OOBioquimica.Pratt

es diluído y acuoso, pero en el pulmón con FQ ese líquido es espeso y viscoso. En la
glándula sudorípara, un RTFQ defectuoso altera el transporte de Na+ y Cl–, lo que
da por resultado sudor salado que es diagnóstico de fibrosis quística.

Otras variaciones genéticas se han vinculado
con enfermedades

Casi 2 000 genes se han vinculado con diferentes enfermedades del ser humano, si
bien las enfermedades monogenéticas, como la fibrosis quística, son relativamente
raras. La mayoría de las enfermedades resultan de interacciones entre múltiples ge-
nes y factores ambientales. Sin embargo, los científicos esperan que la genómica
pueda conducir a una mejor comprensión del modo en que la información genética
incide en la salud humana y la susceptibilidad a enfermedades.

Dado que no resulta práctico secuenciar el genoma de cada individuo, en la ac-
tualidad los grupos de investigación se concentran en compilar una base de datos de
polimorfismos de un solo nucleótido (PSN, casos en los que la secuencia de DNA
difiere entre individuos) para usarlos como marcadores genéticos de diversas enfer-
medades. En promedio, el DNA de dos personas cualesquiera difiere en alrededor de una
base por cada mil. La población humana en su conjunto exhibe un estimado de 107
PSN, o alrededor de una diferencia de un nucleótido cada 300 bases. En estudios
con miles de sujetos que presentan o no determinadas enfermedades complejas
como cáncer y diabetes tipo 2, los investigadores han identificado varios PSN que se
relacionan con mayor riesgo de esas afecciones. Los PSN son sólo sustitutos de la
enfermedad, pero esos datos deberán constituir un punto de partida para que los
investigadores exploren el DNA cerca de los PSN a fin de descubrir los genes que
participan de modo directo en la enfermedad. Un reto actual para este trabajo es que
cada variante genética asociada con una enfermedad suele incrementar el riesgo de la
enfermedad sólo en un pequeño porcentaje, de modo que la probabilidad de que un
individuo desarrolle una enfermedad específica parece ser una función complicada
de las variantes que existen. Varias empresas comerciales ofrecen servicios de secuen-
ciación genómica individual, pero mientras la información genética no pueda tradu-
cirse de manera confiable en regímenes de prevención o tratamiento eficaces de
enfermedades, el valor práctico de la “genómica personal” es un tanto limitado.

REPASO DE CONCEPTOS
• Describa la correlación aproximada entre número de genes y modo de vida del

organismo.
• ¿Cómo se identifican los genes?
• ¿Por qué es útil identificar homólogos de los genes humanos?

3-4. Herramientas y técnicas: manipulación del DNA

Los biólogos moleculares han diseñado procedimientos para aislar, amplificar, se- CONCEPTOS CLAVE
cuenciar, modificar y manipular de otras maneras el DNA. Muchas de las técnicas • Una molécula de DNA puede
aprovechan enzimas naturales que cortan, copian y unen ácidos nucleicos. Estas
técnicas también hacen uso de la capacidad de los ácidos nucleicos de interactuar secuenciarse o amplificarse
con moléculas complementarias purificadas de fuentes naturales o sintetizadas en el usando DNA polimerasa
laboratorio. para hacer una copia de una
cadenaplantilla.
En la secuenciación del DNA se emplea DNA • Al unir fragmentos de DNA se
polimerasa para formar una cadena complementaria producen moléculas de DNA
recombinante que pueden
La técnica más usada para determinar la secuencia de nucleótidos en un segmento usarse para estudiar la función
de DNA fue desarrollada por Frederick Sanger en 1975. La técnica de secuenciación de de los genes, expresar genes
en organismos hospedadores,
y manipular genes para fines
comerciales y terapéuticos.

3-3. Genómica | 71

Sanger también se conoce como secuenciación de DNA didesoxi porque utiliza
didesoxinucleótidos, esto es, nucleótidos que carecen de grupos hidroxilo 2´ y 3´:

P P P OCH2 O Base

HH
HH

HH

Trifosfato de 2´,3´-didesoxinucleósido
(ddNTP)

Un trifosfato de didesoxinucleósido puede abreviarse ddNTP, donde N represen-
ta cualquiera de las cuatro bases.

El protocolo de secuenciación se delinea en la figura 3-16. Primero, el DNA se
desnaturaliza para separar sus dos cadenas. El DNA se incuba con una mezcla de los
cuatro trifosfatos de desoxinucleósido (dATP, dCTP, dGTP y dTTP) y una DNA
polimerasa bacteriana, que cataliza la polimerización de los nucleótidos en el orden
determinado por su apareamiento de bases con una plantilla de DNA monocatena-
ria. Dado que la DNA polimerasa no puede iniciar una nueva cadena de nucleótidos
sino sólo extender una preexistente, se agrega un primer corto primer (iniciador o
cebador) que parea sus bases con la cadena plantilla. Debe tenerse presente que la
mezcla de reacción en realidad contiene millones de moléculas de la plantilla, el
primer y la polimerasa.

5Ј — Gи Tи Cи Aи Tи Aи Gи Cи Tи Cи Gи Aи Cи Gи Tи Aи Gи — 3Ј DNA bicatenario
3Ј — CAGT A TCGAGCTGCA TC — 5Ј

Se desnaturaliza el DNA

3Ј — C AGT A TCGAGCTGC A TC — 5Ј DNA monocatenario por secuenciar

Se agregan primer, DNA polimerasa,
diferentes dNTP, y ddNTP con marca fluorescente

primer

3Ј — 5Ј Aи Tи Aи Gи Cи AGCTGC A T C — 5Ј primer unido a DNA
CAGT A T CG

La DNA polimerasa extiende el primer agregando de
manera sucesiva nucleótidos que aparean sus bases con
las propias de la cadena plantilla.

3Ј — 5Ј - Aи Tи Aи Gи Cи Tи Cи Gи Aи Cи A T C — 5Ј Cadena plantilla
CAGT A TCGAGCTGC

La incorporación ocasional de un ddNTP
termina la polimerización

ATAGCTCGACGTAG

ATAGCTCGACGTA Conjunto de cadenas de DNA recién sintetizadas
ATAGCTCGACGT que difieren en un nucleótido y terminan en el
ATAGCTCGACG didesoxinucleótido marcado

ATAGCTCGAC

ATAGCTCGA

ATAGCTCG Residuo fluorescente

ATAGCTC

ATAGCT

primer

Figura 3-16. Procedimiento de secuenciación de DNA por el método didesoxi.

72 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

T C G TA G G TA A A A AT G C C TAT T G G AT C C A A A G A G A G G

(a) (b)

Figura 3-17. Resultados de la secuenciación didesoxi. a) Electroforetograma de fragmentos de DNA fluorescentes. Los
fragmentos de DNA generados por la secuenciación didesoxi se someten a electroforesis. Cada carril del electroforetograma
contiene una serie de fragmentos de DNA, con los más grandes (de migración más lenta) en la parte superior y los más pequeños
(de migración más rápida) en la parte inferior. El color de cada fragmento identifica el didesoxinucleótido en su extremo (A verde,
C azul, G amarillo y T rojo). (Reproducido con autorización de Yoav Levy/Phototake). b) Barrido de un electroforetograma
de secuenciación. Cada uno de los colores de las curvas representa un didesoxinucleótido. Los picos indican la posición de ese
nucleótido en la secuencia.

La mezcla de reacción también contiene pequeñas cantidades de cuatro didesoxi-
nucleótidos (ddATP, ddCTP, ddGTP y ddTTP), cada uno se marca con un pigmen-
to fluorescente distinto. Cuando la DNA polimerasa procede a sintetizar una nueva
cadena de DNA, en ocasiones agrega uno de los ddNTP en vez del correspondiente
dNTP. Esto detiene la ulterior extensión de la cadena de DNA porque el ddNTP
recién incorporado, que carece de un grupo OH 3´, no puede formar la porción 3´
de un enlace fosfodiéster 3´–5´ con el siguiente nucleótido (página 56).

Las concentraciones de los ddNTP en la mezcla de reacción son menores que las de sus
dNTP correspondientes, de modo que la DNA polimerasa puede ensamblar nuevas ca-
denas de longitud variable antes de que la incorporación aleatoria de un ddNTP detenga
la ulterior polimerización. El resultado es una población de cadenas de DNA truncadas,
cada una rematada por un residuo ddNTP fluorescente. Los fragmentos difieren en lon-
gitud por un solo nucleótido, ya que todos comenzaron con primers idénticos.

Los productos de reacción se someten a electroforesis, un procedimiento en el
cual las moléculas se desplazan en una matriz parecida a gel, como agarosa o polia-
crilamida, bajo la influencia de un campo eléctrico. Dado que los segmentos de
DNA tienen densidad de carga uniforme, se separan con base en su tamaño (las
moléculas más pequeñas se mueven más rápido). Las moléculas separadas se excitan
con un láser, de modo que el pigmento fluorescente unido a cada residuo didesoxi-
nucleótido emite su color característico (figura 3-17). El orden de aparición de los
colores corresponde al orden de las bases en el DNA recién sintetizado. Debe tener-
se presente que esta secuencia es complementaria a la cadena de DNA que se usó
como plantilla en la reacción de secuenciación. Si el procedimiento se automatiza,
una sola reacción puede generar una secuencia de 400 a 1 000 nucleótidos.

En un procedimiento reciente, llamado pirosecuenciación, también se usa DNA
polimerasa para generar una cadena de DNA complementaria. En esta técnica, algunas
moléculas del DNA plantilla se inmovilizan en una superficie de plástico, se agregan
primer y DNA polimerasa, y se introduce un sustrato dNTP. Si la DNA polimerasa
agrega ese nucleótido a la nueva cadena de DNA, se libera pirofosfato (la porción
“difosfato” del dNTP) e induce una reacción química en que participa la enzima lu-
ciferasa de la luciérnaga, la cual genera un destello de luz. Las soluciones de cada uno
de los cuatro dNTP se lavan de manera sucesiva a través de la plantilla de DNA in-
movilizada, y un detector registra si se produce luz en presencia de un dNTP especí-
fico. De este modo es posible deducir la secuencia de nucleótidos complementaria a
la cadena plantilla. La pirosecuenciación puede “leer” tramos de 300 a 500 nucleóti-
dos, que son un poco más cortos que las secuencias reveladas por la secuenciación
didesoxi, pero la pequeña escala del sistema de suministro de líquido de la pirosecuen-
ciación permite secuenciar de manera simultánea muchas plantillas.

3-3. Genómica | 73

Figura 3-18. Reacción en cadena Reacción en cadena de la polimerasa amplifica DNA

de la polimerasa. Cada ciclo consta Alguna vez, los científicos que necesitaban grandes cantidades de una secuencia de
de separación de cadenas de DNA, DNA dada debían aislar laboriosamente el DNA deseado y clonarlo (copiarlo),
unión de primers a los extremos 3´ de como se describe más adelante en esta sección. Eso cambió en 1985 con el adveni-
la secuencia objetivo, y extensión de los miento de la reacción en cadena de la polimerasa (RCP), inventada por Kary
primers por DNA polimerasa. El DNA Mullis. Aunque la RCP no puede sustituir por completo a la clonación como herra-
objetivo duplica su concentración con mienta de investigación, sí constituye una manera relativamente fácil y rápida de
cada ciclo. amplificar un segmento de DNA. Una de las ventajas de la RCP sobre las técnicas de
clonación tradicionales es que no es necesario que el material de partida sea puro
(esto hace que la técnica sea ideal para analizar mezclas complejas como tejidos o
líquidos biológicos).

Como la secuenciación de DNA, la RCP utiliza DNA polimerasa para producir copias
de una secuencia de DNA específica (figura 3-18). La mezcla de reacción contiene la
muestra de DNA, una DNA polimerasa, los cuatro desoxinucleótidos y dos oligo-
nucleótidos primers que son complementarios a los extremos 3´ de las dos cadenas
de la secuencia deseada. Primer paso de la RCP, la muestra se calienta a 90 - 95 °C
para separar las cadenas de DNA. Segundo paso, la temperatura se reduce a 55 °C,
lo suficientemente baja para que los primers se hibriden con las cadenas de DNA.
Tercer paso, la temperatura se eleva a 75 °C, y la polimerasa de DNA sintetiza nuevas

3´ 5´

Secuencia objetivo

Se separan las cadenas

Imprimadores Se hibridan los
primers
Ciclo 1
Se extienden
los primers

Ciclo 2 Se separan las cadenas

Se hibridan los
primers

Se extienden
los primers

Ciclo 3 Se separan las cadenas

Se hibridan los
primers

Se extienden
los primers

74 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

cadenas de DNA extendiendo los primer. Los tres pasos –separación de las cadenas,
unión del primer y extensión del primer– se repiten hasta 40 veces. Dado que los
primers representan los dos extremos del DNA deseado, esta secuencia se amplifica
de manera preferencial de modo que su concentración se duplique con cada ciclo de
reacción. En teoría 20 ciclos de RCP pueden generar 220 = 1 048 576 copias de la
secuencia deseada en cuestión de horas. Entonces es posible clonar, secuenciar o
utilizar para otros fines el DNA.

Una de las claves del éxito de la RCP es el uso de DNA polimerasas bacterianas capa-
ces de soportar las altas temperaturas necesarias para la separación de las cadenas (las
cuales desactivan la mayoría de las enzimas). Los estuches comerciales para RCP suelen
contener DNA polimerasa de Thermus aquaticus (“Taq”, que vive en manantiales térmi-
co) o Pyrococcus furiosus (“Pfu”, que habita en sedimentos marinos calentados por energía
geotérmica), dado que sus enzimas funcionan de manera óptima a altas temperaturas.

Una de las limitaciones de la RCP es que la elección de los primers apropiados re-
quiere de algún conocimiento de la secuencia de DNA por amplificar; en caso contrario
los primers no se hibridarán con secuencias complementarias en el DNA y la polimera-
sa no será capaz de formar nuevas cadenas de DNA. Sin embargo, dado que no se sin-
tetiza nuevo DNA a menos que los primer puedan unirse a la secuencia de DNA, la
RCP puede usarse para verificar la presencia de esa secuencia. De hecho, la RCP es
la manera más eficiente de detectar determinados organismos patógenos, como Borrelia
burgdorferi y Helicobacter pylori, dado que las enfermedades que resultan de la infección
por estos microorganismos (enfermedad de Lyme y úlceras gástricas, en ese orden) no
siempre exhiben síntomas que sean útiles para el diagnóstico. La RCP se prefiere sobre
el cultivo como método para detectar la presencia de bacterias y virus contagiosos. En
los bancos de sangre se usa la RCP para analizar la sangre donada en busca del virus de
la inmunodeficiencia humana (VIH), virus de la hepatitis y virus nilooccidental. Los
científicos han usado la RCP para amplificar DNA extraído de huesos de hombres de
Neanderthal de 45 000 años de antigüedad, a fin de demostrar que el DNA de esta es-
pecie es distinto del ser humano moderno. En el laboratorio forense, la RCP se utiliza
para analizar DNA de origen más reciente (recuadro 3-C).

Las enzimas de restricción cortan DNA en secuencias CUADRO 3-5 | Sitios de
específicas reconocimiento
y de escisión
Las moléculas de DNA naturales tienden a romperse a causa de los esfuerzos mecá- de algunas
nicos durante las manipulaciones en el laboratorio. Sin embargo, este DNA frag- endonucleasas
mentado al azar no siempre es útil, de modo que los investigadores aprovechan las de restricción
enzimas que cortan el DNA de maneras definidas. Las bacterias producen enzimas
que cortan el DNA conocidas como endonucleasas de restricción (o enzimas de Enzima Sitio de
restricción) que catalizan la rotura de enlaces fosfodiéster en secuencias nucleotídi- reconocimiento/
cas específicas o cerca de ellas. De este modo, dichas enzimas pueden destruir DNA escisióna
ajeno que ingrese en la célula (p. ej., DNA de un bacteriófago). Es así como la célula
bacteriana “restringe” el desarrollo del fago. La bacteria protege su propio DNA de AluI AG | CT
la digestión endonucleolítica metilándolo (agregándole un grupo –CH3) en los mis- MspI C | CGG
mos sitios que son reconocidos por sus endonucleasas de restricción. En el laborato- AsuI G | GNCCb
rio, las enzimas de restricción más útiles son aquéllas que escinden el DNA en el EcoRI G | AATTC
sitio de reconocimiento (y no sólo cerca de él). Se han examinado cientos de estas EcoRV GAT | ATC
enzimas; algunas se presentan en el cuadro 3-5 junto con sus secuencias de recono- Pst I CTGCA | G
cimiento y sitios de escisión. SauI CC | TNAGG
Not I GC | GGCCGC
Las enzimas de restricción de manera característica reconocen una secuencia de 4
a 8 bases que cuando se lee en el mismo sentido 5´ 3´ es idéntica en ambas cade- a Se muestra la secuencia de una de las dos cadenas de
nas. Se dice que el DNA con esta forma de simetría es palindrómico (son palíndro- DNA. La barra vertical indica el sitio de escisión.
mos palabras como anona y rotor). Una enzima de restricción aislada de E. coli se
conoce como EcoRI (las tres primeras letras provienen del nombre de la especie). Su b N representa cualquier nucleótido.
secuencia de reconocimiento es
(Puede consultar una fuente de información exhaus-
5Ј — G A A T T C — 3Ј tiva sobre enzimas de restricción en Restriction
Enzyme Database: rebase.neb.com/rebase/rebase.
3Ј — C T T A A G — 5Ј html).

Las flechas indican los enlaces fosfodiéster que se rompen. Nótese que la secuen-
cia se lee igual en ambas cadenas.

3-3. Genómica | 75

RECUADRO 3-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Identificación de DNA individual

Es posible distinguir a un individuo examinando polimorfismos en en la población de 5% (1 en 20, o 1/20). Otro locus tiene 10 alelos,Fluorescencia
su DNA. Los métodos de identificación de DNA individual y cada uno tiene una frecuencia de 10% (1 en 10, o 1/10). La
(“huellas dactilares de DNA”) actuales utilizan la RCP para probabilidad de que dos individuos concuerden en ambos sitios es
examinar segmentos de secuencias de DNA repetitivas, más a de 1/20 ϫ 1/10 = 1/200 (las probabilidades de eventos indepen-
menudo repeticiones cortas en tándem de cuatro nucleótidos. El dientes se multiplican). Examinando múltiples loci, las probabilida-
número exacto de repeticiones varía entre individuos, y cada des pueden alcanzar un intervalo de 1 en un millón o más. Por
conjunto de repeticiones, o alelo, es lo suficientemente pequeño ello, en la actualidad la mayoría de los tribunales consideran que
(por lo común menos de 500 pb) para que sea fácil diferenciar las secuencias de DNA son identificadores no ambiguos de los
alelos que difieren en sólo una repetición de cuatro residuos. individuos.
Dado que el primer paso de la identificación de DNA individual es
la RCP, sólo se requiere una diminuta cantidad de DNA: alrededor Muestra A
de 1 μg, o la cantidad que una persona deja en una tasa de café o
en un sobre que ha sellado pasando la lengua por el borde. Y dado Muestra B
que el segmento objetivo es corto, la pureza e integridad de la
muestra de DNA no suele ser un problema. El locus, o región del Referencia
DNA que contiene las repeticiones, se amplifica por la RCP
usando primers fluorescentes que son complementarios a las 5 6 7 8 9 10
secuencias únicas (no repetitivas) que flanquean las repeticiones. Tamaño
En el ejemplo que se ilustra, los dos segmentos de DNA tienen 7 y
8 repeticiones en tándem de la secuencia AATG.
Los primers de la RCP se hibridan con secuencias que flanquean
las repeticiones (tono de azul), que son las mismas en todos los
individuos. Los productos amplificados se separan por tamaño
mediante electroforesis, y se detectan por su fluorescencia. Los
resultados se comparan con estándares de referencia que contie-
nen un número conocido de repeticiones AATG, de 5 a 10 en
este ejemplo.
La muestra A proviene de un individuo con dos copias del alelo de
siete repeticiones; la muestra B, de un individuo con una copia del
alelo de siete repeticiones y una copia del de ocho repeticiones
(recuérdese que el ser humano es diploide, con dos copias de cada
“gen”).
Cada uno de los loci que se han seleccionado para uso forense suele
tener 7 a 30 alelos diferentes. En una sola muestra de DNA,
múltiples loci pueden amplificarse por RCP de manera simultánea,
siempre que los tamaños de los productos de la RCP difieran lo
suficiente para no superponerse durante la electroforesis. De
manera alternativa, cada primer para la RCP puede portar un
pigmento fluorescente distinto.
La probabilidad de que dos individuos tengan las mismas “huellas
dactilares de DNA” depende del número de loci examinados y del
número de alelos posibles en cada locus. Por ejemplo, supóngase
que un locus tiene 20 alelos y que cada alelo tiene una frecuencia

AATG AATG AATG AATG AATG AATG AATG

AATG AATG AATG AATG AATG AATG AATG AATG

Dado que EcoRI escinde sitios que son simétricos pero están desfasados, la enzi-
ma genera fragmentos de DNA con extensiones monocatenarias que se conocen
como extremos adhesivos (o “pagajosos”):

—G AATTC—

— CTTAA G—

76 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

En contraste, la enzima de restricción de E. coli llamada EcoRV escinde ambas
cadenas de DNA en el centro de su secuencia de reconocimiento de 6 pb, de modo
que los fragmentos de DNA resultantes tienen extremos romos:

5Ј — G A T A T C — 3Ј — GAT ATC—
3Ј — C T A T A G — 5Ј — CTA TAG—

Las enzimas de restricción tienen muchos usos en el laboratorio. Por ejemplo, son
indispensables para romper de manera reproducible segmentos largos de DNA en
fragmentos de tamaño manejable. Los digeridos de restricción de moléculas de
DNA bien caracterizadas, como la del bacteriófago λ de E. coli de 48 502 pb, pro-
ducen fragmentos de restricción de tamaño predecible.

