Bioquímica/Proteínas/Estructura y Plegamiento de Proteínas

El plegamiento de proteínas es comúnmente un proceso rápido o muy rápido, a menudo, pero no siempre, reversible, y no tarda más de unos pocos milisegundos en ocurrir. Puede verse como un compromiso complejo entre las diferentes interacciones químicas que pueden ocurrir entre las cadenas laterales de aminoácidos, la estructura amídica y el solvente. Hay literalmente millones de posibles configuraciones tridimensionales, a menudo con diferencias energéticas mínimas entre ellas. Es por eso que todavía somos casi incapaces de predecir el plegamiento de una cadena polipeptídica dada ab initio. El problema del plegamiento de proteínas es que los científicos aún no han podido descifrar el código que gobierna el plegado. Además, la capacidad de los polímeros biológicos como las proteínas se pliegan en estructuras bien definidas es termodinámicamente notable. Existe un polímero desplegado en bobinas aleatorias, cada copia de un polímero desplegado tendrá una conformación diferente, produciendo una mezcla de muchas conformaciones posibles.

En 1954, Christian Anfinsen demostró que el plegamiento de una proteína en un entorno determinado depende únicamente de su estructura primaria: la secuencia de aminoácidos. Esta conclusión no fue de ninguna manera obvia, dada la complejidad del proceso de plegado y la escasez de conocimiento bioquímico en ese momento. El proceso de plegamiento comienza a menudo de manera cotraduccional, de modo que el extremo N-terminal de la proteína comienza a plegarse mientras el ribosoma todavía sintetiza la parte C-terminal de la proteína. Las proteínas especializadas llamadas chaperonas ayudan en el plegamiento de otras proteínas. Mientras tanto, el plegamiento de proteínas es un proceso impulsado termodinámicamente: es decir, las proteínas se pliegan al alcanzar su estructura termodinámicamente más estable. Sin embargo, el camino que sigue la proteína en el panorama energético potencial está lejos de ser obvio. En el proceso participan muchas interacciones locales y no locales, y el espacio de posibles estructuras es enorme. A día de hoy, las simulaciones de dinámica molecular están dando pistas invaluables sobre las primeras etapas del proceso de plegado. Ahora se sabe que el estado desplegado aún conserva interacciones clave de largo alcance y que la propensión local de la secuencia a plegarse en un elemento de estructura secundaria dado reduce la "búsqueda" en el así llamado espacio conformacional. Esto parece significar que las proteínas biológicas de alguna manera evolucionaron para plegarse adecuadamente. De hecho, muchas secuencias de aminoácidos aleatorias solo adquieren estructuras mal definidas (glóbulos fundidos) o ninguna estructura en absoluto.

Sin embargo, existen algunas reglas generales. Los aminoácidos hidrofóbicos tenderán a mantenerse dentro de la estructura, con poco o ningún contacto con el agua circundante; a la inversa, los aminoácidos polares o cargados a menudo se exponen al disolvente. Las proteínas muy largas a menudo se pliegan en varios módulos distintos, en lugar de en una única estructura grande.

Estructura Primaria

La estructura primaria es prácticamente un sinónimo de la secuencia de aminoácidos. También puede contener información sobre aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. La estructura primaria generalmente se escribe como una cadena de secuencias de tres letras, cada una de las cuales representa un aminoácido. Los péptidos y las proteínas deben tener la secuencia correcta de aminoácidos.

Estructura Secundaria

Los elementos de la estructura secundaria son patrones estructurales elementales que están presentes en la mayoría, si no en todas, las proteínas conocidas. Se trata de subestructuras muy estructuradas (hélice alfa y hoja beta) que constan de bucles entre elementos o segmentos de la cadena polipeptídica que no asumen una forma estable. Los elementos de la estructura secundaria, cuando se mapean en la secuencia y se representan en la posición relativa que tienen entre sí, definen la topología de la proteína. También es importante señalar que los enlaces de hidrógeno entre los residuos son la causa de las características de la estructura secundaria; La estructura secundaria generalmente se describe a los bioquímicos principiantes como (casi) completamente independiente de las interacciones de la cadena lateral del residuo.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria es el nombre que se le da para referirse a la forma general de una sola molécula de proteína. Aunque la estructura terciaria a veces se describe (especialmente para estudiantes principiantes de biología y bioquímica) como resultado de interacciones entre cadenas laterales de residuos de aminoácidos, una comprensión más correcta de la estructura terciaria son las interacciones entre elementos de la estructura de la proteína secundaria, es decir, hélices alfa y sábanas beta-plisadas. La estructura terciaria a menudo se denomina "estructura de pliegue" de una proteína, ya que es el resultado de la compleja interacción tridimensional de otros elementos estructurales y ambientales.

