Características generales de las proteínas y sus usos en la biotecnología PDF

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Se describen características generales de las proteínas, organización estructural e ingeniería de las proteínas....

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Características generales de las proteínas y sus usos en la biotecnología Los ribosomas son las fábricas que forman proteínas. Para entender los procesos de expresión y recogida de proteínas, hay que examinar en detalle la estructura molecular de las proteínas. Las proteínas son moléculas complejas compuestas por cadenas de aminoácidos. Como todas las moléculas, las proteínas tienen pesos moleculares específicos. También tienen una carga eléctrica que las hace interaccionar con otros átomos y moléculas. La capacidad de interaccionar es la clave de la actividad biológica de las proteínas. Considera, por ejemplo, el modo en que la estructura química y la carga eléctrica de un aminoácido afecta a su interacción con el agua: la molécula será hidrófila (amiga del agua, si el aminoácido sufre una atracción magnética hacia las moléculas del agua) o hidrófoba (enemiga del agua, si las moléculas de agua y el aminoácido se repelen magnéticamente uno al otro). Organización estructural Las proteínas pueden tener cuatro niveles de organización estructural, todos ellos dependientes de la secuencia química específica de sus subunidades de aminoácidos. Éstos son la estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Estructuras primarias Los 20 aminoácidos habituales son los ladrillos que forman las proteínas. Se pueden unir de 10 a 10.000 aminoácidos desde la cabeza a la cola. La secuencia en la que están unidos los aminoácidos se llama estructura primaria. La alteración de un único aminoácido de la secuencia puede provocar que la proteína pierda toda su función. Las enfermedades genéticas son a menudo el resultado de estas mutaciones proteicas. Estructuras secundarias Las estructuras secundarias de las proteínas se producen cuando las cadenas de aminoácidos se pliegan o giran en puntos concretos, formando nuevas formas por la creación de enlaces de hidrógeno entre los aminoácidos. Las formas más

frecuentes, las hélices alfa y las láminas plegadas beta, se describen en detalle en la sección sobre el plegamiento de las proteínas. Tanto la hélice como las estructuras en lámina se producen porque son las estructuras más estables que pueden asumir las proteínas. En otras palabras, estas formas son las que menos energía cuesta mantener. Estructuras terciarias Las estructuras terciarias de las proteínas son polipéptidos (grandes moléculas compuestas por muchas moléculas similares y más pequeñas) tridimensionales que se forman cuando las estructuras secundarias se combinan y se unen entre sí. Los enlaces que mantienen unidas las estructuras terciarias tienen lugar entre aminoácidos capaces de formar enlaces secundarios (como la cisteína, que puede formar enlaces disulfuro con otra cisteína adyacente, creando uniones cruzadas que dan una forma única a la proteína). Un ejemplo de una proteína con estructura terciaria es la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa (rubisco). Esta enzima puede absorber energía directamente del sol, y desempeña un papel esencial en la fotosíntesis. Sin ella no existiría la vida. Estructuras cuaternarias Las

estructuras

tridimensionales

cuaternarias y

globulares,

de

las

proteínas

compuestos

por

son varios

complejos

únicos,

polipéptidos.

La

hemoglobina, que transporta oxígeno en la sangre, es un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria. Plegamiento de proteínas Todo lo que importa de una proteína (su estructura, su función) depende del plegamiento. El plegamiento explica cómo distintas hebras de aminoácidos adquieren su forma; por ejemplo, la anemia falciforme es el resultado de un plegamiento incorrecto debido a la sustitución de un único aminoácido en un lugar estratégico de la secuencia primaria. Si la proteína se pliega incorrectamente, no sólo se perderá la función deseada de la proteína, sino que la proteína mal

plegada resultante puede ser dañina. Por ejemplo, las placas que aparecen en la enfermedad de Alzheimer se acumulan porque la proteína mal plegada no puede ser degradada por las enzimas de las células cerebrales. El primer hito en el descubrimiento de las formas fundamentales de las proteínas se produjo en 1951. Los investigadores describieron dos estructuras regulares, llamadas α (alfa) y β (beta), que son los resultados más frecuentes del proceso de plegamiento proteico. Ambas disposiciones dependen de los enlaces de hidrógeno que unen las moléculas compuestas por cadenas de aminoácidos. Los investigadores han descubierto que las «placas » enmarañadas que son parte de las lesiones causadas al cerebro por la enfermedad de Alzheimer podrían ser el resultado de errores en el proceso de plegamiento de las proteínas. La fibrosis quística, la enfermedad de las vacas locas (encefalopatía espongiforme bovina, o BSE), muchas formas de cáncer y los infartos cardiacos se han relacionado con acúmulos de proteínas mal plegadas. Como el plegamiento natural de proteínas presenta problemas, es sencillo comprender por qué uno de los mayores retos de la biotecnología es entender y controlar el plegamiento en el proceso de producción. Repaso rápido de química Un átomo de hidrógeno es un simple protón rodeado por un electrón. El nitrógeno y el oxígeno son estructuras «hambrientas de electrones». Cuando estos dos elementos contactan con átomos de hidrógeno, buena parte de la nube de electrones del hidrógeno se aleja, dejando al hidrógeno cargado positivamente. Si el átomo de hidrógeno con carga positiva contacta con un átomo con carga negativa, habrá una atracción entre los dos. Esta atracción se conoce como enlace de hidrógeno. En la hélice alfa, los aminoácidos forman una espiral dextrógira. Los enlaces de hidrógeno estabilizan la estructura, uniendo un átomo de nitrógeno de un aminoácido con un átomo de oxígeno de otro aminoácido.