El DNA recombinante se forma uniendo
fragmentos de DNA

La tecnología de DNA recombinante (también conocida como ingeniería gené-
tica o clonación molecular) es un conjunto de métodos para escindir, unir y copiar
fragmentos de DNA in vivo (la RCP copia el DNA in vitro). Dicho de otro modo,
un fragmento de DNA se combina con otra molécula de DNA para producir una
molécula de DNA recombinante:

1. Un fragmento de DNA del tamaño apropiado se genera por la acción de una
enzima de restricción, por la RCP o por síntesis química.

2. El fragmento se incorpora en otra molécula de DNA.
3. El DNA recombinante se introduce en células, donde se duplica.
4. Se identifican las células que contienen el DNA.

Las endonucleasas de restricción son herramientas valiosas para los ingenieros
genéticos. Cuando se digieren diferentes muestras de DNA con la misma endonu-
cleasa de restricción generadora de extremos adhesivos, todos los fragmentos tienen
extremos adhesivos idénticos. Si los fragmentos se mezclan entre sí, los extremos
adhesivos pueden encontrar sus complementos y reconstituir pares de bases. Enton-
ces es posible reparar las discontinuidades en el esqueleto de fosfatos-azúcar por
medio de una DNA ligasa (una enzima que forma nuevos enlaces fosfodiéster entre
residuos nucleótido adyacentes). Estas reacciones de cortar y pegar permiten separar
un segmento de DNA de un cromosoma e insertarlo en una molécula de DNA
portadora, por ejemplo un plásmido circular, que ha sido cortado por la misma
enzima de restricción. La DNA ligasa sella las roturas en las cadenas nucleotídicas,
dejando una molécula de DNA recombinante de doble cadena intacta que consta
del plásmido con un inserto de DNA ajeno (figura 3-19).

Corte Hibridación Ligadura

Plásmido DNA
recombinante

DNA
ajeno

Figura 3-19. Producción de una molécula de DNA recombinante. Un plásmido
circular pequeño y una muestra de DNA se cortan con la misma enzima de restricción,
lo que genera extremos adhesivos complementarios, de modo que el fragmento de
DNA ajeno puede ligarse en el plásmido.

3-3. Genómica | 77

Figura 3-20. Mapa de un vector de ampR EcoRI
SacI
clonación. Esta molécula de DNA KpnI
circular de 2 743 pb, llamada AvaI
pGEM-3Z, tiene un gen para resistencia XmaI
a ampicilina, de modo que las células SmaI
bacterianas que contienen el plásmido lacZ BamHI
pueden seleccionarse por su capacidad Xba I
de desarrollarse en presencia del Sal I
antibiótico. El plásmido tiene además AccI
un sitio que comprende secuencias HincII
de reconocimiento para 14 enzimas de Pst I
restricción distintas. Al insertar un Sph I
DNA ajeno en este sitio se interrumpe Hind III
el gen lacZ, que codifica la enzima
β-galactosidasa.

Los plásmidos son moléculas de DNA circular pequeñas presentes en muchas
células bacterianas. Una célula puede contener múltiples copias de un plásmido, el
cual se duplica con independencia del cromosoma bacteriano y por lo común no
contiene genes esenciales para las actividades normales del hospedero. Sin embargo,
los plásmidos con frecuencia portan genes para funciones especializadas, como la
resistencia a determinados antibióticos (estos genes a menudo codifican proteínas
que desactivan los antibióticos). Un gen de resistencia a antibióticos permite la se-
lección de células que poseen el plásmido: sólo las células que lo contienen pueden
sobrevivir en presencia del antibiótico. Generar grandes cantidades de células carga-
das de plásmido es una manera de producir grandes cantidades del inserto de DNA
ajeno. (Es posible extraerlo más tarde tratando el plásmido con la misma enzima de
restricción empleada para insertar el DNA ajeno). Se dice que un fragmento de DNA
amplificado de esta manera se clona. El plásmido que contiene el DNA ajeno se
denomina vector de clonación. Nótese que un clon es simplemente una copia
idéntica de un original. El término se usa para referirse a un gen que se ha amplifi-
cado, como recién se describió, o para una célula u organismo que es idéntico de
manera genética a su progenitor.

En la figura 3-20 se presenta un ejemplo de vector de clonación. Este plásmido con-
tiene un gen (llamado ampR) para resistencia al antibiótico ampicilina y un gen (deno-
minado lacZ) que codifica la enzima β-galactosidasa, la cual cataliza la hidrólisis de
determinados derivados de la galactosa. El gen lacZ se ha manipulado para que contenga
varios sitios de restricción, cualquiera de los cuales puede usarse como punto de inser-
ción de un fragmento de DNA ajeno con extremos adhesivos compatibles. Interrumpir
el gen lacZ con DNA ajeno impide la síntesis de la proteína β-galactosidasa.

Es posible detectar colonias de células bacterianas que portan el plásmido intacto
cuando su β-galactosidasa escinde un derivado galactosa que genera un pigmento azul:

HOCH2 Cl HOCH2 Cl
Br
HO H O O HO H O OH HO Br
OH H H N
H OH H ϩ
H
HH N
H

H OH H OH

Galactosa 5-Bromo-4-cloro-3-indol

Las colonias de células bacterianas en las cuales un inserto de DNA ajeno ha in-
terrumpido el gen lacZ son incapaces de escindir el derivado galactosa y por tanto no
se tornan azules (figura 3-22). Este método para identificar (detectar) células bacte-
rianas que contienen plásmidos con el inserto se conoce como detección de azul y
blanco. Es posible tomar de la placa de cultivo una colonia sólo blanca, y cultivarla
a fin de cosechar su DNA recombinante para secuenciación o algún otro objetivo.
Las células bacterianas que carecen del plásmido por completo también serán blancas.
Sin embargo, estas células se eliminan agregando ampicilina en el medio de cultivo,
lo cual destruye las células que no contienen el gen ampR.

78 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

Se han desarrollado gran número de vectores de clonación para diferentes tama-
ños de insertos de DNA (cuadro 3-6). Los vectores también difieren en el tipo celu-
lar en el cual puede desarrollarse el vector (p. ej., células bacterianas, micóticas, de
insecto o de mamífero) y en la estrategia empleada para seleccionar células que con-
tienen el DNA ajeno.

Los genes clonados generan productos valiosos

Si un gen que se ha aislado y clonado en una célula hospedero también se expresa

(transcribe y traduce en proteína), puede influir en el metabolismo de esa célula. Las

funciones de algunos productos génicos se han evaluado de esta manera. A veces se

elige una combinación específica de vector y célula hospedero de modo que puedan Figura 3-21. Placa de cultivo
aislarse grandes cantidades del producto génico a partir de las células cultivadas o del
medio en que éstas proliferan. Éste constituye un método económico para producir usada en la detección blanco y
determinadas proteínas que son difíciles de obtener directamente de tejidos huma-
nos (cuadro 3-7). azul. Las colonias azules se originan
de células cuyos plásmidos tienen un
Después de que un gen se ha aislado y clonado, puede modificarse de manera gen para β-galactosidasa intacto. Las
específica con objeto de variar la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada. colonias blancas surgen de células
La mutagénesis dirigida por sitio (también llamada mutagénesis in vitro) imita el cuyos plásmidos contienen un
proceso natural de la evolución y permite hacer predicciones acerca de los atributos inserto que interrumpe el gen para la
estructurales y funcionales de aminoácidos específicos en una proteína que se some- β-galactosidasa. (Cortesía de S. Kopczak y
terá a pruebas rigurosas en el laboratorio. Una técnica para la mutagénesis dirigida al
D.P. SnuStad, University of Minnesota).

sitio es una variación de la RCP en la cual los primers son oligonu-

cleótidos cuyas secuencias son idénticas a una porción del gen de in- CUADRO 3-6 | Tipos de vectores de

terés excepto por una o unas pocas bases que corresponden al codón clonación

o los codones por modificar. Los primers pueden hibridarse con la

secuencia génica de tipo silvestre (de existencia natural) si sólo hay Vector Tamaño del inserto
unas pocas bases no correspondientes. Múltiples rondas de extensión de DNA (kb)

de los primers catalizada por DNA polimerasa generan muchas co- Plásmido Ͻ 20

pias del gen con la secuencia deseada (figura 3-22). El gen mutado Cósmido 40 a 45
puede entonces insertarse en un vector para su expresión en una cé- Cromosoma artificial bacteriano
lula hospedero. 40 a 400

Cromosoma artificial de levadura 400 a 1000

Los organismos modificados por ingeniería

genética tienen aplicaciones prácticas

La introducción de un gen ajeno en una sola célula hospedero por medio de un
vector de clonación modifica la constitución genética de esa célula y de todas sus
descendientes. Producir un organismo transgénico cuyas células contengan todas
el gen ajeno es más difícil. En los mamíferos, el DNA debe inyectarse en óvulos fe-
cundados, para implantarse en una madre sustituta. Algunas de las células resultan-
tes del embrión (incluidas sus células reproductivas) posiblemente contendrán el gen
ajeno. Cuando el animal madura, debe reproducirse para obtener descendencia con
células transgénicas.

CUADRO 3-7 | Algunos productos proteínicos recombinantes

Proteína Objetivo

Insulina Tratar la diabetes insulinodependiente

Hormona del crecimiento Tratar determinados trastornos del crecimiento en niños

Eritropoyetina Estimular la producción de eritrocitos; útil en diálisis renal

Factores de la Tratar la hemofilia b y otros trastornos hemorrágicos
coagulación IX y X

Activador de Promover la lisis de coágulos después de infarto miocárdico o
plasminógeno tisular accidente cerebrovascular

Factor estimulante de Promover la producción de leucocitos después de trasplante
colonias de médula ósea

3-3. Genómica | 79

Figura 3-22. Mutagénesis dirigida al Plásmido bicatenario
sitio. que contiene el gen
por mutagenizar
Véase figura animada. Mutagénesis
dirigida al sitio.

G Desnaturalización C AG AG G ACT
TCTCCTGA térmica para
separar las
cadenas

Primers para hibridación
no concordantes

CAG ATG A C T GT C TACT A
G CT CCTG C GAGG C
T A G
A A T

Extensión de los primers

Ciclos
adicionales
de RCP

CAGA Muchas copias
G CT de DNA bicatenario
con gen mutagenizado

T
A
T T GCATCG
A

Par de bases sustituidos

Las plantas transgénicas se producen introduciendo DNA recombinante en pocas
células, y cada una puede convertirse en una planta completa en la que todas las células
contienen el DNA recombinante. En plantas de cultivo se han introducido algunos
aspectos para mejorarlas, como resistencia a las plagas de insectos. Por ejemplo, alre-
dedor de 20% del maíz que se cultiva en EUA está modificado genéticamente para
producir una proteína que es tóxica para los insectos herbívoros. Las plantas de maíz Bt
se han manipulado para expresar una toxina insecticida de la bacteria Bacillus thu-
ringensis. Sin embargo, la gran extensión de terreno dedicada al maíz transgénico
(que pertenece a los llamados alimentos genéticamente modificados, o GM) da lugar
a debates: incrementa la presión selectiva sobre los insectos para desarrollar resisten-
cia a la toxina, y eleva la probabilidad de que el gen de la toxina se transfiera a otras
especies vegetales con efectos desastrosos en los insectos que se alimentan de ellas.

Las plantas transgénicas también se han manipulado para mejorar la nutrición.
Por ejemplo, los investigadores desarrollaron una cepa de arroz con genes ajenos, de
otras especies vegetales, que codifican enzimas necesarias para sintetizar β-caroteno
(un pigmento anaranjado que es el precursor de la vitamina A) y un gen para la
proteína de almacenamiento de hierro ferritina (figura 3-23). El arroz genéticamente
modificado se desarrolló para ayudar a aliviar las deficiencias de vitamina A (que
afectan a 400 millones de personas) y las deficiencias de hierro (se estima que 30%
de la población mundial sufre deficiencia de hierro).

80 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

Utilizando técnicas similares a las empleadas para producir animales transgénicos,
los investigadores pueden producir animales en los cuales se ha desactivado un gen
específico. Estos organismos con desactivaciones génicas pueden servir como anima-
les modelos para enfermedades del ser humano. Por ejemplo, los ratones que carecen
del gen de la fibrosis quística se han usado para estudiar el desarrollo de la enferme-
dad y para probar tratamientos potenciales.

La terapia génica ha tenido éxito limitado Figura 3-23. Arroz genéticamente
modificado. Los granos blancos de la
El objetivo de la terapia génica es introducir un gen funcional en un individuo a fin derecha son del tipo silvestre. Los granos
de compensar un gen disfuncional existente. Por ejemplo, para corregir el defecto de la izquierda fueron manipulados por
genético en la fibrosis quística, tendría que introducirse un gen de la FQ normal en ingeniería genética para almacenar tres
las células apropiadas (principalmente pulmonares), y el gen tendría que expresarse veces más hierro. También sintetizan
a un nivel suficiente para generar la cantidad necesaria de proteína a fin de eliminar β-caroteno, el precursor de la vitamina
los síntomas potencialmente letales de la enfermedad. A, que les da su color amarillo. (Cortesía

La terapia génica se ha usado con éxito en niños con inmunodeficiencia combi- de Ingo Potrykus, Instituto Federal Suizo de
nada grave (IDCG), un trastorno letal provocado en ausencia de la enzima adeno-
sindesaminasa o de una proteína receptora específica. Se extraen las células de la Tecnología.]
médula ósea del paciente, se modifican genéticamente y se le reinfunden, para que
se diferencien en células del sistema inmunitario funcional. La secuencia génica “co-
rrecta” se genera mediante mutagénesis dirigida al sitio y luego se introduce en las
células de la médula ósea por medio de un vector viral. Los vectores derivados de
virus son eficaces porque los virus han evolucionado hasta convertirse en eficientes
sistemas de entrega de genes a las células de los mamíferos. Pero dado que el gen
llevado por el virus se inserta en los cromosomas de las células del hospedero un
tanto al azar, su integración puede interrumpir el funcionamiento de otros genes, lo
que en algunos casos causa leucemia (proliferación descontrolada de células del sis-
tema inmunitario). En otro caso, durante un ensayo clínico un individuo desarrolló
una respuesta inmunitaria letal al mismo vector viral.

Una limitación más de los métodos actuales de terapia génica es que la mayoría
de los virus pueden recibir un gen extraño no mayor de unos 8 kb, mientras que
algunos genes humanos tienen una longitud total de cientos de kb (el gen de la FQ
tiene 250 kb). Determinados genes también requieren secuencias regulatorias adi-
cionales, a alguna distancia de los segmentos codificadores, a fin de que el gen se
exprese en un tejido en el momento apropiado para el desarrollo.

A diferencia de las células de la médula ósea, muchas células que no se encuentran
en división activa no captan DNA de vectores virales con facilidad, no proliferan
bien en cultivo o, después de modificarse genéticamente, no repueblan el propio
tejido defectuoso del paciente a un grado que permita que el gen correcto compense
al gen defectuoso. Para vencer estos obstáculos a la terapia génica, se investiga la
posibilidad de inyectar DNA modificado directamente en los tejidos. Por ejemplo,
las células musculares son capaces de captar DNA “desnudo” y retenerlo por largos
periodos. Otro método consiste en explotar la actividad de enzimas naturales que
reparan DNA dañado o intercambian segmentos de DNA como parte del proceso
de recombinación genética normal, a fin de corregir defectos génicos en las células
en las que se presentan.

REPASO DE CONCEPTOS
• Resuma los pasos de la secuenciación de DNA didesoxi. ¿Cómo difiere la

pirosecuenciación del método didesoxi?
• Describa la reacción en cadena de la polimerasa (RCP). ¿Por qué la RCP es un

paso en la identificación de DNA individual?
• ¿Por qué las endonucleasas de restricción son útiles para construir DNA

recombinante?
• ¿Cómo es posible identificar por selección o detección las células que contienen

moléculas de DNA recombinante?
• Describa el modo en que un gen clonado puede usarse para producir una

proteína modificada, para generar un organismo transgénico o para curar una
enfermedad.

3-3. Genómica | 81

RESUMEN

3-1. El DNA es el material genético 3-4. Herramientas y técnicas: manipulación del DNA

• El material genético de todos los organismos consta de DNA, • La secuencia de nucleótidos en un segmento de DNA co-
un polímero de nucleótidos. Un nucleótido contiene una múnmente se determina por el método didesoxi, en el cual
base purina o pirimidina unida a un grupo ribosa (en RNA) se sintetizan copias complementarias marcadas de una ca-
o un grupo desoxirribosa (en DNA) que también porta uno o dena de DNA. La presencia de didesoxinucleótidos, que no
más grupos fosfato. pueden participar en una síntesis ulterior, genera un con-
junto de fragmentos de diferentes longitudes que se separan
• El DNA contiene dos cadenas helicoidales antiparalelas de y analizan para deducir la secuencia de la cadena plantilla
nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Cada base se original.
aparea con una base complementaria en la cadena opuesta:
A con T y G con C. La estructura del RNA, que es mono- • Es posible obtener grandes cantidades de un segmento de
catenaria y contiene U en vez de T, es más variable. DNA específico por medio de la reacción en cadena de la
polimerasa, en la cual una DNA polimerasa hace copias
• Las estructuras de ácidos nucleicos son estabilizadas prin- complementarias de un segmento seleccionado de DNA.
cipalmente a través de interacciones por apilamiento entre
bases. Las cadenas separadas de DNA pueden volver a unirse. • Las moléculas de DNA pueden fragmentarse de manera
reproducible por medio de enzimas de restricción, que es-
3-2. Los genes codifican proteínas cinden el DNA en secuencias específicas.

• El dogma central resume el modo en que las secuencia de • Los fragmentos de DNA pueden unirse entre sí para gene-
nucleótidos en el DNA se transcribe en RNA, que entonces rar moléculas de DNA recombinante que entonces se clo-
se transcribe en proteína conforme al código genético. nan (copian) en células hospedero.

• La secuencia de nucleótidos en un segmento de DNA • Un gen clonado puede manipularse de modo que sea posi-
puede revelar mutaciones que causan enfermedad. ble generar grandes cantidades de su producto proteínico.
La secuencia del gen puede modificarse primero mediante
3-3. Genómica mutagénesis dirigida al sitio.

• Los genomas contienen cantidades variables de DNA re- • Es posible introducir genes en hospedero ajenos para pro-
petitivo y otras formas de DNA no codificador además de ducir organismos transgénicos. En la terapia génica, se intro-
genes, que se identifican por sus características de secuencia duce un gen normal para curar una enfermedad genética.
o semejanza con otros genes.

• Las variaciones genéticas pueden vincularse con enferme-
dades del ser humano, incluso cuando no se han identifi-
cado genes específicos de enfermedad.

GLOSARIO

Ácido nucleico DNA A Extremos romos
Alelo DNA altamente repetitivo Fibrosis quística (FQ)
Antiparalelo DNA B Fragmento de restricción
Bacteriófago DNA ligasa Gen
Base DNA marcador Gen huérfano
Cadena codificadora DNA moderadamente repetitivo Genes homólogos
Cadena no codificadora Electroforesis Genoma
Clon Elemento transponible Genómica
Código genético Empalme Haploide
Codón Endonucleasa Hibridación
Cromosoma Endonucleasa de restricción Identificación de DNA individual
ddNTP Enlace fosfodiéster Interacciones por apilamiento
Desnaturalización Esqueleto de fosfato-azúcar kb
Desoxinucleótido Exonucleasa Locus
Detección de azul y blanco Expresión génica Mapa genómico
Digerido de restricción Extremo 3´ Marco de lectura abierto (MLA)
Diploide Extremo 5´ Micromatriz (chip de DNA)
DNA (ácido desoxirribonucleico) Extremos adhesivos Mutación

82 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

Mutagénesis dirigida al sitio Polinucleótido Secuenciación de DNA didesoxi
nNTP Primer Selección
Nucleasa Proteoma Sonda
Nucleósido Proteómica Surco mayor
Nucleótido Purina Surco menor
Oligonucleótido Reacción en cadena de la Tecnología de DNA recombinante
Organismo transgénico Temperatura de fusión (Tm)
Palíndromo polimerasa (RCP) Terapia génica
Par de bases Renaturalización Traducción
pb Replicación Transcripción
Pirimidina Residuo Transcriptoma
Pirosecuenciación Ribosoma Transcriptómica
Plásmido RNA (ácido ribonucleico) Transferencia génica horizontal
Polimerasa RNA de transferencia (tRNA) Vector de clonación
RNA mensajero (mRNA) Vitamina
Polimorfismo de un solo RNA ribosómico (rRNA)
nucleótido (PSN)

PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 2 Aprenda a usar el sistema Entrez para recuperar la secuencia del gen correspondiente
a una proteína específica y para buscar secuencias similares en diferentes genes o en
Secuencias de nucleótidos diferentes organismos.

