Estructura de las Proteínas

Estructura Primaria

La estructura primaria es la disposición lineal de los aminoácidos, los cuales se unen mediante enlaces tipo amídico, llamados enlaces peptídicos. Estos enlaces se establecen entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, lo que implica la pérdida de una molécula de agua. La estructura primaria se caracteriza por la composición y la secuencia de los aminoácidos, es decir, el orden relativo que guardan unos con respecto a otros.

Estructura Secundaria

La estructura secundaria consiste en el plegamiento de la estructura primaria debido a la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos -C=O y -NH de los enlaces peptídicos próximos. Se distinguen las siguientes conformaciones:

• Conformación de alfa-hélice: Origina una hélice dextrógira apretada que se estabiliza por los numerosos puentes de hidrógeno formados entre los grupos NH y CO de los enlaces peptídicos.
• Hélice de colágeno: Cada una de las tres cadenas que constituyen la súper hélice de colágeno presenta un plegamiento secundario en forma de hélice enroscada hacia la izquierda, algo más extendida que las alfa-hélices debido a la elevada cantidad de prolina e hidroxiprolina.
• Conformación beta-laminar: En las láminas beta, la cadena peptídica queda extendida y se pliega sucesivamente sobre sí misma, de modo que diferentes tramos quedan enfrentados y se unen mediante puentes de hidrógeno intracatenarios entre los grupos NH y CO.
• Codos de tipo beta: La cadena peptídica se ve obligada a cambiar bruscamente de dirección. Está formada por cuatro aminoácidos estabilizados por puentes de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro beta. Son conformaciones necesarias para la proteína, y se denominan giros beta porque con frecuencia se encuentran en las regiones que conectan los extremos de dos segmentos adyacentes y antiparalelos de una hoja plegada.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria es la conformación espacial definitiva que adoptan las diferentes regiones de la cadena polipeptídica como consecuencia de las interacciones entre las cadenas laterales. El resultado difiere según el tipo de proteína:

• En las proteínas fibrosas, la estructura terciaria es muy simple, ya que las cadenas laterales apenas influyen, pues tienen pocos grupos polares.
• En las proteínas globulares, la estructura terciaria resulta del plegamiento sucesivo de la estructura secundaria hasta formar una proteína esferoidal compacta y soluble en agua.

Los distintos niveles de estructuración se disponen jerárquicamente; cada nivel es componente de los niveles superiores y contiene como componentes a todos los inferiores. Algunas proteínas poseen hélices alfa y otras están constituidas por láminas beta, pero lo habitual es que las proteínas globulares contengan ambas en proporciones distintas. El poblamiento y la distribución de las hélices alfa y de las láminas beta se hace de tal manera que los aminoácidos con cadenas hidrófugas se dispongan en el interior de la estructura, mientras que los que poseen restos polares se localicen en la superficie. En las proteínas de la membrana biológica ocurre lo contrario.

Motivos de la Estructura Suprasecundaria

Se encuentran con frecuencia determinadas asociaciones secundarias de hélice alfa, lámina beta y giros beta que constituyen motivos estructurales y se repiten en diferentes regiones de la cadena peptídica.

Dominios Estructurales

Están formados por determinadas combinaciones de hélice alfa y láminas beta plegadas de manera estable e independiente para formar estructuras compactas y particularmente estables que desempeñan funciones concretas, hasta el punto de aparecer los mismos dominios en proteínas diferentes. Existen proteínas con un único dominio y otras con varios, que suelen corresponder a distintas funciones dentro de la misma proteína. Un ejemplo son las enzimas que utilizan como coenzimas determinados nucleótidos como el NAD, el FAD o el AMD. Todos ellos, con estructura y función diferente, presentan en su superficie el mismo dominio que constituye el área de unión de los nucleótidos a las enzimas, denominado plegamiento de mononucleótido.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria solo se manifiesta en las proteínas formadas por la asociación de varias cadenas peptídicas, iguales o diferentes. La asociación entre las distintas cadenas con estructura terciaria se establece por uniones débiles, como puentes de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals; en algunos casos, también se forman enlaces covalentes mediante puentes disulfuro entre dos cadenas. La estructura cuaternaria de las proteínas fibrosas está basada en la asociación entre las diversas unidades peptídicas que las componen y dan lugar a complejos supramoleculares de gran envergadura. Tienen forma alargada y suelen desempeñar funciones estructurales. La estructura cuaternaria de las proteínas globulares está compuesta por la asociación de dos o más cadenas con estructura terciaria, que pueden ser iguales o distintas, y se suele representar mediante letras griegas. Las proteínas constituidas por un único polipéptido no pueden tener estructura cuaternaria y alcanzan el nivel de planeamiento de una estructura terciaria. Estas unidades proteicas que constituyen la estructura cuaternaria se pueden autoensamblar en el interior de la célula mediante interacciones débiles para formar estructuras mayores, como dímeros.

Estructura Cuaternaria y Funcionalidad Biológica

La estructura cuaternaria de las proteínas es la responsable de su actividad biológica. Depende de la terciaria, y esta de la secundaria y, a la vez, de la primaria, es decir, de la secuencia de los aminoácidos que componen cada una de las cadenas polipeptídicas. Por esta razón, cualquier valoración de la secuencia de aminoácidos puede afectar a los distintos niveles de plegamiento y a su función.

