Proteínas: conformación y estructura.

Las proteínas son las piezas fundamentales de las células. Conforman el 50% del material intracelular. Tienen un gran abanico de funciones, intervienen en todos los procesos biológicos. Sus funciones fundamentales son:

• Catalizadores.
• Estructurales y funcionales.
• De transporte.
• Sistema de defensa.
• Producción de movimientos.
• Reguladores (hormonas, por ejemplo).
• Diferenciación.
• Receptores.
• Etc.

Todas las proteínas están formadas por los mismos veinte aminoácidos.

Aminoácido: Glicina

El carbono central, llamado Cα es asimétrico, es un centro quiral en todos los aminoácidos excepto en la glicina. Tenemos por lo tanto dos enantiómeros según coloquemos los grupos químicos que rodean a este carbono, pudiendo formarse L aminoácidos y D aminoácidos.

Hay dos aminoácidos que poseen otro carbono asimétrico,

Aminoácido: estructura

concretamente el carbono número 3. Son la Treonina (Thr) y la Isoleucina (Ile).

Para que el aminoácido sea L o D se mira solo el Cα. Excepto en las paredes de las bacterias y en algunos antibióticos, todos los aminoácidos de los seres vivos son L aminoácidos. En las paredes celulares de bacterias podemos encontrar L y D aminoácidos mezclados.

Los aminoácidos suelen estar ionizados. Esto depende del pH del sistema. A pH 7 el grupo ácidos y amino están en forma iónica. Si es un medio básico, se ionizará solo el grupo ácido y si es un medio ácido se ionizará el grupo amino.

Dependiendo del tipo de radical, podremos dividir en varios grupos los distintos aminoácidos. Se clasificarán según su polaridad. Habrá dos grandes grupos, hidrófobos e hidrófilos, y dentro de los hidrófilos podremos dividirlos en polares sin carga, con carga positiva o con carga negativa. De esta manera:

• Aminoácidos hidrófobos: no son polares y por ello no son solubles en agua. Constituidos por cadenas hidrocarbonadas. En la Metionina y en el Triptófano, además, aparece azufre. Son los siguientes: Alanina (Ala), Valina (Val), Leucina (Leu), Isoleucina (Ile), Prolina (Pro), Metionina (Met), Fenilalanina (Phe) y Triptófano (Typ).
• Aminoácidos con radicales polares sin carga: son los siguientes: Glicina (Gly), Serina (Ser), Treonina (Thr), Cisteína (Cys), Tirosina (Tyr), Asparagina (Ash) y Glutamina (Gln). La Serina, Tirosna y Treonina tienen grupos –OH pudiendo formar puentes de hidrógeno con el agua, actuando como dadores. La Cisteína tiene un grupo –SH que también puede actuar como dador. La Asparagina y la Glutamina funcionan como dadores, gracias a su grupo –NH2 y como aceptores gracias al grupo =O.
• Aminoácidos polares con carga positiva: son tres: Lisina (Lys), Arginina (Arg) e Histidina (His). La Histidina, para que tenga más del 50% de sus grupos ionizados, debe estar a un pH 6. Si el pH es 7, la ionización se reduce al 10%.
• Aminoácidos polares con carga negativa: son dos, el ácido Aspártico (Asp) y el ácido Glutámico (Glu) (o aspartato y glutamato).

Entre los aminoácidos se establece el enlace peptídico. El grupo carboxílico de un aminoácido reacciona con el grupo amino del otro, perdiéndose una molécula de agua y formándose un enlace covalente.

Formación de enlace peptídico.

A cada aminoácido que forman la cadena se les llama restos aminoácidos o residuos. Se van formando cadenas de aminoácidos.

Polipéptido

Esto es la estructura primaria o secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica. Podría representarse con las letras que representan a los aminoácidos, de la siguiente forma:

H2N – Ala – Tyr – Ala – Phe - … - Trp – Cys – COOH

Para conocer la estructura primaria necesitamos el número de aminoácidos, su tipo y su secuencia.

