Biomoléculas

Proteínas (2)small logo

Clasificación

Las proteínas son polímeros lineales de a-aminoácidos con amplia variabilidad estructural y funciones biológicas muy diversas. La variedad de proteínas es elevadísima, y para su clasificación se suele recurrir a:

criterios físicos:

El criterio físico más utilizado es la solubilidad. Así se distinguen

  1. albúminas: proteínas que son solubles en agua o en disoluciones salinas diluídas

  2. globulinas: requieren concentraciones salinas más elevadas para permanecer en disolución

  3. prolaminas: solubles en alcohol

  4. glutelinas: sólo se disuelven en disoluciones ácidas o básicas
    escleroproteínas: son insolubles en la gran mayoría de los disolventes

criterios químicos:

Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas:

  1. proteínas simples: formadas exclusivamente por a-aminoácidos, como es el caso de la ubiquitina, una proteasa intracelular formada por 53 aminoácidos.

  2. proteínas conjugadas: que contienen además de la cadena polipeptídica un componente no aminoacídico llamado grupo prostético, que puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o simplemente un ión inorgánico. La proteína en ausencia de su grupo prostético no es funcional, y se llama apoproteína. La proteína unida a su grupo prostético es funcional, y se llama holoproteína (holoproteína = apoproteína + grupo prostético). Son proteínas conjugadas la hemoglobina, la mioglobina que se encuentra en los músculos (este modelo muestra a la mioglobina que tiene un grupo hemo con un Fe+2 en el centro que se combina O2), los citocromos, etc. Ejemplo, el citocromo c, donde el grupo prostético (representado en color verde) es el grupo hemo. Algunas proteínas conjugadas más importantes son: las lipoproteínas, las glicoproteínas, las nucleoproteínas y las hemoproteínas.

    • Las lipoproteínas son proteínas conjugadas compuestas de lípidos y proteínas. Ayudan a suspender y transportar los lípidos a través del torrente sanguíneo. Generalmente se clasifican según su densidad: muy baja densidad (VLDL), baja densidad (LDL), alta densidad (HDL), y muy alta densidad (VHDL). Las lipoproteínas (ejemplo de una lipoproteína, en donde se puede observar en la parte central y de color verde, una molécula de un esteroide)son agregados de proteínas y moléculas lipídicas que contienen una parte interior hidrofóbica (no polar) y una parte exterior hidrofílica (polar), muy similar a la estructura de una micela. Las micelas se forman en medio acuoso. En ellas, las colas hidrofóbicas (en color verde en la figura de la derecha) quedan hacia el interior mientras que las cabezas polares (de color azul) están en la superficie, en contacto con el agua. Pueden considerarse como una minúscula gota de lípido delimitada por grupos polares en contacto con el agua. Los lípidos no solubles en agua quedan atrapados en el interior de la micela, y ésta puede ser arrastrada por la disolución. Es el llamado efecto detergente. Las disoluciones micelares reciben el nombre de emulsiones, y las moléculas que pueden formarlas se llaman emulsionantes o detergentes. Debido al tamaño del soluto, las disoluciones micelares son disoluciones coloidales.

    • Las glicoproteínas son proteínas conjugadas compuestas de carbohidratos y proteínas. La composición de carbohidrato y proteína de las glicoproteínas, al igual que la de las lipoproteínas, varía, pero es fija para cada glicoproteína específica. Un ejemplo de una clase de glicoproteínas son las globulinas gama; son compuestos que combaten las enfermedades infecciosas. La mucina, sustancia que se encuentra en la saliva y en el jugo gástrico, es una glicoproteína que funciona en el proceso digestivo.Muchas glicoproteínas son responsables del transporte de sustancias a través de la membrana celular. Una glicoproteína que ha recibido mucha atención en los últimos años es el interferón; se trata de una glicoproteína más bien pequeña producida por las células en respuesta a las infecciones virales. Es parte de los mecanismos de defensa de las células contra los virus. El interferón inhibe la reproducción de virus interfiriendo la capacidad de éstos para producir sus propias proteínas.

    • Las nucleoproteínas son proteínas conjugadas compuestas de ácidos nucleicos (ADN y ARN) y proteínas. Son moléculas complejas grandes.

