Las proteínas sufren cambios específicos de conformación espacial bajo ciertos factores físicos y químicos. Sin embargo, su estructura primaria o disposición de aminoácidos permanece inalterada. Deben funcionar en un medio acuoso, por lo que las fuerzas que construyen la estructura de 4 niveles no solo existen en la proteína, sino que también incluyen interacciones con el agua.La estructura de las proteínas es extremadamente delicada. A veces, incluso pequeños cambios conformacionales pueden afectar su función, por ejemplo, la pérdida de un enlace secundario o un grupo de cadena lateral que se orienta en otra dirección. La desnaturalización implica la desaparición de la estructura ordenada en la mayoría de los casos. Cuando está completamente desnaturalizada, se convierte en una espiral aleatoria de cadenas peptídicas. Algunas proteínas se despliegan naturalmente, como la caseína, que es difícil de desnaturalizar debido a la ausencia de estructuras de orden superior.
Los cambios conformacionales afectan las funciones biológicas de manera bidireccional. Su actividad se pierde o reduce completamente en la mayoría de los casos. Sin embargo, a veces no solo mantienen la actividad biológica sino que incluso la mejoran. Esto se debe a que la conformación de las regiones no esenciales solo cambia ligeramente; los sitios activos ocultos se exponen cuando se despliegan, y el área de superficie aumentada los hace más accesibles a otras moléculas; los cambios conformacionales también pueden formar agregados o complejos con nuevas funciones; en inmunología, las proteínas desplegadas pueden ser más fácilmente reconocidas por el sistema inmunológico porque más epítopos se llevan a la superficie.
Si la desnaturalización es reversible, está estrechamente relacionada con la complejidad de la proteína y el grado de cambios estructurales. Estructuras simples y cambios leves hacen que sea probable que regresen a sus actividades biológicas originales. Algunas proteínas complejas no pueden formar espontáneamente su propia estructura y necesitan la ayuda de otras moléculas para plegarse. Su desnaturalización es a menudo irreversible.
Entonces, ¿qué factores afectan la desnaturalización de la proteína?
Alta Temperatura
Hace que los átomos que componen las proteínas vibren más violentamente. Las moléculas de agua también las impactan más fuerte y frecuentemente. Las fuerzas de Van der Waals, las interacciones hidrofóbicas y los enlaces de hidrógeno se rompen secuencialmente. Las moléculas se despliegan en solución acuosa dejando expuestos algunos residuos hidrofóbicos, posteriormente ocurrirá agregación entre las moléculas de proteína. Es notable que los enlaces disulfuro y los enlaces peptídicos de alta energía son difíciles de romper, incluso si se hierve el agua. Freír o asar a la parrilla puede romper estos enlaces covalentes.
La razón por la cual la actividad biológica de la proteína es muy sensible a la temperatura es que los enlaces secundarios que mantienen la estructura son débiles. El coeficiente Q10 en muchas reacciones químicas es de 3 a 4. Es decir, por cada aumento de 10°C, la reacción se acelerará de 3 a 4 veces. Este número en las proteínas varía de 100 a 600. Cuando la temperatura supera un umbral, la tasa de desnaturalización aumenta aproximadamente de 100 a 600 veces por cada 10°C.
Esta propiedad es muy importante en el procesamiento de alimentos. Por ejemplo, la esterilización instantánea a ultra alta temperatura (UHT) destruye las proteínas o enzimas biológicamente activas en poco tiempo. Al mismo tiempo, otros nutrientes en los alimentos cambian menos.
pH
Los iones de hidrógeno o los iones hidroxilo en el agua afectan la disociación de los grupos de las cadenas laterales. Dan a la superficie de la proteína una carga positiva o negativa extra. Si el pH cambia levemente, no ocurre la desnaturalización de la proteína, porque la interacción de las cargas extra es menor que otras fuerzas que estabilizan su estructura. Sin embargo, la situación es diferente en condiciones extremas de pH. Por ejemplo, cuando el pH baja a 2, los grupos R son generalmente positivos y las cargas negativas se neutralizan. La desaparición de la atracción y el aumento de la repulsión electrostática hacen que las moléculas de proteína se desplieguen en cadenas. Además, las moléculas de proteína se agregarán cerca del punto isoeléctrico. Porque en este momento llevan una carga neta cero en la superficie, las interacciones hidrofóbicas y las fuerzas de Van der Waals las agrupan.
El efecto destructivo de los ácidos fuertes es particularmente evidente en el estómago del carroñero. El valor promedio de pH en el estómago del buitre es tan bajo como 1. No solo disuelven rápidamente músculos y huesos sino que también eliminan patógenos.
Alta Concentración de Solución Salina (No metales pesados)
Si no se agrega mucha sal neutra, promoverá la disolución. Este fenómeno se llama "salado dentro." Sin embargo, a alta concentración, la solubilidad cae bruscamente y las proteínas pueden precipitar. Se refiere como "salado fuera." Su efecto destructivo se manifiesta principalmente en los siguientes dos aspectos. La carga en la superficie de la proteína atrae moléculas de agua para formar una capa de hidratación. Las altas concentraciones de agua salada evitan que las cadenas laterales se disocien. Algunos átomos parcialmente cargados, como oxígeno e hidrógeno, no pueden competir con los iones salinos completamente cargados por las moléculas de agua. Por lo tanto, la capa de hidratación será más delgada en agua salada. Los iones salinos también se adsorben en la superficie para neutralizar la carga. Las proteínas con fuerzas repulsivas debilitadas son más propensas a agregarse y precipitarse juntas. Su desnaturalización es temporal y la actividad biológica se restaura cuando se diluye con agua destilada. Por lo tanto, se utiliza comúnmente para la separación y preparación de proteínas biológicamente activas como enzimas y hormonas.
La producción de tofu es un ejemplo clásico de salado fuera. Los coagulantes salinos comunes incluyen cloruro de magnesio y sulfato de calcio. Los iones metálicos hacen que la proteína de soja se coagule en una estructura de red para formar tofu sólido.
Solventes Orgánicos y Detergentes
Los grupos hidrofóbicos prefieren contactar con solventes orgánicos para resultar en las interacciones hidrofóbicas destruidas. Algunas subunidades combinadas por esta fuerza se separan. Los grupos enterrados en el interior también se exponen. Una constante dieléctrica pequeña significa que los solventes orgánicos no se polarizan fácilmente y se adsorben en la superficie para proteger el campo eléctrico. Como resultado, promueve la atracción y repulsión intramolecular, como más hélices alfa.
Los detergentes o surfactantes son una combinación de solventes orgánicos y sales. El dodecil sulfato de sodio (SDS) tiene una cola de hidrocarburo y una cabeza hidrofílica con carga negativa. La cola entra en el interior para combinarse con la parte hidrofóbica. La carga neta en toda la proteína aumenta, por lo que varias partes se repelen entre sí para hacerla estirarse. Un cambio estructural completo y drástico ocurre con solo un poco de SDS. Obviamente, esta desnaturalización en la proteína es irreversible.