3.9: Proteínas - Estructura Proteína

Objetivos de aprendizaje

• Resumir los cuatro niveles de estructura proteica

La forma de una proteína es crítica para su función porque determina si la proteína puede interactuar con otras moléculas. Las estructuras proteicas son muy complejas, y los investigadores solo han podido determinar de manera fácil y rápida la estructura de las proteínas completas hasta el nivel atómico. (Las técnicas utilizadas se remontan a la década de 1950, pero hasta hace poco eran muy lentas y laboriosas de usar, por lo que las estructuras proteicas completas eran muy lentas de resolverse). Los primeros bioquímicos estructurales dividieron conceptualmente las estructuras proteicas en cuatro “niveles” para facilitar el manejo de la complejidad de las estructuras generales. Para determinar cómo la proteína obtiene su forma o conformación final, necesitamos comprender estos cuatro niveles de estructura proteica: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura primaria

La estructura primaria de una proteína es la secuencia única de aminoácidos en cada cadena polipeptídica que compone la proteína. Realmente, esto es solo una lista de qué aminoácidos aparecen en qué orden en una cadena polipeptídica, no realmente una estructura. Pero, debido a que la estructura final de la proteína depende en última instancia de esta secuencia, a esta se le llamó la estructura primaria de la cadena polipeptídica. Por ejemplo, la hormona pancreática insulina tiene dos cadenas polipeptídicas, A y B.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura primaria: La cadena A de insulina tiene 21 aminoácidos de longitud y la cadena B tiene 30 aminoácidos de longitud, y cada secuencia es única para la proteína insulina.

El gen, o secuencia de ADN, determina en última instancia la secuencia única de aminoácidos en cada cadena peptídica. Un cambio en la secuencia de nucleótidos de la región codificante del gen puede llevar a que se agregue un aminoácido diferente a la cadena polipeptídica en crecimiento, provocando un cambio en la estructura de la proteína y por lo tanto en la función.

La proteína hemoglobina de transporte de oxígeno consta de cuatro cadenas polipeptídicas, dos cadenas α idénticas y dos cadenas β idénticas. En la anemia falciforme, una sola sustitución de amino en la cadena β de la hemoglobina provoca un cambio en la estructura de toda la proteína. Cuando el aminoácido ácido glutámico es reemplazado por valina en la cadena β, el polipéptido se pliega en una forma un poco diferente que crea una proteína de hemoglobina disfuncional. Entonces, solo una sustitución de aminoácidos puede provocar cambios dramáticos. Estas proteínas de hemoglobina disfuncionales, en condiciones de bajo oxígeno, comienzan a asociarse entre sí, formando fibras largas hechas de millones de hemoglobinas agregadas que distorsionan los glóbulos rojos en formas de media luna o “hoz”, que obstruyen las arterias. Las personas afectadas por la enfermedad a menudo experimentan dificultad para respirar, mareos, dolores de cabeza y dolor abdominal.

Figura\(\PageIndex{1}\): Enfermedad de células falciformes: Las células falciformes tienen forma de media luna, mientras que las células normales tienen forma de disco.

Estructura secundaria

La estructura secundaria de una proteína es cualquier estructura regular que surja de interacciones entre aminoácidos vecinos o cercanos a medida que el polipéptido comienza a plegarse en su forma tridimensional funcional. Las estructuras secundarias surgen a medida que se forman enlaces H entre grupos locales de aminoácidos en una región de la cadena polipeptídica. Rara vez una sola estructura secundaria se extiende por toda la cadena polipeptídica. Por lo general, es solo en una sección de la cadena. Las formas más comunes de estructura secundaria son las estructuras de hélice α y lámina plisada β y desempeñan un papel estructural importante en la mayoría de las proteínas globulares y fibrosas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura secundaria: La hélice α y la hoja plegada β se forman debido a los enlaces de hidrógeno entre los grupos carbonilo y amino en la cadena principal peptídica. Ciertos aminoácidos tienen una propensión a formar una hélice α, mientras que otros tienen una propensión a formar una lámina β-plisada.

En la cadena α-hélice, el enlace de hidrógeno se forma entre el átomo de oxígeno en el grupo carbonilo de la cadena principal del polipéptido en un aminoácido y el átomo de hidrógeno en el grupo amino de la cadena principal del polipéptido de otro aminoácido que está cuatro aminoácidos más lejos a lo largo de la cadena. Esto mantiene el tramo de aminoácidos en una espiral diestra. Cada giro helicoidal en una hélice alfa tiene 3.6 residuos de aminoácidos. Los grupos R (las cadenas laterales) del polipéptido sobresalen de la cadena α-hélice y no están involucrados en los enlaces H que mantienen la estructura α-hélice.