Plano del enlace peptídico.

El enlace peptídico puede tener configuración cis o trans. La más estable, y que se encuentra en todas las proteínas, es la forma cis, que se corresponde con el dibujo anterior y con los esquemas que ya vimos de cadenas peptídicas.

El enlace CO-N no gira porque es un híbrido de resonancia, una mezcla de dos formas:

Conformaciones resonantes.

Puede representarse de la siguiente forma:

Resonancia en aminoácidos.

Los enlaces solo pueden girar de la siguiente forma. Hablamos de giro ψ y de giro φ respectivamente:

Giro ψ y giro φ 

Las cadenas peptídicas resultan como una cadena de planos que rotan en función de los giros ψ y φ. Siempre hay que respetar la disposición tetraédrica del carbono.

Hablamos de conformación nativa de una proteína o cadena polipeptídica a su conformación de mínima energía. Para una cadena existirá una o como mucho dos o tres posibles conformaciones de mínima energía o posibles conformaciones nativas.

El nivel de estructura secundaria es la posición relativa de los aminoácidos continuos o planos peptídicos consecutivos. Habría muchos niveles estructurales secundarios en teoría.

Existen algunas estructuras secundarias típicas que aparecen en muchos polipéptidos: la Hélice α y la Hoja Plegada β. Estas estructuras se estabilizan por la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos CO de uno de los grupos y el NH del otro, de la siguiente forma:

Puente de hidrógeno.

Hélice α

Los planos peptídicos van girando todos hacia el mismo lado, formando una hélice que tienen como promedio 3,6 aminoácidos por vuelta. Pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda, hablándose de hélices D y L. Las hélices en proteínas son hélices L (levógiras). El grupo CO de un aminoácido se une por puente de hidrógeno con el grupo NH que está cuatro posiciones más adelante.

Estructura de la hélice alfa.

Se trata de una estructura estable, espontánea. Pero hay factores que pueden deshacer la estructura. Un factor de desestabilización es que coincidan aminoácidos con radicales cargados muy cerca, en el espacio, unos de otros (por ejemplo, que tengan la misma carga los radicales R1 y R4). Otro problema puede presentarse debido al tamaño de los radicales, si coinciden cerca dos radicales de gran tamaño, se desestructurará. Y siempre que aparezca el aminoácido Prolina, la hélice se desestabilizará por ese punto.

Se debe a que la fórmula de la Prolina hace que el nitrógeno, al formar el enlace peptídico, pierde el único hidrógeno que tiene y por lo tanto no puede formar puente de hidrógeno.

Prolina y hélice alfa.

Hoja plegada β.

Cuando los sucesivos planos peptídicos se van plegando una vez hacia un lado y otra vez hacia el otro, en zig-zag. Puede formarse entre varias cadenas o una misma cadena plegada, unidas lateralmente por puentes de hidrógeno.

Hay dos tipos de hoja plegada β, la paralela y la antiparalela. En la paralela las dos orientaciones tiene la misma dirección y en la antiparalela las orientaciones son contrarias.

Tipos de hoja beta.

Si los radicales que se encuentran próximos están cargados pueden estropear la estructura de la hoja, desestabilizarla.

Hoja beta.

Otras disposiciones.

Existen otras disposiciones. Una de ellas es al azar, que no responde a ninguna posición exacta o determinada.

Estructura de la alfa-queratina.

Y las estructuras que hemos estudiado pueden combinarse. Por ejemplo, la proteína fibrosa denominada α-queratina está formada por una hélice o hebra constituida por tres hélices α, es decir, tres hélices enlazadas y unidas mediante puentes disulfuro de las cisteínas.

No se puede decir que constituya una estructura terciaria en si misma. Aunque es un nivel de organización superior a la estructura secundaria, no es lo suficientemente complejo como para considerarla terciaria.

Del mismo modo, la fibroina es una asociación de hojas β.

