Protein structure. An introduction (Spanish)

Este es un tutorial básico sobre la estructura de las proteínas. Repasaremos los principales aspectos de la estructura de las proteínas

Aspectos generales sobre los aminoácidos de las proteínas

Todos los aminoácidos poseen con carga positiva a pH neutro y un con carga negativa a pH neutro

Todos los aminoácidos poseen .Las cadenas laterales son diferentes dependiendo del tipo de aminoácido, tal como veremos inmediatamente.La cuarta valencia en el carbono alfa está ocupada por hidrógeno . Los aminoácidos de las proteínas son pues alfa-aminoácidos

Aquí tenemos un ejemplo de Los grupos carboxilo y amino no están unidos al mismo carbono. Serán por tanto beta o gamma aminoácidos. Este aminoácido por ejemplo es el gamma-aminobutírico

Estereoisomería de los aminoácidos . Ejemplo de la Salvo para el aminoácido glicina, cuya cadena lateral es un hidrógeno, todos los demás aminoácidos poseen isomería óptica ya que el carbono alfa es asimétrico. Tenemos pues aminoácidos D y aminoácidos L. Los aminoácidos que forman parte de las proteínas pertenecen todos a la serie L.

Aminoácidos con cadena lateral . Lo que diferencia a un aminoácido de otro es la naturaleza química de su cadena lateral. Básicamente podemos clasificarlos en aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas, bien alifáticas o aromáticas y aminoácidos con cadenas laterales polares, sin carga o con carga postiva o negativa a pH neutro.Una representación de algunos cadenas laterales alifáticas: Alanina, Valina e Isoleucina o aromáticas: Fenilalanina y Triptófano

Aminoácidos con a) sin carga Treonina (OH) y Glutamina (CO-NH2); b)con carga negativa, Glutamato, y Lisina, con carga positiva

Aminoácidos de las proteínas

. La glicina es un aminoácido muy abundante en las proteínas, entre otras cosas debido a su pequeño tamaño. Su cadena lateral es tan simple y tan pequeña, un hidrógeno (resaltado en color verde), que cabe en muchos espacios en el plegamiento de las proteínas donde no cabrían los otros aminoácidos con cadenas laterales más grandes

La isoleucina es un típico aminoácido con cadena lateral apolar hidrófóbica, abundantes en las proteínas ya que su carácter apolar fuerza el plegamiento en un medio acuoso. Estas cadenas tienden a ocultarse del agua dirigiéndose al interior de la proteína. Otra característica de la isoleucina es que posee un carbono asimétrico adicional (verde)

. La Fenilalanina es otro aminoácido con cadena lateral apolar. En este caso se trata de un anillo aromático plano hidrocarbonado apolar. Este anillo es una estructura que presenta resonancia con enlaces intermedios entre simples y dobles

La Histidina es un aminoácido importante en las proteínas por varias razones. El grupo NH del anillo de imidazol (heterociclo de 5 átomos) es una base debil con un pK de 6.5. Significa que es el único grupo con posibilidad tamponante al pH fisiológico. Al mismo tiempo puede funcionar en catálisis como donador/aceptor de protones.

La Treonina es un aminoácido con cadena lateral polar sin carga. Posee un grupo OH que le confiere propiedades interesantes. En primer lugar puede actuar como nucleófilo (grupo rico en electrones, por el oxígeno) en catálisis y además es una diana de fosforilación por parte de las serin/treonin quinasas que fosforilan el OH de la treonina. Esto introduce cargas negativas que alteran la conformación de la proteína y su funcionamiento. La treonina también posee un carbono asimétrico extra, marcado en verde, por lo que existen 4 estereoisómeros de treonina, dos de la serie L y dos de la serie D

