Estructura Tridimiensional y Funcional de las Proteinas - Bioquimica

Estructura Tridimensional y Funcional de las Proteínas

Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos que están unidos por un tipo de enlaces conocidos como enlaces peptídicos. El orden y la disposición de los aminoácidos dependen del código genético de cada persona. Una proteína puede ser una sola cadena polipeptídica o puede estar formada por varias de esas cadenas unidas entre sí por interacciones débiles. 
Las moléculas individuales de proteína se pueden describir mediante hasta cuatro niveles de estructura. Las secuencias de aminoácidos siempre se escriben desde el amino terminal (N-terminal) hasta el carboxilo terminal C- (C-terminal). La estructura tridimensional de una proteína se describe con tres niveles adicionales: estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Las fuerzas que mantienen, o estabilizan, estos tres niveles son no covalentes, de manera primordial. La estructura secundaria se refiere a las regularidades en las conformaciones locales mantenidas por puentes de hidrógeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo en la columna vertebral del péptido. Las estructuras secundarias principales son las hélices a y las hebras b (incluyendo las láminas a). Se acostumbra representar las regiones helicoidales a con dibujos que muestran las estructuras de proteínas plegadas; las hebras b se representan con flechas anchas que apuntan desde la dirección N-terminal hacia la C-terminal. La estructura terciaria describe la cadena polipeptídica totalmente plegada y compactada. Muchos polipéptidos plegados consisten en varias unidades distintas unidas por un tramo corto de residuos de aminoácidos; a dichas unidades se les conoce como dominios. Las estructuras terciarias se estabilizan por las interacciones de cadenas laterales de aminoácidos en regiones no vecinas de la cadena polipeptídica. La formación de la estructura terciaria acerca partes lejanas de las estructuras primaria y secundaria. Algunas proteínas poseen estructura cuaternaria, que implica la asociación de dos o más cadenas polipeptídica en una multisubunidad, o proteína oligomérica u oligómera. Las cadenas polipeptídicas de una proteína oligómera pueden ser idénticas o distintas.

 Las estructuras tridimensionales de biopolímeros como las proteínas pueden determinarse por cristalografía de rayos X y espectroscopia de RMN. 

• Conformación de enlaces peptidicos

la estructura de las proteínas comienza con la de los enlaces peptídicos, o enlaces de péptido, que unen a los aminoácidos en una cadena polipeptídica. Los dos átomos que intervienen en el enlace peptídico, junto con sus cuatro sustituyentes (el átomo de oxígeno carbonílico, el átomo de hidrógeno de amida y los dos átomos adyacentes de carbono a) constituyen el grupo peptídico. Los análisis cristalográficos de pequeños péptidos con rayos X revelan que el enlace entre el carbono carbonílico y el nitrógeno es más corto que un enlace sencillo típico C—N, pero más largo que los dobles enlaces C= N típicos. Además, el enlace entre el carbono carbonílico y el oxígeno es un poco mayor que el doble enlace típico C =O. Esas mediciones indican que los enlaces peptídicos tienen ciertas propiedades del enlace doble y se pueden representar mejor como un híbrido de resonancia.

• La hélice α 

La conformación helicoidal a fue propuesta por Linus Pauling y Robert Corey en 1950. Tuvieron en cuenta las dimensiones de los grupos peptídicos, las posibles restricciones estéricas y las oportunidades de estabilización por formación de puentes de hidrógeno. Su modelo explicó la principal repetición observada en la estructura de la c-queratina, una proteína fibrosa. Sucede que esta repetición de 0.50 a 0.55 nm es el paso (la distancia axial por cada vuelta) de la hélice a. Max Perutz agregó otros apoyos a la estructura al observar una unidad repetitiva secundaria de 0.15 nm en la figura de difracción de rayos X de la queratina a. Esta repetición de 0.15 nm corresponde a la elevación o subida de la hélice a (la distancia que cada residuo en la hélice avanza a lo largo de su eje). Perutz también demostró que la hélice a estaba presente en la hemoglobina y con ello confirmó que esta conformación existe en proteínas globulares más complejas.

• Hebra ß y Laminas ß 

La otra estructura secundaria común se llama estructura ß, una clase que incluye a hebras ß y láminas ß. Las hebras B son partes de la cadena polipeptídica que se encuentran casi totalmente extendidas. Cada residuo en una hebra b ocupa de 0.32 a 0.34 nm de la longitud total, en contraste con la espiral compacta de una hélice a, donde cada residuo corresponde a 0.15 nm de la longitud general. Cuando se ordenan varias hebras ß lado a lado forman láminas ß, estructura que propusieron originalmente Pauling y Corey cuando desarrollaban el modelo teórico de la hélice a. Las proteínas casi nunca contienen hebras b aisladas porque la estructura en sí no es mucho más estable que otras conformaciones. Sin embargo, las láminas ß se hallan estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los oxígenos carbonílicos y los hidrógenos de amida en hebras ß adyacentes. Así, en las proteínas, las regiones de estructura ß casi siempre se encuentran en láminas. Las hebras ß con puentes de hidrógeno pueden estar en cadenas separadas de polipéptidos o en diferentes segmentos de la misma cadena. Las hebras ß en una lámina pueden ser paralelas (con la misma dirección de N a C-terminal) o antiparalelas (con direcciones opuestas de N a C-terminal). Cuando las hebras b son antiparalelas, los puentes de hidrógeno son casi perpendiculares a las cadenas extendidas del polipéptido. En el ordenamiento paralelo, los puentes de hidrógeno no son perpendiculares a las cadenas extendidas y cada residuo forma puentes de hidrógeno con los grupos carbonilo y amida de dos residuos diferentes en la cadena adyacente. Las láminas paralelas son menos estables que las antiparalelas, quizá porque los puentes de hidrógeno están distorsionados en el ordenamiento paralelo. A veces, a la lámina ß se le llama lámina B plegada ya que los grupos peptídicos planos se encuentran entre sí formando ángulos como en el plisado de un acordeón. El resultado de los ángulos de enlace entre grupos de péptidos es que las cadenas laterales de aminoácido apuntan arribßa y abajo, alternadamente, del plano de la lámina. Una lámina ß típica contiene desde dos hasta 15 hebras  individuales. Cada hebra está constituida por un promedio de seis residuos de aminoácido.

 

a) Lámina b paralela. Los puentes de hidrógeno están a distancias uniformes, pero están inclinados. 

         b) Lámina b antiparalela