Proteínas 2.
¿Proteínas o péptidos?
En el blog anterior, revisamos los aminoácidos, y vimos que cuando se unen varios aminoácidos mediante los enlaces peptídicos se generan oligo y polipéptidos. Las proteínas son justamente esos polipéptidos. Entonces ¿Cuándo nos referimos a ellas como proteínas y cuándo como péptidos?
Bueno, la verdad es que nos referimos a ellas como péptidos, solo para señalar que están constituidas de aminoácidos, es decir, es una forma de verlas de manera estructural; nos referimos a ellas como proteínas, cuando hablamos de sus funciones, es decir, es una forma funcional de verlas. Así que cuando les decimos proteínas, en general es porque ya sabes cuál es su función. Hablamos de polipéptidos cuando nos referimos a su estructura, ya sea que sepamos o no la función. Así que puede haber polipéptidos sintéticos, cuya función desconocemos.
Aunque parece trivial, resulta importante, porque cuando hablemos de proteínas, seguramente es porque lo estamos viendo desde el punto de vista de cuál es su función biológica, y por tanto, es menos química y más biológica la forma de verlas y estudiarlas. En bioquímica, de repente hacemos más énfasis sobre lo biológico o sobre lo químico.
Para que la proteína lleve a cabo la función es importante que tenga la estructura peptídica que lo favorezca. Así, una de las primeras cosas que veremos es cómo se estructura el péptido para dar lugar a la función.
Niveles de estructuración
Estructura primaria
Este nivel 1 de estructuración se refiere a la secuencia lineal del péptido, es decir, a cuáles y en qué orden están los aminoácidos en la cadena polipeptídica:
1 mkwvtfisll flfssaysrg vfrrdahkse vahrfkdlge enfkalvlia faqylqqcpf 61 edhvklvnev tefaktcvad esaencdksl htlfgdklct vatlretyge madccakqep 121 ernecflqhk ddnpnlprlv rpevdvmcta fhdneetflk kylyeiarrh pyfyapellf 181 fakrykaaft eccqaadkaa cllpkldelr degkassakq rlkcaslqkf gerafkawav 241 arlsqrfpka efaevsklvt dltkvhtecc hgdllecadd radlakyice nqdsissklk 301 eccekpllek shciaevend empadlpsla adfveskdvc knyaeakdvf lgmflyeyar 361 rhpdysvvll lrlaktyett lekccaaadp hecyakvfde fkplveepqn likqncelfe 421 qlgeykfqna llvrytkkvp qvstptlvev srnlgkvgsk cckhpeakrm pcaedylsvv 481 lnqlcvlhek tpvsdrvtkc cteslvnrrp cfsalevdet yvpkefnaet ftfhadictl 541 sekerqikkq talvelvkhk pkatkeqlka vmddfaafve kcckaddket cfaeegkklv 601 aasqaalgl
Esta es una forma de expresar su secuencia o estructura primaria. Los números del lado izquierdo es para facilitarte la cuenta, la M del primer renglón es el amino terminal y es el residuo número 1, la E del segundo renglón, es el residuo número 61 y así.
En la figura anterior, notarás que se pusieron al centro la secuencia de
+NH3-Cα-CO-NH-Cα- ... -Cα-COO-
y las cadenas laterales se fueron poniendo arriba o abajo. Esta secuencia se llama el esqueleto carbonado, así que decimos que las cadenas laterales se ponen alrededor del esqueleto carbonado. Sin embargo, como la secuencia del esqueleto carbonado es la que indica la unión de los aminoácidos y la estructura primaria, usamos mucho el esqueleto carbonado para poder imaginar o representar la estructura de la proteína.
Así que cuando hablamos de la estructura primaria, nos referimos solo a la secuencia.
Como te podrás imaginar, la secuencia no está en un mismo plano. A pesar de que enlace peptídico (en azul, rojo o violeta, abajo) es casi planar, las uniones del Carbono alfa (que está en hibridación tetraédrica) no son planares, por el contrario, pueden tener diferente ángulo.
