proteinas estructuracion

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PROTEÍNAS CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas son polímeros lineales de α-aminoácidos con amplia variabilidad estructural y funciones biológicas muy diversas (Figura 1). La variedad de proteínas es elevadísima, y para su clasificación se puede recurrir a criterios físicos, químicos, estructurales o funcionales. El criterio físico más utilizado es la solubilidad. Así se distinguen:

• albúminas: proteínas que son solubles en agua o en disoluciones salinas diluidas

• globulinas: son proteínas que requieren concentraciones salinas más elevadas para permanecer en disolución

• prolaminas: proteínas solubles en alcohol • glutelinas: proteínas que sólo se disuelven en disoluciones ácidas o básicas • escleroproteínas: son proteínas insolubles en la gran mayoría de los disolventes

Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas:

• las proteínas simples: están formadas exclusivamente por α-aminoácidos (Figura 2)

• las proteínas conjugadas: además de α-aminoácidos, contienen una proporción significativa de otros componentes. La fracción no aminoacídica se llama grupo prostético (o cofactor), y puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o una sustancia inorgánica. La proteína en ausencia de su grupo prostético se llama apoproteína, y en presencia de él se llama holoproteína. Así, holoproteína = apoproteína + grupo prostético. Son proteínas conjugadas la hemoglobina, la mioglobina, los citocromos, etc. (Figura 2).

En cuanto a su forma molecular, las proteínas son:

• globulares: son proteínas en las que la cadena polipeptídica se enrolla sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos esférica y compacta (Figura 3).

• fibrosas: son proteínas en las que hay una dimensión que predomina sobre las demás. Las proteínas fibrosas, por lo general, tienen funciones estructurales (Figura 3).

Según su localización celular, podemos distinguir:

• proteínas solubles: son las que están en disolución en el citoplasma o en el interior de los compartimentos intracelulares (Figura 4).


• proteínas de membrana: son las que están, de una forma u otra, asociadas a cualquiera de las membranas presentes en la célula (Figura 4).

Según su grado de asociación podemos distinguir:

• proteínas monoméricas: son proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica (Figura 5).

• proteínas oligoméricas: son proteínas que constan de más de una cadena

polipeptídica. Las cadenas polipeptídicas que componen una proteína oligomérica se llaman subunidades, y pueden ser iguales o distintas entre sí (Figura 5).

Dada la gran variedad de estructuras a que puede dar lugar una secuencia aperiódica de 20 α-aminoácidos distintos es difícil hacer una clasificación más descriptiva o conceptual. Sin embargo, los criterios que hemos descrito son muy útiles desde el punto de vista práctico, y nos permiten definir al colágeno como una proteína simple, fibrosa y oligomérica, y al citocromo c como una proteína conjugada, globular y monomérica. FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS La gran heterogeneidad estructural de las proteínas las permite desempeñar múltiples funciones en el ser vivo. Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores de naturaleza proteica reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría de las proteínas son enzimas (Figura 6). Las estructuras encargadas del reconocimiento de señales químicas de cualquier tipo son proteínas. Así, los receptores hormonales y los receptores de neurotransmisores son estructuras proteicas, que por lo general, interaccionan con sus ligandos por complementariedad entre sus estructuras. Muchos de estos ligandos (hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica (Figuras 7a y 7b). En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte y los transportadores biológicos son siempre proteínas, que se encargan de:

• transportar moléculas hidrofóbicas a través de un medio acuoso (la hemoglobina y las lipoproteínas transportan, respectivamente, oxígeno y lípidos a través de la sangre) (Figura 8a).

• transportar vesículas cargadas de materiales diversos por el interior del citoplasma a través de la red de microtúbulos (Figura 8a), como hace la kinesina.

• transportar electrones en reacciones redox (como ocurre en la cadena transportadora de electrones de la membrana interna mitocondrial) (Figura 8b)


• transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática) (Figura 8b)

