Niveles de organización de las proteínas

La rigidez del enlace peptídico posibilita que las proteínas adopten formas tridimensionales bien definidas. La libertad de rotación de los dos lados de la unidad peptídica es igualmente importante porque permite a las proteínas doblarse de formas muy diferentes. Las proteínas se disponen en el espacio formando una estructura tridimensional definida, que puede tener hasta cuatro niveles de organización: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos que integran una proteína, es decir, indica la cantidad y el tipo de los aminoácidos que la forman y el orden en que se encuentran unidos.

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La estructura primaria de las proteínas está determinada en la información genética y los enlaces que mantienen su estabilidad son enlaces peptídicos. La comparación de secuencias de distintas proteínas permite establecer relaciones evolutivas entre especies.

La estructura primaria de las proteínas es lineal, y se convierte en tridimensional al plegarse.

Estructura secundaria

Es la organización regular y periódica en el espacio de las cadenas polipeptídicas en una dirección.

El plegamiento característico de este tipo de organización está determinado por la secuencia de aminoácidos y la rigidez del enlace peptídico, que sólo posibilita giros en torno a los enlaces sencillos. La estabilidad de esta estructura es posible gracias a los puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos amino y carboxilo.

Estructura helicoidal o hélice α

Es la estructura secundaria más corriente. En ella, la cadena polipeptídica se va enrollando en espiral sobre sí misma debido a los giros que se producen en torno al carbono α de cada aminoácido. Características:

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— Se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios, entre el grupo –CO de un aminoácido y el grupo –NH del aminoácido situado cuatro residuos después.

— Hay 3’6 aminoácidos por vuelta de hélice, cada aminoácido gira 100º respecto al anterior.

— Se produce un avance por residuo de 1’5 Å, por lo que el paso de rosca de 5’4 Å.

— El giro en las hélices α que se encuentran en las proteínas es dextrógiro (sentido de las agujas del reloj)

— Todos los grupos carboxilo quedan orientados en la misma dirección, mientras que los amino se orientan en la dirección contraria. Los radicales de los aminoácidos quedan dirigidos hacia el exterior de la α–hélice.

— Los residuos de prolina y hidroxiprolina desestabilizan la α–hélice, ya que estos aminoácidos impiden la formación de enlaces de hidrógeno.

Estructura de hoja plegada o β–laminar

En este tipo de estructura secundaria la cadena polipeptídica se pliega de manera que los planos de los enlaces peptídicos se disponen en forma de zig-zag. La interacción con otros fragmentos de la cadena conduce a la formación de láminas u hojas, en vez de estar estrechamente enrollada como en el caso de la hélice α. En ella:

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— Se establecen puentes de hidrógeno intercatenarios, entre grupos –NH y –CO de filamentos polipeptídicos diferentes.

— Las cadenas laterales se sitúan alternativamente por encima y por debajo del plano de la lámina.

— Cada resto de aminoácido ocupa 3’5 Å.

— Las cadenas adyacentes en una hoja plegada β pueden orientarse en la misma dirección (hojas β paralelas) o en direcciones opuestas (hojas β antiparalelas). En ambos casos, los radicales de los aminoácidos se orientan hacia ambos lados de la hoja, de forma alterna. La disposición antiparalela es un poco más compacta que la paralela, y aparece con mayor frecuencia en las proteínas.

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Como se puede observar es necesario introducir giros o codos en las cadenas polipeptídicas que también se estabilizan por puentes de hidrógeno. Dependiendo de la secuencia de aminoácidos se favorecerá una u otra estructura, y pueden aparecer combinadas en una misma proteína.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria define la forma tridimensional que adquiere una cadena polipeptídica, es decir, al modo en que una proteína se encuentra plegada en el espacio.

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La estructura tridimensional condiciona la función de la proteína. En ella se pueden identificar agrupaciones de menor tamaño que denominamos dominios. El concepto de dominio es muy útil al explicar la relación entre estructura y función en las proteínas pues dominios particulares tienen funciones propias en más de una proteína.

En la conformación espacial de una proteína influye la tendencia de las cadenas laterales hidrófobas de los aminoácidos a mantenerse en el interior de la proteína; adoptando la forma termodinámicamente más estable en ese medio. La proteína puede sufrir cambios conformacionales en el desempeño de su función y en la regulación de su actividad.

La estructura terciaria se estabiliza mediante enlaces que se establecen entre determinados grupos de las cadenas laterales:

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  • Enlaces o puentes de hidrógeno: entre las cadenas laterales de aminoácidos polares sin carga. Son de vital importancia debido a su abundancia.
  • Atracciones electrostáticas o interacciones iónicas, entre grupos carboxilo y amino de aminoácidos ácidos y básicos.
  • Atracciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals entre radicales alifáticos y aromáticos de las cadenas laterales de los aminoácidos apolares.
  • Puentes disulfuro: enlaces covalentes –S–S–, más fuertes que los anteriores, entre dos grupos –SH de dos cisteínas (o derivados).
  • Enlaces coordinados: entre cationes de metales de transición y la proteína.

Estructura cuaternaria

Aparece en las proteínas constituidas por más de una subunidad o protómero. La estructura cuaternaria hace referencia a esta asociación de protómeros para formar la proteína biológicamente activa.

Los protómeros pueden unirse débilmente entre sí a través de enlaces de hidrógeno o fuerzas de van der Waals, y en algunos casos, aunque no es habitual, esta unión puede establecerse mediante puentes disulfuro.

Esta estructura sólo la presentan las proteínas oligoméricas, que tienen dos o más cadenas polipeptídicas, iguales o no, cada una de las cuales posee su propia estructura secundaria y terciaria.

Así, en la queratina del pelo se forman tres hebras y cada una de las hebras está constituida por un arrollamiento α–hélice. Por su parte, las cuatro cadenas polipeptídicas globulares de la hemoglobina se encajan y adoptan una disposición aproximadamente tetraédrica, que constituye la estructura cuaternaria de la hemoglobina.

En un nivel aún superior encontraríamos la asociación entre proteínas y moléculas no proteínicas como glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos.

Desnaturalización

La pérdida de la estructura nativa de una proteína se denomina desnaturalización y se debe a la rotura de los enlaces que mantienen las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias lo que conduce a la pérdida de su actividad biológica (los enlaces covalentes se mantienen, por lo que la estructura primaria se mantiene).

La desnaturalización puede ser provocada por cambios en el pH o en la temperatura, por radiación ultravioleta o por determinados agentes químicos desnaturalizantes (como la urea) y en ciertas condiciones puede ser reversible (renaturalización).

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