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(Arriba): La comparación de las secuencias de
aminoácidos de las cadenas polipeptídicas (cadena α y
cadena β) de la hemoglobina humana, y de la
mioglobina (su única cadena polipeptídica) revela un
fuerte grado de homología. Las cadenas α y β
comparten 64 residuos iguales de sus
aproximadamente 140 totales en cada una. La
mioglobina y la cadena α de la hemoglobina tienen 38
identidades en la secuencia de aminoácidos. En
consecuencia esta homología se ve reflejada en la
estructura terciaria de estas proteínas.
(Abajo): La duplicación de un gen ancestral de la
globina propició la divergencia de la mioglobina y de
los genes de una hemoglobina ancestral. Otro evento
de duplicación genética dió origen a las formas α y β
ancestrales, tal como se indica en el árbol evolutivo. La duplicación genética es una importante
fuerza evolutiva en la diversidad de los organismos vivos.
Proteínas aparentemente diferentes pueden compartir un ancestro común. Un ejemplo notable de
relación evolutiva se observa de la homología en las secuencias entre la lisozima de clara de huevo (a la
derecha) y la α-lactoalbúmina (a la izquierda) de leche humana, proteínas éstas de diferente actividad
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biológica y origen.
La lisozima (129
residuos) y la αlactoalbúmina
(123 residuos) son
idénticas en 48
posiciones. La
lisozima hidroliza
los polisacáridos
de la pared
bacteriana,
mientras que la αlactoalbúmina
regula la síntesis
de la lactosa
(azúcar de la
leche) en la
glándula mamaria.
Aunque ambas proteínas actúan en reacciones que implican carbohidratos, sus funciones muestran poca
similitud. Sin embargo, sus estructuras terciarias son sorprendentemente similares, (como se aprecia
en la figura). Es concebible que muchas proteínas estén relacionadas de esta forma, pero que el tiempo y
el curso del cambio evolutivo han borrado otras evidencias de su ancestro común.
(a) Las proteínas que tienen papeles estructurales en las células son típicamente fibrosas y a menudo
insolubles en agua, como el colágeno. (b) Las proteínas solubles operan en las funciones metabólicas y
pueden caracterizarse como moléculas globulares plegadas de forma compacta, tal como la mioglobina.
El patrón de plegado en estas proteínas deja las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos
hacia el interior y las de los aminoácidos hidrofílicos hacia el exterior, haciendo a la proteína
altamente soluble en agua. (c) Las proteínas de membrana se pliegan de tal manera que las cadenas
laterales de los aminoácidos hidrofóbicos quedan expuestas hacia la la bicapa lipídica de la membrana y
las porciones hidrofílicas quedan expuestas hacia el entorno acuoso, como en las proteínas globulares.
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Los enlaces peptídicos
son planos. En una pareja
de aminoácidos unidos
(un dipéptido), seis
átomos (Cα , C , O , N , H
y Cα ) permanecen en un
mismo plano. Las cadenas
laterales se muestran
como esferas verdes.
Esta preferencia
geométrica se explica
por la naturaleza del
enlace químico del
péptido. El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace, lo que evita la
rotación a su alrededor, por lo tanto el enlace peptídico es planar y rígido.
El enlace peptídico se describe como un híbrido de resonancia, es decir que el
oxígeno carbonílico y el nitrógeno amida comparten parcialmente dos pares de
electrones. El oxígeno tiene una carga parcial negativa y el nitrógeno positiva,
formando un pequeño dipolo eléctrico.
Longitudes de enlace
estándar en un enlace
peptídico. El carácter
parcial de doble enlace
también se observa en la
longitud del enlace entre los
grupos CO y NH. La
distancia C-N en un enlace
peptídico es típicamente
1.32 Aº, que está entre los
valores esperados para un
enlace C-N sencillo (1.49 Aº)
y un enlace C=N doble (1.27 Aº), como se aprecia en esta figura. El enlace peptídico se
muestra en su configuración trans característica.
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Enlaces peptídicos cis y trans. La forma trans está enormemente favorecida debido a los
choques estéricos que se dan en la forma cis.
Si bien el enlace peptídico es plano y rígido y
no existe posibilidad de rotación a su
alrededor, los enlaces N-Cα y Cα-C si
que permiten la rotación libre al ser
enlaces sencillos. Cabe entonces la
posibilidad de distintas conformaciones en
torno a estos enlaces. Por ello se definen
los llamados ángulos de conformación que se
denominan con las letras griegas Ф (phi) para
el enlace N-Cα y ψ (psi) para el enlace CαC.
Por convención se considera que los ángulos Ф y ψ tienen un valor de 0º cuando los
enlaces peptídicos que flanquean un carbono alfa se encuentran en el mismo plano.
Esta conformación no es accesible en una proteína, puesto que se produciría un
solapamiento estérico entre un oxígeno carbonílico y el átomo de hidrógeno del grupo
α-amino.
