Descripción General de las Funciones de las Proteínas

Descripción General

Las proteínas son 1 de los 3 principales macronutrientes utilizados en el cuerpo. Las proteínas están compuestas de aminoácidos y tienen una amplia gama de funciones en el cuerpo, que incluyen:

• Función estructural:
  • Manteniendo la forma y la integridad física
  • E.g., colágeno, queratina, elastina
• Movimiento:
  • Moviendo substancias dentro de las células (e.g., quinesina que se mueve a lo largo de los microtúbulos)
  • Contracción muscular (e.g., miosina moviéndose a lo largo de los filamentos de actina)
• Catálisis (i.e., enzimas); algunos ejemplos incluyen:
  • Enzimas digestivas
  • Enzimas que catalizan procesos metabólicos y catabólicos (e.g., ciclo de Krebs)
  • Cascada de la coagulación
• Proteínas reguladoras y de señalización, que incluyen:
  • Receptores
  • Hormonas
  • Moléculas de señalización intracelular (e.g., quinasas)
  • Factores de transcripción
• Moléculas de transporte y almacenamiento (e.g., albúmina, ferritina, apolipoproteínas, canales de membrana)
• Función inmunológica: anticuerpos

Proteínas Estructurales

Las proteínas estructurales son importantes para mantener la forma celular y la integridad física.

• Suelen tener estructuras simples:
  • A menudo, solo son estructuras primarias y secundarias (carecen de una estructura terciaria y cuaternaria más compleja)
  • A menudo tienen aminoácidos que se repiten constantemente
  • Suelen tener mucha glicina
  • Forman largos filamentos
• Proteínas estructurales fibrosas importantes:
  • Colágeno: cartílago, tejido conectivo
  • Queratinas: pelo, uñas
  • Elastina y fibrilina: tejido conectivo
• Proteínas estructurales globulares importantes (que se unen para formar filamentos largos):
  • Actina: muchas funciones estructurales y contráctiles
    • Contracción muscular
    • Forma parte del citoesqueleto
    • Motilidad y división celular
    • Movimiento de vesículas y organelos dentro de la célula
  • Tubulina: forma microtúbulos

Proteínas Involucradas en el Movimiento

• Quinesina y dineína:
  • Utilizan energía ATP para transportar elementos y conducirlos a lo largo de los microtúbulos
  • Mueven sustancias dentro de la célula
  • La quinesina se mueve en una dirección por los microtúbulos; la dineína se mueve hacia el otro lado
• Miosina:
  • Utiliza energía ATP para moverse por los filamentos de actina a través de un proceso conocido como ciclo de puente cruzado
  • Provoca contracción muscular

Proteínas Reguladoras, de Señalización y de Comunicación

Funciones

Estas proteínas son responsables de:

• Transmitir mensajes entre y dentro de las células
• Responder al entorno
• Coordinar las respuestas entre células y sistemas orgánicos

Tipos de proteínas señalizadoras y reguladoras

• Receptores unidos a membrana:
  • Integrados en la membrana celular
  • Muchos se conocen como 7TM: tienen 7 dominios enrollados transmembranalmente
  • Responden a una señal externa (e.g., hormona) → inducen un cambio conformacional → inician un 2do mensajero dentro de la célula
• Receptores intracelulares:
  • Proteínas dentro de una célula que se unen y responden a una señal externa (e.g., hormona)
  • Se observan con las hormonas lipofílicas derivadas del colesterol (e.g., receptor de estrógeno)
• Hormonas peptídicas:
  • Viajan dentro de la sangre desde un lugar a sus células diana
  • Pueden unirse a receptores en la membrana o dentro de la célula
  • Desencadenan una respuesta dentro de la célula
  • E.g., insulina, oxitocina, muchas otras
• Neurotransmisores:
  • Derivados de los aminoácidos que comunican señales nerviosas
  • E.g., norepinefrina, dopamina
• Proteínas de transducción de señales:
  • Proteínas dentro de una célula que transmiten la señal a lo largo del organismo
  • Mecanismos primarios:
    • Crean o liberan segundos mensajeros (e.g., adenosín monofosfato cíclico (AMPc, por sus siglas en inglés), trifosfato de inositol (IP₃, por sus siglas en inglés), Ca²⁺)
    • Cascadas de fosforilación: una molécula fosforila a la siguiente, activando esa molécula para que pueda fosforilar otra molécula y así sucesivamente.
  • Ejemplos:
    • Proteínas G: frecuentemente acopladas a receptores de membrana
    • Quinasas: fosforiladoras → implicadas en cascadas de fosforilación
• Factores de transcripción:
  • Controlan los genes que se deben transcribir (i.e., controlan la expresión génica)
  • Algunas de estas proteínas son capaces de unirse a secuencias de ácido desoxirribonucleico (ADN) específicas (conocidas como secuencias potenciadoras o represoras).
  • Los factores de transcripción pueden:
    • Ser necesarios para que se produzca la transcripción
    • Impedir que se produzca la transcripción
  • Una señal entrante a menudo afecta a los factores de transcripción:
    • Permiten que la célula responda, por ejemplo, aumentando o disminuyendo un producto proteico en particular
    • Ese producto proteico puede, a su vez, ser otro factor de transcripción, que controla la expresión de un gen diferente.