Estructura superterciaria (módulos)

Alguna literatura se refiere a elementos de estructura super-terciaria, que a menudo se refiere a elementos de plegado que, por alguna razón, no encajan perfectamente en la categoría de estructura terciaria. A menudo, este nivel de distinción se guarda para cursos de posgrado. La desnaturalización de proteínas puede ser un proceso reversible o irreversible, es decir, puede ser posible o imposible hacer que la proteína recupere su conformación espacial original.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria es la forma o estructura que resulta de la unión de más de una molécula de proteína, generalmente llamadas subunidades de proteínas subunidades en este contexto, que funcionan como parte del ensamblaje o complejo de proteínas más grande. Esto se refiere a la asociación regular de dos o más cadenas polipeptídicas para formar un complejo. Una proteína de múltiples subunidades puede estar compuesta por dos o más polipéptidos idénticos o puede incluir diferentes polipéptidos.

La estructura cuaternaria tiende a estabilizarse principalmente por interacciones débiles entre los residuos expuestos en las superficies de los polipéptidos dentro de un complejo.

Elementos de la estructura secundaria más comunes

Hélices α

Hélice α

La hélice alfa es una estructura periódica formada cuando los átomos de la cadena principal de residuos espaciados cuatro residuos de hidrógeno se unen entre sí. Esto da lugar a una estructura helicoidal, que en las proteínas naturales siempre es derecha. Cada vuelta de la hélice comprende 3,6 aminoácidos. Las hélices alfa son estructuras rígidas en forma de varillas que se encuentran en muchas proteínas no relacionadas. Una característica de estas estructuras es que tienden a mostrar un sesgo en la distribución de residuos hidrófobos de manera que tienden a aparecer principalmente en una cara de la hélice.

Los aminoácidos en una hélice α están dispuestos en una estructura helicoidal, de aproximadamente 5 Å de ancho. Cada aminoácido da como resultado un giro de 100 ° en la hélice y corresponde a una traslación de 1,5 Å a lo largo del eje helicoidal. La hélice está compactada; casi no hay espacio libre dentro de la hélice. Todas las cadenas laterales de aminoácidos están dispuestas en el exterior de la hélice. El grupo N-H del aminoácido (n) puede establecer un enlace de hidrógeno con el grupo C = O del aminoácido (n + 4).

Los polipéptidos cortos normalmente no pueden adoptar la estructura de hélice alfa, ya que el coste entrópico asociado con el plegamiento de la cadena polipeptídica es demasiado alto. Algunos aminoácidos (llamados rompedores de hélice) como la prolina alterarán la estructura helicoidal.

Por lo general, una hélice tiene una acumulación de carga positiva en el extremo N-terminal y carga negativa en el extremo C-terminal, lo que es una influencia desestabilizadora. Como resultado, las hélices α a menudo están cubiertas en el extremo N-terminal por un aminoácido cargado negativamente (como el ácido glutámico) para estabilizar el dipolo de la hélice. Menos común (y menos efectivo) es la protección C-terminal con una proteína cargada positivamente como la lisina.

Las hélices α tienen un significado particular en los motivos de unión al ADN, incluidos los motivos hélice-vuelta-hélice, motivos de cremallera de leucina y motivos de dedos de zinc. Esto se debe a la coincidencia estructural de que el diámetro de la hélice α de 12Å sea el mismo que el ancho del surco principal en el ADN en forma de B.

Las hélices α son uno de los elementos estructurales básicos de las proteínas, junto con las láminas beta.

La estructura peptídica de una hélice α tiene 3,6 aminoácidos por turno.

Hoja β

Hoja β y puente peptidico

La Hoja β es una forma común de estructura secundaria regular en proteínas, propuesta por primera vez por Linus Pauling y Robert Corey en 1951. Consiste en dos o más secuencias de aminoácidos dentro de la misma proteína que están dispuestas de forma adyacente y en paralelo, pero con orientación alterna, de modo que se pueden formar enlaces de hidrógeno entre las dos hebras. La cadena de aminoácidos está casi completamente extendida a lo largo de un & beta; hebra, disminuyendo la probabilidad de enfrentamientos estéricos voluminosos.

La gráfica de Ramachandran muestra una conformación óptima con un ángulo phi = -120 a -60 grados y un ángulo psi = 120 a 160 grados. Los grupos N-H en la columna vertebral de una hebra establecen enlaces de hidrógeno con los grupos C = O en la columna vertebral de las hebras paralelas adyacentes. El efecto acumulativo de múltiples enlaces de hidrógeno dispuestos de esta manera contribuye a la estabilidad y rigidez estructural e integridad de la hoja: por ejemplo, la estructura de glucosa beta-1,4 de celulosa. Las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos que se encuentran en un β ; La estructura de la hoja también puede disponerse de modo que muchas de las cadenas laterales adyacentes en un lado de la hoja sean hidrófobas, mientras que muchas de las adyacentes entre sí en el lado alternativo de la hoja sean polares o cargadas (hidrófilas). Algunas secuencias implicadas en un β ; hoja, cuando se traza a lo largo de la columna vertebral, tome un "giro de horquilla" en la orientación (dirección), a veces a través de una o más prolinas. Los átomos α- C de las cadenas adyacentes están separados por 3,5 anillo A. Además de la hoja beta paralela, también existe la hoja beta antiparalela. El enlace de hidrógeno todavía existe en esta conformación, pero la principal diferencia radica en la direccionalidad de la proteína. En esta conformación, las proteínas corren en direcciones opuestas, pero los enlaces de hidrógeno resultantes se conectan directamente entre sí en lugar de en diagonal.