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Tres enlaces separan dos carbonos α consecutivos secuencialmente en una cadena
polipeptídica. Los enlaces N-Cα y Cα-C pueden rotar, y sus ángulos de enlace se denominan Ф
y ψ, respectivamente. Puede producirse rotación alrededor de dos de los tres tipos de
enlaces existentes en una cadena polipeptídica. Los enlaces C-N de los grupos peptídicos
planares (sombreados en azul), que suponen un tercio del total de los enlaces del esqueleto
polipeptídico, no tienen libertad de rotación. Otros enlaces simples de la cadena principal
pueden tener también impedida su rotación, dependiendo del tamaño de los grupos R
(representados aquí en gris).
Si se llevan a una gráfica los valores de los ángulos de conformación observados en las
proteínas, representando Ф en abcisas (eje x) y ψ en ordenadas (eje y), se obtiene una gráfica
denominada representación de Ramachandran en honor a su descubridor. En esta
representación se observa que los pares de valores de estos ángulos aparecen únicamente en
unas pocas zonas permitidas. Existen zonas que representarían conformaciones donde las
cadenas laterales (grupos R) de los aminoácidos sucesivos tenderían a ocupar las mismas zonas
del espacio (lo que se llama impedimento estérico) y por ello no se observan pares de valores
de ángulos de conformación en esta zona del diagrama. Pero aún así, los valores observados de
los ángulos de conformación aparecen en zonas aún más pequeñas y restringidas que las
que podría explicar el mero impedimento estérico. Esto se debe a que la cadena peptídica
tiende a adoptar una conformación espacial que maximiza la formación de enlaces de
hidrógeno entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos, el primero como aceptor y el
segundo como dador de hidrógeno. La estructura que adopta la cadena peptídico en el espacio a
través de la formación de estos enlaces recibe el nombre de estructura secundaria.
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Formación de un enlace (o puente) de
hidrógeno entre el grupo NH y el CO de dos
enlaces peptídicos adyacentes.
La α-hélice. Es una estructura en la cual la cadena peptídica se pliega en el espacio en forma
helicoidal dextrógira (como un tornillo a derechas).
(a) Formación de una hélice α dextógira. Los planos de los enlaces peptídicos rígidos son
paralelos al eje longitudinal de la hélice. (b) Modelo de bolas y varillas en el que se muestran los
enlaces de hidrógeno intracatenarios. La unidad repetitiva es una vuelta de la hélice, de 3.6
residuos. (c) La hélice α vista desde un extremo a lo largo del eje longitudinal. Obsérvense las
posiciones de los grupos R, representados por esferas púrpuras. (d) Un modelo de esferas de van
der Waals de la hélice α.
Esquema de puentes de hidrógeno para una α-hélice. En la α-hélice el grupo CO del
residuo n forma un puente de hidrógeno con el grupo NH del residuo n + 4 .
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Las principales características de la α-hélice son:
- Una vuelta completa cada 3.6 residuos de aminoácido
- Una traslación media por residuo de 0.15 nm
- Un paso de rosca de 0.54 nm.
No todos los aminoácidos tienen igual facilidad para la
formación de α-hélices. En particular la prolina es
incapaz de formar parte de estas estructuras al ser un
aminoácido que carece de grupo donador NH en los
enlaces peptídicos en que participa. En las proteínas
globulares suelen aparecer residuos de prolina al
principio y al final de segmentos α-helicoidales. De
hecho, la presencia de prolina produce una angulación de
aproximadamente 120º entre dos segmentos sucesivos de α-hélice. Esto confiere a la
prolina un importante significado estructural, razón por la que nos encontramos muy
frecuentemente a este aminoácido como invariante en las series filogenéticos de
proteínas homólogas.
Otro aminoácido que dificulta la formación de α-hélice es la glicina, debido al pequeño
tamaño de su cadena lateral.
La α-hélice aparece tanto en las proteínas fibrosas como en las globulares. Entre las
primeras, las α-queratinas (como el pelo y la lana) son estructuras en α-hélice
superenrrollada. En otras proteínas fibrosas, como la miosina del músculo, la α-hélice es
la estructura predominante. En las proteínas globulares, como por ejemplo en la
mioglobina y en las subunidades de la hemoglobina, la cadena polipeptídica forma hasta
un total de ocho α-hélices.
Dado que el interior de la membrana es un medio hidrofóbico, no es extraño encontrar la
estructura de α-hélice anfipática; las cadenas laterales de aminoácidos polares se
disponen hacia un lado de la estructura y las de aminoácidos hidrofóbicos hacia el lado
opuesto.
Diagrama de Ramachandran para las hélices. Tanto
las hélices dextrógiras como las levógiras se
encuentran en regiones de conformaciones permitidas
en el diagrama, sin embargo, prácticamente todas las
α-hélices de las proteínas son dextrógiras.
