Proteínas: Estructura tridimensional y función

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Es posible describir a una proteína como una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos en una secuencia específica. Sin embargo, las cadenas polipeptídicas no sólo son lineales sino que también están dobladas en formas compactas que contienen espirales, regiones en zigzag, giros y asas. Durante los últimos 50 años se han determinado las formas tridimensionales o conformaciones de más de mil proteínas. Una conformación es un ordenamiento espacial de átomos que depende de la rotación de uno o varios enlaces. La conformación de una molécula, como la de una proteína, puede cambiar sin que los enlaces covalentes se rompan, mientras que las diversas configuraciones de una molécula sólo se pueden cambiar si se rompen y vuelven a unir enlaces covalentes. Una proteína puede ser una sola cadena polipeptídica o puede estar formada por varias de esas cadenas unidas entre sí por interacciones débiles. Como regla general, cada cadena polipeptídica es codificada por un solo gen, aunque hay algunas excepciones interesantes a esta regla.

Hay cuatro niveles de estructura de las proteínas

Las moléculas individuales de proteína se pueden describir mediante hasta cuatro niveles de estructura. 

La estructura primaria

describe la secuencia lineal de residuos de aminoácidos en una proteína. Recuérdese que las secuencias de aminoácidos siempre se escriben desde el amino terminal (N-terminal) hasta el carboxilo terminal C- (C-terminal). La estructura tridimensional de una proteína se describe con tres niveles adicionales: estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Las fuerzas que mantienen, o estabilizan, estos tres niveles son no covalentes, de manera primordial. 

La estructura secundaria 

se refiere a las regularidades en las conformaciones locales mantenidas por puentes de hidrógeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo en la columna vertebral del péptido. Las estructuras secundarias principales son las hélices a y las hebras b. Se acostumbra representar las regiones helicoidales a con dibujos que muestran las estructuras de proteínas plegadas; las hebras b se representan con flechas anchas que apuntan desde la dirección N-terminal hacia la C-terminal

La estructura terciaria

describe la cadena polipeptídica totalmente plegada y compactada. Muchos polipéptidos plegados consisten en varias unidades distintas unidas por un tramo corto de residuos de aminoácidos a dichas unidades se les conoce como dominios. Las estructuras terciarias se estabilizan por las interacciones de cadenas laterales de aminoácidos en regiones no vecinas de la cadena polipeptídica. La formación de la estructura terciaria acerca partes lejanas de las estructuras primaria y secundaria. 

A. Estructuras supersecundarias

Las estructuras supersecundarias, o motivos, son combinaciones reconocibles de hélices a, hebras b y giros que aparecen en diversas proteínas. A veces los motivos se relacionan con determinada función, aunque los motivos de estructura similar pueden tener funciones distintas en proteínas diferentes. 

B. Dominios

Hay muchas proteínas que están formadas por varias unidades compactas, discretas, plegadas en forma independiente llamadas dominios. Los dominios pueden consistir en combinaciones de motivos. El tamaño de un dominio varía desde unos 25 a 30 residuos de aminoácidos hasta más de 300. En la figura 4.20 se muestra un ejemplo de una proteína con varios dominios. Obsérvese que cada dominio es una unidad compacta distinta, que consiste en varios elementos con estructura secundaria. En general, los dominios están unidos por asas, pero también se unen entre sí mediante interacciones débiles formadas por las cadenas laterales de aminoácidos en la superficie de cada dominio.

La estructura cuaternaria

Implica la asociación de dos o más cadenas polipeptídica en una multisubunidad, o proteína oligomérica u oligómera. Las cadenas polipeptídicas de una proteína oligómera pueden ser idénticas o distintas.

1. Los oligómeros suelen ser más estables que sus subunidades disociadas, lo que parece indicar que la estructura cuaternaria prolonga la duración in vivo de una proteína.

2. Los sitios activos de algunas enzimas oligoméricas se forman con residuos procedentes de cadenas de polipéptido adyacentes.

3. Las estructuras tridimensionales de muchas proteínas oligoméricas cambian cuando éstas se unen con ligandos. Tanto las estructuras terciarias de las subunidades como las cuaternarias (es decir, los contactos entre subunidades) se pueden alterar. Algunos cambios son elementos clave en la regulación de la actividad biológica de ciertas proteínas oligoméricas.