    • Las hemoproteínas contienen el grupo hemo, además de la parte proteínica de la molécula. La mioglobina, hemoglobina y citocromos son ejemplos de hemoproteínas.

criterios estructurales (de forma):

En cuanto a su forma molecular, podemos distinguir:

  1. proteínas globulares: se dispersan en agua, es decir, forman dispersiones coloidales. Como ejemplos de proteínas globulares se encuentran las enzimas. las inmunoglobulinas (anticuerpos) y las proteínas de la sangre. La cadena polipeptídica aparece enrollada sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos esférica y compacta. Un ejemplo de este tipo de proteína puede ser la triosafosfato isomerasa. Las principales clases de proteínas globulares son: las albúminas, las globulinas y las histonas.

    • Las albúminas son proteínas globulares que están dispersas en agua y se coagulan al calentarse. Ayudan al transporte de las sustancias hidrofóbicas a través del cuerpo y forman parte de la estructura de las moléculas que transportan los lípidos a través del entorno aacuoso de la sangre. Las albúminas también regulan la presión osmótica de la sangre.

    • Las globulinas son un grupo extremadamente importante de proteínas simples. Tanto las enzimas como los anticuerpos están compuestos de globulinas. Se dispersan parcialmente en agua y en soluciones salinas diluidas. Como las albúminas, las globulinas se coagulan fácilmente al calentarse. Muchas globulinas de diferentes tipos se encuentran en la sangre. Estas proteínas de la sangre unen y transportan varias moléculas a través de ella. Otras globulinas de la sangre hacen parte de las inmunoglobulinas que atacan y neutralizan las proteínas extrañas que entran en el sistema vascular.

  2. proteínas fibrosas: son insolubles en agua y se localizan principalmente en el pelo, la piel y los tejidos conectivos. Las principales clases de proteínas fibrosas son los colágenos, las elastinas y las queratinas.

    • Los colágenos (girar la molécula para apreciarla con claridad) son la clase más importante de proteínas en los tejidos conectivos y son las proteínas más abundantes en el cuerpo humano. Los colágenos son componentes de los tendones y ligamentos, los huesos y los dientes. Cuando los colágenos se calientan, se hidrolizan a gelatinas de menor masa molecular.

    • Las elastinas son también componentes del tejido conectivo. Tienen composiciones de aminoácidos similares, per a la vez diferentes. Comparadas con los colágenos, cuando se calientan no se convierten en gelatinas; son los componentes de las paredes de los vasos sanguíneos. Y como su nombre lo indica, son elásticas y se pueden alargar; esto permite que los vasos sanguíneos se expandan bajo la presión creada por la acción del bombeo de la sangre por parte del corazón.

    • Las queratinas son las proteínas fibrosas que se encuentran en el pelo, la piel, las uñas, las plumas, el algodón y la lana. Las queratinas fueron las primeras proteínas cuya estructura se identificó. La mayoría de las queratinas contienen grandes cantidades de cisteína, el pelo tiene aproximadamente 14% de cisteína.

criterios funcionales:

Desde un punto de vista funcional se distinguen:

  1. proteínas monoméricas: constan de una sola cadena polipeptídica, como la mioglobina.

  2. proteínas oligoméricas: constan de varias cadenas polipeptídicas. Las distintas cadenas polipeptídicas que componen una proteína oligomérica se llaman subunidades, y pueden ser iguales o distintas entre sí. Un ejemplo es la hemoglobina, formada por 4 subunidades, cada una representada de distinto color en la figura inferior.

Es difícil hacer una clasificación más descriptiva o conceptual. Sin embargo, los criterios que hemos descrito son muy útiles desde el punto de vista práctico, y nos permiten definir al colágeno como una proteína simple, fibrosa y oligomérica, y al citocromo c como una proteína conjugada, globular y monomérica.

criterios de orígen evolutivo

Actualmente se clasifican las proteínas desde el punto estructural en cuatro grupos principales (todo a, todo ß, a/ß y a+ß) junto con otros tres grupos adicionales. Esta clasificación se recoge en el banco de datos de SCOP ("Structural Casification Of Proteins").

Práticamente todas las proteínas presentan similaridades estruturales con otras proteínas y en algunos de los casos esta similiaridad va acompañada de un origen evolutivo común. la base de datos SCOP proporciona una descripción detallada y comprensiva de las relaciones estructurales y evolutivas entre las estructuras proteicas conocidas.