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Hoja plegada-β antiparalela. Pueden observarse los planos correspondientes a los enlaces
peptídicos en las caras de la hoja plegada y los carbonos-α situados en los pliegues. En esa misma
situación se ven las cadenas laterales (grupos R, en amarillo) que están dirigidas hacia el exterior
de la hoja plegada β y se enfatiza el plegamiento de la hoja descrito por los planos de los
enlaces peptídicos. También se muestran los enlaces por puente de hidrógeno (o enlaces de
hidrógeno) entre cadenas adyacentes mediante líneas de puntos en rojo.
Cada cadena polipeptídica individual en la hoja
plegada-β se denomina hebra- β.
Derecha: Hoja plegada-β paralela. Las hebras-β
adyacentes transcurren en el mismo sentido. Los
puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO
conectan cada aminoácido de una hebra con dos
aminoácidos diferentes de la hebra opuesta.
Izquierda arriba: hebra-β donde puede observarse que la cadena polipeptídica está en su
conformación más extendida posible. En esta representación las cadenas laterales se
representan en verde. En el enlace peptídico, en el grupo carbonilo el carbono (en negro) y el
oxígeno (en rosa) y en el amino, el nitrógeno (en azul) y el hidrógeno (en blanco).
Izquierda abajo: hoja plegada-β antiparalela. En la que la orientación amino-terminal
–carbonilo-terminal de cada cadena polipeptídica adyacente es inversa (ver flechas amarillas) es
decir, las hebras-β adyacentes transcurren en sentidos opuestos. Los puentes de hidrógeno se
representan por líneas punteadas en verde. En este caso los puentes de hidrógeno entre los grupos
NH y CO conectan cada aminoácido con un único aminoácido en la hebra opuesta estabilizando la
estructura.
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Hoja plegada-β antiparalela con dos hebras, para poner de
relieve su apariencia plegada. Las líneas discontinuas indican
los enlaces de hidrógeno.
Obsérvese como las cadenas laterales (grupos R, en ciruela)
de las cadenas polipeptídicas se extienden alternativamente
por los lados opuestos de la hoja.
La hoja plegada-β paralela y la antiparalela tienen un período
de repetición ligeramente distinto (distancia entre un
carbono-α (n) y otro carbono-α (n+2) es más corto en la
conformación paralela, 0.65 nm (6.5 Aº), en comparación
con los 0.7 nm (7 Aº) de la antiparalela (este último valor
se refleja en la figura adjunta).
La distancia entre aminoácidos adyacentes en una hebra-β
es aproximadamente 3.5 Aº, en contraste con la distancia de
1.5 Aº en una α-hélice.
La hoja plegada utiliza la plena capacidad de formación de
enlaces de hidrógeno del esqueleto polipeptídico (hebra-β),
los enlaces de hidrógeno pueden establecerse en la misma
cadena polipeptídica (misma hebra-β) o entre cadenas
polipeptídicas vecinas (diferentes hebras-β).
Cada hebra-β se suele representar por una flecha que
apunta hacia el extremo carboxilo terminal.
Conexiones entre hebras-β adyacentes en hojas plegadas-β:
(a) Conexión en horquilla entre hebras antiparalelas que se hal
topológicamente en el plano de la hoja.
(b) Conexión cruzada, hacia la derecha, entre hebras sucesivas
de hojas- β paralelas. Casi todas las conexiones de cruce de las
proteínas tienen esta orientación.
(c) Conexión cruzada hacia la izquierda entre hebras de hojasparalelas. Las conexiones con esta orientación son raras.
Diagrama de Ramachandran para
las hebras-β. El área roja muestra
las conformaciones permitidas estéricamente
para las estructuras extendidas, tipo hebra-β.
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Estructura de un giro β.
Estos son elementos de
conexión que unen tramos
sucesivos de hélices-α o
conformaciones β. Los giros β
que conectan los extremos
adyacentes de dos segmentos de
hojas β antiparalelas son muy
frecuentes. Esta estructura
forma un giro cerrado (180º)
en la que participan cuatro
residuos aminoácidos. Los giros β del tipo I y tipo II son los más comunes; el giro de tipo I
aparece con una frecuencia superior al doble que el tipo II. El tercer residuo del giro β del tipo
II siempre es una Gly. Obsérvese el enlace de hidrógeno entre los grupos peptídicos de los
residuos primero y cuarto del giro. A menudo se encuentran residuos de Gly y Pro en los giros β.
En la glicina se debe a que es un residuo pequeño y flexible, mientras que en la prolina es la
facilidad con que los enlaces peptídicos en los que participa el nitógeno imino de la Pro adoptan la
configuración cis, particularmente adecuada para la formación de un giro cerrado.
