• Author / Uploaded
• Martina Oppliger

• Categories
• Estructura proteica
• Proteínas
• Péptido
• Plegamiento de proteínas
• Enlace de hidrógeno

Citation preview

Universidad de Concepción Dpto. Biología Molecular Biofísica para Bioquímica

Estructura de Proteínas: Conceptos básicos. Relación estructura-función.

Las proteínas son biopolímeros que se caracterizan por la gran cantidad de funciones que desempeñan en los seres vivos: componentes estructurales de células y tejidos, soporte celular, fenómenos de transporte, actividad metabólica, enzimática, inmunológica, hormonal; reconocimiento, transmisión y transducción de señales… Las proteínas juegan un rol fundamental en todos los procesos llevados a cabo por los organismos, que caracterizan la vida. No es de extrañar entonces que sean, de los biopolímeros, los más variados en términos estructurales: cada célula contiene miles de proteínas diferentes, desempeñando una amplia gama de funciones. Esto es gracias a las características físico-químicas de los monómeros que las constituyen: Los aminoácidos (aa). “Monómero” hace referencia a las sub-unidades de características similares que conforman a los polímeros mediante su unión repetitiva. En el caso de los aminoácidos, su estructura general consiste en un átomo de carbono (llamado carbono ) unido a un grupo carboxilo, un grupo amino (estos dos primeros les confieren características anfóteras), un hidrógeno y una cadena lateral variable. Y es precisamente esta cadena lateral la que confiere características distintivas a cada aminoácido, las cuales desempeñan un rol fundamental a la hora de hablar de estructura y plegamiento de proteínas. Se conocen hasta la fecha 22 tipos de aa diferentes. Sus cadenas laterales se pueden clasificar, según sus propiedades químicas, en ácidas, básicas, polares neutras e hidrofóbicas. Cabe destacar que el carbono , por poseer 4 sustituyentes distintos es quiral, por lo que por cada aa existirán dos enantiómeros, L y D, a excepción de la glicina; que por ser su cadena lateral otro hidrógeno, no es quiral. Se ha encontrado que en los seres vivos, los aa constituyentes de las proteínas presentan configuración L.

Acidos

Basicos Polares Neutros Hidrofóbicos

Ahora cabe preguntarse: ¿Cómo se realiza la unión entre los distintos aminoácidos que conforman una proteína?

Para responder a esto, hay que entender que pueden existir distintas interacciones entre los aminoácidos que las constituyen, tanto covalentes como no-covalentes. Los grupos amino y carboxilo de los aa participan en la formación del enlace peptídico, interacción covalente que da origen a las cadenas polipeptídicas: Se lleva a cabo una reacción de condensación entre el carbonilo de un primer aa con el grupo amino de un segundo, formando un grupo amida. El grupo carbonilo del segundo aa puede reaccionar con el grupo amino de un tercero, y así sucesivamente. Es importante señalar que tras las reacciones de condensación, como ya no se está en presencia de la estructura general de los aminoácidos, los grupos moleculares derivados de éstos, que pasan a conformar la cadena, se conocen como residuos aminoacídicos. Pueden formarse así, cadenas desde 2 residuos aminoacídicos hasta miles. Las cadenas polipeptídicas son la base estructural de los péptidos y de las proteínas, ambos tipos de moléculas pueden estar conformadas por una o por más de una cadena. Las cadenas formadas se caracterizan por ser rígidas a nivel del enlace peptídico (ángulo omega), debido al carácter de doble enlace parcial que presenta el enlace C-N del grupo amida; siendo solo posible la rotación alrededor de los enlaces C-N (ángulo phi) y C-C (ángulo psi). Sin embargo esta rotación presenta límites debido a los impedimentos estéricos que se pueden generar entre los distintos grupos que conforman las cadenas. Además, de las distintas conformaciones que pueden adoptar las cadenas polipeptídicas debido a esta libertad de rotación, habrán algunas favorecidas y otras desfavorecidas, en función de las distintas interacciones que se pueden presentar entre los grupos que las constituyen y el medio. Son, por tanto, las propiedades tanto físicas como químicas de los grupos amida propios de los enlaces peptídicos como de los distintos grupos laterales de los residuos aminoacídicos que las conforman, sin olvidar los grupos amino y carboxilo terminales; las que determinan qué interacciones son favorables y por tanto que conformación (ordenamiento, disposición de los residuos de aa en el espacio) es más estable en el medio en que se encuentran, lo que da como resultado su plegamiento o empaquetamiento característico al ser sintetizadas. Las interacciones involucradas en tal proceso son los puentes disulfuro (-S-S-), un tipo de interacción covalente que puede darse en una misma cadena o entre dos cadenas distintas, que se produce por la unión de dos grupos –SH procedentes de residuos de cisteína; e interacciones no covalentes, ya sean interacciones residuo-residuo o residuo-solvente: puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, interacciones hidrofóbicas y van der waals. Resulta evidente, entonces, que las diferencias estructurales entre los distintos péptidos y proteínas se deben a la diferencia en la secuencia aminoacídica que caracterizan a las cadenas que las conforman. En general, péptidos y proteínas presentan una única forma estructural estable, o un pequeño número de ellas, en su ambiente natural. La conformación más estable de una proteína en su ambiente natural se conoce como conformación nativa y de ella dependerá, obviamente, la función que realice.

