Proteínas 3. Nivel >2

Proteínas 3.

Estructuras supersecundarias

Algunas estructuras supersecundarias dentro de la misma cadena, generan estructuras tridimensionales, sin necesidad de abarcar toda la cadena polipeptídica. En otras palabras, solo una parte de la cadena con estructuras secundarias. A estas estructuras se les denomina supersecundarias porque es un nivel de estructuración por arriba de la secundaria y dentro de la misma cadena polipeptídica.

También se les llama motif,  "motivos" o patrones. Motivos es una mala traducción del francés, pero de repente aún lo usamos. Estas estructuras presentan características estructurales que se ha asociado con funciones de las proteínas. 

NOTA: es importante diferenciar los motifs estructurales, que son a los que aquí nos referimos, de los motifs de secuencia, estos se refieren a secuencias conocidas y que están asociadas a estructuras. Estas secuencias pueden ser genéticas o de la misma estructura primaria proteica. Pero en este blog, nos referimos como "motif" a los estructurales.

(La mayor parte de las imágenes son tomadas de wikipedia)

1. Horquilla beta. Esta es bastante común se da cuando se forma una hoja plegada beta antiparalela en una misma cadena, donde las cadenas que hacen la hoja, solo están separadas por unos cuantos aminoácidos. 
   
   
   
2. Vuelta βαβ. Como su nombre lo indica son dos hojas beta unidas por una hélice alfa en lugar de solo por una vuelta. Esta deja las cadenas de la hoja beta de un lado y de otro las alfa-hélice, lo que permite dejar las hojas beta al interior de la proteína y al exterior las alfa-hélice.
   
   
   
   
   
   
3. HTH Hélice-vuelta-hélice. Esta estructura también es muy común, se encuentra bastante en factores de transcripción, esto es, en proteínas que interactúan con el ADN. La vuelta se da por más de dos aminoácidos, dejando las alfa-hélices casi perpendiculares o formando un diedro. Las siglas HTH es por el inglés helix-turn-helix.
   
   
   
4. HlH hélice-bucle-hélice. Es parecida a la anterior, pero la unión es de dos aminoácidos o menos, con lo que las hélices quedan en diagonal. Se le encuentra en factores de regulación genética, pues también pueden interactuar con el ADN por el surco mayor.
   
   
   
5. Mano EF. Esta es una HlH característica, porque las HlH normalmente tienen aminoácidos cargados positivamente (básicos), mientras que la EF tiene aminácidos ácidos (de ahí la E) con hidrofóbicos (de ahí la F), con lo que son una estructura muy estable de unión a cationes divalentes, en especial Calcio. Es un motif muy común en proteínas que regulan la concentración de calcio o responden a las variaciones en sus niveles intracelulares. La calmodulina es el ejemplo típico de proteínas que contienen este motif. La esfera en la imagen de abajo, representa un Ca 2+ y se une a tres ácidos glutámicos (E) cuyo Carbono alfa está en rojo.
   
   
   
6. Bucle omega. En este bucle dos estructuras secundarios (usualmente hojas plegadas beta) se pliegan entre sí dejando un bucle grande, por lo que se asemeja a la letra griega omega mayúscula: Ω
7. Dedos de Zinc. En esta estructura supersecundaria las cadenas laterales de aminoácidos (por ejemplo, 2 cisteínas y dos histidinas) se unen al zinc por enlaces coordinados, lo que estabiliza la estructura y además permite que el ion Zn 2+ puede interactuar con cargas positivas de los fosfatos de ADN. Esta estructura es utilizada por proteínas que funcionan como nucleasas o factores de transcripción. Hay dedos de zinc de varios tipos.
   
   
   
8. Cremallera de Leucina. Al igual que la anterior, esta estructura es utilizada por proteínas que se unen al ADN, factores de transcripción. Como su nombre lo indica, tienen leucinas de manera periódica en dos alfa-hélices. De esta manera se estabiliza por las interacciones hidrofóbicas de los residuos de L, así como los puentes de hidrógeno de la alfa-hélice, su polaridad y por interacciones electrostáticas de algunos de los residuos. En el extremo tienen K y R que, al tener carga positiva, puede interaccionar con los fosfatos del ADN.
   
   
   
9. Nido y Nicho. Estas estructuras son cortas y son pequeños bucles que asemejan un nido. El Nido es de alrededor de 3 aminoácidos y sirve para unir de forma coordinada a aniones o átomos electronegativos como el oxígeno. Los Nichos son parecidos, pero pueden ser de 3 o 4 aminoácidos y son para unir cationes como el K, Na y otros.
10. Barril beta. Consiste de varias hojas beta antiparalelas (generalmente) que están ligeramente dobladas de forma cilíndrica, generando un barril. El interior del barril es generalmente hidrofóbico o hidrofílico y el exterior de caracter opuesto. Por ejemplo en los barriles beta de membrana, el exterior tiende a ser hidrofóbico y el interior hidrofílico. 
    
