Los aminoácidos como unidad estructural de las proteínas

En las proteínas vamos a encontrar 20 monómeros diferentes, monómeros que, además, son idénticos en todas las especies vivientes. Este reducido número de sillares estructurales son tan versátiles que tienen la capacidad de funcionar también de forma independiente como precursores muchas biomoléculas o transportar energía. Para formar las proteínas se emplea una simplicidad fundamental: los millones de proteínas están formadas por unos pocos monómeros sencillos que además les van a propporcionar las propiedades funcionales características.
Los aminoácidos se caracterizan por presentar un átomo de C en el que dos de sus enlaces están sustituidos por un grupo amino (-NH2) básico y un grupo carboxilo (-COOH) ácido. Otros de los enlaces se une a un átomo de H y el cuarto a un grupo variable que se denomina grupo o radical R (cadena lateral). Aunque son muchas las moléculas biológicas que podrían entrar dentro de este grupo, las más interesantes son aquellos aminoácidos que forman parte de las proteínas (aminoácidos proteinogenéticos). Estos aminoácidos son sólo 20 y tienen dos códigos para representarlos: un código de tres letras fácilmente recordable y un código de una letra muy útil para codificarlos en ficheros informáticos, ya que cada carácter corresponde a un aminoácido. Para saber más sobre la estructura y propiedades físico-químicas de los aminoácidos, así como la forma en la que los aminoácidos definen la conformación de las proteínas, consulta el tema 2 de biomoléculas.

Niveles de organización de las proteínas

Las proteínas se organizan en cuatro niveles principales:
Estructura primaria: es el nivel más sencillo y corresponde a la cadena polipeptídica, es decir, a la secuencia lineal de los aminoácidos que la forman. La estructura primaria contiene toda la información necesaria para que la proteína sea única y siempre tenga tanto la misma estructura y función.

Estructura secundaria: es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico. Cuando la conformación les hace formar una hélice, ésta poseerá unos parámetros característicos, y se dice que es la hélice α. Cuando se disponen en zig-zag lo hacen en forma de hoja ß, que suelen asociarse unas a otras para formar lo que se denomina una lámina ß. Las estructuras desorganizadas y los giros sirven de nexo entre distintas láminas y/o hélices.

Estructura terciaria: se trata de un nivel superior de complejidad determinado por la disposición espacial de las distintas estructuras secundarias de una cadena polipeptídica. Esta conformación se mantiene estable gracias a interacciones entre los distintos radicales (R) de los aminoácidos; estas interacciones pueden ser de varios tipos (no todos ellos contribuyen por igual al mantenimiento de la estructura terciaria):
• Los puentes disulfuro que se establecen entre dos Cys
• Los enlaces amida, que se pueden establecer entre los carbonilos (-COO-) de las cadenas laterales de los aminoácidos (Asp y Glu), con los grupos amino (-NH2) de Lys or Arg.
• Los puentes eléctricos que se establecen entre grupos cargados positivamente y los cargados negativamente.
• Los puentes de hidrógeno que se establecen entre moléculas polares pero que no tienen carga.
• Las interacciones hidrofóbicas que mantienen unidos los grupos que no son polares.

Estructura cuaternaria: este nivel estructural sólo lo presentan aquellas proteínas formadas por más de una cadena polipeptídica, ya que se trata de la unión mediante enlaces débiles (puentes de hidrógeno, electrostáticos o hidrófobos) y ocasionalmente puentes disulfuro. Cada una de las cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros puede variar desde dos (p. ej. la hexocinasa) hasta 12 (glutamina sintetasa) o más. Los protómeros pueden ser exactamente iguales (hexocinasa), muy parecidos, o estructural y funcionalmente distintos (por ejemplo, unas subunidades son reguladoras y otras tienen actividad enzimática). Cada proteína tiene su nivel estructural propio y característico que le permite ejercer eficientemente su función concreta. A la conformación tridimensional característica de cada proteína en la célula se le denomina estado nativo de la proteína.