La función de algunas proteínas consiste en el almacenamiento de sustancias nutritivas para el futuro embrión (como ocurre en el caso de la lactoalbúmina de la leche materna, en la ovoalbúmina del huevo o en la hordeína de la cebada) o de determinados iones vitales para el organismo (la ferritina se encarga de almacenar hierro y de irlo liberando de forma controlada, según las necesidades) (Figura 9). Hay proteínas cuya principal función es estructural. Las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno presentes en la matriz extracelular son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión (Figura 10a). La queratina (presente en cabello, plumas, uñas, cuernos), la fibroína de la seda de araña y la fibrina que segregan las plaquetas para formar los coágulos sanguíneos también son proteínas con función estructural (Figura 10b). La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, las llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir moléculas de DNA que no identifica como propias, y en los vertebrados superiores, las immunoglobulinas reconocen moléculas extrañas y se unen a ellas para facilitar su destrucción por las células del sistema immunitario (Figura 11). Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina (Figura 12a). El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con la tubulina (la misma proteína que forma los microtúbulos) (Figura 12b). Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de señales) están mediados por proteínas. Así, un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula Figura 13a). La rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica) (Figura 13b). Las proteínas regulan la expresión génica, es decir, se encargan de decidir en todo momento qué genes deben ser transcritos a ARN y traducidos a proteína. Esta interacción entre las proteínas y el ADN constituye el pilar sobre el que descansa toda la Biología Molecular (Figura 14). No se debe olvidar que muchas proteínas ejercen a la vez más de una función. Las proteínas de membrana tienen función estructural y función enzimática; la ferritina es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el hierro; la miosina interviene en la contracción muscular, pero también funciona como un enzima capaz de hidrolizar el ATP, y así se podrían poner muchos ejemplos más.


ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Se distinguen cinco niveles de estructuración en las proteínas (Figuras 15a y 15b):

• La estructura primaria viene determinada por la secuencia de AA en la cadena proteica, es decir, el número de AA presentes y el orden en que están enlazados. Los AA se unen entre sí mediante enlaces peptídicos.

• La estructura secundaria es el plegamiento que adoptan determinadas regiones de la cadena polipeptídica gracias al establecimiento de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico.

• La molécula proteica adopta un plegamiento tridimensional que constituye su

estructura terciaria, concepto equiparable al de conformación absoluta en otras moléculas. La estructura terciaria viene determinada por la estructura primaria y es la responsable directa de sus propiedades biológicas. Las interacciones que estabilizan la estructura terciaria pueden ser tanto de tipo covalente (puentes disulfuro, enlaces amida) como de tipo no covalente (fuerzas de van der Waals, puentes de hidrógeno, fuerzas de polaridad, electrostáticas, hidrofóbicas, etc.) (Figura 16).

• Cuando se asocian varias cadenas polipeptídicas (iguales o distintas) para formar

una unidad funcional, se habla de estructura cuaternaria. Las interacciones que estabilizan la estructura cuaternaria son, principalmente, de tipo no covalente.

• Por último, si se asocian proteínas entre sí (Figura 16a) o con otra clase de

biomoléculas (Figura 16b) para formar asociaciones supramacromoleculares (microtúbulos, ribosomas, nucleosomas, virus, membranas, etc.), se habla de estructura quinaria. Las interacciones que estabilizan este nivel de estructura también son de tipo no covalente. La estructura quinaria se diferencia de la cuaternaria en que la estequiometría de las estructuras formadas puede variar considerablemente.

La pérdida de los niveles superiores de estructura (quinaria, cuaternaria, terciaria y secundaria) se denomina desnaturalización y va acompañada de la pérdida de su función. Sin embargo, con la desnaturalización no desaparece la estructura primaria, ya que se mantienen los enlaces peptídicos. Como la estructura primaria determina los niveles superiores de estructura, en algunos casos, la desnaturalización es reversible (Figura 17).


ESTRUCTURA PRIMARIA La secuencia de una proteína viene determinada por el tipo de AA que contiene y por el orden en que están ensamblados (Figura 18). Como en las proteínas existen 20 AA diferentes, el número de secuencias posibles viene dado por las variaciones con repetición de 20 elementos tomados de n en n o,lo que es lo mismo, 20n, siendo n el número de AA que componen la molécula proteica, que generalmente oscila entre 80 y 300. Los enlaces que participan en la estructura primaria de una proteína son covalentes: son los enlaces peptídicos. El enlace peptídico es un enlace amida que se forma entre el grupo carboxilo de una AA con el grupo amino de otro, con eliminación de una molécula de agua (Figura 18). Por eso, cuando un AA está incorporado en una proteína se suele hablar de residuo de AA (porque le faltan los átomos del agua eliminada al formarse el enlace peptídico). Independientemente de la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo amino terminal y un extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Por convención, la secuencia de una proteína se lee siempre a partir de su extremo amino (Figura 18). A nivel de estructura primaria, se distinguen dos regiones en la proteína: una cadena principal o "esqueleto" a partir del cual emergen las cadenas laterales de los AA (Figura 19):

• El esqueleto (backbone) de la proteína está formado por el átomo N del grupo amino, el Cα (a partir del cual emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo. Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que aparece en la cadena principal de una proteína es: (-NH-Cα-CO-).