. El glutámico, o también ácido glutámico, posee una cadena lateral con grupo carboxilo COOH, adicional (en verde claro). Este grupo tiene carácter de ácido debil (pK 4.4) por lo que esta ionizado con carga negativa a pH fisiológico. Es un aminoácido clave en interacciones iónicas entre cadenas de aminoácidos o con iones, por ejemplo la camodulina. Veremos como las cadenas laterales de glutámico y aspártico con carga negativa fijan el calcio (lila) a la molécula de calmodulina

La lisina es un aminoácido con una cadena lateral que posee un grupo amino adicional. Este grupo tiene carácter de base débil (pK 10) por lo que se encuentra protonado y con carga positiva a pH fisiológico (resaltado en verde claro). También es muy importante en interacciones iónicas entre cadenas laterales o con iones de carga opuesta

Cisteína, Cys, C, es, junto a la metionina el único aminoácido que contiene azufre en las proteínas. Contiene un grupo sulfidrilo SH, que puede experimentar oxidorreducción reversible entre la forma oxidada S- y la forma reducida. Cuando dos cisteinas están próximas en las proteínas, puede formarse entre ellas un puente disulfuro S-S, siempre que las condiciones físico-químicas y de destino intracelular de la proteína sean favorables

Cisteinas próximas . Aquí vemos de forma que puede producirse una oxidación de los grupos SH con pérdida de dos hidrógenos y formación de un puente disulfuro

Formación del puente disulfuro . . Al formarse , se eliminan dos hidrógenos

Péptidos y enlace peptídico

Un Heptapéptido. formado por 7 residuos de aminoácido y 6 enlaces peptídicos.Vemos un heptapéptido totalmente estirado. Los únicos giros de la cadena son los obligados por la simetría de los enlaces. En este péptido sólo se representan los hidrógenos del extremo amino y los de los NH de los enlaces peptídicos. Puede observarse ya el carácter plano de los enlaces peptídicos, de forma que carbono alfa, C=O, NH y carbono alfa están en el mismo plano

. El esqueleto de la cadena constituye el espinazo central de todas las cadenas polipéptidicas, igual en todas y constituido por los extremos amino y carboxi y la secuencia repetida de carbonos alfa y enlaces peptídicos

Alternancia de los . Alternancia de los carbonos alfa

Marcamos los

Ahora hacemos

. Observamos dos características del enlace. Los átomos en amarillo y los carbonos alfa en lila se encuentran siempre en el mismo plano: carbono alfa, C=O, N-H, carbono alfa. Otra característica del enlace peptídico es la disposición trans de los carbonos alfa y por tanto de las cadenas laterales. Problemas estéricos obligan a esta frecuente disposición de los átomos

Nos alejamos

(color verde lima)

Principios generales de plegamiento de las proteínas

La cadena es un que va a plegarse. Las funciones de las proteínas se deben a la capacidad de las cadenas lineales polipeptídicas para adoptar un plegamiento tridimensional. Con ello se genera una forma, la de la proteínas plegada, altamente significativa. La forma plegada y tridimensional es capaz de "hacer algo", catalizar una reacción, reconocer otras molèculas, formar un poro en una membrana, formar fibras durísimas, etc. Pero, ¿por qué y cómo se pliega la cadena?

Aquí observamos en rojo las

con sus enlaces

peptídicos que contienen múltiples grupos C=O y NH capaces de formar puentes de hidrógeno. A medida que las cadenas se sintetizan en los ribosomas se van plegando y en cuestión de pocos segundos adoptan el plegamiento espacial característico, un estado más estable. La enorme cantidad de grupos polares de los enlaces peptídicos contrasta con la presencia de muchas cadenas laterales apolares en los aminoácidos. Si todos los grupos C=0 y N-H formasen puentes peptídicos con el agua, la cadena no podría plegarse de forma que los grupos apolares estuviesen alejados del agua. Ello produciría una situación inestable desde el punto de vista energético, la de una cadena desplegada. Por tanto, un primer paso para el plegamiento es solucionar el tema de los grupos polares del enlace peptídico

