Temario gratis › Biología - 2.º Bachillerato

Proteínas: estructura y función

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Introducción

Las proteínas son las biomoléculas orgánicas más abundantes de la célula (alrededor del 50 % de su peso seco) y las más versátiles: forman estructuras, aceleran reacciones, transportan sustancias, defienden al organismo y regulan su funcionamiento. Están formadas por C, H, O y N, y casi siempre también S. En esta lección estudiarás sus unidades (los aminoácidos), el enlace que las une, sus cuatro niveles de estructura, sus propiedades y sus funciones, contenidos clave de la PAU.

Explicación

1. Los aminoácidos. Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Todos comparten un carbono α unido a un grupo amino (–NH₂), un grupo carboxilo (–COOH), un hidrógeno y una cadena lateral (R) que es distinta en cada uno. Las proteínas de los seres vivos se construyen con 20 aminoácidos proteinogénicos (más dos poco frecuentes, selenocisteína y pirrolisina). Salvo la glicina, todos tienen el carbono α asimétrico y presentan estereoisomería; en las proteínas son siempre de la serie L.

En disolución acuosa forman un ion dipolar (zwitterion) y tienen carácter anfótero: actúan como ácido o como base según el pH. El pH en el que la carga neta es cero es el punto isoeléctrico (pI); por debajo de él el aminoácido tiene carga neta positiva y por encima, negativa. Según su cadena R se clasifican en apolares, polares sin carga, ácidos (carga negativa) y básicos (carga positiva). Los que el organismo no puede sintetizar son esenciales y deben tomarse con la dieta.

2. El enlace peptídico. Es un enlace covalente de tipo amida entre el –COOH de un aminoácido y el –NH₂ del siguiente, con liberación de una molécula de agua (condensación). Tiene carácter parcial de doble enlace, por lo que no permite el giro: los átomos que lo forman quedan en un mismo plano rígido, en configuración trans. La cadena tiene un extremo N-terminal y otro C-terminal.

3. Niveles estructurales.

4. Propiedades. Dependen de las cadenas R expuestas: solubilidad (las globulares forman dispersiones coloidales), capacidad amortiguadora del pH, especificidad (cada especie e individuo tiene proteínas propias, base del rechazo de trasplantes) y desnaturalización: el calor, los cambios de pH o ciertas sustancias rompen los enlaces que mantienen las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, y la proteína pierde su forma y su función. La estructura primaria se conserva porque los enlaces peptídicos no se rompen. Si el cambio es suave, a veces es reversible (renaturalización).

5. Funciones. Estructural (colágeno, queratina), enzimática (la mayoría de las enzimas), transporte (hemoglobina, lipoproteínas), hormonal (insulina), defensiva (inmunoglobulinas o anticuerpos), contráctil (actina y miosina), de reserva (ovoalbúmina, caseína) y homeostática. Según su composición pueden ser holoproteínas (solo aminoácidos) o heteroproteínas (con un grupo prostético no proteico, como el grupo hemo).

Ejemplo

Ejemplo 1. Contar enlaces en un péptido. ¿Cuántos enlaces peptídicos tiene un pentapéptido y cuántas moléculas de agua se liberan al formarlo?

Ejemplo 2. Carga de un aminoácido según el pH. La glicina tiene un pI de aproximadamente 6,0. ¿Hacia qué electrodo migra a pH 2 y a pH 10?

Ejercicios

Un polipéptido lineal de 150 aminoácidos se forma por condensación. ¿Cuántos enlaces peptídicos tiene y cuántas moléculas de agua se liberaron al formarlo?

Una proteína globular se calienta a 90 °C y se desnaturaliza. ¿Qué nivel estructural se conserva?


Material adicional

Metabolismo celular: catabolismo y anabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células. Se divide en catabolismo (reacciones de degradación que liberan energía) y anabolismo (reacciones de síntesis que requieren energía).

La moneda energética de la célula es el ATP (adenosín trifosfato). Al hidrolizarse el enlace entre el segundo y tercer fosfato, se libera energía que la célula utiliza para realizar trabajo: ATP → ADP + Pᵢ + energía.

Catabolismo: la respiración celular

La respiración celular aerobia es el proceso por el que la glucosa se oxida completamente con O₂ para producir CO₂, H₂O y energía (ATP). La ecuación global es:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ~30-32 ATP

Se desarrolla en tres etapas:

1. Glucólisis (citoplasma): La glucosa (6C) se rompe en dos moléculas de piruvato (3C). Rendimiento neto: 2 ATP (por fosforilación a nivel de sustrato) y 2 NADH. No requiere O₂ (anaeróbica).

2. Ciclo de Krebs (matriz mitocondrial): Cada piruvato se descarboxila (pierde un CO₂) y se une a la coenzima A, formando acetil-CoA (2C). El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, una serie de reacciones donde se oxida completamente. Por cada acetil-CoA se producen: 2 CO₂ + 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP (≈1 ATP). Como hay 2 piruvatos por glucosa, se multiplica por 2.

3. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa (membrana interna mitocondrial, crestas): Los electrones del NADH y FADH₂ pasan por una cadena de complejos proteicos (I, II, III, IV) y coenzimas móviles (ubiquinona, citocromo c). La energía liberada se usa para bombear H⁺ desde la matriz al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Los H⁺ vuelven a la matriz a través de la ATP sintasa (complejo V), que aprovecha el flujo de protones para sintetizar ATP (quimiósmosis, modelo de Peter Mitchell). El aceptor final de electrones es el O₂, que se reduce a H₂O. Rendimiento: ~26-28 ATP por glucosa.

EtapaLocalizaciónReactivosProductos (por glucosa)ATP neto
GlucólisisCitoplasmaGlucosa, 2 NAD⁺, 2 ADP2 Piruvato, 2 NADH, 2 ATP2
Ciclo de KrebsMatriz mitocondrial2 Acetil-CoA, 6 NAD⁺, 2 FAD, 2 GDP4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP2
Fosforilación oxidativaCrestas mitocondriales10 NADH, 2 FADH₂, O₂H₂O, ~26-28 ATP~26-28

Fermentaciones (catabolismo anaeróbico)

Cuando no hay O₂, la célula puede obtener energía mediante fermentación: la glucólisis seguida de una reacción que regenera el NAD⁺:

• Fermentación alcohólica (levaduras): Piruvato → etanol + CO₂. Aplicaciones: pan (CO₂ hace subir la masa), cerveza, vino.

• Fermentación láctica (bacterias lácticas, células musculares): Piruvato → ácido láctico. Aplicaciones: yogur, queso. En los músculos, durante el ejercicio intenso, se produce ácido láctico cuando la demanda de O₂ supera el suministro.

Rendimiento de la fermentación: solo 2 ATP por glucosa (vs. ~30-32 de la respiración aerobia).

Anabolismo: la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso anabólico por el que las plantas, algas y cianobacterias sintetizan materia orgánica a partir de CO₂ y H₂O, usando la energía de la luz solar:

6 CO₂ + 6 H₂O + energía luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Fase luminosa (tilacoides):

1. La luz es absorbida por los fotosistemas II (P680) y I (P700), que contienen clorofila y pigmentos accesorios.

2. Fotólisis del agua (en FSII): 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. El O₂ se libera como subproducto.

3. Los electrones viajan por la cadena de transporte fotosintética (plastoquinona, complejo citocromo b₆f, plastocianina) hasta el FSI.

4. El transporte de electrones genera un gradiente de H⁺ que impulsa la ATP sintasa (fotofosforilación).

5. En el FSI, los electrones reducen el NADP⁺ a NADPH (gracias a la ferredoxina y la NADP⁺ reductasa).

Productos de la fase luminosa: ATP + NADPH + O₂.

Fase oscura / Ciclo de Calvin (estroma):

1. Fijación del CO₂: La enzima RuBisCO fija el CO₂ uniéndolo a la ribulosa-1,5-bisfosfato (5C), produciendo dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3C).

2. Reducción: El 3-fosfoglicerato se reduce a gliceraldehído-3-fosfato (G3P) usando ATP y NADPH de la fase luminosa.

3. Regeneración: Parte del G3P regenera la ribulosa-1,5-bisfosfato, completando el ciclo.

4. Síntesis: Parte del G3P se usa para sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas.

Por cada 3 CO₂ fijados, se forma 1 molécula de G3P «neta» (se necesitan 6 CO₂ para 1 glucosa).

🖼️ Diagrama / Esquema
Diagrama de la respiración celular: glucólisis en el citoplasma (glucosa → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH), piruvato entra en la mitocondria → acetil-CoA → ciclo de Krebs (CO₂, NADH, FADH₂, GTP), cadena de transporte de electrones en las crestas mitocondriales (NADH/FADH₂ → gradiente de H⁺ → ATP sintasa → ATP, O₂ → H₂O). Al lado, diagrama de la fotosíntesis: fase luminosa en tilacoides (luz → FSII → cadena → FSI → ATP + NADPH + O₂) y ciclo de Calvin en estroma (CO₂ + RuBP → G3P → glucosa).
📌 Recuerda
Catabolismo: respiración celular (glucólisis + Krebs + cadena respiratoria → ~30-32 ATP). Fermentación: solo glucólisis (2 ATP). Anabolismo: fotosíntesis (fase luminosa en tilacoides → ATP + NADPH; fase oscura / Calvin en estroma → glucosa).
🔬 Actividad de laboratorio
Fermentación alcohólica con levadura:
1. Prepara tres matraces Erlenmeyer con 100 mL de agua templada (35 °C).
2. Matraz A: agua + 5 g de azúcar + 5 g de levadura fresca.
3. Matraz B: agua + 5 g de levadura fresca (sin azúcar, control).
4. Matraz C: agua + 5 g de azúcar (sin levadura, control).
5. Coloca un globo en la boca de cada matraz y espera 30 minutos.
6. Observa: ¿en qué matraz se hincha el globo? (Solo en A: la levadura fermenta el azúcar y produce CO₂).
7. Explica por qué en B y C no se produce gas.
🤔 ¿Sabías que...?
Peter Mitchell fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1978 por su teoría quimiosmótica, que explica cómo la ATP sintasa aprovecha el gradiente de protones para sintetizar ATP. Cuando propuso la idea en 1961, fue ampliamente rechazada por la comunidad científica, pero finalmente los experimentos le dieron la razón. Es un ejemplo de cómo la ciencia puede tardar en aceptar ideas revolucionarias.
✏️ Ejercicios
1. ¿Qué es el ATP? ¿Por qué se le llama «moneda energética» de la célula?

