CURSO DE BIOLOGÍA

ESTRUCTURA TERCIARIA. 

Existen proteínas cuya conformación tridimensional no puede especificarse totalmente considerando sólo sus estructuras primaria y secundaria. Son las llamadas proteínas globulares cuyas cadenas polipeptídicas se hallan plegadas de un modo complejo formando arrollamientos globulares compactos que tienden a adoptar una forma aproximadamente esférica. La proteínas globulares son generalmente solubles en agua y desempeñan un gran número de funciones biológicas (por ejemplo los enzimas son proteínas globulares). Se conoce comoestructura terciaria el modo característico de plegarse una cadena polipeptídica para formar un arrollamiento globular compacto.

El estudio de la estructura terciaria de las proteínas globulares se abordó también mediante la aplicación de la técnica de difracción de rayos X. Un paso previo necesario fue la obtención de proteínas globulares en estado cristalino muy puro a partir de disoluciones, ya que la técnica DRX sólo se puede aplicar a estructuras cristalinas o "paracristalinas" (como las proteínas fibrosas). Una vez solventado este problema pudo conocerse la estructura terciaria de algunas proteínas globulares (tras años de trabajo para conseguir interpretar los complejos difractogramas de RX que estas proteínas producían. Véase la Figura 8.16). Los cristalógrafos ingleses John Kendrew y Max Perutz (Figura 8.16b) obtuvieron grandes éxitos en la elucidación de la estructura tridimensional de proteínas globulares. La primera proteína cuya estructura terciaria fue conocida fue la mioglobina (una proteína que transporta oxígeno en el músculo), concretamente la del cachalote (ver Figura 8.17). En ella se pueden apreciar ocho segmentos rectilíneos con estructura secundaria en hélice α separados por curvaturas sin estructura secundaria aparente. Alrededor del 70% de la  cadena polipeptídica se encuentra en las regiones plegadas en hélice α. La molécula es muy compacta, sin apenas espacio para moléculas de agua en su interior. Los grupos R de residuos aminoácidos con carácter polar o iónico se proyectan hacia la periferia de la molécula, mientras que los de carácter no polar se encuentran enterrados en el interior de la misma, aislados del contacto con el agua. La estructura se encuentra estabilizada por diferentes tipos de interacciones débiles entre los grupos R de diferentes aminoácidos; estas interacciones son de largo alcance, afectando a grupos R de residuos aminoácidos que pueden ocupar posiciones muy alejadas en la cadena polipeptídica.

 En los últimos años se ha podido descifrar la estructura terciaria de miles de proteínas globulares. De estos estudios se deduce que el caso de la mioglobina representa sólo una de las múltiples posibilidades de plegamiento de una proteína globular. La variedad de estructuras terciarias posibles es inmensa. Sin embargo se pueden hacer algunas generalizaciones interesantes. En todas ellas...

a)         La cadena polipeptídica está plegada de un modo muy compacto, sin apenas espacio para moléculas de agua en el interior del plegamiento.

b)         Existen tramos rectilíneos que presentan estructura secundaria en hélice-α o en conformación β; en la mayoría de las proteínas estudiadas coexisten zonas con uno y otro tipo de estructura (Figura 8.18). Estos tramos están separados por curvaturas sin estructura secundaria aparente en unos casos o por codos β en otros. Las cantidades relativas que representan los diferentes tipos de estructura secundaria varían considerablemente de unas proteínas a otras.

c)         Se han detectado agrupamientos estables de estructuras secundarias que dan lugar a motivos estructurales que se repiten en multitud de proteínas diferentes. Entre estos agrupamientos, denominados estructuras supersecundarias, cabe citar el"barril α/β", la "silla β", el "haz de cuatro hélices", el "lazo βαβ" o el"sandwich ββ".

d)         En algunas proteínas se han detectado dos o más regiones globulares densamente empaquetadas que se hallan conectadas entre sí por un corto tramo de cadena polipeptídica extendida o plegada en hélice α. Estas regiones globulares, denominadasdominios, presentan una gran estabilidad, y aparecen repetidas en muchas proteínas diferentes.

e)         Los restos de aminoácidos con grupos R polares o con carga se proyectan hacia el exterior de la estructura, expuestos al contacto con las moléculas de agua.

f)         Los restos de aminoácidos con grupos R no polares (hidrófobos) se encuentran en el interior de la estructura, aislados del contacto con el agua y ejerciendo interacciones hidrofóbicas entre sí.