Los giros se encuentran a menudo en la superficie de las proteínas, donde los grupos peptídicos
de los dos residuos aminoácidos centrales en el giro (residuos aminoácidos hidrofílicos), pueden
formar enlaces de hidrógeno con el agua (Los residuos de aminoácidos individuales están
marcados por grandes círculos azules.)
La proteína fibroína que se
encuentra en la seda
representa un tipo de
proteína fibrosa (una βqueratina). Esta proteína
está compuesta de hojas β
antiparalelas apiladas,
como se observa en la
figura. La secuencia
polipeptídica de las
proteínas de la seda es rica
en residuos de glicina que
aparecen alternativamente.
Todos los residuos de
glicina aparecerán por un
lado de la hoja y los otros
residuos (principalmente
residuos de alanina y serina) se situarán sobre la superficie opuesta de la hoja. Pares de hojas β
antiparalelas pueden entonces empaquetarse conjuntamente de forma compacta con una disposición
entrelazada de las cadenas laterales (la superficie con las glicinas con la superficie de las glicinas o la
superficie de las alaninas-serinas hacia la superficie de las alaninas-serinas). Las interacciones de van der
Waals entre las hojas estabilizan también la estructura global. La seda no se estira, ya que la conformación
β ya está altamente extendida. Sin embargo, la estructura es flexible debido a que las hojas se mantienen
unidas mediante numerosas interacciones débiles.
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Frecuencia relativa de
aparición de los
residuos aminoácidos
en α-helices, hojas
plegadas β y giros β en
proteínas de estructura
conocida.
La seda se obtiene de los filamentos
de los “gusanos de seda” (las larvas de
la mariposa nocturna Bombyx mori y
otras especies relacionadas. La
fibroína, la proteína principal de la
seda, está constituida por dos
estructuras de hoja plegada
antiparalelas ordenadas en numerosas
capas superpuestas.
Las cadenas
laterales poco
voluminosas se hallan
interdigitadas y
permiten un
empaquetamiento
compacto entre cada
una de las hojas
superpuestas.
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Estructura del colágeno.
(a) La cadena α del colágeno (no
confundir con la hélice-α), tiene
una
estructura
secundaria
repetitiva que sólo se encuentra
en esta proteína. La secuencia
repetitiva tripeptídica Gly-X-Pro
o Gly-X-Hyp
adopta una
estructura helicoidal levógira con
tres residuos por vuelta. La
secuencia repetitiva empleada
para generar este modelo es GlyPro-Hyp. (b) Modelo de esferas de
la misma cadena α. (c) Tres de estas hélices (mostradas aquí en gris, azul claro y azul oscuro)
se enrollan entre sí de forma dextrógira, formando una superhélice, a la que en ocasiones se
denomina tropocolágeno. (d) La superhélice de tres cadenas del colágeno vista desde un
extremo, en una representación de bolas y varillas. Los residuos de glicina se representan en
rojo. La glicina es necesaria en el lugar en que las tres cadenas entran en contacto a causa de
su pequeño tamaño. En esta ilustración las bolas no representan los radios de van der Waals de
los átomos individuales. El centro de la superhélice de tres cadenas no está hueco como aquí
aparece, sino que está firmemente empaquetado.
Las tres cadenas aparecen unidas
entre sí por multitud de enlaces
de hidrógeno establecidos entre
el grupo –NH- correspondiente a
glicina y el grupo –CO- de la
prolina de otra cadena.
Secuencia típica de aminoácidos en el colágeno. La composición en aminoácidos del colágeno
se aparta de lo que es normal en otras proteínas: Entre el 30-35 % del total de aminoácidos
está constituido por glicina, caso un tanto anómalo si se considera que el contenido en Gly de
proteínas como la hemoglobina no pasa del 6%. También posee un 11% de alanina y un 21 %
de los residuos totales está constituido por prolina e hidroxiprolina. Este altísimo contenido
en prolina dota al colágeno de propiedades estructurales únicas.
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Residuos hidroxilados
que se encuentran
típicamente en el
colágeno. La prolina y la
hidroxiprolina juntas
comprenden hasta un
30% de los residuos
aminoácidos del
colágeno. Estos tres
aminoácidos se forman
de la prolina y la lisina
normales después de
que los polipéptidos del
colágeno se han sintetizado.
La hidroxilación de los residuos de
prolina está catalizada por la enzima
prolil hidroxilasa. La enzima
prolilhidroxilasa sólo actúa sobre
residuos de prolina incorporados a una
proteína en la que el aminoácido
adyacente a la prolina del lado C sea
precisamente glicina. La enzima no
actúa sobre residuos aislados de
prolina.
Esta reacción requiere oxígeno
molecular, α-cetoglutarato y ácido
ascórbico (vitamina C) y es activada
por Fe2+. El ácido ascórbico participa
como agente correductor, de ahí que
uno de los trastornos moleculares que
aparecen en el escorbuto (enfermedad
carencial producida por la deficiencia
dietética en ácido ascórbico) sea un
colágeno mal formado.
