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Desnaturalización

Definición de desnaturalización

La desnaturalización de una molécula biológica se refiere a la pérdida de su estructura tridimensional (3D). Dado que las moléculas como las proteínas y el ADN dependen de su estructura para realizar su función, la desnaturalización se acompaña de una pérdida de función. Sin embargo, la desnaturalización no tiene ningún impacto en la secuencia de aminoácidos de la propia proteína.

Estructura de las proteínas

La estructura de una proteína se puede dividir en cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. Las proteínas están hechas de polímeros lineales de aminoácidos y esto forma su estructura primaria. Incluso cuando el polipéptido se sintetiza en un ribosoma, comienza a plegarse y a formar elementos de su estructura secundaria. Las características más comunes de la estructura secundaria de una proteína son hélices alfa y láminas plisadas beta formadas a través de extensos enlaces de hidrógeno. Estas estructuras locales formadas por aminoácidos adyacentes se unen para formar la estructura terciaria, donde los residuos que están muy alejados entre sí en la estructura primaria pueden unirse en la misma región espacial. Esto permite que los aminoácidos específicos estén presentes en elsitio activo, o para la interacción con otras moléculas y para ser apoyado por otras partes de la proteína que se pliegan en una forma distintiva.

Niveles de organización estructural
Niveles de organización estructural

Ocasionalmente, las proteínas están hechas de más de un polipéptido. Por ejemplo, la hemoglobina es un tetrámero formado por cuatro subunidades polipeptídicas. La forma en que estas subunidades se unen para crear una proteína funcional forma la estructura cuaternaria.

Proceso de desnaturalización
Proceso de desnaturalización

Excepto por la estructura primaria, los tres niveles restantes de la estructura de la proteína dependen principalmente de enlaces no covalentes, como enlaces de hidrógeno o interacciones dipolo-dipolo. Por tanto, son sensibles a los cambios de temperatura, acidez, concentración de sal o presencia de disolventes fuertes. Incluso las alteraciones leves del microambiente de una proteína pueden provocar la pérdida de la forma y función tridimensionales.

Ejemplos de proteínas desnaturalizadas

Aunque la desnaturalización de las proteínas es perjudicial para la supervivencia celular, a menudo se encuentra en la vida diaria. Por ejemplo, la clara de huevo está compuesta principalmente de proteínas solubles y es líquida y translúcida en los huevos frescos. Cuando se hierve, el calor desnaturaliza las proteínas y hace que pierdan solubilidad. Las proteínas desnaturalizadas se agregan y forman una masa que ahora es opaca y sólida. Del mismo modo, alterar el pH de la leche mediante la adición de ácidos como el ácido cítrico del jugo de limón desnaturaliza las proteínas de la leche y cuaja la leche. La porción blanca sólida que se separa del suero es proteína desnaturalizada. Esto también se puede ver cuando la leche se cuaja naturalmente debido a la colonización bacteriana. Bacterias puede producir ácido láctico como subproducto del metabolismo. Cuando se controla adecuadamente, este proceso de desnaturalización se utiliza para hacer yogur y queso fresco.

Las proteínas desnaturalizadas están involucradas en una serie de enfermedades, desde el trastorno de Parkinson, el Alzheimer hasta la corea de Huntington. Las personas que padecen estas enfermedades tienen proteínas plegadas de forma anormal en alguna parte de su cuerpo, y el cerebro y el sistema nervioso son particularmente susceptibles. Además, una de las principales causas de ceguera es la presencia de proteínas desnaturalizadas en el cristalino del ojo. En este caso, se dice que la desnaturalización surge debido al envejecimiento o por una exposición excesiva a la radiación UV.

Tipos de desnaturalización

La desnaturalización se puede clasificar en función del agente que hace que una proteína pierda su estructura secundaria, terciaria o cuaternaria. Los enlaces de hidrógeno, las interacciones iónicas, las interacciones hidrófobas y las fuerzas de Van der Waal están involucradas en mantener unidas estas estructuras. Estas interacciones no covalentes se ven interrumpidas por una serie de factores que incluyen calor, radiación, disolventes orgánicos, ácidos, bases y sales porque pueden alterar las interacciones hidrófobas en el interior de la proteína, afectar los enlaces de hidrógeno e interferir con las interacciones iónicas.

