Bioquímica 3: Estructuras de las proteínas

Anteriormente, vimos cómo se establece el enlace peptídico. Ahora toca definir cómo sufre modificaciones que dan lugar a la gran variedad de proteínas.

Primero, hay que dejar claro que los conceptos configuración y conformación no son intercambiables.

Estructura nativa: estructura de una proteína que tiene función biológica.

Configuración: L-aminoácidos no son interconvertibles por giro.
El enlace peptídico tiene cierto carácter de doble enlace. Los enlaces sencillos tienen libertad de giro, pero el enlace peptídico no.
Conformación: orientaciones espaciales de sustituyentes del átomo de C interconvertibles por giro. Las conformaciones pueden ser en α-hélice, láminas beta, irregulares o random. La conformación son los giros a través de los enlaces.

De una cadena peptídica única: primaria, secundaria y terciaria.
Dos o más cadenas: cuaternaria.
Estructura primaria: estructura primaria de los aminoácidos.
Estructura secundaria: cómo se orienta en el espacio: hélices alfa, láminas beta… los plegamientos.
Estructura terciaria: Hay cadenas muy largas que pueden tener un fragmento en α-hélice y otros fragmentos láminas beta, giros, etc.
Estructura cuaternaria: Cuando una proteína se compone de dos o más cadenas peptídicas, cada una con su propio plegamiento.

En general, las proteínas que se quedan hasta la estructura secundaria, son proteínas fibrosas que tienden a tener una función estructural o de soporte.
Las proteínas con estructura terciaria o cuaternaria (o ambas) son proteínas globulares y tienden a ser relacionadas con una función enzimática.

RESTRICCIONES DEL PLEGAMIENTO:
Los aminoácidos tienen libertad de giro en el carbono α. El diagrama de Ramachandran es un modelo práctico que representa los giros permitidos.
Si el plano gira en sentido de las agujas del reloj, el valor es positivo. Y contrario es negativo.
Ángulos Psi ψ = 0 a -180º o 0 a +180º
Ángulos Fi ϕ: desde el carbono en alfa, 0 a -180º o 0 a +180º

Tema03-angulos
Ángulos del enlace peptídico. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

Estructura primaria:
Restricciones
1) En el enlace peptídico no hay libertad de giro.
2) Si los residuos tienen cadenas laterales grandes, no se podrán tener algunos grados de giro.
3) La carga de la cadena lateral también restringe el plegamiento
4) Prolina: representa la máxima restricción posible, crea un enlace peptídico del N cíclico con el carboxilo del otro aminoácido.
5) Gly es el caso opuesto a la prolina al tener como residuo R un hidrógeno.

ESTRUCTURA SECUNDARIA:
Ordenadas y no ordenadas.
1) Ordenadas: todos los ángulos ϕ y ψ son iguales:
a. alfa hélice φ -48º y ψ-57º
b. Beta laminar φ -140º y ψ +135º
c. Hélice colágeno φ -55º y ψ +145º
2) No ordenadas: valores de ϕ y ψ distintos

ALFA HÉLICE:
a) En proteínas fibrosas como α queratina.
b) En proteínas globulares como la mioglobina.

Características:
a) Giro a la derecha: dirección N al C, mirando afuera. Dextrógira.
b) Prolina es incompatible con la existencia de la α-hélice
c) Cadenas laterales R hacia fuera
d) Puentes de H extensibles. Se estabiliza creándose una serie de puentes de H al quedar un carbonito y un NH entre hélice y hélice siguiente (a una distancia de 5 Å aproximadamente). Son enlaces débiles. A alta temperatura, se pueden estirar algunas.

α-queratinas (pelo, uñas, cuernos):
Protección
La dureza se dará según el contenido en cisteína y se establecerán puentes disulfuro entre alfa hélices distintas entre ellas.
Pelo: capas de células muertas que se quedan como un depósito de alfa queratinas.
Son varios agregados para formar una estructura sólida, nunca es una proteína única en un péptido. Son agregados de agregados, de agregados con puentes disulfuro entre las cadenas contiguas.
Siempre van en la misma dirección. La cadena peptídica se enrolla a la derecha y cuando se asocian, se enrollan a la izquierda. Es un patrón que se repite también en las proteínas fibrosas.

Tema03-helice
Estructura en alfa hélice. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

BETA LAMINAR:
β-queratinas (como la seda)
1) Hace un zig-zag
2) Los grupos –R quedan hacia arriba y hacia abajo.
3) aminoácidos pequeños y apolares.
4) No es una única cadena peptídica, son agregados agrupados que se estabilizan.
5) Las que están en un mismo plano se agrupan por puentes de H
Cuando las cadenas laterales R están en los huecos, hay una especie de interacción entre los H del NH y los O del COOH. Hay un entramado entre esas cadenas laterales, no es extensible (no se pueden estirar).
Es más estable la antiparalela que la paralela por la geometría de las cadenas peptídicas, en la antiparalela los cuatro átomos de H quedan alineados.

Tema03-beta
Estructura en beta laminar. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

TRIPLE HÉLICE DEL COLÁGENO
Proteína fibrosa (cadenas peptídicas formando agregados de agregados de agregados).
Existen varios tipos de colágeno y a pesar que se trata de una hélice, no tiene nada que ver con la α-hélice.

