Estructura y Plegamiento de Proteínas: Fundamentos Bioquímicos y Funcionales

Estructura Cuaternaria de las Proteínas

La estructura cuaternaria es el nivel de organización estructural que exhiben las proteínas con más de una cadena polipeptídica, denominadas subunidades o monómeros, que pueden ser idénticas o diferentes en estructura. Hace referencia al ordenamiento espacial de las subunidades y la naturaleza de sus interacciones entre grupos pertenecientes a distintas cadenas polipeptídicas.

Clasificación Funcional de las Proteínas

Proteínas Fibrosas

• Forma: Alargadas, filamentosas.
• Estructura Primaria (E1ª): Aparecen secuencias repetitivas.
• Estructura Terciaria (E3dim): Predomina un solo tipo de estructura secundaria, formando fibras insolubles en agua, estabilizadas por enlaces covalentes.
• Funciones: Material estructural, conexión, protección, soporte mecánico, elasticidad, funciones motrices.

Las proteínas fibrosas están constituidas por elementos estructurales extendidos, resistentes e insolubles en agua. Presentan una estructura tridimensional periódica determinada por una secuencia de aminoácidos relativamente regular.

Alfa-Queratina: Hélice de Hélice

Las cadenas se mantienen unidas por una red de puentes disulfuro entre residuos de Cisteína (Cys), y de cuyo número depende la rigidez de la fibra. Por ejemplo, el pelo, con alto contenido de alfa-queratinas, puede tratarse en caliente con un agente reductor para curvarse y quedar en forma de onda permanente. Esto se logra mediante la aplicación posterior de un agente oxidante que restablece nuevos enlaces disulfuro, pero entre parejas de Cisteínas de cadenas polipeptídicas diferentes a la primera conformación, obteniendo así una nueva conformación denominada rizada.

Fibroína (Seda)

Presenta una secuencia repetida: Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser. Posee largas regiones de hoja β antiparalela. Los residuos de las hojas se extienden alternativamente por encima y por debajo del plano de la hoja; todas las Glicinas (Gly) estarán situadas en un lado y todas las Alaninas (Ala) y Serinas (Ser) en otro. Esto permite el acoplamiento de Glicinas en hojas adyacentes, formando fibras fuertes e inextensibles. Los enlaces entre láminas son débiles, lo que confiere poca resistencia al doblado.

Colágeno

Es el componente principal del tejido conectivo. Su unidad básica es el tropocolágeno, formado por tres cadenas polipeptídicas enrolladas entre sí, girando hacia la derecha. Presenta una secuencia única: (-Gly-X-Y-)n, con alto contenido en aminoácidos inusuales. La presencia de Prolina evita formar hélices alfa. Cada tercer residuo de cada cadena polipeptídica pasa a través del centro de la triple hélice, de modo que solamente puede adaptarse una cadena lateral de Glicina (Gly). No se establecen puentes de hidrógeno dentro de cadenas individuales, pero sí intercatenarios que estabilizan la estructura. Las moléculas de tropocolágeno forman fibrillas y se mantienen unidas por enlaces covalentes cruzados.

Proteínas Globulares

• Forma: Globular, esferoidal.
• Estructura Primaria (E1ª): No aparecen secuencias repetitivas o pseudorepetitivas.
• Estructura Terciaria (E3dim): Presentan una proporción variable de hélice alfa y hoja beta, estructuras supersecundarias y dominios. Poseen núcleos organizados con eficacia, con cadenas laterales polares en la superficie externa y no polares en el interior, estabilizadas por interacciones hidrofóbicas.
• Funciones: Enzimas, proteínas de transporte, receptores, etc.

Las cadenas polipeptídicas forman estructuras compactas, solubles en agua, dejando poco espacio en el interior de forma que el agua se encuentra excluida.

Principios del Plegamiento Proteico

1. La información necesaria para la estructura tridimensional (E3dim) está contenida en la secuencia de aminoácidos (E1ª).
2. El plegamiento viene determinado por consideraciones energéticas que permiten un máximo de puentes de hidrógeno, interacciones de Van der Waals, iónicas e hidrofóbicas.
3. El plegamiento espontáneo está gobernado por la tendencia a aislar residuos no compatibles.
4. La mayoría de las proteínas se pliegan con la ayuda de chaperonas.

Agentes Desnaturalizantes

• Calor: Rompe puentes de hidrógeno.
• pH: Altera la ionización de las cadenas laterales.
• Solventes orgánicos y detergentes: Afectan las interacciones hidrofóbicas.

Plegamiento Proteico Asistido

1. Proteína Disulfuro Isomerasa (PDI): Ayuda a las proteínas a encontrar la combinación de enlaces disulfuro que represente el estado de mínima energía libre.
2. Prolil-Peptidil Isomerasa (PPI): Cataliza la isomerización cis/trans de los enlaces peptídicos en los que participa la Prolina.
3. Chaperonas: Evitan la agregación de proteínas recién sintetizadas o desnaturalizadas. Su papel es pasivo y ejercen su función mediante la unión y liberación de regiones hidrofóbicas de las proteínas, esenciales en el plegamiento.
4. Chaperoninas: Son complejos proteicos elaborados para el plegamiento de proteínas celulares que no se pliegan espontáneamente. Su papel es activo.