• Las cadenas laterales de los AA están unidas a los Cα del esqueleto. Se orientan

de forma alternada hacia uno u otro lado del esqueleto, para poder disponer de mayor espacio. Contienen los grupos funcionales que otorgan a las proteínas sus propiedades químicas y biológicas.

Como la estructura primaria es la que determina los niveles superiores de organización, el conocimiento de la secuencia de AA es del mayor interés para el estudio de la estructura y función de una proteína. Clásicamente, la secuenciación de una proteína se realizaba mediante métodos químicos. El más utilizado es el método denominado degradación de Edman (Figura 20a). Se hace reaccionar al péptido, en medio básico, con el reactivo de Edman (fenilisotiocianato), que se une al grupo amino terminal. La acidificación del medio hidroliza al producto generando, por un lado, una feniltiohidantoína que incluye al AA en posición N-terminal y por otro lado al resto del péptido, acortado en un AA. A continuación se identifica el AA presente en la feniltioidantoína por métodos cromatográficos y el resto de la proteína (con un AA menos) se somete a un nuevo ciclo de reacción. De esta forma se van determinando, de uno en uno, los AA presentes en la


secuencia de la proteína, a partir de su extremo amino (por eso se llama también secuenciación N-terminal). Este método permite secuenciar los primeros 50 AA. Si la proteína es más grande se la puede fragmentar en péptidos de menor tamaño antes de comenzar el análisis. Hoy en día, esta serie de reacciones se realiza de forma totalmente automática con unos aparatos denominados secuenciadores de aminoácidos (Figura 20b). Hoy en día, los avances de la Biología Molecular permiten conocer la secuencia de un gen mucho antes de que se haya podido purificar la proteína que codifica. El análisis de la secuencia del DNA permite conocer la secuencia de la proteína que codifica, ya que cada grupo de tres bases de la secuencia del DNA (o codón) especifica un aminoácido. El Código Genético establece la relación entre cada codón y el AA que codifica (Figura 21). La comparación de las estructuras primarias de una misma proteína perteneciente a especies distintas tiene un enorme interés tanto desde el punto de vista funcional como desde el punto de vista filogenético (Figura 22). Cuanto más alejadas estén las especies analizadas en el árbol filogenético, más diferencias se podrán observar en la estructura primaria de proteínas homólogas (las que llevan a cabo la misma función pero en organismos distintos). Cuando un mismo aminoácido aparece siempre en idéntica posición en todas las especies estudiadas, se dice que son AA conservados o AA invariantes, y suelen ser indispensables para que la proteína adopte una estructura correcta que le permita llevar a cabo su función. Cualquier mutación en estas posiciones es letal para el organismo, y por tanto hay una fortísima selección en contra (Figuras 23a y 23b). ESTRUCTURA SECUNDARIA A primera vista podría pensarse que las proteínas son polímeros lineales de AA unidos entre sí por medio del enlace peptídicos. Sin embargo, dentro de una proteína existen diversas regiones que establecen puentes de hidrógeno entre los enlaces peptídicos (donde el grupo −CO− actúa como aceptor y el grupo −NH− como donador), con lo que adoptan conformaciones de menor energía libre y, por tanto, más estables (Figuras 24a y 24b). Hay dos técnicas experimentales que permiten analizar los elementos de estructura secundaria presentes en las proteínas: el dicroísmo circular y la espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier. Cada tipo de estructura secundaria se puede describir perfectamente mediante los ángulos dihédricos Φ y Ψ de cada uno de sus residuos. La representación de Ψ vs. Φ de cada residuo de una proteína se llama gráfica de Ramachandran (Figura 24c) y presenta varias regiones, cada una de las cuales corresponde a un tipo distinto de estructura secundaria. Algunos AA se acomodan mejor en un tipo de estructura secundaria concreto (Figura 24c). Salvo en el caso de algunos AA (como la prolina, la asparagina y la glicina) aún no está claro qué es lo que determina estar preferencias.