1) Se enrolla a la izquierda
2) La hélice es mucho más abierta
3) Alto contenido de prolina y de hidroxiprolina, de lisina e hidroxilisina.
4) Secuencia: Nt X-X-Gly-X-X-Gly-X-X-Gly-→ COOH, el 33% es Gly y según los distintos aminoácidos que haya entre medias, da lugar a los distintos tipos de colágeno.
5) Se agrupan tres helices.
6) La hélice individual se enrolla a la izquierda pero cuando se asocian entre sí, se enrollan a la derecha para mayor interacción (lo contrario con la alfa-queratina).
7) Hay determinados puntos donde se aproximan las hélices y el único aminoácido que cabe es la Gly, las Pro hacen que sea una hélice muy abierta.

INTERACCIONES:
1) Puentes de H:
a. Entre átomos del enlace peptídico (como siempre) que quedan próximas. Las del NH con el C=O
b. Hay OH-Pro (hidroxiprolina), es un aminoácido proteico que no suele estar en otras proteínas, es un poco frecuente. Algunas prolinas de hidroxilan, así permiten crear puentes de hidrógeno entre ellas: OH—OH.
c. A veces a las OH-Lys se les unen azúcares (hay tipos de colágeno que son glicoproteínas) y esos azúcares unen agua. Dan lugar a gran variedad de tipos de colágeno; de esta forma, un tendón no tendrá la misma consistencia que un cartílago. El segundo tiene más cantidad de agua al tener más lisinas hidroxiladas: más OH-Lys → más azúcares → mayor afinidad por las moléculas de agua.
2) Fuerzas de Van der Waals: en el anillo de las prolinas.
3) Interacciones covalentes entre restos de Lys. Determinadas cadenas cuando quedan próximas, tienen interacciones covalentes fuertes Lys-Lys que tienden a aumentar con la edad.

La enzima que cataliza las hidroxilaciones es una hidroxilasa que necesita un átomo de hierro en su centro activo. Dicho átomo debe estar en su forma reducida (Fe2+) y un antioxidante garantiza ese agente reductor. La vitamina C es un agente antioxidante que se encarga que el hierro esté en forma reducida, es por ello que ante la falta de esta vitamina, se experimenten una serie de dolencias relacionadas con el colágeno como el escorbuto. Las OH-Pro estabilizan la cadena.

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La triple hélice del colágeno. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

CARACTERÍSTICAS:
1) Sólo tienen estructura secundaria (tiene siempre una única dirección, nunca se retuerce sobre sí misma, porque cuando lo hace, obtenemos la estructura terciaria)
2) La entidad biológicamente activa son varias cadenas peptídicas (nunca una única cadena)
3) Ricas en aminoácidos apolares (en general) cuya función es dar estructuras de protección externa: impermeables, dureza, etc.
a. Protectoras
b. Impermeables
c. Insolubles

Estructura terciaria y cuaternaria: proteínas globulares
a) Formadas por una única cadena peptídica (a diferencia de las fibrosas): Estructura terciaria
b) Formadas por n cadenas peptídicas: estructura cuaternaria, cada una de las cadenas tiene estructura terciaria.

ESTRUCTURA TERCIARIA:
1) Modelos (esquemas más abundantes):
a. Alto porcentaje de α-hélice
b. Alto porcentaje en β-laminar
c. Combinan α-hélice y β-laminar
d. Alto porcentaje de estructura al azar (ángulos ϕ y ψ distintos)
2) Codos o giros (cambio de dirección en la cadena peptídica): la presencia de estos dan lugar a la estructura terciaria. Normalmente son antiparalelas (en la naturaleza lo antiparalelo se ha seleccionado contra lo paralelo).
a. Giros: Si es un giro muy cerrado, hay aminoácidos pequeños como Gly o Ala ya que son los que caben.
b. Codos: En las zonas un poco más abiertas, suelen ser estructuras al azar (zonas donde los ángulos son diferentes).
3) Estructuras supersecundarias: en realidad son terciarias. Agrupaciones que se repiten mucho.
4) Dominios
a. Desde el punto de vista estructural: dentro del plegamiento de una proteína grande, son zonas con un plegamiento más compacto.
b. Desde el punto de vista funcional: son zonas donde reside una determinada función. A veces coincide un dominio funcional con el estructural.
5) Distribución de los aminoácidos según su polaridad: La mayoría de las proteínas son solubles y si están en medio acuoso, los aminoácidos apolares se agrupan en el interior (efecto hidrófobo); exceptuando a las proteínas del citoesqueleto que son insolubles.

ESTRUCTURA CUATERNARIA:
Más de una cadena peptídica, pero cada una tiene estructura terciaria.
Unidas por interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de aminoácidos.
En general, la cantidad de cadenas se encuentra en números pares.
Algunas veces se ven uniones por interacciones covalentes (hay autores que las engloban en la misma).
La mioglobina tiene estructura terciaria, pero la hemoglobina es cuaternaria.

MOVIMIENTOS EN LAS CADENAS PEPTÍDICAS:
Podemos encontrar:
Vibraciones y oscilaciones de átomos y grupos individuales.
Movimientos de elementos estructurales como hélices α y grupos de residuos.
Movimiento de dominios completos, apertura y cierre de hendiduras.

En el siguiente capítulo veremos cómo se pueden desestabilizar estas estructuras.

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana.

Enlace: lecciones de Bioquímica.

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