Así que el enlace peptídico casi planar a la izquierda (en rojo) del Cα puede rotar dando un ángulo fi o φ, y el de la derecha (en morado) puede rotar alrededor del ángulo psi o ψ.
La combinación de estos ángulos permite que la estructura del péptido, tome una conformación 3-D. Algunos tramos del peptido pueden conformar una sola estructura bien definida, a la que se le llama estructura secundaria, y el conjunto de todos los tramos puede dar la forma completa del polipéptido, a lo que le llamamos estructura terciaria.
Hay varias bases de datos sobre las secuencias de proteínas como ncbi Protein y uniprot, si vas a estudiar un posgrado en Bioquímica o Biotecnología, familiarízate con ellas, porque seguro las necesitarás.
Estructura secundaria
Cuando un tramo toma una conformación, generando una estructura definida, le llamamos estructura secundaria (o nivel 2 de estructuración). Se conocen varias que ya se han caracterizado cristalográficamente mediante difracción de rayos X.
Se generan bucles y hélices, solo que algunas hélices son casi planas por lo que se les llama hojas. Este nivel de estructuración permite que algunas cadenas laterales puedan interaccionar con puentes de hidrógeno, lo que le da estabilidad a este nivel de estructuración.
Veamos la estructura 3-D de la HSA (tomado de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/icn3d/full.html?&mmdbid=190927&bu=1&showanno=1&source=full-feature):
Solo se muestra el esqueleto carbonado, como podrás notar algunas hélices son muy claras y otras solo se ven como bucles o vueltas al azar. Notarás que no se logra identificar cada residuo. Sin embargo, las herramientas informáticas de ahora nos permiten colorear y manejar la forma en que se representan, en esta cada residuo se coloreó de diferente color para poderlos distinguir:
También nota que se simplifica al ver solo el esqueleto carbonado, pues si intentas imaginártelo con las cadenas laterales de los aminoácidos, tendrás una idea más cercana de cómo luce, pero es más difícil visualizar las hélices.
Alfa hélice
En esta representación de la HSA, se ven varias hélices alfa, cada una con un color diferente:
La hélice alfa, es una de las más comunes, es una hélice dextrógira 3.613. Cada residuo aminoacídico causa una elevación r de 0.15 nm, lo que significa que una vuelta completa -3.6 aminoácidos- es de 3.6 X 0.15 nm = 0.54 nm (p). En el diagrama de abajo, el esqueleto de carbonos va en gris oscuro, los N en azul, los O en rojo, los hidrógenos en blanco. Puedes ver que los puentes de hidrógeno los dibujaron en rosa, Si cuentas cuántos átomos hay entre el oxígeno de una vuelta y el hidrógeno de la vuelta de arriba -con la que hace el puente de hidrógeno, son 13 átomos.
No es tan fácil contarlos cuando está en movimiento, ¿verdad?. Bueno, la idea es que notes que es estable gracias a los puentes de hidrógeno y que una de sus características es que tiene un dipolo grande, porque todos los oxígenos están arriba del carbono con el que hacen el grupo C=O del enlace. Al estar todos hacia arriba, todos tienen un dipolo negativo hacia arriba, con lo que la alfa hélice tienen un dipolo más grande con la parte negativa hacia arriba en la hélice. Así que si cambias la hélice de posición, siempre irá hacia donde estan los oxígenos. Nota que el extremo amino de la hélice de arriba está en la posición de abajo y el extremo Carboxilo en la de arriba. Así, la alfa hélice tiene un dipolo negativo hacia su extremo carboxilo y un dipolo positivo hacia su extremo amino. Una proteína típica es la queratina del cabello.
