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Biología (08) · Unidad 2 — Las moléculas de la vida

Estructura de las proteínas: primaria a cuaternaria

Una proteína sólo funciona si tiene su forma. La forma se arma en cuatro niveles: la secuencia de aminoácidos (primaria), las hélices y láminas del esqueleto (secundaria), el plegado de toda la cadena (terciaria) y la unión de varias cadenas (cuaternaria). El calor o un pH extremo la desarman sin cortar la cadena: eso es desnaturalizar.

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La explicación

El problema: por qué un huevo frito no vuelve a ser crudo

La clara de huevo cruda es un líquido transparente; al calentarla se vuelve blanca y firme, y por más que se enfríe no vuelve atrás. No cambió de qué está hecha: tiene los mismos aminoácidos. Cambió la forma de sus proteínas.

En las proteínas la forma lo es todo. Una enzima reconoce a su sustrato porque encaja con él (tema 2.6); un anticuerpo, a un virus, porque calza con su superficie. Esa forma se describe en cuatro niveles, cada uno armado sobre el anterior.

Estructura primaria: la secuencia

Es el orden de los aminoácidos en la cadena, leído desde el extremo amino: Met-Ala-Lys-Gly… La sostienen los enlaces peptídicos (tema 2.4), que son covalentes y fuertes. La secuencia la dicta un gen (tema 7.5).

Y es la que decide todo lo demás: la cadena se pliega sola según qué aminoácidos tiene y dónde. Por eso un solo cambio puede alcanzar. En la anemia falciforme, la cadena β de la hemoglobina tiene una valina en el lugar donde debería ir un glutámico (la posición 6): la proteína cambia de forma, las moléculas se pegan entre sí y el glóbulo rojo se deforma.

Cómo reconocerlo: si se habla de la secuencia, del orden, de qué aminoácido está en qué lugar, o de los enlaces peptídicos, es la estructura primaria.

Estructura secundaria: hélices y láminas

Tramos de la cadena se acomodan en formas regulares que se repiten. Las dos más comunes son la hélice α, una espiral como el cable de un teléfono viejo, y la lámina β (u hoja plegada), tramos estirados que quedan uno al lado del otro como un acordeón.

Las dos se sostienen con puentes de hidrógeno entre átomos del esqueleto: el O del C=O de un aminoácido con el H del N–H de otro, unos lugares más allá. No intervienen las cadenas R. La queratina del pelo es casi toda hélice α; la seda de las arañas y los gusanos, casi toda lámina β.

Cómo reconocerlo: hélice α o lámina β, puentes de hidrógeno del esqueleto (C=O con N–H). Si los que interactúan son los R, ya es terciaria.

Estructura terciaria: el ovillo

Es la forma tridimensional de toda la cadena: cómo se doblan y se acomodan las hélices, las láminas y los tramos sin forma fija. Ahora sí intervienen las cadenas R, que se atraen entre sí aunque estén lejos en la secuencia:

Interacciones hidrofóbicas: los R apolares se juntan en el interior, lejos del agua. Es la fuerza que más empuja el plegado.
Puentes de hidrógeno entre R polares.
Uniones iónicas entre un R positivo (lisina) y uno negativo (glutámico).
Puentes disulfuro: uniones covalentes –S–S– entre dos cisteínas, el único aminoácido que lo hace. Cada puente usa dos cisteínas, y son los que más firme dejan la forma.

Según la forma final hay dos grandes grupos. Las proteínas fibrosas son alargadas, resistentes y en general insolubles: estructurales, como el colágeno de los tendones y la queratina del pelo y las uñas. Las globulares son compactas, más o menos esféricas y solubles: las enzimas, los anticuerpos, la hemoglobina.

Cómo reconocerlo: forma 3D de una cadena, interacciones entre R, puentes disulfuro: terciaria.

Estructura cuaternaria: varias cadenas juntas

Muchas proteínas son más de una cadena: cada cadena plegada es una subunidad, y la forma en que se acomodan entre sí es la estructura cuaternaria. Se sostiene con las mismas interacciones que la terciaria. Sólo la tienen las proteínas de más de una cadena.

El ejemplo de siempre es la hemoglobina: cuatro cadenas (dos α y dos β). Cada una lleva además un grupo hemo con un átomo de hierro, que es donde se une el oxígeno: una hemoglobina lleva hasta cuatro O₂. El hemo no es un aminoácido: es un grupo prostético, y una proteína que lleva una parte que no es proteína se llama conjugada. Otras conjugadas: las glucoproteínas (con azúcares) y las lipoproteínas (con lípidos).

