El metabolismo de las proteínas denota los diversos procesos bioquímicos responsables de la síntesis de proteínas y aminoácidos (anabolismo) y la degradación de las proteínas por catabolismo .
Los pasos de la síntesis de proteínas incluyen transcripción, traducción y modificaciones postraduccionales. Durante la transcripción, la ARN polimerasa transcribe una región codificante del ADN en una célula que produce una secuencia de ARN, específicamente ARN mensajero (ARNm). Esta secuencia de ARNm contiene codones: segmentos largos de 3 nucleótidos que codifican un aminoácido específico. Los ribosomas traducen los codones a sus respectivos aminoácidos. [1] En los seres humanos, los aminoácidos no esenciales se sintetizan a partir de intermedios en las principales vías metabólicas, como el ciclo del ácido cítrico . [2] Aminoácidos esencialesdeben consumirse y se elaboran en otros organismos. Los aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos formando una cadena polipeptídica. Esta cadena polipeptídica pasa luego por modificaciones postraduccionales y, a veces, se une a otras cadenas polipeptídicas para formar una proteína completamente funcional.
Las proteínas de la dieta se descomponen primero en aminoácidos individuales mediante diversas enzimas y ácido clorhídrico presentes en el tracto gastrointestinal. Estos aminoácidos se absorben en el torrente sanguíneo para ser transportados al hígado y al resto del cuerpo. Los aminoácidos absorbidos se utilizan normalmente para crear proteínas funcionales, pero también se pueden utilizar para crear energía. [3]
Las proteínas pueden descomponerse mediante enzimas conocidas como peptidasas o pueden descomponerse como resultado de la desnaturalización . Las proteínas pueden desnaturalizarse en condiciones ambientales para las que no están hechas. [4]
Síntesis de proteínas
El anabolismo de proteínas es el proceso por el cual las proteínas se forman a partir de aminoácidos. Se basa en cinco procesos: síntesis de aminoácidos , transcripción , traducción , modificaciones postraduccionales y plegamiento de proteínas . Las proteínas están hechas de aminoácidos. En los seres humanos, algunos aminoácidos se pueden sintetizar utilizando intermediarios ya existentes. Estos aminoácidos se conocen como aminoácidos no esenciales. Los aminoácidos esenciales requieren intermedios que no están presentes en el cuerpo humano. Estos intermediarios deben ingerirse, principalmente al comer otros organismos. [4]
Síntesis de aminoácidos
Aminoácidos | Grupo R ‡ | Camino * |
Glicina | H- | Serina + THF → Glicina ( hidroximetiltransferasa ) |
Alanina | CH 3 - | Piruvato → Alanina ( aminotransferasa ) |
Valina § | (CH 3 ) 2 -CH- | Hidroxietil-TPP + Piruvato → α-acetolactato → Valina |
Leucina § | (CH 3 ) 2 -CH-CH 2 - | Hidroxietil-TPP + Piruvato → α-cetobutirato → Leucina |
Isoleucina § | CH 3 -CH 2 -CH (CH 3 ) - | Hidroxietil-TPP + Piruvato → α-acetolactato → Isoleucina |