No está demás aclarar, antes de ahondar un poco más en el tema de estructura de las proteínas, la diferencia entre “péptido” y “proteína”. Ésta radica esencialmente en la cantidad de residuos aminoacídicos que los conforman: Hablamos de proteína cuando estamos en presencia de una macromolécula, a la cual se le puede asociar una masa molecular igual o mayor a 10.000 da. En el caso de los péptidos, se suelen clasificar en oligopéptidos, conformados por una pequeña cantidad de residuos (suele hablarse de entre 2 a 10); y polipéptidos, moléculas de masa molecular intermedia. Los péptidos más pequeños son más simples estructuralmente hablando, pero esto no significa que no cumplan roles importantes en los seres vivos. Ejemplos prácticos son la oxitocina (formada por 9 residuos) y la TRH (formada por 3). No existe un límite bien definido entre polipéptido y proteína, muchas veces estos términos son intercambiables. Un ejemplo es la hormona insulina, que suelen tratarse como proteína a pesar de que presenta un peso molecular menor a 10.000 da (la insulina está conformada por dos cadenas polipeptídicas, de 30 y 21 residuos respectivamente, unidas mediante puentes disulfuro; y presenta un peso molecular cercano a 6.000 da). El estudio de las estructuras de las distintas proteínas y las interacciones involucradas en su estabilización es bastante complejo. En general, para un estudio simple del fenómeno de plegamiento de las cadenas polipeptídicas se considera que éste se produce fundamentalmente en función de dos principios: Los residuos hidrofóbicos tienden a agruparse en el interior de la proteína (interacción hidrofóbica), siendo los polares los expuestos al solvente; y se formará el mayor número de puentes de hidrógeno dentro de la proteína, ya que son estas dos las interacciones no-covalentes que más favorecen la estabilización. Esto a grandes rasgos, no hay que quitar importancia al resto de las interacciones, ya que, aunque sean más débiles, la sumatoria de todas ellas constituye un aporte significativo a la estabilización de la estructura de proteínas. Tampoco hay que olvidar los puentes disulfuro: Si están presentes, son determinantes en el plegamiento y estabilidad de las proteínas, ya que son enlaces covalentes. La reducción de los puentes disulfuro en las proteínas puede significar su desnaturalización y pérdida total de función. Por ejemplo la insulina, que ya se mencionó presenta dos cadenas polipeptídicas unidas mediante puentes disulfuro, la reducción de éstos conllevaría a la pérdida de su conformación nativa y por consiguiente pérdida de función. En cuanto a la descripción de estructura de proteínas, se definen 4 niveles estructurales: Estructura primaria: Se refiere al conocimiento tanto de la secuencia aminoacídica de la o las cadenas polipeptídicas que conforman la proteína en estudio, como de los residuos que participan en puentes disulfuro, si es que los hay; sin conocer específicamente su distribución espacial. Puede determinarse mediante análisis químicos en un laboratorio. Estructura secundaria: Como ya se discutió, de las conformaciones que pueden adoptar las cadenas polipeptídicas, habrán algunas favorecidas y otras desfavorecidas, dependiendo de la composición aminoacídica de las cadenas y su entorno. Se han estudiado las conformaciones básicas que pueden adoptar los distintos segmentos de las cadenas polipeptídicas que constituyen a las proteínas, las cuales se conocen como elementos de estructura secundaria, y se clasifican de acuerdo a su geometría en hélices, hebras extendidas, vueltas, y estructuras al azar.