La mioglobina, que guarda oxígeno en el músculo, se parece a una sola cadena de hemoglobina: una cadena y un hemo, sin estructura cuaternaria. Su curva de unión al oxígeno es una hipérbola: se carga ya con poco oxígeno y lo suelta sólo cuando el músculo se queda casi sin. La de la hemoglobina es una S (sigmoidea): cuando una subunidad toma un O₂, a las otras les cuesta menos tomar el suyo (eso se llama cooperatividad). Así la hemoglobina se llena en el pulmón y suelta buena parte en los tejidos, donde hay menos oxígeno.

Cómo reconocerlo: si hay más de una cadena y se habla de cómo se arman entre sí, es cuaternaria. Una sola cadena, aunque tenga un hemo, no tiene cuaternaria.

Desnaturalizar no es hidrolizar

El calor, un pH muy ácido o muy básico, el alcohol o ciertos detergentes rompen las uniones débiles que sostienen la forma: se pierden la estructura secundaria, la terciaria y la cuaternaria, y la proteína deja de funcionar. Eso es desnaturalizar. Los enlaces peptídicos siguen intactos: la primaria se conserva. A veces, si se saca la causa, la cadena se vuelve a plegar sola (Christian Anfinsen lo mostró con una enzima, la ribonucleasa); otras veces, como en la clara cocida, las cadenas se enredan entre sí y no hay vuelta atrás.

La hidrólisis, en cambio, corta los enlaces peptídicos con agua: se pierde la primaria y quedan aminoácidos sueltos. Es la digestión.

Cómo se resuelve
1. ¿Se rompieron enlaces peptídicos? Hidrólisis: quedan aminoácidos o péptidos chicos.
2. ¿La cadena sigue entera pero perdió su forma? Desnaturalización: sobrevive sólo la primaria.
3. Para contar enlaces peptídicos de una proteína desnaturalizada, se cuentan como si nada hubiera pasado: n − 1 por cadena.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

La proteína principal de la clara de huevo tiene 385 aminoácidos en una sola cadena. a) Al freír el huevo, ¿qué niveles de estructura se pierden y cuál se conserva? b) ¿Cuántos enlaces peptídicos tiene la proteína cruda, y cuántos después de freírla? c) En el estómago y el intestino, la proteína termina en aminoácidos sueltos: ¿qué proceso es y cuántas aguas consume si se completa?

Desnaturalizar desarma la forma; hidrolizar corta la cadena. La diferencia está en los enlaces peptídicos.

a) El calor rompe los puentes de hidrógeno, las uniones iónicas y las interacciones hidrofóbicas que sostienen la forma: se pierden la secundaria y la terciaria (no tiene cuaternaria, porque es una sola cadena). Se conserva la primaria: el orden de los aminoácidos sigue igual. Las cadenas desplegadas se enredan unas con otras, y por eso la clara se vuelve blanca, firme y no vuelve atrás.
b) Cruda: 385 − 1 = 384 enlaces peptídicos. Frita: 384 también. El calor de la sartén no corta enlaces peptídicos.
c) Es una hidrólisis, hecha por enzimas digestivas como la pepsina y la tripsina. Cortar los 384 enlaces consume 384 aguas y deja 385 aminoácidos sueltos.

Dónde se pierde el ejemplo: en decir que la proteína frita tiene «0 enlaces» o que «se rompió en aminoácidos»; en agregarle una estructura cuaternaria que no tiene; y en contar 385 aguas en el c).

Y uno del nivel del parcial

La mioglobina del músculo y cada cadena de la hemoglobina se parecen mucho. Sin embargo, la curva de unión al oxígeno de la mioglobina es una hipérbola y la de la hemoglobina tiene forma de S. ¿A qué se debe la diferencia y por qué le conviene al cuerpo?

La diferencia es la estructura cuaternaria. La mioglobina es una sola cadena con un hemo: cada molécula toma un O₂ sin enterarse de nada más. La hemoglobina son cuatro cadenas, cada una con su hemo, y están acopladas: cuando una toma un O₂, cambia un poco su forma y empuja a las vecinas a una forma que toma O₂ más fácil. Eso es la cooperatividad, y es lo que dibuja la S.

En el pulmón, donde hay mucho oxígeno, las dos se cargan casi por completo.
En un tejido que trabaja, donde hay poco, la hemoglobina está en la parte empinada de la S: una baja chica del oxígeno le hace soltar mucho. La mioglobina, en cambio, sigue casi llena: suelta su O₂ recién cuando el músculo se queda casi sin.
Por qué conviene: la hemoglobina es un transportador, tiene que cargar y descargar. La mioglobina es una reserva, tiene que retener y dar sólo en la emergencia. Cada curva es la que sirve para su trabajo.

Dónde se pierde el punto: en decir que la hemoglobina «tiene menos afinidad, entonces es peor». No es peor: su forma de S la hace buena para entregar, que es lo que se le pide.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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