TUTORIAL DE PROTEÍNAS

boxes3.gif

Estructura de las proteínas

lightbulb_sm.gifLa estructura primaria se refiere a la secuencia de aminoácidos en la molécula.

 Cada molécula de proteína tiene una secuencia exacta de aminoácidos que comienza en el aminoácido N-terminal y termina en el aminoácido C-terminal. Ligeros cambios en la estructura primaria de una proteína tienen un efecto fundamental en las propiedades de esa proteína. Por ejemplo, las moléculas de hemoglobina de los individuos que sufren de anemia por células falciformes únicamente se diferencian en un aminoácido con respecto a las moléculas normales de hemoglobina.

Una molécula de hemoglobina consta de cuatro cadenas polipeptídicas, dos cadenas a y dos cadenas ß. Cada una de estas cuatro cadenas contiene cerca de 140 moléculas de aminoácidos. En la cadena ß de la hemoglobina normal, una molécula de ácido glutámico es el sexto aminoácido desde el extremo N-terminal de la cadena; sin embargo, en la hemoglobina de las células falciformes, una valina está localizada en esa posición.

Una sustitución de un aminoácido con una cadena lateral no polar (valina) por una cadena lateral polar (ácido glutámico), cambia la estructura de la molécula de la hemoglobina y las propiedades de los glóbulos rojos. Cuando la concentración de oxígeno en la sangre es baja, los glóbulos rojos de una persona con anemia por células falciformes toman la forma de una hoz en lugar de la forma de rosca ( donut) de los glóbulos rojos normales. Las células falciformes no funcionan adecuadamente y producen bloqueos en los pequeños vasos sanguíneos.

Estructura secundaria

lightbulb_sm.gifLa estructura secundaria de una proteína, es el arreglo fijo de los aminoácidos resultante de las interacciones entre los enlaces amídicos cercanos entre sí en la cadena proteínica.

Se pueden distinguir varios tipos de conformaciones que determinan la estructura secundaria de una proteína:

Conformación al azar

En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la misma, no existen interacciones de suficiente consideración como para que se pueda distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria. En estos casos se habla de conformación al azar.

A continuación se representa la porción de estructura denominada dedo de zinc, muy común en proteínas que interaccionan con el ADN.

Hélice a

Cuando la cadena principal o esqueleto de un polipéptido se pliega en el espacio en forma de helicoide dextrógiro se adopta una conformación denominada hélice a. Esta estructura es periódica y en ella cada enlace peptídico puede establecer dos puentes de hidrógeno. Un puente de hidrógeno se forma entre el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido en posición n y el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición n-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido en posición n y el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición n+4. Cada vuelta de la hélice implica 3,6 aminoácidos, con una translación media por residuo de 0,15 nm, lo que indica que la hélice tiene un paso de rosca de 0,54 nm. Dicho con otras palabras, una vuelta completa de la hélice a representa una distancia de 0,54 nm y contiene 3,6 residuos de aminoácido.

Las cadenas laterales de los aminoácido se sitúan en la parte externa del helicoide, lo que evita problemas de impedimentos estéricos. En consecuencia, esta estructura puede albergar a cualquier aminoácido, a excepción de la prolina, cuyo carbono no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Por este motivo, la prolina suele determinar una interrupción en la conformación en hélice a. Los aminoácido muy polares ( Lys, Glu) también desestabilizan la hélice a porque los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las interacciones electrostáticas de atracción o repulsión. Por este motivo, la estructura en hélice a es la que predomina a valores de pH en los que los grupos ionizables no están cargados. En caso contrario, adoptan la conformación al azar.

Hoja ß

Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada estructura ß, que suele representarse como una flecha.

 En esta estructura las cadenas laterales de los aminoácidos se sitúan de forma alternante a la derecha y a la izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica (de color verde en la figura de la izquierda). Las estructuras ß de distintas cadenas polipeptídicas o bien las estructuras ß de distintas zonas de una misma cadena polipeptídica pueden interaccionar entre sí mediante puentes de hidrógeno, dando lugar a estructuras laminares llamadas por su forma hojas plegadas u hojas ß (con los puentes de hidrógeno representados de color verde).