Esta clasificación de la base de datos de SCOP es jerarquica. Las proteínas se clasifican en familias cuando presentan similitudes de secuencia primaria y/o estructura y función demostrable. Cuando dos o más familias con poco similitud en estructura primaria presentan similitud en estructura y función se agrupan en una superfamilia. Los dos grupos más altos, plegamiento y clase, se basan exclusivamente en aspectos estructurales. En la tabla se muestran los diferentes grupos de la calificación SCOP y se puede visualizar un ejemplo de cada clase.

Funciones biológicas de las proteínas

Así como los polisacáridos se reducen a ser sustancias de reserva o moléculas estructurales, las proteínas asumen funciones muy variadas gracias a su gran hetereogeneidad estructural. Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes:

  1. función enzimática: las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular.

  2. función hormonal: las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).

  3. función de reconocimiento de señales: la superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo. Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor ( hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica.

  4. función de transporte: en los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas. Ejemplo, la mioglobina que transporta oxígeno (de color celeste, girar la molécula) al músculo.

  5. función estructural: las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular (de color claro en la figura) y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión.

  6. función de defensa: la propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de ADN que no identifica como propias (en color blanco en la figura de la derecha). En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario. 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 haciendo más dificir la distinción entre dominios individuales.
    La relación entre la estrutura de un dominio y la función es compleja. A veces una determinada función es realizada por un dominio individual, mientras que en otras ocasiones la función requiere la existencia de más de un dominio, por ejemplo, los sitios de unión para pequeñas moléculas o los sitios activos de determinados enzimas se forman en la interfase de dos dominios con participación de residuos de ambos.

  7. función de movimiento: todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina.
    El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos (figura de la derecha) está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos.

  8. función de reserva: la ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión.

  9. transducción de señales: los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de señales) están mediados por proteínas. Así, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica), y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula.

  10. función reguladora: nuchas proteínas se unen al ADN y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura de que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina.

Muchas proteínas ejercen a la vez más de una de las funciones enumeradas: Las proteínas de membrana tienen tanto función estructural como enzimática; la ferritina es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el hierro; la miosina interviene en la contracción muscular, pero también funciona como un enzima capaz de hidrolizar el ATP, y así se podrían poner muchos ejemplos más.

Estructura de las proteínas

La estructura de una molécula de proteína determinada y sus actividades biológicas. Cada molécula de proteína tiene una forma tridimensional definida. La forma específica de una proteína se denomina: conformación. La conformación general de una molécula de proteína se divide en cuatro niveles de organización: las estructuras primaria, secundaria, terciaria, y cuaternaria.

Estructura primaria

La estructura primaria se refiere a la secuencia de aminoácidos en la molécula. Cada molécula de proteína tiene una secuencia exacta de aminoácidos que comienza en el aminoácido N-terminal y termina en el aminoácido C-terminal. Ligeros cambios en la estructura primaria de una proteína tienen un efecto fundamental en las propiedades de esa proteína. Por ejemplo, las moléculas de hemoglobina de los individuos que sufren de animia por células falciformes únicamente se diferencian en un aminoácido con respecto a las moléculas normales de hemoglobina. Una molécula de hemoglobina consta de cuatro cadenas polipeptídicas, dos cadenas a y dos cadenas ß. Cada una de estas cuatro cadenas contiene cerca de 140 moléculas de aminoácidos. En la cadena ß de la hemoglobina normal, una molécula de ácido glutámico es el sexto aminoácido desde el extremo N-terminal de la cadena; sin embargo, en la hemoglobina de las células falciformes, una valina está localizada en esa posición.

NH3+-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys

NH3+-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys

Una sustitución de un aminoácido con una cadena lateral no polar (valina) por una cadena lateral polar (ácido glutámico), cambia la estructura de la molécula de la hemoglobina y las propiedades de los glóbulos rojos. Cuando la concentración de oxígeno en la sangre es baja, los glóbulos rojos de una persona con anemia por células falciformes toman la forma de una hoz en lugar de la forma de rosca (donut) de los glóbulos rojos normales. Las células falciformes no funcionan adecuadamente y producen bloqueos en los pequeños vasos sanguíneos.