    
    
11. Meandro beta u Hoja beta torcida. Son dos o más hebras beta antiparalelas unidos por horquillas beta (la estructura supersecundaria 1 en este blog, ver arriba), donde la primer hebra interacciona con la siguiente pero con otra posterior o inclusive con la última, de ahí el nombre de meandro. 
    
    
    
12. Bucle Psi. Consiste de tres hebras beta antiparalelas unidas por bucles, vueltas o hélices. Una de ellas la inicial o la final se conecta a las otras dos, con lo que se une al resto de la cadena polipeptídica por lo que se parece a la letra griega mayúscula Psi: Ψ. Es decir, el resto de la cadena peptídica se une a este motif por la hebra beta central.
    
    
    

Estructura terciaria

Las estructuras secundarias o supersecundarias se pliegan entre sí, para dar una estructura 3-D, generalmente exponiendo la parte polar hacia afuera y lo hidrofóbico al interior (core), salvo en las proteínas de membrana donde ocurre al revés. A esta estructura se le llama dominio y básicamente se les divide en dos tipos: globulares o fibrosas. Este nivel de estructuración se estabiliza gracias a las interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno, puentes salinos entre las cadenas peptídicas y también por los enlaces disulfuro entre dos cisteínas. Una misma cadena polipeptídica puede tener varios dominios o uno solo.

Las fibrosas generan forma de "tronco" o fibras, de ahí el nombre. De hecho, las fibras naturales están hechas de proteínas o polímeros de esta forma -fibrosos-. Ejemplo de estas son las queratinas, el colágeno etc. Se dividen a su vez en dos:

Fibrosas simples: como las queratinas, la elastina, la fibroína de la seda y el colágeno.

Fibrosas conjugadas: cuando se les combina con algo más, como las de las plumas de las aves.

El peptidoglicano de la pared celular bacteriana es considerado como un tipo de fibrosa conjugada ya que contiene porciones de carbohidratos.

Las globulares, toman forma de "esfera" pero generalmente sería una esfera deformada. Muchas enzimas tienen un solo dominio globular, pero hay proteínas que pueden tener dos o más dominios. En general, cuando se habla de dos o más dominios, estos son globulares. 

Al ser globulares, disminuyen su interacción con el exterior, ya sea hidrofílico (proteínas de secreción o cistosólicas) o hidrofóbico (proteínas membranales). De esta manera, las globulares se clasifican por su interacción con el agua o soluciones:

Proteínas globulares simples:

1. Solubles en agua destilada

a. Albúminas. Son altamente solubles en agua. Precipitan por saturación con sulfato de amonio o sulfato de sodio en medio ligeramente ácido. Esto es efecto es "salting-out" donde agregar sales ayuda a precipitar las proteínas. Coagulan por calentamiento. Ej. Albúmina de huevo.nm

b. Pseudoglobulinas. Solubles en agua. Precipitan con sulfato de amonio a tres cuartos de saturación. Coagulan por calentamiento. Ej. seudoglobulina de suero de leche.

c. Protaminas. Solubles en agua. De carácter básico, ya que un aminoácido básico representa más del 80% de su composición. No coagulan por calentamiento. Precipitan con ácidos minerales o proteínas ácidas. Se han aislado de células espermáticas. Ej. salmina y cupleína.

d. Histonas. Proteínas solubles. De carácter básico con un porcentaje alto de K y R en su composición. Se encuentran en los nucleosomas (empaquetamiento del ADN en la cromatina), por lo que solo se han encontradas unidas al ADN en el núcleo. Ej. H2B, H3 y H4.

2. Insolubles en agua destilada

a. Euglobulinas. insolubles en agua destilada, se pueden solubilizar con un poco de sal (salting-in). Precipitan con sulfato de amonio o sodio a dos cuartos (la mitad) de saturación. Es decir, requiere menos de sulfato de amonio para precipitar que las pseudoglobulinas. Coagulan por calentamiento. Son de las más frecuentes. Ej. globulina de frijol de soya o de la clara de huevo.

b. Prolaminas. Insolubles en agua destilada. Solubles en álcalis diluidas o en soluciones alcohólicas al 60-80%. Principalmente encontradas en semillas vegetales. Ej. Zeína del maíz, gliadina del trigo.

c. Glutelinas. Insolubles en agua destilada y en alcohol. Solubles en álcalis o ácidos diluidos, en agentes caotrópicos y en detergentes. Son ricas en F, V, Y, P y L.  Se han aislado principalmente de semillas, por lo que a veces se les clasifica como prolaminas. Ej. glutelina que provoca la enfermedad celiaca (intolerancia al gluten).