A continuación se describen los diversos tipos de elementos de estructura secundaria que podemos encontrar en una proteína. 1.- CONFORMACIÓN AL AZAR En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la misma, no existen interacciones de suficiente consideración como para que se pueda distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria. En estos casos se habla de conformación al azar. Estas regiones se localizan preferentemente en la superficie de la proteína, donde pueden establecer interacciones con el agua, principalmente interacciones polares y puentes de hidrogeno. Son las regiones de las proteínas que mejor toleran las mutaciones, ya que contienen AA que no son particularmente importantes para la estructura o la función de la proteína. 2.- HÉLICE α Cuando el esqueleto de un polipéptido se pliega en el espacio en forma de helicoide dextrógiro se adopta una conformación denominada hélice α. Cada vuelta de la hélice implica 3,6 AA, de modo que cada residuo presenta una rotación de 100º en relación con el anterior. Como la translación media por residuo es de 0,15 nm, una vuelta completa de la hélice α representa una distancia de 0,54 nm (Figura 25a). Cada enlace peptídico puede establecer dos puentes de hidrógeno. Un puente de hidrógeno se forma entre el grupo -NH- del enlace peptídico del AA en posición n y el grupo -CO- del enlace peptídico del AA situado en posición n-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace peptídico del AA en posición n y el grupo -NH- del enlace peptídico del AA situado en posición n+4 (Figura 25b). Existen variantes de la α-hélice, que adoptan un patrón distinto a la hora de formar los puentes de hidrógeno. Se trata de la hélice 310 (en la que se forman puentes de hidrógeno entre los residuos n y n+3) y de la hélice π (en la que se forman puentes de hidrógeno entre los residuos n y n+5). Los momentos dipolares de los enlaces peptídicos quedan alineados, de manera que se genera un macrodipolo a lo largo de la hélice, con el polo positivo en el extremo amino de la α-hélice (Figura 25b). Las cadenas laterales de los AA se orientan hacia la parte externa del helicoide, lo que evita impedimentos estéricos (Figura 25c). Esta estructura puede albergar a cualquier AA, a excepción de la prolina, cuyo Cα no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Por este motivo, la prolina suele determinar una interrupción de la hélice α o una desviación de su trayectoria (Figura 25c). Los AA muy polares (Lys, Glu) también desestabilizan la hélice α porque los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las interacciones electrostáticas de atracción o repulsión. Cuando la hélice contiene un residuo hidrofóbico cada cuatro posiciones, éstos se acumulan en uno de los lados de la hélice. Las α-hélices que presenten un lado hidrofóbico y otro hidrofílico se denominan hélices anfipáticas (Figura 25c). En las proteínas de membrana las regiones de la proteína que atraviesan el interior hidrofóbico de la bicapa son, con mucha frecuencia, α-hélices hidrofóbicas que contienen unos 20 AA hidrofóbicos seguidos (Figura 25c).


3.- ESTRUCTURA β Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada estructura β (Figura 26a). Las estructuras β de distintas cadenas polipeptídicas o bien las estructuras β de distintas zonas de una misma cadena polipeptídica pueden interaccionar entre sí mediante puentes de hidrógeno, dando lugar a estructuras laminares denominadas hojas plegadas u hojas β. Cuando las estructuras β tienen el mismo sentido N C se dice que la hoja plegada es paralela, y si tienen sentidos opuestos, la hoja plegada es antiparalela (Figura 25a). Esta conformación es típica de proteínas fibrosas como la fibroína de la seda o las β-queratinas de las plumas de ave, pero también aparece en proteínas globulares como las inmunoglobulinas. El patrón de formación de puentes de hidrógeno es distinto según se trate de una hoja β paralela o antiparalela (Figuras 26a y 26b). 4.- GIROS β En una proteína globular, las regiones con estructura α o β están conectadas entre sí por medio de los llamados giros β (Figura 27) . Son secuencias cortas, típicamente formadas por cuatro AA, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180o a la cadena principal de un polipéptido. AA como Asn, Gly y Pro, que se acomodan mal en estructuras de tipo α o β, aparecen con frecuencia en este tipo de estructura (Figura 26). Normalmente, la conformación de los giros β está estabilizada por medio de un puente de hidrógeno entre el grupo carboxilo del residuo 1 y el grupo amino del residuo 4 (Figura 27). En una proteína globular los giros β pueden incluir a casi un tercio de los residuos de la proteína. Los giros se localizan preferentemente en la superficie de la proteína, de modo que los AA en posiciones 2 y 3 puedan establecer puentes de hidrógeno con el agua (Figura 27). Hay varios tipos de giros β. Los más abundantes son:

• Giro β de tipo I: Formado por 4 AA, con un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 (Figura 27).

• Giro β de tipo II: Formado por 4 AA, con un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4. Se distingue del anterior porque el AA en posición 3 es una glicina (Figura 27).

• Giro β de tipo γ: Formado por 3 AA, con un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 3.

5.- UN CASO ESPECIAL: LA CONFORMACIÓN DEL COLÁGENO El colágeno es una proteína fibrosa y con función estructural que está presente en la matriz extracelular del tejido conectivo de los animales (Figura 28a). En mamíferos puede representar entre un 25 y un 35% del contenido proteico. Presenta una secuencia típica formada por la repetición de grupos de tres AA. El primer AA de cada grupo es Gly, y los otros dos son Pro (o hidroxiprolina) y un AA cualquiera:


• La frecuencia periódica de la Pro condiciona el enrollamiento peculiar del colágeno en forma de hélice levógira (Figura 28b).

