NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Una característica de las proteínas es que poseen estructura tridimensional bien definida. Una cadena polipeptídica estirada más o menos al azar no tiene actividad biológica.En cada tipo de proteínas la cadena polipeptídica se halla plegada adoptando una conformación tridimensional específica, la cual es necesaria para su función biológica específica o para su actividad.La función nace de la conformación, organización de los átomos de manera tridimensional en su estructura.Los niveles de organización estructural que se pueden distinguir en una proteína son: la estructura primaria, formada a partir del encadenamiento de los aminoácidos; la estructura secundaria, formada por el plegamiento de la cadena primaria; la estructura terciaria, cuando se pliega sobre sí misma la estructura secundaria, y la estructura cuaternaria, cuando varias cadenas con estructura terciaria constituyen subunidades que se asocian entre sí.

ESTRUCTURA PRIMARIALa estructura primaria es la disposición lineal de los aminoácidos que se unen mediante enlaces de tipo amídico (-CO-HN-), llamados enlaces peptídicos, que se establecen entre el grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido siguiente, lo que implica la pérdida de una molécula de agua.La estructura primaria viene determinada por el número, tipo y orden de los aminoácidos que se encuentran en la cadena polipeptídica, que a su vez está codificada en la secuencia de nucleótidos de la molécula de ADN.Cada péptido o polipéptido tienen una dirección, el inicio corresponde al extremo N-terminal, que posee un grupo amino libre (NH2) y finaliza por el

extremo C-terminal en el que se encuentra un grupo carboxilo (-COOH) libre, de manera que el eje o esqueleto del péptido, formado por la repetición de una unidad de seis átomos (-NH-CH-CO), es idéntico en todos ellos, lo que varía de unos péptidos a otros y, por extensión, de unas proteínas a otras y les confiere una individualidad propia es la ordenación o secuencia de las cadenas laterales ( R ). Cualquier variación en esta secuencia da lugar a proteínas diferentes. Al formarse el enlace peptídico entre aminoácidos se originan tres enlaces que se repiten:

N CEnlaces sencillos de rotación libre

C C carboxílico

C carboxílicoN Enlaces peptídico, carácter parcial de doble enlace, y no posee libertad de rotación

El carácter parcial de doble enlace del enlace peptídico impone ciertas restricciones en el plegamiento de la proteína; así, aunque los péptidos son estructuras flexibles capaces de efectuar rotaciones alrededor de los enlaces N-Cα y C-Cα, no pueden, sin embargo, efectuar torsiones alrededor de los enlaces peptídicos. Esta circunstancia determina que los átomos de cada enlace peptídico se encuentren en un mismo plano, por lo que el esqueleto de la cadena polipeptídica se asemeja más a una sucesión de placas planas articuladas que a un rosario de cuentas.Como la estructura primaria de un péptido determina los niveles superiores de organización, el conocimiento de la secuencia de aminoácidos es del mayor interés para el estudio de la estructura y función de las proteínas.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

A medida que se sintetizan las proteínas en los ribosomas, las cadenas polipeptídicas se pliegan hasta adoptar espontáneamente la conformación espacial más estable.En el proceso de plegamiento también participa un grupo de proteínas especializadas, llamadas chaperonas.La estructura secundaria de las proteínas consiste en el plegamiento de la estructura primaria debido a la infinidad de puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos –C=O de unos enlaces peptídicos y los grupos –NH de otros enlaces próximos, de manera que las cadenas laterales R distribuidas a lo largo de la cadena peptídica adoptan determinadas posiciones en el expacio.La estructura secundaria permite relacionar entre si aminoácidos no enlazados secuencialmente. Según esto, se pueden distinguir varios tipos de conformaciones que determinan la estructura secundaria de un péptido.Hélice-Es una estructura semejante a un cilindro. La cadena polipeptídica principal se encuentra estrechamente enrolla a lo largo de un eje mayor, formando la parte interior del cilindro y las cadenas laterales se extienden hacia fuera en una disposición helicoidal.

La hélice- queda estabilizada por puentes de H entre los grupos NH y CO de los enlaces peptídico de la cadena

principal.El grupo CO de cada aminoácido está enlazado por puentes de hidrógeno al grupo NH del aminoácido que vienen situado cuatro aminoácidos más adelante en la secuencia lineal. De esta manera todos los grupos CO y NH de la cadena principal quedan enlazados por puentes o enlaces de hidrógeno.

Existe una periodicidad según la cual cada vuelta del helicoide implica a 3,6 aminoácidos. Esta periodicidad permite que cada aminoácido establezca dos enlaces de hidrógeno con los aminoácidos que ocupan respectivamente, la “espira” superior e inferior.Esta conformación aparece en las -queratinas del pelo, lana, piel, cuernos y uñas.

Conformación- o en hoja plegadaEn las hojas plegadas o láminas β, la cadena polipeptídica queda extendida y se pliega sucesivamente sobre sí misma hacia delante y hacia atrás, de tal

forma que diferentes tramos de la cadena, bien aquellos que discurren en el mismo sentido (paralelos) o los que lo hacen en sentidos contrarios (antiparalelos), quedan enfrentados unos con otros; y se unen mediante puentes de hidrógeno intracaternarios, que en este caso; también se establecentre entre los grupso –NH- y –CO- de los enlaces pepetídicos. El resultado es que las diferentes regiones de la cadena β se asocian para formar láminas plegadas en zigzag. En el caso de los

péptidos que adoptan esta conformación, los enlaces de H no se establecen periódicamente entre aminoácidos pertenecientes a la misma cadena polipeptídica, sino a cadenas distintas. Las cadenas polipeptídicas paralelas o antiparalelas de la conformación- están dispuestas en láminas plegadas, unidas transversalmente por enlaces de hidrógeno intercatenario.Todos los grupos CO y NH participan en este enlace cruzado, y así confieren gran estabilidad a la estructura.La conformación- es típica de algunas proteínas fibrosas como la fibroína de la seda, fibras hiladas por las arañas, y gusanos de seda, así como escamas, garras, picos de reptiles y pájaros.

