PEPSINA

Belén Segovia, Nicolás Redondo, Paula Ruano

Estudio sobre la estructura, función y usos de las pepsinas.

La pepsina es una proteína de carácter y función enzimática que se encarga de hidrolizar las proteínas ingeridas en el estómago. Se considera endopeptidasa porque rompe proteínas y las transforma en peptidasas. Es una proteína peculiar, ya que  su rango funcional, en cuanto a escalas de pH, se sale en gran medida de la media en otras proteínas. Se localiza en el estómago, donde es creada, y es una de las principales enzimas digestivas junto con la quimiotripsina y la tripsina.

ÍNDICE

  1. Descubrimiento.
  2. Evolución de la pepsina.
  3. Estructura y función. ¿Dónde se crea?
  4. Papel biotecnológico y biomédico.
  5. Curiosidades.
  6. Bibliografía.

1. Descubrimiento

Resultado de imagen de theodor schwann

Imagen 1. Theodor Schwann
https://jralonso.es/theodor-schwann-3/ (Última visita el 05/12/19)

Fue descubierta por Theodor Schwann en 1836. Llamó a la enzima Pepsis,procedente de la palabra griega Peptein,que significa “digerir”.

Fue la primera enzima animal descubierta. También fue una de las primeras enzimas en ser cristalizada (hecho por John H. Northrop en 1929, obteniendo por ello el Premio Nobel), y estudiada con difracción de rayos X. Esto permitió en mitad de la década de los 70 configurar la estructura de la proteína.

A mediados del siglo 19 se descubrió que la pepsina rompía las proteínas convirtiéndolas en péptidos. Tras esto se estableció la naturaleza proteica de las enzimas. Asimismo, cuando Sumner, Northrop y Stanley fueron galardonados con el premio nobel en 1946 aparecieron nuevos métodos de cristalización y la cromatografía, gracias a los cuales las secuencias de aminoácidos de la pepsina se secuenciaron. No fue hasta 1959 que las pepsinas B y C porcinas fueron primeramente aisladas y  por Ryle y Porter. Hoy en día, ha resurgido un nuevo interés por esta enzima debido a que se ha reconocido la VIH-proteasa como parte del grupo de las proteasas aspárticas. La secuencia de aminoácidos de la pepsina porcina fue determinada por Tang y Moravek y Kostka y posteriormente confirmada gracias al análisis del ADNc por Tsukagoshi et al. (1988) and Lin et al. (1989).

2. Evolución de la pepsina

Según un estudio de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla, publicado en la revista BMC Bioinformatics demuestra que las proteínas evolucionan estrechamente ligadas a los compartimentos celulares donde tienen su función. El estudio de la evolución de estas está relacionado intrínsecamente con la evolución natural de las especies de las que forma parte y sus necesidades específicas adaptativas. 

Los estudios realizados para la investigación de la evolución en proteínas siguen métodos muy distintos, desde la comparación de secuencias de codones y aminoácidos, a comparación de pérdidas y duplicaciones en la secuencia, comparación de estructuras… Hay propuestas alternativas, como la comparación del cociente entre entre secuencias sinónimas y no sinónimas, usando el métodos del mayor parecido propuesto por Yang.  El método más usado para esta comparación es el análisis filogenético, que combina varias de las propuestas anteriores. Luego este se trata de complementar con otros métodos para unos mejorar los resultados. 

Los resultados mostraron una notable diferencia en el desarrollo evolutivo entre organismos  dentro de la familia de las pepsinas de unas especies a otras. Asimismo se comprobó las diferencias en familia de los pepsinógenos que se aproximan también a la línea evoluctiva de la pepsina.

Imagen 2: Familia de los pepsinógenos
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003986102002096 (Última visita el 05/12/19)

La imagen muestra un árbol genealógico de la pepsina.