Estructura secundaria

La estructura secundaria de una proteína, es el arreglo fijo de los aminoácidos resultante de las interacciones entre los enlaces amídicos cercanos entre sí en la cadena proteínica.

Se pueden distinguir varios tipos de conformaciones que determinan la estructura secundaria de una proteína:

Conformación al azar

En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la misma, no existen interacciones de suficiente consideración como para que se pueda distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria. En estos casos se habla de conformación al azar.

La figura de la derecha representa el motivo estructural denominado dedo de zinc, muy común en proteínas que interaccionan con el ADN.

Hélice a

Cuando la cadena principal o esqueleto de un polipéptido se pliega en el espacio en forma de helicoide dextrógiro se adopta una conformación denominada hélice a (color verde). Esta estructura es periódica y en ella cada enlace peptídico puede establecer dos puentes de hidrógeno (líneas rojas punteadas). Un puente de hidrógeno se forma entre el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido en posición n y el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición n-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace peptídico del aminoácido en posición n y el grupo -NH- del enlace peptídico del aminoácido situado en posición n+4. Cada vuelta de la hélice implica 3,6 aminoácido, con una translación media por residuo de 0,15 nm, lo que indica que la hélice tiene un paso de rosca de 0,54 nm. Dicho con otras palabras, una vuelta completa de la hélice a representa una distancia de 0,54 nm y contiene 3,6 residuos de aminoácido.

Las cadenas laterales de los aminoácido se sitúan en la parte externa del helicoide, lo que evita problemas de impedimentos estéricos. En consecuencia, esta estructura puede albergar a cualquier aminoácido, a excepción de la prolina, cuyo Ca no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Por este motivo, la prolina suele determinar una interrupción en la conformación en hélice a. Los aminoácido muy polares (Lys, Glu) también desestabilizan la hélice a porque los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las interacciones electrostáticas de atracción o repulsión. Por este motivo, la estructura en hélice a es la que predomina a valores de pH en los que los grupos ionizables no están cargados. En caso contrario, adoptan la conformación al azar.

Hoja ß

Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada estructura ß [1] [2], que suele representarse como una flecha (Activar la opción de CHIME "display cartoon" con el botón derecho del ratón sobre la molécula de la derecha). En esta estructura las cadenas laterales de los aminoácidos se sitúan de forma alternante a la derecha y a la izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica (de color verde en la figura de la izquierda). Las estructuras ß de distintas cadenas polipeptídicas o bien las estructuras 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 u hojas ß (con los puentes de hidrógeno representados de color verde).

Cuando las estructuras ß tienen el mismo sentido NC, la hoja ß resultante es paralela, y si las estructuras ß tienen sentidos opuestos, la hoja plegada resultante es antiparalela.

En la fibroína de la seda, que es una proteína fibrosa, numerosas estructuras ß antiparalelas dan lugar a varias hojas ß, pero también aparece en proteínas globlulares como las inmunoglobulinas.

Giros ß

Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura a o ß a menudo están conectadas entre sí por medio de los llamados giros ß. Son secuencias cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180o a la cadena principal de un polipéptido.

Aminoácidos como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo a o ß) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura.

La conformación de los giros ß está estabilizada generalmente por medio de un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro ß (en color verde).

Estructuras de conexión

Para que las hojas y las hélices puedan formar estructuras globulares y no lineales, es necesario que la cadena polipeptídica se curve. Se conocen varios tipos de curvaturas definidas.

Conformación del colágeno

El colágeno es una importante proteína fibrosa, con función estructural. Presenta una secuencia típica compuesta por la repetición periódica de grupos de tres aminoácidos. El primer aminoácido de cada grupo es Gly, y los otros dos son Pro (o hidroxiprolina) y un aminoácido cualquiera: -(G-P-X)-.

La frecuencia periódica de la Prolina condiciona el enrollamiento peculiar del colágeno en forma de hélice levógira. La glicina, sin cadena lateral, permite la aproximación entre distintas hélices, de forma que tres hélices levógiras se asocian para formar un helicoide dextrógiro.

