Desnaturalización (bioquímica)

Las proteínas o polipéptidos son polímeros de aminoácidos . Una proteína se crea mediante ribosomas que "leen" el ARN codificado por codones en el gen y ensamblan la combinación de aminoácidos necesaria a partir de la instrucción genética , en un proceso conocido como traducción . La cadena proteica recién creada sufre una modificación postraduccional , en la que se añaden átomos o moléculas adicionales, por ejemplo, cobre , zinc o hierro . Una vez completada esta modificación postraduccional, la proteína comienza a plegarse (a veces espontáneamente y a veces con ayuda enzimática ), enrollándose sobre sí misma de manera que los elementos hidrofóbicos quedan enterrados en el interior de la estructura y los elementos hidrofílicos quedan en el exterior. La forma final de una proteína determina cómo interactúa con su entorno.

El plegamiento de proteínas consiste en un equilibrio entre una cantidad sustancial de interacciones intramoleculares débiles dentro de una proteína ( interacciones hidrofóbicas, electrostáticas y de Van der Waals) e interacciones proteína-disolvente. ^{[ 9 ]} Como resultado, este proceso depende en gran medida del estado ambiental en el que se encuentra la proteína. ^{[ 9 ]} Estas condiciones ambientales incluyen, entre otras, la temperatura , la salinidad , la presión y los disolventes involucrados. ^{[ 9 ]} En consecuencia, cualquier exposición a estrés extremo (por ejemplo, calor o radiación, altas concentraciones de sales inorgánicas, ácidos y bases fuertes) puede alterar la interacción de una proteína e inevitablemente conducir a la desnaturalización. ^{[ 10 ]}

Cuando una proteína se desnaturaliza, las estructuras secundaria y terciaria se alteran, pero los enlaces peptídicos de la estructura primaria entre los aminoácidos permanecen intactos. Dado que todos los niveles estructurales de la proteína determinan su función, una vez desnaturalizada, la proteína ya no puede desempeñarla. Esto contrasta con las proteínas intrínsecamente desestructuradas , que se encuentran desplegadas en su estado nativo , pero siguen siendo funcionalmente activas y tienden a plegarse al unirse a su diana biológica. ^{[ 11 ]}

• En la desnaturalización de la estructura cuaternaria , las subunidades proteicas se disocian y/o se altera la disposición espacial de las subunidades proteicas.
• La desnaturalización de la estructura terciaria implica la alteración de:
  • Interacciones covalentes entre cadenas laterales de aminoácidos (como puentes disulfuro entre grupos de cisteína )
  • Interacciones dipolo -dipolo no covalentes entre las cadenas laterales de aminoácidos polares (y el disolvente circundante ).
  • Interacciones de Van der Waals (dipolo inducido) entre cadenas laterales de aminoácidos no polares.
• En la desnaturalización de la estructura secundaria , las proteínas pierden todos los patrones repetitivos regulares, como las hélices alfa y las láminas beta plegadas , y adoptan una configuración de ovillo aleatorio .
• La estructura primaria , como la secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos covalentes, no se ve alterada por la desnaturalización. ^{[ 12 ]}

Pérdida de función

La mayoría de los sustratos biológicos pierden su función biológica al desnaturalizarse. Por ejemplo, las enzimas pierden su actividad , porque los sustratos ya no pueden unirse al sitio activo [ ^{13 ]} y porque los residuos de aminoácidos involucrados en la estabilización de los estados de transición de los sustratos ^ya no están posicionados para poder hacerlo. El proceso de desnaturalización y la pérdida de actividad asociada pueden medirse utilizando técnicas como la interferometría de doble polarización , CD , QCM-D y MP-SPR .