Proteínas Catalíticas (i.e., Enzimas)

Enzimas

• Una clase de proteínas capaces de catalizar reacciones
• Se unen a sustratos en su sitio de unión y provocan algún tipo de reacción (e.g., hidrólisis)
• Los sitios de unión son altamente específicos para un antígeno en particular
• Pueden acelerar la velocidad de una reacción más de un cuatrillón de veces
• Participan en una amplia variedad de funciones biológicas, que incluyen:
  • Metabolismo
  • Respiración celular
  • Crecimiento y desarrollo
  • Digestión
  • Coagulación

Modelos para entender la función enzimática

Existen 2 modelos principales que ayudan a explicar cómo funcionan las enzimas:

• Modelo de cerradura y llave de Fischer (modelo antiguo):
  • Postula que el sustrato encaja en el sitio de unión de la enzima como una llave que encaja en una cerradura
  • Describe la especificidad del antígeno/sustrato a la enzima, pero no cómo funciona la catalización real
• Modelo del ajuste inducido de Koshland (modelo más nuevo):
  • Postula que el sitio de unión de la enzima está cerca de encajar, pero no perfectamente, con el sustrato
  • Esto significa que cuando el sustrato se une, existe un ligero cambio conformacional en la enzima → la tensión se almacena como energía potencial
  • Esta tensión/energía luego actúa sobre el sustrato, provocando que ocurra la reacción.

Proteínas de Transporte y Almacenamiento

Otra función importante de las proteínas es transportar y/o almacenar biomoléculas, incluidas sustancias como oxígeno, vitaminas y minerales, hormonas y más.

Proteínas circulantes

Las proteínas circulantes transportan sustancias a través de la sangre y/o los espacios intersticiales; Ejemplos incluyen:

• Hemo y mioglobina:
  • Las propiedades del grupo hemo lo convierten en una excelente molécula de transporte de O_2:
    • La afinidad por él O₂ varía según la concentración de O₂ circundante
    • Se une fácilmente al O₂ cuando la concentración de O₂ es alta → se une fácilmente al O₂ en los pulmones durante la inhalación
    • Libera fácilmente O₂ cuando las concentraciones de O₂ son bajas → libera fácilmente O₂ en los tejidos
  • Las propiedades de la mioglobina la convierten en una excelente molécula de almacenamiento de O₂:
    • La afinidad por él O₂ es alta, incluso a bajas concentraciones de O₂
    • Se une fácilmente al O₂, independientemente de la concentración de O₂ circundante
    • Altamente concentrada en los músculos, donde él O₂ se almacena hasta que se necesita durante el ejercicio
• Albúmina:
  • Se une a muchas otras sustancias (e.g., hormonas, medicamentos) y las transporta por todo el cuerpo
  • También es el principal modulador de la presión oncótica del plasma
• Ferritina: una proteína de unión al hierro que sirve como la principal forma de almacenamiento de hierro en el cuerpo (un reservorio de hierro)

Proteínas Unidas a la Membrana

Las proteínas unidas a la membrana mueven sustancias a través de la membrana celular. Ejemplos incluyen:

• Canales:
  • Permiten que una molécula en particular viaje a través de la membrana
  • Ejemplos:
    • Canales epiteliales de sodio: canales que reabsorben Na⁺ en los túbulos contorneados distales de los riñones (sitio de acción de la amilorida, un diurético ahorrador de K⁺)
    • Canales de aminoácidos
• Simportadores (i.e., cotransportadores):
  • Transportan 2 moléculas en la misma dirección
  • E.g., cotransportador Na-K-2Cl: una proteína transmembrana que mueve 1 Na⁺, 1 K⁺ y 2 Cl^– hacia las células tubulares renales en el asa de Henle (sitio de acción de los diuréticos del asa)
• Antiportadores (i.e., intercambiadores):
  • Transportan 2 moléculas en direcciones opuestas
  • E.g., HCO₃^–Cl^– intercambiador involucrado en la reabsorción y excreción de Cl^– y HCO₃^–
• ATPasa/bombas:
  • Canales que requieren de energía ATP para mover sustancias a través de ellos (generalmente moviendo una sustancia contra su gradiente electroquímico)
  • E.g., Na⁺/K⁺-ATPasa:
    • Una bomba transmembrana de importancia crítica
    • Mueve 3 Na⁺ fuera de la célula y 2 K⁺ dentro de la célula (ambos iones se mueven en contra de sus gradientes de concentración)
    • Requiere de energía ATP
    • Establece un gradiente electroquímico que se utiliza en múltiples procesos (e.g., transmisión nerviosa, absorción de nutrientes)

