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Tipos de Proteinas

Orden de la Estructura Proteica

Introducción

¿Alguna vez te has preguntado por qué las claras de huevo pasan de claras a opacas cuando fríes un huevo? Si es así, esta sección es para ti!

Las claras de huevo contienen grandes cantidades de proteínas llamadas albúminas, y las albúminas normalmente tienen una forma 3D específica, gracias a los enlaces formados entre los diferentes aminoácidos de la proteína. El calentamiento hace que estos enlaces se rompan y expone los aminoácidos hidrofóbicos (que odian el agua) que generalmente se mantienen en el interior de la proteína. Los aminoácidos hidrofóbicos, tratando de alejarse del agua que los rodea en la clara de huevo, se pegarán unos a otros, formando una red de proteínas que le da estructura a la clara de huevo mientras la vuelve blanca y opaca. Gracias, desnaturalización de proteínas, por otro delicioso desayuno.

La forma de una proteína es muy importante para su función. Para entender cómo una proteína obtiene su forma o conformación final, necesitamos entender los cuatro niveles de la estructura de la proteína: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura Primaria

El nivel más simple de la estructura de la proteína, la estructura primaria, es simplemente la secuencia de aminoácidos en una cadena de polipéptidos. Por ejemplo, la hormona insulina tiene dos cadenas de polipéptidos, A y B, que se muestran en el diagrama siguiente. (La molécula de insulina aquí mostrada es insulina de vaca, aunque su estructura es similar a la de la insulina humana). Cada cadena tiene su propio conjunto de aminoácidos, ensamblados en un orden particular. Por ejemplo, la secuencia de la cadena A comienza con glicina en el terminal N y termina con asparagina en el terminal C, y es diferente de la secuencia de la cadena B.

Estructura Primaria de la proteína

Puedes notar que las cadenas de insulina están unidas entre sí por enlaces que contienen azufre entre las cisteínas. No te dejes confundir: aunque estos enlaces son una parte importante de la estructura general de la insulina, ¡no forman parte de su estructura primaria!

La insulina consiste en una cadena A y una cadena B. Están conectados entre sí por enlaces de disulfuro (enlaces de azufre-azufre entre cisteínas). La cadena A también contiene una unión interna de disulfuro. Los aminoácidos que componen cada cadena de insulina se representan como círculos conectados, cada uno con la abreviatura de tres letras del nombre del aminoácido.

La secuencia de una proteína es determinada por el ADN del gen que codifica la proteína (o que codifica una porción de la proteína, para proteínas multisubunitarias). Un cambio en la secuencia de ADN del gen puede llevar a un cambio en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Incluso cambiar sólo un aminoácido en la secuencia de una proteína puede afectar la estructura y función general de la proteína.

Por ejemplo, un solo cambio de aminoácidos está asociado con la anemia drepanocítica, una enfermedad hereditaria que afecta los glóbulos rojos. En la anemia drepanocítica, una de las cadenas de polipéptidos que componen la hemoglobina, la proteína que transporta el oxígeno en la sangre, tiene un ligero cambio en la secuencia. El glutamato, que normalmente es el séptimo aminoácido de la cadena de hemoglobina β (uno de los dos tipos de cadenas proteicas que componen la hemoglobina) es reemplazado por una valina. Esta sustitución se muestra para un fragmento de la cadena β en el diagrama de abajo.

Hemoglobina cadena B
Imagen de: OpenStax Biology

Lo que es más notable de considerar es que una molécula de hemoglobina está compuesta de dos cadenas α y dos cadenas β, cada una de las cuales consta de alrededor de 150 aminoácidos, para un total de alrededor de 600 aminoácidos en toda la proteína. La diferencia entre una molécula de hemoglobina normal y una molécula de células falciformes es de sólo 2 aminoácidos de los aproximadamente 600.