ESTRUCTURA TERCIARIALa estructura terciaria da cuenta de la conformación global de la cadena peptídica. Las cadenas polipeptídicas, estructuradas a nivel secundario, pueden mantener su ordenamiento sin ulteriores modificaciones, sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las hebras de una cuerda. Con esto se originan proteínas de estructura terciaria fibrosa; este es el caso del colágeno, la queratina del cabello, la fibroína de la seda, etc.En otros casos, más frecuentes, la cadena polipeptídica se pliega sucesivamente para dar origen a proteínas de estructura terciaria globular, presentando estructuras tridimensionales compactas que comparten varias características.

Un plegamiento compacto, con poco o ningún espacio para las moléculas de agua.

Una localización exterior de casi todos los grupos R hidrófilos. Una localización interna de casi todos los grupos R hidrófobos.

Los enlaces propios de la estructura terciaria globular pueden ser: Puente disulfuro –S-S que se establecen entre dos regiones de la

cadena donde se encuentran dos grupos SH, correspondiente a dos aminoácidos de cisteína.

Fuerzas electrostáticas, entre cadenas laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto.

Enlaces de hidrógeno, entre átomos vecinos que pertenecen a grupos polares peptídicos, OH, NH, CO, etc, localizado en las cadenas laterales o en las cadenas peptídicas del eje de las cadenas.

Enlaces hidrofóbicos, entre radicales alifáticos o aromáticos de las cadenas laterales.

El mantenimiento del enlace hidrofóbico exige una gran proximidad de los grupos apolares de los aminoácidos. Como resultado, las moléculas

de estructura terciaria globular suelen contener un interior compacto de carácter apolar ( que excluye el agua) mientras que las cadenas laterales más polares quedan orientadas hacia la superficie, lo que permite la dispersión de las moléculas proteicas en el agua.

Los estudios de conformación, función y evolución de las proteínas también revelaron la importancia de un nivel de organización distinto, es el dominio de proteína, definido como cualquier segmento de una cadena polipeptídica que puede plegarse independientemente en una estructura compacta y estable. Un dominio consiste por lo general en 100 a 250 aminoácidos (plegados en hélices , láminas y otros elementos de la estructura secundaria), y esta es la unidad modular a partir de la cual se forman muchas proteínas de mayor tamaño.Los diferentes dominios de una proteína a menudo se asocian con diferentes funciones.

ESTRUCTURA CUATERNARIASe manifiesta en las proteínas fibrosas o globulares formadas por la asociación de varias cadenas peptídicas. Son las llamadas proteínas oligoméricas. La estructura cuaternaria consiste en la forma en que las diversas cadenas (subunidades proteicas o protómeros) pueden estar asociadas espacialmente y autoensamblarse formando estructuras mayores.Estas unidades proteícas o protómeros que constituyen la estructura cuaternaria se pueden autoensamblar para formar estructuras mayores, dímeros (citocromo c), tetrámeros (hemoglobina), polímeros (actina, miosina, cápsida de los virus, ribosomas).La asociación entre las diferentes subunidades se establece por uniones débiles, del tipo de puente de hidrógeno, uniones electrostáticas y fuerzas de Van der Waals.

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

DesnaturalizaciónLa desnaturalización de las proteínas consiste en la pérdida de su conformación característica y, como consecuencia de ello en la anulación de la funcionalidad biológica, cuando se someten a condiciones ambientales desfavorables. Calor excesivo, acción de sustancias que viran el pH, presencia de determinados iones o la intervención de agentes físicos. Todas ellas pueden provocar la ruptura de los puentes de hidrógeno, los puentes disulfuro, o el resto de las interacciones débiles, menos consistentes que los enlaces peptídicos que mantienen la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas.Cuando se rompen los enlaces débiles, y se deshacen las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias, las proteínas se transforman en filamentos lineales y delgados que se entrelazan unos con otros hasta formar compuestos fibrosos e insolubles en agua.Si las condiciones ambientales que provocan la desnaturalización duran poco tiempo o son poco intensas, ésta es temporal y reversible, de manera que la proteína se pliega de nuevo y adopta su conformación original, lo que demuestra que la forma de la proteína no es más que la conformación más estable de la secuencia de aminoácidos y del medio en que se encuentra (renaturalización).Si las condiciones ambientales son intensas y persistentes, los filamentos proteicos son incapaces de recuperar su forma original y permanecen de modo irreversible en el estado fibroso, insolubles en agua y sin actividad biológica.Ejemplo, coagulación de la albúmina del huevo por cocción, que pasa de tener una estructura globular y soluble en agua a adoptar una forma fibrosa e insoluble.

Solubilidad.Las proteínas son macromoléculas solubles en medios acuosos cuando adoptan la conformación globular, dicha solubilidad se basa en la interacción de las cargas eléctricas, positivas y negativas distribuidas en la superficie de la proteína con las moléculas de agua (dipolos) de su entorno. Esto hace que queden rodeados de una capa de dichas moléculas (solvatación), impidiéndose con ello que se unan las moléculas proteicas entre sí, la dispersión es pues estable.La mayor parte de las proteínas estructurales tienen pocos aminoácidos polares y son insolubles en agua. En las proteínas globulares los aminoácidos polares están situados en la superficie y su solubilidad puede ser mayor o menor según la proporción de estos aminoácidos.