4. Proteínas diferentes pueden compartir las mismas subunidades. Como muchas subunidades desempeñan una función definida (por ejemplo, unión con el ligando), la evolución ha favorecido la selección de diferentes combinaciones de subunidades para efectuar funciones relacionadas. Dicha elección es más eficiente que la selección de una proteína monomérica totalmente nueva que duplique parte de la función

Métodos para determinar la estructura de las proteínas

La secuencia de aminoácidos en los polipéptidos, la estructura primari, se puede determinar por métodos químicos, como la degradación de Edman, o en forma indirecta, a partir de la secuencia del gen. La técnica acostumbrada para determinar la conformación tridimensional de una proteína es la cristalografía con rayos X. En esta técnica se apunta un haz de rayos X colimados, o paralelos, a un cristal de moléculas de proteína. Los electrones en el cristal difractan los rayos X, que se registran entonces en una película, o mediante un detector electrónico. El análisis matemático de la figura de difracción produce una imagen de las nubes de electrones que rodean a los átomos en el cristal. Este mapa de densidad electrónica revela la forma general de la molécula y las posiciones de cada uno de los átomos en el espacio tridimensional. Al combinar esos datos con los principios del enlazamiento químico es posible deducir el lugar de todos los enlaces en una molécula y en consecuencia su estructura general.

a) Diagrama de los rayos X difractados por un cristal de proteína      b) Difracción de rayos X para un cristal de desoxihemoglobina 

Conformación del grupo peptídico

La estructura de las proteínas comienza con la de los enlaces peptídicos, o enlaces de péptido, que unen a los aminoácidos en una cadena polipeptídica. Los dos átomos que intervienen en el enlace peptídico, junto con sus cuatro sustituyentes (el átomo de oxígeno carbonílico, el átomo de hidrógeno de amida y los dos átomos adyacentes de carbono a) constituyen el grupo peptídico.Nótese que el grupo peptídico es polar. El oxígeno carbonílico presenta una carga negativa parcial y puede servir como aceptador de hidrógeno en puentes de hidrógeno. El nitrógeno cuenta con una carga positiva parcial y el grupo —NH puede servir como donador de hidrógeno en puentes de hidrógeno. La deslocalización electrónica y el carácter parcial de enlace doble del enlace peptídico evitan que haya rotación libre en torno al enlace C—N. La conformación del grupo peptídico se restringe a una de dos conformaciones posibles, que puede ser trans o cis. 

En la conformación trans, los dos carbonos a de residuos adyacentes de aminoácido están en lados opuestos del enlace peptídico y en las esquinas opuestas del rectángulo que forma el grupo peptídico plano. En la conformación cis, los dos carbonos a están en el mismo lado del enlace peptídico y están más cerca entre sí. Las conformaciones cis y trans se producen durante la síntesis de la proteína, cuando el enlace peptídico se forma uniendo dos aminoácidos a la cadena polipeptídica.

La conformación cis es menos favorable que la conformación trans, que es extendida debido a impedimentos estéricos entre las cadenas laterales unidas a los dos átomos de carbono a. En consecuencia, casi todos los grupos peptídicos en las proteínas tienen la conformación trans. Hay raras excepciones, por lo general en los enlaces que tienen el nitrógeno de amida de la prolina, para el que la conformación cis sólo crea una interferencia estérica un poco mayor que la conformación trans.

La hélice α

La hélice alfa se repite exactamente cada 18 residuos que representan cinco vueltas. Por tanto, tiene 3.6 residuos por vuelta. La elevación de los residuos es de 0.15 nm. Por tanto, el paso de hélice es de 0.54 nm. 3.6 res/vuelta x 0.15 nm/res = 0.54 nm/vuelta. Los aminoácidos espaciados 3 ó 4 lugares en la secuencias quedan muy próximos, mientras que los aminoácidos separados dos lugares quedan en posiciones opuestas de la hélice. La hélice alfa está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los grupos amino y carbonilo del esqueleto del polipéptido. El grupo carbonilo de cada residuo forma un puente de hidrógeno con el grupo amino del aminoácido situado cuatro residuos más adelante.