Metionina § | CH 3 -S- (CH 2 ) 2 - | Homocisteína → Metionina ( metionina sintasa ) |
Prolina | - (CH 2 ) 3 - | Ácido glutámico → Glutamato-5-semialdehído → Prolina ( γ-glutamil quinasa) |
Fenilalanina § | Ph-CH 2 - | Fosfoenolpiruvato → 2-ceto-3-desoxi arabinoheptulosonato-7-fosfato → Corismato → Fenilalanina |
Triptófano § | Ph-NH-CH = C-CH 2 - | Fosfoenolpiruvato → 2-ceto-3-desoxi arabinoheptulosonato-7-fosfato → Corismato → Triptófano |
Tirosina | HO-Ph-CH 2 - | Fenilalanina → Tirosina ( fenilalanina hidroxilasa ) |
Serina | HO-CH 2 - | 3-fosfoglicerato → 3-fosfohidroxipiruvato ( 3-fosfoglicerato deshidrogenasa ) → 3-fosfoserina ( aminotransferasa ) → Serina ( fosfoserina fosfatasa ) |
Treonina § | CH 3 -CH (OH) - | Aspartato → β-aspartato-semialdehído → Homoserina → Treonina |
Cisteína | HS-CH 2 - | Serina → Cistationina → α-cetobutirato → Cisteína |
Asparagina | H 2 N-CO-CH 2 - | Ácido aspártico → Asparagina ( asparagina sintetasa ) |
Glutamina | H 2 N-CO- (CH 2 ) 2 - | Ácido glutámico → Glutamina ( glutamina sintetasa ) |
Arginina | + H 2 N = C (NH 2 ) -NH- (CH 2 ) 3 - | Glutamato → Glutamato-5-semialdehído ( γ-glutamil quinasa) → Arginina |
Histidina § | NH-CH = N-CH = C-CH 2 - | Glucosa → Glucosa-6-fosfato → Ribosa-5-fosfato → Histidina |
Lisina § | + H 3 N- (CH 2 ) 4 - | Aspartato → β-aspartato-semialdehído → Homoserina + lisina |
Ácido aspártico | - OOC-CH 2 - | Oxaloacetato → Ácido aspártico ( aminotransferasa ) |
Ácido glutamico | - OOC- (CH 2 ) 2 - | α-cetoglutarato → Ácido glutámico ( aminotransferasa ) |
‡ Mostrado en condiciones fisiológicas. * Los complejos que están en cursiva son enzimas. § No se puede sintetizar en humanos. |
Síntesis de polipéptidos
Transcripción
En la transcripción , la ARN polimerasa lee una hebra de ADN y produce una hebra de ARNm que se puede traducir más. Para iniciar la transcripción, el segmento de ADN que se va a transcribir debe ser accesible (es decir, no puede estar empaquetado de manera apretada). Una vez que el segmento de ADN es accesible, la ARN polimerasa puede comenzar a transcribir la cadena de ADN codificante emparejando los nucleótidos de ARN con la cadena de ADN molde. Durante la fase de transcripción inicial, la ARN polimerasa busca una región promotora en la hebra de la plantilla de ADN. Una vez que la ARN polimerasa se une a esta región, comienza a "leer" la hebra de ADN de la plantilla en la dirección 3 'a 5'. [6] RNA polimerasa RNA agregados bases complementaria a la cadena de ADN plantilla ( uracilo se utilizará en lugar de timina ). Las nuevas bases de nucleótidos se unen entre sí de forma covalente. [7] Las nuevas bases eventualmente se disocian de las bases de ADN pero permanecen unidas entre sí, formando una nueva cadena de ARNm. Esta hebra de ARNm se sintetiza en la dirección 5 'a 3'. [8] Una vez que el ARN alcanza una secuencia de terminación , se disocia de la hebra de la plantilla de ADN y también termina la secuencia de ARNm.
