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Carlos del Porto Blanco

Todo ser vivo es también un fósil. Dentro de él, todo el camino hasta la estructura microscópica de sus proteínas conserva las huellas y hasta los estigmas de su ascendencia. Jacques Monod.

En todo lo vivo existen miles de proteínas, todas ellas totalmente diferentes entre sí, y con funciones específicas. Por ejemplo, ¿imagine que sucede cuando una bacteria infecciosa ingresa a un ser humano? Pues, una proteína, nombrada inmunoglobulina, se encarga de atacar al organismo con tal de mantenerle sano. Pero, ¿Qué son las proteínas? ¿Cuál es su estructura?, sobre eso y comentaré en esta entrega. Manos a la obra, hablemos sobre esos ladrillos que construyen las catedrales de lo vida.

Las proteínas o prótidos son sustancias muy complejas que están presente en todos los organismos vivos. Éstas tienen un gran valor nutricional y participan directamente en los procesos químicos esenciales para la vida. La importancia de las proteínas fue reconocida por los químicos de principios del siglo XIX, destacándose el caso del sueco Jöns Jacob Berzelius, quien en 1838 acuñó el término proteína, una palabra derivada del griego antiguo ???????? pr?teios, que significa “ocupar el primer lugar”. Las proteínas son específicas de cada especie; es decir, las que posee una especie difieren de las de otra. También son específicos de órganos; por ejemplo, dentro de un solo organismo, las proteínas musculares difieren de las del cerebro y el hígado. Están formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, además de azufre, hierro o fósforo en algunas ocasiones.

Una molécula de proteína es grande. Está formada por aminoácidos que se unen para formar largas cadenas, de forma muy parecida a como se disponen las cuentas en un hilo. Hay 20 aminoácidos diferentes que se encuentran en las proteínas y esa secuencia está determinada por la secuencia de nucleótidos de su gen correspondiente (llamados genes estructurales). Los aminoácidos son: valina, leucina, isoleucina, lisina, treonina, fenilalanina, metionina, histidina, triptófano, glutamina, aspartato, glutamato, arginina, alanina, prolina, cisteína, asparagina, serina, glicina y tirosina.

La información genética determina qué proteínas tiene una célula, un tejido y un organismo. Las proteínas de función similar tienen una composición y secuencia de aminoácidos similar. Aunque todavía no es posible explicar todas las funciones de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, las correlaciones establecidas entre estructura y función pueden atribuirse a las propiedades de los aminoácidos que las componen.

La síntesis de las proteínas se presenta a través de la traducción ribosomal, función llevada a cabo por los ribosomas y guiada por la información de una molécula de ARN mensajero que actúa como molde. Las plantas pueden sintetizar todos los aminoácidos, pero los animales no pueden. Las plantas pueden crecer en un medio que contenga nutrientes inorgánicos que proporcione nitrógeno, potasio y otras sustancias esenciales para el crecimiento. Éstas utilizan el dióxido de carbono del aire durante el proceso de fotosíntesis para formar compuestos orgánicos como los hidratos de carbono. Los animales, sin embargo, deben obtener los nutrientes orgánicos de fuentes externas. Debido a que el contenido de proteínas de la mayoría de las plantas es bajo, los animales, como los rumiantes (por ejemplo, las vacas), que comen sólo material vegetal para satisfacer sus necesidades de aminoácidos, necesitan cantidades muy grandes de material vegetal. Los animales no rumiantes, incluidos los humanos, obtienen proteínas principalmente de los animales y sus productos, por ejemplo, carne, leche y huevos.

El contenido de proteínas de los órganos animales suele ser mucho mayor que el del plasma sanguíneo. Los músculos, por ejemplo, contienen aproximadamente un 30 por ciento de proteínas, el hígado entre un 20 y un 30 por ciento y los glóbulos rojos un 30 por ciento. Mayores porcentajes de proteínas se encuentran en el cabello, los huesos y otros órganos y tejidos con bajo contenido de agua.