Estructura terciaria.

Pliegue espacial de las cadenas. Se da en el caso de proteínas globulares. Se refiere a la retracción espacial de los aminoácidos que están alejados entre si en la cadena polipeptídico, con hélices, codos, láminas, giros y zonas distribuidas al azar.

Los giros β se producen por la interacción de un grupo CO, mediante puente de hidrógeno, con un grupo NH del aminoácido situado tres puestos por delante. Este puente de hidrógeno estabiliza el giro.

Es frecuente que, entre las láminas β paralelas se sitúen hélices α.

Estructura terciaria.

Existen algunas combinaciones estructurales que se repiten en las proteínas. Se les denomina dominios. También es frecuente que haya varios dominios comunicados por zonas al azar, que le darán flexibilidad a la proteína en ese punto.

La estructura terciaria se forma por interacciones de los radicales entre si o con el medio, por ejemplo con el agua. La estructura está determinada por la secuencia de aminoácidos en un medio dado. Y la secuencia de aminoácidos vendrá determinada, al final, por la secuencia de la cadena de nucleótidos de ADN.

Un factor que determina la estructura terciaria es la distribución de radicales polares y no polares dentro de la cadena. En un medio acuoso, los aminoácidos hidrófobos se intentarán introducir dentro de la proteína, resguardándose del agua. Los hidrófilos, en cambio, estarán en el exterior. Así se formará la conformación natural, que se considera estable.

Si variamos el medio, por ejemplo cambiando el pH, variará la forma que se obtiene. La estructura se estabilizará por medio de enlaces covalentes, por ejemplo los puentes disulfuro que se establecen por oxidación de dos aminoácidos de cisteína (puentes  -S – S- ).

Puentes disulfuro.

 Este enlace es más frecuente en proteínas extracelulares.

También encontraremos algunos enlaces no covalentes, por interacción hidrófoba, frecuentemente. O enlaces salinos entre radicales cargados. Por ejemplo, entre un –NH3+ de la lisina y un grupo –COO- del aspartato o del glutamato.

Encontramos, así mismo, puentes de hidrógeno adicionales, establecidos entre radicales polares. Por ejemplo, grupos –OH de serina o treonina con el N del anillo del radical de la histidina.

Otras opciones son puentes de hidrógeno entre radicales polares y el medio, o entre grupos peptídicos que no están implicados en la formación de la estructura secundaria. Casi todos los restos polares de aminoácidos que quedan dentro de la molécula se van anulando entre si por puentes de hidrógeno. No deben quedar grupos polares libres.

Dipolos con grupos -OH.

También es posible la interacción dipolo-dipolo entre radicales con grupos –OH.

La proteína quedaría, al final, polar por la parte exterior, para poder ser soluble el agua y apolar en la parte de adentro. En las proteínas integrales de membrana sucederá lo contrario (en la zona que queda dentro de la zona lipídica), ya que el medio también ha cambiado.

Otro factor es que tengan grupos prostéticos o no tengan grupos prostéticos, es decir, grupos no peptídicos dentro de la proteína.

Estructura cuaternaria.

Existen proteínas oligómeras, en las que encontraremos estructura cuaternaria. Entendemos por proteínas oligómera aquellas que tienen más de una cadena de aminoácidos.

Estructura cuaternaria.

A cada una de las cadenas se le llama subunidad o monómero. Suelen aparecer un número par de cadenas. Cada cadena tiene su estructura secundaria y terciaria, pero todas en conjunto tendrían la estructura cuaternaria, es decir, la relación espacial de cada una de las subunidades que forman la proteína.

Enlaces y estructura cuaternaria

Las subunidades se unen por zonas de unión o sitios de reconocimiento que les permiten fijar unos enlaces que estabilizan la estructura. Son semejantes a las de la terciaria, solo que entre cadenas diferentes en lugar de la misma cadena. Esta estructura se forma espontáneamente, se trata de la estructura de baja energía.