En teoría, una hélice a puede ser una rosca izquierda o derecha. Las hélices a que se encuentran en las proteínas casi siempre son derechas. En una hélice a ideal, el paso es de 0.54 nm, la elevación es de 0.15 nm y la cantidad de residuos de aminoácidos necesaria para una vuelta completa es de 3.6

Hebras b y láminas b

La otra estructura secundaria común se llama estructura b, una clase que incluye a hebras b y láminas b. Las hebras B son partes de la cadena polipeptídica que se encuentran casi totalmente extendidas. Cada residuo en una hebra b ocupa de 0.32 a 0.34 nm de la longitud total, en contraste con la espiral compacta de una hélice a, donde cada residuo corresponde a 0.15 nm de la longitud general. Cuando se ordenan varias hebras b lado a lado forman láminas B, estructura que propusieron originalmente Pauling y Corey cuando desarrollaban el modelo teórico de la hélice a. Las proteínas casi nunca contienen hebras b aisladas porque la estructura en sí no es mucho más estable que otras conformaciones. Sin embargo, las láminas b se hallan estabilizadas por puentes de hidrógenos entre los oxígenos carbonilicos y los hidrógenos de amida en hebras b adyacentes. 

Asas y giros

En una hélice a o en una hebra b, los residuos consecutivos tienen una conformación similar que se repite en toda la estructura. También, las proteínas presentan tramos de estructura tridimensional no repetitiva. La mayor parte de esas regiones de estructura secundaria se puede caracterizar como rizos (o asas) y giros (o vueltas) porque causan cambios de dirección en la columna vertebral del polipéptido. Como en las regiones repetitivas, las conformaciones de los grupos peptídicos en las regiones no repetitivas están restringidas. Tienen valores de f y de c que en general están bien en el interior de las regiones permitidas en el diagrama de Ramachandran, y con frecuencia están cerca de los valores de residuos que forman hélices a o hebras b. 

Las asas y los giros unen a hélices a y hebras b y permiten que la cadena de polipéptido se doble sobre sí misma para producir la forma tridimensional compacta que se ve en la estructura nativa. Hasta la tercera parte de los residuos de aminoácidos en una proteína típica está formada por esas estructuras no repetitivas. Las asas contienen con frecuencia residuos hidrofílicos y se suelen encontrar en las superficies de las proteínas, donde están expuestas al solvente y forman puentes de hidrógeno con el agua. Como se ve en muchos ejemplos de este capítulo, algunas asas consisten en numerosos residuos de estructura no repetitiva extendida. Más o menos 10% de los residuos se puede encontrar en dichas regiones. 
Las asas que sólo contienen pocos (hasta cinco) residuos se llaman giros si causan un cambio abrupto en la dirección de una cadena de polipéptidos. Los tipos más comunes de giros bruscos se llaman giros inversos o giros B porque con frecuencia conectan hebras b antiparalelas diferentes.

Desnaturalización y renaturalización de las proteínas

Los cambios en el ambiente o los tratamientos químicos pueden alterar la conformación nativa de una proteína con la pérdida concomitante de su actividad biológica. Esa alteración se llama desnaturalización. La cantidad de energía necesaria para causar la desnaturalización es pequeña, con frecuencia, quizá la equivalente a la que se necesita para alterar tres o cuatro puentes de hidrógeno. Algunas proteínas pueden desdoblarse por completo cuando están desnaturalizadas y forman una hélice aleatoria (una cadena fluctuante que se considera totalmente desordenada); no obstante, la mayor parte de las proteínas desnaturalizadas conserva una estructura interna considerable. A veces es posible encontrar condiciones bajo las cuales las proteínas desnaturalizadas pueden renaturalizarse, o volverse a plegar, en forma espontánea después de haber estado desnaturalizadas. Las proteínas se suelen desnaturalizar por calentamiento. Bajo condiciones adecuadas, un aumento modesto de temperatura causa el desdoblamiento y pérdida de las estructuras secundaria y terciaria. Un ejemplo de la desnaturalización térmica. En este experimento una solución de ribonucleasa bovina A se calienta con lentitud mientras se vigila la estructura de la proteína mediante diversas técnicas enfocadas en medir los cambios de conformación. Cualquiera de esas técnicas detecta un cambio cuando hay desnaturalización. En el caso de la ribonucleasa A bovina, la desnaturalización térmica también requiere un agente reductor que altere los puentes internos de disulfuro permitiendo que se desdoble la proteína.

Actividades

1. Observe el siguiente tripéptido:

a) Marque los átomos de carbono a y trace cuadros en torno a cada grupo peptídico.

b) ¿Que representan los grupos R?

c) ¿Por qué hay rotación limitada en torno a los enlaces de C O de carbonilo con N de amida?

d) Suponiendo que la estructura química represente la conformación correcta del enlace peptídico, los grupos peptídicos ¿están en la conformación cis o trans?

e) ¿Cuáles enlaces permiten la rotación de grupos peptídicos entre sí?

2. Explique 

Por qué los residuos de 1) glicina y 2) de prolina no se encuentran con frecuencia en las hélices a.

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