Tipo I: desnaturalización por cambio de pH

El pH de una solución tiene un efecto importante en la estructura de la proteína porque cambia el número y la naturaleza de los enlaces de hidrógeno y las interacciones iónicas que tienen lugar entre diferentes aminoácidos. A pH fisiológico, muchas cadenas laterales de aminoácidos se cargan debido a la pérdida o ganancia de un ión hidrógeno.

De hecho, la mayoría de los aminoácidos existen como iones híbridos dentro de las células.

Alanina de iones híbridos
Alanina de iones híbridos

La imagen muestra los dos isómeros de la alanina, donde el grupo ácido carboxílico pierde un átomo de hidrógeno y obtiene una carga negativa y el grupo amina gana un protón para volverse positivo. La carga neta de la molécula permanece cero. Además de estas dos cargas en cada aminoácido, la cadena lateral también puede ser polar o cargada. Ácido aspártico, ácido glutámico, arginina, histidina y lisina son ejemplos de aminoácidos que contienen una carga extra en condiciones fisiológicas. Sin embargo, la carga de estos aminoácidos depende del pH. Por ejemplo, la histidina suele tener carga positiva en una célula. Sin embargo, puede ocurrir en cuatro formas diferentes según el pH de la solución. Debido a esto, puede tener una carga neta de -1, 0, +1 o +2. Esto implica que el pH determinará la naturaleza y el número de enlaces iónicos que puede formar un residuo de histidina con otros aminoácidos.

Cuando un átomo de hidrógeno se une covalentemente a un átomo altamente electronegativo como el oxígeno o el nitrógeno, obtiene una carga parcial positiva. Debido al pequeño tamaño del átomo de hidrógeno, esta carga parcial es suficiente para crear una alta densidad de carga que puede ejercer una fuerte atracción sobre un solo par de electrones en otro átomo. Esta atracción forma la base de un enlace de hidrógeno. Es sensible a los cambios de pH porque un cambio en la concentración de iones de hidrógeno puede alterar la naturaleza de los grupos funcionales. Por ejemplo, los aminoácidos como la asparagina, la cisteína o la tirosina contienen grupos polares en sus cadenas laterales. Estos átomos pueden interactuar entre sí a través de enlaces de hidrógeno según su proximidad espacial y la orientación de las diferentes cadenas laterales.

Sin embargo, a medida que cambia el pH, estos grupos polares pueden protonarse o desprotonarse, cambiando su capacidad para formar enlaces de hidrógeno. Además, la formación de una hélice alfa o una hoja con pliegues beta implica la formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos carboxilato y amina de cada aminoácido. Si se interrumpe una gran cantidad de tales interacciones, la proteína se despliega y se desnaturaliza.

Finalmente, el pH afecta la carga general de un polipéptido y esto tiene un impacto en la solubilidad de las proteínas. Si la carga neta de una proteína se vuelve cero, puede agregarse y precipitarse.

Tipo II: desnaturalización química

Ciertos productos químicos y disolventes orgánicos pueden provocar la desnaturalización de las proteínas. Los disolventes orgánicos alteran la estructura de las proteínas porque la mayoría de las proteínas secuestran sus residuos hidrófobos hacia el centro de la molécula cuando se pliegan en su forma única. Esencialmente, la estructura 3-D de un polipéptido optimiza la energía de la molécula al reducir la interacción de las cadenas laterales hidrófobas con un medio acuoso. La presencia de sustancias químicas como el benceno o el etanol cambia estas interacciones y ocasionalmente puede conducir a la proteína «volteada» donde los residuos internos se presentan en el exterior con la pérdida de estructura y función.

Los detergentes y otras moléculas anfipáticas también pueden ser particularmente dañinos. Estas moléculas tienen el mismo efecto al interrumpir las interacciones hidrófobas y los enlaces de hidrógeno. La formación de espuma que se observa durante la extracción de proteínas en los laboratorios, así como la espuma asociada con los detergentes domésticos, se debe, en parte, a su efecto desnaturalizante sobre las proteínas. Los metales pesados ​​y las altas concentraciones de sal pueden afectar la formación de enlaces iónicos, mientras que los agentes caotrópicos como la urea pueden tener un efecto disruptivo extenso en la red de enlaces de hidrógeno.