Estructura terciaria

La imagen que hasta ahora se tiene de una proteína es la de un resorte enrollado sin cohesión, al cual le hace falta una distribución geométrica definida. Los enlaces de hidrógeno dentro de las cadenas son adecuados para mantener la configuración espiral x de una proteína, pero no son lo suficientemente fuerte para estabilizar a esta conformación en solución acuosa. Recuérdese que el agua es una sustancia que forma enlaces de hidrógeno. Por tanto, las moléculas de agua pueden competir eficazmente en los sitios de formación de enlaces de hidrógeno del esqueleto de la hélice a. Esto causaría una alteración de los enlaces internos, y la proteína adoptaría una configuración al azar en forma simultánea a la alteración. Sin embargo, las evidencias experimentales han demostrado que no se destruye la configuración en espiral a cuando la molécula se disuelve en agua. Por tanto, debe concluirse que intervienen otras fuerzas en la condensación de las cadenas largas espirales a las estructuras geométricas definidas que son características en las diferentes proteínas. Esta forma tridimensional única, que resulta del plegamiento y flexión precisos de la vuelta en espiral, se conoce como estructura terciaria. La estructura terciaria de una proteína está íntimamente ligada con el funcionamiento bioquímico adecuado de esa proteína.

Los enlaces responsables de la estructura terciaria de una proteína son función de la naturaleza de las cadenas laterales de los aminoácidos de la propia molécula. Muchas proteínas son sumamente compactas, casi de form esférica; estas proteínas tienen sus cadenas laterales no polares dirigidas hacia el interior de la molécula (región hidrófoba o no acuosa) y sus cadenas laterales polares se proyectan hacia el exterior de la superficie de la molécula, hacia el medio acuoso. Los enlaces que estabilizan la estructura terciaria de las proteínas son:

  1. enlaces salinos
  2. enlaces de hidrógeno
  3. enlaces disulfuro
  4. interacciones hidrófobas
  5. interacciones de los grupos polares con el agua

Para observar como se forman estos enlaces que estabilizan la estructura protéica, se utilizará un ejemplo de un péptido de 12 aminoácidos pertenecientes a la estructura de la quimotripsina (desde la glicina193 a la asparragina204). Para una mejor visualización, sigua la serie de comandos en el orden que aparece en el visor del lado derecho. La quimotripsina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas (A, B, C, D ).

El esqueleto polipeptídico se representa en color violeta, mientras que las cadenas laterales de los aminoácidos se representan con los colores típicos C , H , N, O, P, S .

Enlaces disulfuro

Este tipo de enlaces se establece al oxidarse dos cisteínas para formar una cistina, unión de los dos azufres. Este tipo de uniones se conocen con el nombre de puentes disulfuro.

–CH2–S–S–CH2

Por ejemplo el puente disulfuro entre la Cys201 y la Cys136.

Enlaces salinos

Los aminoácidos básicos y ácidos de las proteínas presentan a pHs fisiológicos carga. Al poderse encontrar en el esqueleto polipeptídico aminoácidos ácidos (Glu y Asp) que presentan carga negativa; y aminoácidos básicos (His, Lys, Arg) que presentan carga positiva; hay distintas regiones de las proteínas con carga opuesta que se atraen por fuerzas electrostáticas, interacciones que se conoce con el nombre de enlace salino.
Los aminoácidos que presentan carga en su cadena lateral se suelen localizar más en la parte exterior de la proteína, que en el interior de la misma, en esta localización se encuentran mayoritariamente los aminoácidos hidrofóbicos.

Aunque es raro encontrar aminoácidos cargados en el interior de la proteína, si están, juegan un papel importante ya que la distancia y fuerza de este tipo de enlace se aproxima a los valores del enlace covalente (2,8 Å).
En el modelo propuesto como ejemplo, el grupo ácido de la cadena lateral del aspartato (194) interacciona con el grupo amino terminal de la cadena B, corresponiente a una Isoleucina (16).
Los grupos cargados normalmente se encuentran en la superficie de la proteína, y determinan el correcto plegamiento de la proteína al poder interaccionar con el agua de solvatación. Las moléculas de agua interaccionan con las cargas de las cadenas laterales (o grupo amino y carboxilo terminal). Son ejemplos de este tipo de interacción las Lys202 y Lys203 con las moléculas de agua de solvatación.