Primera estrategia: la hélice alfa

una estrategia de plegamiento.La hélice alfa permite que los grupos del enlace peptídico se apareen entre ellos formando puentes de hidrógeno. En vemos los puentes de hidrógeno que se forman entre grupos C=O y NH de los enlaces peptídicos

La estrategia de la .Otra opción es formar puentes de hidrógeno entre dos partes de una cadena o dos cadenas

Puentes de hidrógeno entre cadenas en hélice.En el caso de proteínas fibrosas con hélices más estiradas, como en la , se forman muchos puentes de hidrógeno intercatenarios que contribuyen a la solidez de la estructura. Aquí vemos la trenza de las tres cadenas con colores diferentes. Los hidrógenos y oxígenos que forman puentes de hidrógeno se resaltan con puntos amarillos

Influencia de las cadenas laterales en el plegamiento. constituyen el otro gran motor de plegamiento de las proteínas. Hay grupos apolares, polares sin carga, ácidos (aniónicos), básicos (catiónicos) que influirán en el plegamiento de una forma u otra, ocultándose del agua, estableciendo interacciones tipo puentes de hidrógeno, iónicas, etc. Todo ello producirá un nuevo nivel de plegamiento, la estructura terciaria

Proteína soluble en agua plegada. completamente plegada muestra un patron de distribución de aminoácidos con los apolares en el interior y los polares hacia el exterior

Si la proteína por su mitad interior vemos mejor el patrón de polaridad, con apolares (grises) por dentro y polares (lila) por fuera

Estructuras secundarias

Hélice alfa

Visión general de la hélice alfa . La o alfa-hélix es una de las estructuras secundarias más frecuentes presentes en todo tipo de proteínas, sean solubles, de membrana, fibrosas, etc.Es una hélice dextrógira, que se enrolla por tanto en el sentido de las agujas del reloj, se mire por donde se mire.

Aquí vemos los carbonos alfa en amarillo. Cada vuelta de hélice contiene 3.6 residuos y podemos apreciar que los carbonos alfa por vuelta son entre 3 y 4.. La hélice alfa es la más estable y la más abundante.

.

A veces los segmentos de hélice alfa se representan como cilindros con una flecha en el extremo carboxi. El color fucsia se utiliza para dar a entender que el segmento corresponde a hélice alfa

de la hélice .

Se han eliminado los hidrógenos para simplificar. El esqueleto, la parte central de la hélice, se pliega de forma que quedan los grupos C=O y N-H próximos, no de residuos vecinos, para formar puentes de hidrógeno. Concretamente, se forman los puentes de hidrógeno entre un C=O y el N-H del residuo situado 3 más alejado. En esta visualización no se muestran los hidrógenos que participan en los puentes.

Al destacar los puentes de hidrógeno, vemos que el número que se forma es máximo. Estos puentes de hidrógeno, son estables ya que los tres átomos del puente están generalmente bastante alineados (ver por ejemplo los átomos en verde que forman un puente de hidrógeno) . Estos puentes de hidrógeno se orientan paralelos al eje de la hélice

Dado el plegamiento de la hélice, las cadenas laterales se distribuyen hacia fuera de la hélice y en orientación perpendicular aproximada respecto al eje de la hélice. El esqueleto de carbonos alfa y enlaces peptídicos queda compacto en el interior de la estructura secundaria

Debemos tener claro que a pesar de las visualizaciones anteriores, la hélice es una estructura maciza y compacta sin espacios vacíos en su interior (de ahí su gran estabilidad, entre otras razones). El interior de la hélice está ocupado por los átomos del esqueleto.