Cuando las estructuras ß tienen el mismo sentido NC, la hoja ß resultante es paralela, y si las estructuras ß tienen sentidos opuestos, la hoja plegada resultante es antiparalela.

En la fibroína de la seda, que es una proteína fibrosa, numerosas estructuras ß antiparalelas dan lugar a varias hojas ß, pero también aparece en proteínas globlulares como las inmunoglobulinas.

Giros ß

Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura a o ß a menudo están conectadas entre sí por medio de los llamados giros ß. Son secuencias cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180o a la cadena principal de un polipéptido.

Aminoácidos como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo a o ß) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura.

La conformación de los giros ß está estabilizada generalmente por medio de un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro ß (en color verde).

Estructuras de conexión

Para que las hojas y las hélices puedan formar estructuras globulares y no lineales, es necesario que la cadena polipeptídica se curve. Se conocen varios tipos de curvaturas definidas.

 

Conformación del colágeno

El colágeno es una importante proteína fibrosa, con función estructural. Presenta una secuencia típica compuesta por la repetición periódica de grupos de tres aminoácidos. El primer aminoácido de cada grupo es Gly, y los otros dos son Pro (o hidroxiprolina) y un aminoácido cualquiera: -(G-P-X)-.

La frecuencia periódica de la Prolina condiciona el enrollamiento peculiar del colágeno en forma de hélice levógira. La glicina, sin cadena lateral, permite la aproximación entre distintas hélices, de forma que tres hélices levógiras se asocian para formar un helicoide dextrógiro.

Estructura terciaria

La imagen que hasta ahora se tiene de una proteína es la de un resorte enrollado sin cohesión, al cual le hace falta una distribución geométrica definida. Los enlaces de hidrógeno dentro de las cadenas son adecuados para mantener la configuración espiral x de una proteína, pero no son lo suficientemente fuerte para estabilizar a esta conformación en solución acuosa.

Recuérdese que el agua es una sustancia que forma enlaces de hidrógeno. Por tanto, las moléculas de agua pueden competir eficazmente en los sitios de formación de enlaces de hidrógeno del esqueleto de la hélice a. Esto causaría una alteración de los enlaces internos, y la proteína adoptaría una configuración al azar en forma simultánea a la alteración. Sin embargo, las evidencias experimentales han demostrado que no se destruye la configuración en espiral a cuando la molécula se disuelve en agua.

Por tanto, debe concluirse que intervienen otras fuerzas en la condensación de las cadenas largas espirales a las estructuras geométricas definidas que son características en las diferentes proteínas.

lightbulb_sm.gifEsta forma tridimensional única, que resulta del plegamiento y flexión precisos de la vuelta en espiral, se conoce como estructura terciaria. La estructura terciaria de una proteína está íntimamente ligada con el funcionamiento bioquímico adecuado de esa proteína.

Los enlaces responsables de la estructura terciaria de una proteína son función de la naturaleza de las cadenas laterales de los aminoácidos de la propia molécula. Muchas proteínas son sumamente compactas, casi de forma esférica; estas proteínas tienen sus cadenas laterales no polares dirigidas hacia el interior de la molécula (región hidrófoba o no acuosa) y sus cadenas laterales polares se proyectan hacia el exterior de la superficie de la molécula, hacia el medio acuoso. Los enlaces que estabilizan la estructura terciaria de las proteínas son:

 

  1. enlaces salinos

  2. enlaces de hidrógeno

  3. enlaces disulfuro

  4. interacciones hidrófobas

  5. interacciones de los grupos polares con el agua

 

Para observar como se forman estos enlaces que estabilizan la estructura proteica, se utilizará un ejemplo de un péptido de 12 aminoácidos pertenecientes a la estructura de la quimotripsina (desde la glicina193 a la asparragina204). Para una mejor visualización, sigua la serie de comandos en el orden que aparece en la parte de abajo del modelo molecular. La quimotripsina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas (A, B, C, D).

El esqueleto polipeptídico se representa en color violeta, mientras que las cadenas laterales de los aminoácidos se representan con los colores típicos C , H , N, O, P, S .

Enlaces disulfuro

Este tipo de enlaces se establece al oxidarse dos cisteínas para formar una cistina, unión de los dos azufres. Este tipo de uniones se conocen con el nombre de puentes disulfuro.

