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Las proteínas ( proteínas , polipéptidos ) son sustancias orgánicas de alto peso molecular que consisten en alfa- aminoácidos conectados en una cadena por un enlace peptídico . En los organismos vivos, la composición de aminoácidos de las proteínas está determinada por el código genético ; en la mayoría de los casos, se utilizan 20 aminoácidos estándar en la síntesis . Muchas de sus combinaciones crean moléculas de proteína con una amplia variedad de propiedades. Además, los residuos de aminoácidos en las proteínas a menudo sufren modificaciones postraduccionales ., que puede ocurrir antes de que la proteína comience a realizar su función, y durante su "trabajo" en la célula. A menudo, en los organismos vivos, varias moléculas de diferentes proteínas forman complejos, como el complejo fotosintético.
· Las proteínas altamente purificadas forman cristales a bajas temperaturas, que se utilizan para estudiar las estructuras espaciales de estas proteínas.
Las funciones de las proteínas en las células de los organismos vivos son más diversas que las funciones de otros biopolímeros : polisacáridos y ADN . Por lo tanto, las proteínas enzimáticas catalizan el curso de las reacciones bioquímicas y juegan un papel importante en el metabolismo. Algunas proteínas tienen una función estructural o mecánica, formando un citoesqueleto que mantiene la forma de las células. Las proteínas también juegan un papel clave en los sistemas de señalización celular , en la respuesta inmune y en el ciclo celular .
Las proteínas son una parte importante de la nutrición animal y humana (las principales fuentes son la carne, las aves, el pescado, la leche, los frutos secos, las legumbres, los cereales; en menor medida: las verduras, las frutas, las bayas y las setas), ya que todos los aminoácidos esenciales y parte debe venir con alimentos proteicos. Durante la digestión, las enzimas descomponen las proteínas ingeridas en aminoácidos, que se utilizan para biosintetizar las propias proteínas del cuerpo o se descomponen aún más para obtener energía.
La determinación de la secuencia de aminoácidos de la primera proteína, la insulina , mediante la secuenciación de proteínas le valió a Frederick Sanger el Premio Nobel de Química en 1958 . Las primeras estructuras tridimensionales de proteínas de hemoglobina y mioglobina fueron obtenidas por difracción de rayos X , respectivamente, por Max Perutz y John Kendrew a fines de la década de 1950 , por lo que recibieron el Premio Nobel de Química en 1962 .
Historia del Estudio de las Proteínas
La proteína fue obtenida por primera vez (en forma de gluten ) en 1728 por el italiano Jacopo Bartolomeo Beccari a partir de harina de trigo. Las proteínas se aislaron como una clase separada de moléculas biológicas en el siglo XVIII como resultado del trabajo del químico francés Antoine de Fourcroix y otros científicos, en el que se demostró la propiedad de las proteínas de coagularse ( desnaturalizarse ) bajo la influencia del calor o los ácidos . En ese momento se investigaron proteínas como la albúmina ("clara de huevo"), la fibrina (una proteína de la sangre ) y el gluten de un grano de trigo .
A principios del siglo XIX ya se obtenía cierta información sobre la composición elemental de las proteínas, se sabía que los aminoácidos se forman durante la hidrólisis de las proteínas. Algunos de estos aminoácidos (p. ej., glicina y leucina ) ya se han determinado. El químico holandés Gerrit Mulder , basándose en el análisis de la composición química de las proteínas, planteó la hipótesis de que casi todas las proteínas tienen una fórmula empírica similar . En 1836, Mulder propuso el primer modelo para la estructura química de las proteínas. Basado en la teoría de los radicales , después de varias aclaraciones, llegó a la conclusión de que la unidad estructural mínima de una proteína tiene la siguiente composición: C 40 H 62 N10 O 12 . Llamó a esta unidad "proteína" (Pr) (del griego protos - primero, primario ), y la teoría - "teoría de la proteína" . El término "proteína" en sí mismo fue propuesto por el químico sueco Jacob Berzelius. Según las ideas de Mulder, cada proteína consta de varias unidades proteicas, azufre y fósforo. Mulder también estudió los productos de degradación de las proteínas - aminoácidos, y para uno de ellos ( leucina ), con un pequeño margen de error, determinó el peso molecular - 131 daltons .. A medida que se acumularon nuevos datos sobre las proteínas, la teoría de las proteínas comenzó a ser criticada, pero a pesar de esto, todavía se consideraba generalmente aceptada hasta finales de la década de 1850.
