El origen de la estructura está en la secuencia (El Paradigma de Anfinsen).

Ya anteriormente en numerosas ocasiones hemos mencionado a las proteínas. Lo importante que debemos saber de ellas es que son moléculas de gran tamaño que cumplen una tremenda gama de funciones en los seres vivos células: regular la expresión de los genes, efectuar reacciones químicas para el metabolismo, controlar el paso de sustancias a través de las células, transportar sustancias, formar estructuras de soporte, llevar a cabo la respuesta inmune, sirven receptoras de señales químicas, eliminar toxinas, funcionar como toxinas, permitir que las células se adhieran entre ellas, generar más proteínas… En fin, si quisiéramos hacer una lista jamás acabaríamos (figura 1). La pregunta entonces es ¿de dónde surge todas las funciones de las proteínas? Para responder esto es necesario observar su estructura.

Figura 1. Esquema simplificado de la DNA polimerasa replicando el DNA, una de las muchas funciones que una proteína puede tener.

Las proteínas están compuestas por una o varias cadenas de moléculas más pequeñas unidas entre si llamadas aminoácidos. Existen veinte aminoácidos que son universalmente los más comunes en las proteínas; estos aminoácidos tienen propiedades diferentes entre si y pueden unirse unos con otros por medio de enlaces peptídicos para formar cadenas llamadas polipéptidos (figura 2a,b).

Los aminoácidos pueden unirse en diferente orden y formar cadenas de distintas longitudes, aunque casi siempre del orden de 100 o más aminoácidos por cadena, de tal modo que se pueden hacer muchísimas combinaciones con ellos (para darte una idea de cuán grandes son las posibilidades, piensa, ¿cuántas combinaciones diferentes de 100 letras puedes formar con nuestro abecedario de 27 letras?). A la secuencia total de aminoácidos de una proteína se le conoce como su estructura primaria.

Figura 2. Esquemas de la estructura de las proteínas a diferentes niveles. a) Dos aminoácidos se juntan para formar un enlace peptídico. b) Secuencia lineal de aminoácidos formando una cadena (estructura primaria). c) Plegamiento local de la cadena, formado principalmente por puentes de hidrógeno (estructura secundaria). d) Estructura tridimensional global de la cadena, formada por interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro, puentes de hidrógeno, interacciones polares entre otros factores (estructura terciaria). e) Esquema de la hemoglobina humana, compuesta por cuatro cadenas polipeptídicas y cuantro grupos hemo (estructura cuaternaria).

Las diferentes propiedades de los aminoácidos hacen que, al estar en un medio acuoso (como en todas las células) las proteínas se plieguen: algunos aminoácidos con carga buscan estar en contacto con el agua, otros, hidrofóbicos o sin carga, se “esconden” de ella; estos plegamientos hacen que los aminoácidos estén más cercanos unos con los otros de tal forma que también interaccionan entre sí: se atraen, se repelen, “estorban” a otros, incluso forman enlaces, afectando aún más la forma de la ya de por sí doblada cadena. Estos plegamientos originan estructuras tridimensionales que son conocidas como secundarias si son a nivel local o terciarias cuando se considera la forma global de la cadena plegada (figura 2c,d).

Aún más: varias cadenas o polipéptidos pueden agruparse e interaccionar entre ellas para formar una estructura superior conocida como cuaternaria (figura 2e). Posteriormente también se pueden unir moléculas que no son aminoácidos para efectuar diversas funciones.

La función de una proteína está determinada por su estructura porque le permiten interaccionar con otras proteínas. Por ejemplo, las enzimas tienen una forma tridimensional que les permite unirse a la sustancias químicas que hacen reaccionar; las proteínas que se unen a los genes, como las polimerasas o factores de transcripción, tienen una forma tal que les permite “agarrarse” de los fosfatos dispuestos en hélice del DNA. Si la estructura determina la función, ¿la secuencia también? Tendríamos primero que averiguar: ¿Hasta qué punto la secuencia de las cadenas de aminoácidos afecta la estructura de las proteínas? Para delucidarlo, el bioquímico estadounidense Christian Anfinsen (figura 4), estudió la relación entre la secuencia de aminoácidos de la Ribonucleasa A (RnasaA, figura 3) y su estructura tridimensional biológicamente activa.