Estructuras secundarias

Aunque pueda parecer lo contrario, en enlace peptídico es rígido y no permite la rotación de los átomos que lo forman. Los únicos ángulos diédricos que pueden cambiar son fi y psi. Cuando los valores de estos ángulos se hacen constantes a lo largo de la estructura, se ha formado una estructura secundaria. Dicha estructura se estabiliza gracias a los puentes de hidrógeno (en verde en la figura de la derecha) que se establecen entre los grupos -CO- y -NH- del enlace peptídico (el primero como aceptor de H, y el segundo como donador de H). De esta forma, la cadena polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por tanto, más estables.
Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos aminoácidos que forman la proteína se origina un «esqueleto» a partir del cual emergen las cadenas laterales (residuos) de los aminoácidos. Los átomos que componen el esqueleto de la proteína son el N del grupo amino del primer aminoácido, el Cα (del que emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo (que se condensa con el aminoácido siguiente). Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que aparece en la cadena principal de una proteína es: (-NH-Cα-CO-) como puede verse a la izquierda
Hélice α
Una estructura helicoidal se define por los siguientes parámetros: el número de residuos por vuelta o paso de hélice (n), la distancia entre dos residuos consecutivos o elevación (h) y la distancia entre dos puntos consecutivos en la misma posición relativa o paso de hélice (p). Estos parámetros se relacionan entre sí por la expresión p = n x h. La hélice α se repite exactamente cada 18 residuos que representan cinco vueltas. Por tanto, tiene n = 3,6 residuos por vuelta. La elevación de los residuos es de h = 0,15 nm. Por tanto, el paso de hélice es de p = 0,54 nm (3,6 res/vuelta x 0,15 nm/res = 0,54 nm/vuelta).
La estructura se estabiliza con puentes de hidrógeno que se forman entre el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido en posición i y el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición i-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido en posición i y el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición i+4. Las cadenas laterales se disponen hacia la parte externa de la hélice α, lo que evita problemas de impedimentos estéricos. La estructura se inestabiliza cuando en ella hay una Pro o un aminoácido muy cargado (Lys o Glu).
Existe otra hélice que se denomina hélice310 porque contiene 3 restos por vuelta de hélice y 10 átomos encerrados en el anillo. Los puentes de hidrógeno se establecen entre el residuo i y el i+3.
Hoja ß
La hoja ß se da cuando el esqueleto de un polipéptido (de color verde en la figura siguiente) se estira al máximo de lo que permiten sus enlaces covalentes. La forma de representarse esquemáticamente es como una flecha, con la base de la flecha en el extremo N y la punta de la flecha en el extremo C. Todos los residuos presentan una rotación de 180° respecto a los precedentes. La distancia entre dos aminoácidos adyacentes es de h = 0.35 nm, en lugar de los 0,15 nm de la hélice α, por lo que la hoja ß presenta los residuos de los aminoácidos de forma alternante a derecha e izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica. Las proteínas fibrosas tienen mayoritariamente este tipo de estructura. En el resto de las proteínas, la hoja ß se da en dominios de la misma, alternándose con el resto de las estructuras.
Las hojas ß de distintas cadenas polipeptídicas o bien las hojas 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 o láminas ß. Cuando las hojas ß tienen el mismo sentido, la lámina ß resultante se denomina paralela mientras que si las hojas ß tienen sentidos opuestos, la lámina resultante se denomina antiparalela. Cuando la hojas beta son antiparalelas los puentes de hidrógeno que estabilizan la estructura son prácticamente perpendiculares a las cadenas polipeptídicas y los grupos carbonilo y amino de dos residuos forman puentes de hidrógeno entre sí. Esto no acurre en las hojas beta antiparalelas, dondo los puentes de hidrógeno no son perpendiculares al esqueleto polipeptídico y los grupos carbonilo y amino de un residuo forman puentes de hidrógeno con dos residuos diferentes.
Giros ß
Son secuencias cortas, con una conformación característica no repetitiva —varían constantemente los ángulos diédricos fi y psi— que imponen un brusco giro de 180° a la cadena principal de un polipéptido para permitir que la proteína tenga una estructura compacta. Los giros ß se realizan mediante a la formación de un puente de hidrógeno entre el grupo carbonilo (-CO-) del aminoácido i y el grupo amida (-NH-) del aminoácido i+3. Gly y Pro son los aminoácidos que habitualmente están implicados en estos giros. Se producen típicamente entre hojas ß para dar lugar a la formación de láminas ß antiparalelas. Se conocen varios tipos de giros. En los giros del tipo I, podemos encontrar cualquier tipo de residuos con exepción de la Pro en posición 3. En los giros del tipo II, la Gly debe estar en posición 2 y casi siempre aparece una Pro en posición 3. Los giros del tipo III son una porción de hélice 310, y no hay restricciones en cuanto a la identidad de sus componentes.

