas: Su grupo prostético es glucídico. Cumplen funciones hormonales, defensivas y antigénicas, formando el glucocálix.
3. Lipoproteínas: Su grupo prostético es lipídico. Permiten transportar lípidos en la sangre.
4. Fosfoproteínas: Su grupo prostético es el ácido fosfórico. Ejemplos notables son la caseína de la leche y la vitelina del huevo.

Lipoproteínas: Transporte de Lípidos y Relevancia Clínica

Estructura y Composición de las Lipoproteínas

Las lipoproteínas son complejos de lípidos y proteínas que transportan grasas en el organismo. Son esféricas e hidrosolubles, con una estructura característica:

• Núcleo apolar: Compuesto por lípidos apolares (colesterol esterificado y triglicéridos).
• Capa polar externa: Formada por proteínas (apoproteínas), fosfolípidos y colesterol libre.

Clasificación de Lipoproteínas por Densidad

Se clasifican según su densidad, que está inversamente relacionada con su tamaño y contenido lipídico:

1. Quilomicrones: Son las más grandes. Transportan triglicéridos de la dieta desde el intestino a los tejidos periféricos.
2. VLDL (Lipoproteínas de Muy Baja Densidad): Precursoras de otras lipoproteínas, sintetizadas en el hígado, ricas en triglicéridos y ésteres de colesterol.
3. IDL (Lipoproteínas de Densidad Intermedia): Se forman a partir de VLDL al liberar triglicéridos; posteriormente se transforman en LDL.
4. LDL (Lipoproteínas de Baja Densidad): Llevan colesterol del hígado a los tejidos periféricos. Contienen la apoproteína B100. Un nivel alto de LDL puede depositarse en las arterias y formar placa de ateroma.
5. HDL (Lipoproteínas de Alta Densidad): Son pequeñas y densas, con un alto porcentaje de apoproteínas. Transportan colesterol de los tejidos al hígado para su degradación y eliminación (proceso conocido como transporte inverso de colesterol).

Dieta, Lipoproteínas y Riesgo Cardiovascular

La composición de la dieta influye significativamente en los niveles de lipoproteínas y el riesgo cardiovascular:

• Las grasas saturadas aumentan el colesterol total y los niveles de LDL, elevando el riesgo de enfermedades del corazón.
• Las grasas insaturadas reducen el colesterol total y aumentan los niveles de HDL, disminuyendo dicho riesgo.

Recapitulación de Lipoproteínas

Las lipoproteínas son complejos esféricos que transportan lípidos: poseen un núcleo apolar (triglicéridos y ésteres de colesterol) cubierto por una capa polar de apoproteínas, fosfolípidos y colesterol libre. Su clasificación por densidad incluye: quilomicrones (transportan triglicéridos dietéticos), VLDL (sintetizadas en hígado, precursoras), IDL (derivan de VLDL), LDL (transportan colesterol a tejidos, contienen ApoB100) y HDL (recogen colesterol de tejidos y lo llevan al hígado). Las dietas ricas en grasas saturadas aumentan el LDL y el riesgo cardiovascular; las insaturadas reducen el colesterol y aumentan el HDL.

Ácidos Nucleicos: Fundamentos Bioquímicos

Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de monómeros llamados nucleótidos. Su nombre se debe a su carácter ácido y a que fueron descubiertos originalmente en el núcleo celular.

Estructura de los Nucleósidos

Los nucleósidos se forman por la unión de una pentosa (ribosa o desoxirribosa) con una base nitrogenada mediante un enlace N-glucosídico. Este enlace se establece entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 de la base si esta es pirimidínica, o el nitrógeno 9 si la base es púrica.

Estructura de los Nucleótidos

Los nucleótidos se forman al unirse un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico (fosfato) mediante un enlace fosfoéster. Este enlace se establece entre el carbono 5 de la pentosa y el fosfato. Los nucleótidos tienen carácter ácido debido a la ionización del grupo fosfato.

Nomenclatura de Nucleósidos y Nucleótidos

Los nucleósidos se nombran con el sufijo –osina para bases púricas y –idina para bases pirimidínicas. Si el azúcar es desoxirribosa, se añade el prefijo desoxi-. Los nucleótidos se nombran añadiendo al nombre del nucleósido la posición del fosfato y los prefijos mono-, di- o tri-, según el número de fosfatos.