Puentes de hidrógeno

En la estructura de las proteínas hay diferentes tipos de enlaces por puentes de hidrógeno, dependiendo de los átomos que intervienen en el mismo:

  • Las cadenas laterales de dos aminoácidos de la cadena polipeptídica.
    La Ser195 en el modelo peptídico está situado de tal manera que interacciona con la His57 a través de un puente de hidrógeno, el grupo OH de la Ser comparte el hidrógeno con un N de la cadena lateral del anillo de la His57.
  • Los átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y las moléculas de agua de solvatación. El Asn204 contiene en la cadena lateral un grupo carboxilo, grupo que puede formar un puente de hidrógeno con el agua de disolución en la superficie de la proteína.
  • Los átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y los átomos del esqueleto polipeptídico. La Gly193 forma un enlace de hidrógeno a través del grupo carboxilo con un grupo –NH de la cadena lateral de la His40.
  • Los átomos del esqueleto polipeptídico.La mayoría de los enlaces por puente de hidrogeno están formados por el esqueleto polipeptídico de la proteína entre los grupos amino (N-H) y carbonilo (C=O), que forman las hélices a o las lámina ß. En el modelo polipeptídico (residuos 193-204) es una lámina ß que está formando puentes de hidrógeno con un lámina ß antiparalela (residuos 205-214). Así se establecen dos puentes de hidrógeno entre los átomos de la cadena polipeptídica en la Leu199 y la Gly211.

Interacciones hidrofóbicas

Las interacciones hidrofóbicas se dan entre las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbico, estos aminoácidos suelen disponerse en el interior de la proteína, evitando de esta manera las interacciones con el agua. Este tipo de fuerzas hidrofóbicas intervienen en el correcto plegamiento de la proteína. Las uniones hidrofóbicas suelen darse en el interior, corazón hidrofóbico de la proteína, donde la mayoría de cadenas laterales puede asociarse estrechamente y se encuentran protegidas de las interacciones con el disolvente. Así la Pro198 y la Val200 son dos de los seis aminoácidos hidrofóbicos del modelo polipeptídico. Estos dos aminoácidos se asociación de manera estrecha con las cadenas hidrocarbonadas de Leu209, Val121 y Trp207. Este tipo de interacciones ayudan a mantener la estructura tridimensional de las proteína.
Aunque no todos los aminoácidos hidrofóbicos se encuentran en el interior de las proteínas, cuando las cadena lateral hidrofóbicas están expuestas a las moléculas polares del agua usualmente involucran un enlace hidrofóbico externo. Podemos observar la unión hidrofóbica entre la Pro24 y Phe71.

Fuerzas de Van Der Waals

Las fuerzas de Van der Waals, son atracciones eléctricas débiles entre diferentes átomos. Estas fuerzas son el resultado de las fuerzas atractivas y repulsivas que se establecen al acercarse los átomos, de manera que existe una distancia en que la atracción es máxima. Esta distancia se encuentra en lo que se conoce con el nombre de radios de Van der Waals. Estas fuerzas se deben a que cada átomo posee una nube electrónica que puede fluctuar, creando de esta manera dipolos temporales. El dipolo transitorio en un enlace puede inducir un dipolo complementario en otro enlace, provocando que dos átomos de los diferentes enlaces se mantengan juntos. Estos dipolos transitorios provocan una atracción electrostática débil: las fuerzas de Van der Waals.

Los puntos alrededor de los átomos representan el radio de Van der Waals.

Estas atracciones de Van der Waals, aunque transitorias y débiles son un componente importante en la estructura de las proteínas porque su número es importante. La mayoría de los átomos de una proteína están empaquetados lo suficientemente próximos unos de otros para involucrar estas fuerzas transitorias.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria es el nivel de organización en el cual las unidades de proteínas en su estado ya plegado, es decir con su estructura terciaria se agregan para formar homo o hetero multímeros.

Hetero multímeros

En este caso nosotros encontramos diferentes proteínas (cadenas polipeptídicas plegadas en su estructura terciaria) que se agregan para formar una unidad . Un buen ejemplo de esto es el centro de reacción fotosintético.

A menudo las diferentes cadenas tienen diferentes funciones, todas relacionadas, por ejemplo, una cadena es responsable de la unión, otra es responsable de la regulación y una tercera de la actividad enzimática. No es poco común encontrar más de una copia de una misma cadena en una proteína compleja. Un ejemplo de esto es la ATPsintetasa F1.