Por otra parte se observó que en todas las proteínas estudiadas existe una serie de fuerzas intramoleculares que tienden a estabilizar la estructura terciaria (Figura 8.19). Estas fuerzas son de dos tipos: a) enlaces covalentes (puentes disulfuro entre los grupos -SH de los restos de cisteína); b) interacciones débiles entre los grupos R de distintos aminoácidos que ocupan posiciones muy distantes a lo largo de la cadena polipeptídica (puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals).

 

A la vista de estos datos se llegó a la conclusión de que es la naturaleza (polar o no polar) de los distintos grupos R, las posibilidades de formación de interacciones débiles o covalentes entre los mismos, y su posición en la cadena polipeptídica, es decir, la secuencia de aminoácidos lo que determina el hecho de que ésta adopte una u otra disposición en el espacio, o lo que es lo mismo, una determinada estructura terciaria. Hay que tener en cuenta que en su estado nativo las moléculas proteicas se encuentran en el seno del agua y que, por lo tanto, el plegamiento de la cadena polipeptídica será una respuesta a la interacción de los distintos grupos R (polares o no polares) con las moléculas de agua; además, la posibilidad de que se establezcan interacciones que estabilicen la estructura entre los distintos grupos R a lo largo de la cadena polipeptídica también dependerá de la naturaleza y posición de los mismos en la cadena. En la actualidad todo parece indicar que las interacciones hidrofóbicas entre los grupos R no polares enterrados en el interior de la estructura constituyen la verdadera fuerza directriz del plegamiento de una cadena polipeptídica, contribuyendo los demás tipos de interacciones débiles y covalentes a su mayor estabilidad.

Vemos, pues, que, al igual que sucede con la estructura secundaria, la estructura primaria determina la estructura terciaria de las proteínas globulares.

7.4.-ESTRUCTURA CUATERNARIA.

     Existen proteínas que están formadas por varias cadenas polipeptídicas: son las llamadas proteínas oligoméricas. En ellas, la proteína completa (oligómero)está formada por un número variable desubunidades o protómeros. Los oligómeros pueden ser dímeros, trímeros, tetrámeros, pentámeros, hexámeros...., según estén formados por 2, 3, 4, 5, 6.... protómeros. Los oligómeros más frecuentes están formados por un número par de cadenas polipeptídicas.

En estas proteínas las distintas subunidades están asociadas de un modo característico al que llamamosestructura cuaternaria.

El estudio de la estructura cuaternaria de las proteínas oligoméricas también fue abordado mediante la aplicación de la técnica DRX tras la obtención de las mismas en estado cristalino puro. En este caso la interpretación de los difractogramas de RX resultó tan compleja que algunos cristalógrafos de proteínas emplearon en este esfuerzo hasta 25 años de trabajo antes de poder publicar resultados.

La primera proteína cuya estructura cuaternaria fue conocida  (Figura 8.20) fue la hemoglobina humana (la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre).

También se pueden hacer algunas generalizaciones acerca de la estructura cuaternaria de algunas proteínas oligoméricas conocidas. En todas ellas.....

a)         Cada una de las subunidades o protómeros presenta una estructura terciaria determinada con rasgos similares a los de las proteínas globulares formadas por una sola cadena polipeptídica.

b)         La estructura terciaria de las diferentes subunidades de una proteína oligomérica es muy semejante a la de proteínas globulares que desempeñan la misma o parecida función (la estructura terciaria de cada una de las subunidades de la hemoglobina es casi idéntica a la estructura terciaria de la mioglobina. Ambas proteínas desempeñan la función de transportar oxígeno, una en la sangre, la otra en el músculo. Se percibe pues una clara relación entre estructura y función.

c)         Las distintas subunidades se encuentran asociadas de un modo característico, estableciéndose entre ellas puntos de contacto que son los mismos para todas las moléculas de una misma proteína. Estos puntos de contacto se ven estabilizados por interacciones débiles (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones iónicas) entre los grupos R de determinados aminoácidos.

A la vista de estos resultados se dedujo que también en este caso es la naturaleza y posición de los grupos R de los distintos aminoácidos en las diferentes subunidades la que determina cuáles han de ser los puntos de contacto entre las mismas, y, por lo tanto, el modo característico de asociarse unas con otras, es decir, la estructura cuaternaria; los puntos de contacto vendrán dados por las  posibilidades de formación de interacciones débiles del tipo de las citadas y éstas a su vez de la naturaleza y posición de los distintos grupos R.

Deducimos, pues, que es la estructura primaria de las distintas subunidades la que determina la estructura cuaternaria de una proteína oligomérica.

Como conclusión podemos afirmar que la secuencia de aminoácidos (estructura primaria) contiene la información necesaria y suficiente para determinar la conformación tridimensional de una proteína a sus diferentes niveles de complejidad (estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria).