Tipo III: desnaturalización por calor y radiación

Cuando se aumenta la temperatura de una muestra biológica, se produce un aumento general de la energía cinética de cada átomo y un aumento de la entropía del sistema. Todos los átomos y moléculas comienzan a tener colisiones de mayor energía entre sí, así como un mayor movimiento de traslación, rotación y vibración. Esto reduce la fuerza de los enlaces de hidrógeno y debilita la influencia de las interacciones hidrofóbicas no polares. Esta es una de las razones por las que el cuerpo utiliza la fiebre alta para combatir las infecciones. Es un intento de retardar o detener el crecimiento de microorganismos para que el sistema inmunológico pueda eliminar los patógenos. Sin embargo, una fiebre alta sostenida también puede ser perjudicial para las proteínas dentro del huésped, por lo que las temperaturas superiores a 40 ° C) se consideran peligrosas. La exposición prolongada a la radiación solar también conduce a la pérdida de la estructura de las proteínas. Las quemaduras solares y las cataratas en el ojo son solo dos ejemplos de sus efectos nocivos. La radiación de otras fuentes (como una máquina de rayos X o de materiales radiactivos) también puede causar daño a las proteínas y provocar una serie de dolencias.

Funciones de desnaturalización

El impacto del calor y la radiación en las proteínas también tiene sus ventajas. Los alimentos, especialmente la carne, se cocinan para desnaturalizar las proteínas que contienen y hacerlas más fáciles de digerir. Muchos alimentos envasados ​​se irradian para desnaturalizar las proteínas bacterianas y garantizar que los alimentos se puedan almacenar durante períodos prolongados. El cuerpo también secreta ácidos potentes en el estómago para matar patógenos y desnaturalizar las proteínas de los alimentos. La acción de las enzimas digestivas aumenta cuando se despliega una proteína porque las peptidasas obtienen acceso a todos los enlaces covalentes que mantienen unido el polipéptido.

Además, la desnaturalización también está involucrada en cambios en la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos. Cuando las dos hebras de un ADN se desenrollan, se dice que están sufriendo desnaturalización. Este tipo de desnaturalización es importante para la transcripción y la replicación del ADN. También se explota en técnicas de laboratorio como la reacción en cadena de la polimerasa para producir un gran número de copias de ADN en un corto período de tiempo.

Efectos de la desnaturalización

La desnaturalización conduce a la pérdida de la función proteica. En una enzima basada en proteínas, podría haber un pequeño cambio en la conformación del sitio activo, lo que lo vuelve incapaz de catalizar una reacción. Para proteínas como los anticuerpos, la pérdida de forma elimina su capacidad para reconocer y unirse a los antígenos. Cuando se desnaturaliza una gran cantidad de proteínas dentro de una célula, la célula sufre un estrés severo al eliminar estas moléculas y sintetizar proteínas funcionales. Cuando este proceso abruma a la célula, sufre apoptosis o causa enfermedad. 

Debido al impacto de la desnaturalización de proteínas en la formación de enfermedades, ha sido de interés analizar si es posible inducir a una proteína a replegarse a su forma original después de la desnaturalización. Hasta ahora, in vitro los estudios solo han logrado lograr esta reversión en unas pocas proteínas como la albúmina sérica, la RNasa y la hemoglobina.

  • Anfífilo: molécula que contiene partes hidrófilas e hidrófobas.
  • Electronegatividad: medida de la capacidad de un átomo para atraer un par de electrones. Usualmente se usa en referencia a un enlace covalente polar donde la nube de electrones está sesgada hacia el átomo que es más electronegativo.
  • Entropía: medida del grado de desorden dentro de un sistema, que está relacionada con la energía de un sistema que no está disponible para el trabajo mecánico.
  • Residuos hidrofóbicos: aminoácidos que contienen una cadena lateral hidrofóbica unida al carbono alfa además de contener una amina y un grupo funcional de ácido carboxílico.
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