Las mediciones termodinámicas indican que las proteínas en estado nativo son entidades marginalmente estables bajo condiciones fisiológicas. La energía libre necesaria para que las proteínas desnaturalicen es solamente de ~0.4 kJ.mol-1 por residuo de aminoácido, por tanto una proteína de 100 residuos es estable alrededor de los 40 kJ.mol-1. En cambio, la energía necesaria para quebrar una sola conexión de hidrógeno es de 20 kJ.mol-1. Las diferentes influencias no covalentes a las cuales las proteínas están sujetas – interacciones electroestáticas (atractivas y repulsivas), enlaces por puentes de hidrógeno (intramoleculares y el agua) y fuerzas hidrofóbicas – tienen diferentes magnitudes que pueden totalizar miles de kilojulios por mol en una molécula de proteína. Consecuentemente, una estructura de una proteína surge a partir de un balance delicado entre fuerzas compensatorias.
Fuerzas electroestáticas
Las moléculas están compuestas por partículas eléctricamente cargadas, en donde sus interacciones son determinadas por las leyes de electroestática clásica. Existen 2 tipos de fuerzas electroestáticas:
- Interacciones iónicas: son caracterizadas por ser interacciones fuertes, sin embargo, no ayudan significativamente en la estabilización de la proteína. La asociación de dos grupos iónicos de carga opuesta es designada par iónico o puente salino. Los iones libres en la solución acuosa están altamente solvatados, y la formación de un puente salino tiene la penalización entrópica de perturbar la organización de la cadena lateral dispuesta a formar el puente salino. Consecuentemente, la energía libre de solvatación de dos iones separados es prácticamente igual a la energía libre de formación del par iónico no solvatado. De esta forma, los enlaces iónicos en una proteína poco contribuyen para la estabilización de la estructura nativa de la proteína.
- Interacciones dipolo-dipolo: son caracterizadas por ser interacciones frágiles, aunque contribuyan de una forma significativa para la estabilización de la proteína. Las asociaciones no covalentes entre moléculas eléctricamente neutras son designadas fuerzas de van der Waals y surgen como interacciones electroestáticas en los momentos dipolares. Estas fuerzas son responsables por numerosas interacciones de diversas magnitudes entre átomos no unidos vecinos (la unión por puentes de hidrógeno es un caso especial de interacción dipolar que va a ser discutido a continuación).
Puentes de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno son predominantemente interacciones electroestáticas (pero con ~10% de carácter covalente) entre un grupo dador (D-H) frágilmente ácido y un aceptor (A) que posee un par de electrones libres. Los enlaces de hidrógeno son más direccionales que las fuerzas de van der Waals, pero menos que los enlaces covalentes. La distancia D… A varía, normalmente entre 2.7 e 3.1 Å, aunque no existe una distancia cut off en donde la unión de hidrógeno cese. La mayoría de los enlaces de hidrógeno de una proteína están circunscritos en un determinado lugar, es decir estos enlaces envuelven dadores y aceptores que están próximos en la secuencia de aminoácidos y que consiguen encontrar rápidamente a su pareja de interacción. Este tipo de enlaces no contribuyen de una forma significativa para la estabilización de la proteína, sin embargo proporcionan el patrón de enrollado de la proteína nativa.
Fuerzas hidrofóbicas
El efecto hidrofóbico se define como un conjunto de influencias que hacen que las sustancias no polares minimicen el contacto con moléculas de agua y con sustancias anfipáticas, como jabones y detergentes, para formar un tipo de micelas intramoleculares en que las cadenas laterales no polares están distantes de los solventes acuosos, fácilmente se entiende que estas interacciones son relevantes en la estructura de una proteína. El efecto hidrofóbico deriva de las propiedades especiales que el agua posee como solvente, como su alta constante dieléctrica. En 1958, Walter Kauzmann (1916-2009) refirió que las fuerzas hidrofóbicas son los principales promotores del enrollado de las proteínas en sus conformaciones nativas.
Enlaces disulfuro
Puesto que los enlaces disulfuro se forman cuando la proteína se enrolla para su conformación nativa, ellas estabilizan su estructura tridimensional. El carácter químico reducido del citoplasma disminuye la estabilidad de los enlaces intracelulares de disulfuro. En realidad, prácticamente todas las proteínas con enlaces disulfuro son secretadas para lugares extracelulares que posean ambientes más oxidados, donde sus enlaces disulfuro son más eficaces en estabilizar la estructura de la proteína.
Otros asuntos relacionados:
- Estructura secundaria de la proteína
- Estructura terciaria de la proteína
- Estructura cuaternaria de la proteína
- Dinámica de la proteína
- Proteínas globulares
References:
- Alber, T., Stabilization energies of protein conformation, in Fasman, G.D. (Ed.), Prediction of Protein Structure and the Principles of Protein Conformation, pp. 161-192, Plenum Press (1989)