Una persona cuyo cuerpo produce sólo hemoglobina drepanocítica sufrirá síntomas de anemia drepanocítica. Estos ocurren porque el cambio de aminoácidos de glutamato a valina hace que las moléculas de hemoglobina se ensamblen en fibras largas. Las fibras distorsionan los glóbulos rojos en forma de disco en formas de media luna. Se pueden ver ejemplos de células «falciformes» mezcladas con células normales similares a discos en la muestra de sangre que se muestra a continuación.

células falciformes mezcladas con células normales
Imagen de: OpenStax Biology

Las células falciformes se atascan cuando tratan de pasar a través de los vasos sanguíneos. Las células atascadas afectan el flujo sanguíneo y pueden causar serios problemas de salud para las personas con anemia drepanocítica, incluyendo disnea, mareos, dolores de cabeza y dolor abdominal.

Estructura Secundaria

El siguiente nivel de la estructura de la proteína, la estructura secundaria, se refiere a las estructuras plegadas locales que se forman dentro de un polipéptido debido a las interacciones entre los átomos de la columna vertebral. (La columna vertebral sólo se refiere a la cadena de polipéptidos aparte de los grupos R – así que todo lo que queremos decir aquí es que la estructura secundaria no involucra átomos del grupo R). Los tipos más comunes de estructuras secundarias son la hélice α y la hoja plisada β Ambas estructuras se mantienen en forma mediante enlaces de hidrógeno, que se forman entre el carbonilo O de un aminoácido y el amino H de otro.

Estructura Secundaria de la Proteína
Imagen de: OpenStax Biology

En una hélice α, el carbonilo (C=O) de un aminoácido está unido por hidrógeno al amino H (N-H) de un aminoácido que se encuentra a cuatro eslabones de la cadena. (Por ejemplo, el carbonilo del aminoácido 1 formaría un enlace de hidrógeno con el N-H del aminoácido 5.) Este patrón de unión tira de la cadena de polipéptidos hacia una estructura helicoidal que se asemeja a una cinta rizada, con cada vuelta de la hélice que contiene 3,6 aminoácidos. Los grupos R de los aminoácidos sobresalen de la hélice α, donde son libres de interactuar.

En una hoja plisada de β, dos o más segmentos de una cadena de polipéptidos se alinean uno al lado del otro, formando una estructura en forma de hoja sostenida por enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno se forman entre el carbonilo y los grupos amino de la espina dorsal, mientras que los grupos R se extienden por encima y por debajo del plano de la hoja.
Las hebras de una hoja plisada β pueden ser paralelas, apuntando en la misma dirección (lo que significa que sus terminales N y C coinciden), o antiparalelas, apuntando en direcciones opuestas (lo que significa que el terminal N de una hebra está situado junto al terminal C de la otra).

Ciertos aminoácidos son más o menos probables de ser encontrados en α-helices o β hojas plisadas. Por ejemplo, al aminoácido prolina a veces se le llama «rompe hélices» porque su inusual grupo R (que se une al grupo aminoácido para formar un anillo) crea una curva en la cadena y no es compatible con la formación de la hélice.
La prolina se encuentra típicamente en curvas, regiones no estructuradas entre estructuras secundarias. De manera similar, los aminoácidos como el triptófano, la tirosina y la fenilalanina, que tienen estructuras de anillos grandes en sus grupos R, se encuentran a menudo en las hojas plisadas de β, tal vez porque la estructura de hojas plisadas de β proporciona mucho espacio para las cadenas laterales.

Muchas proteínas contienen tanto las hélices α como las hojas plisadas β, aunque algunas contienen sólo un tipo de estructura secundaria (o no forman ninguno de los dos tipos).

Estructura Terciaria

La estructura tridimensional general de un polipéptido se denomina estructura terciaria. La estructura terciaria se debe principalmente a las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos que componen la proteína.