El alto contenido proteico de algunos órganos no significa que la importancia de las proteínas esté relacionada con su cantidad en un organismo o tejido; por el contrario, algunas de las proteínas más importantes, como las enzimas y las hormonas, se encuentran en cantidades extremadamente pequeñas. La importancia de las proteínas está relacionada principalmente con su función. Todas las enzimas identificadas hasta ahora son proteínas. Las enzimas, que son los catalizadores de todas las reacciones metabólicas, permiten que un organismo produzca las sustancias químicas necesarias para la vida (proteínas, ácidos nucleicos, hidratos de carbono y lípidos) para convertirlas en otras sustancias y degradarlas.

La vida sin enzimas no es posible. Existen varias hormonas proteicas con importantes funciones reguladoras. En todos los vertebrados, la proteína respiratoria hemoglobina actúa como transportadora de oxígeno en la sangre, transportando oxígeno desde los pulmones a los órganos y tejidos del cuerpo. Un gran grupo de proteínas estructurales mantiene y protege la estructura del cuerpo animal.

Las proteínas son necesarias para la vida, sobre todo por su función plástica (constituyen el 80 % del protoplasma deshidratado de toda célula), pero también por sus funciones biorreguladoras (forman parte de las enzimas) y de defensa (los anticuerpos son proteínas) El crecimiento, la reparación y el mantenimiento del organismo dependen de ellas. Representan alrededor del 50 % del peso seco de los tejidos.

Las proteínas se clasifican de acuerdo a diversos criterios: localización, función, composición o elementos estructurales. La localización espacial y temporal de las proteínas depende de la regulación de la expresión genética. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores externos. El conjunto de las proteínas expresadas en una circunstancia determinada es denominado proteoma.

Muchos organismos presentan otras biomoléculas formadas por aminoácidos, pero cuya biosíntesis no depende del ribosoma, tal es el caso de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no ribosomal, los péptidos que entrelazan a los polisacáridos en la peptidoglicana (pared celular bacteriana) y las toxinas de diversos organismos, como las microcistinas.

Principales características de las proteínas:

  • Tienen un gran tamaño. Una proteína puede tener un mínimo de siete aminoácidos, hasta más de cien de ellos.
  • Presentan formas variadas. Algunas pueden ser lineales, como el colágeno o fibrinógeno, o pueden tener forma de Y, como las inmunoglobulinas.
  • Son polifacéticas. Desempeñan diversas funciones en el organismo. Por ejemplo, renuevan tejidos, protegen de enfermedades, mantienen oxigenados los tejidos y órganos.
  • Debido a su gran tamaño, tienden a formar dispersiones coloidades cuando se dispersan en algún disolvente apropiado.
  • Actúan como amortiguadores de pH, a causa de su carácter anfótero, es decir, las proteínas pueden comportarse como ácidos o como bases.

Funciones de las proteínas.

Las moléculas proteicas tienen una diversidad extraordinaria: presentes en enzimas, hormonas, proteínas de almacenamiento como los huevos de las aves y las de las semillas, proteínas de transporte como la hemoglobina, proteínas de contráctiles como las de los músculos, inmunoglobulinas (anticuerpos), proteínas de membranas y muchos otros tipos de proteínas estructurales. En relación con sus funciones la diversidad es abrumadora, pero en cuanto a su estructura, todas siguen un mismo formato general sencillo porque todas son polímeros de aminoácidos dispuestas en secuencias lineales. Todas las proteínas realizan elementales funciones para la vida celular, pero hay algunas que tienen más de una actividad. Entre las distintas funciones se pueden señalar las siguientes:

  • Catálisis: Las enzimas proteicas que se encargan de realizar reacciones químicas de una manera más rápida y eficiente. Son procesos que resultan de suma importancia para el organismo. Por ejemplo, la pepsina es una enzima que se encuentra en el sistema digestivo y se encarga de degradar los alimentos.
  • Reguladoras: Las hormonas proteicas ayudan a mantener la homeostasis (del griego ?????? [homoios], “igual, similar” y ?????? [stásis], “estado, estabilidad”, es una propiedad de los organismos que consiste en su capacidad de mantener una condición interna estable compensando los cambios en su entorno mediante el intercambio regulado de materia y energía con el exterior (metabolismo) en el cuerpo. Tal es el caso de la insulina que se encarga de regular la glucosa que se encuentra en la sangre.
  • Estructural: Muchas proteínas determinan la forma o el soporte en las células y los tejidos, ya que forman cables o rieles para dirigir el movimiento y se forman por el ensamble de subunidades. Ese es el caso de la tubulina que se encuentra en el citoesqueleto. También otras proteínas tienen la función de dar resistencia y elasticidad que permite formar tejidos, así como la de dar soporte a otras estructuras. Por ejemplo, el colágeno es el principal componente de la matriz extracelular del tejido conectivo.
  • Defensiva: Son las encargadas de defender el organismo. Las inmunoglobulinas son glicoproteínas que defienden al organismo contra cuerpos extraños. Otros ejemplos son la queratina que protege la piel, así como el fibrinógeno y la protrombina que forman coágulos.
  • Transporte: La función de esas proteínas es llevar sustancias a través del organismo a donde sean requeridas. Por ejemplo, la hemoglobina lleva el oxígeno por medio de la sangre. Otras proteínas permiten o impulsan el paso solutos a través de las membranas celulares. En esa segunda categoría se encuentran los translocadores, permeasas, canales iónicos y poros membranales.
  • Receptoras: Ese tipo de proteínas se encuentran en la membrana celular y llevan a cabo la función de recibir señales para que la célula pueda realizar su función, como el receptor de acetilcolina que recibe señales para producir la contracción muscular.
  • Proteínas motoras: Esas proteínas actúan como motores de escala nanométrica que mueven a otros componentes celulares. Por ejemplo, en las fibras musculares la actina compone a los microfilamentos de las células y la miosina activa el movimiento durante la contracción muscular.
  • Funciones de reserva y almacenamiento: Son materia prima como fuente de carbono y de energía química en diferentes organismos. Ejemplos: la ovoalbúmina en el huevo, o la caseína de la leche. La ferritina forma una estructura hueca donde se almacena hierro. Prácticamente todos los procesos biológicos dependen de la presencia o la actividad de ese tipo de moléculas. Muchas proteínas que se encuentran en el citoplasma colaboran además en el mantenimiento del pH, ya que actúan como un tampón químico.

Clasificación de las proteínas.

  • Simples u holoproteicas: Ese tipo de proteínas solo se construyen a partir de aminoácidos. Se dividen en:
    • Proteínas fibrosas: se encargan de la resistencia y elasticidad de nuestros tejidos. Son alargadas, e insolubles en agua.
    • Proteínas globulares: se encuentran en anticuerpos y hormonas.
  • Conjugadas o heteroproteicas: A diferencia de las proteínas simples, esas se construyen de una parte proteica y una no proteica. Generalmente, en la parte no proteica se pueden encontrar otras macromoléculas, como lípidos, glúcidos o ácidos nucleicos. Son solubles en agua y de forma esférica y compacta.

Estructura de las proteínas

La estructura puede verse de la siguiente forma:

  • Estructura primaria: es la secuencia de una cadena de aminoácidos.
  • Estructura secundaria: se forma cuando las secuencias de aminoácidos interactúan mediante enlaces de hidrógeno.
  • Estructura terciaria: ocurre cuando la proteína se pliega tridimensionalmente debido a interacciones que se dan en sus cadenas laterales.
  • Estructura cuaternaria: es la asociación de dos o más proteínas con estructuras terciarias.

Predecir cómo una proteína adquiere una forma tridimensional única ha desconcertado a los científicos durante más de medio siglo. En 1969, el biólogo estadounidense Cyrus Levinthal calculó que para desentrañar todas las configuraciones posibles de una única proteína a partir de su secuencia de aminoácidos (los eslabones de esas macromoléculas), se necesitaría más tiempo del transcurrido desde el origen del universo, eso es, más de 13 000 millones de años.

Sin embargo, ahora sistemas de inteligencia artificial, como Deepmind de Google, logran hacerlo en unos minutos. Esa posibilidad, es un salto de gigante en el campo de las ciencias de la vida. El laboratorio de inteligencia artificial de Deepmind, ubicado en Londres, ha resuelto la parte más compleja del problema. Se, captura la secuencia de aminoácidos de esas proteínas y predice la estructura, con una precisión similar a la que consigue en costosos experimentos de laboratorio. Lo que antes suponía una inversión de cientos de miles de euros y años, puede resolverse ahora en cuestión de días.