Las cadenas que constituyen las proteínas se organizan en segmentos, cada uno identificable con alguno de estos elementos. Se define como estructura secundaria de una proteína el conocimiento de la relación “segmento-elemento” existente en la o las cadenas polipeptídicas que la conforman. Estos elementos interactúan entre sí, estabilizándose y configurando finalmente el plegamiento de las proteínas. A continuación una pequeña caracterización de estos distintos elementos: Las hélices se caracterizan por ser elementos de estructura secundaria capaces de estabilizarse por sí mismas, a diferencia de las hebras extendidas. Esto se debe a que, por su forma helicoidal, son capaces de formar puentes de hidrógeno consigo mismas, por lo que constituyen una unidad de plegamiento básico estable. Es por esto que es posible encontrar proteínas pequeñas conformadas por hélices aisladas, no pasando así con hebras extendidas. De las hélices, la más común es la -hélice, la cual presenta 3.6 residuos de aminoácidos por vuelta, es decir una hélice con 36 residuos podría formar 10 vueltas. Cada grupo C=O y N-H de la cadena principal establece un puente hidrógeno con un enlace peptídico 4 residuos por adelante, lo que le confiere estabilidad. La estabilidad y forma de las hélices depende de los residuos que la conformen como de su entorno (el entorno puede generar distorsiones en la forma debido a las interacciones que se presentan). Hay secuencias aminoacídicas que por sus características favorecen la formación de hélices, y otras que las desestabilizan. Una secuencia que presente residuos de prolina es difícil que esté en forma de -hélice ya que la prolina no puede formar una hélice regular, por el impedimento estérico originado por su cadena lateral cíclica, la cual bloquea el átomo de N de la cadena principal y evita su participación en la formación de un puente hidrógeno. Se ha demostrado que la prolina en las hélices causa la ruptura de dos puentes hidrógenos, ya que el grupo NH del residuo siguiente tampoco puede participar en la formación de puente hidrógeno. Es por esto que las prolinas generalmente se encuentran en regiones extendidas de la cadena polipeptídica, o conformando segmentos donde se requiera un cambio de dirección. Las hebras extendidas, en cambio, siempre se encuentran conectadas lateralmente entre sí mediante interacciones puente hidrógeno. Esta asociación puede ser de tipo paralela, donde las hebras corren en una misma dirección; y antiparalela, donde las hebras corren en direcciones opuestas. Los puentes de hidrógeno de dos hebras asociadas de manera antiparalela están menos tensionados que los presentes en las hebras que se asocian de forma paralela, por lo que son más estables. De esta forma, dos o más hebras extendidas se pueden agrupar dando origen a estructuras conocidas como hojas o láminas , las cuales se pueden clasificar en paralelas, antiparalelas o mixtas, de acuerdo a la forma en que se asocian las hebras constituyentes. Las hojas , al igual que las hélices, pueden constituir un plegamiento estable por sí mismo, por lo que pueden existir proteínas conformadas esencialmente por hojas . Las vueltas (turns) son estructuras constituidas por a lo más 5 aa generalmente estabilizadas por puentes de hidrógeno, donde la distancia entre los residuos extremos no supera los 7 Å y se asocian a un cambio de dirección en la cadena polipeptídica. Se han identificado varios tipos de vueltas, existiendo distintos tipos de clasificaciones para ellas, de acuerdo a la cantidad de residuos que las conforman, los puentes hidrógeno existentes, y los ángulos phi y psi que adoptan sus residuos constituyentes.

Las estructuras al azar (random coils) son regiones de las cadenas que no presentan un patrón conformacional determinado, por lo que no se pueden clasificar dentro de los elementos ya mencionados. Los bucles (loops), por ejemplo, son zonas de las cadenas de más de 5 aa sin una geometría específica asociada. Si bien también se asocian a cambios de dirección de la cadena polipeptídica, muchas veces presentan un rol funcional directo, como fijar cofactores, debido a que son zonas generalmente expuestas y flexibles debido a la ausencia de interacciones estabilizantes específicas, lo que les otorga mayor libertad conformacional. Las  hélices y las hojas  son las estructuras secundarias predominantes en las estructuras de proteínas, donde el resto de los elementos de estructura secundaria se relacionan con la unión entre estos elementos. Es por esto que son las estructuras determinantes a la hora de clasificar una proteína, como se verá más adelante. Como las conformaciones favorecidas dependen de las características de las cadenas, los segmentos de cadenas polipeptídicas que presentan características químicas similares suelen presentar conformaciones locales similares, hecho que da las bases a los métodos de predicción de estructuras secundarias. Existen varios métodos de predicción basados en el estudio proteínas cuya estructura es previamente conocida. Conocida la estructura secundaria de una proteína, toca responder cómo se organizan estos distintos elementos. Si bien esto es variable en función de la proteína en estudio, tras los estudios hechos a lo largo de los años se ha encontrado que existen patrones estructurales comunes, que corresponden a interacciones estabilizantes características de dos o más de estos elementos observados en varias proteínas; los cuales obedecen a los principios de plegamiento mencionados y se conocen como unidades de plegamiento o estructuras secundarias superiores. Éstas clásicamente son 3: Motivo -vuelta- u horquillas : Son agrupaciones de dos hebras extendidas antiparalelas unidas por vueltas que constituyen un cambio de dirección de 180º. Estas vueltas pueden ser de distintos tipos. Motivo -vuelta- u horquillas : Son agrupaciones de dos a hélices antiparalelas unidas por vueltas que constituyen un cambio de dirección de 180º, las cuales también pueden ser de distintos tipos. Motivo --: Dos hebras- paralelas están conectadas por una región larga de la cadena polipeptídica, la cual cruza la hoja  y frecuentemente contiene una zona helicoidal. Este motivo se encuentra en la mayoría de las proteínas que contienen una hoja  paralela.