Unión de los Nucleótidos: Enlace Fosfodiéster

Varios nucleótidos se unen formando cadenas mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace se establece entre el grupo hidroxilo (OH) del carbono 3’ del nucleótido anterior y el fosfato del carbono 5’ del nucleótido siguiente. Estas cadenas tienen una direccionalidad definida:

• Un extremo 5’ con fosfato libre.
• Un extremo 3’ con radical hidroxilo libre.

Esta direccionalidad es crucial, ya que las enzimas solo pueden añadir nucleótidos al extremo 3’.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN/DNA)

Definición y Composición

El ADN es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas esenciales para el desarrollo y funcionamiento de todos los seres vivos y algunos virus. Es el responsable de la transmisión hereditaria. Químicamente, es un polímero de desoxinucleótidos de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Su tamaño molecular es muy grande; por ejemplo, las 23 moléculas de ADN de las células reproductoras humanas suman 3200 millones de pares de bases.

Tipos de ADN

El ADN varía en su estructura y asociación proteica según el organismo y la localización celular:

• ADN Nuclear (Eucariotas): Es lineal y está asociado a histonas y proteínas no histónicas, formando la fibra de cromatina.
• ADN de Orgánulos (Mitocondrias y Cloroplastos): Es circular y semejante al ADN bacteriano.
• ADN Procariota: Es circular y se asocia a proteínas (diferentes de las histonas eucariotas) formando el nucleoide.
• ADN de Arqueobacterias: Puede ser circular o lineal, bicatenario o monocatenario, y puede llevar proteínas asociadas.

Estructura del ADN

Al igual que las proteínas, la estructura del ADN se estudia en tres niveles jerárquicos:

Estructura Primaria

La estructura primaria es la secuencia lineal de nucleótidos de una hebra de ADN. Esta cadena presenta un esqueleto de fosfato-desoxirribosa del que sobresalen las bases nitrogenadas, y tiene un extremo 5’ fosfato y un extremo 3’ OH. Con solo cuatro tipos de nucleótidos se pueden formar infinidad de secuencias capaces de almacenar toda la información biológica. Los porcentajes de A, T, G y C son muy similares dentro de una misma especie, lo que refleja su similitud genética (Reglas de Chargaff).

Estructura Secundaria: La Doble Hélice de Watson y Crick

La estructura secundaria es la disposición espacial de las dos hebras que forman la doble hélice. Watson y Crick propusieron este modelo gracias a los datos químicos de Chargaff y a las imágenes de difracción de rayos X obtenidas por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins. Las características clave son:

• Complementariedad de Bases: Se cumple que A = T y G = C. La adenina (A) se une a la timina (T) con dos puentes de hidrógeno, y la guanina (G) se une a la citosina (C) con tres puentes de hidrógeno.
• Geometría: El ADN tiene 20 Å de diámetro, 34 Å por vuelta de hélice y 3,4 Å entre pares de bases (10 pares por vuelta).
• Antiparalelismo y Giro: Las dos cadenas son antiparalelas y complementarias, con un giro dextrógiro (a la derecha).
• Disposición: Las bases quedan hacia el interior y los grupos fosfato hacia el exterior, lo que explica el carácter ácido del ADN.
• Estabilidad: Proviene de los puentes de hidrógeno y de las fuerzas de Van der Waals. Con altas temperaturas, las hebras se separan (desnaturalización) y al bajar la temperatura vuelven a unirse (renaturalización).

Estructura Terciaria: Superenrollamiento y Empaquetamiento

La estructura terciaria describe el superenrollamiento y el empaquetamiento del ADN para reducir su longitud y facilitar su manejo celular.

