Al comienzo de este capítulo, se describió un famoso experimento en el que los científicos sintetizaron aminoácidos en condiciones que simulaban los presentes en la tierra mucho antes de la evolución de la vida tal como la conocemos. Estos compuestos son capaces de unirse en esencialmente cualquier número, produciendo moléculas de esencialmente cualquier tamaño que poseen una amplia gama de propiedades físicas y químicas y realizan numerosas funciones vitales para todos los organismos. Las moléculas derivadas de aminoácidos pueden funcionar como componentes estructurales de células y entidades subcelulares, como fuentes de nutrientes, como reservorios de almacenamiento de átomos y energía, y como especies funcionales como hormonas, enzimas, receptores y moléculas de transporte.

Aminoácidos y enlaces peptídicos

Figura 1.

Un aminoácido es una molécula orgánica en la que un átomo de hidrógeno, un grupo carboxilo (–COOH) y un grupo amino (–NH2), están adheridas al mismo átomo de carbono, el llamado α carbono. El cuarto grupo unido al carbono α varía entre los diferentes aminoácidos y se llama residuo o cadena lateral, representada en fórmulas estructurales por la letra R. Un residuo es un monómero que resulta cuando dos o más aminoácidos se combinan y eliminan moléculas de agua. La estructura primaria de una proteína, una cadena de péptidos, está hecha de residuos de aminoácidos. Las características únicas de los grupos funcionales y los grupos R permiten que estos componentes de los aminoácidos formen enlaces de hidrógeno, iónicos y disulfuro, junto con interacciones polares/no polares necesarias para formar estructuras de proteínas secundarias, terciarias y cuaternarias. Estos grupos están compuestos principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, en forma de hidrocarburos, ácidos, amidas, alcoholes y aminas. En la figura 1 se ofrecen algunos ejemplos que ilustran estas posibilidades.

Los aminoácidos pueden unirse químicamente por reacción del grupo de ácidos carboxílicos de una molécula con el grupo de aminas de otra. Esta reacción forma un enlace peptídico y una molécula de agua y es otro ejemplo de síntesis de deshidratación (Figura 2). Las moléculas formadas por la unión química de números relativamente modestos de aminoácidos (aproximadamente 50 o menos) se denominan péptidos, y los prefijos se usan a menudo para especificar estos números: dipéptidos (dos aminoácidos), tripéptidos (tres aminoácidos), y así sucesivamente. De manera más general, se designa el número aproximado de aminoácidos: los oligopéptidos se forman uniendo hasta aproximadamente 20 aminoácidos, mientras que los polipéptidos se sintetizan a partir de hasta aproximadamente 50 aminoácidos. Cuando el número de aminoácidos unidos entre sí se vuelve muy grande, o cuando se usan múltiples polipéptidos como subunidades de construcción, las macromoléculas que resultan se llaman proteínas. La longitud continuamente variable (el número de monómeros) de estos biopolímeros, junto con la variedad de posibles grupos R en cada aminoácido, permite una diversidad casi ilimitada en los tipos de proteínas que se pueden formar.

Figura 2. La formación de enlaces peptídicos es una reacción de síntesis de deshidratación. El grupo carboxilo del primer aminoácido (alanina) está vinculado al grupo amino del segundo aminoácido entrante (alanina). En el proceso, se libera una molécula de agua.

Estructura de la proteína

El tamaño (longitud) y la secuencia específica de aminoácidos de una proteína son determinantes principales de su forma, y la forma de una proteína es crítica para su función. Por ejemplo, en el proceso de fijación biológica de nitrógeno (ver Ciclos Biogeoquímicos), los microorganismos del suelo conocidos colectivamente como rizobios interactúan simbióticamente con las raíces de las plantas de leguminosas, como la soja, el maní o los frijoles, para formar una nueva estructura llamada nódulo en las raíces de las plantas. La planta produce una proteína transportadora llamada leghemoglobina, una proteína que transporta nitrógeno u oxígeno. La leghemoglobina se une con una afinidad muy alta al oxígeno de su sustrato en una región específica de la proteína donde la forma y la secuencia de aminoácidos son apropiadas (el sitio activo). Si la forma o el entorno químico del sitio activo se altera, aunque sea ligeramente, es posible que el sustrato no pueda unirse con tanta fuerza o que no pueda unirse en absoluto. Por lo tanto, para que la proteína sea completamente activa, debe tener la forma adecuada para su función.

La estructura proteica se clasifica en términos de cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. La estructura primaria es simplemente la secuencia de aminoácidos que componen la cadena polipeptídica. La Figura 3 muestra la estructura primaria de una proteína.

Figura 3. Haga clic para ver una imagen más grande. La estructura primaria de una proteína es la secuencia de aminoácidos. (crédito: modificación del trabajo del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano)

La cadena de aminoácidos que define la estructura primaria de una proteína no es rígida, sino flexible debido a la naturaleza de los enlaces que mantienen unidos a los aminoácidos. Cuando la cadena es lo suficientemente larga, el enlace de hidrógeno puede ocurrir entre los grupos funcionales amina y carbonilo dentro de la columna vertebral del péptido (excluyendo el grupo lateral R), lo que resulta en un plegamiento localizado de la cadena polipeptídica en hélices y láminas. Estas formas constituyen la estructura secundaria de una proteína. Las estructuras secundarias más comunes son la hélice α y la lámina plisada β. En la estructura de hélice α, la hélice está sujeta por enlaces de hidrógeno entre el átomo de oxígeno en un grupo carbonilo de un aminoácido y el átomo de hidrógeno del grupo amino que está a solo cuatro unidades de aminoácidos más a lo largo de la cadena. En la lámina β-plisada, los pliegues están formados por enlaces de hidrógeno similares entre secuencias continuas de grupos carbonilo y amino que se separan aún más en la columna vertebral de la cadena polipeptídica (Figura 4).

