Los Cuatro Niveles de la Estructura Proteica y sus Funciones Esenciales

Estructura y Funciones de las Proteínas

Las proteínas son moléculas fundamentales que se sintetizan bajo las órdenes del ADN y son responsables de una vasta mayoría de las características y funciones de los seres vivos. La organización tridimensional de una proteína es crucial para su función y viene determinada por cuatro niveles estructurales jerárquicos.

Estructura Primaria

Se corresponde con la secuencia lineal de aminoácidos de la proteína. Indica qué aminoácidos específicos la constituyen y el orden exacto en que se disponen en la cadena polipeptídica. La función de la proteína dependerá intrínsecamente de esta secuencia y de la forma tridimensional que adopte posteriormente. Convencionalmente, el extremo inicial de la cadena se considera aquel que presenta el aminoácido con el grupo amino libre (extremo N-inicial), y el extremo final, aquel cuyo aminoácido tiene el grupo carboxilo libre (extremo C-terminal).

Estructura Secundaria

Durante la síntesis, la cadena polipeptídica adopta una conformación espacial estable debido a los giros que se producen alrededor de los carbonos alfa de los aminoácidos. Esta estabilidad proviene principalmente de la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos –C=O y –NH de enlaces peptídicos cercanos en la secuencia. Las principales y más comunes estructuras secundarias son la hélice alfa (α-hélice) y la hoja plegada beta (β-lámina).

Hélice Alfa (α-hélice)

La cadena polipeptídica se enrolla sobre sí misma formando una hélice dextrógira (que gira hacia la derecha). Esta estructura se estabiliza mediante puentes de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo –NH de un enlace peptídico y el grupo –C=O del cuarto aminoácido que le sigue en la secuencia lineal. Característicamente, presenta 3,6 aminoácidos por vuelta. Los grupos –C=O se orientan aproximadamente paralelos al eje de la hélice en una dirección, y los grupos –NH en la dirección opuesta.

Hoja Plegada Beta (β-lámina)

En esta conformación, los aminoácidos se disponen en una estructura extendida en forma de zig-zag. La estabilidad se logra mediante puentes de hidrógeno intercatenarios, que se forman entre tramos adyacentes de la misma cadena polipeptídica (plegándose sobre sí misma) o entre cadenas polipeptídicas diferentes. Puede ser paralela (si los segmentos que interactúan corren en la misma dirección N-terminal a C-terminal) o antiparalela (si corren en direcciones opuestas). Los radicales (grupos R) de los aminoácidos se proyectan alternativamente por encima y por debajo del plano de la hoja.

Estructura Terciaria

Resulta del plegamiento tridimensional complejo de las estructuras secundarias (hélices α y láminas β) y las regiones no estructuradas de una cadena polipeptídica. Esta conformación global se estabiliza mediante diversos tipos de enlaces y interacciones entre los grupos R de los aminoácidos que pueden estar distantes en la secuencia primaria pero próximos en el espacio tridimensional. Estos enlaces incluyen:

• Atracciones electrostáticas (puentes salinos) entre grupos R con carga opuesta.
• Puentes de hidrógeno entre grupos R polares.
• Interacciones hidrofóbicas entre grupos R apolares (que tienden a agruparse en el interior de la proteína, lejos del agua).
• Fuerzas de Van der Waals.
• Puentes disulfuro (-S-S-), enlaces covalentes fuertes formados entre los grupos tiol (-SH) de dos residuos de cisteína.

La estructura terciaria define la forma global de la proteína, dando lugar a dos categorías principales:

Proteínas Globulares

Presentan una forma esferoidal compacta debido a plegamientos complejos. Generalmente son solubles en agua o disoluciones salinas, ya que tienden a orientar los radicales polares e iónicos hacia el exterior (interactuando con el agua) y los radicales apolares hacia el interior. Cumplen funciones dinámicas muy diversas (ej. enzimas, transporte, hormonas, anticuerpos).

