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3.3D: Desnaturalización y plegamiento de proteínas - Biología

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OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

  • Discutir el proceso de desnaturalización de proteínas.

Cada proteína tiene su propia secuencia única de aminoácidos y las interacciones entre estos aminoácidos crean una forma específica. Esta forma determina la función de la proteína, desde la digestión de la proteína en el estómago hasta el transporte de oxígeno en la sangre.

Cambiar la forma de una proteína

Si la proteína está sujeta a cambios de temperatura, pH o exposición a sustancias químicas, las interacciones internas entre los aminoácidos de la proteína pueden alterarse, lo que a su vez puede alterar la forma de la proteína. Aunque la secuencia de aminoácidos (también conocida como estructura primaria de la proteína) no cambia, la forma de la proteína puede cambiar tanto que se vuelve disfuncional, en cuyo caso la proteína se considera desnaturalizada. La pepsina, la enzima que descompone las proteínas en el estómago, solo opera a un pH muy bajo. A pH más altos, la conformación de la pepsina, la forma en que su cadena polipeptídica se pliega en tres dimensiones, comienza a cambiar. El estómago mantiene un pH muy bajo para asegurar que la pepsina continúe digiriendo proteínas y no se desnaturalice.

Debido a que casi todas las reacciones bioquímicas requieren enzimas, y debido a que casi todas las enzimas solo funcionan de manera óptima dentro de rangos de temperatura y pH relativamente estrechos, muchos mecanismos homeostáticos regulan las temperaturas y el pH apropiados para que las enzimas puedan mantener la forma de su sitio activo.

Revertir la desnaturalización

A menudo es posible invertir la desnaturalización porque la estructura primaria del polipéptido, los enlaces covalentes que mantienen los aminoácidos en su secuencia correcta, está intacta. Una vez que se elimina el agente desnaturalizante, las interacciones originales entre los aminoácidos devuelven la proteína a su conformación original y puede reanudar su función. Sin embargo, la desnaturalización puede ser irreversible en situaciones extremas, como freír un huevo. El calor de una sartén desnaturaliza la proteína de albúmina en la clara de huevo líquida y se vuelve insoluble. La proteína de la carne también se desnaturaliza y se vuelve firme cuando se cocina.

Las proteínas acompañantes (o chaperoninas) son proteínas auxiliares que proporcionan condiciones favorables para que tenga lugar el plegamiento de proteínas. Las chaperoninas se agrupan alrededor de la proteína formadora y evitan que se agreguen otras cadenas polipeptídicas. Una vez que la proteína objetivo se pliega, las chaperoninas se disocian.

Puntos clave

  • Las proteínas cambian de forma cuando se exponen a diferentes pH o temperaturas.
  • El cuerpo regula estrictamente el pH y la temperatura para evitar que las proteínas como las enzimas se desnaturalicen.
  • Algunas proteínas pueden replegarse después de la desnaturalización, mientras que otras no.
  • Las proteínas acompañantes ayudan a que algunas proteínas se plieguen en la forma correcta.

Términos clave

  • chaperonina: proteínas que brindan condiciones favorables para el correcto plegamiento de otras proteínas, evitando así la agregación
  • desnaturalización: el cambio de la estructura de plegamiento de una proteína (y por lo tanto de las propiedades físicas) causado por el calentamiento, cambios en el pH o exposición a ciertos químicos

Desnaturalización de proteínas

Cuando se hierve una solución de una proteína, la proteína con frecuencia se vuelve insoluble, es decir, se desnaturaliza y permanece insoluble incluso cuando la solución se enfría. La desnaturalización de las proteínas de la clara de huevo por calor, como cuando se hierve un huevo, es un ejemplo de desnaturalización irreversible. La proteína desnaturalizada tiene la misma estructura primaria que la proteína original o nativa. Las fuerzas débiles entre los grupos cargados y las fuerzas más débiles de atracción mutua de los grupos no polares se interrumpen a temperaturas elevadas; sin embargo, como resultado, se pierde la estructura terciaria de la proteína. En algunos casos, la estructura original de la proteína se puede regenerar, el proceso se denomina renaturalización.