Figura 4. La estructura secundaria de una proteína puede ser una hélice α o una lámina plisada β, o ambas.

Figura 5. Haga clic para ampliar la imagen. La estructura terciaria de las proteínas está determinada por una variedad de fuerzas de atracción, incluyendo interacciones hidrofóbicas, enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno y enlaces de disulfuro.

El siguiente nivel de organización de proteínas es la estructura terciaria, que es la forma tridimensional a gran escala de una sola cadena de polipéptidos. La estructura terciaria está determinada por interacciones entre residuos de aminoácidos que están muy separados en la cadena. Una variedad de interacciones dan lugar a la estructura terciaria de proteínas, como puentes de disulfuro, que son enlaces entre los grupos funcionales sulfhidrilo (–SH) en grupos laterales de aminoácidos; enlaces de hidrógeno; enlaces iónicos; e interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales no polares. Todas estas interacciones, débiles y fuertes, se combinan para determinar la forma tridimensional final de la proteína y su función (Figura 5).

El proceso por el cual una cadena de polipéptidos asume una forma tridimensional a gran escala se llama plegamiento de proteínas. Se dice que las proteínas plegadas que son completamente funcionales en su papel biológico normal poseen una estructura nativa. Cuando una proteína pierde su forma tridimensional, puede que ya no sea funcional. Estas proteínas desplegadas están desnaturalizadas. La desnaturalización implica la pérdida de la estructura secundaria y terciaria (y, si está presente, la estructura cuaternaria) sin la pérdida de la estructura primaria.

Algunas proteínas son conjuntos de varios polipéptidos separados, también conocidos como subunidades de proteínas. Estas proteínas funcionan adecuadamente solo cuando todas las subunidades están presentes y configuradas apropiadamente. Las interacciones que mantienen unidas a estas subunidades constituyen la estructura cuaternaria de la proteína. La estructura cuaternaria general está estabilizada por interacciones relativamente débiles. La hemoglobina, por ejemplo, tiene una estructura cuaternaria de cuatro subunidades de proteínas globulares: dos polipéptidos α y dos β, cada uno de los cuales contiene un hemo a base de hierro (Figura 6).

Figura 6. Una molécula de hemoglobina tiene dos polipéptidos α y dos β junto con cuatro grupos hemo.

Otra clase importante de proteínas son las proteínas conjugadas que tienen una porción no proteica. Si la proteína conjugada tiene un carbohidrato unido, se llama glicoproteína. Si tiene un lípido adherido, se llama lipoproteína. Estas proteínas son componentes importantes de las membranas. La Figura 7 resume los cuatro niveles de estructura proteica.

Figura 7. La estructura proteica tiene cuatro niveles de organización. (crédito: modificación del trabajo del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano)

Estructura primaria, Proteínas Disfuncionales y Fibrosis quística

Figura 8. Haga clic para ver una imagen más grande. La proteína CFTR normal es una proteína de canal que ayuda a que la sal (cloruro de sodio) entre y salga de las células.

Las proteínas asociadas con membranas biológicas se clasifican como extrínsecas o intrínsecas. Las proteínas extrínsecas, también llamadas proteínas periféricas, están vagamente asociadas con un lado de la membrana. Las proteínas intrínsecas, o proteínas integrales, están incrustadas en la membrana y a menudo funcionan como parte de los sistemas de transporte como proteínas transmembranas. La fibrosis quística (FQ) es un trastorno genético humano causado por un cambio en la proteína transmembrana. Afecta principalmente a los pulmones, pero también puede afectar al páncreas, el hígado, los riñones y el intestino. La FQ es causada por una pérdida del aminoácido fenilalanina en una proteína transmembrana de fibrosis quística (CFTR). La pérdida de un aminoácido cambia la estructura primaria de una proteína que normalmente ayuda a transportar sal y agua dentro y fuera de las células (Figura 8).

El cambio en la estructura primaria impide que la proteína funcione correctamente, lo que hace que el cuerpo produzca moco inusualmente grueso que obstruye los pulmones y conduce a la acumulación de moco pegajoso. El moco obstruye el páncreas e impide que las enzimas naturales ayuden al cuerpo a descomponer los alimentos y absorber los nutrientes vitales.

En los pulmones de las personas con fibrosis quística, el moco alterado proporciona un ambiente donde las bacterias pueden prosperar. Esta colonización conduce a la formación de biopelículas en las pequeñas vías respiratorias de los pulmones. Los patógenos más comunes encontrados en los pulmones de los pacientes con fibrosis quística son Pseudomonas aeruginosa (Figura 9a) y Burkholderia cepacia. Las pseudomonas se diferencian dentro de la biopelícula en el pulmón y forman grandes colonias, llamadas Pseudomonas «mucoides». Las colonias tienen una pigmentación única que aparece en las pruebas de laboratorio (Figura 9b) y proporciona a los médicos la primera pista de que el paciente tiene FQ (tales colonias son raras en individuos sanos).

Figura 9. a) Una micrografía electrónica de barrido muestra la bacteria oportunista Pseudomonas aeruginosa. b) P que produce pigmentos. aeruginosa en agar cetrimida muestra el pigmento verde llamado piocianina. (crédito a: modificación del trabajo de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)