8.-PROTEÍNAS. RELACIÓN ESTRUCTURA-FUNCIÓN.

Las proteínas son las macromoléculas más versátiles de cuantas existen en la materia viva: desempeñan un elevado número de funciones biológicas diferentes. Cada proteína está especializada en llevar a cabo una determinada función.

Entre las funciones de las proteínas cabe destacar las siguientes: catalíticas, estructurales, de transporte, nutrientes y de reserva, contráctiles o mótiles, de defensa, reguladoras del metabolismo, y otras muchas que determinadas proteínas desempeñan en organismos concretos.

La función de una proteína depende de la interacción de la misma con una molécula a la que llamamos ligando (en el caso particular de los enzimas el ligando recibe el nombre de sustrato). El ligando es específico de cada proteína. A su vez, la interacción entre proteína y ligando reside en un principio de complementariedad estructural: el ligando debe encajar en un hueco existente en la superficie de la proteína (el centro activo) tal y como lo haría una llave en una cerradura (ver Figura 8.21). Sólo aquel o aquellos ligandos capaces de acoplarse en el centro activo de la proteína serán susceptibles de interactuar con ella. Hay que tener en cuenta que este acoplamiento no es meramente espacial, sino que la proteína "ve" en su ligando, además de la forma, la distribución de cargas eléctricas, sus distintos grupos funcionales, y, en general, las posibilidades de establecer interacciones débiles con él a través de los grupos R de los aminoácidos que rodean el centro activo (el ligando "atraca" en el centro activo como lo haría un barco en un muelle, se establecen entre ambos "amarras" en forma de interacciones débiles que hacen más estable la asociación).

De lo anteriormente expuesto es fácil deducir que para que una proteína desempeñe su función biológica debe permanecer intacta su conformación tridimensional nativa. Si se pierde dicha conformación, y por lo tanto se altera la estructura del centro activo, ya no habrá acoplamiento entre proteína y ligando (no se "reconocerán") y la interacción entre ambos, de la que depende la función, ya no tendrá lugar. Como corolario de este razonamiento podemos afirmar que la función biológica de una proteína depende de su conformación tridimensional.

En resumen, la secuencia de aminoácidos de una proteína determina su conformación tridimensional, y ésta, a su vez, su función biológica.

  

9.-DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS. 

Se entiende por desnaturalización de una proteína la pérdida de la conformación tridimensional nativa de la misma, pérdida que suele ir acompañada de un descenso en la solubilidad (las cadenas polipeptídicas de la proteína desnaturalizada se agregan unas a otras y forman un precipitado que se separa de la disolución). Durante el proceso de desnaturalización se rompen las interacciones débiles que mantienen estable la conformación pero se mantienen los enlaces covalentes del esqueleto polipeptídico, es decir, se pierden las estructuras secundaria, terciaria y, en su caso, cuaternaria, pero permanece intacta la secuencia de aminoácidos.

La desnaturalización puede ser provocada por diferentes causas o agentes desnaturalizantes de tipo físico o químico. Destacaremos dos de ellos: uno físico (aumento de temperatura) y otro químico (alteración del pH).

a)         Aumento de temperatura.- Los aumentos de temperatura provocan una mayor agitación molecular que hace que las interacciones débiles que mantienen estable la conformación de la proteína terminen por ceder con la consiguiente desnaturalización.

b)         Alteración del pH.- Estas alteraciones causan variación en el grado de ionización de distintos grupos funcionales (carboxilo, amino, hidroxilo, etc.) implicados en interacciones débiles que estabilizan la conformación. Estas variaciones provocan la rotura de dichas interacciones (sobre todo enlaces iónicos y también puentes de hidrógeno) y por lo tanto la desnaturalización (debido a ello son tan importantes los tampones que mantienen estable el pH de los fluidos biológicos).

El proceso de desnaturalización, si se lleva a cabo en condiciones suaves (variaciones moderadas y graduales de temperatura o pH), es reversible: la proteína puede recuperar su conformación tridimensional nativa si se restituyen las condiciones iniciales. Este proceso recibe el nombre de renaturalización. En la Figura 8.22 se ilustra el proceso de desnaturalización reversible de una cadena polipeptídica. Se ha comprobado en multitud de experimentos que el proceso de renaturalización conlleva una recuperación de la función biológica de la proteína (que se había perdido durante la desnaturalización), lo cual constituye una prueba irrefutable de la singular relación existente entre la secuencia de aminoácidos, la conformación tridimensional, y la función biológica de una proteína: la secuencia de aminoácidos, que es lo único que permanece al final del proceso de desnaturalización, contiene la información suficiente para que se recupere la conformación tridimensional, y con ella la función biológica, en el proceso de renaturalización.