Poteínas y Estructura Proteica

Las proteínas son una de las moléculas orgánicas más abundantes en los sistemas vivos y tienen la gama más diversa de funciones entre todas las macromoléculas. Las proteínas pueden ser estructurales, reguladoras, contráctiles o protectoras. Pueden servir en el transporte, almacenamiento o en las membranas; o pueden ser toxinas o enzimas. Sus estructuras, al igual que sus funciones, varían mucho. Sin embargo, todos son polímeros de aminoácidos dispuestos en una secuencia lineal.

La forma de una proteína es crítica para su función. Por ejemplo, una enzima puede unir un sustrato específico en su sitio activo. Si este sitio activo se altera debido a cambios locales o cambios en la estructura general de la proteína, la enzima puede ser incapaz de unirse al sustrato. Para entender cómo la proteína obtiene su forma final o conformación, necesitamos entender los cuatro niveles estructurales de las proteínas: Primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura primaria

La secuencia única de aminoácidos en una cadena polipeptídica es su estructura primaria. Por ejemplo, la hormona pancreática insulina tiene dos cadenas de polipéptidos, A y B, y están unidas por enlaces de disulfuro. El aminoácido N-terminal de la cadena A es glicina, mientras que el aminoácido C-terminal es asparagina.  Las secuencias de aminoácidos en las cadenas A y B son únicas de la insulina.

El gen que codifica la proteína determina en última instancia la secuencia única para cada proteína. Un cambio en la secuencia de nucleótidos de la región codificadora del gen puede llevar a añadir un aminoácido diferente a la cadena polipeptídica en crecimiento, causando un cambio en la estructura y función de las proteínas. En la anemia de células falciformes, la cadena de hemoglobina β tiene una sola sustitución de aminoácido, causando un cambio en la estructura y función de la proteína. Específicamente, la valina en la cadena β sustituye al aminoácido ácido glutámico. Debido a este cambio de un aminoácido en la cadena, las moléculas de hemoglobina forman fibras largas que distorsionan los glóbulos rojos bicóncavos, o en forma de disco, y los hace asumir una forma de media luna o “hoz”, que obstruye los vasos sanguíneos. Esto puede conducir a una miríada de problemas de salud serios tales como disnea, vértigos, dolores de cabeza, y dolor abdominal para aquellos afectados por esta enfermedad.

Estructura secundaria

El plegamiento local del polipéptido en algunas regiones da lugar a la estructura secundaria de la proteína. Las más comunes son las estructuras de hoja β y de hélice α. Ambas estructuras se mantienen por puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno se forman entre el átomo de oxígeno en el grupo carbonilo en un aminoácido y otro aminoácido que está cuatro aminoácidos más adelante a lo largo de la cadena.

Cada giro helicoidal en una hélice alfa tiene 3,6 residuos de aminoácidos. Los grupos R del polipéptido (los grupos variantes) sobresalen de la cadena α. En la hoja β plegada, los puentes de hidrógeno entre los átomos de la columna vertebral de la cadena polipeptídica forma los pliegues β. Los grupos R están unidos a los carbonos y se extienden por encima y por debajo de los pliegues. Los segmentos plegados se alinean de forma paralela o antiparalela entre sí, y se forman puentes de hidrógeno entre el átomo de hidrógeno parcialmente positivo en el grupo amino y el átomo de oxígeno parcialmente negativo en el grupo carbonilo de la columna vertebral del péptido. Las estructuras de hélice α y hoja β plegada están en la mayoría de las proteínas globulares y fibrosas, y juegan un papel estructural importante.

Estructura terciaria

La estructura tridimensional única del polipéptido es su estructura terciaria. Esta estructura se debe en parte a las interacciones químicas en la cadena de polipéptidos. Principalmente, las interacciones entre los grupos R crean la compleja estructura terciaria tridimensional de la proteína. La naturaleza de los grupos R en los aminoácidos implicados puede contrarrestar la formación de los puentes de hidrógeno que describimos para las estructuras secundarias estándar. Por ejemplo, los grupos R con cargas similares se repelen unos a otros, y aquellos con cargas diferentes se atraen mutuamente (enlaces iónicos). Cuando se produce el plegamiento de las proteínas, los grupos hidrofóbicos R de los aminoácidos no polares se encuentran en el interior de la proteína; mientras que los grupos hidrofílicos R se encuentran en el exterior. Las interacciones entre las cadenas laterales de la cisteína forman enlaces disulfuro en presencia de oxígeno, el único enlace covalente que se forma durante el plegamiento proteico.

Todas estas interacciones, débiles y fuertes, determinan la forma tridimensional final de la proteína. Cuando una proteína pierde su forma tridimensional, puede que ya no sea funcional.

Estructura cuaternaria

En la naturaleza, algunas proteínas se forman a partir de varios polipéptidos, o subunidades, y la interacción de estas subunidades forma la estructura cuaternaria. Las interacciones débiles entre las subunidades ayudan a estabilizar la estructura general. Por ejemplo, la insulina (una proteína globular) tiene una combinación de puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro que hacen que se aglutine en su mayoría en forma de bola. La insulina comienza como un solo polipéptido y pierde algunas secuencias internas en presencia de modificación post-traduccional después de formar los enlaces disulfuro que mantienen juntas las cadenas restantes. La seda (una proteína fibrosa), sin embargo, tiene una estructura de hoja β plegada que es el resultado de puentes de hidrógeno entre cadenas diferentes.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Biología 2e, Capítulo 3.4: Proteínas.