La cadena polipeptídica, al nivel molecular, forma una fibra muy larga y cabe preguntarse cómo se ordena en el espacio, es decir cuál es su conformación. Para diferentes moléculas de una misma proteína X, que estén en las mismas condiciones físicas y químicas en que se encuentran en su estado natural (estado nativo), existen dos posibilidades: la primera es que su conformación sea al azar, o sea que cada fibra de la proteína X se encuentre distribuida en el espacio de una forma totalmente aleatoria. Si el lector tiene un tramo de cuerda puede enrollarlo, hacer un ovillo o disponerlo en cientos de formas diferentes. Sin embargo, como resultado de todas las observaciones que se han realizado es posible afirmar que, en su estado nativo, las moléculas de una misma proteína tienen una sola conformación (conformación nativa). Aún más, cuando por un cambio físico o químico se pierde la conformación nativa la proteína pierde su función.
Esta sección está dedicada a estudiar la conformación que tienen las proteínas fibrosas. Como su nombre lo dice, a diferencia de las globulares, estas moléculas se ordenan en el espacio formando fibras extendidas, y son insolubles en agua. Esto es muy importante para la función que desempeñan este tipo de proteínas, ya que sirven como componentes de estructuras de soporte y/o de protección dentro de la organización de los sistemas vivientes.
Estructura de las α- queratinas. (α- hélice)
Al grupo de las α- queratinas pertenecen muchas proteínas bastante conocidas: pelo, plumas, escamas, cuernos de bovino, uñas, garras etc. Son compuestos que son sintetizados por las células de la epidermis. La estructura en el espacio que adoptan este tipo de proteínas se conoce con el nombre de α- hélice y básicamente es una estructura helicoidal. La hélice tiene 3.6 residuos de aminoácido por vuelta por lo que también se le ha llamado hélice 3.6. Como un ejemplo de una estructura con configuración de α - hélice, en las Figuras 5.12, 5.13 y 5.14, se aprecia el mismo polímero representado en tres formas diferentes. La secuencia de aminoácidos del polipéptido de las figuras es la siguiente:
NH2-ALANINA-CISTEÍNA-TRIPTOFANO-METIONINA-CISTEÍNA-GLUTAMINA-VALINA-FENILALANINA-ASPARAGINA-VALINA-CISTEÍNA-LEUCINA-CISTEÍNA-TRIPTOFANO-TIROSINA-ALANINA-VALINA-CISTEÍNA-COOH
En este momento cabe plantear la siguiente pregunta:
1: ¿Por qué las α- queratinas adoptan la conformación de una hélice y no otra?
Se podría pensar que la conformación se encuentra almacenada en los genes, pero está ampliamente confirmado que ellos codifican exclusivamente para la estructura primaria de una proteína. Más bien la respuesta correcta se orienta a afirmar que: la conformación de una proteína es finalmente el resultado de la abundancia de determinados aminoácidos y la poca cantidad de otros y que la cadena polipeptídica se ordena en el espacio en la forma en que representa el mínimo estado de energía posible.
En la Tabla 5.4 se aprecia que los aminoácidos se han dividido en tres grupos (aparece también un aminoácido raro que no existe en todas las proteínas: la hidroxiprolina). Se observa que hay aminoácidos que permiten una α- hélice estable. Una cadena polipeptídica o una región de la misma, con una proporción alta de estas moléculas, espontáneamente va a adoptar tal configuración. Los polipéptidos que son ricos en los aminoácidos que desestabilizan la hélice o con mayor razón, los que la destruyen, se van a tener que ordenar en el espacio de otra manera.
Tabla 5.4: Aminoácidos que permiten, desestabilizan o destruyen el α- hélice. (Información tomada del libro de Lehninger)
La conformación que adopta el polipéptido es el resultado de la interacción de los grupos R entre sí y con los factores del medio ambiente en donde se encuentra la proteína, dentro de éstos es importante mencionar los siguientes: temperatura, pH y la presencia y concentración de sales u otros compuestos en la solución. Cualquier cambio en estas variables provoca un cambio en la estructura tridimensional de la cadena y en la mayoría de los casos la pérdida de su función; por lo que al extraer proteínas de tejidos vivos, es muy importante mantener las condiciones en que se encontraban, para así preservar su estado nativo. Al final de cuentas, la estructura tridimensional que adopta un polipéptido no es más que la que representa el menor estado energético posible, dentro de las condiciones en que se encuentre en ese momento.
