NikosovaWatson

4. Estructura de una proteína. La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una de estas estructuras depende de la disposición de la estructura anterior en el espacio, esto otorga a la proteína una complejidad estructural que será indispensable para realizar su función correctamente. 4.1. Estructura primaria. La estructura primaria depende de la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y su orden. La secuencia de una proteína se escribe enumerando los aminoácidos desde el extremo N-terminal hasta el C-terminal. Esta secuencia hace que la proteína cumpla una función u otra y un cambio en esta secuencia genera efectos importantes. Ej. El cambio de un solo aa en la hemoglobina humana que provoca la anemia falciforme. Por las características del enlace peptídico, la estructura será lineal y sin ramificaciones donde los aa se van uniendo de forma invertida, esto provoca que sus radicales se dispongan por encima y por debajo alternativamente con respecto al esqueleto -NCCNCC-. El enlace peptídico dificulta la rotación por lo que la cadena se dispone en zig-zag y hace que sean posibles las interacciones y uniones que forman el resto de niveles. Si nos fijamos en los ángulos de rotación de los enlaces que poseen movimiento se pueden apreciar las estructuras que son estables y las que no lo son al formar la estructura secundaria. Si existen 20 aa diferentes, una proteína pequeña que contenga 100 aa podrá tener 20 ^100 combinaciones posibles, por lo que su orden no se produce al azar sino que viene determinado por el ADN para que la síntesis de la cadena polipeptídica sea exacta. Se puede ver como a lo largo de la evolución se han ido modificando las secuencias para producir mejores estructuras y también se puede ver lo que ocurre si hay un fallo en estas secuencias. 4.2. Estructura secundaria La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio, gracias a la capacidad de giro de sus enlaces no peptidicos y a las interacciones no covalentes entre los restos laterales de los aa. Como la secuencia de aa es muy larga, algunos segmentos tendrán una estructura periódica que permitirá la formación de estas configuraciones pero también habrá partes aperiódicas e irregulares (ovillo estadístico), en estos casos los ángulos de rotación son diferentes (ψ y ɸ) Esta conformación viene dada por puentes de hidrógeno intercatenarios. En esta estructura secundaria existen sectores de los polipéptidos cuya estructura no está bien definida: los enroscamientos aleatorios o “ad-random”. Cada segmento de la estructura primaria puede adoptar una estructura secundaria en función de los aa que contengan en esos tramos. Existen tres conformaciones que son las estructuras secundarias principales que se pueden formar en una cadena polipeptídica, hay que recordar que su plegamiento depende de los radicales de determinados aa que inestabilizan la estructura y por la movilidad reducida de la cadena debido a los enlaces peptídicos: - Conformación α (hélice): estructura en forma de bastón hueca formada al enrollarse helicoidalmente la estructura primaria sobre sí misma. Es hueca debido a que los radicales y los H del Cα se sitúan hacia el exterior (esto provoca que puedan unirse a otras moléculas, cuando se unen al agua forman dispersiones coloidales). El enrollamiento de la estructura primaria sobre si misma se debe a la formación espontánea de enlaces por puentes de hidrógeno entre aminoácidos de la misma cadena (el —CO— de un aminoácido y el —NH— del cuarto aminoácido que le sigue). En la α-hélice, los oxígenos de todos los grupos —CO— quedan orientados en el mismo sentido, y los hidrógenos de todos los grupos —NH— quedan orientados justo en el sentido contrario. La α-hélice presenta 3,6 aminoácidos por vuelta y la rotación es hacia la derecha. - Conformación β (hoja plegada): Son estructuras flexibles que no se pueden estirar. No existen enlaces de hidrógeno entre los aminoácidos próximos de la cadena polipeptídica, pero sí que existen enlaces de hidrógeno intercatenarios (entre la misma cadena o cadenas polipeptidicas diferentes), en los que participan todos los grupos de los enlaces peptídicos (C=O y H-N), dando una gran estabilidad a la estructura. En este estado los radicales de los aa se colocan alternativamente hacia arriba y hacia abajo y los aa con radicales muy voluminosos o con las mismas cargas eléctricas impedirán la formación de puentes de hidrógeno. Esta conformación hace que la estructura tenga forma de hoja con pliegues. Si la cadena con conformación β se repliega sobre sí misma, se pueden establecer puentes de hidrógeno entre segmentos que estaban separados y que han quedado próximos. Esto da lugar a una lámina en zigzag muy estable denominada β-lámina plegada. Esta estructura también se puede formar entre dos o más cadenas polipeptídicas diferentes. Las dos cadenas se pueden unir de dos formas