Como las uniones se producen a intervalos regulares, se forma la espiral. En la estructura en lámina beta, los enlaces de hidrógeno también unen átomos de nitrógeno y oxígeno; sin embargo, como los átomos pertenecen a cadenas de aminoácidos que discurren paralelas, se forma una lámina plana. Las láminas pueden ser «paralelas» (si todas las cadenas discurren en la misma dirección) o bien «antiparalelas » (en cuyo caso las cadenas alternan en dirección). Uno de los elementos fundamentales de la estructura proteica, el giro beta, tiene lugar cuando una cadena gira sobre sí misma para formar una lámina beta antiparalela. Aunque no sean totalmente aleatorias, otras disposiciones se conocen como «espirales aleatorias», aunque quizás deberían denominarse «espirales no periódicas». Cualquiera que sea la estructura que adopte la proteína, es importante recordar que es frágil. Esos enlaces de hidrógeno pueden romperse fácilmente, dañando una valiosa proteína. Glucosilación Una vez sintetizada una proteína en los ribosomas, tienen lugar más de 100 modificaciones postraduccionales (la más frecuente de éstas es la glucosilación). En la glucosilación, se añaden unidades de hidratos de carbono (moléculas de azúcar) en lugares específicos de las proteínas (véase la Figura 4.4). Este cambio puede afectar significativamente la actividad de la proteína: puede aumentar su solubilidad y orientar proteínas hacia membranas y puede alargar la vida activa de la molécula en el organismo. Como la glucosilación puede alterar la bioactividad de las proteínas, puede influir sobre la cantidad de proteínas producidas en un organismo. Ingeniería de proteínas En ciertos puntos de la ingeniería de proteínas, es útil introducir alteraciones específicas y predefinidas en la secuencia de aminoácidos. Esto puede hacerse con tecnología de evolución molecular dirigida. Una gran empresa de biotecnología, por ejemplo, induce mutaciones aleatorias en genes y después selecciona los organismos (bacterias) con el producto proteico (enzima) que tenga

la máxima actividad. De este modo, han producido organismos (y enzimas industriales) que toleran una concentración de cianuro superior a 1,0 M. Esto es importante porque nunca se habría producido por evolución molecular «natural». Ningún ambiente natural ha soportado el cianuro en estas concentraciones. Los organismos

seleccionados

resultantes

pueden

usarse

para

mitigar

la

contaminación por cianuro resultante de la minería y otras acumulaciones de desechos industriales. Esto nunca sucedería por «selección natural» porque el ambiente no cambiaría tanto como para seleccionar estos tipos de supervivientes bacterianos. Estos genes modificados pueden entonces introducirse en una célula huésped, donde la secuencia de aminoácidos requerida se produce por parte del sistema huésped. Esta técnica permite que los investigadores creen proteínas con mejoras específicas. Al contrario que las mutaciones que suceden naturalmente, la evolución molecular dirigida se centra sólo en las mutaciones de un gen concreto y selecciona las mejores proteínas de ese gen, sin tener en cuenta los posibles beneficios que pueda tener para el organismo original. Por ejemplo, cuando E. coli fabrica insulina humana, no hay ningún beneficio para la bacteria. Además de las proteínas naturales y producidas por mutaciones, la biotecnología también está creando moléculas proteicas totalmente nuevas. Estas moléculas, diseñadas y fabricadas en el laboratorio, señalan que podría ser posible inventar proteínas adaptadas a aplicaciones específicas. El plegamiento incorrecto de proteínas tiene lugar habitualmente en enfermedades provocadas por partículas proteicas infecciosas, llamadas priones. Estas proteínas infecciosas atraen proteínas celulares normales e inducen cambios en su estructura, que generalmente conducen a la acumulación de proteínas inútiles que dañan las células. Las enfermedades por priones pueden aparecer en ovejas y cabras (scrapie, tembladera) y vacas (encefalopatía espongiforme bovina, o enfermedad «de las vacas locas»). Entre las formas humanas de estas enfermedades destructoras de cerebros están el kiru y la encefalopatía espongiforme transformable (TSE). Todas estas enfermedades comparten cambios en la

conformación de la proteína precursora del prión, una proteína presente habitualmente en neuronas. de mamíferos como glucoproteína de membrana. La incapacidad de detectar la enfermedad hasta que el animal infectado está enfermo o muerto ha complicado enormemente el control de estas enfermedades. En respuesta, la investigación biotecnológica ha intentado formar partículas infecciosas sintéticas que puedan ser estudiadas, lo que ayudará a desarrollar métodos de detección y control....