PROBLEMAS por una cápside (cubierta) de proteína. Hershey y Chase marcaron
primero los bacteriófagos con los isótopos radiactivos 35S y 32P.
3-1. El DNA es el material genético Dado que las proteínas contienen azufre pero no fósforo, y el DNA
contiene fósforo pero no azufre, cada tipo de molécula se marcó por
1. La identificación del DNA como el material genético comenzó separado. Se permitió que los bacteriófagos radiomarcados infecta-
con el experimento de “transformación” de Griffith en 1928. Griffith ran bacterias, y luego se aplicó un tratamiento para separar las cáp-
trabajaba con Pneumococcus, una bacteria encapsulada que causa la sides vacías (“fantasmas”) de las células bacterianas. Se observó que
neumonía. El neumococo de tipo silvestre forma colonias lisas cuan- los fantasmas contenían la mayor parte de la marca de 35S, mientras
do se cultiva en agar, y es letal para los ratones a los que se inyecta. que 30% del 32P se encontró en los nuevos bacteriófagos producidos
Un neumococo mutante que carece de las enzimas necesarias para por las células infectadas. ¿Qué revela este experimento acerca de las
sintetizar la cápsula de polisacárido (necesaria para la virulencia) for- funciones de DNA y proteína del bacteriófago?
ma colonias rugosas cuando se cultiva en agar y no causa la muerte
de los ratones a los que se inyecta. Griffith observó que la cepa de 4. En febrero de 1953 (dos meses antes de que Watson y Crick
neumococo de tipo silvestre tratada con calor no era letal para los publicaran su documento en que describían el DNA como una do-
ratones a los que se inyectaba debido a que el tratamiento térmico ble hélice), Linus Pauling y Robert Corey publicaron un documento
destruía la cápsula de polisacárido. Sin embargo, si Griffith mezcla- en el cual proponían que el DNA adoptaba una estructura de triple
ba Pneumococcus de tipo silvestre tratado con calor y la cepa mutan- hélice. En su modelo, las tres cadenas estaban fuertemente apretadas
te no encapsulada e inyectaba la mezcla, los ratones morían. Y aún entre sí. Los grupos fosfato residían en el interior de la triple hélice,
más sorprendente fue el hecho de que en la autopsia de los ratones mientras que las bases nitrogenadas estaban en el exterior. Propusieron
Griffith encontró neumococos encapsulados vivos en los tejidos. Griffith que la triple hélice era estabilizada por enlaces de hidrógeno entre
concluyó que el neumococo mutante se había “transformado” en la los grupos fosfato internos. ¿Cuáles son las fallas de este modelo?
variedad patógena, pero no pudo explicar por qué. Utilizando su
conocimiento actual del modo en que funciona el DNA, explique 5. Describa la diferencia química entre uracilo y timina.
cómo se transformó el neumococo mutante.
6. A) Localice la base y el monosacárido en cada residuo del dinu-
2. En 1944 Avery, MacLeod y McCarty se dieron a la tarea de cleótido NAD y el dinucleótido FAD (figura 3-4).
identificar el agente químico capaz de transformar Pneumococcus no
encapsulado mutante en una forma encapsulada letal. Aislaron una B) ¿Qué tipo de enlace une los dos nucleótidos?
sustancia viscosa con las propiedades químicas y físicas del DNA y C) ¿En qué difieren los grupos adenosina de FAD y CoA?
demostraron que era capaz de inducir la transformación. Ésta inclu- (Figura 3-4).
so podía ocurrir si se agregaban proteasas (enzimas que degradan
proteínas) o ribonucleasas (enzimas que degradan RNA) antes del 7. Trace un (ribo)dinucleótido CA y señale el enlace fosfodiéster.
experimento. ¿Qué indicaron estos tratamientos a los investigadores ¿Cómo diferiría la estructura si se tratara de DNA?
acerca de la identidad molecular del factor transformante?
8. Muchas vías de señalización celular implican la conversión de
3. En 1952, Alfred Hershey y Martha Chase realizaron experi- ATP en AMP cíclico, en el cual un mismo grupo fosfato se esterifica
mentos con bacteriófagos, que consisten en ácido nucleico rodeado a C3´ y C5´. Trace la estructura del AMP cíclico.

Problemas | 83

9. Explique la base estructural de la observación de Chargaff de 3-2. Los genes codifican proteínas
que el DNA contiene el mismo número de residuos adenina y timi-
na y el mismo número de residuos citosina y guanina. ¿Se cumple 21. Discuta las deficiencias de las siguientes definiciones de gen:
esta regla para el RNA? A) Un gen es la información que determina una característica
heredada, como el color de una flor.
10. Un organismo diploide con genoma haploide de 30 000 kb B) Un gen es un segmento de DNA que codifica una proteína.
contiene 19% de residuos T. Calcule el número de residuos A, C, G C) Un gen es un segmento de DNA que se transcribe en todas
y T en el DNA de cada célula de este organismo. las células.

11. Identifique el par de bases resaltado en verde en la figura 3-8. 22. La naturaleza semiconservativa de la duplicación del DNA
(como se muestra en la figura 3-11) fue propuesta por Watson y
12. El derivado de la adenina llamado hipoxantina puede experi- Crick en 1953, pero no se verificó de manera experimental sino has-
mentar pareamiento de bases con citosina, adenina y uracilo. Mues- ta 1958. Meselson y Stahl cultivaron bacterias en una fuente de “ni-
tra las estructuras de esos pares de bases. trógeno pesado” (cloruro de amonio con el isótopo 15N) por muchas
generaciones, de modo que virtualmente cada átomo de nitrógeno
N en el DNA bacteriano era el isótopo 15N. Esto dio por resultado DNA
O NH más denso de lo normal. La fuente de alimento se cambió de mane-
ra abrupta a una que sólo contenía 14N. Se cosecharon las bacterias,
N N y el DNA se aisló por centrifugación en gradiente de densidad.
H
A) ¿Cuál es la densidad del DNA de la primera generación de
Hipoxantina moléculas de DNA hijas? Explique.
B) ¿Cuál es la densidad del DNA aislado luego de dos generacio-
13. Explique si el siguiente enunciado es verdadero o falso: Dado nes? Explique.
que un par de bases GC es estabilizado por tres enlaces de hidróge-
no, mientras que un par de bases AT es estabilizado por sólo dos 23. Se muestra un segmento de la cadena codificadora de un gen.
enlaces, el DNA rico en GC es más difícil de fundir que el DNA rico
en AT. ACACCATGGTGCATCTGACT

14. Los enlaces de hidrógeno no hacen una contribución signifi- A) Escriba la secuencia de la cadena complementaria que la
cativa a la estabilidad global de la molécula de DNA. Explique. DNA polimerasa formaría.
B) Escriba la secuencia del mRNA que la RNA polimerasa pro-
15. Trace las curvas de fusión que se obtendrían para el DNA de duciría a partir del segmento génico.
Dyctiostelium discoideum y Streptomyces albus (cuadro 3-2).
24. En teoría ¿cuántos aminoácidos distintos podrían codificarse
16. Utilizando el cuadro 3-2 como guía, estime la temperatura de a partir de ácidos nucleicos que contienen cuatro nucleótidos distin-
fusión del DNA de un organismo cuyo genoma contiene cantidades tos si A) cada nucleótido codificara un aminoácido; B) secuencias
iguales de los cuarto nucleótidos. consecutivas de dos nucleótidos codificaran un aminoácido; C) se-
cuencias consecutivas de tres nucleótidos codificaran un aminoáci-
17. ¿Qué encontraría al comparar el contenido de GC del DNA do; D) secuencias consecutivas de cuatro nucleótidos codificaran un
de Thermus aquaticus o de Pyrococcus furiosus y el DNA de bacterias aminoácido?
halladas en un charco urbano típico?
25. Se muestra una porción de la secuencia nucleotídica de la ca-
18. Explique por qué la temperatura de fusión de una muestra de dena codificadora del DNA del gen para la ovalbúmina del huevo de
DNA aumenta cuando la concentración de Na+ se eleva. gallina. ¿Cuál es la secuencia parcial de aminoácidos de la proteína
codificada?
19. Usted tiene un segmento corto de RNA sintético que desea
usar como sonda para identificar un gen en una muestra de DNA. La CTCAGAGTTCACCATGGGCTCCATCGGTGCAGCAAG-
sonda de RNA tiende a hibridarse con secuencias que son sólo débil- CATGGAA-(1104 bp)-UUCUUUGGCAGAUGUGUUUCCC-
mente complementarias. ¿Debe aumentar o disminuir la temperatura
para mejorar sus oportunidades de marcar la secuencia correcta? CUUAAAAAGAA

20. El DNA eucariótico se empaca con histonas, pequeñas proteínas 26. Ocurre una mutación cuando se produce un cambio de base
con alto contenido de lisina y arginina. ¿Por qué las histonas tienen en la secuencia de DNA. Algunos cambios de bases no inducen cam-
alta afinidad por el DNA? bios en la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante. Expli-
que por qué.
O O
27. ¿Es posible que el mismo segmento de DNA codifique dos
HN CH C NH CH C proteínas distintas? Explique.

CH2 CH2 28. Se investiga un tipo de terapia génica llamada interferencia de
CH2 CH2 RNA (iRNA) para el tratamiento de la enfermedad de Huntington,
CH2 CH2 la cual resulta de una mutación en el DNA que lleva a la síntesis de
CH2 NH una proteína del sistema nervioso con secuencia de aminoácidos al-
NHϩ3 C NH2ϩ terada. La proteína mutante forma cúmulos, que causan defectos del
NH2 sistema nervioso. A fin de tratar esta enfermedad, los científicos sin-
Lisina tetizan secuencias cortas de RNA (siRNA, o RNA de interferencia
Arginina pequeño) que forman pares de bases con el mRNA que codifica la
proteína mutante.

A) Diseñe siRNA que interfiera en la síntesis de la proteína que
se muestra en el problema 25.

84 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

B) Explique el modo en que la adición del siRNA impedirá la con una exonucleasa que actúa sólo en polinucleótidos monocatena-
síntesis de la proteína. rios. ¿Cuáles mononucleótidos estarán presentes en la mezcla de re-
C) ¿Cuáles son las dificultades que se deben vencer a fin de que acción?
la interferencia de RNA sea una técnica eficaz para tratar la
enfermedad? TGCTTAGCCGGAACGA

3-3. Genómica ACGAATCGGCCTTGCT

29. El genoma de la bacteria Carsonella rudii contiene 159 kb de 39. ¿Cuál es más probable que reciba el nombre de “cortadora
DNA con 182 MLA. ¿Qué puede concluir acerca del hábitat o el extraña”: una enzima de restricción con una secuencia de reconoci-
modo de vida de esta bacteria? miento de cuatro bases o una enzima de restricción con una secuen-
cia de reconocimiento de ocho bases?
30. En teoría, ambas cadenas de DNA pueden codificar proteí-
nas; esto es, los genes pueden superponerse. Proponga una explica- 40. Se emplean enzimas de restricción para construir mapas de
ción para el hecho de que los genes superpuestos se observan más a restricción de DNA. Se trata de diagramas de moléculas de DNA
menudo en procariotes que en eucariotes. específicas que muestran los sitios en que las enzimas de restricción
escinden el DNA. Para construir un mapa de restricción, muestras
31. Durante muchos años, los biólogos y otros han sostenido que purificadas del DNA se tratan con enzimas de restricción, ya sea
humanos y chimpancés son 98% idénticos con respecto al DNA. solas o combinadas, y luego los productos de reacción se separan
Tanto el genoma humano como el del chimpancé que son aproxi- mediante electroforesis en gel de agarosa, una técnica que separa los
madamente del mismo tamaño se han secuenciado, y los datos reve- fragmentos de DNA por su tamaño. (Los fragmentos más pequeños
lan de manera aproximada 35 millones de diferencias de nucleótidos viajan con mayor rapidez y se encuentran cerca del extremo inferior
entre ambas especies. ¿Cómo se compara este número con la afirma- del gel, mientras que los fragmentos más grandes se encuentran cer-
ción original? ca de la parte superior).

32. Cuando se secuenciaron los genomas de diversos organismos, Testigo EcoRI Pst I Eco RI
los biólogos esperaban que el contenido de DNA (el valor C) guar- +
dara correlación positiva con la complejidad de los organismos. Pero
no se demostró tal correlación. De hecho, algunos anfibios tienen Pst I
contenido de DNA similar al del humano. La paradoja del valor C
se refiere a esta desconcertante falta de correlación entre el contenido 20 kb
de DNA y la complejidad de los organismos. ¿Qué preguntas nece-
sitan plantearse los biólogos en su intento de resolver tal paradoja? 15 kb

3-4. Herramientas y técnicas: manipulación 11 kb
del DNA
9 kb
33. El primer usado para secuenciar un segmento de DNA clona- 8 kb
do con frecuencia incluye la secuencia de reconocimiento para una 7 kb
endonucleasa de restricción. Explique.
3 kb
34. En ocasiones se usan DNA polimerasas termoestables para la 2 kb
secuenciación didesoxi a altas temperaturas, en especial cuando el
DNA plantilla presenta un alto contenido de G + C. Explique. Utilice los resultados de la separación por electroforesis en gel
de agarosa (en la figura) a fin de construir un mapa de restric-
35. ¿Podría realizar la RCP con una DNA polimerasa ordinaria, ción para la muestra de DNA.
esto es, una que se destruye a temperaturas elevadas? ¿Qué modifica-
ciones haría al protocolo de la RCP? 41. La búsqueda de un gen a veces comienza con una biblioteca
de DNA, que es un conjunto de fragmentos de DNA clonados que
36. Examine la secuencia de la proteína en la solución 25. Supon- representan todas las secuencias en el genoma de un organismo. Si
ga que no se conoce la secuencia del DNA correspondiente. Utili- usted fuera a construir una biblioteca del DNA humano a fin de
zando como guía la secuencia de aminoácidos, diseñe un par de buscar genes nuevos ¿elegiría clonar los fragmentos de DNA en plás-
primers didesoxinucleotídicos de nueve bases que pudieran usarse midos o en cromosomas artificiales de levadura? Explique.
para la amplificación por RCP de la porción codificadora de proteí-
na del gen. (La DNA polimerasa puede extender un primers sólo 42. Un investigador que trata de identificar el gen que codifica una
desde su extremo 3´). ¿Entre cuántos pares distintos de primers po- proteína conocida podría comenzar observando en detalle la secuencia
dría elegir? de la proteína a fin de diseñar una sonda de oligonucleótido mono-
catenario que se hibridara con el DNA del gen. ¿Por qué el investi-
37. ¿Cuáles enzimas de restricción del cuadro 3-5 generan extre- gador se concentraría en un segmento de la proteína que contuviera
mos adhesivos? ¿Y extremos romos? un residuo metionina (Met) o triptófano (Trp)? (cuadro 3-3).

38. Una muestra del segmento de DNA que se muestra se trata
con la enzima de restricción MspI. Después, la muestra se incuba

Problemas | 85

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Altshuler D, Daly MJ, Lander ES: Genetic mapping in hu- cribe de manera breve algunas nuevas adiciones a un conjunto
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modo en que esta información puede usarse para comprender la
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Galperin MY, Cochran GR: Nucleic Acids Research annual y las deficiencias de la idea de que los ácidos nucleicos contienen
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Collection in 2009, Nucleic Acids Res. 2009;37, D1–D4. [Des-

86 | CAPÍTULO 3 De los genes a las proteínas

ESTRUCTURA DE LAS capítulo
PROTEÍNAS
4

Algunos virus tienen una estructura a manera de cola que termina
en una punta proteínica la cual perfora las membranas celulares
del hospedero para que el DNA viral ingrese en la célula. La
estructura inusual de la punta, llamada hélice β, sólo se presenta
en algunas proteínas. La mayoría de las proteínas contienen una
variedad de estructuras regulares e irregulares que les dan sus
formas únicas.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

LLa mayor parte de la información genética de un organismo dirige la síntesis de
proteínas, que son las moléculas que realizan todo el trabajo metabólico del or-
ganismo. En este capítulo se consideran primero las propiedades químicas de los
aminoácidos que constituyen las proteínas. Después se analiza el modo en que se
pliega el esqueleto de las proteínas, seguido del proceso en que el esqueleto y las
cadenas laterales asumen una forma tridimensional única estabilizada por fuerzas
no covalentes, incluido el efecto hidrófobo. En la sección Herramientas y técnicas se
examinan algunos procedimientos para purificar y secuenciar proteínas y determinar
su estructura tridimensional. Es necesario comprender la estructura de las proteínas
para entender sus funciones, éstas se tratan en los capítulos 5 y 6. ■

| 87

Las proteínas son las herramientas de la célula. Dan estabilidad estructural y consti-
tuyen motores para el movimiento; son la maquinaria molecular para capturar ener-
gía libre y emplearla en la realización de otras actividades metabólicas; participan en
la expresión de la información genética; y median la comunicación entre la célula y
su ambiente. Las proteínas que realizan diversas actividades tienen varios tamaños y
formas (figura 4-1).

Plastocianina (de álamo) Transporta
electrones como parte del aparato
para convertir energía lumínica

en energía química (véase sección 16-2)

DNA polimerasa (fragmento de Klenow de E. coli)
Sintetiza una nueva cadena de DNA usando

una cadena de DNA existente como plantilla (véase sección 20-2)

Insulina (porcina) Liberada del páncreas para
señalizar la disponibilidad del combustible
metabólico glucosa (véase sección 19-2)

Maltoporina (de E. coli) Permite a los Fosfoglicerato cinasa (de levadura)
azúcares cruzar la membrana celular Cataliza una de las reacciones centrales
en el metabolismo (véase sección 13-1)
bacteriana (véase sección 9-2)

Figura 4-1. Galería de estructuras proteínicas. Todos estos modelos de espacio
lleno se muestran aproximadamente a la misma escala. En proteínas que consisten en
más de una cadena de aminoácidos, las cadenas se muestran en tonos diferentes. (Estructura

de la insulina (pdb 1ZNI) determinada por M.G.W. Turkenburg, J.L. Whittingham, G.G. Dodson, E.J.

Dodson, B. Xiao y G.A. Bentley; estructura de la maltoporina (pdb 1MPM) determinada por R. Dutzler

y T. Schirmer; estructura de la fosfoglicerato cinasa (pdb 3PGK) determinada por P.J. Shaw, N.P. Walker y

H.C. Watson; estructura de la DNA polimerasa (pdb 1KFS) determinada por C.A. Brautigan y T.A. Steitz;

y estructura de la plastocianina (pdb 1PND) determinada por B.A. Fields, J.M. Guss y H.C. Freeman).

88 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

La esencia de su función biológica es su interacción con otras moléculas, incluidas
otras proteínas. Algunas actúan de manera independiente, mientras que otras for-
man grandes agregados. A fin de explicar cómo funcionan estas proteínas, se inves-
tigará su constitución molecular, desde los aminoácidos constituyentes hasta las
fuerzas que determinan sus formas tridimensionales.

4-1. Las proteínas son cadenas de aminoácidos

Una proteína es una molécula biológica que consta de uno o más polipéptidos, o CONCEPTOS CLAVE
cadenas de aminoácidos polimerizados. Una célula puede contener docenas de distin- • Los 20 aminoácidos difieren en
tos aminoácidos, pero sólo 20 de ellos –los aminoácidos “estándar”– suelen encon-
trarse en las proteínas. Como se mencionó en la sección 1-2, un aminoácido es una las características químicas de sus
(m–oClOécOula–),paesqíuceoñmaoquune acocandtieennaelautneraglrudpeoesatmruicntour(a–vNarHia3b+l)e,ylluanmagdruapgorucparobRox:ilato grupos R.
• Los aminoácidos están unidos
COOϪ entre sí por enlaces peptídicos para
formar un polipéptido.
HCR • La estructura de una proteína
puede describirse en cuatro
NH3ϩ niveles, del primario al cuaternario.

Debe hacerse notar que a pH fisiológico, el grupo carboxilo está desprotonado y el
grupo amino está protonado, de modo que un aminoácido aislado porta tanto carga
negativa como positiva.

Los 20 aminoácidos tienen diferentes propiedades
químicas

La identidad de los grupos R distingue los 20 aminoácidos estándar. Los grupos R
pueden clasificarse por sus características químicas generales como hidrófobos, po-
lares o con carga, como se muestra en la figura 4-2, que también incluye los códigos
de un y 3 letras para cada aminoácido. Estos compuestos reciben el nombre formal
de α-aminoácidos porque los grupos amino y carboxilato (ácido) están unidos a
un átomo de carbono central conocido como carbono α (que se abrevia Cα). Hay
dos posibles disposiciones para los sustituyentes en el Cα, pero una predomina en
los sistemas biológicos (recuadro 4-A).

Es recomendable familiarizarse con las estructuras de los aminoácidos estándar,
dado que en última instancia sus cadenas laterales ayudan a determinar la forma
tridimensional de la proteína así como su reactividad química.

Aminoácidos hidrófobos

Como su nombre lo indica, los aminoácidos hidrófobos tienen cadenas laterales
esencialmente no polares que interactúan de manera muy débil o no lo hacen con el
agua. Es claro que las cadenas laterales alifáticas (parecidas a hidrocarburos) de ala-
nina (Ala), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile) y fenilalanina (Phe) corres-
ponden a este grupo. Aunque metionina (Met, con un átomo de S) y triptófano
(Trp, con un grupo NH) incluyen átomos capaces de formar enlaces de hidrógeno,
el grueso de sus cadenas laterales son no polares. La prolina (Pro) es única entre los
aminoácidos porque su cadena lateral alifática también está unida de manera cova-
lente a su grupo amino.

En las proteínas, los aminoácidos hidrófobos casi siempre se localizan en el inte-
rior de la molécula, entre otros grupos hidrófobos, donde no interactúan con agua.
Y dado que carecen de grupos funcionales reactivos, las cadenas laterales hidrófobas
rara vez participan en la mediación de reacciones químicas.