La desnaturalización se puede producir de varias formas. Las proteínas se desnaturalizan mediante el tratamiento con agentes alcalinos o ácidos, oxidantes o reductores y ciertos disolventes orgánicos. Entre los agentes desnaturalizantes son interesantes los que afectan la estructura secundaria y terciaria sin afectar la estructura primaria. Los agentes que se utilizan con más frecuencia para este fin son la urea y el cloruro de guanidinio. Estas moléculas, debido a su alta afinidad por los enlaces peptídicos, rompen los enlaces de hidrógeno y los puentes salinos entre las cadenas laterales positivas y negativas, aboliendo así la estructura terciaria de la cadena peptídica. Cuando los agentes desnaturalizantes se eliminan de una solución de proteína, la proteína nativa se vuelve a formar en muchos casos. La desnaturalización también se puede lograr mediante la reducción de los enlaces disulfuro de la cistina, es decir, la conversión del enlace disulfuro (―S ― S―) en dos grupos sulfhidrilo (―SH). Esto, por supuesto, da como resultado la formación de dos cisteínas. La reoxidación de las cisteínas por exposición al aire a veces regenera la proteína nativa. En otros casos, sin embargo, las cisteínas incorrectas se unen entre sí, lo que da como resultado una proteína diferente. Finalmente, la desnaturalización también se puede lograr exponiendo proteínas a solventes orgánicos como etanol o acetona. Se cree que los disolventes orgánicos interfieren con la atracción mutua de grupos apolares.

Sin embargo, algunas de las proteínas más pequeñas son extremadamente estables, incluso frente al calor, por ejemplo, las soluciones de ribonucleasa pueden exponerse durante cortos períodos de tiempo a temperaturas de 90 ° C (194 ° F) sin sufrir una desnaturalización significativa. La desnaturalización no implica cambios idénticos en las moléculas de proteína. Sin embargo, una propiedad común de las proteínas desnaturalizadas es la pérdida de actividad biológica, por ejemplo, la capacidad de actuar como enzimas u hormonas.

Aunque la desnaturalización se había considerado durante mucho tiempo una reacción de todo o nada, ahora se cree que existen muchos estados intermedios entre la proteína nativa y la desnaturalizada. En algunos casos, sin embargo, la ruptura de un enlace clave podría ir seguida de la ruptura completa de la conformación de la proteína nativa.

Aunque muchas proteínas nativas son resistentes a la acción de la enzima tripsina, que descompone las proteínas durante la digestión, son hidrolizadas por la misma enzima después de la desnaturalización. Los enlaces peptídicos que pueden dividirse con tripsina son inaccesibles en las proteínas nativas, pero se vuelven accesibles durante la desnaturalización. De manera similar, las proteínas desnaturalizadas producen reacciones de color más intensas para la tirosina, histidina y arginina que las mismas proteínas en estado nativo. La mayor accesibilidad de los grupos reactivos de proteínas desnaturalizadas se atribuye al despliegue de las cadenas peptídicas.

Si la desnaturalización se puede producir fácilmente y si la renaturalización es difícil, ¿cómo se mantiene la conformación nativa de las proteínas globulares en los organismos vivos, en los que se producen paso a paso, mediante la incorporación de un aminoácido a la vez? Los experimentos sobre la biosíntesis de proteínas a partir de aminoácidos que contienen carbono radiactivo o hidrógeno pesado revelan que la molécula de proteína crece paso a paso desde el terminal N al terminal C en cada paso se incorpora un solo residuo de aminoácido. Tan pronto como la cadena de péptidos en crecimiento contiene seis o siete residuos de aminoácidos, las cadenas laterales interactúan entre sí y, por lo tanto, provocan desviaciones de la configuración de cadena lineal o β. Dependiendo de la naturaleza de las cadenas laterales, esto puede resultar en la formación de una hélice α o de bucles cerrados por enlaces de hidrógeno o puentes disulfuro. La conformación final probablemente se congela cuando la cadena peptídica alcanza una longitud de 50 o más residuos de aminoácidos.