En la Imagen 2 se ven la familia de los pepsinógenos. Así se comprueba que el árbol evolutivo hay un gran parecido entre pepsinas de animales cercanos evolutivamente entre sí, como el mono y el humano.

3. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN

Imagen 3: Estructura tridimensional de la pepsina (obtenida del Protein Data Bank)

Inicialmente se pretendía separar ambos apartados (estructura y función) pero debido al total ligamiento entre ambos hemos preferido comentarlo conjuntamente.

La pepsina es una enzima digestiva hidrolasa, que se encarga de romper los péptidos de la proteína, por eso necesita trabajar con pH ácidos (1-5). Tiene una estructura peculiar delimitada por su función. Es la primera de una serie de enzimas que utilizan sus centros activos para digerir las proteínas consumidas. Posteriormente otras enzimas continúan descomponiendo péptidos en el intestino. La mayor efectividad de la pepsina sucede cuando se adhiere entre  aminoácidos hidrófobos y aromáticos como phenylalanine, tryptophan, and tyrosine. La diferencia fundamental entre las proteínas y las enzimas es que las proteínas se definen en base a su composición química, una cadena de aminoácidos con estructura. En cambio el término enzima liga a la proteína con su función biológica, específicamente en la catálisis de procesos bioquímicos.

La pepsina es una proteína aspártica, lo que quiere decir que en su estructura usa como catalizador el aspartato en su centro activo. Esto es fundamental en la estructura, y por lo tanto, función de la proteína, ya que el aspartato es un aminoácido de carga negativa y polar. Que tenga carga negativa implica que puede interactuar con cationes y átomos no proteínicos, y que se vea muy bien en la electroforesis, por lo que es útil a la hora de estudiarlo. El glutamato, de estructura similar, es menos rígido que el aspartato, lo que lo hace idóneo para enlazarse en los centros activos de determinadas proteínas.  

Además, la pepsina es una proteína monomérica con dos dominios con una arquitectura de barril beta. El sitio activo de la enzima contiene dos residuos de aspartato. Para activarse, uno de estos residuos de aspartato debe protonarse, mientras que el otro debe desprotonarse. Esto ocurre entre el pH ácido (pH 1-5) proporcionado por el HCl en el jugo gástrico. Así sucede el paso de pepsinógeno a pepsina activa. Sin embargo, por encima de pH 7, la pepsina se desnaturaliza irreversiblemente. 

Las láminas beta de la estructura de la proteína son antiparalelas. En la corteza enzimática hay un conjunto de hélices alfa que aportan la solubilidad a la proteína por la menor compactación con respecto a las láminas beta. Así, la pepsina, como la mayoría de las enzimas, es soluble, y por lo tanto funcional en agua y no en disolventes orgánicos. Sin embargo, pueden darse casos de enzimas como la quimotripsina (también presente en el estómago), polifenol oxidasa, peroxidasa y determinadas lipasas pueden llevar a cabo su actividad enzimática en disolventes orgánicos.La molécula  entera está constituida  esencialmente de láminas  ẞ-antiparalelas y hay sólo 3 o 4 pequeñas  regiones de a-hélice, conteniendo de 1.5 a 2.5 giros.  Una característica general es la presencia de varios giros-p (en  forma de horquilla).El núcleo es de carácter hidrofóbico y está envuelto por láminas b en distintos lobulos

Imágen 4: Estructura de la pepsina

Todas las proteínas ácidas tienen una estructura similar, lo único que varía es la especificidad del sitio activo, el grado de los giros phi y psi, algunos residuos… Pero la base de la estructura se mantiene similar en la mayoría, ya que está especializada en no desnaturalizarse en presencia de protones. Las proteínas aspárticas a las que pertenece la pepsina emplean un residuo de ácido aspártico en su centro activo para romper el enlace peptídico por hidrólisis.

