Proteínas Estructura

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 α

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.

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. 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.

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

A. Representación de láminas ß paralelas. B. láminas ß antiparalelas

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.

Formación de un segmento de hélice α y hoja plegada ß

Giros ß

Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura α 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 180^o a la cadena principal de un polipéptido.

Aminoácidos como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo α 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.

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.

• Conexiones α - α
• Conexiones α - ß
• Conexiones ß - ß

Combinación de estructuras secundarias.

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.

Atención!

Esta 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 grupos polares con el agua

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–

Un enlace disulfuro entre los residuos de cisteína en diferentes cadenas de péptidos, conecta a las cadenas entre sí que de otra manera estarían separadas, mientras que un enlace disulfuro entre los residuos de cisteína dentro de la misma cadena forman un doblez. Por ejemplo, tal es el caso con la vasopresina, una hormona antidiurética que se encuentra en la glándula pituitaria. Nótese que el extremo terminal C de la vasopresina ocurre como una amida primaria, CONH₂, en lugar del ácido libre.

Interacciones Hidrófobas

Atención!

Las 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.

La mayor fuerza que rige la estructura de una proteína es el efecto hidrófobo, 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 aumento de entropía de las moléculas de agua del solvente, que de otra manera tendrían que ordenarse alrededor de cada grupo hidrófobo. 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.

Aunque no todos los aminoácidos hidrofóbicos se encuentran en el interior de las proteínas, cuando las cadenas laterales hidrofóbicas están expuestas a las moléculas polares del agua usualmente involucran un enlace hidrofóbico externo.

Fuerzas de Van Der Waals

Atención!

Las 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.

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

Atención!

La 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.

La estructura cuaternaria deriva de la conjunción de varias cadenas peptídicas que, asociadas, conforman un multímero, que posee propiedades distintas a la de sus monómeros componentes. Dichas subunidades se asocian entre sí mediante interacciones no covalentes, como pueden ser puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas o puentes salinos. Para el caso de una proteína constituida por dos monómeros, un dímero, éste puede ser un homodímero, si los monómeros constituyentes son iguales, o un heterodímero, si no lo son. En cuanto a uniones covalentes, también pueden existir uniones tipo puente disulfuro entre residuos de cisteína situados en cadenas distintas.

La estructura cuaternaria modula la actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros 19 Estructura y Propiedades de las Proteínas se realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de energía libre con respecto a los monómeros.