• La glicina, sin cadena lateral, facilita la asociación de tres hélices levógiras para

formar un helicoide dextrógiro (el tropocolágeno) (Figura 28b).

• El tercer AA refuerza la estructura mediante la formación de enlaces covalentes intercatenarios que dan lugar a las fibrillas de colágeno (Figura 28b).

ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS En proteínas con estructura terciaria globular es frecuente encontrar combinaciones de elementos de estructura secundaria (estructuras al azar, α, β, y giros β) con una disposición característica, que pueden observarse en distintas proteínas, aunque sus secuencias sean muy distintas. Estas combinaciones de elementos de estructura secundaria que se repiten en distintos tipos de proteínas reciben el nombre de estructuras supersecundarias o motivos estructurales. Las estructuras supersecundarias se suelen clasificar en función del elemento de estructura secundaria predominante:

• motivos α: hélice-giro-hélice, helicoide enrollado (coiled coil), mano EF, agrupación de 4 hélices (Figura 29a).

• motivos β: horquilla β, meandro β, barril β, hélice β, sándwich β, greca griega (greek key) (Figura 29b).

• motivos α-β: β-α-β, estructura de Rossman, barril TIM, herradura α-β (Figura 29c).

Las estructuras supersecundarias se estabilizan por los mismos tipos de interacciones que estabilizan la estructura terciaria. No todas las proteínas presentan estructuras supersecundarias. ESTRUCTURA TERCIARIA Con o sin estructura secundaria, la proteína presenta un plegamiento tridimensional compacto que constituye su estructura terciaria. Podemos definir la estructura terciaria como la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína. Se trata de un concepto análogo al de configuración absoluta en moléculas pequeñas. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica (carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se puede obtener (Figura 30). La estructura terciaria de una proteína es única y siempre la misma en igualdad de condiciones, ya que está determinada por la secuencia de AA (estructura primaria). La


estructura terciaria es la responsable directa de sus propiedades biológicas, ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales de la proteína es la que determina su interacción con los diversos ligandos. Por tanto, la desnaturalización de una proteína supone la pérdida de su actividad biológica. Estructura y función están íntimamente relacionadas y, en muchas ocasiones, el conocimiento de la estructura de una proteína puede aclarar muchos aspectos sobre su funcionamiento. Para conocer la estructura terciaria de las proteínas se pueden utilizar diversas técnicas experimentales:

• Difracción de rayos-X: para utilizar esta técnica es preciso disponer de cristales de la proteína, una cuestión que puede llegar a resultar muy complicada, debido a su complejidad estructural.

• Resonancia magnética Nuclear (RMN): Mediante esta técnica es posible determinar la estructura terciaria de proteínas en disolución. Sin embargo, esta técnica está limitada por el tamaño de la proteína: no se puede utilizar en el caso de proteínas grandes (>50 kDa), aunque cada poco tiempo van saliendo al mercado aparatos con más prestaciones.

• Microscopía electrónica y reconstrucción tridimensional de imágenes: En el caso de proteínas de membrana se utiliza esta técnica para obtener información estructural, aunque con muy poca resolución (sólo da detalles de sus dimensiones y de su forma).

El Protein Data Bank (PDB) es una base de datos que se puede consultar libre y gratuitamente por Internet (http://www.rcsb.org/pdb/) que almacena todas las estructuras tridimensionales proteicas que se conocen a día de hoy. Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria de una proteína globular se establecen entre las distintas cadenas laterales de los AA que la componen. Los enlaces que estabilizan la estructura terciaria pueden ser de dos tipos (Figuras 31a y 31b):

• Los enlaces covalentes pueden deberse a (1) la formación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de Cys, o a (2) la formación de un enlace amida (-CO-NH-) entre las cadenas laterales de la Lys y un AA dicarboxílico (Glu o Asp).

• Los enlaces no covalentes pueden: (1) fuerzas electrostáticas entre cadenas

laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto, (2) puentes de hidrógeno, entre las cadenas laterales de AA polares (3) interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales apolares, (4) fuerzas de polaridad debidas a interacciones dipolo-dipolo y (5) fuerzas de van der Waals.