Un disacárido de galactosa y glucosa está
unido covalentemente al grupo 5-hidroxilo
de las hidroxilisinas en el colágeno mediant
la acción combinada de las enzimas
galactosiltransferasa y glucosiltransferasa.
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Estructura tridimensional. El tropocolágeno o monómero de colágeno consta de tres cadenas
polipeptídicas y tiene un peso molecular de 300 KDa, 3000 Aº de longitud y 15 Aº de
grosor. Cada una de las tres cadenas polipétidicas consta de unos 1000 aminoácidos y
presenta una disposición en el espacio más extendida que una α-hélice.
Las principales características de esta hélice son:
3.3 residuos por vuelta ,
una traslación media por residuo de 0.29 nm (que es de 0.15 nm en la α-hélice) a lo
largo del eje de la hélice y
un paso de rosca de 0.9 nm (que es de 0.54 nm en la α-hélice)
Se trata de una hélice levógira (como un tornillo a izquierdas) muy diferente de la α-hélice,
dado su altísimo contenido en prolina; de hecho, la disposición tridimensional de la cadena es
similar a la que daría un péptido sintético de poli-L-prolina. Las tres cadenas helicoidales
aparecen enrolladas entre sí de forma dextrógira formando una superhélice. Al ser el signo
de arrollamiento de la superhélice contrario al de las hélices, la disposición resultante
confiere una gran resistencia mecánica al conjunto (esta misma disposición es la que se da a
los cables de acero).
Estructura de las fibrillas de colágeno.
El monómero de colágeno (tropocolágeno)
es una molécula en forma de vara, de 3000 Aº de
longitud y 15 Aº de grosor. Sus tres cadenas α
enrolladas pueden tener secuencias diferentes pero
cada una tiene unos 1000 aminoácidos.
Las fibrillas de colágeno se forman a partir
de moléculas de colágeno (tropocolágeno) alineadas
de manera escalonada y entrecruzadas para tener
fuerza. El alineamiento específico y el grado de
entrecruzamiento varían con el tejido y originan las
estrías de las micrografías electrónicas. Aquí el
alineamiento de los grupos de cabeza de cada
cuatro moléculas produce estrías que distan
640 Aº.
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Dependiendo de la estructura primaria y otros factores como el grado de glicosilación, de
hidroxilación y de la distribución en el organismo se reconocen cinco tipos distintos de colágeno,
llamados I, II ,III, IV y V. Estos tipos se corresponden con cinco clases distintas de cadenas
llamadas α1(I), α1(II), α1(III), α1(IV), α1(V). Las combinaciones de estas cadenas con la
cadena llamada α2 da lugar a los cinco tipos citados de colágeno.
Las cadenas α de las moléculas de colágeno y las moléculas de colágeno (tropocolágeno) de las fibrillas
están entrecruzadas por un tipo no habitual de enlace covalente que implica residuos de Lys (lisina),
HyLys (hidroxilisina) o His (histidina). Estas uniones dan lugar a residuos aminoácidos no estándar tales
como la deshidrohidroxilisina-norleucina.
La rigidez y la fragilidad cada vez mayores del tejido conjuntivo en las personas de mayor edad son el
resultado de la acumulación de entrecruzamientos covalentes en las fibrillas de colágeno a medida que
envejecemos.
Se conocen diversas alteraciones hereditarias, poco frecuentes, del
colágeno. Unas pocas son consecuencia de la sustitución de un aminoácido
en un polipéptido del colágeno que, presumiblemente rompe la hélice triple
del colágeno o bien procede de la anulación de un segmento del polipéptido.
La mayor parte de los desórdenes del colágeno, sin embargo, se caracterizan por deficiencias en la cantidad sintetizada de un tipo de colágeno o
por actividades anormales de las enzimas que intervienen en las transformaciones del colágeno, tales como la lisilhidroxilasa o la lisiloxidasa. Un
grupo de al menos 10 enfermedades de deficiencias del colágeno,
los síndromes de Ehlers-Danlos, se caracterizan por la hiperextensibilidad
de las articulaciones y de la piel. El “hombre de goma” de fama circense,
padecía de un síndrome de Ehlers-Danlos. El síndrome de Marfan se
manifiesta por síntomas semejantes. Niccolo Paganini, virtuoso violinista
del siglo XIX, puede haber padecido (y aprovechado) este desorden.
Niccolo Paganini, fue de una Las mutaciones en el colágeno del Tipo I, que constituye la principal proteína
virtuosidad tan sobreestructural en la mayor parte de los tejidos humanos, normalmente resultan
saliente que se rumoreaba
en osteogénesis imperfecta (enfermedad de los huesos frágiles). La
que había establecido un
gravedad de esta enfermedad depende de la naturaleza y posición de la
pacto con el diablo.
mutación: incluso el cambio de un solo aminoácido puede tener consecuencias
letales.