Estudios de estabilidad proteica a escala de proteomas

Giulia Calloni, R. Martin Vabulas, en Enfermedades por homeostasis de proteínas, 2020

Desnaturalización probada por oxidación de metionina

La estabilidad de las proteínas a partir de las velocidades de oxidación (SPROX) utiliza la oxidación de residuos de metionina mediada por peróxido de hidrógeno para informar el despliegue de las proteínas. La metionina es un aminoácido poco común en las secuencias de proteínas y, a menudo, está enterrado en el estado plegado nativo de un polipéptido. SPROX utiliza la desnaturalización química para cambiar el equilibrio entre las fracciones de proteínas plegadas y desplegadas. Luego se suministra peróxido de hidrógeno a una concentración y, durante un período de incubación, se ajusta de manera que las metioninas expuestas se oxidan a sulfóxidos. La reacción de oxidación de proteínas se detiene añadiendo un exceso de metionina o catalasa, y los péptidos oxidados se mapean usando MS. 84,101 SPROX es en su principio similar a la huella dactilar de radicales hidroxilo, sin embargo, esta última requiere condiciones de reacción mucho más duras. Aunque la desnaturalización térmica también se puede utilizar para SPROX, 102 parece que la desnaturalización química es más adecuada para los análisis de mezclas de proteínas complejas.

La rareza de las metioninas en las proteínas podría causar posibles problemas de cobertura al aplicar SPROX para analizar proteomas completos. No obstante, se demostró que este método es capaz de realizar estudios a escala de proteomas de la estabilidad de las proteínas para descubrir ligantes de moléculas pequeñas. Por ejemplo, se utilizó para identificar 10 objetivos proteicos de ciclosporina A en levadura. 86 Más recientemente, se utilizó SPROX para identificar 139 proteínas en lisado de levadura que pueden unirse al análogo de adenosina trifosfato no hidrolizable (ATP) adenilil-imidodifosfato (AMP-PNP). 103 La cuantificación en el primer estudio se basó en el etiquetado metabólico mediante SILAC, mientras que el segundo estudio utilizó el etiquetado químico con etiquetas de masa isobárica. Para aumentar la cobertura, los péptidos que contienen metionina se pueden enriquecer antes del análisis de EM. 104 El potencial de SPROX se demostró de manera impresionante en un estudio reciente que cuantificó unas 10,000 regiones únicas dentro de ca. 3000 proteínas humanas. 105


El plegamiento de una proteína de dominio único que ingresa al retículo endoplásmico precede a la formación de disulfuro

La relación entre la síntesis de proteínas, el plegamiento y la formación de disulfuro dentro del retículo endoplásmico (RE) es poco conocida. Estudios anteriores han sugerido que los enlaces disulfuro preexistentes son absolutamente necesarios para permitir el plegamiento de proteínas y, a la inversa, que el plegamiento de proteínas se produce antes de la formación de disulfuro. Para abordar la cuestión de qué sucede primero dentro del RE, es decir, el plegamiento de proteínas o la formación de disulfuro, estudiamos los eventos de plegamiento en las primeras etapas de la translocación de la cadena polipeptídica en el RE de mamíferos utilizando intermediarios de traducción estancados. Nuestros resultados demuestran que el plegamiento de polipéptidos puede ocurrir sin una translocación completa del dominio. La proteína disulfuro isomerasa (PDI) interactúa con estos intermedios tempranos, pero la formación de disulfuro no se produce a menos que se transloque la secuencia completa del dominio de la proteína. Esta es la primera evidencia de que el plegamiento de la cadena polipeptídica precede a la formación de disulfuro dentro de un contexto celular y destaca las diferencias clave entre el plegamiento de proteínas en el RE y el replegamiento de proteínas purificadas.

Palabras clave: ER disulfuro formación de disulfuro retículo endoplásmico proteína disulfuro isomerasa plegamiento de proteína translocación de proteína β2-microglobulina.

© 2017 por la Sociedad Estadounidense de Bioquímica y Biología Molecular, Inc.


Vídeo resumen de proteínas

Las proteínas desempeñan innumerables funciones en todo el mundo biológico, desde catalizar reacciones químicas hasta construir las estructuras de todos los seres vivos.

A pesar de esta amplia gama de funciones, todas las proteínas están formadas por los mismos veinte aminoácidos, pero combinados de diferentes formas. La forma en que se organizan estos veinte aminoácidos dicta el plegamiento de la proteína en su forma final única. Dado que la función de las proteínas se basa en la capacidad de reconocer y unirse a moléculas específicas, tener la forma correcta es fundamental para que las proteínas hagan su trabajo correctamente.

El siguiente video de RCSB Protein Data Bank explora la forma, estructura y función 3D de las proteínas.

[Atribuciones y licencias]

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Desnaturalización reversible de la proteína del gen V del bacteriófago f1

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