El programa determinó la forma de las proteínas con un nivel de precisión comparable a los costosos y lentos métodos de laboratorio. «Incluso pequeños reordenamientos de esas moléculas fundamentales pueden tener efectos catastróficos en la salud, por lo que una de las formas más eficientes de comprender una enfermedad y encontrar nuevos tratamientos es estudiar las proteínas participantes», explica el doctor John Moult, de la Universidad de Maryland.

Es por ese motivo que hallazgos como estos ayudarán a los investigadores a crear nuevos medicamentos y a estudiar en profundidad las enfermedades, algunas de ellas letales o de difícil tratamiento, desde el cáncer al Alzhéimer. Y es que todas las dolencias están relacionadas directamente con algún tipo de proteína.

¿Cómo fue el desafío científico?

En 1972, Christian Anfinsen fue galardonado con el premio Nobel por un trabajo que demostraba que era posible determinar la forma de las proteínas basándose en la secuencia de sus componentes básicos de aminoácidos.

Cada dos años, decenas de equipos de más de 20 países usan computadoras para intentar predecir la forma de un conjunto de alrededor de 100 proteínas a partir de sus secuencias de aminoácidos. Al mismo tiempo, los biólogos elaboran las estructuras tridimensionales en el laboratorio utilizando técnicas tradicionales como la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de Resonancia Magnética nuclear, RMN, que determinan la ubicación de cada átomo en relación con otro en la molécula de proteína.

Un equipo de científicos del CASP (experimento comunitario sobre la Evaluación Crítica de la Predicción de la Estructura de la Proteína) compara esas predicciones con estructuras en 3D que ya han sido resueltas usando métodos experimentales. El CASP utiliza una métrica conocida como prueba de distancia global para evaluar la precisión, que va de 0 a 100. La puntuación de alrededor de 90, que logró el programa AlphaFold de DeepMind, se considera comparable con las técnicas de laboratorio.

En la ronda del 2020, el desafío llamado CASP-14, AlphaFold determinó la forma de alrededor de dos tercios de las proteínas con una precisión comparable a la de las pruebas de laboratorio. Los evaluadores dijeron que la precisión con la mayoría de las otras proteínas también era alta, aunque no a ese nivel. AlphaFold se basa en el aprendizaje profundo. En ese proceso, la estructura de una proteína formada se representa como un gráfico espacial. Luego, el programa «aprende» utilizando información sobre las formas tridimensionales de proteínas conocidas que se encuentran en la base de datos pública de proteínas. El programa de inteligencia artificial logró hacer en cuestión de días lo que podría llevar años en el laboratorio.

El profesor Andrew Martin, del University College London (UCL), plantea: «Comprender cómo una secuencia de proteínas se estructura en tres dimensiones es realmente una de las cuestiones fundamentales de la biología». «La forma en que funciona una proteína depende de su estructura tridimensional. Y la función de la proteína es relevante para todo en la salud y las enfermedades. Al conocer las estructuras tridimensionales de las proteínas, se puede ayudar al diseño de medicamentos e intervenir en problemas de salud, ya sean infecciones o enfermedades hereditarias».

La profesora Dame Janet Thornton, del Instituto Europeo de Bioinformática, mención, por su parte que cómo las proteínas crean «estructuras tridimensionales exquisitamente únicas», es uno de los mayores misterios de la biología. «Una mejor comprensión de las estructuras de las proteínas y la capacidad de predecirlas usando una computadora significa una mejor comprensión de la vida, la evolución y, por supuesto, la salud y las enfermedades humanas».

Ahora que ese problema se ha resuelto en buena medida para las proteínas individuales, queda abierto el camino para el desarrollo de nuevos métodos para determinar la forma de los complejos de proteínas: colecciones de proteínas que trabajan juntas para formar gran parte de la maquinaria de la vida. Y para otras aplicaciones también. Queda mucho trabajo por hacer.

A partir de ahora cuando coma un plato de frijoles, huevos, algún tipo de cárnico, ya tiene una mejor idea de que son y para qué sirven las proteínas.

Referencias

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