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
Aquí vemos un típico. Contine dos capas de hojas beta antiparalelas unidas por un puente disulfuro. Este dominio esta contenido en más de 600 proteínas distintas de nuestro genoma. Se trata del dominio más promiscuo de nuestro genoma. Lo contienen anticuerpos, proteínas de adhesión, receptores de factores de crecimiento, etc
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 (bolitas rojas)
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
</StructureSection>