La transcripción está regulada en la célula a través de factores de transcripción. Los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias reguladoras en la cadena de ADN, como regiones promotoras o regiones operadoras. Las proteínas unidas a estas regiones pueden detener directamente o permitir que la ARN polimerasa lea la hebra de ADN o pueden indicar a otras proteínas que se detengan o permitan la lectura de ARN polimerasa. [9]
Traducción
Durante la traducción , los ribosomas convierten una secuencia de ARNm (ARN mensajero) en una secuencia de aminoácidos. Cada segmento de ARNm de 3 pares de bases es un codón que corresponde a un aminoácido o señal de parada. [10] Los aminoácidos pueden tener múltiples codones que les corresponden. Los ribosomas no unen directamente aminoácidos a codones de ARNm. También deben utilizar ARNt (ARN de transferencia). Los ARN de transferencia pueden unirse a aminoácidos y contener un anticodón que puede unirse al hidrógeno a un codón de ARNm. [11] El proceso de unir un aminoácido a un tRNA se conoce como carga de tRNA. Aquí, la enzima aminoacil-tRNA-sintetasa cataliza dos reacciones. En el primero, une una molécula de AMP (escindida de ATP) al aminoácido. La segunda reacción escinde el aminoacil-AMP produciendo la energía para unir el aminoácido a la molécula de ARNt. [12]
Los ribosomas tienen dos subunidades , una grande y otra pequeña. Estas subunidades rodean la hebra de ARNm. La subunidad más grande contiene tres sitios de unión: A (aminoacil), P (peptidilo) y E (salida). Después de la iniciación traslacional (que es diferente en procariotas y eucariotas ), el ribosoma entra en el período de elongación que sigue a un ciclo repetitivo. Primero, un ARNt con el aminoácido correcto ingresa al sitio A. El ribosoma transfiere el péptido del tRNA en el sitio P al nuevo aminoácido en el tRNA en el sitio A. El tRNA del sitio P se desplazará al sitio E donde será expulsado. Esto ocurre continuamente hasta que el ribosoma alcanza un codón de terminación o recibe una señal para detenerse. [11] Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido unido al tRNA en el sitio P y el aminoácido unido a un tRNA en el sitio A. La formación de un enlace peptídico requiere un aporte de energía. Las dos moléculas que reaccionan son el grupo alfa amino de un aminoácido y el grupo alfa carboxilo de los otros aminoácidos. Un subproducto de esta formación de enlaces es la liberación de agua (el grupo amino dona un protón mientras que el grupo carboxilo dona un hidroxilo). [2]
La traducción puede estar regulada negativamente por miARN (microARN). Estas cadenas de ARN pueden escindir las cadenas de ARNm a las que son complementarias y, por lo tanto, detendrán la traducción. [13] La traducción también se puede regular mediante proteínas auxiliares. Por ejemplo, una proteína llamada factor de iniciación eucariota-2 ( eIF-2 ) puede unirse a la subunidad más pequeña del ribosoma, iniciando la traducción. Cuando elF-2 está fosforilado , no puede unirse al ribosoma y se detiene la traducción. [14]
Modificaciones postraduccionales
Una vez que se sintetiza la cadena de péptidos , aún debe modificarse. Las modificaciones postraduccionales pueden ocurrir antes o después del plegamiento de proteínas. Los métodos biológicos comunes para modificar cadenas peptídicas después de la traducción incluyen metilación , fosforilación y formación de enlaces disulfuro . La metilación a menudo ocurre en arginina o lisina e implica agregar un grupo metilo a un nitrógeno (reemplazando un hidrógeno ). Los grupos R en estos aminoácidos se pueden metilar varias veces siempre que los enlaces al nitrógeno no excedan de 4. La metilación reduce la capacidad de estos aminoácidos para formar enlaces de hidrógeno, por lo que la arginina y la lisina que están metiladas tienen propiedades diferentes a sus contrapartes estándar. . La fosforilación a menudo ocurre en serina , treonina y tirosina e implica reemplazar un hidrógeno en el grupo alcohol en el extremo del grupo R por un grupo fosfato . Esto agrega una carga negativa en los grupos R y, por lo tanto, cambiará el comportamiento de los aminoácidos en comparación con sus contrapartes estándar. La formación de enlaces disulfuro es la creación de puentes disulfuro ( enlaces covalentes ) entre dos aminoácidos de cisteína en una cadena que agrega estabilidad a la estructura plegada. [15]