Aminoácidos polares

Las cadenas laterales de los aminoácidos polares pueden interactuar con agua porque
contienen grupos formadores de enlaces de hidrógeno. Serina (Ser), treonina (Thr) y
tirosina (Tyr) tienen grupos hidroxilo; la cisteína (Cys) tiene un grupo tiol; y aspara-

4-1 Las proteínas son cadenas de aminoácidos | 89

90 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas Aminoácidos hidrófobos COOϪ CH3
COOϪ COOϪ COOϪ

H C CH3 HC CH H C CH2 H C CH2
NHϩ3 NH3ϩ CH3 NHϩ3
NHϩ3 N
H

Alanina (Ala, A) Valina (Val, V) Fenilalanina (Phe, F) Triptófano (Trp, W)

COOϪ CH3 COOϪ CH3 COOϪ COOϪ
CH H C CH2 CH2 S CH3
H C CH2 CH3 HC CH CH2 CH3 H C CH2
NHϩ3 NHϩ3 NH3ϩ CH2
H2Nϩ CH2
Metionina (Met, M)
Leucina (Leu, L) Isoleucina (Ile, I) Prolina (Pro, P)

Aminoácidos polares COOϪ CH3 COOϪ COOϪ

COOϪ HC CH OH H C CH2 OH H C CH2 SH
NH3ϩ
H C CH2 OH NH3ϩ NHϩ3
NH3ϩ Cisteína (Cys, C)
Treonina (Thr, T) Tirosina (Tyr, Y)
Serina (Ser, S) COOϪ
COOϪ O COOϪ
COOϪ O H C CH2 HCH
NH3ϩ
H C CH2 C NH2 H C CH2 CH2 C NH2 NH3ϩ N
NH3ϩ NHϩ3 OϪ N Glicina (Gly, G)
H
Glutamina (Gln, Q)
Asparagina (Asn, N) Histidina (His, H)

Aminoácidos con carga

COOϪ O COOϪ O COOϪ COOϪ NH2

H C CH2 C OϪ H C CH2 CH2 C H C CH2 CH2 CH2 CH2 NH3ϩ H C CH2 CH2 CH2 NH C NHϩ2

NHϩ3 NHϩ3 NH3ϩ NH3ϩ

Aspartato (Asp, D) Glutamato (Glu, E) Lisina (Lys, K) Arginina (Arg, R)

Figura 4-2. Estructuras y abreviaturas de los 20 aminoácidos estándar. Los aminoácidos pueden clasificarse conforme a las propiedades químicas de sus grupos R como
hidrófobos, polares o con carga. Se resalta en color la cadena lateral (grupo R) de cada aminoácido. El código de tres letras consiste en las tres primeras letras del nombre del
aminoácido con algunas excepciones. El código de una letra se estableció como sigue: si sólo un aminoácido comienza con una letra dada, se usa esa letra: C = cisteína, H =
histidina, I = isoleucina, M = metionina, S = serina y V = valina. Si más de un aminoácido comienza con una letra dada, la letra se asigna al aminoácido más abundante: A =
alanina, G = glicina, L = leucina, P = prolina y T = treonina. La mayoría del resto se basan en la fonética del nombre del aminoácido en inglés: D = aspartato, F = fenilalanina,
N = asparagina, R = arginina, W = triptófano y Y = tirosina. El resto se asignan como sigue: E = glutamato (cerca de D, aspartato), K = lisina y Q = glutamina (cerca de N,
asparagina). Los átomos de carbono de los aminoácidos algunas veces se identifican con letras griegas, comenzando con Cα, el carbono al cual se une el grupo R. Así, el
glutamato tiene un grupo γ-carboxilato, y la lisina tiene un grupo ε-amino.

RECUADRO 4-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Quiralidad en la naturaleza

De los 20 aminoácidos estándar, 19 son moléculas asimétricas, o sedante talidomida, que era una mezcla de formas derecha e
quirales. La quiralidad (del griego keir, “mano), resulta de la izquierda. La forma activa del fármaco tiene la estructura que sigue.
asimetría del carbono ␣. Los cuatro distintos sustituyentes de Cα
pueden disponerse de dos maneras. Para la alanina, un aminoácido H O
pequeño con un grupo R metilo, las posibilidades son N HO

O C

COOϪ COOϪ N

H3Nϩ C␣ H H C␣ NHϩ3 O

CH3 CH3 Talidomida

El estudiante puede usar un estuche común de construcción de Por desgracia su imagen especular, que también estaba presente,
modelos para convencerse de que las dos estructuras no son causó graves defectos en el feto.
idénticas. Son imágenes especulares no superponibles, como las
manos derecha e izquierda. La capacidad de un organismo de distinguir moléculas quirales
se debe a quiralidad de sus constituyentes moleculares: proteínas
Los aminoácidos presentes en las proteínas tienen todos la forma que sólo contienen aminoácidos l, polinucleótidos que se enrollan
de la izquierda. Por razones históricas, éstos se designan l-aminoácidos en una hélice derecha (véase figura 3-5), entre otros. Pero si los
(del griego levo, “izquierdo”). Sus imágenes especulares, que rara vez pares de moléculas quirales son indistinguibles por medios
se encuentran en las proteínas, son los aminoácidos d (de dextro, “de- químicos, ¿cómo se originó quiralidad en sistemas biológicos?
recho”). Las designaciones l y d se usaron originalmente para indicar
que algunos compuestos modelo con configuraciones similares Algunos estudios sugieren que las condiciones en la Tierra
rotaban la luz polarizada a la izquierda y a la derecha, en ese orden. primitiva pudieron haber tenido un ligero efecto estabilizador en
Sin embargo, para otros compuestos la designación l o d no indica los aminoácidos l respecto a los d. Pero ningún fenómeno
en cuál sentido se hace girar la luz. puramente físico puede explicar la polimerización exclusiva de
l-aminoácidos en las proteínas. Una explicación más probable es
Las moléculas relacionadas por simetría especular, como las dos que, por azar, la selección natural favoreció un polímero autodupli-
formas de la alanina ilustradas, son indistinguibles por medios cante de l-aminoácidos. Esto pudo haber ocurrido si el polímero
físicos y por lo común existen en cantidades iguales en los servía como plantilla quiral que permitía el ensamblaje de un
preparados sintéticos. Sin embargo, las dos formas se comportan nuevo polímero que contenía aminoácidos l pero no d. Con el
de manera distinta en los sistemas biológicos, que de manera tiempo, todos los polímeros l predominaron. En sistemas
inherente son quirales. Esta lección fue aprendida en 1960 cuando a experimentales con moléculas sintéticas autoduplicantes, los
mujeres embarazadas con malestar matutino se les prescribió el polímeros quirales surgen y se perpetúan incluso en un ambiente
en que los monómeros d y l se encuentran en cantidades iguales.

gina (Asn) y glutamina (Gln) tienen grupos amida. Estos aminoácidos, junto con
histidina (His, que porta un anillo imidazol, polar), pueden encontrarse en la superfi-
cie expuesta al solvente de una proteína, aunque también se encuentran al interior de
ésta, siempre que sus requerimientos de enlaces de hidrógeno sean satisfechos por su
proximidad con otros grupos donadores o aceptores de enlaces de hidrógeno. La gli-
cina (Gly), cuya cadena lateral consta de sólo un átomo de H, no puede formar enlaces
de hidrógeno, pero se incluye con los aminoácidos polares porque no es hidrófoba ni
tiene carga.

Dependiendo de la presencia de grupos cercanos que incrementen su polaridad,
algunas de las cadenas laterales polares pueden ionizarse a valores de pH fisiológico.
Por ejemplo, la forma neutra (básica) de la His puede aceptar un protón para formar
un ion imidazolio (ácido):

COOϪ Hϩ COOϪ NHϩ
HC CH2 N

HC CH2

NH3ϩ N Hϩ NHϩ3 N
H H

Base Ácido

4-1 Las proteínas son cadenas de aminoácidos | 91

Como se verá, la capacidad de la His de actuar como ácido o como base le da gran
versatilidad para catalizar reacciones químicas.

De modo similar, el grupo tiol de Cys puede desprotonarse, de lo que resulta un
anión tiolato:

COOϪ Hϩ COOϪ

HC CH2 SH HC CH2 SϪ
NHϩ3 Hϩ NHϩ3

En ocasiones, el grupo tiol de la cisteína experimenta oxidación con otro grupo tiol,
por ejemplo otra cadena lateral de Cys, para formar un enlace disulfuro:

COOϪ COOϪ

HC CH2 S S CH2 CH
NHϩ3 NHϩ3

Enlace disulfuro

En casos raros, los grupos hidroxilo débilmente ácidos de Ser, The y Tyr se ionizan a
grupos hidróxido capaces de actuar como bases fuertes en reacciones químicas.

Aminoácidos con carga

Cuatro aminoácidos tienen cadenas laterales que siempre están cargadas en condi-
ciones fisiológicas. Aspartato (Asp) y glutamato (Glu), que portan grupos carboxi-
lato, tienen carga negativa. Lisina (Lys) y arginina (Arg) tienen carga positiva. Las
cadenas laterales de estos cuatro aminoácidos suelen situarse en la superficie de la
proteína, donde los grupos con carga pueden rodearse de moléculas de agua o inte-
ractuar con otras sustancias polares o iónicas.

Los enlaces peptídicos unen aminoácidos en las
proteínas

La polimerización de aminoácidos para formar una cadena polipeptídica implica la
condensación del grupo carboxilato de un aminoácido con el grupo amino de otro
(una reacción de condensación es aquella en la cual se elimina una molécula de agua:

R1 O H R2 O

ϩ ϩ

H3N C C ϩHNC C

H OϪ H H OϪ

H2O

R1 O R2 O

ϩ

H3N C C N C C

H H H OϪ

Enlace peptídico

El enlace amida resultante entre los dos aminoácidos se denomina enlace peptídico.
Las porciones que quedan de los aminoácidos se llaman residuos aminoácido. En
una célula, la formación de enlaces peptídicos ocurre en varios pasos en los que par-
ticipan el ribosoma, RNA adicional y factores proteínicos (véase sección 22-3). Los
enlaces peptídicos pueden romperse, o hidrolizarse, por la acción de exopeptidasas
o endopeptidasas (enzimas que actúan desde el extremo o la parte media de la ca-
dena, respectivamente).

92 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

Por convención, una cadena de residuos aminoácido unida por enlaces peptídicos
se escribe o traza de modo que el residuo con un grupo amino libre esté a la izquier-
da (extremo N terminal), y el residuo con un grupo carboxilato libre está a la dere-
cha (extremo C terminal):

R1 O R2 O R3 O R4 O

Extremo N terminal ϩ CH C N CH C N CH C N CH C OϪ Extremo C terminal

H3N

HHH

Residuo 1 Residuo 2 Residuo 3 Residuo 4

Obsérvese que, excepto por los dos grupos terminales, los grupos con carga amino y
carboxilato de cada aminoácido se eliminan al formar enlaces peptídicos. Por tanto, las
propiedades electrostáticas del polipéptido dependen principalmente de las identidades
de las cadenas laterales (grupos R) que se proyectan desde el esqueleto polipeptídico.

Los valores de pK de todos los grupos con carga y ionizables en los aminoácidos
se presentan en el cuadro 4-1 (recuérdese de la sección 2-3 que un valor de pK es una
medida de la tendencia de un grupo a ionizarse). Así, es posible calcular la carga neta
de una proteína a un pH dado (ejemplo de cálculo 4-1). En el mejor de los casos,
este valor es sólo una estimación, dado que las cadenas laterales de los aminoácidos
polimerizados no se comportan como lo harían en los aminoácidos libres. Esto se
debe a los efectos electrónicos del enlace peptídico y otros grupos funcionales que
pueden quedar en proximidad cuando la cadena polipeptídica se pliega en una for-
ma tridimensional. Las propiedades químicas de los vecinos inmediatos de una ca-
dena lateral, su microambiente, pueden modificar su polaridad, alterando su
tendencia a perder o aceptar un protón.

Las propiedades químicas y físicas de las proteínas dependen de sus compo-
nentes de aminoácidos, de modo que las proteínas exhiben distintos comporta-
mientos bajo condiciones de laboratorio dadas. Estas diferencias pueden
aprovecharse para purificar una proteína, esto es, aislarla de una mezcla que contiene
otras moléculas (sección 4-5).

CUADRO 4-1 | Valores de pK de grupos ionizables en polipéptidos

Groupoa pK

Extremo C terminal COOH 3.5
O

Asp CH2 C OH 3.9
O

Glu CH2 CH2 C OH 4.1
His CH2 NHϩ 6.0

Cys CH2 N 8.4
Extremo N terminal NHϩ3 H 9.0
SH

Tyr CH2 OH 10.5

Lys CH2 CH2 CH2 CH2 NHϩ3 10.5
CH2 CH2 NH NH2 12.5
Arg CH2 C NHϩ2

a El protón ionizable se indica en rojo.

4-1 Las proteínas son cadenas de aminoácidos | 93

EJEMPLO DE CÁLCULO 4-1 Estimar la carga neta de la cadena polipeptídica siguiente a pH fisiológico (7.4) y a
PROBLEMA pH 5.0.

SOLUCIÓN Ala–Arg–Val–His–Asp–Gln

El polipéptido contiene los siguientes grupos ionizables, cuyos valores de pK se dan
en el cuadro 4-1: extremo N terminal (pK = 9.0), Arg (pK = 12.5), His (pK = 6.0),
Asp (pK = 3.9), y extremo C terminal (pK = 3.5).
A pH 7.4, los grupos cuyos valores de pK son menores de 7.4 estarán en su mayor
parte desprotonados, y los grupos con valores de pK mayores de 7.4 estarán en su
mayor parte protonados. Así, el polipéptido tiene carga neta de 0:

Grupo Carga

Extremo N ϩ1
Arg ϩ1
His
Asp 0
Extremo C Ϫ1
Carga neta Ϫ1

0

A pH 5.0, es probable que His esté protonada, lo cual da al polipéptido una carga

neta de +1: Grupo Carga

Extremo N ϩ1
Arg ϩ1
His ϩ1
Asp Ϫ1
Extremo C Ϫ1
Carga neta ϩ1

La mayoría de los polipéptidos contienen entre 100 y 1 000 residuos aminoácido,
si bien algunas contienen miles de residuos (cuadro 4-2). Los polipéptidos menores
de unos 40 residuos a menudo reciben el nombre de oligopéptidos (del griego oligo
“poco”) o simplemente péptidos. Dado que existen 20 aminoácidos distintos que
pueden polimerizarse para formar polipéptidos, incluso péptidos de tamaño similar
pueden diferir mucho entre sí, dependiendo de su complemento de aminoácidos.

CUADRO 4-2 | Composición de algunas proteínas

Número de Número de Masa

residuos cadenas molecular

Proteína de aminoácido polipeptídicas (D)

Insulina (bovina) 51 2 5733
Rubredoxina (Piococcus) 53 1 5878
Mioglobina (humana) 153 1 17 053
Fosforilasa cinasa (de levadura) 416 1 44 552
Hemoglobina (humana) 574 4 61 972
Transcriptasa inversa (VIH) 986 2 114 097
Nitrito reductasa (Alcaligenes) 1 029 3 111 027
Proteína C reactiva (humana) 1 030 5 115 160
Piruvato descarboxilasa (de levadura) 1 112 2 121 600
Inmunoglobulina (murina) 1 316 4 145 228
Bisfosfato de ribulosa carboxilasa (de espinaca) 5 048 16 567 960
Glutamina sintetasa (Salmonella) 5 628 12 621 600
Fosfato de carbamino sintetasa (E. coli) 5 820 8 637 020

94 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

El potencial de variación de la secuencia es enorme. Para un polipéptido de tama-
ño modesto, de unos 100 residuos, existen 20100 o 1.27 ϫ 10130 secuencias de ami-
noácidos posibles. Es claro que esta cifra es inalcanzable en la naturaleza, toda vez
que sólo hay unos 1079 átomos en el universo, pero ilustra el tremendo potencial
estructural de las proteínas.

Dilucidar la secuencia de aminoácidos de una proteína puede ser un proceso re-
lativamente directo si se ha secuenciado el gen que codifica esa proteína (véase sec-
ción 3-3). En este caso, sólo hay que leer conjuntos sucesivos de 3 nucleótidos en el
DNA y convertirlos en una secuencia de aminoácidos en la proteína. Sin embargo,
es posible que el resultado de este ejercicio no sea preciso si el mRNA del gen se
empalma antes de traducirse o si la proteína se hidroliza o experimenta otra modifi-
cación covalente en cuanto se sintetiza. Y, la secuenciación de ácidos nucleicos no es
de utilidad si aún no se identifica el gen que codifica la proteína. La alternativa es usar
métodos químicos de espectrometría de masa para determinar de manera directa la
secuencia de aminoácidos de la proteína (sección 4-5).

La secuencia de aminoácidos es el primer nivel de
estructura proteínica

La secuencia de aminoácidos en un polipéptido constituye la estructura primaria de
la proteína. Hay hasta cuatro niveles de estructura en una proteína (figura 4-3). En

Estructura primaria – Glu – Ser – Phe – Gly– Asp – Figura 4-3. Niveles de estructura
La secuencia proteínica en la hemoglobina.
de residuos aminoácido
(Estructura de la hemoglobina humana (pdb
Estructura secundaria 2HHB) determinada por G. Fermi y M.F.
La conformación Perutz).
localizada del esqueleto
polipeptídico

Estructura terciaria
La estructura tridimensional
del polipéptido en su conjunto,
incluidas todas sus cadenas
laterales

Estructura cuaternaria
La disposición espacial
de las cadenas polipeptídicas
en una proteína con múltiples
subunidades

4-1 Las proteínas son cadenas de aminoácidos | 95

condiciones fisiológicas, un polipéptido rara vez asume una conformación extendida
lineal; más bien, se pliega para adquirir una forma más compacta, que suele constar
de varias capas. La disposición plegada local del esqueleto polipeptídico (exclusiva de
las cadenas laterales) se conoce como estructura secundaria. La conformación tridi-
mensional completa del polipéptido, incluidos los átomos del esqueleto y todas sus
cadenas laterales, es la estructura terciaria del polipéptido. En una proteína que
consta de más de una cadena polipeptídica, la estructura cuaternaria se refiere a la
disposición espacial de todas las cadenas. En las secciones siguientes se considerarán
los niveles segundo, tercero y cuarto de la estructura proteínica.

REPASO DE CONCEPTOS
• Trace las estructuras y las abreviaturas de 1 y 3 letras de los 20 aminoácidos

estándar.
• Divida los 20 aminoácidos en grupos hidrófobos, polares y con carga.
• ¿Cuáles aminoácidos polares a veces tienen carga?
• Describa los cuatro niveles de estructura proteínica.

4-2. Estructura secundaria: Conformación
del grupo peptídico

CONCEPTOS CLAVE En el enlace peptídico que unen aminoácidos sucesivos en una cadena polipeptídi-
• El esqueleto polipeptídico tiene ca, los electrones están un tanto deslocalizados, de modo que el enlace peptídico
tiene dos formas de resonancia:
flexibilidad conformacional
limitada. O OϪ
• La hélice α y la lámina β son
estructuras secundarias comunes C Cϩ
caracterizadas por la formación de N N
enlaces de hidrógeno entre grupos
de esqueleto. HH

Debido a este carácter parcial de doble enlace, (alrededor de 40%) no ocurre rotación al-
rededor del enlace C–N. En un esqueleto polipeptídico, las unidades N–Cα–C repetitivas
de los residuos aminoácido pueden considerarse por tanto una serie de grupos peptídicos
planos (donde cada plano contiene los átomos implicados en el enlace peptídico):

HO HO

N C C␣ N C C␣
C␣ N C C␣ N C

HO HO

En este caso no se muestran el átomo de H ni el grupo R unidos al Cα.
Aún así, el esqueleto polipeptídico puede rotar alrededor de los enlaces N–Cα y

Cα–C, si bien la rotación es un tanto limitada. Por ejemplo, una flexión aguda en
Cα podría acercar demasiado entre sí los oxígenos carbonilo de residuos adyacentes:

Aquí se aplica el código de color para los átomos: C gris, O rojo, N azul y H blanco.
96 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

Como lo indican las estructuras de resonancia, los átomos implicados en el enla-
ce peptídico son fuertemente polares, con tendencia a formar enlaces de hidrógeno.
Los grupos amida del esqueleto son donadores de enlaces de hidrógeno, y los oxíge-
nos carbonilo son aceptores de enlaces de hidrógeno. En condiciones fisiológicas, la
cadena polipeptídica se pliega de modo que satisfaga tantos de estos requerimientos
de formación de enlaces de hidrógeno como sea posible. Al mismo tiempo, el esque-
leto polipeptídico debe adoptar una conformación (una estructura secundaria) que
minimice la tensión estérica. Además, las cadenas laterales deben colocarse de un
modo que reduzca su interferencia estérica. Dos tipos de estructuras secundarias
comunes en las proteínas satisfacen estos criterios: la hélice α y lámina β.

La hélice α exhibe una conformación de esqueleto torcido

La hélice α se identificó por primera vez mediante estudios de construcción de mo-
delos realizados por Linus Pauling. En este tipo de estructura secundaria, el esqueleto
polipeptídico se tuerce en una hélice derecha (la hélice de DNA también es derecha;
véase la explicación en la sección 3-1). Hay 3.6 residuos por vuelta de la hélice, y por
cada vuelta, la hélice se eleva 5.4 Å a lo largo de su eje. En la hélice α, el oxígeno
carbonilo de cada residuo forma un enlace de hidrógeno con el grupo NH del esque-
leto cuatro residuos adelante. Las tendencias del esqueleto a formar enlaces de hidró-
geno se satisfacen de este modo, excepto por los cuatro residuos en cada extremo de
la hélice (figura 4-4). La mayoría de las hélices α tienen 12 residuos de largo.

