Protein - Funció

Les proteïnes duen a terme funcions diverses i intervenen pràcticament en tots els processos vitals dels organismes biològics.

• Introducció
• Cel·lules
• Macromolecules
• Catàlisi de processos metabòlics
• Transferència d’energia
• Defensa
• Importància mèdica.

Introducció

Les proteïnes són unes de les molècules més remarcables en les ciències de la vida.

Per què? Primer, són les macromolècules més abundants a les cèl·lules, representant fins a ~50% de la massa seca d’una cèl·lula.

Segon, les cèl·lules i teixits contenen una varietat molt més gran de proteïnes funcionals que qualsevol altra classe de macromolècules.

Finalment, les proteïnes participen pràcticament en tots els aspectes de l’estructura i funció cel·lulars.

Les funcions de les proteïnes es poden agrupar en uns quants tipus, que es comentaran breument en els subapartats següents.

Algunes de les funcions s’encavalquen, com és d’esperar quan es tracta d’un sistema tan complex.

Cel·lules

La Terra està poblada per una enorme diversitat d’organismes, el nombre dels quals s’estima en milions.

Malgrat aquesta diversitat, que es manifesta en la morfologia, el comportament, la dieta i les formes de reproducció, hi ha un tret universal compartit per tots els organismes: tots estan formats per cèl·lules.

L’estructura cel·lular és superimportant per mantenir la vida perquè permet als organismes que construeixen distingir-se de l’entorn.

És a dir, l’estructura cel·lular crea un medi intern que difereix en les seves propietats físiques i químiques del medi extern.

La manifestació d’aquesta distinció és el que anomenem “processos vitals”, és a dir, la capacitat de la cèl·lula d’extreure energia del seu entorn, construir materials complexos i degradar residus, créixer, dividir-se, moure’s, etc.

La singularitat de les cèl·lules biològiques no s’expressa en la seva composició atòmica, sinó en la manera com aquests àtoms estan organitzats en forma de molècules. Mentre que l’entorn inanimat de les cèl·lules està format per molècules simples com l’aigua (H₂O), els gasos (O₂, N₂, CO₂), metalls i minerals; en canvi, les cèl·lules, que formen éssers vius també contenen molècules molt complexes creades per elles mateixes.

En particular, les cèl·lules són riques en molècules molt complexes anomenades macromolècules, que poden contenir des de milers fins a milions d’àtoms.

Com veurem més endavant, les macromolècules estan construïdes a partir de blocs de construcció orgànics bàsics, cadascun amb propietats úniques que permeten l’existència de les macromolècules (i de la vida) — la tendència a autoassemblar-se. És a dir, aquestes petites molècules orgàniques tendeixen a reaccionar químicament i a interactuar físicament entre elles per formar molècules més grans i més complexes..

Macromolecules

Hi ha tres tipus de macromol·lecules: proteines, àcids nucleics, i carbohidrats. Són responsables dels aspectes més bàsics dels processos vitals.

S’estima que el cos humà conté només uns 20.500 gens però aproximadament 100.000 proteïnes diferents, i mètodes bioquímics de detecció indiquen que cada cèl·lula pot expressar fins a 15.000 proteïnes distintes.

Catàlisi de processos metabòlics

Els organismes vius mantenen una gran varietat de processos metabòlics que els permeten créixer o dividir-se, extreure energia dels aliments, construir materials complexos, descompondre productes de rebuig, desintoxicar substàncies nocives, etc.

Aquests processos metabòlics, que són responsables de sostenir la vida en tots els organismes, impliquen milers de reaccions químiques que les cèl·lules i els teixits executen tant simultàniament com de manera consecutiva. Moltes d’aquestes reaccions tenen lloc fàcilment, ja que els seus productes són més estables (és a dir, tenen menys energia lliure) que els seus reactius.

Tanmateix, les necessitats moleculars de l’organisme exigeixen que aquestes reaccions es completin en una escala de temps d’entre 10⁻⁵ i 10² segons. En fort contrast, moltes reaccions químiques tenen semivides molt més llargues, que poden abastar des de minuts fins a milions d’anys. Òbviament, al llarg dels seus llargs processos evolutius, els organismes vius han desenvolupat mecanismes per accelerar les reaccions químiques que tenen lloc.

Aquesta reacció química transforma els reactius en productes mitjançant un estat de transició de curta durada i d’alta energia. L’energia necessària perquè un reactiu es converteixi en el seu estat de transició s’anomena energia d’activació (𝐸𝑎), i la velocitat de la reacció depèn directament de la magnitud d’aquesta energia, així com de la temperatura.

En altres paraules, els reactius han d’adquirir una energia igual o superior a l’energia d’activació per poder arribar a l’estat de transició i transformar-se en productes.

Una manera de permetre que un reactiu adquireixi prou energia d’activació és augmentar la temperatura fins a un valor molt alt. Tanmateix, aquest enfocament no és factible en els organismes vius, ja que existeixen i funcionen dins d’un marge de temperatura molt limitat.

Enzims

Els organismes han desenvolupat una gran varietat de proteïnes capaces d’accelerar (catalitzar) reaccions químiques. Aquestes “nanomàquines” catalítiques s’anomenen “enzims”.

Cada enzim accelera només un tipus específic de reacció, que implica un o més substrats específics.

Aquesta especificitat és el resultat de l’estructura tridimensional complexa de l’enzim; aquesta estructura inclou un centre actiu dissenyat específicament per unir únicament el substrat destinat de l’enzim (mitjançant interaccions no covalents), així com per executar només la reacció prevista.

L’especificitat sorprenent dels enzims constitueix un gran avantatge en l’entorn químic altament divers propi dels éssers vius; permet controlar la velocitat de cadascuna de les reaccions metabòliques regulant els enzims que les executen.

