Las proteínas son moléculas grandes y complejas que realizan una amplia gama de funciones en los organismos vivos. Su función está íntimamente ligada a su estructura, que se organiza en cuatro niveles distintos: primario, secundario, terciario y cuaternario.
Los cuatro niveles de estructura de las proteínas
Estructura primaria
La estructura primaria es la secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica. Cada proteína tiene una secuencia única determinada por el gen correspondiente. Incluso un solo cambio de aminoácido puede alterar la función de la proteína, como se observa en la anemia falciforme, donde una sola valina reemplaza un ácido glutámico.
Estructura secundaria
La estructura secundaria se refiere a estructuras plegadas locales que se forman dentro de la cadena polipeptídica debido a los enlaces de hidrógeno entre los átomos del esqueleto. Los dos tipos más comunes son la hélice alfa, una espiral derecha estabilizada mediante enlaces de hidrógeno entre cada cuarto aminoácido, y la lámina beta, una estructura plana y plisada formada por enlaces de hidrógeno entre segmentos polipeptídicos adyacentes que corren paralelos o antiparalelos.
Estructura Terciaria
La estructura terciaria es la forma tridimensional general de una única cadena polipeptídica. Se estabiliza mediante varios tipos de interacciones entre cadenas laterales: interacciones hidrófobas (las cadenas laterales no polares se agrupan en el interior de la proteína), enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales polares, enlaces iónicos entre cadenas laterales con cargas opuestas y puentes disulfuro (enlaces covalentes entre residuos de cisteína).
Estructura Cuaternaria
La estructura cuaternaria describe cómo múltiples cadenas polipeptídicas se ensamblan en un complejo proteico funcional. La hemoglobina, por ejemplo, está compuesta de cuatro subunidades polipeptídicas (dos cadenas alfa y dos cadenas beta) que trabajan juntas para transportar oxígeno.
Plegado de proteínas
Las proteínas se pliegan en sus estructuras tridimensionales nativas de forma espontánea o con la ayuda de chaperonas moleculares. Las proteínas mal plegadas pueden formar agregados y están asociadas con enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson.
Determinación y visualización práctica de la estructura de proteínas
Tres métodos experimentales principales determinan las estructuras de las proteínas con resolución atómica. Cristalografía de rayos X requiere proteína de alta pureza (>95 %) concentrada en 5 a 20 mg/ml. Detección de las condiciones de cristalización utilizando kits de matriz dispersa (por ejemplo, Hampton Research) con ensayos de difusión de vapor de gota sentada de 96 pocillos. Optimice los impactos variando el pH, la concentración del precipitante y la temperatura. Monte un cristal con calidad de difracción (0,1–0,5 mm) en un crio-bucle, enfríe instantáneamente a 100 K en nitrógeno líquido y recopile datos de difracción en una línea de luz de sincrotrón. Procese datos con XDS o iMosflm, resuelva el problema de fase mediante reemplazo molecular (Phaser) utilizando una estructura homóloga, construya el modelo en Coot y refínelo con phenix.refine. Resolución objetivo: <3,0 Å; una buena estructura tiene Rwork/Rfree < 0,20/0,25. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) funciona para proteínas pequeñas (<30 kDa) a una concentración de 0,5 a 1 mM en D2O al 10 %. Registre espectros de triple resonancia 2D ¹⁵N-HSQC, 3D (HNCA, HNCO, CBCA(CO)NH) y NOESY para restricciones de distancia. Asigne resonancias troncales manualmente o utilizando software automatizado (por ejemplo, CARA, NMRFAM-SPARKY). Calcule estructuras a partir de restricciones de distancia derivadas de NOE y ángulos diédricos utilizando CYANA o Xplor-NIH. La microscopía crioelectrónica (crio-EM) es el método de elección para complejos grandes (>150 kDa). Aplique 3 µl de muestra (0,1 a 1 mg/ml) a una rejilla de carbón perforada descargada con brillo, seque durante 3 a 4 segundos y congele en etano líquido. Recoge películas en una Titan Krios a 300 kV con un detector K2 o K3. Procese con RELION o CryoSPARC mediante corrección de movimiento, estimación de CTF, selección de partículas (clasificación 2D), reconstrucción ab initio, clasificación 3D y refinamiento de alta resolución. Para visualización de estructuras, use PyMOL o ChimeraX para cargar archivos PDB. Muestre la proteína como dibujos animados (coloración de estructura secundaria), superficies (potencial electrostático) o barras (residuos del sitio activo). Mide distancias, ángulos y enlaces de hidrógeno entre átomos.
Aplicación del mundo real
La proteína de pico del SARS-CoV-2 (ectodominio de 150 kDa) se resolvió mediante crio-EM con una resolución de 3,3 Å unos meses después del inicio de la pandemia. La estructura reveló que el dominio de unión al receptor (RBD) en su conformación “arriba” se une a ACE2, lo que permite el diseño de vacunas basado en estructuras. La visualización con PyMOL de la interfaz RBD-ACE2 identificó residuos de contacto clave (K417, N501, Y453), que guían el desarrollo de anticuerpos neutralizantes.