Cambios Conformacionales: Proteínas Alostéricas

Los enlaces covalentes que mantienen las estructuras primarias de los polipéptidos son rígidos, pero los enlaces débiles que pliegan espontáneamente a la proteína en los demás niveles conformacionales pueden abrirse y volver a cerrarse, facilitando pequeñas deformaciones que resultan de vital importancia para su actividad biológica. En algunas proteínas se producen cambios conformacionales entre dos estados, uno activo y otro inactivo, en respuesta a diversos cambios fisicoquímicos de su ambiente. Pero existe un grupo de proteínas, llamadas alostéricas, en las que los cambios conformacionales son introducidos por la unión de determinadas moléculas, llamadas ligandos, que provocan modificaciones de la estructura terciaria, cuaternaria o ambas. Se encuentran en numerosas enzimas, proteínas de membrana, etc. El alosterismo es uno de los mecanismos fundamentales que permiten regular la actividad de una proteína y su función biológica: el ligando, activador o inhibidor, se une en un lugar distinto al sitio activo de la proteína y activa o reprime su función, respectivamente.

Propiedades de las Proteínas

Las propiedades fisicoquímicas de una molécula de proteína dependen casi por completo de los grupos funcionales contenidos en las cadenas laterales de los aminoácidos que quedan expuestos en la superficie, es decir, del plegamiento de la cadena o cadenas peptídicas y de la conformación geométrica que adopten.

• Especificidad: La unión de la superficie activa de las proteínas con otras moléculas se basa en el plegamiento particular de cada proteína, que en último término depende de la secuencia de aminoácidos. Por tanto, cualquier cambio de la secuencia de aminoácidos de una proteína puede ocasionar una modificación de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria que provoque la alteración de la geometría de su superficie activa y la disminución o pérdida de su funcionalidad biológica.
• Solubilidad: Las proteínas son macromoléculas solubles en medios acuosos cuando adoptan la conformación globular. Dicha solubilidad se basa esencialmente en la interacción de las cargas eléctricas positivas y negativas con las moléculas de agua de su entorno, lo cual da lugar a la llamada capa de solvatación.
• Desnaturalización: Es la pérdida de su conformación espacial característica cuando se somete a condiciones ambientales desfavorables y, como consecuencia, se anula su funcionalidad biológica. Provoca la ruptura de los puentes de hidrógeno o del resto de las interacciones débiles que mantienen las conformaciones secundarias, terciarias y cuaternarias de las proteínas, menos consistentes que los enlaces peptídicos, que no se alteran. Cuando se deshacen la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria, las proteínas se transforman en filamentos lineales y delgados que se entrelazan unos con otros hasta formar compuestos fibrosos e insolubles en agua.
• Desnaturalización reversible e irreversible: Si las condiciones ambientales que provocan la desnaturalización duran poco tiempo, esta es temporal y reversible. Cuando cesan las condiciones desfavorables, la proteína se pliega de nuevo y adopta su conformación original, lo que demuestra que la forma de una proteína no es más que la conformación más probable y estable, y que solo depende de la secuencia de sus aminoácidos y del medio en el que se encuentra. Si los cambios ambientales son intensos 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.

Funciones Biológicas de las Proteínas

• Función de reserva: Aunque las proteínas, por lo general, no son carburantes metabólicos típicos, existen ciertas clases que constituyen un almacén de aminoácidos dispuestos para ser utilizados como elemento nutritivo.
• Función estructural: Es una de las funciones más características de las proteínas. Algunas glucoproteínas intervienen en la formación de las membranas celulares; otras constituyen el citoesqueleto, los ribosomas, etc. Un tercer grupo, las histonas, forman parte de la estructura de los cromosomas en las células eucariotas, etc. También es de gran importancia la estructura del colágeno, que se encuentra en la sustancia intercelular del tejido conjuntivo fibroso, mantiene unidos los tejidos animales, forma los tendones, etc.
• Función homeostática: Las proteínas intracelulares y del medio interno intervienen en el mantenimiento del equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas amortiguadores para mantener el pH constante.
• Función portadora del mensaje: Las hormonas de naturaleza proteica están constituidas por uno o más fragmentos polipeptídicos que regulan el metabolismo de los glúcidos y las hormonas segregadas por la hipófisis. Algunos neurotransmisores son de naturaleza peptídica.
• Función de recepción y transmisión de señales: Los receptores de membrana son proteínas que se encuentran dispersas por la superficie externa de la bicapa lipídica de las células y son capaces de unirse de manera específica con una molécula portadora de un mensaje. Como consecuencia de esta unión, se produce un cambio conformacional en el receptor que constituye la señal para provocar una respuesta.
• Función de transporte: Intervienen en el transporte a través de las membranas celulares; otras contribuyen al transporte de sustancias entre diferentes regiones del organismo. Entre las proteínas transportadoras destacan las lipoproteínas, que llevan sustancias lipídicas por la sangre. Las lipoproteínas plasmáticas forman partículas esféricas que transportan triacilglicéridos, colesterol, etc., y se pueden separar por centrifugación. Se distinguen estos tipos:
  • Quilomicrones: Transportan triacilgliceroles y colesterol exógenos desde el intestino hasta el hígado.
  • VLDL y LDL: Llevan triacilgliceroles y colesterol endógenos del hígado a los tejidos.
  • HDL: Transporta colesterol desde los tejidos al hígado.
• Función defensiva: Algunas proteínas desempeñan funciones de protección, como la trombina, que contribuye a la formación del coágulo durante una hemorragia, o los proteoglicanos. Pero las proteínas que poseen una función defensiva fundamental son las inmunoglobulinas de la sangre, que se comportan como anticuerpos.
• Función contráctil: Los motores moleculares son proteínas que se mueven unidireccionalmente a lo largo de los microtúbulos y microfilamentos del citoesqueleto utilizando la energía del ATP.
• Función enzimática: Es la función más importante que desempeñan las proteínas. Son la clase de proteína más numerosa y especializada, y actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo que tienen lugar en los seres vivos.