Como la hélice de DNA, cuyas cadenas laterales llenan el interior de la hélice
(figura 3-5b), la hélice α es maciza: los átomos del esqueleto polipeptídico están en
contacto de van der Waals. Sin embargo, en la hélice α las cadenas laterales se pro-
yectan hacia fuera (figura 4-5).

La lámina β contiene múltiples cadenas de polipéptido Figura 4-4. Hélice α. En esta
conformación, el esqueleto
Linus Pauling, junto con Robert Corey, construyeron modelos para la lámina β. polipeptídico se tuerce a la derecha,
Este tipo de estructura secundaria consta de cadenas alineadas de polipéptido cuyos de modo que se forman enlaces de
requerimientos de formación de enlaces de hidrógeno son satisfechos por la unión hidrógeno (líneas de trazo discontinuo)
entre cadenas vecinas. Las cadenas de una lámina β pueden disponerse de dos ma- entre los grupos C=O y N–H a cuatro
neras (figura 4-6): en una lámina β paralela, en la cual las cadenas vecinas corren residuos de distancia. Los átomos se
en el mismo sentido, o en una lámina β antiparalela, donde las cadenas vecinas representan conforme al código de
corren en sentidos opuestos. Cada residuo forma dos enlaces de hidrógeno con una color: Cα gris claro, C carbonilo gris
cadena vecina, de modo que se satisfacen todos los requerimientos de formación de oscuro, O rojo, N azul, cadena lateral
enlaces de hidrógeno, excepto en la primera y última cadenas de la lámina. púrpura, H blanco. (Basado en un dibujo de

Irving Geis).

Véase figura animada. Hélice α.

(a) (b)

Figura 4-5. Una hélice α de la mioglobina. En a) un modelo de barras y esferas
y en b) un modelo de espacio lleno de los residuos 110 a 118 de la mioglobina; los
átomos del esqueleto se muestran en verde y las cadenas laterales en gris. (Estructura de la

mioglobina de cachalote (pdb 1MBD) determinada por S.E.V. Phillips).

4-2 Estructura secundaria: Conformación del grupo peptídico | 97

NNN N C N
C C C
CCC
OC NH OC
OC OC OC NH OC NH

NH NH NH C C C
CO HN CO
CCC
HN CO HN
CO CO CO C C C

HN HN HN OC NH OC
NH OC NH
CCC
C C C
OC OC OC CO HN CO

NH NH NH HN CO HN
C C C
CCC
OC NH OC
CO CO CO NH OC NH

HN HN HN C C C
C N C
CCC
Antiparalela
OC OC OC

NH NH NH

CCC

CC C

Paralela

Figura 4-6. Láminas β. En una lámina β paralela y una lámina β antiparalela,
el esqueleto polipeptídico está extendido. En ambos tipos de lámina β se forman
enlaces de hidrógeno entre los grupos amida y carbonilo de cadenas adyacentes. No
se muestran los H y R unidos a Cα. Nótese que las cadenas no son polipéptidos
separados, sino segmentos de una misma cadena que forman asas sobre sí mismos.

Véase figuras animadas. Láminas β. Una sola lámina β puede contener de 2 a más de 12 cadenas polipeptídicas, con
un promedio de seis cadenas, y cada una de ellas tiene longitud promedio de seis
residuos. En una lámina β, las cadenas laterales de los aminoácidos se extienden
desde ambas caras (figura 4-7).

Las proteínas también presentan estructura secundaria
irregular

Las hélices α y láminas β se clasifican como estructuras secundarias regulares,
porque sus residuos componentes exhiben conformaciones del esqueleto que no va-
rían de un residuo al siguiente. De hecho, estos elementos de estructura secundaria

(a) (b)

Figura 4-7. Vista lateral de dos cadenas paralelas de una lámina β. En a) un modelo
de barras y esferas y en b) un modelo de espacio lleno de una lámina β de la carboxipeptidasa
A; los átomos del esqueleto se muestran en verde. Las cadenas laterales de los aminoácidos
(en gris) apuntan de manera alternada a cada lado de la lámina β. (Estructura de la
carboxipeptidasa (pdb 3CPA) determinada por W.N. Lipscomb).

98 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

son fáciles de reconocer en las estructuras tridimensionales de una enorme variedad

de proteínas, sin importar su composición de aminoácidos. Por supuesto, depen-

diendo de la identidad de las cadenas laterales y otros grupos que pudieran estar
presentes, las hélices α y láminas β pueden estar un poco distorsionadas respecto de
sus conformaciones ideales, por ejemplo, la vuelta final de algunas hélices α se “es-

tira” (es más larga y delgada que el resto de la hélice).
En toda proteína, algunos elementos de la estructura secundaria (hélices α indi-

viduales o cadenas individuales en una lámina β) están unidos entre sí por asas poli-
peptídicas de diversos tamaños. Un asa puede ser una vuelta en horquilla relativamente
simple, como en la conexión de dos láminas β antiparalelas (que se muestran en la
figura como flechas planas; izquierda). O puede ser bastante larga, en especial si une
cadenas sucesivas en una lámina β paralela (derecha):

Por lo común, las asas que unen láminas β o hélices α constan de residuos con es-
tructura secundaria irregular; esto es, el polipéptido no adopta una estructura se-
cundaria definida en la cual residuos sucesivos tienen la misma conformación del
esqueleto. Obsérvese que “irregular” no significa “desordenado”: el esqueleto peptí-
dico casi siempre adopta una conformación única específica. La mayoría de las pro-
teínas contienen una combinación de estructura secundaria regular e irregular. En
promedio, 31% de los residuos se encuentran en hélices α, 28% en láminas β, y el
resto están en asas irregulares de diferentes tamaños.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuáles son los átomos de los aminoácidos que constituyen el esqueleto

polipeptídico?
• ¿Qué limita la rotación del esqueleto?
• Resuma las características estructurales de hélices α y láminas β.
• Diferencie entre la estructura secundaria regular e irregular.
• ¿Por qué virtualmente todas las proteínas contienen asas?

4-3. Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas

La forma tridimensional de una proteína, conocida como su estructura terciaria, CONCEPTOS CLAVE
incluye su estructura secundaria regular e irregular (esto es, el plegamiento global de • Un polipéptido plegado asume una
su esqueleto peptídico) así como la disposición espacial de todas sus cadenas latera-
les. En una proteína plegada por completo en condiciones fisiológicas, cada átomo forma con una superficie hidrófila
tiene un lugar designado. y un centro hidrófobo.
• El plegamiento y estabilización de
Una de las técnicas más poderosas para sondear las estructuras atómicas de las las proteínas dependen de fuerzas
macromoléculas, incluidas las proteínas, es la cristalografía de rayos X (sección 4-5). no covalentes.
La estructura de la mioglobina, primera proteína cuya estructura se determinó por • Algunas proteínas pueden adoptar
cristalografía de rayos X, salió a la luz en 1958 gracias a los esfuerzos de John más de una conformación estable.
Kendrew, quien laboriosamente determinó la conformación de cada esqueleto y grupo
de cadena lateral. Los resultados de Kendrew –dados a conocer apenas unos años
después de que Watson y Crick publicaron su elegante modelo del DNA– fueron un
tanto decepcionantes. La estructura de la mioglobina carecía de la sencillez y sime-
tría de una molécula como el DNA, y era más irregular y compleja de lo esperado
(dicha estructura se examina en detalle en la sección 5-1).

La estructura de otra proteína bien estudiada, la enzima triosa fosfato isomerasa,

se muestra en la figura 4-8a. Esta enzima es una proteína globular (en contraste, las

proteínas fibrosas suelen ser muy alargadas; en el capítulo 5 se presentan algunos

ejemplos). Las proteínas que se ilustran en la figura 4-1 son globulares. La estructu-

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas | 99

ra terciaria de la triosa fosfato isomerasa puede simplificarse mostrando sólo el es-
queleto peptídico (figura 4-8b). De manera alternativa, la estructura puede
representarse como un listón que pasa por el Cα de cada residuo (figura 4-8c). Esto
facilita la identificación de elementos de la estructura secundaria.

Los sistemas de uso común para analizar estructuras proteínicas se basan en la
presencia de elementos de estructura secundaria. Por ejemplo, en el sistema CATH
se reconocen cuatro clases (el nombre del sistema se refiere a una jerarquía de niveles
de organización: Clase, Arquitectura, Topología y Homología). Las proteínas pue-
den contener más estructura α, más estructura β, una combinación de α y β, o muy
pocos elementos de estructura secundaria regular. En la figura 4-9 se presentan
ejemplos de cada clase. En bases de datos en línea se dispone de datos estructurales
–incluidas las coordenadas tridimensionales de cada átomo– para miles de proteínas
y otras macromoléculas. El uso de software para visualizar y manipular estas estruc-
turas proporciona información valiosa sobre la estructura molecular y sus funciones
(Proyecto de bioinformática 3. Estructuras proteínicas).

Las proteínas tienen centro hidrófobo

(a) Las proteínas globulares suelen contener al menos dos capas de estructura secundaria.
Esto significa que la proteína tiene regiones definidas de superficie y centro. En la
superficie, algo de esqueleto y grupos de cadena lateral están expuestos al solvente; en

(b) (b)
(a)

(c) (c) (d)

Figura 4-8. Triosa fosfato isomerasa. Figura 4-9. Clases de estructura proteínica. En cada proteína, las hélices α se
a) Modelo de espacio lleno. Se muestran colorean de rojo, y las cadenas β se colorean de amarillo. a) Hormona del crecimiento,
todos los átomos (excepto los de H) una proteína todo α. (Estructura (pdb 1HGU) determinada por L. Chantalat, N. Jones, F. Korber,
(C gris, O rojo, N azul). b) Esqueleto J. Navaza y A.G. Pavlovsky). b) γβ-Cristalina, una proteína todo β. (Estructura (pdb 1GCS)
polipeptídico. El trazo conecta los
carbonos α de residuos aminoácido determinada por S. Najmudin, P. Lindley, C. Slingsby, O. Bateman, D. Myles, S. Kumaraswamy e I.
sucesivos. c) Diagrama de listón. El
listón representa la conformación Glover). c) Flavodoxina, una proteína α/β. (Estructura (pdb 1CZN) determinada por W.W.
global del esqueleto. (Estructura (pdb Smith, K.A. Partridge, C.L. Luschinsky y M.L. Ludwig). d) Taquistatina, una proteína con escasa
estructura secundaria. (Estructura (pdb 1CIX) determinada por N. Fujitani, S. Kawabata,
1YPI) determinada por T. Alber, E. Lolis y G.A.
T. Osaki, Y. Kumaki, M. Demura, K. Nitta y K. Kawano).
Petsko).

100 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

(b)

(a)

Figura 4-10. Ejemplos de proteínas con dos dominios. a) gliceraldehído 3-fosfato
deshidrogenasa. El dominio pequeño se muestra en rojo, y el grande en verde. b)
γβ-Cristalina. Los dos dominios, similares, se muestran en rojo y azul. (Estructura de

la deshidrogenasa (pdb 1GDP) determinada por D. Moras, K.W. Olsen, M.N. Sabesan, M. Buehber,
G.C. Ford y M.G. Rossmann; estructura de la gb-cristalina [pdb 4GCR) determinada por C. Slingsby, S.
Najmudin, V. Nalini, H.P.C. Driessen, T.L. Blundell, D.S. Moss y P. Lindley).

el centro, estos grupos están aislados (secuestrados) del solvente. En otras palabras, la
proteína comprende una superficie hidrófila y un centro hidrófobo.

Un segmento polipeptídico que se ha plegado en una misma unidad estructural
con un centro hidrófobo a menudo recibe el nombre de dominio. Algunas proteínas
pequeñas consisten en un solo dominio. Las proteínas mayores suelen contener va-
rios dominios, que pueden ser estructuralmente similares o no (figura 4-10).

El centro de una proteína hidrófoba pequeña (o un dominio) suele ser rico en es-
tructura secundaria regular. Esto se debe a que la formación de hélices α y láminas β,
que internamente están unidas por enlaces de hidrógeno, minimiza la hidrofilicidad
de los grupos polares del esqueleto. Las estructuras secundarias irregulares (asas) se
encuentran a menudo en la superficie de la proteína (o dominio), donde los grupos
polares del esqueleto pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua.

El requerimiento de un centro hidrófobo y una superficie hidrófila también impo-
ne restricciones a la secuencia de aminoácidos. La ubicación de una cadena lateral es-
pecifica en la estructura terciaria de una proteína se relaciona con su hidrofobicidad: a
mayor hidrofobicidad de un residuo, más probable es que se localice en el interior de
la proteína. En el interior, las cadenas laterales se empacan de manera apretada, dejan-
do poco espacio vacío o espacio que pudiera ser ocupado por una molécula de agua.

En el cuadro 4-3 se enumeran dos escalas para valorar la hidrofobicidad de las
cadenas laterales de los aminoácidos. Por ejemplo, los residuos altamente hidrófo-
bos, como Phe y Met, casi siempre se encuentran muy adentro. Las cadenas laterales
polares, como los grupos formadores de enlaces de hidrógeno del esqueleto, pueden
participar en la formación de dichos enlaces en el interior de la proteína, lo cual
ayuda a “neutralizar” su polaridad y les permite estar sepultados en un ambiente no
polar. Cuando un residuo con carga se encuentra en el interior de la proteína, casi
siempre se ubica cerca de otro residuo con la carga opuesta, de modo que los grupos
puedan interactuar electrostáticamente para formar un par iónico. Asignando un
código de color por hidrofobicidad a los residuos de la mioglobina, es fácil ver que
las cadenas laterales hidrófobas se acumulan en el interior mientras que las hidrófilas
predominan en la superficie (figura 4-11).

Las estructuras proteínicas son estabilizadas
principalmente por el efecto hidrófobo

De manera sorprendente, la conformación con plegamiento completo de una proteína
es un poco estable que su forma no plegada. La diferencia en estabilidad termodinámica

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas | 101

CUADRO 4-3 | Escalas de hidrofobicidad

Residuo Escala Aa Escala Bb

Phe 2.8 3.7

Met 1.9 3.4

Ile 4.5 3.1

Leu 3.8 2.8

Val 4.2 2.6

Cys 2.5 2.0

Trp Ϫ0.9 1.9

Ala 1.8 1.6

Rhe Ϫ0.7 1.2

Gly Ϫ0.4 1.0

Ser Ϫ0.8 0.6

Pro Ϫ1.6 Ϫ0.2

Tyr Ϫ1.3 Ϫ0.7

His Ϫ3.2 Ϫ3.0

Gln Ϫ3.5 Ϫ4.1

Asn Ϫ3.5 Ϫ4.8

Glu Ϫ3.5 Ϫ8.2

Lys Ϫ3.9 Ϫ8.8

Asp Ϫ3.5 Ϫ9.2

Arg Ϫ4.5 Ϫ12.3

a Escala A tomada de Kyte, J., and Doolittle, R.F., J. Mol. Biol. 157, 105-132 (1982).

b Escala B tomada de Engelman, D.M., Steitz, T.A., and Goldman, A., Annu. Rev. Biophys.
Biophys. Chem. 15, 321-353 (1986).

(a) asciende alrededor de 0.4 kJ · mol–1 por residuo, o ~40 kJ · mol–1 para un polipéptido
de 100 residuos. Esto equivale a la cantidad de energía libre necesaria para romper dos
Figura 4-11. Residuos hidrófobos e enlaces de hidrógeno (alrededor de 20 kJ · mol–1 cada uno). Esta cantidad parece increí-
hidrófilos en la mioglobina. a) Todas blemente pequeña, considerando el número de interacciones potenciales entre todos
las cadenas laterales hidrófobas (Ala,
Ile, Leu, Met, Phe, Pro, Trp y Val) se los átomos del esqueleto y las cadenas late-
muestran en verde. Estos residuos se rales de una proteína. Sin embargo, la ma-
localizan principalmente en el interior yoría de las proteínas se pliegan en una
de la proteína. b) Todos los residuos disposición tridimensional estable única de
polares y con carga se muestran en rojo. sus átomos.
Éstos se localizan principalmente en la
superficie de la proteína. La mayor fuerza que rige la estructu-
ra de una proteína es el efecto hidrófo-
bo (véase sección 2-2), el cual hace que
los grupos no polares se agreguen a fin de
minimizar su contacto con el agua. El
efecto hidrófobo es impulsado por el au-
mento de entropía de las moléculas de
agua del solvente, que de otra manera ten-
drían que ordenarse alrededor de cada
(b) grupo hidrófobo. Como ya se ha visto, las
cadenas laterales hidrófobas se localizan
de manera predominante en el interior de una proteína. Esta disposición estabiliza
el esqueleto del polipéptido plegado, dado que desplegarlo o extenderlo expondría
las cadenas laterales hidrófobas al solvente (figura 4-12).
La formación de enlaces de hidrógeno por sí misma no es un determinante mayor
de la estabilidad de una proteína, porque en una proteína no plegada, los grupos
polares podrían formar con la misma facilidad enlaces de hidrógeno con la molécula
de agua equivalentes en términos energéticos. En cambio, la formación de enlaces de
hidrógeno suele ayudar a la proteína a afinar una conformación plegada la cual ya
está en gran medida estabilizada por el efecto hidrófobo.

102 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

a) Plegada +
−
Glu
Lys

(a)

b) Desplegada Asp
−

+
Arg

Solvatación desfavorable (b)

Figura 4-12. Efecto hidrófobo en el plegamiento de Figura 4-13. Ejemplos de pares iónicos en la mioglobina. a)
una proteína. a) En una proteína plegada, las regiones El grupo ε-amino de Lys 77 interactúa con el grupo carboxilato de
hidrófobas (representadas como segmentos verdes de la cadena Glu 18. b) El grupo carboxilato de Asp 60 interactúa con Arg 45.
polipeptídica) quedan secuestradas en el interior de la proteína. Los átomos se muestran según el código de color: C gris, N azul,
b) Si la proteína se despliega se exponen esos segmentos al O rojo. Nótese que estas interacciones intramoleculares ocurren
agua. Esta disposición es energéticamente desfavorable, porque entre cadenas laterales que se encuentran próximas entre sí en la
la presencia de los grupos hidrófobos interrumpe la red de estructura terciaria de la proteína pero están muy alejadas entre sí
enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua. en la estructura primaria.

Los enlaces cruzados ayudan a estabilizar las proteínas Figura 4-14. Enlaces disulfuro en la

Al parecer, muchos polipéptidos plegados son mantenidos en su conformación por lisozima, una proteína extracelular.
enlaces cruzados de varios tipos, de los cuales los más comunes son pares iónicos, Esta enzima de 129 residuos de la clara
enlaces disulfuro y iones inorgánicos como el cinc. ¿Realmente estos enlaces cruza- del huevo de gallina contiene ocho
dos ayudan a estabilizar la proteína? residuos Cys (amarillo), que forman
cuatro enlaces disulfuro los cuales
Es posible que se forme un par iónico entre cadenas laterales con carga opuesta o unen diferentes sitios del esqueleto
los grupos N terminal y C terminal (figura 4-13). Aunque la interacción electrostá- polipeptídico. (Estructura (pdb 1E8L)
tica resultante es fuerte, no contribuye mucho a la estabilidad de la proteína. Esto se
debe a que la energía libre favorable de la interacción electrostática es contrarrestada determinada por H. Schwalbe, S.B. Grimshaw,
por la pérdida de entropía cuando las cadenas laterales se fijan en el par iónico. Para
un par iónico sepultado está el costo energético adicional de solvatar los grupos con A. Spencer, M. Buck, J. Boyd, C.M. Dobson, C.
carga a fin de que entren en el centro hidrófobo.
Redfield y L. J. Smith).
Los enlaces disulfuro (que se ilustran en la página 92) pueden formarse dentro de
cadenas polipeptídicas y entre ellas. Los experimentos muestran que incluso cuando
los residuos Cys de determinadas proteínas se bloquean por medios químicos, las
proteínas aún pueden plegarse y funcionar de manera normal. Esto sugiere que los
enlaces disulfuro no son esenciales para estabilizar esas proteínas. De hecho, los di-
sulfuros son raros en las proteína intracelulares, dado que el citoplasma es un am-
biente reductor. Abundan más en proteínas que se secretan a un ambiente
extracelular (oxidante) (figura 4-14). Aquí, los enlaces pueden ayudar a prevenir que
la proteína se despliegue en condiciones extracelulares relativamente drásticas.

Los dominios que contienen los enlaces cruzados llamados dedos de cinc son co-
munes en las proteínas de unión a DNA. Estas estructuras consisten en 20 a 60 resi-
duos con 1 o 2 iones Zn2+. Éstos son coordinados de manera tetraédrica por las cadenas
laterales de Cys o His (o ambas) y a veces Asp o Glu (figura 4-15). Los dominios pro-
teínicos de este tamaño son muy pequeños para asumir una estructura terciaria estable
sin enlaces cruzados con un ion metálico. El cinc es un ion ideal para estabilizar pro-
teínas: puede interactuar con ligandos (S, N u O) aportados por varios aminoácidos, y
tiene un solo estado de oxidación (a diferencia de los iones Cu o Fe, que experimentan
con facilidad reacciones de oxidorreducción en las condiciones celulares).