En las láminas plisadas β, los tramos de aminoácidos se mantienen en una conformación casi completamente extendida que “plisa” o zig-zags debido a la naturaleza no lineal de los enlaces covalentes simples C-C y C-N. Las láminas plisadas β nunca ocurren solas. Tienen que sujetarse en su lugar por otras hojas β-plisadas. Los tramos de aminoácidos en láminas plisadas β se mantienen en su estructura de lámina plisada porque se forman enlaces de hidrógeno entre el átomo de oxígeno en un grupo carbonilo de la cadena principal polipeptídica de una lámina plisada beta y el átomo de hidrógeno en un grupo amino de la cadena principal polipeptídica de otra lámina plisada beta. Las hojas plisadas β que se mantienen juntas se alinean paralelas o antiparalelas entre sí. Los grupos R de los aminoácidos en una lámina β-plisada señalan perpendiculares a los enlaces de hidrógeno que mantienen juntas las láminas plisadas β, y no están involucrados en el mantenimiento de la estructura de la lámina β-plisada.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria de una cadena polipeptídica es su forma tridimensional general, una vez que todos los elementos de la estructura secundaria se han plegado entre sí. Las interacciones entre el grupo R polar, no polar, ácido y básico dentro de la cadena polipeptídica crean la compleja estructura terciaria tridimensional de una proteína. Cuando el plegamiento de proteínas tiene lugar en el ambiente acuoso del cuerpo, los grupos R hidrófobos de aminoácidos no polares se encuentran principalmente en el interior de la proteína, mientras que los grupos R hidrófilos se encuentran principalmente en el exterior. Las cadenas laterales de cisteína forman enlaces disulfuro en presencia de oxígeno, el único enlace covalente que se forma durante el plegamiento de proteínas. Todas estas interacciones, débiles y fuertes, determinan la forma tridimensional final de la proteína. Cuando una proteína pierde su forma tridimensional, ya no será funcional.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura terciaria: La estructura terciaria de las proteínas está determinada por interacciones hidrófobas, enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno y enlaces disulfuro.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria de una proteína es la forma en que sus subunidades están orientadas y dispuestas unas con respecto a otras. Como resultado, la estructura cuaternaria solo se aplica a proteínas multisubunitarias; es decir, proteínas elaboradas a partir de más de una cadena polipeptídica. Las proteínas elaboradas a partir de un único polipéptido no tendrán una estructura cuaternaria.

En proteínas con más de una subunidad, las interacciones débiles entre las subunidades ayudan a estabilizar la estructura general. Las enzimas a menudo juegan un papel clave en la unión de subunidades para formar la proteína final y funcional.

Por ejemplo, la insulina es una proteína globular en forma de bola que contiene tanto enlaces de hidrógeno como enlaces disulfuro que mantienen unidas sus dos cadenas polipeptídicas. La seda es una proteína fibrosa que resulta de los enlaces de hidrógeno entre diferentes cadenas plisadas β.

Figura\(\PageIndex{1}\): Cuatro niveles de estructura proteica: Los cuatro niveles de estructura proteica se pueden observar en estas ilustraciones.

Puntos Clave

• La estructura de la proteína depende de su secuencia de aminoácidos y los enlaces químicos locales de baja energía entre los átomos tanto en la cadena principal del polipéptido como en las cadenas laterales de aminoácidos.
• La estructura proteica juega un papel clave en su función; si una proteína pierde su forma a cualquier nivel estructural, puede que ya no sea funcional.
• La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos.
• La estructura secundaria es interacciones locales entre tramos de una cadena polipeptídica e incluye estructuras de hélice α y láminas plisadas β.
• La estructura terciaria es el plegamiento global de tres dimensiones impulsado en gran medida por interacciones entre grupos R.
• Estructuras cuaternarias es la orientación y disposición de subunidades en una proteína multisubunidad.

Términos Clave

• antiparalelo: La naturaleza de las orientaciones opuestas de las dos cadenas de ADN o dos cadenas beta que comprenden la estructura secundaria de una proteína
• Enlace disulfuro: Un enlace, que consiste en un enlace covalente entre dos átomos de azufre, formado por la reacción de dos grupos tiol, especialmente entre los grupos tiol de dos proteínas
• Hoja β-plisada: estructura secundaria de proteínas donde los grupos N-H en la cadena principal de una cadena completamente extendida establecen enlaces de hidrógeno con grupos C=O en la cadena principal de una cadena adyacente completamente extendida
• α-hélice: estructura secundaria de proteínas donde cada cadena principal N-H crea un enlace de hidrógeno con el grupo C=O del aminoácido cuatro restos antes en la misma hélice.