La pepsina se almacena como pepsinógeno en gránulos en las células de la zimógenas del estómago. Este se activa al entrar en contacto con los acidos estomacales con un ph inferior a 4.5 y se desnaturalizan fácilmente por encima de un ph 7. Como antes se ha visto en el árbol genealógico, tanto la pepsina como el pepsinógeno están estrechamente relacionados. 

La pepsina tiene preferencia por los aminoácidos L, aminoácidos carboxílicos y aromáticos. La pepsina rompe el extremo c terminal del enlace peptídico con los residuos fenilalanina y en cierta medida el ácido glutámico pero nunca la valina, alanina y glicina.

¿Dónde se crea?

La pepsina se encuentra en el estómago a un pH muy ácido citado anteriormente y unas temperaturas que oscilan entre los 37 y 40ºC. Su función consiste en digerir proteínas, sin embargo tan solo un 20% de ellas son degradadas ahí. Su papel está centrado en romper los enlaces hidrófobos del terminal N presente en los aminoácidos aromáticos que forman parte de muchas proteínas provenientes de los alimentos.

La pepsina se crea a partir del pepsinógeno, proteína precursora de la pepsina, que se segrega en las células zimogénicas de las glándulas fúndicas del estómago. Cuando el pepsinógeno entra en contacto con el ácido clorhídrico del estómago, este se activa y se transforma en pepsina. Para digerir los péptidos, estos trabajan a pH extremadamente ácidos, lo que sugiere un problema para el organismo que las porta. Por ello, cuando son las enzimas  segregadas en el estómago lo hacen como un zimógeno que está en forma inactiva y se denomina pepsinógeno que no daña las paredes del estómago. Además el estomago segrega una mucosa para protegerse del pH ácido.

La pepsina solo es capaz de trabajar a pH ácido, de hecho, a pH básicos o neutros se desnaturaliza. Por esta razón cunado el alimento en el bolo alimenticio pasa del estómago al duodeno, la pepsina se inactiva al encontrar un medio intestinal con pH básico.

Por otro lado, también actúa en la sangre. Sin embargo no hay un consenso entre los investigadores con respecto a esta acción.

Imágen 5: Acción de la pepsina en el estómago.
https://accessmedicina.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2163&sectionid=162712405 (05/12/19)
Imágen 6: Transformación de Pepsinógeno en Pepsina
http://tustareas.lat/index.php/quimica/item/8460-que-es-el-pepsinogeno (05/12/19)

La pepsina tiene un gran número de efectos en distintas partes del cuerpo como en la boca del estómago, que es producido por el reflujo gástrico. A parte, también puede tener «efecto irritativo en el árbol bronquial y favorecer la constricción de la vía respiratoria, desencadenando la sintomatología típica de esta enfermedad: dificultad respiratoria, tos, sibilancias y cianosis».

4. Papel biotecnológico y biomédico

La pepsina, debido al papel bioquímico que ejerce en el estómago y con el avance de la biotecnología y biomedicina, tiene múltiples aplicaciones y escenarios donde resulta de gran utilidad. 

Industria alimentaria

La pepsina más utilizada en la industria es de origen porcino, vacuno y microbiano. Así, destaca su uso en la industria cervecera,  para licuar la pasta de malta, evitar la turbidez durante la conservación de ciertos productos. Otro papel en esta industria es en el procesamiento de proteína de soja y gelatina, o como sustituyente del cuajo en la elaboración de quesos. También se emplea en la elaboración de batidos e hidrolizados proteicos, cereales precocidos o bebidas saborizantes.

Industria textil

En la industria textil se emplea para procesar el cuero, eliminando restos no deseados como grasa o cabello y consiguiendo una mejor calidad del cuero.También se emplea en la recuperación de plata de películas fotográficas.