Desnaturalización de proteínas debido al pH

La desnaturalización también puede ser causada por cambios en el pH, los cuales pueden afectar la química de los aminoácidos y sus residuos. Los grupos ionizables en los aminoácidos pueden ionizarse cuando ocurren cambios en el pH. Un cambio de pH hacia condiciones más ácidas o más básicas puede inducir el desplegamiento. ^{[ 18 ]} El desplegamiento inducido por ácido suele ocurrir entre pH 2 y 5, mientras que el desplegamiento inducido por base generalmente requiere pH 10 o superior. ^{[ 18 ]}

Cuando las proteínas se pliegan, lo hacen de manera que sus partes hidrofóbicas queden en el interior (alejadas del agua) y sus partes hidrofílicas en el exterior (en contacto con el agua). Esto las hace lo suficientemente solubles como para no precipitar. Sin embargo, cuando se desnaturalizan, la superficie de la proteína es parcialmente hidrofóbica y parcialmente hidrofílica (ya que no tiene un "interior" donde ocultar las partes hidrofóbicas), lo que provoca que se vuelva insoluble en agua. Las partes hidrofóbicas de las proteínas desnaturalizadas se adhieren entre sí, formando una red ( gel ): esto se denomina coagulación . ^{[ 19 ]}

La coagulación de las proteínas desnaturalizadas es la razón por la que los huevos se solidifican al cocinarse . ^{[ 19 ]} Cuando se añade ácido a la leche, la proteína caseína se desnaturaliza y coagula (con inclusiones de grasa y agua de la leche) formando cuajada , el primer paso en la elaboración del queso ; ^{[ 19 ]} aunque la leche también puede cuajarse (es decir, la caseína se coagula) mediante otros métodos, por ejemplo, la adición de enzimas como la quimosina . ^{[ 20 ]}

Las interacciones no covalentes entre las hebras antiparalelas del ADN pueden romperse para "abrir" la doble hélice cuando se activan mecanismos biológicamente importantes como la replicación, la transcripción, la reparación o la unión de proteínas al ADN . ^{[ 21 ]} El área de ADN parcialmente separado se conoce como burbuja de desnaturalización, que puede definirse más específicamente como la apertura de una doble hélice de ADN mediante la separación coordinada de pares de bases. ^{[ 21 ]}

El primer modelo que intentó describir la termodinámica de la burbuja de desnaturalización se introdujo en 1966 y se denominó Modelo de Poland-Scheraga. Este modelo describe la desnaturalización de las cadenas de ADN en función de la temperatura . A medida que aumenta la temperatura, los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases se ven cada vez más alterados y comienzan a formarse "bucles desnaturalizados". ^{[ 22 ]} Sin embargo, el Modelo de Poland-Scheraga se considera ahora elemental porque no tiene en cuenta las complejas implicaciones de la secuencia de ADN , la composición química, la rigidez y la torsión . ^{[ 23 ]}

Estudios termodinámicos recientes han inferido que la vida útil de una burbuja de desnaturalización singular oscila entre 1 microsegundo y 1 milisegundo. ^{[ 24 ]} Esta información se basa en las escalas de tiempo establecidas para la replicación y transcripción del ADN. ^{[ 24 ]} Actualmente, se están realizando estudios de investigación biofísicos y bioquímicos para dilucidar con mayor detalle los aspectos termodinámicos de la burbuja de desnaturalización. ^{[ 24 ]}

Dado que la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es uno de los contextos más populares en los que se desea la desnaturalización del ADN, el calentamiento es el método más frecuente de desnaturalización. ^{[ 25 ]} Además de la desnaturalización por calor, los ácidos nucleicos pueden sufrir el proceso de desnaturalización a través de varios agentes químicos como formamida , guanidina , salicilato de sodio , dimetilsulfóxido (DMSO), propilenglicol y urea . ^{[ 26 ]} Estos agentes químicos desnaturalizantes reducen la temperatura de fusión (T _{m ) al competir por los donadores y aceptores de enlaces de hidrógeno con los pares} de bases nitrogenadas preexistentes . Algunos agentes incluso pueden inducir la desnaturalización a temperatura ambiente. Por ejemplo, se ha demostrado que los agentes alcalinos (p. ej., NaOH) desnaturalizan el ADN al cambiar el pH y eliminar los protones que contribuyen a los enlaces de hidrógeno. ^{[ 25 ]} Estos desnaturalizantes se han empleado para hacer gel de electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE), que promueve la desnaturalización de los ácidos nucleicos para eliminar la influencia de la forma del ácido nucleico en su movilidad electroforética . ^{[ 27 ]}

Muchas técnicas de laboratorio se basan en la capacidad de las cadenas de ácidos nucleicos para separarse. Al comprender las propiedades de la desnaturalización de los ácidos nucleicos, se crearon los siguientes métodos:

• PCR
• Southern blot
• Northern blot
• secuenciación de ADN