Como verás en la imagen de arriba, no se muestran las cadenas laterales. No todos los aminoácidos tienen la misma propensión a hacer alfa-hélices, pero los más propensos son: KALEM. MAL son no polares, por lo que generan una superficie hidrofóbica a su alrededor, así que cuando una hélice contiene este tipo de secuencias, nos indica que esa hélice tiende a ser hidrofóbica. Esto ocurre principalmente en las proteínas membranales, pues se pueden anclar a la membrana, gracias a dos cosas:
1. La superficie hidrofóbica de MAL que permite interaccionar con la parte hidrofóbica de la membrana
2. La carga iónica de KE que están en los extremos y que puede interaccionar con las porciones polares de los fosfolípidos que constituyen la membrana.
De hecho, es común que las hélices transmembranales están compuestas de al menos 30 aminoácidos, los del centro, hidrofóbicos (MAL) y los de los extremos, polares (KE).
Como una membrana celular típicamente mide aprox 5 nm, ¿Cuántas vueltas debe haber en una alfa-hélice para que pueda atravesar la membrana?
Bueno, como cada vuelta solo representa un incremento de 0.54 nm/vuelta, entonces tendrían que ser: 9.25 vueltas.
Quiz: ¿Cuántos aminoácidos se requieren para que un alfa-hélice de 9.25 vueltas?
Quiz: ¿Cuántos aminoácidos se requieren para dar 9.25 vueltas si la hélice fuera 310?
Veamos este ejemplo, la citocromo P450 reductasa humana:
Su secuencia es:
1 minmgdshvd tsstvseava eevslfsmtd milfslivgl ltywflfrkk keevpeftki 61 qtltssvres sfvekmkktg rniivfygsq tgtaeefanr lskdahrygm rgmsadpeey 121 dladlsslpe idnalvvfcm atygegdptd naqdfydwlq etdvdlsgvk favfglgnkt 181 yehfnamgky vdkrleqlga qrifelglgd ddgnleedfi twreqfwpav cehfgveatg 241 eessirqyel vvhtdidaak vymgemgrlk syenqkppfd aknpflaavt tnrklnqgte 301 rhlmhleldi sdskiryesg dhvavypand salvnqlgki lgadldvvms lnnldeesnk 361 khpfpcptsy rtaltyyldi tnpprtnvly elaqyaseps eqellrkmas ssgegkelyl 421 swvvearrhi lailqdcpsl rppidhlcel lprlqaryys iassskvhpn svhicavvve 481 yetkagrink gvatnwlrak epagenggra lvpmfvrksq frlpfkattp vimvgpgtgv 541 apfigfiqer awlrqqgkev getllyygcr rsdedylyre elaqfhrdga ltqlnvafsr 601 eqshkvyvqh llkqdrehlw klieggahiy vcgdarnmar dvqntfydiv aelgamehaq 661 avdyikklmt kgrysldvws
De color rojo se encuentran las secuencias que corresponden a las alfa-hélices que están en la representación de arriba.
Los aminoácidos del 22 al 42 hacen una hélice que queda inmersa en la membrana. No atraviesa totalmente la membrana como podemos calcular:
Al tener solo 21 aminoácidos en una hélice 3.613 significa que hacen 21/3.6=5.8 vueltas como puedes ver en la imagen de abajo. Si analizas la secuencia, puedes ver que la mayoría de los aminoácidos de esta secuencia (evslfsmtd milfslivgl lt) son hidrofóbicos y que en el extemo amino terminal hay un E. Al ser 21 aminoácidos estos solo penetrarían en la membrana 21*0.15 nm/aa= 3.15 nm que no constituye el grosor de la membrana. No obstante otros aminoácidos del lado carboxilo de esta secuencia én son también no polares (ywflf) por lo que podrían quedar inmersos en la membrana aunque no formen una alfa-hélice perfecta, pero sí cercana.
Hoja plegada beta
Este es otro tipo de estructura secundaria. En la imagen de arriba de la Citocromo P450 reductasa están pintadas de color verde. Puedes notar que no es una hélice, más bien es como ondulada. Suelo comparar estas dos con estilos de cabello, las α-hélices son como el cabello chino, y las hojas plegadas beta son como el cabello ondulado.