Existen también otros motivos estructurales de pocos elementos de estructura secundaria que podrían considerarse como motivos de estructura secundaria superior, pero que no son clasificables dentro de los tres básicos ya mencionados.

Cabe aclarar el significado de “motivo estructural”: Patrones estructurales que se han encontrado de manera repetitiva en las distintas proteínas que se han estudiado. Como la estructura está siempre asociada a la función, se han descrito motivos estructurales asociados a funciones específicas. Esto no implica que motivos estructurales similares se deban asociar a una misma función: incluso cuando dos genes codifican el mismo tipo de elementos estructurales secundarios en un mismo orden, éstos pueden presentar diferencias tanto en la secuencias de aminoácidos como en la longitud de sus segmentos, lo que será determinante en su función. Un ejemplo de esto son los motivos de dos hélices. Constituyen una clasificación más libre a la hora de hablar de la asociación de dos estructuras helicoidales. Las horquillas  cabrían dentro de este grupo. Otros motivos incluidos dentro de esta categoría serían las esquinas , donde el cambio de dirección es cercano a 90º; la “mano EF”, un motivo asociado a la unión de calcio (este motivo ha sido llamado mano EF dado que se presenta entre las hélices E y F de la parvalbúmina, y aparece en varias otras proteínas que unen calcio o son sensibles a este, tales como Calmodulina y Troponina C) y motivos asociados a factores de transcripción. Cabe destacar que no todas las proteínas consisten en un conjunto de estructuras secundarias superiores. Éstas se han descrito porque se han encontrado ampliamente distribuidas en las proteínas, pero las distintas formas de agrupación entre los distintos elementos de estructura secundaria que pueden existir son enormes. El estudio de estos agregados mayores se estudia en niveles estructurales superiores. Estructura terciaria: Se denomina estructura terciaria de una proteína a la distribución tridimensional de todos los átomos que constituyen la proteína. En este nivel, como ya se dijo, se estudian los agregados de elementos de estructura secundaria mayores. Para facilitar la clasificación de las proteínas según su estructura, se introducen dos conceptos importantes: Dominios Estructurales: Se refiere al agregado de elementos de estructura secundaria de una proteína que tiene la característica de ser estables por sí misma. Las proteínas pueden estar conformadas por un solo dominio, o ser multidomino. Los dominios pueden ser continuos, formados por segmentos adyacentes de la cadena polipeptídica; o discontinuos, en los que participan partes no adyacentes de la macromolécula. Clases o Topologías estructurales: Dependiendo de los elementos de estructura secundaria que conforman el o los dominios de una proteína, ésta puede ser clasificada dentro de alguna de estas 4 clases estructurales:  Todo : Proteínas cuyos dominios son de carácter helicoidal (dominios ).  Todo : Proteínas cuyos dominios están constituidos esencialmente por hojas dominios ).  /: Proteínas cuyos dominios se estabilizan gracias a la interacción de estructuras helicoidales con hojas  (dominios conformados por motivos ).  +: Proteínas que presentan dominios de carácter tanto helicoidal como -plegado.

En este nivel se describen motivos estructurales mayores: tipos de empaquetamiento que suelen constituir en su totalidad los dominios proteicos. Como ya se dijo, dentro de estos agregados uno puede distinguir estructuras secundarias superiores, como no hacerlo. Es importante recalcar también que una hélice u hoja así como estructuras secundarias superiores, pueden ser dominios por sí solos. A continuación un resumen de algunos empaquetamientos comunes asociados a los dominios que se pueden encontrar en las distintas clases estructurales presentadas: Todo     

Hélices aisladas Motivos de dos hélices Empaquetamiento de 4 hélices Globulinas

Todo       

Sandwishes  Barriles  Clave griega Remolinos Turbina  Tréboles 

   