distintas: paralela y antiparalela. o Forma antiparalela: Los dos sectores que se unen lo hacen en sentidos inversos, en esta forma los puentes de hidrógeno son más estables ya que los átomos que los forman están más cerca por lo que la estabilidad de esta forma es mayor. La antiparalela es un poco más compacta y aparece con mayor frecuencia en las proteínas. o Forma paralela: Los sectores que se unen están en el mismo sentido, esto hace que la distancia de los puentes de hidrógeno sea mayor y por tanto tendrán la estructura más inestable que la forma antiparalela. o giros β: Estas dos conformaciones β obligan a la cadena polipeptídica a realizar giros bruscos de 180º llamados giros β. Las secuencias que contienen estos giros generalmente son cortas y contienen aa que desestabilizan las estructuras α y β como la prolina o la glicina, por esta razón se quedan en estas regiones. Los giros β permiten que las proteínas adopten estructuras más compactas. AA como Asn, Gly y Pro aparecen con frecuencia en este tipo de estructura. La conformación de los giros β está estabilizada generalmente por medio de un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro β. - Triple hélice: el colágeno posee una disposición en hélice especial, más alargada que la α-hélice, debido a la abundancia de prolina e hidroxiprolina. Estos aa poseen una estructura que dificulta la formación de enlaces por puentes de hidrógeno, por lo que se forma una hélice más extendida, con sólo tres aminoácidos por vuelta. Su estabilidad viene dada por la asociación de tres hélices empaquetadas, para formar la triple hélice o superhélice que es la responsable de la gran fuerza de tensión del colágeno. Las tres hélices, tropocolágeno, se unen mediante enlaces covalentes y enlaces débiles de tipo puente de hidrógeno. Hay algunas alteraciones del colágeno que provocan síndromes como el del hombre de goma o el síndrome de Marfán que provoca dedos largos e hiperextensibles. REPRESENTACIÓN DE LAS TRES FORMAS Algunas proteínas presentan segmentos en conformación β alternados con segmentos de estructura en α-hélice. En general, las proteínas que se quedan en la estructura secundaria, dan lugar a proteínas filamentosas alargadas. Son insolubles en agua y soluciones salinas y realizan funciones esqueléticas. Las más conocidas son la α-queratina del pelo, plumas, uñas, cuernos, etc, la fibroína del hilo de seda y de las telarañas, y la elastina del tejido conjuntivo, que forma una red deformable por la tensión. 4.3. Estructura terciaria Una proteína, se pliega en el espacio adoptando una forma tridimensional, estable y característica llamada estructura terciaria. Cada proteína puede adoptar una o muy pocas disposiciones espaciales conocidas como conformaciones, si la proteína tiene alguna de estas conformaciones será funcional y se llamará proteína nativa. A la tendencia de mantener esta conformación se le denomina estabilidad. - Estructuras terciarias con conformaciones α (bucles). - Estructuras terciarias con conformaciones β (flechas). - Estructuras terciarias con conformaciones α y β Esta estructura terciaria es estable gracias a una serie de enlaces e interacciones que se producen entre los radicales de los aa que forman la secuencia: - Enlaces no covalentes: De menor a mayor fuerza de unión tenemos: o Interacciones hidrofóbicas: Los residuos de los aa apolares repelen el agua y tienden a unirse entre sí para permanecer más estables. o Fuerzas de Van der Waals: Se forman entre los radicales de aa no cargados pero que pueden polarizarse en presencia de una carga. o Puentes de hidrógeno: Se pueden establecer entre los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos que no hayan intervenido en la estructura secundaria o entre radicales polares de los aa. o Interacciones iónicas: Se establecen entre aa con radicales que tengan carga, grupos con carga opuesta establecen interacciones electrostáticas. - Enlaces covalentes: Son más fuertes que los no covalentes: o Puentes disulfuro: Se establecen entre dos grupos S-H de dos cisteínas, unen fuertemente la estructura. Si una proteína no tiene su forma nativa no será funcional por lo que las funciones de las proteínas dependen del plegamiento que tengan. Según la estructura terciaria de las proteínas las podemos clasificar en dos grupos principales: - Proteínas fibrosas: Son largas cadenas polipeptídicas que suelen tener función estructural, de protección o ambas a la vez. Normalmente están formadas por un único tipo de estructura secundaria (α-hélice normalmente, ya que tiene función estructural), por lo que algunos autores incluyen a este grupo dentro de la estructura secundaria. Son insolubles en agua y solubles en soluciones salinas, algunos ejemplos de este grupo son la queratina, el colágeno, la elastina o la fibroína. – Proteínas globulares: Proteínas con formas globulares o esféricas formadas por varios tipos de estructuras secundarias. Estas proteínas son “solubles” en agua (forman dispersión coloidal) y en soluciones salinas, son las encargadas de realizar funciones específicas como función enzimática, transportadora o reguladora. Las funciones de las proteínas dependen del plegamiento particular que adopten. Esta estructura está altamente influenciada por la estructura primaria, ya que determina la posición de cada aa y su radical. 