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas | 103

(a) (b)

Figura 4-15. Dedos de cinc. a) Un dedo de cinc con un Zn2+ (esfera púrpura)
coordinado por dos residuos Cys y dos His, del factor de transcripción IIIA de
Xenopus. b) Un dedo de cinc con dos Zn2+ coordinados por seis residuos Cys, del factor
de transcripción GAL4 de levadura. (Estructura del factor de transcripción IIIA (pdb 1TF6)

determinada por R.T. Nolte, R.M. Conlin, S.C. Harrison y R.S. Brown; estructura de GAL4

(pdb 1D66) determinada por R. Marmorstein y S. Harrison).

Figura 4-16. Modelo del El plegamiento de las proteínas comienza con la

plegamiento de las proteínas. En formación de estructuras secundarias
este ejemplo hipotético, el polipéptido
forma primero elementos de estructura La naturaleza hacinada del interior de la célula (véase figura 2-7) demanda que las
secundaria (hélices α y láminas β). Éstos proteínas y otras macromoléculas asuman formas compactas. En la célula, un poli-
se juntan en una sola masa globular, y péptido recién sintetizado comienza a plegarse tan pronto como emerge del ribo-
pequeños ajustes generan la estructura soma, por lo que parte del polipéptido puede adoptar su estructura terciaria madura
terciaria estable final. (según Goldberg, antes de que se haya sintetizado la totalidad de la cadena. Es difícil vigilar este pro-
ceso en la célula, de modo que los estudios de plegamiento de proteínas in vitro
M.E., Trends Biochem. Sci. 10, 389 (1985). suelen utilizar polipéptidos de longitud completa que se han desplegado por medios
químicos (desnaturalizado) y luego se les ha dejado que vuelvan a plegarse (renatu-
ralizarse). En el laboratorio, las proteínas pueden desnaturalizarse agregando sus-
tancias solubles como sales o urea (NH2–CO–NH2). Grandes cantidades de estos
solutos interfieren en la estructura del agua que actúa como solvente, con lo que
atenúan el efecto hidrófobo y hacen que la proteína se despliegue. Cuando los solu-
tos se eliminan, las proteínas se renaturalizan.

Los experimentos de renaturalización de proteínas demuestran que el plegamien-
to de proteínas no es un proceso al azar. Es decir, la proteína no sólo asume su es-
tructura terciaria más estable (su estructura nativa) por ensayo y error, sino que
alcanza esta conformación por una o unas pocas vías alternas. Durante este proceso,
se forman primero elementos pequeños o estructura secundaria, los cuales luego se
juntan bajo la influencia del efecto hidrófobo para producir una masa con un centro
hidrófobo. Por último, pequeños reordenamientos generan la estructura terciaria
nativa (figura 4-16).

Toda la información requerida para que una proteína se pliegue está contenida en
su secuencia de aminoácidos. Por desgracia, no existen métodos del todo confiables
para predecir el modo en que se plegará una cadena polipeptídica. De hecho, es di-
fícil determinar si una secuencia de aminoácidos dada formará una hélice α, una
lámina β o estructura secundaria irregular. Esto representa un obstáculo para asignar
estructuras tridimensionales –y posibles funciones– al número creciente de proteínas
identificadas a través de la secuenciación del genoma (véase sección 3-3).

En el laboratorio, determinadas proteínas pequeñas pueden desnaturalizarse y
renaturalizarse de manera repetida, pero en la célula el plegamiento de proteínas es
más complicado y puede requerir la asistencia de otras proteínas. Algunas de éstas se
conocen como chaperonas moleculares y se describen con más detalle en la sección
22-4. Las proteínas que no se pliegan de manera correcta –sucede a menudo debido
a mutaciones genéticas que sustituyen un aminoácido por otro– pueden ocasionar
diversas enfermedades (recuadro 4-B).

104 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

RECUADRO 4-B NOTAS CLÍNICAS

Plegamiento incorrecto de proteínas y enfermedad

¿Qué ocurre con las proteínas que se pliegan de manera incorrecta? amiloide β. El tejido cerebral normal contiene pequeñas cantidades
Las chaperonas moleculares que ayudan a las nuevas proteínas a de amiloide β extracelular pero no se comprenden del todo su
plegarse también pueden ayudar a las que se plegaron de manera función ni la de su proteína precursora. Sin embargo, es claro que
incorrecta a corregir su plegamiento. Si una proteína no puede el exceso de amiloide β está vinculado con la enfermedad de
recuperarse de este modo, suele ser degradada a sus aminoácidos Alzheimer.
constituyentes.
La neurodegeneración de la enfermedad de Alzheimer puede
Polipéptido Plegamiento comenzar muchos años antes de que aparezcan síntomas como
recién sintetizado incorrecto pérdida de la memoria, y los estudios de la enfermedad en modelos
animales indican que estos signos pueden detectarse antes de que se
Agregación acumulen fibras amiloides en el encéfalo. Éstos y otros resultados
experimentales apoyan la hipótesis de que las primeras etapas de
Plegamiento Estructura plegamiento incorrecto y agregación de amiloide β son tóxicas para
mal plegada las neuronas y son la causa fundamental de la enfermedad de
Alzheimer. La acumulación de fibras extracelulares puede ser en
Degradación realidad un mecanismo protector para manejar la producción
excesiva de amiloide β.
Estructura Nuevo
nativa plegamiento En la enfermedad de Parkinson, las neuronas de una porción del
encéfalo acumulan fragmentos de la proteína α-sinucleína. Como en
El funcionamiento de este sistema de control de calidad explica lo el caso del amiloide β, no se conoce del todo la función de la
que ocurre en la forma más común de fibrosis quística (véase α-sinucleína, pero al parecer participa en la neurotransmisión. Ésta
sección 3-2): una forma mutante de la proteína RTFQ se pliega de es una proteína soluble pequeña (140 residuos) con conformación
manera incorrecta y por tanto nunca llega a su destino celular. extendida, parte de la cual al parecer forma hélices α al unirse a otras
moléculas. El desorden intrínseco de la proteína puede contribuir a
Otras enfermedades pueden presentarse cuando las proteínas su propensión a formar depósitos de amiloide, que se caracterizan
mal plegadas no vuelven a plegarse ni se degradan de inmediato por un alto contenido de estructura secundaria β. La acumulación de
sino que en cambio se agregan, a menudo como fibras insolubles este material se vincula con la muerte de neuronas, lo que ocasiona
largas. Aunque éstas pueden formarse en cualquier parte del los síntomas típicos de la enfermedad de Parkinson, como temblor,
cuerpo, al parecer son más letales cuando se encuentran en el rigidez muscular y lentitud de movimientos. Las mutaciones en el
encéfalo. Entre las enfermedades del ser humano caracterizadas por gen de la α-sinucleína que llevan a una mayor expresión de la
tales depósitos fibrosos están enfermedad de Alzheimer, enferme- proteína o promueven su autoagregación son responsables de algunas
dad de Parkinson y las encefalopatías esponjiformes transmisibles. formas hereditarias de la enfermedad de Parkinson.
Todos estos trastornos se caracterizan por deterioro neurológico,
pérdida de neuronas (células nerviosas) y presencia de fibras La enfermedad de las vacas locas es la mejor conocida de las
proteínicas intracelulares o extracelulares. Las proteínas agregadas, encefalopatías esponjiformes transmisibles (EET), un grupo de
de un tipo diferente en cada enfermedad, suelen llamarse depósi- trastornos que también incluye el escrapie de las ovejas y la
tos de amiloide (un nombre que originalmente se refería a su enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en el ser humano. Alguna vez se
aspecto amiláceo –de gránulos de almidón–). pensó que estas enfermedades letales, que dan al encéfalo un
aspecto esponjoso, eran causadas por un virus. Sin embargo,
La enfermedad de Alzheimer, que es el trastorno neurodegene- extensas investigaciones han revelado que el agente infeccioso es
rativo más común, se acompaña tanto de “enredos” intracelulares una proteína llamada prión. Resulta interesante el hecho de que el
como de “placas” extracelulares. tejido encefálico humano normal contiene la misma proteína,
llamada PrPC (C de “celular”), que se encuentra en las membranas
El material fibroso dentro de las células consiste en la llamada de las neuronas y al parecer interviene en el funcionamiento
proteína τ, que interviene en el ensamblaje de los microtúbulos del normal del encéfalo. La forma de la proteína priónica del escrapie,
citoesqueleto (véase sección 5-2). Los depósitos de proteína τ PrPSc (Sc del inglés scrapie) tiene la misma secuencia de 253
también se encuentran en otros trastornos neurodegenerativos, y aminoácidos que la PrPC pero presenta más estructura secundaria
no es clara su participación en la enfermedad de Alzheimer. El β. Al parecer la introducción de PrPSc en las células induce a PrPC,
material amiloide extracelular en esta enfermedad consta en mayor que contiene más estructura helicoidal α, al asumir la conforma-
medida de la proteína amiloide β, un fragmento de 40 o 42 ción PrPSc y por tanto agregarse con ella.
residuos de la proteína precursora de amiloide mucho más grande,
que es una proteína de membrana. Las proteasas llamadas β-secre- ¿Cómo se transmite una enfermedad priónica? Parece ser que
tasa y γ-secretasa escinden la proteína precursora para generar una ruta es la ingestión, como lo ilustra la incidencia de EET bovina
en vacas que consumieron forraje elaborado con ovejas infectadas de
escrapie. (Esta práctica de alimentación se ha prohibido, pero no

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas | 105

NOTAS CLÍNICAS Continúa

antes de que varias personas –que se supone consumieron la carne de Se supone que otras proteínas formadoras de amiloide
reses infectadas– desarrollaran una forma variante de la enfermedad experimentan cambios conformacionales similares. No suele
de Creutzfeldt-Jakob). PrPSc debe absorberse sin haber sido digerida, ocurrir agregación significativa sino hasta que la concentración de
y transportarse al sistema nervioso central. Aquí causa neurodegene- proteína alcanza algún umbral crítico (lo cual podría explicar por
ración, quizá a través de la pérdida de PrPC al convertirse ésta en qué las enfermedades por amiloide, incluso las EET, tardan años en
PrPSc o a través de los efectos tóxicos de PrPSc cuando se acumula. desarrollarse). Después de que se han ensamblado algunas
Pese a la falta de semejanzas de secuencia o estructurales entre estructuras β, inducen más plegamiento incorrecto de proteína, y
amiloide β, α-sinucleína y PrPSc, sus formas mal plegadas son ricas las fibras de amiloide se propagan con rapidez. Una vez formadas,
en estructura β, y al parecer ésta es la clave para la formación de estas fibras son resistentes a la degradación por proteasas.
depósitos de amiloide. Los estudios de la PrPSc muestran cómo
podría ocurrir la formación de amiloide: PREGUNTAS

La región C terminal de PrPC (residuos 120 a 231) consta en 1. El gen para la proteína precursora de amiloide se localiza en el
mayor medida de hélices α (estructura en la parte superior cromosoma 21. Los individuos con síndrome de Down (trisomía
izquierda de la figura). La porción de la proteína que forma el 21) tienen tres copias y no dos del cromosoma 21. Explique por
centro del amiloide se muestra en rojo. Este segmento (residuos qué los individuos con síndrome de Down tienden a exhibir
159 a 219) cambia a una conformación todo β (arriba a la síntomas tipo Alzheimer hacia la edad madura.
derecha), de modo que una molécula individual puede apilarse
encima de otra en paralelo para formar una extensa fibra estabili- 2. Los ratones que han sido manipulados por ingeniería genética
zada por enlaces de hidrógeno intercatenarios (abajo). La flecha para que carezcan del gen para PrP (pero que son normales en
vertical indica el eje largo de la fibra de amiloide. todos los demás aspectos) no desarrollan encefalopatía

Modelo de la formación de amiloide PrP. (Cortesía de Witold Surewicz, Case Western Reserve University).

106 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

NOTAS CLÍNICAS Continuación ciertas condiciones de laboratorio, la mioglobina puede ser
inducida a formar fibras de amiloide. ¿Qué sugiere esto acerca
esponjiforme cuando se les inocula PrPSc, que causa enferme- de la capacidad de un polipéptido de adoptar una estructura
dad en ratones normales. ¿Qué revelan estos resultados acerca secundaria β?
de la relación entre PrP y EET? ¿Qué revelan acerca de la 4. Analice el cometido de las cadenas laterales de los aminoácidos
función celular de la PrP? en la formación de la fibra de amiloide.
3. La mioglobina es una proteína que contiene principalmente
hélices α y nada de láminas β (véase figura 5-1). a) ¿Esperaría
usted que la mioglobina formara fibras de amiloide? b) Bajo

Para algunas proteínas, la vía que conduce a una funcionalidad plena requiere de
pasos adicionales más allá del plegamiento polipeptídico. Ciertas proteínas contie-
nen varias cadenas polipeptídicas, que deben plegarse de manera individual antes de
ensamblarse. Además, varias proteínas experimentan procesamiento antes de alcan-
zar sus formas maduras. Dependiendo de la proteína, esto podría significar la elimi-
nación de determinados residuos o la unión covalente de otro grupo, como un
lípido, carbohidrato o grupo fosfato (figura 4-17). Los grupos unidos suelen tener
una función biológica definida y también pueden ayudar a estabilizar la conforma-
ción plegada de la proteína. Por último, algunas proteínas se hacen funcionales sólo
después de asociarse a iones metálicos o a una molécula orgánica específica.

Determinadas proteínas pueden adoptar más de una conformación. La estructu-
ra nativa de una proteína no es necesariamente rígida e inflexible. De hecho, la
mayoría de las proteínas requieren algún movimiento menor, principalmente como
resultado de flexión y estiramiento de enlaces individuales, para realizar sus funcio-
nes biológicas. Además, algunas proteínas –hasta 50% en las eucariotas– pueden
incluir segmentos extendidos muy flexibles ricos en aminoácidos hidrófilos. Estas
proteínas intrínsecamente no estructuradas o segmentos proteínicos intrínseca-
mente no estructurados podrían ser aptos para realizar funciones regulatorias, en las
cuales una proteína puede interactuar con otras.

El algunos casos, la flexibilidad conformacional de una proteína incluye dos alter-
nativas estables en equilibrio dinámico. Un cambio en las condiciones celulares, por
ejemplo de pH o estado de oxidación, o la presencia de un compañero de unión,
pueden inclinar la balanza hacia una conformación o la otra (figura 4-18). Dado que
de manera tradicional los biólogos estructurales han examinado proteínas con for-
mas estables fijas, con nuevos métodos para estudiar la estructura proteínica será
mayor la probabilidad de descubrir más acerca de proteínas intrínsecamente no es-
tructuradas con más de una variante conformacional.

(a) (b) (c)

O NH

HOCH2 NH C CH2 CH

HH O

O NH CO OϪ NH
H3C (CH2)14 C S CH2 CH CH2 CH
OH H H ϪO P O
CO O

H HN C CH3 O CO

O

Figura 4-17. Algunas modificaciones covalentes de proteínas. a) Un ácido graso
de 16 carbonos (palmitato, en rojo) está unido por un enlace tioéster a un residuo Cys.
b) Una cadena de varias unidades carbohidrato (aquí sólo se muestra un residuo azúcar,
en rojo) está unida al N amida de la cadena lateral de una Asn. c) Un grupo fosforilo
(rojo) está esterificado a la cadena lateral de una Ser.

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas | 107

(a) (b)

Figura 4-18. Una proteína con dos conformaciones estables. a) Una forma de la
proteína linfotactina consta de una lámina β de tres cadenas y una hélice α. Esta forma
se interconvierte con rapidez con una forma alterna b) en la cual dos proteínas todo β se
asocian entre sí. (Cortesía de Brian Volkman, Medical College of Wisconsin).

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cómo difieren la superficie y el centro de una proteína?
• ¿Cuáles residuos es probable encontrar en cada región?
• ¿Cuáles fuerzas estabilizan la estructura proteínica?
• ¿De qué manera un polipéptido desplegado alcanza su conformación nativa?

4-4. Estructura cuaternaria

CONCEPTO CLAVE La mayoría de las proteínas, en especial las que tienen masa molecular mayor de 100 kD,
• Las proteínas con más de una consisten en más de una cadena polipeptídica. Las cadenas individuales, llamadas
subunidades, pueden ser todas idénticas, en cuyo caso la proteína es un homo-
cadena polipeptídica tienen dímero, homotetrámero, etc. Si las cadenas no son todas idénticas, se emplea el
estructura cuaternaria. prefijo hetero-. La disposición espacial de estos polipéptidos se conoce como estruc-
tura cuaternaria de la proteína.

Las fuerzas que mantienen juntas las subunidades son similares a las que determi-
nan las estructuras terciarias de los polipéptidos individuales. La interfaz (área de
contacto) entre dos subunidades a menudo es hidrófoba, con cadenas laterales estre-
chamente empacadas. Enlaces de hidrógeno, pares iónicos y enlaces disulfuro deter-
minan la geometría exacta de las subunidades interactuantes.

Entre las estructuras cuaternarias más comunes en las proteínas se encuentran las
configuraciones simétricas de dos o más subunidades idénticas (figura 4-19). Incluso
en proteínas con subunidades no idénticas, la simetría se basa en grupos de subuni-
dades, por ejemplo la hemoglobina, un heterotetrámero con dos unidades αβ, pue-
de considerarse un dímero de dímeros (figura 4-19c). Se sabe que algunas proteínas
multiméricas adoptan más de una posible estructura cuaternaria y al parecer cam-
bian entre esas alternativas por un proceso de disociación, adopción de diferentes
estructuras terciarias y reensamblaje.

Las ventajas de la estructura proteínica multisubunitaria son muchas. Para co-
menzar, la célula puede construir proteínas extremadamente grandes mediante la
adición sucesiva de pequeños bloques de construcción (véase capítulo 5). Esto es una
ventaja para determinadas proteínas estructurales que, debido a su enorme tamaño,
no pueden sintetizarse por completo en una pieza o que deben ensamblarse fuera de
la célula. Además, el impacto de los inevitables errores de transcripción y traducción
puede minimizarse si el polipéptido afectado es pequeño y fácil de reemplazar.

Por último, la interacción entre subunidades en una proteína multisubunitaria
ofrece la oportunidad para que las subunidades influyan de manera recíproca en su
comportamiento o trabajen de manera cooperativa. El resultado es un modo de re-
gular el funcionamiento que no es posible en proteínas de una sola subunidad o en

108 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

Figura 4-19. Algunas proteínas con
estructura cuaternaria. Se muestra
el esqueleto de carbono α de cada
polipéptido. a) Nitrito reductasa, una
enzima con tres subunidades idénticas,
de Alcaligenes. (Estructura (pdb 1AS8)

determinada por M.E.P. Murphy, E.T. Adams

y S. Turley). b) Fumarasa de E. coli, una
enzima homotetramérica. (Estructura

(pdb 1FUQ) determinada por T. Weaver y L.

Banaszak). c) Hemoglobina humana, un
heterotetrámero con dos subunidades
(a) (b) α (azul) y dos subinidades β (rojo).

(Estructura (pdb 2HHB) determinada por G.

Fermi y M.F. Perutz). d) Metano hidroxilasa
bacteriana, cuyas dos mitades (derecha
e izquierda en esta imagen) contienen
cada una tres tipos de subunidades.

(Estructura (pdb 1MMO) determinada por A.C.

Rosenzweig, C.A. Frederick, S.J. Lippard y P.

Nordlund).

(c) (d)

proteínas multisubunitarias cuyas subunidades operan de manera independiente.
En el capítulo 5 se examinará el comportamiento cooperativo de la hemoglobina, la
cual tiene cuatro sitios de unión a oxígeno interactuantes.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuáles son las ventajas de la estructura cuaternaria?

4-5. Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura
proteínica

Como los ácidos nucleicos (véase sección 3-4), las proteínas pueden purificarse y CONCEPTOS CLAVE
analizarse en el laboratorio. En esta sección se examinan algunos métodos de uso • La cromatografía es una técnica
común para aislar proteínas y determinar su secuencia de aminoácidos y sus estruc-
turas tridimensionales. para separar moléculas por
tamaño, carga o comportamiento
La cromatografía aprovecha las propiedades únicas de unión específico.
de los polipéptidos • Es posible determinar la
secuencia de aminoácidos en un
Como se describió en la sección 4-1, la secuencia de aminoácidos de una proteína polipéptido.
determina sus características químicas generales, incluidos tamaño, forma, carga y • La disposición tridimensional
capacidad de interactuar con otras sustancias. Se han diseñado diversas técnicas de de los átomos en una proteína
laboratorio para aprovechar estas características y separar proteínas de otros compo- puede deducirse midiendo la
nentes celulares. Una de las técnicas más poderosas es la cromatografía. Original- difracción de rayos X o electrones,
mente realizada con solventes que se desplazaban en papel, en la actualidad la o analizando la resonancia
cromatografía suele utilizar una columna llena con una matriz porosa (la fase esta- magnética nuclear.
cionaria) y una solución amortiguada (la fase móvil) que se difunde por la columna.
Proteínas u otros solutos avanzan por la columna a diferentes velocidades, depen-
diendo del modo en que interactúen con la fase estacionaria.