Plegamiento Rossmann Herraduras / Barriles / Estructuras / abiertas

/

Estos empaquetamientos comunes se diferencian al nivel de las interacciones específicas, que depende de la composición aminoacídica, número y tamaño de los elementos que las conforman. Esto genera diferencias en las distancias y en los ángulos en los que se disponen estos elementos. Por ejemplo, en el caso del empaquetamiento de estructuras helicoidales, las áreas donde se produce el contacto deben tener superficies complementarias. Si éstos son complementarios, las estructuras serán más compactas, de lo contrario serán estructuras más abiertas. Las hélices se pueden describir como una sucesión de hendiduras y montículos. Por lo general el empaquetamiento se puede entender como el “encaje” entre hendiduras y montículos. Sin embargo esto no siempre es así. Por ejemplo, en el plegamiento de la mioglobina un par de hélices (B y E) se empaquetan de tal forma que sus montículos se cruzan entre ellos gracias a un hueco formado por un par de residuos de Glicinas.

Estructura Cuaternaria: Los niveles estructurales anteriores estudian la asociación de elementos estructurales secundarios de una sola cadena polipeptídica, o bien de dos o más que estén necesariamente unidas por interacciones covalentes (puentes disulfuro). Existen proteínas que están constituidos por dos o más agregados proteicos que interactúan entre sí sólo mediante interacciones no-covalentes. Estos agregados se denominan sub-unidades proteicas. Dependiendo de sus características, pueden constituir homo multímeros o hetero multímeros. Homo multímeros: Proteínas cuyas sub unidades constituyentes son iguales. Ejemplo de esto es la insulina en su estado inactivo, la cual se guarda dentro del cuerpo como un hexámero, y ciertas citoquinas. Hetero Multímeros: Proteínas cuyas sub unidades constituyentes no son iguales, como el caso del fotocentro de reacción, o la la hemoglobina, formada por 4 sub-unidades dos  y dos   Modificaciones Post-Transduccionales: Si bien muchas proteínas ya son funcionales una vez sintetizadas y plegadas, muchas otras requieren modificaciones posteriores para poder ser funcionales. Existen distintos tipos de modificaciones, tales como rompimientos proteolíticos o splicing de inteínas, las cuales consisten en rompimiento de ciertos segmentos proteicos. Otros tipos de modificaciones consisten en adiciones de grupos no aminoacídicos, lo que constituye la formación de heteroproteínas o proteínas conjugadas. Las proteínas constituidas sólo por aminoácidos se conocen como holoproteínas. Algunas modificaciones que consisten en adición de grupos químicos característicos son: 

Fosforilación: Se refiere a la adición de un grupo fosfato. La fosforilación es uno de los principales mecanismos de regulación de la actividad de ciertas proteínas, siendo activas fosforiladas e inactivas desfosforiladas, o viceversa. Existen proteínas que cumplen el rol de fosforilar o desfosforilar otras proteínas,



Glicosilación: Adición de carbohidratos a una proteína, constituyendo las glicoproteínas. Suelen asociarse a funciones de reconocimiento celular. Son glicoproteínas varias hormonas, los anticuerpos, diversas enzimas, proteínas receptoras, proteínas de adhesión celular, factores de crecimiento, etc.



Acetilación: Adición de un grupo acetilo (-COCH3). Es muy común encontrar este tipo de modificación en el amino terminal de varias proteínas.



Miristoilación: La N-miristoilación es un proceso celular en el cual un grupo miristoilo (derivado del ácido mirístico) se une covalentemente mediante un enlace amida al grupo alfa-amino del aminoácido N-terminal de un polipéptido naciente. Esta modificación garantiza el correcto funcionamiento y el tráfico intracelular de ciertas proteínas. Muchas proteínas que intervienen en una amplia variedad de vías de señalización, incluyendo la transformación celular y la oncogénesis, están miristoiladas.

Las proteínas son macromoléculas vitales, tanto a nivel celular y sistémico, pero rara vez actúan solas. Diversos procesos moleculares esenciales dentro de una célula se llevan a cabo gracias a una serie de procesos dirigidos por interacciones proteína-proteína. De hecho, estas interacciones son la base del buen funcionamiento de cualquier célula viva y por lo tanto, como era de esperar, fallas en estas interacciones son la base de múltiples enfermedades, como la enfermedad de Creutzfeld - Jacob, enfermedad de Alzheimer, y cáncer. Ejemplos de procesos donde intervienen interacciones proteína proteína son la contracción muscular, la transducción de señales, metabolismo celular, transporte intermembrana, etc.

Martina Oppliger.