2. Describe las tres etapas de la respiración celular aerobia: localización, reactivos y productos.

3. ¿Qué es la fosforilación oxidativa? Explica el papel de la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa.

4. ¿Cuántas moléculas de ATP se producen en total por la oxidación completa de una glucosa?

5. Compara la fermentación alcohólica y la fermentación láctica: productos, organismos y aplicaciones.

6. Describe la fase luminosa de la fotosíntesis: ¿dónde ocurre, qué entra y qué sale?

7. Describe el ciclo de Calvin: ¿dónde ocurre, qué entra y qué sale?

8. ¿Qué enzima fija el CO₂ en el ciclo de Calvin? ¿Por qué es tan importante?

9. ¿Cuántas moléculas de CO₂ necesita fijar el ciclo de Calvin para producir una molécula de glucosa?

10. Explica la teoría quimiosmótica de Mitchell: ¿cómo se genera el gradiente de protones y cómo se usa para sintetizar ATP?
📋 Resumen de la lección
  • Catabolismo: glucólisis (2 ATP, citoplasma) → ciclo de Krebs (2 ATP, matriz) → fosforilación oxidativa (~28 ATP, crestas). Total: ~30-32 ATP.
  • Fermentación: glucólisis + regeneración de NAD⁺. Alcohólica (etanol + CO₂) o láctica (ácido láctico). Solo 2 ATP.
  • Fotosíntesis — fase luminosa (tilacoides): luz + H₂O → ATP + NADPH + O₂.
  • Fotosíntesis — ciclo de Calvin (estroma): CO₂ + ATP + NADPH → G3P → glucosa.
  • ATP sintasa: aprovecha el gradiente de H⁺ (quimiósmosis) para sintetizar ATP tanto en la respiración como en la fotosíntesis.

Para profundizar más

Un aspecto esencial que no se ha desarrollado en detalle es la regulación de la actividad proteica a nivel de la enzima. Más allá de la disponibilidad de sustratos, las proteínas pueden ser moduladas mediante regulación alostérica, modificaciones postraduccionales (fosforilación, acetilación, ubiquitinación, etc.) y proteólisis controlada. Estas modificaciones alteran la conformación tridimensional de la enzima, modificando su afinidad por el sustrato (Km) o su velocidad máxima (Vmax) sin cambiar la cantidad de proteína presente. Comprender estos mecanismos es clave para entender cómo la célula adapta su metabolismo a cambios ambientales y a señales hormonales.

Ejemplo 1 – Rendimiento de ATP según el transportador de equivalentes de NADH.

En la respiración aerobia, los equivalentes de NADH generados en el citosol deben trasladarse a la matriz mitocondrial. Si la célula utiliza el shuttle malato‑aspartato, cada NADH citosólico produce unos 2,5 ATP; si emplea el shuttle glicerol‑fosfato, cada NADH citosólico produce unos 1,5 ATP.

Cálculo:
- NADH citosólico producido en glucólisis: 2.
- Con shuttle malato‑aspartato: 2 × 2,5 = 5 ATP.
- Con shuttle glicerol‑fosfato: 2 × 1,5 = 3 ATP.

Resultado: El rendimiento total de ATP por glucosa será unos 32 ATP con el shuttle malato‑aspartato y unos 30 ATP con el shuttle glicerol‑fosfato.
Ejemplo 2 – Efecto de un inhibidor competitivo sobre Km y Vmax.

Una enzima tiene Km = 5 µM y Vmax = 100 µmol·min⁻¹. Se añade un inhibidor competitivo que duplica el valor aparente de Km (es decir, reduce a la mitad la afinidad aparente).

Respuesta:
- En inhibición competitiva, Vmax permanece constante.
- El Km aparente se multiplica por (1 + [I]/K_i). Si ese factor vale 2, el Km aparente pasa a ser 10 µM.

Conclusión: La velocidad máxima no varía, pero se necesita una mayor concentración de sustrato para alcanzar la mitad de Vmax.
Para tenerlo aún más claro: El número de ATP obtenidos por molécula de glucosa (30‑32) depende del tipo de transportador de equivalentes de NADH que emplee la célula. En tejidos con alta demanda energética (como el corazón) predomina el shuttle malato‑aspartato, mientras que en el músculo esquelético es más frecuente el shuttle glicerol‑fosfato, lo que explica la variabilidad en los valores citados.

Más ejercicios

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la cadena de transporte de electrones es falsa?

En la fermentación alcohólica, ¿qué molécula se regenera para que la glucólisis pueda continuar?

¿Qué nivel estructural de la proteína determina principalmente la especificidad del sitio activo de una enzima?

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