No todas estas interacciones contribuyen por igual al mantenimiento de la estructura terciaria. Obviamente, los enlaces que aportan más estabilidad son los de tipo covalente. De entre las interacciones no covalentes, las más importantes son las de tipo hidrofóbico, ya que exigen una gran proximidad entre los grupo apolares de los AA. Se distinguen dos tipos de estructura terciaria: la de tipo fibroso y la de tipo globular Figura 32). En las proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso (como pueden ser el colágeno, la queratina del cabello o la fibroína de la seda), una de las dimensiones es


mucho mayor que las otras dos. En este caso, los elementos de estructura secundaria (hélices α u hojas β) pueden mantener su ordenamiento sin recurrir a grandes modificaciones, tan sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las hebras de una cuerda. En las proteínas con estructura terciaria de tipo globular, más frecuentes, la cadena polipeptídica sufre un nuevo plegamiento, en el que no existe una dimensión que predomine sobre las demás, y su forma es aproximadamente esférica y compacta. En este tipo de estructuras se suceden regiones con estructuras al azar, hélice α hoja β, giros β y estructuras supersecundarias. Como resultado de estas interacciones, las moléculas con estructura terciaria globular suelen contener un interior compacto de carácter hidrofóbico, con las cadenas laterales más polares orientadas hacia la superficie, interaccionando con el agua y permitiendo que la proteína permanezca en disolución (Figura 33). Recientemente, se han descrito regiones diferenciadas dentro de la estructura terciaria de las proteínas globulares. Estas regiones, que constituyen un nivel estructural intermedio entre las estructuras secundaria y terciaria reciben el nombre de dominios. Los dominios (Figura 34a) son unidades autónomas de plegamiento. Parece ser que a medida que se sintetizan las cadenas polipeptídicas, los distintos dominios se pliegan por separado. En una proteína es muy común que cada dominio esté especializado en realizar una función determinada. Esta función puede consistir en (Figura 34b):

• La unión a un ligando de tamaño pequeño • Atravesar la membrana plasmática • Albergar el entro catalítico • La unión al ADN • Ofrecer una superficie de contacto para la unión a otras proteínas

Con frecuencia se observa que el mismo tipo de dominio aparece en proteínas distintas y en todas ellas realiza la misma función. Esta arquitectura modular de las proteínas permite hacer estimaciones sobre la función de una nueva proteína si ésta contiene dominios cuya función en otras proteínas se conoce. Hoy en día existen bases de datos especializadas que contienen los dominios descritos hasta la fecha en las proteínas. Ejemplos de esas bases de datos son PROSITE, SMART y PRODOM. La diferencia entre dominios y estructuras supersecundarias radica precisamente en que los dominios están asociados a alguna función, mientras que las estructuras supersecundarias se tratan únicamente de motivos estructurales que contienen una determinada combinación de elementos de estructura secundaria. Los dominios pueden contener o no estructuras supersecundarias.


ESTRUCTURA CUATERNARIA Cuando una proteína consta de más de una cadena polipeptídica, es decir, cuando se trata de una proteína oligomérica, decimos que tiene estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria debe considerar: (1) el número y la naturaleza de las distintas subunidades o monómeros que integran el oligómero y (2) la forma en que se asocian en el espacio para dar lugar al oligómero (Figura 35). En proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga. La miosina o la tropomiosina constan de dos hebras con estructura de hélice α enrolladas en una fibra levógira (Figuras 36 a y 36b). El colágeno consta de tres hebras helicoidales levógiras que forman una fibra dextrógira (Figura 28b). La α-queratina del cabello y de la lana consta de largas α-hélices dextrógiras. El enrollamiento de 2 α-hélices da lugar a un helicoide enrollado (coiled coil) levógiro. La asociación de 2 helicoides enrollados da lugar a un protofilamento y 4 protofilamentos forman un filamento (Figura 37). La β-queratina (fibroína) de la seda presenta varias hebras con estructura de hoja β orientadas de forma antiparalela (Figura 38). Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser exactamente iguales (como en el caso de la fosfoglucoisomerasa, un homodímero) o muy parecidos (como en el caso de la lactato deshidrogenasa, un tetrámero) (Figura 39a). También puede ocurrir que los monómeros tengan una misma función aunque sean estructuralmente distintos, como es el caso de la hemoglobina (Figura 39b), o que los monómeros sean estructural y funcionalmente distintos como en el caso de la aspartato transcarbamilasa, una enzima alostérica formada por 12 subunidades (dos trímeros con actividad catalítica y 3 dímeros con actividad reguladora) (Figura 39b). Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas, puentes de hidrógeno, de van der Waals), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de energía libre con respecto a los monómeros. La estructura cuaternaria modula la actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. ASOCIACIONES SUPRAMOLECULARES En muchos casos, las proteínas se agrupan bien entre sí, bien con otros grupos de biomoléculas para formar estructuras de orden superior y que tienen un carácter permanente. Este nivel de asociación recibe el nombre de estructura quinaria. Así, las proteínas α y β-tubulina forman unos filamentos huecos enormemente largos llamados


microtúbulos, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del citoesqueleto de las células (Figura 16a). La fibrina es otra proteína que forma una asociación supramolecular. Los monómeros de fibrina originados a partir del fibrinógeno se unen entre sí mediante enlaces covalentes para formar la malla tridimensional característica del trombo o coágulo sanguíneo (Figura 40). En otros casos, las proteínas se unen a otras biomoléculas para formar asociaciones supramoleculares. Así, cuando se unen con azúcares se forman los proteoglicanos y los peptidoglicanos, cuando se unen con lípidos forman las membranas biológicas y cuando se unen con ácidos nucleicos forman ribosomas, nucleosomas o virus (Figura 16b).

DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS La estructura que adopta una proteína en presencia del disolvente acuoso es la que le permite llevar a cabo su función y se denomina estructura nativa. Cualquier alteración de la estructura nativa que modifique su interacción con el disolvente y que provoque su precipitación dará lugar a una estructura desnaturalizada. Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida total o parcial de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria o cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin una estructura tridimensional fija, pero que conserva la estructura primaria (Figura 41). Normalmente, la desnaturalización es un proceso irreversible pero, en algunos casos, la desnaturalización es reversible, ya que la información presente en la estructura primaria permite reconstruir las interacciones que dan lugar a los niveles superiores de organización (Figura 41). La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína:

• una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos (que normalmente se agrupan en el interior de la molécula) aparecen en la superficie y provocan la agregación y precipitación de moléculas proteicas

• cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión

• pérdida de las propiedades biológicas: las proteínas desnaturalizadas ya no pueden llevar a cabo su función biológica.

Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes desnaturalizantes. Se distinguen:

• agentes físicos (calor y las radiaciones ionizantes) • agentes químicos (detergentes, disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica)


1.- EFECTO DE LOS DISOLVENTES ORGÁNICOS Y DETERGENTES La polaridad del disolvente disminuye cuando se le añaden sustancias menos polares que el agua como el etanol o la acetona. Con ello disminuye el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la molécula proteica, provocando la agregación y precipitación. Los disolventes orgánicos interaccionan con el interior hidrofóbico de las proteínas y desorganizan la estructura terciaria, provocando su desnaturalización y precipitación. La acción de los detergentes es similar a la de los disolventes orgánicos. 2.- EFECTO DE LA FUERZA IÓNICA Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico, urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, ya que estos solutos (1) compiten por el agua y (2) rompen los puentes de hidrógeno o las interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteicas se agregan y precipitan. En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza iónica es reversible. Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y recuperar tanto la estructura como la función original. A veces es una disminución en la fuerza iónica la que provoca la precipitación. Así, las proteínas que se disuelven en medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original. 3.- EFECTO DEL pH Los iones H+ y OH- del agua provocan efectos parecidos, pero además de afectar a la envoltura acuosa de las proteínas también afectan a la carga eléctrica de los grupos ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Esta alteración de la carga superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la estructura terciaria y a menudo provoca su precipitación. La solubilidad de una proteína es mínima en su punto isoeléctrico, ya que su carga neta es cero y desaparece cualquier fuerza de repulsión electrostática que pudiera dificultar la formación de agregados. 4.- EFECTO DE LA TEMPERATURA Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan. Asimismo, un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de las proteínas desnaturalizadas.


PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS Desde el punto de vista bioquímico, las propiedades de las proteínas son: (1) la precipitación selectiva (2) la capacidad amortiguadora y (3) las propiedades osmóticas. 1.- PRECIPITACION SELECTIVA En disolución acuosa, los residuos hidrofóbicos de las proteínas globulares se acumulan en el interior de la estructura, mientras que en la superficie aparecen diversos grupos con carga eléctrica, que variará en función del pH del medio (Figura 33). Los dipolos del agua se orientan alrededor de los grupos cargados en función de la carga eléctrica de cada grupo, de tal manera que la proteína presenta una capa formada por el agua de hidratación, que es el agua retenida por las cargas eléctricas presentes en la superficie de las proteínas (Figura 42). Los AA polares sin carga también se disponen en la superficie, donde interaccionan con el agua mediante puentes de hidrógeno. Cualquier factor que modifique la interacción de una proteína con el disolvente disminuirá su estabilidad en disolución y provocará su desnaturalización y precipitación. Así, la desaparición total o parcial de la envoltura acuosa, la neutralización de las cargas eléctricas de tipo repulsivo o la ruptura de los puentes de hidrógeno facilitarán la agregación intermolecular y provocarán la precipitación. En muchas ocasiones, la formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide su renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible. Sin embargo, en algunos casos, la desnaturalización es reversible, ya que la estructura primaria contiene la información necesaria y suficiente para recuperar la estructura tridimensional nativa. Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aislamiento y purificación de proteínas. Como no todas las proteínas reaccionan de igual forma ante un cambio en las condiciones del medio donde se encuentra disuelta, es posible provocar la precipitación selectiva de proteínas. Las proteínas precipitadas se separan fácilmente de las demás proteínas y, si el proceso es reversible, se puede renaturalizar la proteína para que vuelva a adoptar su estructura nativa. Los dos métodos más utilizados para provocar la precipitación selectiva (y reversible) de las proteínas son:

• cambios en la fuerza iónica: para ello se utiliza sulfato amónico, urea o cloruro de guanidinio

• cambios en la polaridad del disolvente para ello se utiliza etanol o acetona


2.- CAPACIDAD AMORTIGUADORA Esta propiedad se debe a la existencia de (1) los grupos ionizables de las cadenas laterales de los aminoácidos Asp, Glu, Lys, Arg, His, Tyr, Cys; y (2) los grupos COOH y NH2 terminales. Por este motivo, las proteínas poseen un considerable poder amortiguador en una amplia zona de pH. Aunque cada AA tiene unos grupos ionizables con unas constantes de ionización (pKa) características, el valor de dichas constantes puede verse ligeramente modificado por el entorno proteico. El grupo imidazol del AA histidina es el principal responsable del poder amortiguador de las proteínas a pH fisiológico, ya que su pKa está próximo a 7. Cuando el pH es bajo, los grupos ionizables están protonados, y la carga neta de la proteína es de signo positivo. Cuando el pH es alto, los grupos ionizables están desprotonados, y la carga neta es de signo negativo. Entre ambas zonas, habrá un pH en el que la carga neta de la proteína es nula y se denomina pH isoeléctrico o punto isoeléctrico (pI), y es característico de cada proteína. Por tanto:

• Cuando el pH es igual al pI, la carga neta de una proteína es cero • A valores de pH por debajo del pH isoeléctrico la carga neta de la proteína es

positiva • A valores de pH por encima del pH isoeléctrico, la carga neta de la proteína es

negativa Cuando el pH del medio es igual al pI, la solubilidad de una proteína es mínima ya que, al no haber carga neta, desaparecen las repulsiones electrostáticas que podrían impedir la agregación y precipitación de las moléculas de proteína (Figura 43). En función del punto isoeléctrico se pueden distinguir:

• proteínas ácidas: son las que tienen un punto isoeléctrico bajo (como la pepsina), y a pH fisiológico estarán cargadas negativamente.

• proteínas básicas: son las que tienen un punto isoeléctrico alto (como las

histonas) y a pH fisiológico estarán cargadas positivamente. La mayoría de las proteínas intracelulares tienen carga negativa, ya que su pI es menor que el pH fisiológico (que está próximo a 7). 3.- PROPIEDADES OSMÓTICAS Como todo soluto molecular o iónico, las proteínas ejercen un efecto osmótico cuando existen barreras que limitan su libre difusión. Si tenemos dos compartimentos acuosos separados por una membrana semipermeable y uno de estos compartimentos contiene proteínas, éstas tienden a captar agua del compartimento vecino (Figura 44). Este efecto osmótico es proporcional al número de partículas dispersas. El valor de la presión osmótica se puede calcular mediante la fórmula de Van't Hoff (π = mRT).


En el caso de las proteínas, el efecto osmótico se ve amplificado por otros dos factores. Por un lado, el agua de hidratación que forma la envoltura acuosa de las proteínas contribuye a la presión osmótica (Figura 44). Por otro lado, las proteínas se comportan como polianiones, cuyas cargas están neutralizadas por iones Cl─, Na+ o K+. Las membranas biológicas son algo permeables a estos iones, con lo cual su concentración a ambos lados de la membrana se equilibra. Sin embargo, la existencia de proteínas en sólo uno de los compartimentos provoca la retención permanente de iones difusibles en ese lado de la membrana (efecto Donnan), lo que incrementa el efecto osmótico (Figura 44). Se denomina presión coloidosmótica o presión oncótica al efecto osmótico conjunto de las proteínas y que es el resultado de (Figura 44):

• la presión osmótica (que sólo depende del número de partículas • la presión provocada por el agua de hidratación • la presión provocada por el exceso de iones debido al efecto Donnan

La mayor parte del agua en el sistema circulatorio está retenida por el efecto osmótico de las proteínas del plasma. Cuando por cualquier circunstancia patológica disminuye la concentración de proteínas en el plasma, el agua puede fluir libremente hacia los tejidos, provocando un edema.

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