Existen otras hélices posibles en las proteínas,

Por ejemplo la

Esta hélice es poco frecuente en las proteínas y los segmentos hallados no van más allá de 7-15 residuos seguidos. Es una hélice también dextrógira pero más estirada que la alfa. Se le llama 3/10 porque contiene 3 residuos por vuelta y porque el puente de hidrógeno se forma entre un N-H y un C=O separados por 10 átomos en la cadena

Observamos como la helice 3/10 es más estrecha y tiene 3 residuos por vuelta

. Vemos un pequeño segmento de hélice pi (amarillo) en medio de una hélice alfa. Se observa que es más ancha y abombada

Hoja Plegada beta

vista como el esqueleto de carbonos alfa y enlaces peptídicos . La cadena está mucho más estirada que en la hélice alfa

Para estabilizarse por puentes de hidrógeno necesita

de la misma cadena o de otra cadena

.

Los segmentos de hoja plegada antiparalela establecen entre sí múltiples puentes de hidrógeno, con buena orientación de los átomos que los constituyen y que se establecen perpendicularmente al eje de la estructura de la hoja

En cambio un presenta puentes de hidrógeno peor alineados como puede observarse

.Las cadenas laterales

van quedando alternativamente por encima y por debajo del plano formado por el esqueleto de los segmentos de la hoja y los puentes de hidrógeno

Este es un ejemplo de un grupo de segmentos de hoja antiparalela asociados para formar como el suelo de una estructura. La conexión entre unos y otros es muy simple y mediante bucles bastante cortos

Los segmentos de hoja paralela son menos frecuentes en la estructura secundaria de las proteínas. En el ejemplo visualizado vemos tres segmentos de hoja, dos paralelos y dos antiparalelos. La orientación paralela requiere que la cadena de un giro completo de 180 grados para recuperar la misma orientación que tenía con el primer fragmento. En este caso un segmento de hélice alfa conecta las hojas paralelas

.

Las hojas plegadas se representan como flechas rígidas

Estructura del colágeno. Hélix 3 levógira

.El colágeno es una proteína fibrosa constituida por fibras de una estructura secundaria denominada hélix-3. Es una hélice levógira, que se enrolla en sentido antihorario con tan sólo 3 residuos por vuelta.

La alternancia de enlaces peptídicos y carbonos alfa, conforma una hélice muy estirada. No pueden formarse puentes de hidrógeno entre los grupos de la misma cadena

Este detalle muestra cómo se forman puentes de hidrógeno entre el oxígeno de los grupos C=O y el hidrógeno de los N-H de los enlaces peptídicos intercatenarios. Estos puentes forman un entramado trabecular de las cadenas de tropocolágeno, lo que le confiere tremenda resistencia mecánica.

Se observa el distinto paso

de rosca y el distinto sentido de giro

Estructuras supersecundarias y dominios de plegamiento

Estructuras supersecundarias

En las proteínas se producen con frecuencia patrones de combinación de diversas

estructuras secundarias y que se repiten en proteínas diferentes. Se denominan estructuras supersecundarias. A continuación se muestran algunos ejemplos

Un motivo frecuente en las proteínas es la hoja-hélice-hoja paralelas. La cadena debe girar 180 grados para recuperar la misma orientación. El segmento que conecta ambas hojas se constituye en forma de hélice alfa

Generalmente las hojas plegadas tienden a asociarse en motivos que se repiten en proteínas distintas. Es decir las proteínas no han evolucionado cada una por su cuenta sino que lo han hecho a partir de un conjunto de motivos estructurales que se van repitiendo, en las proteínas, sean superestructuras o los dominios , como los que hemos visto con la calmodulina.

El barril ß, que constituye el núcleo de la proteína que vemos, la aldolasa, se encuentra en muchas enzimas y está formado por hojas plegadas paralelas interconectadas a través de hélices alfa.