Dos pasos en la vía de biosíntesis del triptofano( en Salmonella typhimurium) están catalizados por la Triptofano sintasa, la cual consiste de dos cadenas separadas, designadas como a y b, cada una de las cuales es efectivamente una enzima diferente. La unidad biologicamente activa es un hetero-tetramero compuesto de dos subunidades a y dos subunidades b.

Se puede encontrar que a veces se asocian subformas de las misma proteína, que presentan solo leves diferencias. Por ejemplo la hemoglobina tiene tanto cadenas alfa como cadenas betas, las cuales se asocian para formar el heterodíimero. Dos copias de este se asocian para formar el tetrámero normal de la hemoglobina. Este es equivalente a tener un dímero de cadenas alfa asociado con un dímero de cadenas betas.

También puede presentarse que dos cadenas diferentes se asocien para formar una estructura secundaria superior mayor. Este es el caso de la lectina donde se forma una hoja beta muy grande por la asociación de diferentes cadenas protéicas:

Homo multímeros

Es muy común encontrar copias de la misma cadena asociadas no covalentemente. Estos complejos, son generalmente, aunque no siempre, simétricos. Debido a que las proteínas son inherentemente objetos asimétricos, los multímeros presentan casi siempre simetría rotacional alrededor de uno o mas ejes. La mayoría de las enzimas de las vías metabólicas se agregan en esta forma, formando dímeros, trímeros, tetrámeros, hexámeros, octámeros decámeros, dodecámeros ( o aun incluso tetradecámeros como en el caso de la chaperona GroEL).

Se piensa que la razón de esta asociación es para adquirir propiedades regulatorias como cooperatividad y alosterismo. En efecto pequeños cambios conformacionales relacionados con la asociación de las subunidades que acompañan a la unión del sustrato y que modifican la eficiencia catalítica de la enzima. El ejemplo más estudiado es el "movimiento de exhalación" observado en el tetrámero de la hemoglobina.

Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser:

  • exactamente iguales, como en el caso de la fosfoglucoisomerasa o de la hexoquinasa.
  • Muy parecidos, como en el caso de la lactato deshidrogenasa.
  • Con estructura distinta pero con una misma función, como en el caso de la hemoglobina.
  • Estructural y funcionalmente distintos, que una vez asociados forman una unidad funcional,como en el caso de la aspartato transcarbamilasa, un enzima alostrico con seis subunidades con actividad cataltica y seis con actividad reguladora.
  • La estructura cuaternaria modula la actividad biolgica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de energía libre con respecto a los monómeros.

Estructura quinquenaria

Las proteínas a y ß-tubulina (en color azul y verde) [1] [2] forman unos dímeros que se ensamblan formando filamentos huecos enormemente largos llamados microtúbulos que tienen unos 24 mm de diámetro, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del citoesqueleto de las células (que contribuyen a dar forma a las células), del centriolo (que participa en la mitosis), y de los cilios y flagelos (que participan en la motilidad celular).

La primer etapa de formación de microtubos se denomina "nucleación". Este proceso requiere Mg+2 y GTP y se lleva a cabo a una temperatura de 37o centífrados. Esta etapa es relativamente lente hasta que se empieza a formar el microtuvo. Luego la segunda fase, se llama "elongación" y procede mucho más rápido.

Durante la "nucleación", una molécula de a y ß-tubulina se unen para formar el heterodímero. luego se unen a otros dímeros para formar un oligómero y se estira y forma un protofilamento.

La a-Tubulina tiene una molécula de GTP (trifosfato de guanosina) enlazada que no se hidroliza. En tanto que, la ß-tubulina puede contener GTP o GDP (difosfato de guanosina). Bajo ciertas condiciones la ß-tubulina pude hidrolizar su GTP a GDP liberando un Pi (fosfato) que puede ser recibido por una molécula de GDP que se transforma en GTP.

A lo largo del eje del microtubo, los heterodímeros de tubulina se unen extremo con extremo para formar protofilamentos con subunidades a y ß alternas. Este ensamble de 13 protofilamentos conducen al arreglo helicoidal de la tubulina.

Evaluación de esta unidad.

 

Arriba

©2004 Facultad de Ciencias Médicas