Volviendo con las a- hélices, hay una fuerza que les permite mantener estable esa estructura: los puentes de hidrógeno intracadena. (Figura 5.15).
El enlace peptídico está formado por cuatro átomos: (CO) - (NH). El nitrógeno es muy electronegativo y tiende a atraer la nube electrónica del hidrógeno que tiene unido, provocando que éste se rodee de una carga parcial positiva; por otro lado, el oxígeno tiende a atraer los electrones del carbono y por lo tanto tiene una carga parcial negativa; la carga parcial positiva del hidrógeno atrae a la carga parcial negativa del oxígeno provocando que estos átomos tiendan a estar juntos. Esto es: se forma un puente de hidrógeno. En un polipéptido los enlaces peptídicos son muy abundantes y por lo tanto pueden establecerse múltiples puentes de hidrógeno (Figura 5.16), que contribuyen a la conformación específica que adopta en el espacio una cadena polipeptídica. En el caso de las α- hélices los puentes de hidrógeno se establecen entre átomos que se encuentran dentro de la misma cadena por lo que se les llama intracadena, para distinguirlos de los que se establecen entre dos cadenas diferentes, a los que se les llama puentes de hidrógeno intercadena.
Figura 5.16 Estabilización de un α- hélice mediante la formación de múltiples puentes de hidrógeno.
(Imagen tomada de:
En la Tabla 5.4 también se encuentra una lista de aminoácidos con los que se hace poco estable el α- hélice, aquí se analizarán dos: el ácido glutámico y el aspártico, para ver por qué ocurre este fenómeno. Viendo la fórmula de estos aminoácidos nos damos cuenta que en el grupo R de las moléculas en cuestión existe un grupo carboxilo, el cual, como ya se sabe, a determinados pHs se encuentra disociado (-COO-). Si un polipéptido tiene un exceso de glutamato o de aspartato, poseerá muchas cargas negativas que tenderán a repelerse y por lo tanto no puede adoptar una estructura de a- hélice, ya que la repulsión de las cargas negativas es más fuerte que la atracción debida a los puentes de hidrógeno (Figura 5.17).
Los puentes de hidrógeno dan estabilidad al α- hélice. Si se ve la fórmula de la prolina y de la hidroxiprolina se observa que el nitrógeno del carbono a solamente tiene un hidrógeno, el cual se pierde para formar agua al establecerse el enlace peptídico. Un polipéptido formado por los aminoácidos mencionados no puede tener estructura de α- hélice, simplemente porque no se pueden formar puentes de hidrógeno, debido a la ausencia de estos átomos. Nuevamente, una cantidad elevada de estos aminoácidos en un polipéptido lo obligan a adoptar una conformación específica que les permita la mayor estabilidad posible. (Figura 5.18).
Figura 5.18 En este diagrama se muestran dos tetrapéptidos: en 1 se encuentra una molécula formada por cuatro aminoácidos diferentes y no tiene prolina, se observa cómo el nitrógeno de los enlaces peptídocos conserva un H (marcado con flechas), lo que le permite formar puentes de hidrógeno. En 2 el tetrapéptido está formado mediante la unión de 4 prolinas, las cuales, en su nitrógeno α tienen un hidrógeno menos que los otros aminoácidos. En el enlace peptídico formado bajo estas condiciones, ya no quedan hidrógenos y por lo tanto no se puede establecer configuración de α- hélice. (Figura elaborada por el autor).
Otra característica de las α- hélices es su abundancia en residuos de cisteína. Este aminoácido tiene un sulfidrilo (-SH) en el grupo R y como se ha visto en el capítulo anterior, dos de estos grupos pueden reaccionar entre sí para formar un puente disulfuro (-S-S-). Tal característica permite que dos cadenas polipeptídicas queden unidas entre sí mediante la formación de puentes disulfuro intercadena. Un cabello, una uña o un cuerno, en realidad son una gran cantidad de polipéptidos unidos entre sí mediante puentes disulfuro intercadena. Cuanto mayor número de puentes disulfuro existan (más cisteína en la cadena polipeptídica), la estructura formada es más rígida.
Los genes codifican únicamente para la estructura primaria de una proteína, la conformación es un producto del tipo de aminoácidos que la componen y del medio en el que se encuentra.
Cuando se cambian algunos factores del medio ambiente, tales como pH, temperatura o la concentración de algunos compuestos en solución, la conformación nativa de una proteína se pierde y pasa a un arreglo en el espacio al azar, este fenómeno recibe el nombre de desnaturalización.