• ADN Circular (Bacterias y Mitocondrias): La doble hélice se superenrolla sobre sí misma para reducir su longitud y facilitar la duplicación.
• ADN Lineal Nuclear (Eucariotas): El superenrollamiento se logra mediante la asociación con histonas (o protaminas en espermatozoides) en varios niveles:

1. Fibra de Cromatina de 100 Å: Formada por nucleosomas. Un nucleosoma consiste en un octámero de histonas alrededor del cual se enrollan unos 200 pares de bases. La histona H1 compacta la entrada y salida del ADN.
2. Fibra de 300 Å (Solenoide): Es el siguiente nivel de compactación, un solenoide con 6 nucleosomas por vuelta, que acorta la longitud unas cinco veces.
3. Dominios en Bucle: Se forman fragmentos de 20 000 a 70 000 pares de bases anclados a un andamio proteico que incluye proteínas como las topoisomerasas.
4. Niveles Superiores: Organizan estos bucles en estructuras más compactas, como rosetas y rodillos, reduciendo la longitud total del ADN hasta casi diez mil veces para formar los cromosomas metafásicos.

Ácido Ribonucleico (ARN/RNA)

Características Generales y Funciones

El ARN se encuentra en procariotas y eucariotas (donde suele haber entre 5 a 10 veces más ARN que ADN) y en muchos virus como material genético (retrovirus). Químicamente es un polímero de ribonucleótidos (A, G, C, U) unidos en dirección 5’–3’. Puede ser bicatenario, pero la mayoría de las formas funcionales son monocatenarias. Existen ARN con actividad catalítica (ribozimas) y varios tipos encargados de transmitir la información del ADN y dirigir la síntesis proteica.

Funciones Principales del ARN

• Transmisión de Información Genética: La transcripción produce el ARN mensajero (ARNm).
• Maduración del ARNm: El ARN pequeño nuclear (ARNpn) elimina intrones y forma el ARNm maduro.
• Traducción: El ARNm, el ARN ribosómico (ARNr) y el ARN transferente (ARNt) trabajan conjuntamente para convertir codones en aminoácidos.
• Almacenamiento Genético: En algunos virus (como los retrovirus).

Tipos de ARN

ARN Mensajero (ARNm)

Actúa como intermediario entre el ADN y la síntesis de proteínas.

• ARNm Eucariota: Se forma como transcrito primario (ARNhn) que debe madurar: elimina intrones y se modifica con una caperuza 5’ (GTP metilada) y una cola poli-A (150–200 adeninas en el extremo 3’). Es monocistrónico (codifica para una sola proteína).
• ARNm Procariota: No tiene intrones ni requiere maduración compleja; carece de caperuza y cola poli-A. Puede ser mono o policistrónico (codifica para varias proteínas).

ARN Transferente (ARNt)

Molécula pequeña (70–90 nucleótidos) con una masa aproximada de 25 kDa. Existen cerca de 50 tipos distintos. Presenta regiones de doble hélice y bucles, y contiene bases modificadas. Su estructura tridimensional es en forma de L. Posee guanina en el extremo 5’ y el triplete CCA en el extremo 3’ (donde se une el aminoácido). Tiene tres brazos; el brazo anticodón contiene el anticodón complementario al codón del ARNm, asegurando que se aporte el aminoácido correcto durante la traducción.

ARN Ribosómico (ARNr)

Forma, junto con proteínas, las subunidades ribosómicas, que son la maquinaria de la síntesis proteica. Presenta segmentos monocatenarios y de doble hélice. Se distinguen por su coeficiente de Svedberg (S):

• Procariotas: Ribosomas 70S.
• Eucariotas: Ribosomas 80S (compuestos por ARNr 28S, 18S, 5,8S y 5S).

ARN Nucleolar (ARNn)

Se sintetiza en el nucléolo a partir de la región organizadora nucleolar del ADN. Genera un precursor 45S que se une a proteínas y se procesa para dar lugar a los distintos ARNr que formarán las subunidades ribosómicas (subunidad 60S y 40S en eucariotas).

Otros Tipos de ARN Reguladores

• ARN Pequeño Nuclear (ARNpn): Se encuentra en el núcleo eucariota, asociado a proteínas. Su función principal es eliminar los intrones durante la maduración del ARNm.
• ARN de Interferencia (ARNi): Es bicatenario, de 20–25 nucleótidos. Reconoce ARNm específicos y los degrada o bloquea, regulando así la síntesis proteica (silenciamiento génico).

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