Los aminoácidos que tienen más propensión a hacer esta estructura son os VIT, prolina también pero sobre todo en los extremos de las hojas β. Una proteína típica que tiene hojas plegada beta es la fibroína de la seda o de las telarañas que está constituída de muchas secuencias -GSGAGA- que pueden generar hojas beta (antiparalelas).
Revisa el largo de las hojas verdes, tienen casi el mismo largo que las α-hélices, ¿no?. Ahora revisa la secuencia (estructura primaria) de la proteína: notarás que las alfa-hélices tienden a ser de 7 aminoácidos o más, mientras que muchas de las hojas beta son 4 y ninguna tiene más de 8 aminoácido, y sin embargo, se ven del mismo largo en la estructura 3D!! ¿a qué se debe eso?, bueno, es que las hojas plegadas beta tienen un incremento por aminoácido de 0.6 nm, que es mayor que las alfa-hélices. Así que para lograr 1 nm de avance, se requieren 1.6 aminoácidos en configuración hoja β, mientras que si fueran α-hélice se requerirían 6.7 aminoácidos, es decir, tres veces más aminoácidos que lo que se requiere en la hoja β.
Esta diferencia la puedes veer más claramente si coloreamos residuo por residuo
Nota que un aminoácido de hoja β en el esqueleto carbonado presenta un "largo" más grande que uno de α-hélice. Es más, el largo de un aminoácido en hoja β equivale a más de una vuelta de una α-hélice.
La hoja plegada beta se estabiliza mediante puentes de hidrógeno entre los hidrógenos del N de una secuencia/cadena y lo oxígenos de otra. Estas cadenas pueden pertenecer o no al mismo péptido. Ve las hojas plegadas beta de la citocromo P450 reductasa que están arriba en verde. Si miras con detenimiento, notarás que a los extremos de cada "tira" verde tienen dibujada una punta de flecha, esto es para indicar el sentido N-terminal->C-terminal de la secuencia. Si las dos cadenas van en el mismo sentido, se les dice que son una hoja plegada β paralela:
En esta, los puentes de hidrógeno no quedan de forma paralela, pero la estructura es bastante estable.
Cuando el sentido de la secuencia es opuesto, es decir, que una cadena vaya en un sentido y la otra en el opuesto, se denomina, hoja beta antiparalela
En esta, aunque los puentes de hidrógeno son paralelos, podría ser más estable que la paralela, pero hay sugerencias que la paralela pueda ser más estable, dependiendo de la secuencia de residuos aminoacídicos.
Como puedes notar en el ejemplo de la citocromo P450 reductasa, los esqueletos carbonados de las secuencias en las hojas plegadas beta no están en un mismo plano, sino que se tuercen. Esto es muy común en las hojas plegadas beta.
Incluso parecieran ondularse y no todas son antiparalelas, algunas están de forma paralela.
Triple hélice del colágeno
Esta hélice, es conformada por tres cadenas peptídicas levógiras.
Una de las características de estas estructuras es que giran el plano de la luz polarizada circular de forma diferente dependiendo de la longitud de onda, fenómeno llamado dicroísmo circular. Este fenómeno se observa en el ultravioleta lejano, es decir 170-250 nm.
La α-hélice produce un mínimo a 208 y 222 nm.
La hoja plegada beta produce un mínimo a 217 nm.
Los giros de secuencias aleatorias producen un mínimo a 204 nm.
Giros
Estos son vueltas que pueden entre una cadena peptídica que le permiten dar vuelta, por ejemplo, dos cadenas beta antiparalelas pueden tener un giro o bucle entre ellas, a este se le llama bucle o vuelta o giro β. Es estabilizada por los puentes hidrógeno y utiliza entre 2 y 4 aminoácidos. Busca, en la secuencia de la citocromo P450 reductasa, secuencias de 2-4 aminoácidos entre dos secuencias verdes (secuencias de hoja plegada β)
La unión de varias estructuras secundarias genera estructuras supersecundarias que pueden ser motifs o dominios, pero los veremos en el siguiente blog.
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