Anticuerpos

Descripción General

• Glucoproteínas globulares producidas por el sistema inmunitario adaptativo
• Reconocen y se unen a moléculas específicas (llamadas antígenos)
• Funciones:
  • Neutralizan las toxinas y los patógenos uniéndose y “cubriendo” los sitios de unión
  • Activan el sistema del complemento
  • Opsonización (recubrimiento de patógenos que mejoran la fagocitosis)
• Presentes en 2 formas:
  • Solubles: secretados en la sangre
  • Unidos a la membrana

Estructura

• Constan de 4 cadenas polipeptídicas:
  • 2 cadenas pesadas: forman una forma de Y unidas por enlaces disulfuro
  • 2 uniones ligeras: unidas a las cadenas pesadas a lo largo de los brazos superiores de la Y por enlaces disulfuro
• 2 regiones primarias:
  • Regiones variables:
    • Localizadas en las puntas de las cadenas ligeras y pesadas
    • Responsables de identificar antígenos
    • Pueden producir una variedad increíblemente amplia de regiones variables debido a la mezcla de ADN
  • Regiones constantes: regiones que son relativamente consistentes en estructura entre los anticuerpos dentro de la misma clase

Funciones de las diferentes clases de inmunoglobulinas (Ig)

Existen 5 clases diferentes de inmunoglobulinas:

• IgM:
  • Anticuerpo principal en la respuesta inmune primaria
  • Facilita la activación de las células B al unirse a las células T colaboradoras
  • Fija el complemento, lo que conduce a la lisis de los microorganismos
  • Puede aglutinar patógenos, facilitando así la eliminación de patógenos
  • La forma de monómero sirve como receptor de células B en células B vírgenes.
• IgG:
  • Anticuerpo principal en la respuesta inmune secundaria
  • Fija el complemento
  • Mejora la fagocitosis
• IgA:
  • Principal Ig en las secreciones: lágrimas, saliva, calostro, moco
  • Puede ser transportada a través de la mucosa
  • Previene la colonización bacteriana de las superficies mucosas
• IgE:
  • La unión del alérgeno a la IgE desencadena la liberación de mediadores inflamatorios de los mastocitos y basófilos (respuesta alérgica)
  • Importante en la eliminación de parásitos: los eosinófilos se unen a los helmintos recubiertos de IgE → matan al parásito
• IgD: Junto con la IgM, constituye el receptor de células B de las células B vírgenes

Relevancia Clínica

Un sinnúmero de trastornos clínicos son causados por anormalidades o deficiencias de proteínas y/o metabolismo proteico anormal. A continuación se enumeran algunos ejemplos.

Anomalías/deficiencias enzimáticas

• Estados de hipercoagulación o hipocoagulación: las deficiencias o mutaciones de las enzimas involucradas en la cascada de la coagulación pueden resultar en estados de hipercoagulabilidad o hipocoagulabilidad.
  • Hemofilias: deficiencias de factor VIII (hemofilia A), factor IX (hemofilia B) o factor XI (hemofilia C), todas las cuales son enzimas importantes necesarias para formar coágulos. Las hemofilias dan como resultado un estado de hipocoagulabilidad y se presentan con sangrado anormal.
  • Factor V Leiden: mutación puntual que resulta en resistencia a la degradación del factor Va por la proteína C → ↑ factor Va → ↑ formación de coágulos
• Fenilcetonuria: trastorno metabólico causado por mutaciones en el gen de la fenilalanina hidroxilasa que codifica la enzima PAH, que convierte la fenilalanina en tirosina. Esta conversión conduce a una acumulación de fenilalanina, que causa daño en los tractos de la sustancia blanca y mielina a través de mecanismos desconocidos, lo que lleva a déficits neurológicos. En la mayoría de los casos, los niveles de tirosina son normales o ligeramente bajos.
• Enfermedades de almacenamiento lisosomal: mutaciones genéticas de las enzimas lisosomales, lo que lleva a un metabolismo disfuncional y a la acumulación de glucosaminoglicanos, glucoproteínas o glucolípidos. Los ejemplos de enfermedades de almacenamiento lisosomal incluyen la enfermedad de Gaucher, enfermedad de Tay-Sachs y mucopolisacaridosis.
• Enfermedades por almacenamiento de glucógeno: trastornos caracterizados por una descomposición anormal del glucógeno debido a defectos genéticos de una de las enzimas clave involucradas en el proceso. La deficiencia de estas enzimas puede causar hipoglucemia y/o depósito anormal de glucógeno en los tejidos. Las enfermedades por almacenamiento de glucógeno más comunes incluyen las enfermedades de von Gierke, Pompe, Cori y McArdle.