 Uso médico

Su papel en este ámbito es muy amplio: digestión de anticuerpos, preparación de colágeno con fines cosméticos, evaluación de la digestibilidad de las proteínas en la química de los alimentos…

También tiene un papel en la investigación científica, concretamente en el estudio de los anticuerpos, el cual todavía está en desarrollo. La pepsina se emplea para dividir los anticuerpos en “fragmentos funcionales de unión a antígeno”, de manera que no sea necesario utilizar el anticuerpo completo. En especial destaca la hidrólisis de IgG (obtención de fragmentos F(ab´)2) y como agente terapéutico en la regulación de la digestión

Pero el uso de la pepsina en la biomedicina se remonta a años atrás, cuando, por ejemplo, en el siglo XIX, se elaborójo el jarabe de pepsina, un laxante elaborado a partir de pepsina y sena.   

 La presencia de pepsina en la saliva se utiliza actualmente para diagnosticar reflujo gástrico y acidez excesiva de estómago

También se han realizado otras investigaciones con la pepsina, que tienen varias aplicaciones en procesos industriales. Entre ellas, aislaron la pepsina porcina en perlas de quitosano, consiguiéndolo de manera exitosa. Se mostró que esta pepsina tiene una mayor resistencia contra la desnaturalización térmica, siendo esta mayor que la que posee la pepsina libre.

5. Curiosidades

¿Sabías que hay chicles que contienen pepsina?

El consumo de chicles se popularizó en el siglo XX, pero debido a la dificultad para mantener el sabor se combinó el azúcar y el jarabe de maíz con el chicle y se añadieron menta y hierbabuena. El Dr. Edward Beeman elaboró  un chicle al que añadió polvo de pepsina que con la intención de que fuera una ayuda digestiva, revolucionando así el concepto de chicle. Este tipo de goma de mascar todavía está disponible hoy en día.

El chicle tiene acción directa sobre el estómago por el efecto que tiene el masticarlo al hacer que se acumulen gases. Además se segregan sustancias que inhiben la sensación de hambre.

Imagen 7: Imagen publicitaria de chicle con pepsina
https://www.alamy.es/imagenes/beech-nut-gum.html (05/12/19)
¿A qué se debe el nombre de la Pepsi-Cola?

La Pepsi-Cola fue elaborada por primera vez en el siglo XIX por el farmacéutico Caleb Bradham con la intención de tratar la indigestión. Para ello añadió pepsina a la receta junto con las nueces de cola. De ahí procede el nombre de esta popular bebida.

Resultado de imagen de anuncios pepsi cola 1940
Imagen 7: Imagen publicitaria de Pepsi-Cola (1940)
https://bit.ly/2RktNWB (05/12/19)

6. Bibliografía

  • Ayala Aceves, Marcela (2015) «Sobre proteínas, bioterapéuticos y biotecnología» Instituto de Biotecnología, UNAM (https://www.acmor.org.mx/?q=content/sobre-prote%C3%ADnas-bioterap%C3%A9uticos-y-biotecnolog%C3%ADa)
  • B.Chandana (April 2019) «A Study on brand positioningof Pepsi in Hyderabad» International Journal of 360 Management Review, Vol. 07, Issue 01, ISSN: 2320-7132 (http://www.ij360mr.com/docs/vol7/ap19(71).pdf)
  • Inna S. Povolotskaya & Fyodor A. Kondrashov (2010). “Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe” DOI: 10.1038/nature09105 (https://www.oei.es/historico/divulgacioncientifica/noticias_334.htm)
  • Roberts, NB. (2006) «Human pepsins – their multiplicity, function and role in reflux disease.» Aliment Pharmacol Ther. 15;24(10):1506. PMID: 16939427 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16939427)
  • Worthington Biochemical Corp. (1993) . «Worthington Enzyme Manual», New Jersey (http://www.worthington-biochem.com/PM/)
  • https://proteopedia.org/wiki/index.php/Pepsin (Última visita 05/12/19)
  • https://www.lifeder.com/pepsina/ (Última visita el 05/12/19)
  • https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003986102002096 (Última visita el 05/12/19)