§ Unidad de masa atómica
§ La unidad de masa atómica unificada o dalton es una unidad estándar de masa definida como la décimo segunda parte de la masa de un átomo, neutro y no enlazado, de carbono-12, en su estado fundamental eléctrico y nuclear, y equivale a 1.660 5402×10⁻²⁷ kg. La masa de 1 mol de unidades de masa atómica equivale a 1 g
A fines del siglo XIX, se investigaron la mayoría de los aminoácidos que componen las proteínas. A fines de la década de 1880. El científico ruso A. Ya. Danilevsky observó la existencia de grupos peptídicos (CO-NH) en la molécula de proteína. En 1894, el fisiólogo alemán Albrecht Kossel presentó una teoría según la cual los aminoácidos son los principales elementos estructurales de las proteínas. A principios del siglo XX, el químico alemán Emil Fischer demostró experimentalmente que las proteínas consisten en residuos de aminoácidos conectados por enlaces peptídicos . También realizó el primer análisis de la secuencia de aminoácidos de una proteína y explicó el fenómeno de la proteólisis .
Sin embargo, el papel central de las proteínas en los organismos no fue reconocido hasta 1926 , cuando el químico estadounidense James Sumner (luego Premio Nobel de Química) demostró que la enzima ureasa es una proteína .
La dificultad de aislar proteínas puras dificultó su estudio. Por lo tanto, los primeros estudios se llevaron a cabo utilizando aquellos polipéptidos que podían purificarse fácilmente en grandes cantidades, es decir, proteínas sanguíneas, huevos de gallina, varias toxinas y enzimas digestivas/metabólicas liberadas después del sacrificio. A fines de la década de 1950, Armor Hot Dog Co. fue capaz de purificar un kilogramo de ribonucleasa A pancreática bovina, que se ha convertido en un objeto experimental para muchos estudios.
La idea de que la estructura secundaria de las proteínas es el resultado de la formación de enlaces de hidrógeno entre los residuos de aminoácidos fue propuesta por William Astbury en 1933 , pero Linus Pauling es considerado el primer científico que pudo predecir con éxito la estructura secundaria de las proteínas. Más tarde , Walter Kauzman , apoyándose en el trabajo de Kai Linnerström-Lang , hizo una contribución significativa a la comprensión de las leyes de formación de la estructura terciaria de las proteínas y el papel de las interacciones hidrofóbicas en este proceso . A fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, Frederick Sanger desarrolló un método para la secuenciación de proteínas ., con el que determinó la secuencia de aminoácidos de dos cadenas de insulina en 1955 , demostrando que las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos, y no cadenas ramificadas (como en algunos azúcares ), coloides o cicloles . La primera proteína cuya secuencia de aminoácidos fue establecida por científicos soviéticos/rusos fue la aspartato aminotransferasa en 1972.
Las primeras estructuras espaciales de proteínas obtenidas por difracción de rayos X (análisis estructural de rayos X) se conocieron a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, y las estructuras se descubrieron mediante resonancia magnética nuclear en la década de 1980. En 2012, el Protein Data Bank contenía alrededor de 87 000 estructuras de proteínas.
En el siglo XXI, el estudio de las proteínas se ha movido a un nivel cualitativamente nuevo, cuando no solo se estudian las proteínas purificadas individuales, sino también el cambio simultáneo en el número y las modificaciones postraduccionales de una gran cantidad de proteínas de células individuales , tejidos o organismos completos. Esta área de la bioquímica se llama proteómica . Con la ayuda de métodos bioinformáticos , fue posible no solo procesar datos de difracción de rayos X , sino también predecir la estructura de una proteína en función de su secuencia de aminoácidos. En la actualidad, la microscopía crioelectrónica de grandes complejos proteicos y la predicción de las estructuras espaciales de los dominios proteicos con la ayuda de programas informáticos se aproximan a la precisión atómica.
Propiedades
El tamaño
El tamaño de una proteína se puede medir en el número de residuos de aminoácidos o en daltons ( peso molecular ), pero debido al tamaño relativamente grande de la molécula, la masa de la proteína se expresa en unidades derivadas: kilodaltons (kDa). Las proteínas de levadura , en promedio, constan de 466 residuos de aminoácidos y tienen un peso molecular de 53 kDa. La proteína más grande actualmente conocida, la titina , es un componente de los sarcómeros musculares ; el peso molecular de sus diversas variantes (isoformas) varía en el rango de 3000 a 3700 kDa. La titina del músculo sóleo ( lat. soleus ) de un ser humano consta de 38.138 aminoácidos.
Para determinar el peso molecular de las proteínas se utilizan métodos como la filtración en gel , la electroforesis en gel de poliacrilamida , el análisis espectrométrico de masas, el análisis de sedimentación , entre otros .
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