Plegado de proteínas
Una cadena polipeptídica en la célula no tiene que permanecer lineal; puede ramificarse o doblarse sobre sí mismo. Las cadenas de polipéptidos se pliegan de una manera particular dependiendo de la solución en la que se encuentren. El hecho de que todos los aminoácidos contengan grupos R con diferentes propiedades es la razón principal por la que las proteínas se pliegan. En un entorno hidrófilo como el citosol , los aminoácidos hidrófobos se concentrarán en el núcleo de la proteína, mientras que los aminoácidos hidrófilos estarán en el exterior. Esto es entropicamente favorable, ya que las moléculas de agua pueden moverse mucho más libremente alrededor de los aminoácidos hidrófilos que los aminoácidos hidrófobos. En un ambiente hidrofóbico, los aminoácidos hidrofílicos se concentrarán en el núcleo de la proteína, mientras que los aminoácidos hidrofóbicos estarán en el exterior. Dado que las nuevas interacciones entre los aminoácidos hidrofílicos son más fuertes que las interacciones hidrofóbicas-hidrofílicas, esto es entálpicamente favorable . [16] Una vez que una cadena polipeptídica está completamente plegada, se denomina proteína. A menudo, muchas subunidades se combinarán para formar una proteína completamente funcional, aunque existen proteínas fisiológicas que contienen solo una cadena polipeptídica. Las proteínas también pueden incorporar otras moléculas como el grupo hemo en la hemoglobina , una proteína responsable de transportar oxígeno en la sangre. [17]
Desglose de proteínas
El catabolismo de proteínas es el proceso por el cual las proteínas se descomponen en sus aminoácidos . Esto también se llama proteólisis y puede ir seguido de una mayor degradación de aminoácidos .
Catabolismo de proteínas a través de enzimas.
Proteasas
Originalmente se pensó que solo interrumpían las reacciones enzimáticas , las proteasas (también conocidas como peptidasas ) en realidad ayudan a catabolizar proteínas a través de la escisión y crear nuevas proteínas que no estaban presentes antes. Las proteasas también ayudan a regular las vías metabólicas . Una forma de hacerlo es escindir las enzimas en vías que no necesitan estar en funcionamiento (es decir, gluconeogénesis cuando las concentraciones de glucosa en sangre son altas). Esto ayuda a conservar la mayor cantidad de energía posible y a evitar ciclos inútiles . Los ciclos inútiles ocurren cuando las vías catabólicas y anabólicas están en efecto al mismo tiempo y con la misma velocidad. Dado que los intermedios que se crean se consumen, el cuerpo no obtiene ganancias netas. La energía se pierde a través de ciclos inútiles. Las proteasas evitan que este ciclo ocurra al alterar la velocidad de una de las vías, o al escindir una enzima clave, pueden detener una de las vías. Las proteasas también son inespecíficas cuando se unen al sustrato , lo que permite una gran diversidad dentro de las células y otras proteínas, ya que se pueden escindir mucho más fácilmente de una manera energéticamente eficiente. [18]
Debido a que muchas proteasas son inespecíficas, están altamente reguladas en la célula. Sin regulación, las proteasas destruirán muchas proteínas esenciales para los procesos fisiológicos. Una forma en que el cuerpo regula las proteasas es a través de inhibidores de proteasas . Los inhibidores de proteasa pueden ser otras proteínas, pequeños péptidos o moléculas. Hay dos tipos de inhibidores de proteasa: reversibles e irreversibles. Los inhibidores de proteasa reversibles forman interacciones no covalentes con la proteasa que limitan su funcionalidad. Pueden ser inhibidores competitivos , los inhibidores no competitivos , y los inhibidores no competitivos . Los inhibidores competitivos compiten con el péptido para unirse al sitio activo de la proteasa. Los inhibidores no competitivos se unen a la proteasa mientras el péptido está unido, pero no permiten que la proteasa rompa el enlace peptídico. Los inhibidores no competitivos pueden hacer ambas cosas. Los inhibidores de proteasa irreversibles modifican covalentemente el sitio activo de la proteasa para que no pueda escindir péptidos. [19]
