La Arquitectura Molecular de las Proteínas

La función biológica de una proteína depende intrínsecamente de su conformación tridimensional. Esta conformación se describe a través de cuatro niveles jerárquicos de organización.

Estructura Primaria (Est1)

La estructura primaria es la disposición lineal de aminoácidos. Estos se unen mediante enlaces de tipo amida (CO–NH–), denominados enlaces peptídicos, que se establecen entre el grupo carboxilo de un aminoácido (Aa) y el grupo amino del siguiente Aa, lo que supone la pérdida de una molécula de agua.

• Péptidos: Cadenas lineales con pocos aminoácidos (generalmente menos de 10).
• Polipéptido: Cadenas con un número mayor de aminoácidos (hasta 100).
• Proteína: Un polipéptido constituido por un número de aminoácidos igual o superior a 100 y que posee una estructura tridimensional definida.

Las secuencias se suelen escribir de izquierda a derecha, empezando por el extremo N-terminal (grupo amino libre) y finalizando por el extremo C-terminal (grupo carboxilo libre). El eje o esqueleto del péptido está formado por la repetición de una unidad de seis átomos (–NH–CH–C), que es igual en todos los aminoácidos.

Características del Enlace Peptídico

El enlace peptídico posee un carácter de doble enlace debido a la resonancia, lo que implica que los átomos N, C y O comparten electrones. Esto determina que los átomos de cada enlace peptídico se encuentren en un mismo plano (el esqueleto de la cadena polipeptídica se asemeja a una sucesión de planos articulados).

Aunque no se efectúan torsiones alrededor de los enlaces peptídicos (son rígidos), sí se efectúan rotaciones alrededor de los enlaces N–Cα y Cα–C, permitiendo el plegamiento.

Estructura Secundaria (Est2)

La estructura secundaria consiste en el plegamiento local de la estructura primaria, debido a la infinidad de puentes de hidrógeno (PDH) que se establecen entre los grupos –C=O de unos enlaces peptídicos y los grupos –NH de otros enlaces próximos. Las cadenas laterales R, distribuidas a lo largo de la cadena, adoptan determinadas posiciones en el espacio. En este proceso de plegamiento participan un grupo de proteínas especializadas, las chaperonas.

La sucesión de placas articuladas de la estructura primaria queda estabilizada cuando adopta alguna de las tres estructuras secundarias posibles:

Hélice Alfa (α-hélice)

La sucesión de placas definidas por la estructura primaria se enrolla sobre sí misma, originando una hélice que se estabiliza por los numerosos puentes de hidrógeno formados entre los grupos –NH– y –CO– de los enlaces peptídicos. Esto permite que secuencias diferentes de aminoácidos puedan adoptar esta conformación espacial, ya que los grupos funcionales presentes en las cadenas R no participan directamente en la estabilización.

Determinados aminoácidos desestabilizan esta estructura, ya sea porque las cadenas R son muy voluminosas o porque las cargas eléctricas del mismo signo en dos cadenas laterales próximas se repelen. La prolina tiende a romper esta estructura, ya que no se acomoda bien en la hélice.

Conformación Beta-Laminar (Hoja Plegada β)

La cadena polipeptídica queda extendida y se pliega sucesivamente sobre sí misma hacia delante y hacia atrás. Las distintas regiones de la cadena β quedan enfrentadas unas con otras y se unen mediante puentes de hidrógeno intracatenarios que también se establecen entre los grupos –NH– y –CO– de enlaces peptídicos. El resultado es la asociación de estas regiones para formar láminas plegadas en zigzag.

Giros o Codos Beta (β-Giros)

Los giros o codos de tipo β permiten cambiar bruscamente de dirección (180º). Están formados generalmente por cuatro aminoácidos (Aa) y se estabilizan por puentes de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro. Son conformaciones necesarias para que la proteína adopte una estructura más compacta. Se denominan giros β porque con frecuencia se encuentran en las regiones que conectan los extremos de dos segmentos adyacentes y antiparalelos de una hoja plegada.

Hélice de Colágeno

La triple hélice de colágeno (tropocolágeno) presenta un plegamiento secundario en forma de hélice enroscada hacia la izquierda, algo más extendida que las α-hélices debido a las grandes cantidades de prolina que contiene.

Estructura Terciaria (Est3)

La estructura terciaria es la conformación espacial definitiva que adoptan las diferentes regiones de la cadena polipeptídica (cada una con su correspondiente estructura secundaria: α-hélice, β-laminar o giro β) como consecuencia de las interacciones establecidas entre las cadenas laterales R situadas a lo largo de la cadena. El resultado difiere según el tipo de proteína:

Proteínas Fibrosas

Ejemplos: colágeno o queratina. Poseen una estructura simple, ya que las cadenas R apenas influyen. Tienen pocos grupos polares y suelen ser proteínas alargadas, muy resistentes e insolubles en agua.

Proteínas Globulares

La estructura resulta del plegamiento sucesivo de estructuras secundarias, como un ovillo, hasta formar una proteína esferoidal, compacta y, por lo general, soluble en agua. En una proteína globular, los distintos niveles se disponen jerárquicamente. Algunas proteínas, como la mioglobina, solo poseen hélices Alfa; otras, como la concanavalina, están constituidas por láminas β, pero lo habitual es que tengan ambas conformaciones en proporciones distintas.

Subniveles de la Estructura Terciaria

Motivos de la Estructura Suprasecundaria

Encontramos con frecuencia determinadas asociaciones secundarias de hélices α, láminas β y giros β que constituyen motivos estructurales y se repiten en las diferentes regiones de la cadena. Ejemplos:

• Unidad β-α-β
• Barril β
• Meandros β
• Grecas

Dominios Estructurales

Formados por determinadas combinaciones de hélices α y láminas β, plegadas de manera estable e independiente para formar estructuras compactas y particularmente estables. Desempeñan funciones concretas hasta el punto de aparecer los mismos dominios en proteínas diferentes. Existen proteínas con un único dominio y otras con varios, que suelen corresponderse a distintas funciones dentro de la misma proteína. Ejemplo: Las enzimas que utilizan como coenzimas determinados nucleótidos como NAD+, FAD o AMP.

Tipos de Enlace que Estabilizan la Estructura Terciaria

1. Puentes de Hidrógeno: Entre cadenas laterales de aminoácidos polares sin carga.
2. Interacciones Hidrofóbicas y Fuerzas de Van der Waals: Entre radicales alifáticos y aromáticos de las cadenas laterales.
3. Enlace Covalente Disulfuro (–S–S–): Es el más fuerte y se establece entre regiones de la cadena peptídica donde se encuentran dos grupos tiol (–SH).
4. Enlaces Electrostáticos (Puentes Salinos): Entre grupos COO– y NH3+ de aminoácidos ácidos y básicos.

Interacciones Intercatenarias (Hacia la Estructura Cuaternaria)

En las α-hélices, los puentes de hidrógeno (PDH) se establecen siempre dentro del mismo polipéptido (intracatenarios). Sin embargo, los PDH a veces son intercatenarios, y las cadenas polipeptídicas pueden interaccionar con otras cadenas que pueden pertenecer al mismo polipéptido o a polipéptidos diferentes, dando lugar a la estructura cuaternaria.

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