Las interacciones del grupo R que contribuyen a la estructura terciaria incluyen la unión de hidrógeno, la unión iónica, las interacciones dipolo-dipolo, y las fuerzas de dispersión de Londres – básicamente, toda la gama de uniones no covalentes. Por ejemplo, los grupos R con cargas similares se repelen entre sí, mientras que los que tienen cargas opuestas pueden formar un enlace iónico. De manera similar, los grupos R polares pueden formar enlaces de hidrógeno y otras interacciones dipolo-dipolo. También son importantes para la estructura terciaria las interacciones hidrofóbicas, en las cuales los aminoácidos con los grupos R hidrofóbicos no polares se agrupan en el interior de la proteína, dejando los aminoácidos hidrófilos en el exterior para interactuar con las moléculas de agua circundantes.

Finalmente, hay un tipo especial de enlace covalente que puede contribuir a la estructura terciaria: el enlace disulfuro. Los enlaces de disulfuro, enlaces covalentes entre las cadenas laterales de cisteínas que contienen azufre, son mucho más fuertes que los otros tipos de enlaces que contribuyen a la estructura terciaria. Actúan como «alfileres de seguridad» moleculares, manteniendo las partes del polipéptido firmemente unidas entre sí.

Estructura terciaria
Imagen de: OpenStax Biology

Estructura cuaternaria

Muchas proteínas están compuestas de una sola cadena de polipéptidos y tienen sólo tres niveles de estructura (los que acabamos de discutir). Sin embargo, algunas proteínas están compuestas de múltiples cadenas de polipéptidos, también conocidas como subunidades. Cuando estas subunidades se unen, le dan a la proteína su estructura cuaternaria.

Ya hemos encontrado un ejemplo de una proteína con estructura cuaternaria: la hemoglobina. Como se mencionó anteriormente, la hemoglobina transporta oxígeno en la sangre y está compuesta por cuatro subunidades, dos de cada uno de los tipos α y β Otro ejemplo es la polimerasa de ADN, una enzima que sintetiza nuevas hebras de ADN y está compuesta por diez subunidades.

En general, los mismos tipos de interacciones que contribuyen a la estructura terciaria (en su mayoría interacciones débiles, como las fuerzas de enlace de hidrógeno y de dispersión de Londres) también mantienen unidas a las subunidades para dar una estructura cuaternaria.

Fases estructurales de la proteína
Imagen modificada de: OpenStax Biology

Desnaturalización y plegamiento de proteínas

Cada proteína tiene su propia forma única. Si la temperatura o el pH del ambiente de una proteína cambia, o si está expuesta a químicos, estas interacciones pueden interrumpirse, causando que la proteína pierda su estructura tridimensional y se convierta de nuevo en una cadena no estructurada de aminoácidos. Cuando una proteína pierde su estructura de orden superior, pero no su secuencia primaria, se dice que está desnaturalizada. Las proteínas desnaturalizadas no suelen ser funcionales.

Para algunas proteínas, la desnaturalización puede revertirse. Si la estructura del polipéptido sigue intacta (los aminoácidos no se han dividido), puede volver a doblarse a su forma funcional si vuelve a su entorno normal. Otras veces, sin embargo, la desnaturalización es permanente. Un ejemplo de desnaturalización irreversible de proteínas es cuando se fríe un huevo. La proteína de la albúmina de la clara de huevo líquida se vuelve opaca y sólida al ser desnaturalizada por el calor de la estufa, y no regresa a su estado original de huevo crudo incluso cuando se enfría.

Los investigadores han encontrado que algunas proteínas pueden volver a doblarse después de la desnaturalización incluso cuando están solas en un tubo de ensayo. Dado que estas proteínas pueden pasar de no estructuradas a plegadas por sí solas, sus secuencias de aminoácidos deben contener toda la información necesaria para el plegado. Sin embargo, no todas las proteínas son capaces de llevar a cabo este truco, y la forma en que las proteínas normalmente se pliegan en una célula parece ser más complicada. Muchas proteínas no se doblan por sí solas, sino que reciben ayuda de las proteínas chaperonas (chaperoninas).