La RiNasaA consta de un sólo polipéido de 124 aminoácidos; entre ellos, hay cuatro puentes disulfuro en total (figura 2d). En condiciones óptimas de temperatura, salinidad y pH, con su estructura tridimensional adecuada, tiene la función enzimática de degradar moléculas de RNA. Lo que Anfinsen pensó es que una forma de comprobar si la secuencia de aminoácidos influye directamente en la estructura sería alterar la estructura tridimensional de la proteína sin cambiar la secuencia, de tal modo que ya no pueda degradar RNA, y ver si al colocarla de nuevo en las mismas condiciones recupera su capacidad catalítica, lo cual sería indicio de que recuperó su estructura.

Para probar esto, Anfinsen le hizo dos maldades a la RnasaA en condiciones oṕtimas: primero le agregó mercaptoetanol para eliminar sus puentes disulfuro, y posteriormente la puso en una solución muy concentrada de urea, de tal modo que la proteína se desdobló, se torció y se plegó de formas raras. Para probar que esto había ocurrido, le agregó RNA al medio y observó que las proteínas habían perdido prácticamente por completo su actividad, quedando sólo un remanente de un 2%. Después, por medio de diálisis, eliminó poco a poco la urea, reestableciendo las condiciones óptimas para su actividad, consiguiendo recuperar hasta un 80% de la actividad normal de la RnasaA, es decir, ¡la proteína había recuperado su estructura! Como no había nada más que el polipéptido, sales y agua, Anfinsen concluyó que, en las condiciones ambientales en las que ocurre el plegamiento normal de las proteínas, al menos para proteínas globulares pequeñas, la estructura biológicamente activa es única, estable y está determinada por la secuencia de aminoácidos de la proteína misma. A esto se le conoce como el Paradigma de Anfinsen y le valió el Premio Nobel a la Química en 1972 (como que en el Imperio nos caen muy bien los premios Nobel, ¿no?).

Figura 3. Esquema de la RNasaA, en su estructura biológicamente activa.

Más pruebas de que la secuencia de las proteínas determina su estructura se han logrado gracias a los avances en el conocimiento de la biología molecular. Actualmente se sabe que un mínimo cambio de un aminoácido en la secuencia de una proteína puede alterar por completo la estructura de una proteína, como es el caso de la hemoglobina en la anemia falciforme.

Sin embargo el experimento de Anfinsen se enfrentó a dos retos: el primero es que se llevó a cabo en condiciones muy ideales, en las que en el medio no había más que sales y la proteína misma en muy bajas concentraciones ¿qué sucede en la célula donde hay una cantidad tremenda de otras sustancias, incluyendo otras proteínas?; y por el otro lado, el experimento funcionó para una proteína pequeña, pero ¿qué pasa en el caso de proteínas del doble, el triple o hasta diez veces más aminoácidos por secuencia? La respuesta a estas interrogantes vino después, cuando se descubrió que en la célula las proteínas no se pliegan una vez que está sintetizada toda la cadena, sino que comienzan a hacerlo cuando aún están en formación, lo cual facilita el correcto plegamiento. Del mismo modo, hay otras proteínas conocidas como chaperoninas que ayudan a las proteínas más grandes a plegarse correctamente.

Otra pregunta es ¿la secuencia es lo único que influye en la estructura? La respuesta es un tajante no, y precisamente de eso se valió Anfinsen para sus experimentos: utilizó altas concentraciones de urea para cambiar la estructura de la RNasaA. Otros factores que influyen en la estructura son la salinidad, la temperatura u otras sustancias que se unen a ellas como iones metálicos, coenzimas u otras proteínas.

Figura 4. Christian Anfinsen, premio Nobel a la Química en 1972.

 

Referencias:

° El experimento de Anfinsen, Indiana University Bloomington. http://www.informatics.indiana.edu/predrag/classes/2008springi619/anfinsen.pdf

° Premio Nobel a la Química 1972, The Royal Swedish Academy of Sciences. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1972/press.html

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