–CH2–S–S–CH2

Por ejemplo el puente disulfuro entre la Cys201 y la Cys136.

Enlaces salinos

Los aminoácidos básicos y ácidos de las proteínas presentan carga eléctrica a pH fisiológico. Al poderse encontrar en el esqueleto polipeptídico aminoácidos ácidos (Glu y Asp) que presentan carga negativa; y aminoácidos básicos (His, Lys, Arg) que presentan carga positiva; hay distintas regiones de las proteínas con carga opuesta que se atraen por fuerzas electrostáticas, interacciones que se conoce con el nombre de enlace salino.
Los aminoácidos que presentan carga en su cadena lateral se suelen localizar más en la parte exterior de la proteína, que en el interior de la misma, en esta localización se encuentran mayoritariamente los aminoácidos hidrofóbicos.

Aunque es raro encontrar aminoácidos cargados en el interior de la proteína, si están, juegan un papel importante ya que la distancia y fuerza de este tipo de enlace se aproxima a los valores del enlace covalente (2,8 Å).
En el modelo propuesto como ejemplo, el grupo ácido de la cadena lateral del aspartato (194) interacciona con el grupo amino terminal de la cadena B, corresponiente a una Isoleucina (16).

Los grupos cargados normalmente se encuentran en la superficie de la proteína, y determinan el correcto plegamiento de la proteína al poder interaccionar con el agua de solvatación. Las moléculas de agua interaccionan con las cargas de las cadenas laterales (o grupo amino y carboxilo terminal). Son ejemplos de este tipo de interacción las Lys202 y Lys203 con las moléculas de agua de solvatación.

Puentes de hidrógeno

En la estructura de las proteínas hay diferentes tipos de enlaces por puentes de hidrógeno, dependiendo de los átomos que intervienen en el mismo:

 

Interacciones hidrofóbicas

lightbulb_sm.gifLas interacciones hidrofóbicas se dan entre las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbico, estos aminoácidos suelen disponerse en el interior de la proteína, evitando de esta manera las interacciones con el agua.

Este tipo de fuerzas hidrofóbicas intervienen en el correcto plegamiento de la proteína. Las uniones hidrofóbicas suelen darse en el interior, corazón hidrofóbico de la proteína, donde la mayoría de cadenas laterales puede asociarse estrechamente y se encuentran protegidas de las interacciones con el disolvente. Así la Pro198 y la Val200 son dos de los seis aminoácidos hidrofóbicos del modelo polipeptídico. Estos dos aminoácidos se asociación de manera estrecha con las cadenas hidrocarbonadas de Leu209, Val121 y Trp207. Este tipo de interacciones ayudan a mantener la estructura tridimensional de las proteína.

Aunque no todos los aminoácidos hidrofóbicos se encuentran en el interior de las proteínas, cuando las cadena lateral hidrofóbicas están expuestas a las moléculas polares del agua usualmente involucran un enlace hidrofóbico externo. Podemos observar la unión hidrofóbica entre la Pro24 y Phe71.

Fuerzas de Van Der Waals

lightbulb_sm.gifLas fuerzas de Van der Waals, son atracciones eléctricas débiles entre diferentes átomos.

Estas fuerzas son el resultado de las fuerzas atractivas y repulsivas que se establecen al acercarse los átomos, de manera que existe una distancia en que la atracción es máxima. Esta distancia se encuentra en lo que se conoce con el nombre de radios de Van der Waals. Estas fuerzas se deben a que cada átomo posee una nube electrónica que puede fluctuar, creando de esta manera dipolos temporales. El dipolo transitorio en un enlace puede inducir un dipolo complementario en otro enlace, provocando que dos átomos de los diferentes enlaces se mantengan juntos. Estos dipolos transitorios provocan una atracción electrostática débil: las fuerzas de Van der Waals.

Los puntos alrededor de los átomos representan el radio de Van der Waals.

Estas atracciones de Van der Waals, aunque transitorias y débiles son un componente importante en la estructura de las proteínas porque su número es importante. La mayoría de los átomos de una proteína están empaquetados lo suficientemente próximos unos de otros para involucrar estas fuerzas transitorias.