4.3.1. ESTRUCTURA TERCIARIA GLOBULAR La conformación terciaria de una proteína globular es la disposición espacial que adopta el polipéptido plegado. Son solubles en agua y en disoluciones salinas, debido a que son más pequeños y se facilita que estén en dispersión. Esto les permite realizar funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. Las conformaciones globulares se mantienen estables por la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Ej: la hemoglobina se une al CO2 y al O2. Cuando se forma una proteína globular tendremos tramos rectos (con estructuras en α-hélice o β-lámina plegada) y tramos con giros (secuencias sin estructura), algunos de estos tramos se combinan y forman una estructura estable y compacta llamada dominio que realizará una función específica en la proteína globular. Los dominios tienen que alcanzar su correcta estructura terciaria ya que son muy específicos y además tienen que tener cierto movimiento para permitir la entrada de la molécula necesaria (se le llama sustrato) y actuar sobre ella. La estructura terciaria de un dominio se alcanza de forma independiente a la proteína y a otros dominios. A lo largo de la evolución se puede ver cómo han ido cambiando para mejorar su funcionamiento, esto se hace conservando y repitiendo las secuencias de ADN hasta producir proteínas más eficientes. Las proteínas pueden tener varios dominios para realizar varias funciones y proteínas. Sitio activo: es el punto específico donde se une el sustrato - Motivo estructural: cadena o trozo de cadena con estructura determinada que forma el dominio - Dominio: está formado por varios motivos y permite la unión de esas estructuras. o Funciones de los dominios:  Enlaza a un pequeño ligando  “Atravesar” la membrana plasmática  Contiene el sitio catalítico (enzimas)  Enlazar al ADN (en factores de transcripción)  Tiene una superficie para enlazarse específicamente a otra proteína. La proteína piruvato quinasa está formada por tres dominios, cada uno de ellos realizará una función y juntas le darán la función a la proteína (transferir un grupo fosfato del fosfoenolpiruvato al ADP para producir piruvato y ATP). Este dominio está formado por cinco motivos repetidos, en este caso el motivo está compuesto por una estructura en α-hélice (cilindro verde) y otra en β-lámina plegada (flecha roja) con codos para unirlas. Hay muchos tipos de dominios como los βαβ o los αα antiparalelas, algunos autores los llaman estructuras supersecundarias. 4.4. ESTRUCTURA CUATERNARIA. La estructura cuaternaria es la unión de varias cadenas polipeptídicas llamadas protómero (subunidad o monómero) con estructura terciaria, idénticas o no, para formar un complejo proteico. Las uniones se realizan mediante enlaces débiles (no covalentes: interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno, interacciones salinas, fuerza de Van der Waals y en algunas ocasiones puede haber enlaces fuertes tipo puentes disulfuro, en el caso de las inmunoglobulinas). En el proceso participan chaperonas. También se considera estructura cuaternaria cuando una o varias proteínas se unen con otras moléculas no proteicas. Según el número de protómeros que se asocian las proteínas con estructura cuaternaria se denominan: - Dímeros, como la hexoquinasa. - Tetrámero, como la hemoglobina. - Pentámeros, como la ARN-polimerasa. - Polímeros, cuando en su composición intervienen gran número de protómeros. (cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 subunidades proteicas, los filamentos de actina y miosina de las células musculares, etc). Un ejemplo característico de proteína con estructura cuaternaria es la hemoglobina, responsable del transporte de oxígeno en vertebrados. La hemoglobina está formada por 4 monómeros (tetrámero) llamados globinas, cada una de las cuales es capaz de captar una molécula de O2. El uso de subunidades menores para construir grandes estructuras presenta varias ventajas: - Reduce la cantidad de información genética necesaria. - La unión y la separación se controlan fácilmente, ya que las subunidades se asocian por enlaces débiles. - Los mecanismos de corrección pueden eliminar durante la unión, las subunidades defectuosas, con lo que disminuyen los errores en la síntesis de la estructura. Dentro de las estructuras cuaternarias se distinguen dos tipos: - Homotípicas: Las cadenas polipeptídicas son idénticas o casi idénticas. - Heterotípicas: Las subunidades poseen estructuras muy diferentes.