Dominios

Dominio es un segmento de la cadena capaz de plegarse de forma autónoma independiente del resto de la proteína. Los dominios son también unidades de función. Frecuentemente, los diferentes dominios de una proteína se hallan asociados a funciones distintas. Las proteínas pueden contener un único dominio o muchos dominios (a veces docenas de ellos). No existe una distinción estructural fundamental entre dominio y subunidad. Existen muchos ejemplos en los que distintas funciones son llevadas a cabo por cadenas distintas en una especie o por varios dominios en una misma cadena en otra. Esto refleja diferencias en la organización del genoma, simplemente

Del conjunto de estructura secundarias que forman parte de una cadena se va generando el plegamiento tridimensional global de la cadena, la estructura terciaria. Como subelementos de esta estructura secundaria aparecen las estructuras supersecundarias y los dominios de plegamiento. La proteína que vemos es la calmodulina, en la que se aprecian con claridad dos dominios de plegamiento en los extremos de la proteína

. Un dominio se ha coloreado en rojo y el otro en azul

Los dos dominios de la calmodulina tiene como función fijar iones de calcio que vemos en la visualización . Estos dominios se denominan manos EF. Las secuencias de aminoácidos que originan estas manos de calcio se encuentran en otras proteínas fijadoras de calcio. Si buscamos homologías con el banco de datos humanos se encuentran muchas proteínas con esta secuencia, todas ellas fijadoras de calcio

Un caso espectacular de proteína modular

son los anticuerpos, heterotetrámero formado por 2 cadenas pesadas y dos ligeras con 4 y 2 dominios cada una, respectivamente.

.

Resaltamos los dominios con colores distintos

Este dominio o plegamiento de globina se encuentra en un grupo de proteínas relacionadas, mioglobina hemoglobina, en proteínas captadoras de luz de las algas, las ficocianinas. Es un dominio formado por 8 hélices conectadas por pequeños loops. Las hélices forman un bolsillo donde se coloca el grupo hemo en las hemoglobinas y en la mioglobina . En este caso, el dominio ocupa toda la subunidad

. Se observa la cavidad que genera el plegamiento del dominio para acomodar al grupo hemo

Estructura terciaria

se muestra únicamente con la estructura secundaria en hélice alfa pero sin plegar. En estas condiciones la proteína no es estable

Vemos el grupo hemo en modelo de esferas. En estas condiciones sin plegamiento de estructurac terciaria, el grupo hemo funcionaria con excesiva afinidad por el gas tóxico CO y por supuesto no tiene afinidad por la proteína

Los residuos se han coloreado segun su polaridad. Grises los apolares y violeta los polares. Esta cadena tal como la vemos no es estable. Existen demasiados grupos apolares enfrentados al medio acuoso. Por otra parte, el grupo hemo muy hidrofóbico queda expuesto al medio acuoso. La proteína debe plegarse (estructura terciaria) y así ocultar los grupos hidrofóbicos del ambiente acuoso. En otros casos la situación es completamente diferente: una proteína que atraviesa la membrana posee sus grupos hidrofóbicos hacia afuera.

El plegamiento ofrece una forma estable: hidrófobos hacia dentro, sin agua. Polares hacia fuera, en contacto con el agua. también se ha formado el bolsillo hidrófobo donde se inserta el grupo hemo Al cortar la proteína por en medio s eobserva el patrón de polaridad típico de una proteíona globular, con aminoacidos polares por fuera y apolares en el interior

Es típica de las partes externas de las proteínas solubles. la mitad interna es apolar y la otra, en contacto con el agua es polar

La proteína está coloreada según su polaridad. Aquí el patrón es distinto, con apolares en el interior de la membrana y en contacto con los lípidos de la membrana (en amarillo). Los residuos polares se encuentran en los extremos que contactan con los medios acuosos intracelular y extracelular

Otro tipo de interacciones importantes que contribuyen a estabilizar la estructura terciaria son las interacciones entre cargas positivas (azul) y cargas negativas (rojo) de las que resaltamos algunas con punteado amarillo

Los puentes disulfuro son los únicos enlaces covalentes que estabilizan el plegamiento entre partes de una cadena. Aquí vemos en rojo las cisteínas próximas que forman varios puentes disulfuro tanto en una misma cadena como entre cadenas

References

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