En la cromatografía de exclusión por tamaño (también llamada cromatografía
de filtración en gel), la fase estacionaria consta de cuentas diminutas con poros de un

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 109

Figura 4-20. Cromatografía de (a) (b)
exclusión por tamaño. a) Las
moléculas pequeñas (azul) pueden tamaño característico. Si una solución que contiene proteínas de diferentes tamaños
ingresar en el espacio dentro de las se aplica a la parte superior de la columna, las proteínas se moverán a través de la
cuentas porosas de la fase estacionaria, columna conforme el líquido gotee por la parte inferior. Las proteínas más grandes
mientras que moléculas grandes serán excluidas de los espacios dentro de las cuentas y pasarán por la columna más
(dorado) quedan excluidas. b) Cuando rápido que las pequeñas, las cuales permanecerán un tiempo dentro de las cuentas.
una mezcla de proteínas (verde) se aplica Las proteínas se separan de manera gradual y pueden recuperarse colectando la solu-
a la parte superior de una columna de ción que sale de la columna (figura 4-20).
exclusión por tamaño, las proteínas
grandes (dorado) migran con mayor La carga neta de una proteína a un pH específico puede aprovecharse para su
rapidez que las proteínas pequeñas purificación por cromatografía de intercambio iónico. En esta técnica, la fase só-
(azul) a través de la columna y se lida suele consistir en cuentas derivadas por unión a grupos dietilaminoetilo (DEAE),
recuperan colectando el material que con carga positiva, o grupos carboximetilo (CM), con carga negativa:
sale por la parte inferior de la columna.
De esta manera, es posible separar las
proteínas de una mezcla con base en su
tamaño.

Véase figura animada. Cromatografía de

filtración en gel.

DEAE CH2 CH2 CH2 CH3
NHϩ CH3

CH2

Véase figura animada. Cromatografía de CM CH2 COOϪ
intercambio iónico.
En el primer caso, las proteínas con carga negativa se unirán con fuerza a los grupos
Figura 4-21. Cromatografía de DEAE, mientras que las proteínas sin carga y con carga positiva pasarán a lo largo de
intercambio iónico. Cuando una la columna. Las proteínas unidas pueden entonces desalojarse haciendo pasar una
mezcla de proteínas (marrón) se aplica solución salina concentrada por la columna, de modo que los iones disueltos com-
a la parte superior de una columna pitan con las moléculas de proteína por la unión a los grupos DEAE (figura 4-21).
de intercambio aniónico con carga
positiva (p. ej., una matriz de DEAE), Alta concentración Alta concentración
proteínas con carga negativa (rojo)
se unen a la matriz, mientras que de sal de sal
las proteínas sin carga y catiónicas
(anaranjado y púrpura) fluyen por la
columna. La proteína deseada puede
desalojarse aplicando una solución con
alto contenido de sal (cuyos aniones
compiten con la proteína por unirse a
los grupos DEAE). En la cromatografía
de intercambio catiónico, proteínas con
carga negativa se unen a una matriz
aniónica (p. ej., una que contenga
grupos carboximetilo).

110 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

De manera alternativa, es posible reducir el pH del solvente de modo que los grupos
aniónicos de la proteína unida se protonen, con lo que se separarán de la matriz de
DEAE. De modo similar, las proteínas con carga positiva se unirán a los grupos CM
y pueden desalojarse después por medio de soluciones con alta concentración de sal
o a mayor pH.

El éxito del intercambio iónico puede mejorarse si se sabe algo acerca de la carga
neta de la proteína (ejemplo de cálculo 4-1) o su punto isoeléctrico (pI) el pH al
cual no porta carga neta. Para una molécula con dos grupos ionizables, el pI se en-
cuentra entre los valores de pK de esos dos grupos:

pI ϭ 1 (pK1 ϩ pK2) [4-1]
2

Sin embargo, una proteína puede contener muchos grupos ionizables, así que si bien
es posible estimar el pI a partir de su composición de aminoácidos, se determina de
manera más precisa por medios experimentales.

Es posible adaptar otras estrategias de unión para realizar separaciones cromato-
gráficas. Por ejemplo, puede inmovilizarse una molécula pequeña en la matriz cro-
matográfica, y las proteínas capaces de unirse de manera específica a esa molécula se
adherirán a la columna mientras que otras sustancias abandonarán ésta sin unirse.
Esta técnica, llamada cromatografía de afinidad, es un método de separación de
especial utilidad porque aprovecha la capacidad única de una proteína de interactuar
con otra molécula, más que alguna de sus propiedades generales como tamaño o
carga. Cromatografía de líquido de alto rendimiento (CLAR) es el nombre dado
a algunos métodos de separación cromatográfica, a menudo de naturaleza analítica
más que preparatoria, que se realizan en columnas cerradas a alta presión, con gasto
controlado de manera precisa y aplicación automatizada de la muestra.

La degradación de Edman y la espectrometría de masa
revelan las secuencias de aminoácidos

Un método clásico para secuenciar una proteína consta de varios pasos:

1. Se purifica la muestra de proteína por secuenciar (p. ej., mediante cromatogra- Véase figura animada. Generación de
fía u otros métodos) a fin de descartar otras proteínas. péptidos superpuestos para determinar
secuencias de aminoácidos.
2. Si la proteína contiene más de un tipo de cadena polipeptídica, se separan las
cadenas de modo que cada una pueda secuenciarse de manera individual. En
algunos casos, para esto es necesario romper (reducir) enlaces disulfuro.

3. Los polipéptidos grandes deben romperse en fragmentos más pequeños (< 100
residuos) que pueden secuenciarse de manera individual. La escisión puede
realizarse por medios químicos, por ejemplo tratando el polipéptido con
bromuro de cianógeno (CNBr), que escinde el enlace peptídico en el lado C
terminal de los residuos Met. La escisión también puede realizarse con protea-
sas (otro término para las peptidasas) que hidrolizan enlaces peptídicos
específicos. Por ejemplo, la proteasa tripsina escinde el enlace peptídico en el
lado C terminal de los residuos con carga positiva Arg y Lys:

NHϩ3 Lys NHϩ3
CH2 (o Arg) CH2
CH2
CH2 CH2
CH2 O
CH2 NH CH C

CH2 O RO H2O RO

NH CH C NH CH C Tripsina OϪ ϩ ϩ CH C

H3N

En el cuadro 4-4 se presentan algunas proteasas de uso común y sus sitios preferidos
de escisión.

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 111

CUADRO 4-4 | Especificidades de algunas proteasas

Proteasa Residuo que precede al enlace peptídico que se rompea

Quimotripsina Phe, Trp, Tyr
Elastasa Ala, Gly, Ser, Val
Termolisina Ile, Met, Phe, Trp, Tyr, Val
Tripsina Arg, Lys

a La escisión no ocurre si el residuo siguiente es Pro.

Véase figura animada. Degradación de 4. Cada péptido se secuencia mediante un procedimiento ideado por Pehr
Edman. Edman. En la degradación de Edman, el residuo N terminal del péptido se
deriva y se escinde, lo que deja un péptido más corto por un residuo, que se
somete a otra ronda de derivación y escisión (figura 4-22). Conforme se libera
cada residuo N terminal se le identifica, y se deduce la secuencia del péptido
por el orden de aparición de los aminoácidos derivados.

R1 O R2 O R3 O

N C S ϩ H2N CH C NH CH C NH CH C

Polipéptido

PTH-Aminoácido

1. El grupo amino libre del residuo N
terminal reacciona con
fenilisotiocianato (PITC). Las
flechas indican el movimiento de
electrones durante la reacción.

R1 O R2 O R3 O 4. El ciclo de reacción se
repite de modo que el
NH C NH CH C NH CH C NH CH C nuevo residuo N terminal
del polipéptido acortado
S puede extraerse e
identificarse. El orden de los
2. En presencia de ácido trifluoroacético PTH-aminoácidos liberados
anhidro, el enlace peptídico con el residuo por ciclos sucesivos de
N terminal se rompe, dejando un aminoácido dregradación de Edman
derivatizado y el polipéptido original corresponde a la secuencia
con un residuo menos. de aminoácidos en el
polipéptido original, del
extremo N al extremo C.

R1 O R2 O R3 O
HC C C
ϩ H3Nϩ CH C NH CH
NS
C Polipéptido original menos
su residuo N terminal
N
H

3. El ácido acuoso convierte el
aminoácido derivatizado en su forma
feniltiohidantoína (PTH), más estable,
que entonces se identifica.

R1 O
HC C

HN N
C

S Figura 4-22. Secuenciación de proteínas mediante
la degradación de Edman.
PTH-amino ácido

112 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

EM1 Cámara EM2 Figura 4-23. Secuenciación de
de colisión
péptidos por espectrometría de
ϩ ϩ
ϩ masa. Una solución de péptidos se
aspersa en el primer espectrómetro
ϩ de masa (EM1). Un ion peptídico se
selecciona para ingresar en la cámara de
ϩ ϩ colisión con objeto de fragmentarlo. El
ϩ segundo espectrómetro de masa (EM2)
mide entonces la proporción de masa
Alto sobre carga de los fragmentos del ion
voltaje peptídico. La secuencia del péptido se
determina comparando las masas de
5. A fin de reconstruir la secuencia del polipéptido intacto, se genera un conjunto fragmentos cada vez mayores.
distinto de fragmentos que se superpongan con el primer conjunto generado,
para poder alinear los dos juegos de fragmentos secuenciados.

Conjunto 1 Val Leu Lys Ser Phe Gly Arg Tyr Ala Gln Thr
(escindido
con tripsina)

Conjunto 2

(escindido Val Leu Lys Ser Phe Gly Arg Tyr Ala Gln Thr

con quimotripsina)

Un método más nuevo para determinar la secuencia de aminoácidos en una cadena
polipeptídica mide el tamaño de los fragmentos polipeptídicos por espectrometría de
masa. En esta técnica, una proteína (u otra macromolécula) se aspersa desde un tubo
capilar estrecho a alto voltaje, lo cual produce una serie de iones en fase gaseosa cuya
proporción de masa sobre carga puede medirse con gran exactitud. Pueden usarse dos
espectrómetros de masa en serie para determinar la secuencia de un péptido. El primer
instrumento separa los iones peptídicos de modo que sólo emerja uno. Entonces se
permite que éste choque contra un gas inerte, como helio, lo cual rompe el péptido,
por lo común en un enlace peptídico. El segundo espectrómetro de masa mide enton-
ces la proporción de masa sobre carga de los fragmentos peptídicos (figura 4-23). Dado
que los fragmentos sucesivamente más grandes difieren en un aminoácido, y pues-
to que se conoce la masa de cada uno de los 20 aminoácidos, es posible deducir la se-
cuencia de aminoácidos en un conjunto de fragmentos. Si bien la espectrometría de
masa no es práctica para secuenciar polipéptidos grandes, es más rápida que la degra-
dación de Edman y puede revelar detalles adicionales sobre la estructura proteínica,
por ejemplo aminoácidos modificados de manera covalente.

La estructura de las proteínas se determina por Figura 4-24. Un patrón de difracción
cristalografía de rayos X, cristalografía electrónica de rayos X. (Cortesía de Isolde Le Trong,
y espectroscopia por RMN
David Teller y Ronald Stenkamp, University of
La mayoría de las proteínas son demasiado pequeñas para visualizarse de manera di- Washington).
recta, incluso por microscopia electrónica, pero sus estructuras atómicas son accesibles
a sondas de alta energía en la forma de rayos X. La cristalografía de rayos X se realiza
en muestras de proteína que se han inducido a formar cristales. Un preparado proteí-
nico debe ser excepcionalmente puro a fin de cristalizar sin imperfecciones. Un cristal
de proteína, con frecuencia de no más de 0.5 mm de diámetro, suele contener 40 a
70% de agua en volumen y por tanto es más un gel que un sólido.

Cuando se bombardean con un haz estrecho de rayos X, los electrones de los
átomos del cristal dispersan los rayos X, los cuales se refuerzan y cancelan entre sí
para producir un patrón de difracción de la luz y puntos oscuros que pueden ser
capturados por medios electrónicos o en una placa de rayos X (figura 4-24).

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 113

5.0 Å 3.0 Å 1.5 Å El análisis matemático de las intensidades y posiciones de los ra-
yos X difractados produce un mapa tridimensional de la densidad
Figura 4-25. Estructura proteínica electrónica en la molécula cristalizada. El nivel de detalle de la ima-
a diferentes resoluciones. En este gen depende en parte de la calidad del cristal. Ligeras variaciones de
ejemplo, las zonas grises representan conformación entre las moléculas de proteína cristalizada a menudo
densidad electrónica, y la estructura limitan la resolución a unos 2 Å. Sin embargo, esto suele bastar para
proteínica se superpone en negro. A rastrear el esqueleto polipeptídico y discernir las formas generales de
medida que mejora la resolución, se las cadenas laterales (figura 4-25). Cuando Kendrew determinó la
hace más fácil rastrear el patrón del estructura cristalográfica de la mioglobina, se desconocía su secuen-
esqueleto de la proteína (una porción de cia de aminoácidos. En la actualidad, los cristalógrafos de proteínas
una hélice α). [Basado en un dibujo de Wayne suelen aprovechar la información sobre la secuencia de aminoácidos
para simplificar la tarea de dilucidar las estructuras proteínicas.
Hendrickson.] ¿Son exactas las estructuras obtenidas por rayos X? Podría esperarse
que una molécula cristalizada fuera absolutamente inmóvil, muy dis-
Figura 4-26. Estructura de RMN de tinta de una proteína en solución, que experimenta movimientos de
la glutarredoxina. Veinte estructuras flexión y estiramiento entre sus enlaces. Pero de hecho, las proteínas
obtenidas para esta proteína de 85
residuos, todas compatibles con los cristalizadas retienen algo de su capacidad de moverse. A veces pueden unirse a molécu-
datos de RMN, se muestran como las pequeñas que se difunden dentro del cristal (que es alrededor de 50% agua) y mediar
secuencias de carbonos α, desde el reacciones químicas. Estas actividades no serían posibles si la estructura de la proteína
extremo N terminal (azul) hasta el cristalizada no se aproximara a la estructura de la proteína en solución. Por último, pa-
extremo C terminal (rojo). (Estructura rece ser que los métodos de resonancia magnética nuclear (RMN, véase más adelante)
para determinar las estructuras de proteínas pequeñas en solución dan resultados con-
(pdb 1EGR) determinada por P. Sodano, sistentes con los datos de la cristalografía de rayos X.
T.- H. Xia, J.H. Bushweller, O. Bjornberg, A.
Holmgreen, M. Billeter y K. Wuthrich). Las proteínas difíciles de cristalizar, como las proteínas de membrana con exten-
sas regiones hidrófobas, a veces pueden analizarse por cristalografía electrónica,
una técnica en la cual son haces de electrones y no rayos X los que sondean la estruc-
tura proteínica. En un microscopio electrónico se colocan muestras de la proteína,
que no tienen que estar en forma cristalina, y se reúnen datos de difracción desde
varios ángulos. De esta manera es posible reconstruir la estructura tridimensional de
la proteína. Dado que los electrones interactúan más que los rayos X con los áto-
mos, la muestra es susceptible al daño por radiación. Esto puede minimizarse con-
gelando con rapidez la muestra y reuniendo datos a la temperatura del nitrógeno
líquido –196°C), un método llamado microscopia crioelectrónica. Por este méto-
do se han visualizado las estructuras de algunos complejos macromoleculares, in-
cluido el ribosoma (véase sección 22-2).

Las proteínas en solución pueden analizarse mediante espectroscopia por reso-
nancia magnética nuclear (RMN), que aprovecha la capacidad de los núcleos ató-
micos (más a menudo hidrógeno) de resonar en un campo magnético aplicado conforme
a sus interacciones con átomos cercanos. Un espectro de RMN consta de numerosos
picos que pueden analizarse para revelar las distancias entre dos átomos de H en cer-
canía en el espacio o conectados de manera covalente a través de 1 o 2 átomos. Estas
mediciones, junto con la información acerca de la secuencia de aminoácidos de la
proteína, se usan para construir un modelo tridimensional de la proteína. Debido a
la imprecisión inherente de las mediciones, la espectroscopia de RMN suele generar
un conjunto de estructuras estrechamente relacionadas, que puede dar una idea de la
flexibilidad conformacional natural de la proteína (figura 4-26).

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Qué tipos de cromatografía separarían proteínas de diferente tamaño? ¿O de

diferente carga?
• Resuma los pasos necesarios para secuenciar una proteína usando degradación de

Edman o espectrometría de masa.
• Compare el estado de la proteína por analizar mediante cristalografía de rayos X,

cristalografía electrónica y espectroscopia por RMN.

114 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

RESUMEN miento iónico, enlaces disulfuro y otros enlaces cruzados
también pueden ayudar a estabilizar proteínas
4-1. Las proteínas son cadenas de aminoácidos • Una proteína desnaturalizada puede volver a plegarse a su
estructura nativa. En una célula, las chaperonas molecula-
• Los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas se dife- res ayudan al plegamiento proteínico.
rencian por las propiedades químicas de sus cadenas latera-
les, que de manera aproximada se clasifican como hidrófo- 4-4. Estructura cuaternaria
bas, polares o con carga.
• Las proteínas con estructura cuaternaria tienen múltiples
• Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos para subunidades.
formar un polipéptido.
4-5. Herramientas y técnicas: Análisis de la
4-2. Estructura secundaria: Conformación del estructura proteínica
grupo peptídico
• En el laboratorio, las proteínas pueden purificarse mediante téc-
• La estructura secundaria de las proteínas incluye hélices α nicas cromatográficas basadas en propiedades de las proteínas
y láminas β, en las cuales se forman enlaces de hidrógeno como tamaño, carga y capacidad de unirse a otras moléculas.
entre grupos carbonilo y amida del esqueleto peptídico. La
estructura secundaria irregular carece de conformación re- • La secuencia de aminoácidos en un polipéptido puede
gularmente repetitiva. determinarse por derivación química y extracción en una
transformación de Edman, o midiendo la proporción de
4-3. Estructura terciaria y estabilidad de las proteínas masa sobre carga de fragmentos peptídicos en espectrome-
tría de masa.
• La forma tridimensional (estructura terciaria) de una pro-
teína incluye su esqueleto y todas las cadenas laterales. Una • Cristalografía de rayos X, cristalografía electrónica y espec-
proteína puede contener sólo estructuras α, sólo β, o una troscopia por RMN dan información sobre la estructura
mezcla de estructuras α y β. tridimensional de las proteínas al nivel atómico.

• Una proteína globular tiene un centro hidrófobo y es esta-
bilizada en mayor medida por el efecto hidrófobo. Aparea-

GLOSARIO enlace peptídico microambiente
espectrometría de masa microscopia crioelectrónica
α-aminoácido espectroscopia por RMN oligopéptido
asa esqueleto par iónico
Cα estructura cuaternaria patrón de difracción
chaperona molecular estructura nativa péptido
CLAR estructura primaria pI
cristalografía de rayos X estructura secundaria polipéptido
cristalografía electrónica estructura secundaria irregular prión
cromatografía estructura secundaria regular procesamiento
cromatografía de afinidad estructura terciaria proteasa
cromatografía de exclusión por exopeptidasa proteína
extremo C proteína fibrosa
tamaño extremo N proteína globular
cromatografía de intercambio grupo R proteína intrínsecamente no
hélice α
iónico hetero- estructurada
dedo de cinc hidrólisis quiralidad
degradación de Edman homo- reacción de condensación
depósitos de amiloide lámina β antiparalela renaturalización
desnaturalización lámina β paralela residuo
dominio subunidad
encefalopatía esponjiforme

transmisible (EET)
endopeptidasa
enlace disulfuro

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 115

PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 3 Aprenda a usar un programa de gráficas moleculares interactivas para visualizar y ma-
nipular las estructuras de proteínas obtenidas del Protein Data Bank.
Estructuras proteínicas

PROBLEMAS

4-1. Las proteínas son cadenas de aminoácidos 10. ¿Cuántos carbonos quirales tiene la treonina? ¿Cuántos este-
reoisómeros son posibles? Trace los estereoisómeros de la treonina.
1. ¿A qué pH un aminoácido portará tanto un grupo COOH
como un grupo NH2? 11. En ocasiones, los bioquímicos unen una proteína recombi-
nante a la llamada proteína fluorescente verde (GFP), que se purificó
2. La mayoría de los aminoácidos tienen puntos de fusión aproxi- por primera vez de medusas bioluminiscentes. El fluoróforo en la
mados de 300°C. Son solubles en agua pero insolubles en solventes GFP (que se ilustra) es un derivado de tres aminoácidos consecuti-
orgánicos no polares. ¿De qué manera estas observaciones apoyan su vos que experimentan ciclización de la cadena polipeptídica y oxida-
respuesta al problema 1? ción. Identifique a) los tres residuos y los enlaces que resultan de las
reacciones de b) ciclización y c) oxidación.
3. Diga cuáles de los 20 aminoácidos estándares
a) son cíclicos OH
b) son aromáticos
c) a veces tienen carga a pH fisiológicos OH CH
d) técnicamente no son hidrófobos, no son polares ni tienen
carga H2C N OO
c) son básicos
f ) son ácidos NH CH C N CH2 C
g) contienen azufre
12. Trace la estructura del dipéptido Lys-Glu a pH 7.0. Señale lo
4. Las cadenas laterales de asparagina y glutamina pueden experi- siguiente: a) enlace peptídico, b) extremo N terminal, c) extremo C
mentar hidrólisis en ácido acuoso. Escriba los reactivos y productos terminal, d) un grupo amino α y un grupo amino ε, e) un grupo
de la reacción de desaminación. Nombre los productos. carboxilato α y un grupo carboxilato γ.