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La estructura terciaria es la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la
proteína. Para las proteínas que constan de un solo polipéptido (esto es, las que no tienen
estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se
puede obtener sobre la misma. La estructura terciaria de una proteína globular es una
disposición precisa y única en el espacio, mantenida por enlaces fuertes y débiles, y que
surge al ser sintetizada la proteína. No se trata ni mucho menos de una disposición al azar,
sino la determinada por una serie de condicionantes físico-químicos relacionados con sus
aminoácidos integrantes. Según el modelo general de interacción estereoespecífica, la función
de las proteínas depende de su capacidad para fijar un determinado ligando en forma
estereoquímicamente complementaria. Es obvio que la fijación correcta del ligando específico
depende de la orientación adecuada de los grupos químicos presentes en la superficie de la
proteína. Por ello se habla de estructura “correcta” en el sentido de “estructura plenamente
funcional”, también denominada estructura nativa de la proteína.
Representación esquemática de
las interacciones estabilizadoras
de las proteínas globulares. La
frecuencia con la que ocurre cada
tipo de interacción varía de una
proteína a otra. Las estructuras
en α-hélice, en hoja plegada β, los
puentes disulfuro y los enlaces de
coordinación de iones metálicos
pueden estar totalmente
ausentes o estar todos
presentes, o pueden estar en
cualquier combinación posible.
Los otros tipos de interacciones
(marcadas por un ·) se
encuentran en todas las
proteínas globulares.
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Estructura terciaria de la mioglobina de cachalote. La
orientación es la misma en todas las figuras; el grupo hemo
esta en rojo. (a) El esqueleto polipeptídico se muestra en una
representación de cintas que permite identificar las regiones
de estructura secundaria, que en este caso solo corresponden
a las regiones en α-hélice de la mioglobina. No se muestran
las cadenas laterales de los aminoácidos. (b) Un modelo espacial
lleno con el grupo hemo prácticamente enterrado en la
molécula. Se incluyen todas las cadenas laterales de los
aminoácidos. (c) Una representación de cintas que incluye las
cadenas laterales de los residuos hidrofóbicos Leu, Ile, Val,
Phe (en color púrpura). (d) Un modelo espacial lleno con todas
las cadenas laterales. La mayor parte de los residuos
hidrofóbicos no son visibles.
John Kendrew y colaboradores revelaron su estructura
terciaria mediante estudios de difracción de rayos X.
• Proteína fijadora de O2 en células musculares,
relativamente pequeña ( Mr 16.700) y con una sola cadena
polipeptídica.
• Posee un grupo prostético hemo (protoporfirina) al que
se une un átomo de hierro en estado ferroso (Fe2+).
Molécula muy compacta (4.5 x 3.5 x 2.5 nm), con muy poco espacio interno.
Sus residuos aminoácidos están aproximadamente en un 75 % en α-hélice, el
esqueleto estructural de la mioglobina está formado por ocho segmentos
relativamente rectos de α-hélice.
Cuatro de las hélices terminan con un residuo de prolina (aminoácido incompatible
con la α-hélice). Otros giros contienen residuos de Ser, Thr y Asn, incompatibles con
α-hélice si se encuentran muy próximos entre ellos.
Interior y exterior bien definidos. Hacia el interior los residuos aminoácidos no
polares, evitando el contacto con el agua. Todos los grupos R polares, excepto dos
(dos histidinas con un importante papel estructural), se encuentran en la
superficie de la molécula, y todos ellos están hidratados.
•
•
•
•
•
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El grupo hemo planar está situado en una hendidura o
bolsillo de la molécula de mioglobina. El átomo de hierro
del centro del grupo hemo tiene dos posiciones de enlace
(de coordinación) perpendiculares al plano formado por el
propio grupo. En una de estas posiciones se une a la cadena lateral de un residuo de His en
posición 93 (His F8, histidina proximal); la otra posición está ocupada por una molécula de
O2 cuando éste se encuentra unido a la proteína. La accesibilidad del grupo hemo al
solvente está muy restringida en el interior de este bolsillo. Este hecho es muy importante
para la función, puesto que los grupos hemo libres en una disolución oxigenada se oxidan
rápidamente, pasando de la forma ferrosa (Fe2+), activa en la unión reversible de O2, a la
forma férrica (Fe3+), que no es capaz de fijar O2.
Estructuras tridimensionales de tres
proteínas pequeñas: citocromo c,
lisozima y ribonucleasa. En los casos de
lisozima y ribonucleasa, el centro activo
del enzima está dirigido hacia el lector.
Los grupos funcionales clave (hemo en
citocromo y cadenas laterales en el
centro activo de lisozima y ribonucleasa)
se muestran en rojo. Observar las
diferencias estructurales con la
mioglobina.