Estructuras supersecundarias

Las estructuras secundarias no se combinan al azar sino que, antes de alcanzar la estructura terciaria, siguen una serie de patrones que se repiten entre los distintos tipos de proteínas. Estos patrones reciben el nombre de motivos estructurales, plegamientos o bien estructuras supersecundarias. La estructura supersecundaría puede tener una determinada función o simplemente pertenecer a una unidad funcional mayor denominada dominio. Por otro lado, el mismo tipo de estructura supersecundaria puede tener diferente función en proteínas diferentes.
Las distintas estructuras supersecundarias pueden estar formadas sólo por hélices α, sólo por hojas ß o por una combinación de ambos. Vamos a ver sólo algunos de los más característicos.
Formadas sólo por hélices α
Hélice-giro-hélice: formado por dos hélices α cortas unidas entre sí por un giro, habitualmente un giro ß. Es típico de las proteínas que interaccionan con el DNA
Hélices arrolladas (coiled-coil): formado por dos hélices largas yuxtapuestas que interaccionan entre sí. A veces la interacción entre ellas se establece a través de leucinas, denominándose en este caso cremallera de leucinas. La cremallera suele servir para unir dos monómeros para formar una estructura cuaternaria, o bien para interaccionar con el ADN.
Mano EF: formada por dos hélices α cortas conectadas por un giro y con un átomo de Ca en el giro. Es típico de las proteínas que unen Ca. El nombre le viene porque asemeja una mano cogiendo una bola.
Formadas solo por hojas ß
Horquilla ß: Es un motivo estructural muy sencillo y abundante en el cual dos hojas ß adyacentes se orientan de forma antiparalela y están conectadas por medio de un segmento con estructura al azar
Meandro ß: son varias hojas ß antiparalelas conectadas alternativamente por un giro y por estructuras al azar
Barril ß: lo forman muchas hojas ß orientadas de forma antiparalela y que se entrecruzan entre sí dando lugar a una especie de canasta o barril, donde los residuos hidrófobos se acumulan en el interior.
Formada por hélices α y hojas ß
ß-α-ß: Dos hojas ß se orientan de forma paralela mediante un segmento que contiene una hélice α y dos segmentos con estructura al azar.
Plegamiento de Rosmann: es un caso especial de la unidad ß-α-ß, pues consiste en dos o más subunidades ß-α-ß adyacentes. Es frecuente en proteínas que se unen a los nucleótidos

Dominios estructurales

Muchas cadenas polipeptídicas se pliegan en dos o más unidades globulares estables que se denominan dominios. Estos dominios pueden presentarse claramente separados formando zonas lobulares o interaccionar fuertemente con otros dominios. La relación entre la estrutura de un dominio y la función es compleja. A veces, un dominio individual realiza una determinada función mientras que en otras ocasiones la función puede requerir más de un dominio.

Predicción de la estructura de proteinas

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Autor: M. Gonzalo Claros