¿Qué son las Proteínas y los Aminoácidos?

Las proteínas son biopolímeros formados por el encadenamiento de unidades moleculares o monómeros llamados aminoácidos (aa). En los análisis de las proteínas se han encontrado 20 aminoácidos distintos que componen todas las proteínas, y se conocen como aminoácidos proteicos.

Estos tienen en común un grupo amino (-NH₂) y un grupo carboxílico (-COOH) unidos covalentemente a un átomo de carbono (C) central asimétrico. Por esta razón, los aminoácidos presentan estereoisomería y son ópticamente activos. A este carbono central también se unen un átomo de hidrógeno (H) y una cadena lateral (R), que es diferente para cada uno de los 20 aminoácidos. En los medios biológicos, los aminoácidos se comportan como sustancias anfóteras, ya que presentan por igual carácter ácido y básico.

Clasificación de los Aminoácidos Proteicos

Se pueden clasificar en función de la polaridad de los grupos funcionales que aporta la cadena lateral (R):

• Apolares: La cadena R posee grupos hidrófobos que interaccionan con otros mediante fuerzas de Van der Waals. Pueden ser:
  • Alifáticos: La cadena es de naturaleza alifática (ejemplo: leucina).
  • Aromáticos: La cadena contiene anillos aromáticos (ejemplo: triptófano).
• Polares sin carga: La cadena contiene grupos polares capaces de formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares (ejemplo: cisteína).
• Polares con carga: La cadena contiene grupos polares cargados. Pueden ser:
  • Ácidos: La cadena R aporta grupos carboxilo cargados negativamente (ejemplo: ácido aspártico).
  • Básicos: La cadena R aporta grupos amino cargados positivamente (ejemplo: lisina).

Niveles de Organización Estructural de las Proteínas

En la estructura tridimensional de una proteína se pueden describir cuatro niveles distintos de complejidad creciente: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura Primaria

Es la disposición lineal de los aminoácidos que se unen mediante enlaces de tipo amídico, conocidos como enlaces peptídicos. De esta forma, se obtienen cadenas lineales de aminoácidos enlazados, llamadas péptidos. Esta estructura se caracteriza por la composición de los distintos aminoácidos que la constituyen y por la secuencia en la que se encuentran.

Péptidos y Polipéptidos

• Péptidos: Cadenas con menos de 10 aminoácidos.
• Polipéptidos: Cadenas con un número mayor de constituyentes.

Cada péptido o polipéptido se escribe de izquierda a derecha, empezando por el grupo amino terminal y terminando por el grupo carboxilo terminal.

Estructura Secundaria

Es el plegamiento de la estructura primaria debido a la formación de puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos carboxilo (-C=O) de unos enlaces peptídicos y los grupos amino (-NH) de otros enlaces próximos. Las cadenas laterales (R) se distribuyen a lo largo de la cadena, adoptando determinadas posiciones.

Tipos de Estructura Secundaria

• Conformación en Hélice Alfa (α-hélice): La sucesión de planos definidos por la estructura primaria se enrolla sobre sí misma y origina una hélice dextrógira (hacia la derecha) y compacta. Esta se estabiliza exclusivamente por los numerosos puentes de hidrógeno formados entre los grupos -NH- y -CO- de los enlaces peptídicos. Esto permite que secuencias diferentes de aminoácidos puedan adoptar esta misma conformación espacial, ya que los grupos funcionales de las cadenas laterales (R) no participan directamente en su estabilización.
• Hélice de Colágeno: Cada una de las tres cadenas que constituyen la superhélice de colágeno presenta un plegamiento secundario en forma de hélice levógira (hacia la izquierda), algo más extendida que las alfa-hélices. Esto se debe a las elevadas cantidades del aminoácido prolina presentes en la cadena.
• Conformación Laminar o Lámina Beta (β-lámina): En las hojas plegadas, la cadena polipeptídica queda extendida y se pliega sucesivamente sobre sí misma, de manera que diferentes tramos de la cadena quedan enfrentados. Estos tramos se unen mediante puentes de hidrógeno, formando láminas plegadas en zigzag. En ocasiones, estos puentes de hidrógeno son intercatenarios (entre cadenas distintas), como se observa en la fibroína.
• Giros o Codos Beta (β-giros): Son regiones de la cadena peptídica que se ven obligadas a cambiar bruscamente de dirección. Estas conformaciones, denominadas giros beta, son necesarias para que la proteína adopte una estructura más compacta.

Estructura Terciaria

Está constituida por el plegamiento de la estructura secundaria sobre sí misma, dando lugar a una conformación tridimensional global. En ella se destacan los motivos de la estructura secundaria y los dominios estructurales. El resultado es diferente según el tipo de proteína:

• Proteínas fibrosas: Su estructura es más simple. Las cadenas laterales apenas influyen, y suelen ser resistentes e insolubles en agua (ejemplo: queratina).
• Proteínas globulares: Se forman por el plegamiento sucesivo de la estructura secundaria hasta constituir una proteína compacta, esferoidal y soluble en agua.

Dominios Estructurales

Están formados por determinadas combinaciones de hélices alfa y láminas beta, plegadas de manera estable e independiente para formar estructuras compactas que desempeñan funciones concretas. Existen proteínas con un único dominio y otras con varios, que suelen corresponder a distintas funciones dentro de la misma proteína.

Estructura Cuaternaria

Se forma por la asociación de varias cadenas peptídicas (subunidades) mediante puentes de hidrógeno, uniones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals.

• La estructura cuaternaria de las proteínas fibrosas se basa en la asociación de diversas unidades peptídicas que dan lugar a complejos macromoleculares, y suelen desempeñar funciones estructurales.
• La estructura cuaternaria de proteínas globulares, como la hemoglobina, está compuesta por la asociación de dos o más cadenas con estructura terciaria.

Estructura y Funcionalidad Biológica

Esta estructura es la responsable de la actividad biológica de muchas proteínas. De todas las secuencias posibles que se pueden formar, las proteínas actuales son las que poseen las secuencias adecuadas que les permiten adoptar conformaciones estables y capaces de desempeñar diversas funciones.

Cambios Conformacionales y Proteínas Alostéricas

Los enlaces covalentes que mantienen la estructura primaria de los polipéptidos son rígidos, pero los enlaces débiles que pliegan la proteína en los demás niveles conformacionales pueden abrirse y volver a cerrarse. En algunas proteínas se producen cambios conformacionales entre dos estados: uno activo y otro inactivo.

Existe un grupo de proteínas, llamadas proteínas alostéricas, en las que los cambios conformacionales son inducidos por la unión de determinadas moléculas (ligandos), que provocan modificaciones en la estructura terciaria, en la cuaternaria, o en ambas. El alosterismo es uno de los mecanismos fundamentales que permiten regular la actividad de una proteína y, por tanto, su función biológica.