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Detalle del entorno hidrofóbico que rodea al grupo prostético (grupo hemo) de
la mioglobina, en el interior de la cadena polipeptídica plegada. Se observan los
dos residuos hidrofílicos que juegan un papel esencial en la fijación de O2 por esta
proteína: Se trata de dos residuos de histidina, la histidina proximal o histidina
F8 (residuo que ocupa el octavo lugar dentro de la hélice F) o residuo 93 si se
comienza a contar desde el residuo que ocupa el extremo amino terminal (principio
de la cadena polipeptídica). A este residuo se une el hierro en estado ferroso
(Fe2+) en su 5ª posición de enlace (de coordinación). En la 6ª posición de enlace
de coordinación del Fe2+ se sitúa el O2 cuando se une a la molécula de mioglobina. La
histidina distal o histidina E7, es la que ocupa el séptimo lugar dentro de la hélice
E, no se une al hierro, sino que al ocupar esta posición cercana al grupo hemo
provoca que el enlace del O2 con el Fe2+ se produzca con una cierta angulación
(el ángulo que se forma entre el oxígeno y el plano del hemo es de 120º). Esto
producirá que el monóxido de carbono, que tendría mayor afinidad para unirse al
Fe2+ que el propio O2 tiene disminuida su capacidad de fijación debido a este
impedimento estérico que provoca la histidina distal que no le deja fijarse
perpendicularmente como sería la orientación idónea para el CO.
20
Restricciones físico químicas a que está sometido el plegamiento de los polipéptidos
(Observar cuadro de patrones de plegamiento estables de proteínas).
1.- Las interacciones hidrofóbicas aportan una gran contribución a la estabilidad de las
estructuras de las proteínas. Las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos sepultados,
normalmente en el interior de la proteína plegada para evitar el contacto con el agua, necesitan
como mínimo dos capas de estructura secundaria.
2.- Generalmente, cuando coinciden simultáneamente en las proteínas, las α-hélices y las
hojas-β se localizan en diferentes capas estructurales.
3.- Los segmentos polipeptídicos adyacentes en la secuencia primaria están normalmente
apilados uno junto al otro en la estructura plegada.
4.- Las conexiones entre elementos de estructura secundaria no pueden cruzarse o formar
nudos.
5.- La conformación β es más estable cuando los segmentos individuales están ligeramente
torsionados en sentido dextrógiro. Esto influye tanto en la disposición relativa de las hojas β
una en relación a otra, como en el camino de conexión del polipéptido entre ellas.
Construcción de dominios
grandes a partir de otros
más pequeños. El barril
α/β es un motivo común
construído a partir de
repeticiones del motivo
de lazo β-α-β más
sencillo. Este barril α/β es
un dominio del enzima
piruvato quinasa de
conejo.
La α-hemolisina, una
proteína monomérica de la
bacteria Staphylococcus
aureus, que forma un poro
heptamérico, de 100 Aº de
longitud, con un diámetro
que alcanza de 14 a 46 Aº.
En esta estructura, cada
monómero contribuye con
dos hebras-β de 65 Aº de
longitud que se conectan
mediante un giro en horquilla (giro-β). La estructura del interior del barril de 14
hebras-β es hidrofílico, y la superficie exterior es hidrofóbica. Los poros formados por
la α-hemolisina en eritrocitos humanos, plaquetas y linfocitos permiten una entrada
rápida de Ca2+ en estas células produciendo toxicidad.
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Motivos estructurales.
Las estructuras supersecundarias, también denominadas motivos o simplemente
plegamientos, son disposiciones muy estables de varios elementos de estructura secundaria,
y las conexiones entre ellos. Entre los bioquímicos no existe un acuerdo universal sobre la
aplicación de estos tres términos, y a menudo se utilizan indistintamente. Los motivos
reconocidos van de simple a complejo y aparecen a menudo como unidades repetitivas o
combinaciones. Un solo motivo grande puede englobar la proteína entera.
A pesar de la extaordinaria variedad de estructuras a que pueden dar lugar teóricamente las
proteínas, se van encontrando en todas ellas una serie de motivos estructurales que se
repiten en fuentes biológicas extremadamente diversas y cuyo conocimiento facilita el
análisis predictivo de las estructuras de orden superior. Pero además, la evolución
filogenética del genoma implica muchas veces la duplicación del material genético, con el
resultado de proteínas de estructura similar aunque su función puede poco a poco irse
haciendo muy diferente.