Proteínas Estructurales Anormales

• Escorbuto: una deficiencia dietética de vitamina C resulta en la síntesis anormal de colágeno. La vitamina C es necesaria para la hidroxilación de la prolina en las fibras de colágeno. La hidroxiprolina permite la formación de muchos enlaces de hidrógeno, uniendo las fibras de colágeno, lo cual es muy importante para la fuerza del colágeno.
• Distrofia muscular de Duchenne: un trastorno genético recesivo ligado al cromosoma X que produce distrofina anormal. La distrofina es una glucoproteína estructural que une el citoesqueleto y la matriz extracelular del músculo (necesaria para la función muscular normal). Al ser incapaz de regenerarse normalmente, el tejido muscular es reemplazado por tejido fibroso y graso.

Proteínas de transporte anormales

• Anemia de células falciformes: grupo de trastornos genéticos en los que una proteína de hemoglobina anormal (hemoglobina S) transforma los eritrocitos en células falciformes. Esta transformación resulta en anemia crónica, episodios vaso-oclusivos, dolor y daño de órganos.
• Fibrosis quística: trastorno autosómico recesivo causado por mutaciones en el gen CFTR. Las mutaciones conducen a una disfunción de los canales de cloruro, lo que da lugar a una mucosidad hiperviscosa y a la acumulación de secreciones.

Señalización anormal y proteínas receptoras

• Miastenia gravis: trastorno neuromuscular autoinmune caracterizado por debilidad y fatigabilidad de los músculos esqueléticos causados por disfunción/destrucción de los receptores de acetilcolina en la unión neuromuscular. La miastenia se presenta con fatiga, ptosis, diplopía, disfagia, dificultad respiratoria y debilidad progresiva en las extremidades, lo que provoca dificultad en el movimiento.
• Enfermedad de Graves: trastorno autoinmune caracterizado por la presencia de anticuerpos circulantes contra los receptores de la hormona estimulante de la tiroides (TSH, por sus siglas en inglés), lo que hace que la glándula tiroides tenga una hiperfunción.
• Diabetes mellitus tipo 2: causada principalmente por la resistencia periférica a la insulina. La insulina en sí es una hormona peptídica que es responsable de mantener los niveles normales de glucosa en sangre. La glucosa en sangre crónicamente elevada da como resultado una secreción de insulina crónicamente elevada, lo que a su vez da como resultado una regulación a la baja y una disminución de la sensibilidad de las proteínas receptoras de insulina.
• Síndrome de insensibilidad completa a los andrógenos: afección recesiva ligada al cromosoma X en la que una mutación genética afecta la función de los receptores de andrógenos, lo que lleva a la resistencia a la testosterona. Los individuos tendrán un cariotipo 46,XY y testículos no descendidos, con desarrollo mamario y genitales femeninos externos (debido a la conversión periférica excesiva de testosterona en estrógeno).

Trastornos autoinmunes

• Lupus eritematoso sistémico (LES): afección crónica, autoinmune e inflamatoria que causa el depósito de complejos inmunes en los órganos, lo que resulta en manifestaciones sistémicas. Las características clínicas notables incluyen erupción malar, artritis no destructiva, nefritis lúpica, serositis, citopenias, enfermedad tromboembólica, convulsiones y/o psicosis.
• Artritis reumatoide (AR): poliartritis inflamatoria simétrica. La artritis reumatoide generalmente se presenta en mujeres de mediana edad con inflamación de las articulaciones, dolor y rigidez matutina. La fisiopatología no se conoce por completo, pero en muchos individuos existe una mayor expresión de la enzima que convierte la arginina en citrulina; los anticuerpos se unen a estas proteínas citrulinadas, lo que da como resultado la activación del sistema del complemento.
• Nefropatía por IgA (enfermedad de Berger): enfermedad renal caracterizada por el depósito de IgA en el mesangio. La enfermedad de Berger es la causa más común de glomerulonefritis primaria en la mayoría de los países desarrollados. Las características comunes de presentación son hematuria macroscópica o asintomática, hematuria microscópica en el análisis de orina con una infección previa de las vías respiratorias superiores o del tubo gastrointestinal.