Exopeptidasas
Las exopeptidasas son enzimas que pueden escindir el extremo de una cadena lateral de aminoácidos principalmente mediante la adición de agua. [4] Las enzimas exopeptidasas existen en el intestino delgado. Estas enzimas tienen dos clases: las aminopeptidasas son una enzima del borde en cepillo y las carboxipeptidasas que provienen del páncreas. Las aminopeptidasas son enzimas que eliminan los aminoácidos del extremo amino de la proteína. Están presentes en todas las formas de vida y son cruciales para la supervivencia, ya que realizan muchas tareas celulares para mantener la estabilidad. Esta forma de peptidasa es una metaloenzima de zinc y es inhibida por el análogo del estado de transición . Este análogo es similar al estado de transición real , por lo que puede hacer que la enzima se una a él en lugar del estado de transición real, evitando así la unión del sustrato y disminuyendo las velocidades de reacción. [20] Las carboxipeptidasas se escinden en el extremo carboxilo de la proteína. Si bien pueden catabolizar proteínas, se usan con más frecuencia en modificaciones postranscripcionales . [21]
Endopeptidasas
Las endopeptidasas son enzimas que agregan agua a un enlace peptídico interno en una cadena peptídica y rompen ese enlace. [4] Tres endopeptidasas comunes que provienen del páncreas son la pepsina , la tripsina y la quimotripsina . La quimotripsina realiza una reacción de hidrólisis que se separa de los residuos aromáticos . Los principales aminoácidos implicados son la serina , la histidina y el ácido aspártico . Todos juegan un papel en la ruptura del enlace peptídico. Estos tres aminoácidos se conocen como la tríada catalítica, lo que significa que estos tres deben estar presentes para que funcionen correctamente. [4] La tripsina se escinde después de largos residuos cargados positivamente y tiene una bolsa de unión cargada negativamente en el sitio activo . Ambos se producen como zimógenos , lo que significa que inicialmente se encuentran en su estado inactivo y después de la escisión a través de una reacción de hidrólisis, se activan. [2] Las interacciones no covalentes , como el enlace de hidrógeno entre la columna vertebral del péptido y la tríada catalítica, ayudan a aumentar las velocidades de reacción, lo que permite que estas peptidasas escindan muchos péptidos de manera eficiente. [4]
Catabolismo de proteínas a través de cambios ambientales.
pH
Las proteínas celulares se mantienen en un pH relativamente constante para evitar cambios en el estado de protonación de los aminoácidos. [22] Si el pH baja, algunos aminoácidos en la cadena polipeptídica pueden protonarse si el pka de sus grupos R es más alto que el nuevo pH. La protonación puede cambiar la carga que tienen estos grupos R. Si el pH aumenta, algunos aminoácidos de la cadena pueden desprotonarse (si el pka del grupo R es más bajo que el nuevo pH). Esto también cambia el cargo del grupo R. Dado que muchos aminoácidos interactúan con otros aminoácidos basándose en la atracción electrostática , cambiar la carga puede romper estas interacciones. La pérdida de estas interacciones altera la estructura de las proteínas , pero lo más importante es que altera la función de las proteínas, lo que puede ser beneficioso o perjudicial. Un cambio significativo en el pH puede incluso interrumpir muchas interacciones que los aminoácidos producen y desnaturalizar (desplegar) la proteína. [22]
Temperatura
A medida que aumenta la temperatura en el ambiente, las moléculas se mueven más rápido. Los enlaces de hidrógeno y las interacciones hidrófobas son fuerzas estabilizadoras importantes en las proteínas. Si la temperatura aumenta y las moléculas que contienen estas interacciones se mueven demasiado rápido, las interacciones se ven comprometidas o incluso se rompen. A altas temperaturas, estas interacciones no pueden formarse y se desnaturaliza una proteína funcional . [23] Sin embargo, se basa en dos factores; el tipo de proteína utilizada y la cantidad de calor aplicada. La cantidad de calor aplicada determina si este cambio en la proteína es permanente o si se puede transformar de nuevo a su forma original. [24]
Referencias
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