Proteínas Filamentosas (o Fibrosas)

Tienen menos plegamientos que las globulares y predominan las estructuras secundarias (a menudo hélices α o láminas β) que se disponen formando hebras u hojas alargadas. Son típicamente insolubles en agua y muy resistentes. Desempeñan principalmente funciones estructurales o de soporte (ej. queratina en pelo y uñas, colágeno en tejido conectivo).

Estructura Cuaternaria

Este nivel estructural solo está presente en proteínas formadas por la asociación de dos o más cadenas polipeptídicas, cada una con su propia estructura terciaria. Estas cadenas individuales se denominan subunidades proteicas, protómeros o monómeros. Las subunidades se unen entre sí mediante los mismos tipos de enlaces débiles (interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas) y, en ocasiones, enlaces fuertes como puentes disulfuro intercatenarios, que estabilizan la estructura terciaria. Ejemplos notables incluyen:

• Anticuerpos (Inmunoglobulinas): Formados por 4 cadenas polipeptídicas: 2 cadenas pesadas idénticas y 2 cadenas ligeras idénticas, unidas entre sí por puentes disulfuro.
• Hemoglobina: Responsable del transporte de oxígeno en la sangre, compuesta por 4 subunidades: dos cadenas alfa (α) y dos cadenas beta (β).

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Varía enormemente. Las proteínas globulares, con sus grupos polares en la superficie, suelen ser solubles en medios acuosos. Las proteínas fibrosas, con una gran proporción de aminoácidos hidrofóbicos y estructura alargada, son generalmente insolubles.
• Desnaturalización y Renaturalización: La desnaturalización es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria (si existe), conservando solo la primaria. Esto implica la ruptura de los enlaces débiles (y a veces puentes disulfuro) que mantienen la conformación tridimensional nativa, lo que provoca la pérdida de la función biológica. Puede ser causada por agentes como altas temperaturas, cambios extremos de pH, disolventes orgánicos o agitación intensa. Si el agente desnaturalizante se elimina suavemente y la estructura primaria permanece intacta, algunas proteínas pueden plegarse espontáneamente de nuevo a su conformación nativa funcional, un proceso llamado renaturalización, aunque a menudo la desnaturalización es irreversible.

Funciones de las Proteínas

Las proteínas desempeñan una diversidad extraordinaria de funciones biológicas, entre las que destacan:

• Función Transportadora: Transportan moléculas específicas. Ejemplos: hemoglobina (transporta oxígeno en la sangre), lipoproteínas (transportan lípidos en la sangre), permeasas (transportan sustancias a través de membranas celulares).
• Función de Reserva: Almacenan aminoácidos para el desarrollo del embrión o el organismo joven. Ejemplos: ovoalbúmina (en el huevo), lactoalbúmina (en la leche), gliadina (en el trigo).
• Función Estructural: Proporcionan soporte mecánico y forman estructuras celulares y tisulares. Ejemplos: colágeno (en tejido conectivo, huesos, tendones), queratina (en piel, pelo, uñas, plumas), elastina (en tejidos elásticos).
• Función Enzimática: Actúan como catalizadores biológicos, acelerando enormemente la velocidad de las reacciones químicas metabólicas. Prácticamente todas las enzimas son proteínas. Ejemplos: amilasa (digiere almidón), lipasa (digiere lípidos), ADN polimerasa (sintetiza ADN).
• Función Hormonal: Algunas hormonas son de naturaleza proteica y regulan procesos fisiológicos. Ejemplos: insulina y glucagón (regulan el nivel de glucosa en sangre), hormona del crecimiento.
• Función Defensiva: Protegen al organismo contra patógenos o reparan daños. Ejemplos: inmunoglobulinas (anticuerpos, reconocen y neutralizan antígenos), trombina y fibrinógeno (participan en la coagulación sanguínea).
• Función Contráctil y de Movimiento: Permiten el movimiento celular y muscular. Ejemplos: actina y miosina (responsables de la contracción muscular), dineína y kinesina (movimiento de orgánulos y cilios/flagelos).