Patrones de plegamiento estables en
proteínas. (a) Dos motivos simples y
abundantes que proporcionan dos capas
de estructura secundaria. Las cadenas
laterales de los aminoácidos en la
interfase
entre
elementos
de
estructura secundaria están protegidos
del agua. Obsérvese que las cadenas β
en el lazo β-α-β tienden a girar
dextrogiramente. (b) Conexiones entre
cadenas β en capas de hojas β. Se
muestran las hojas desde un extremo, no
se ven las torsiones. Los conectores de
un extremo (p. ej. cerca del observador)
no se cruzan entre sí . (c) Debido a la
torsión de las cadenas β, las conexiones
entre
cadenas
son
generalmente
dextrógiras.
(d) Dos disposiciones de β
estabilizadas por la tendencia de las
cadenas a girar. El barril β es un
solo dominio de la α-hemolisina de la
bacteria Staphylococcus aureus. Las
hojas β torsionadas son de un dominio
de la fotoliasa de E. coli.
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Un motivo estructural muy frecuente en
proteínas es la doble lámina β
antiparalela como el , dominio VL de
las inmunoglobulinas (representado
arriba) y la concanavalina A, una proteína lectina (proteínas que fijan glúcidos con elevada
afinidad y especificidad (mostrada a la derecha).
Estructura en barril α/β, en la
triosa fosfato isomerasa.
También se encuentra en el
dominio 1 de la piruvato kinasa.
La silla de montar se articula
también en torno a una lámina
β paralela, pero en este caso la
lámina no es plana, sino que
tiene la forma de la superficie
de una silla de montar.
Triosa fosfato isomerasa vista lateral (izquierda) y
vista de arriba (derecha). Los tramos en estructura β en
este motivo estructural están conectado por α-hélices.
Flavodoxina
Fosfoglicerato mutasa
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Un motivo muy frecuente basado en α-hélice
es el de cuatro α-hélices empaquetadas,
como en la miohemeritrina, proteína no hemo
transportadora de O2 en ciertos gusanos y
moluscos.
Miohemeritrina
Proteína de la cubierta
del virus del mosaico
del tabaco
El dedo de zinc,
presente en muchas
proteínas con
capacidad para
interaccionar con el
DNA, está relacionado
con el reconocimiento
del mismo, y no con la
función de la proteína
en particular.
Motivo hélice-vuelta-hélice
(mostrado a la izqda.) también
frecuente en proteínas que
interaccionan funcionalmente
con el DNA (p.e. activadores y
represores en procariotas).
Otro motivo relacionado con el
DNA es la cremallera de
leucina (mostrado a la
derecha), que en la secuencia
se traduce en la presencia del
aminoácido leucina, espaciado
de siete en siete aminoácidos,
en zonas estructuradas en αhélice, dando lugar a una
interdigitación de las cadenas
laterales de la misma al modo
de una cremallera a lo largo de
las hélices.
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Dominios estructurales
La estructura terciaria de las proteínas
globulares se forma a partir de tramos con
estructura secundaria (α-hélices, hojas
plegadas β y giros β) que se pliegan sobre sí
mismos en el espacio dando lugar a una
estructura compacta. En muchas proteínas la
estructura terciaria se concentra en uno o
varios dominios estructurales de forma
aproximadamente esférica, muchas veces con
un motivo estructural determinado, y
conectados por tramos peptídicos con poca o
ninguna estructura secundaria, lo que hace a
estos últimos ser particularmente sensibles a las enzimas proteolíticas (rompen los enlaces
peptídicos en puntos determinados). De esta forma, un ataque proteolítico limitado en una proteína
puede separar los diferentes dominios estructurales de la misma sin que éstos queden alterados,
manteniendo su estructura tridimensional correcta.
Tal es el caso, por ejemplo, de las cadenas (ligeras y pesadas), de las inmunoglobulinas (mostrado
arriba). La cadena ligera consta de dos dominios, VL y CL . La cadena pesada tiene cuatro dominios
conocidos como VH, C1H, C2H y C3H. El tramo de cadena peptídico que conecta los tramos C1H y C2H
es particularmente carente de estructura secundaria y de esa forma es muy sensible al ataque por
enzimas proteolíticos como la papaína.
Más frecuentemente, los extensos contactos entre dominios hacen difícil discernir los dominios
individuales. A menudo los diferentes dominios tienen funciones distintas, tales como la unión de
pequeñas moléculas o la interacción con otras proteínas. Normalmente las proteínas pequeñas tienen
un solo dominio (el dominio es la proteína).
Dominio estructural en el polipéptido troponina C (izquierda). Esta proteína de fijación de calcio
asociada con el músculo presenta dominios de fijación de calcio separados, indicados en azul y
púrpura. (Derecha) Los dos dominios estructurales de la elastasa, enzima que degrada la elastina del
tejido conjuntivo. Se aprecian dos dominios unidos por una zona sin estructura secundaria. Los dos
dominios muestran un gran parecido estructural, podemos suponer razonablemente que estamos ante
casos de duplicación genética.
Ocurre lo contrario en los dominios estructurales de la
papaína que no muestran parecido estructural.
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