Transferència d’energia

Les cèl·lules i els teixits duen a terme un conjunt divers de processos necessaris per mantenir la vida en tots els organismes. Aquests processos inclouen la biosíntesi molecular, el transport de substàncies a través de membranes biològiques i el moviment. La majoria d’aquests processos no són espontanis i requereixen una aportació d’energia per poder-se dur a terme. Això vol dir que les cèl·lules han de ser capaces d’aprofitar l’energia disponible a l’ambient per mantenir-se vives. De fet, una gran part de l’activitat metabòlica de cada cèl·lula es dedica a extreure i processar energia de les fonts disponibles.

Tot i ser metabòlicament complexos, tots els organismes vius utilitzen almenys una de dues fonts d’energia disponibles: la química (és a dir, els aliments) i l’electromagnètica (és a dir, la radiació solar). En tots dos casos, dins la cèl·lula hi ha una maquinària complexa i multicomponent responsable d’utilitzar la font d’energia disponible. Alguns components d’aquesta maquinària són enzims que duen a terme reaccions catabòliques, en les quals les molècules dels aliments es degraden i s’oxiden simultàniament per extreure’n l’energia química emmagatzemada.

Tanmateix, també hi ha altres components proteics que tenen la funció de transferir eficientment l’energia extreta entre diferents compartiments cel·lulars, o al llarg d’una certa distància dins d’un mateix compartiment. Aquestes proteïnes no són enzims, ja que transfereixen energia en la seva forma pura (és a dir, com a electrons o radiació electromagnètica), sense causar cap canvi químic. L’energia s’emmagatzema finalment en forma d’ATP, que és la forma d’energia més accessible en els sistemes biològics i, per tant, sovint s’anomena la “moneda energètica universal”.

Ara bé, la utilització de l’energia bruta de la font per formar ATP es fa de manera gradual (per raons de regulació) mitjançant diferents processos de conversió d’energia.

Les dues principals formes d’aprofitament de l’energia en els organismes vius són la respiració i la fotosíntesi.

Defensa

Les cèl·lules contenen diferents mecanismes per combatre els patògens invasors.

Alguns d’aquests mecanismes són simples i es basen en enzims que reconeixen i destrueixen les molècules estranyes (per exemple, l’ARN de doble cadena, que només és present en els virus).

En els animals, llargs processos evolutius han conduït al desenvolupament d’un sistema de defensa altament eficient contra els patògens. Aquest sistema s’anomena “sistema immunitari” perquè és capaç de recordar els patògens que ja ha trobat i reaccionar tan ràpidament que l’animal infectat ni tan sols s’adona que ha estat compromès.

El sistema immunitari consta de dues branques.

1. La primera, la branca humoral, es basa principalment en els anticossos, molècules formades per glòbuls blancs anomenats limfòcits B, que patrullen el cos a través del sistema circulatori i localitzen elements estranys interactuant-hi específicament.

2. La segona branca, anomenada “branca cel·lular”, inclou els limfòcits T (alguns dels quals s’han esmentat més amunt). Aquests són glòbuls blancs formats a la medul·la òssia i es poden trobar al sistema circulatori, al sistema limfàtic, als teixits i en alguns fluids corporals (per exemple, la llet).

L’eficiència del sistema immunitari es deu a l’especialització de cadascun dels seus components i a l’ajustada cooperació entre ells.

Molts dels components del sistema immunitari són proteïnes, incloent-hi el TCR, els anticossos i les molècules MHC. Curiosament, aquestes molècules funcionalment diferents pertanyen al mateix grup de proteïnes, anomenat “immunoglobulines”. Les proteïnes que pertanyen a aquest grup tenen la mateixa estructura principal.

A més del TCR i el MHC, el grup de les immunoglobulines també inclou altres molècules unides a la membrana dels limfòcits, que ajuden a regular la resposta immunitària.

La branca humoral del sistema immunitari inclou, a més dels anticossos, un conjunt de proteïnes conegudes com a “sistema del complement”. Igual que els anticossos, les proteïnes del sistema del complement es troben a la sang i s’uneixen als patògens. Tanmateix, la resta del procés és diferent del cas dels anticossos: després d’unir-se al patogen, les proteïnes del complement s’uneixen entre elles i formen un complex letal. Aquest complex actua com un trepant molecular que perfora la membrana del patogen o bé en provoca la mort per altres mitjans indirectes.

Finalment, les proteïnes també intervenen en la comunicació a llarga distància entre les cèl·lules immunitàries i entre aquestes i altres cèl·lules del cos. Aquestes proteïnes, anomenades “citoquines”, són missatgers químics secretats per limfòcits activats o per altres glòbuls blancs. No només transmeten missatges entre limfòcits, sinó que també potencien les capacitats antivíriques d’altres cèl·lules (per exemple, en el cas de la citoquina anomenada “interferó”).

Importància mèdica.

A la taula següent s’enumeren algunes de les proteïnes més comunes dels eśsers vius, classificades pels tipus de funcions que exerceixen:

Com podeu veure, totes fan funcions fonamentals per preservar la salut dels éssers vius: les cel·lules, teixits, organismes…

Per això, moltes proteïnes són dianes farmacològiques importants per a molts medicaments.

Per exemple, els inhibidors de l’enzim convertidor d’angiotensina (ECA) s’utilitzen per tractar la hipertensió arterial, ja que bloquegen l’activitat de l’ECA, una proteïna que augmenta la pressió arterial.

Un altre exemple és la penicil·lina, que inhibeix una proteïna bacteriana essencial per a la síntesi de la paret cel·lular, provocant la mort del bacteri.