Proteínas globulares conjugadas:

Cromoproteínas. Proteínas combinadas con pigmentos, como la clorofila.

Fosfoproteínas. Combinadas con fósforo. Ej. caseína de la leche.

Glicoproteínas. Proteínas combinadas con carbohidratos. Ej. mucina

Lipoproteínas. Proteínas combinadas con lípidos. Ej. VLDL y quilomicrones.

Nucleoproteínas. Unidas a ácidos nucleicos. Ej. Ribonucleoproteína RNP.

Metaloproteínas. Unidas a metales por enlaces de coordinación o electrostáticos. Ej. ceruloplasmina.

Aunque estas clasificaciones, son poco usadas, todavía se utilizan los términos. Es importante que conozcas que no todas las proteínas se solubilizan en agua aunque agregues sal, pues eso solo ocurre con algunas. 

Estas propiedades de las proteínas en solución permiten estudiarlas, separarlas y purificarlas.

Agentes cosmotrópicos como algunos alcoholes (etanol, isopropanol, isoamílico), carbohidratos (como el manitol, la trehalosa), polímeros (poliglicol o polivinilpirrolidona) y sulfatos ayudan a conservar la estructura del agua y de la proteína causando su precipitación/coagulación. En contraste, los caotrópicos, como la urea y el guanidinio desestabilizan la estructura del agua, con lo que desnaturalizan a las proteínas (e incluso a otros biopolímeros).

La desnaturalización (a veces llamada fusión) se refiere cuando se rompe esta estructura terciaria y a veces hastsa la secundaria -pero no la primaria-. Esto se puede lograr por caótropos, reductores del disulfuro (de la cisteína) o por temperatura. Al romperse este nivel de estructura, la función de la proteína se pierde. En algunos casos, cuando se renaturaliza se recupera la función, pero no siempre, eso depende del tipo de proteína. 

Si quieres estudiar proteínas es importante que las separes. Si deseas conservar su función, es importante que no utilices ni caótropos, ni reductores del disulfuro, ni alta temperatura. Así, los métodos de separación comúnmente incluyen la disrupción del tejido o de las células por morteros, y otros métodos de separación como

Centrifugación

Filtración molecular (tamices moleculares)

Diafiltración

Diálisis

Estos últimos tres utilizan membranas o filtros que pueden dejar pasar moléculas de cierto tamaño y retener otras.

Es común que para estudiarlas proteínas, se utilicen cosmótropos para proteger la estructura proteica para conservar su función.

Estructura cuaternaria

Cuando diferentes cadenas polipeptídicas se unen entre sí para generar un complejo con varias cadenas, se generan proteínas. Se les llama dímeros, trímeros o tetrámeros, dependiendo de cuántas cadenas polipeptídicas se unan para generar ese complejo. Si todas las cadenas son iguales se les antepone el prefijo homo- si son diferentes hetero-. Por ejemplo. Las extradiol-dioxigenasas pueden ser homotetrámeros o un heterodímero de homodímeros. 

 Aún así, a veces nos referimos a ese complejo como una sola proteína. Esto ocurre, sobre todo cuando se requiere que se unan los diferentes polipéptidos para poder llevar a cabo la función. Ejemplo la ATPasa que es una proteína o complejo proteíco con más de diez cadenas polipeptídicas.

Este nivel de estructuración se estabiliza principalmente por interacciones hidrofóbicas y puentes de hidrógeno. En algunos casos, también interacciones electrostáticas o puentes salinos y ya en menos casos por enlaces o puentes covalentes.

Algunas proteínas pueden tener función solo cuando se ensambla la estrucutura cuaternaria, a veces, lo opuesto. No obstante, dado que es parte de la fisiología, se habla de estas estructuras cuaternarias, sobre todo, porque son estables en el tiempo e incluso resisten a operaciones de separación como las que mencionamos arriba.

Estructura quinaria

Este nivel de estructuración es poco estudiado y no hay consenso sobre si debería utilizarse o no. En especial, porque se refiere a complejos proteícos en donde se involucran varias cadenas polipeptídicas pero que duran poco tiempo. Es decir, son poco estables y ocurren solo en condiciones específicas. Dado que no son estables, algunos autores no consideran que en sí mismas sean una estructura, pues solo es una interacción temporal.