Estructura Cuaternaria

lightbulb_sm.gifLa estructura cuaternaria es el nivel de organización en el cual las unidades de proteínas en su estado ya plegado, es decir con su estructura terciaria se agregan para formar homo o hetero multímeros.

Hetero multímeros

En este caso nosotros encontramos diferentes proteínas (cadenas polipeptídicas plegadas en su estructura terciaria) que se agregan para formar una unidad . Un buen ejemplo de esto es el centro de reacción fotosintético.

A menudo las diferentes cadenas tienen diferentes funciones, todas relacionadas, por ejemplo, una cadena es responsable de la unión, otra es responsable de la regulación y una tercera de la actividad enzimática. No es poco común encontrar más de una copia de una misma cadena en una proteína compleja. Un ejemplo de esto es la ATP sintasa F1.

Dos pasos en la vía de biosíntesis del triptófano (en Salmonella typhimurium) están catalizados por la Triptófano sintasa, la cual consiste de dos cadenas separadas, designadas como a y b, cada una de las cuales es efectivamente una enzima diferente. La unidad biológicamente activa es un hetero-tetramero compuesto de dos subunidades a y dos subunidades b.

Se puede encontrar que a veces se asocian subformas de las misma proteína, que presentan solo leves diferencias. Por ejemplo la hemoglobina tiene tanto cadenas alfa como cadenas betas, las cuales se asocian para formar el heterodímero. Dos copias de este se asocian para formar el tetrámero normal de la hemoglobina. Este es equivalente a tener un dímero de cadenas alfa asociado con un dímero de cadenas betas.

También puede presentarse que dos cadenas diferentes se asocien para formar una estructura secundaria superior mayor. Este es el caso de la lectina donde se forma una hoja beta muy grande por la asociación de diferentes cadenas proteicas:

Homo multímeros

Es muy común encontrar copias de la misma cadena asociadas no covalentemente. Estos complejos, son generalmente, aunque no siempre, simétricos. Debido a que las proteínas son inherentemente objetos asimétricos, los multímeros presentan casi siempre simetría rotacional alrededor de uno o mas ejes. La mayoría de las enzimas de las vías metabólicas se agregan en esta forma, formando dímeros, trímeros, tetrámeros, hexámeros, octámeros, decámeros, dodecámeros ( o aun incluso tetradecámeros como en el caso de la chaperona GroEL).

Se piensa que la razón de esta asociación es para adquirir propiedades regulatorias como cooperatividad y alosterismo. En efecto pequeños cambios conformacionales relacionados con la asociación de las subunidades que acompañan a la unión del sustrato y que modifican la eficiencia catalítica de la enzima. El ejemplo más estudiado es el "movimiento de exhalación" observado en el tetrámero de la hemoglobina.

Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser:

 

 

Estructura quinquenaria

Las proteínas a y ß-tubulina (en color azul y verde) forman unos dímeros que se ensamblan formando filamentos huecos enormemente largos llamados microtúbulos que tienen unos 24 mm de diámetro, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del citoesqueleto de las células (que contribuyen a dar forma a las células), del centriolo (que participa en la mitosis), y de los cilios y flagelos (que participan en la motilidad celular).

La primer etapa de formación de microtubos se denomina "nucleación". Este proceso requiere Mg+2 y GTP y se lleva a cabo a una temperatura de 37o centígrados. Esta etapa es relativamente lente hasta que se empieza a formar el microtubo. Luego la segunda fase, se llama "elongación" y procede mucho más rápido.

Durante la "nucleación", una molécula de a y ß-tubulina se unen para formar el heterodímero. luego se unen a otros dímeros para formar un oligómero y se estira y forma un protofilamento.

La a-Tubulina tiene una molécula de GTP (trifosfato de guanosina) enlazada que no se hidroliza. En tanto que, la ß-tubulina puede contener GTP o GDP (difosfato de guanosina). Bajo ciertas condiciones la ß-tubulina pude hidrolizar su GTP a GDP liberando un Pi (fosfato) que puede ser recibido por una molécula de GDP que se transforma en GTP.

A lo largo del eje del microtubo, los heterodímeros de tubulina se unen extremo con extremo para formar protofilamentos con subunidades a y ß alternas. Este ensamble de 13 protofilamentos conducen al arreglo helicoidal de la tubulina.