5. Ordene los siguientes aminoácidos con base en su solubilidad 13. El edulcorante artificial no nutritivo aspartame es un dipépti-
en agua a pH 6.5: His, Phe, Ser, Ile, Asp, Trp. do con la secuencia Asp-Phe. El extremo carboxilo terminal se meti-
la. Trace la estructura del aspartame a pH 7.0.
6. Una muestra del aminoácido tirosina es escasamente soluble en
agua. ¿Sería más o menos soluble un polipéptido que contuviera sólo 14. En 1975 se aislaron del cerebro dos pentapéptidos con activi-
residuos Tyr, poli (Tyr), suponiendo que la cantidad total de Tyr dad tipo opiáceo. Los pentapéptidos, llamados Met-encefalina y
permanece constante? Leu-encefalina, tienen la secuencia que se muestran. Trace la estruc-
tura de las dos encefalinas a pH 7.0.
7. Los valores de pK de los grupos amino y carboxilo difieren en-
tre los aminoácidos libres y los que forman parte de polipéptidos. Met-encefalina Tyr-Gly-Gly-Phe-Met
Explique. Leu-encefalina Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

8. Las histonas son proteínas básicas que se unen al DNA. ¿Cuáles 15. El glutatión es un tripéptido que contiene Cys y se encuentra
aminoácidos se encuentran en abundancia en las histonas, y por en los eritrocitos, donde ayuda a eliminar peróxido de hidrógeno y
qué? ¿Qué interacciones intermoleculares importantes ocurren entre peróxidos orgánicos que podrían dañar de manera irreversible la he-
las histonas y el DNA? moglobina y las membranas celulares.

9. Los aminoácidos (excepto la glicina) son quirales; es decir, con- a) La secuencia del glutatión es γ-Glu-Cys-Gly. “γ-Glu” indica
tienen un carbono quiral y por tanto forman isómeros especulares, o que el primer enlace peptídico se forma entre el grupo γ-car-
enantiómeros. Los bioquímicos usan d y l para distinguir enantió- boxilo de la cadena lateral de Glu y el grupo α-amino de Cys.
meros en vez del sistema RS de los químicos. Dibujo la estructura de glutatión.
b) El glutatión a veces se abrevia GSH para indicar la importancia
a) Se muestra la estructura de la l-alanina. Señale el carbono de la cadena lateral de Cys en las reacciones; por ejemplo, dos
quiral y trace la estructura de la d-alanina. moléculas de GSH reaccionan con un peróxido orgánico como se
muestra. El glutatión se oxida a GSSG, y el peróxido orgánico se
COOϪ reduce a un alcohol menos dañino. Trace la estructura del GSSG.

ϩH3N C H glutatión

CH3 2 GSH ϩ R O O H peroxidasa
GSSG ϩ ROH ϩ H2O
L-Alanina

1. l-Alanina
b) La mayoría de las proteínas en los sistemas vivos constan de l-
aminoácidos. Sin embargo, los d-aminoácidos se encuentran en
algunos péptidos bacterianos cortos que constituyen las paredes
celulares. ¿Por qué podría ser esto ventajoso para las bacterias?

116 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

16. ¿Por qué no son intercambiables los términos proteína y po- c) Phe o Tyr.
lipéptido? d) Met o Cys.
e) Asn o Ile.
4-2. Estructura secundaria: conformación del
grupo peptídico 23. En experimentos de mutagénesis dirigida al sitio, Val a menu-
do se sustituye de manera exitosa por Gly, pero Gly no puede ser
17. La hélice α es estabilizada por enlaces de hidrógeno que se sustituida por Val. Explique.
orientan a lo largo de la hélice. El grupo carbonilo del n-ésimo resi-
duo forma un enlace de hidrógeno con el grupo –NH del (n + 24. Se realiza mutagénesis dirigida al sitio para probar prediccio-
4)-ésimo residuo. Trace la estructura de este enlace de hidrógeno. nes acerca de cuáles residuos son esenciales para el funcionamiento
de una proteína. ¿Cuál de cada par de sustituciones de aminoácido
18. Se sabe que la prolina interrumpe la hélice; a veces aparece en se esperaría que alterara más el funcionamiento de la proteína?
el extremo de una hélice α pero nunca dentro de ella. Explique.
a) Sustitución de Val por Ala o Phe.
19. En 1967, Schiffer y Edmonson desarrollaron una herramienta b) Sustitución de Lys por Asp o Arg.
llamada rueda helicoidal, que aún se usa ampliamente. Con ella se c) Sustitución de Gln por Glu o Asn.
visualiza una hélice en la cual el ángulo de rotación entre dos resi- d) Sustitución de Pro por Hys o Gly.
duos aminoácido consecutivos es de 100°. Dado que la hélice α
consta de 3.6 residuos por vuelta, el patrón se repite después de 25. Escriba dos cadenas laterales de aminoácido que pueden expe-
cinco vueltas y 18 residuos. En la representación final la vista está a rimentar las siguientes interacciones moleculares:
lo largo del eje helicoidal.
a) par iónico.
8 1 12 b) enlace de hidrógeno.
15 5 c) interacción de van der Waals (fuerzas de dispersión de
London).
4 16
26. Un tipo de distrofia muscular, llamada distrofia muscular au-
11 9 tosómica recesiva grave de la infancia (DMARGI), resulta de una
mutación en el gen que codifica una proteína muscular de 50 kD. La
18 2 proteína defectuosa causa necrosis muscular. Estudios detallados de
esta proteína revelan que el residuo arginina en la posición 98 ha
7 13 mutado a histidina. ¿Por qué la sustitución de arginina por histidina
14 6 genera una proteína defectuosa?
3 17
10 27. Las técnicas de laboratorio para unir aminoácidos al azar sue-
len generar un polipéptido insoluble, aunque los polipéptidos natu-
Enseguida se muestra la secuencia de un dominio de la proteína rales de la misma longitud suelen ser solubles. Explique.
gp 160 (presente en la envoltura del VIH), usando el código de una
letra para los aminoácidos. Grafique esta secuencia en la hélice heli- 28. Las proteínas pueden ser desplegadas o desnaturalizadas por
coidal. ¿Qué observa respecto a los tipos de residuos aminoácido a agentes que modifican el equilibrio entre fuerzas no covalentes débi-
cada lado de la rueda? les que mantienen la conformación nativa. ¿De qué manera los si-
guientes agentes podrían inducir la desnaturalización de una proteí-
MRVKEKYQHLWRWGWRWG na? Especifique acerca del tipo de fuerzas intermoleculares que
serían afectadas.
20. Un péptido con 24 residuos llamado pandinina 2 se aisló del
veneno de escorpión y se observó que tiene tanto propiedades anti- a) calor.
microbianas como hemolíticas. Se muestra la secuencia de los 18 b) pH.
primeros residuos de este péptido. a) Utilice la rueda helicoidal mos- c) detergentes anfifílicos.
trada en el problema 19 para graficar la secuencia de este péptido. b) d) agentes reductores, como 2-mercaptoetanol
Proponga una hipótesis para explicar por qué el péptido tiene la ca- (HSCH2CH2OH).
pacidad de lisar bacterias y eritrocitos.
29. En 1957, Christian Anfinsen realizó un experimento de des-
FWGALAKGALKLIPSLFS naturalización con ribonucleasa. La ribonucleasa, una enzima pan-
creática que cataliza la digestión del RNA, consta de una sola cadena
4-3. Estructura terciaria y estabilidad de las de 124 aminoácidos con cuatro enlaces cruzados disulfuro. Se agre-
proteínas garon urea y 2-mercaptoetanol a una solución de ribonucleasa, lo
cual hizo que se desplegara o desnaturalizara. La pérdida de estruc-
21. Examine la figura 4-8 (triosa fosfato isomerasa). ¿A cuáles de tura terciaria causó la pérdida de la actividad biológica. Cuando el
las clases CATH pertenece esta proteína? agente desnaturalizador (urea) y el agente reductor (mercaptoetanol)
se extrajeron de manera simultánea, la ribonucleasa volvió a plegarse
22. En cada una de las siguientes parejas, seleccione el aminoáci- de manera espontánea a su conformación nativa y recuperó su acti-
do que sería más probable que apareciera en la superficie expuesta al vidad enzimática plena en un proceso llamado renaturalización.
solvente de una proteína. ¿Qué implica este experimento?

a) His o Pro. 30. La insulina consta de dos cadenas, una cadena A y una B,
b) Ser o Ala. más larga. Las dos cadenas están unidas por enlaces disulfuro. In
vivo, la insulina se procesa a partir de proinsulina, que es una sola
cadena peptídica. La cadena C se elimina de la proinsulina para
formar insulina.

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 117

Cadena C 37. La glutatión transferasa es un dímero de dos subunidades
idénticas. El dímero está en equilibrio con sus monómeros constitu-
Q P P G E L A L AQ LG G LG G G L EVAG AQ P NQ yentes. Se realizaron estudios de mutagénesis dirigida al sitio en esta
KA proteína, en los cuales dos residuos arginina se sustituyeron por glu-
taminas, y dos aspartatos por asparaginas. Estas sustituciones despla-
RGIVEQCSCTSICS SLYCQaLdeEnNaYACN C E zaron el equilibrio a favor de la forma monomérica de la enzima. ¿En
R qué parte de la proteína es probable que se encuentren las argininas
y los aspartatos, y cuál es su cometido en la estabilización de la forma
S S R dimérica de la enzima?
S S A
38. Una proteína tetramérica se disocia en dímeros cuando el de-
N FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPK tergente dodecilsulfato sódico (SDS) se agrega a una solución de la
proteína. Pero se considera que los dímeros son resistentes a SDS
Cadena B porque no se disocian en monómeros en presencia del detergente.
¿Qué fuerzas intermoleculares podrían estar actuando en la interfaz
Se realizó con insulina un experimento de desnaturalización/ dímero-dímero? ¿Actúan las fuerzas intermoleculares de modo dife-
renaturalización similar al efectuado por Anfinsen con ribonuclea- rente en la interfaz monómero-monómero? Explique
sa (problema 29). Sin embargo, en contraste con los resultados de
Anfinsen, se recuperó menos de 10% de la actividad de insulina cuan- 4-5. Herramientas y técnicas: análisis de la
do la urea y el 2-mercaptoetanol se extrajeron por diálisis (éste es el estructura de las proteínas
nivel de actividad esperado si los puentes disulfuro se formaran al azar).
Cuando el experimento se repitió con proinsulina, se restableció la ac- 39. En el laboratorio, se planea emplear cromatografía de inter-
tividad plena tras la renaturalización. Explique estas observaciones. cambio iónico para separar el péptido que se muestra (con códigos
de una letra) de una mezcla de diferentes péptidos a pH 7.0. ¿Debe
31. A mediados de la decada de 1980-89, los científicos observa- elegirse una matriz que contenga grupos DEAE o CM?
ron que si las células se incubaban a 42°C y no a la temperatura
normal de 37°C, la síntesis de un grupo de proteínas aumentaba de Péptido: GLEKSLVRLGDVQPSLGKESRAKKFQRQ
manera impresionante. A falta de un mejor nombre, los científicos
las llamaron proteínas de choque térmico. Más tarde se determinó 40. El alergeno de los cacahuates, una proteína llamada Ara h8, se
que esas proteínas eran chaperonas moleculares. ¿Cuál es la razón de purificó y caracterizó hace poco. Al principio los investigadores tu-
que la célula incremente la síntesis de chaperonas cuando la tempe- vieron dificultad para separar Ara h8 de una proteína similar presen-
ratura aumenta? te en los cacahuates llamada Ara h6, porque ambas tienen tamaño
similar y valor de pI casi idéntico. Finalmente se logró la separación
32. Un laboratorio de modificación de proteínas en que se estu- de las dos proteínas cuando se observó que Ara h6 contiene 10 resi-
diaban las proteínas anticuerpos monoclonales caracterizó la estabi- duos cisteína participantes en puentes disulfuro, mientras que Ara
lidad térmica de estas proteínas midiendo su temperatura de fusión h8 no contiene cisteínas. La mezcla proteínica se trató con un agen-
(Tf), que se define como la temperatura a la cual se despliega la mi- te reductor, ditiotreitol (DTT), y luego con ácido yodoacético
tad de las proteínas. Los investigadores observaron una correlación (ICH2COOH, un reactivo que se une a un residuo –SH –lo alqui-
positiva entre Tf y la proporción molar de –SH de las proteínas. En la– y genera yodo libre). La mezcla se colocó entonces en una colum-
otras palabras, las proteínas con mayor contenido de –SH eran más na de intercambio iónico, y las dos proteínas se separaron con éxito.
termoestables. Explique la causa de esta observación.
a) Muestre los cambios estructurales que ocurren cuando los
33. La espectrina es una proteína presente en el citoesqueleto del residuos Cys se exponen a DTT y luego a ácido yodoacético.
eritrocito. El citoesqueleto consta de proteínas ancladas a la superfi- b) Trace un perfil de elución (concentración de proteína contra
cie citosólica de la membrana y da a la célula la fuerza y la flexibili- volumen de solvente) plausible para la separación de las proteí-
dad para abrirse paso a través de las paredes de los capilares. Las ca- nas por cromatografía de intercambio aniónico.
denas proteínicas de la espectrina constan de segmentos repetitivos c) Explique por qué este tratamiento permitió la separación
que forman haces de hélices α. En fechas recientes se aisló una exitosa de las dos proteínas.
espectrina mutante en la cual una glutamina era sustituida por pro-
lina. ¿Cuál sería el efecto de esta mutación en la proteína espectrina? 41. Se determina la secuencia de la crinia-angiotensina, un
¿Cuáles son las consecuencias para el eritrocito? undecapéptido tipo angiotensina II de la piel de la rana austra-
liana Crinia georgiana. Una sola ronda de degradación de Edman
34. ¿Por qué durante la evolución ocurren con más frecuencia libera DNP-Ala. Entonces una segunda muestra del péptido se trata
inserciones, deleciones y sustituciones de aminoácidos en asas que con quimotripsina. Se liberan dos fragmentos con las siguientes
en elementos de estructura secundaria regular? composiciones de aminoácidos: fragmento I (Hys, Pro, Phe, Val) y
fragmento II (Ala, Asp, Arg, Gly, Pro, Ile, Tyr). A continuación, una
4-4. Estructura cuaternaria tercera muestra del péptido se trata con tripsina, de lo que resultan
dos fragmentos con las siguientes composiciones de aminoácidos:
35. Las endonucleasas de restricción EcoRI y EcoRV son enzimas fragmento III (Ala, Asp, Arg, Gly, Pro) y fragmento IV (Hys, Ile,
diméricas (de dos subunidades) (véase sección 3-4). Con base en el Pro, Phe, Tyr, Val). El tratamiento de otra muestra con elastasa ge-
modo en que estas proteínas interactúan con el DNA, ¿espera usted nera tres fragmentos, dos de los cuales se secuencian: fragmento V
que sean homodiméricas o heterodiméricas? (Hys–Pro–Phe) y fragmento VI (Ala–Pro–Gly). ¿Cuál es la secuen-
cia del undecapéptido?
36. Una proteína con dos subunidades idénticas a menudo puede
girar 180° (media vuelta) alrededor de su eje para generar una es- 42. La hormona peptídica glucagon del pez tilapia del Nilo se
tructura idéntica; se dice que tal proteína tiene simetría rotacional. trató con quimotripsina, y los fragmentos resultantes se secuencia-
¿Por qué no es posible que una proteína tenga simetría especular ron. Una segunda muestra del polipéptido se trató con tripsina, y los
(esto es, que sus mitades sean la imagen en el espejo una de otra)? fragmentos se secuenciaron. ¿Cuál es la secuencia del polipéptido?

118 | CAPÍTULO 4 Estructura de las proteínas

Fragmentos por quimotripsina Fragmentos por tripsina a) ¿Por qué fue necesario realizar un mínimo de dos escisiones
proteolíticas diferentes de la proteína usando distintas proteasas?
LMNNKRSGAAE AQDFVRWLMNNK b) Una de las enzimas usadas por los investigadores fue tripsina.
Indique las secuencias de los fragmentos que resultarían de la
SNDY HSEGTFSNDYSK digestión con tripsina.
c) Elija una segunda proteasa para romper tanto la cadena ligera
HSEGTF RSGAAE como la pesada en fragmentos más pequeños. ¿Cuál proteasa
eligió, y por qué? Indique las secuencias de los fragmentos que
LEDRKAQDF YLEDRK resultarían de la digestión por la proteasa que se eligió.

VRW 46. En las procariotas, la frecuencia de error en la síntesis de pro-
teínas puede ser tan alta como 5 ϫ 10–4 por codón. ¿Cuántos poli-
SKY péptidos de a) 500 residuos o b) 2 000 residuos esperaría usted que
contuvieran una sustitución de un aminoácido?
43. Antes de secuenciarla, una proteína cuyas dos cadenas poli-
peptídicas idénticas están unidas por un enlace disulfuro deben reducir- 47. La espectrometría de masa es muy precisa, pero no puede
se y alkilarse (para bloquearlas químicamente). ¿Por qué es necesario distinguir Leu de Ile. Explique.
también realizar reducción y alkilación de una cadena polipeptídica
única que tiene un enlace disulfuro intramolecular? 48. ¿Cuál sería una mejor técnica –degradación de Edman o es-
pectrometría de masa– para determinar la secuencia de un polipép-
44. Se debe escindir el siguiente péptido en fragmentos más pe- tido cuyo extremo N terminal es modificado por la adición de un
queños. ¿Cuál de las proteasas del cuadro 4-4 producirá en teoría el grupo acetilo al grupo amino?
mayor número de fragmentos? ¿Y el menor número?
49. El análisis del cristal de una proteína por cristalografía de ra-
NMTQGRCKPVNTFVHEPLVDVQNVCFKE yos X a veces no puede revelar las posiciones de los primeros pocos
residuos de una cadena polipeptídica. Explique.
45. Las plántulas utilizan proteínas de almacenamiento en semilla
como una fuente importante de nitrógeno durante la germinación. 50. La cristalografía de rayos X produce modelos que muestran las
La secuencia de aminoácidos de una proteína de almacenamiento en posiciones de átomos como C, N y O. Los átomos de hidrógeno no se
semilla llamada BN se determinó como sigue. La proteína BN se detectan en la mayoría de los mapas de densidad electrónica, y deben
trató primero con 2-mercaptoetanol para reducir cualesquiera puen- agregarse después en sus posiciones inferidas. Agregue de manera re-
tes disulfuro. Este tratamiento reveló que BN consta de dos cadenas, trospectiva los átomos de H en la estructura polipeptídica que sigue.
una ligera y otra pesada. A continuación, las dos cadenas se separa-
ron, y tres muestras separadas de cada cadena se trataron con dife- ON
rentes proteasas. Los fragmentos obtenidos se secuenciaron de ma- C
nera individual por degradación de Edman. Se muestra la secuencia
(faltan los primeros cinco residuos de la cadena ligera, debido a un
extremo amino terminal bloqueado).

Cadena ligera C CC
C OC
R I P K C R K E F QQAQH L R A
C QQW L H K Q A NQ S G G G P S

Cadena pesada CNC C
NCC NC
P QG P QQR P P L L QQCCN E
KHQ E E P L C V C P T L KG A S OC O
K A V RQQ I RQQGQQQGQQ S
GQQ L QR E I S R I Y QT A TH
L P RVCN I P RV S I C P FQK
TMP G P

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Branden C, Tooze J: Introduction to Protein Structure, 2nd ed., proteopedia.org [Este recurso interactivo presenta tutoriales so-
Garland Publishing, 1999. [Un libro ampliamente ilustrado con bre las estructuras tridimensionales de proteínas, ácidos nuclei-
capítulos que introducen a los aminoácidos y la estructura de las cos y otras moléculas.]
proteínas, más otros sobre proteínas específicas clasificadas por
estructura y función.] Richardson JS, Richardson DC, Tweedy NB et al.: Looking
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Cuff AL, Sillitoe I, Lewis T, Redfern OC, Garratt R, Thornton phys. J. 1992;63:1186-1209. [Una revisión muy amena que
J, Orengo CA: The CATH classification revisited–architectures muestra diversas maneras de visualizar patrones de plegamiento
reviewed and new ways to characterize structural divergence in su- de proteínas.]
perfamilies, Nuc. Acids Res. 2009;37:D310-D314. [Resume un
método ampliamente usado para clasificar estructuras proteínicas.] Soto C, Estrada LD: Protein misfolding and neurodegene-
ration, Arch. Neurol. 2008;65:184-189. [Resume la evidencia
Goodsell DS: Visual methods from atoms to cells, Structure a favor de que el plegamiento incorrecto de proteínas es la cau-
2005; 13:347-354. [Analiza los desafíos de presentar diferentes sa de las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, EET, y otros
características de estructuras moleculares.] Proteopedia, www. trastornos.]

4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la estructura proteínica | 119

FUNCIONES DE LAS capítulo
PROTEÍNAS
5

La existencia de moléculas similares a la hemoglobina en
invertebrados como la artemia ofrece oportunidades para
estudiar el modo en que tales proteínas unen el oxígeno, cómo
cooperan sus múltiples dominios de unión de oxígeno y cómo
evolucionaron. Interrogantes similares y sobre estructura y función
aplican a cualquier familia de proteínas.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

UUna vez estudiados en el capítulo 4 los aminoácidos y los cuatro niveles de estruc-
tura proteínica, con atención especial a la estructura de las proteínas globulares,
se considerará el modo en que la estructura proteínica se relaciona con la función.
Al examinar las relaciones entre estructura y función en mioglobina, hemoglobina,
algunas proteínas estructurales y proteínas motoras, se abordarán temas más
amplios sobre la química de las proteínas. Entre ellos se incluyen unión de moléculas
pequeñas, evolución de las proteínas, propiedades únicas de las proteínas fibrosas, y
uso de energía química para generar movimiento. En los capítulos 6 y 7, dedicados
a las enzimas, se analiza la capacidad de las proteínas de participar en reacciones
químicas y acelerarlas. ■

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