Tema 6: proteínas.Conformación de la proteína: es la estructura en la que la proteína ejerce su actividad biológica, si ésta se pierde, se produce su desnaturalización y pierde la capacidad de realizar sus funciones.

En las proteínas podemos distinguir una serie de niveles de organización que van a dar lugar a las distintas estructuras de las mismas:

– Estructura primaria: Es la sucesión ordenada de Aa unidos por medios de enlaces peptídicos entrelos residuos aminoacídicos. Por tanto, esta estructura hace referencia al número, tipo y orden de los Aa, es decir, describe todos los aspectos de la plegación tridimensional de un péptido.En algunas pueden aparecer puentes de disulfuro.

– Estructura secundaria: Los Aa se ordenan y forman una estructura repetitiva. Se define como laordenación repetitiva existente entre Aa adyacentes y es una estructura regular.

– Estructura terciara: la tienen los Aa grandes y es la relación entre los Aa alejados en la cadenapolipeptídica (plegamiento de la cadena). En esta estructura hay una serie de superestructuras.– Motivo estructural: es la relación existente entre 2 o 3 estructuras secundarias.– Dominio estructural: parte de la proteína que presenta una estructura determinada y realiza

una función concreta.– Estructura cuaternaria: se da en proteínas muy complejas y es la disposición en el espacio de una

proteína que posee dos o mas cadenas polipeptídicas.

Estructura primaria:Para conocer los Aa que forman la proteína debemos romper el enlace peptídico y posteriormente analizar los aminoácidos.Para ello, encapsulamos la proteína con ácido clorhídrico 6N al vacío y lo calentamos hasta que se rompan los enlaces peptídicos. Una vez separados los Aa los sometemos a un proceso de electroforesis, cromatografía... para reconocer su secuencia.

Una vez que conocemos su secuencia, debemos conocer el orden de los Aa en la proteína, para ello se pueden seguir distintos procedimientos según si la proteína es mas larga o mas pequeña. En estos procesos debemos tener en cuenta el número de cadenas que presenta la proteína, ya que a la hora de analizarlas éstas deben estar separadas, y se analizarán unas independientemente de otras.

Procedimientos para proteínas pequeñas.– Método de Sanger: En este método se usa como marcador un compuesto con un anillo en

resonancia (1-fluoro-2,4 diclorobenceno (FDNB)o 2,4- dinitrofluorbenceno). Cuando se coloca junto a una cadena polipetídica el fluor ataca el grupo amino y se desprende ácido clorhídrico quedando el primer Aa marcado.Con Hcl concentrado (6N) rompemos el polipéptido derivado 2,4- dinitrofenilo del aminiácido amino-terminal.De esta manera, solamente va a quedar marcado el primer Aa, el resto de la cadena es destruida. Por ello , este método solo se emplea cuando se quiere conocer el aminoácido con el amino terminal o para determinar el número de polipéptidos químicamente diferentes en una proteína,

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siempre que cada uno tenga un residuo amino-terminal diferente (si solo queda marcado un grupo amino hay una sola cadena, si se quedan marcados más, habrá varias cadenas).

– Degradación secuancial de Edman. En esta se marca y se elimina sólo el residuo amino terminalde un péptido, dejando el resto de enlaces peptídicos intactos.En este método se usa como reactivo el fenilisotiocionato, partiendo de unas concentracionesligeramente alcalinas. El carbono del reactivo ataca al nitrógeno del amino terminal que no estáprotonizado, y el hidrógeno del grupo amino terminal salta hacia el nitrógeno del reactivo formandoel PTC- péptido (PTC= feniltiocarbamilo).Una vez que se tiene el compuesto, lo pasamos a un medio ligeramente ácido. En enlace peptídicocon segundo amioácido, muy débil en condiciones ácidas, se rompe y nos quedará por un lado elprimer Aa marcado con feniltiocionato, y por el otro lado el resto de la cadena polipeptídica.Al romperse este enlace se forma PTH-aminoácido (feniltiohidantoína).Tras esto, podemos identificar el Aa mediante procedimientos cromatológicos y luego realizar lamisma operación con el resto de lascadenas. Este proceso lo puede llevara cabo un secuenciador de proteínas,donde se pone la proteína completay mediante degradaciones repetidaspodemos determinar la secuencia deunos 50 residuos e una proteína, yaque no siempre el péptido libera elderivado del aminoácido terminal encada etapa de la reacción. Por tanto,llegaría un momento en el quetendríamos una muestradesesperadamente impurificada.

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Procedimientos para proteínas grandes ( de mas de 50 residuos)– En estos casos debemos romper las proteínas

para poder secuenciar las distintas partes por separado. A la hora de romperlas, usaremos unas enzimas específicas que cortan a la proteína por unas zonas concretas. Una vez que esto se ha llevado a cabo, se secuencian los distintos fragmentos, tras lo cual se vuelve a repetir el proceso con otra enzima diferente.De esta manera obtendremos un mismo Aa fragmentado por distintos lugares, y lo que debemos hacer a continuación es “montar” la proteína, en relación a los fragmentos que se han obtenido permitiendo que se conozca así el orden de los Aa.

Por tanto, las fases que se siguen en este proceso son las siguientes:– Rotura de los enlaces disulfuro– Rotura de la cadena polipeptídica (proteasas)– Secuenciación de los péptidos– Organización de los fragmentos polipeptídicos– Un paso adicional en determinados Aa sería la localización de puentes disulfuro:

– Otra forma de deducir la secuencia de una proteína es a través del gen que la codifica, pues cadatriplete de bases se corresponde con un Aa.Para conocer si existen puentes disulfuros se emplea el método de la diagonal, en el se realiza unaelectroforesis y se observa el desplazamiento de los Aa, asi dependiendo de como se muevansabremos si los tiene o no:

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– sin puentes de disulfuro:Estos fragmentos se van amover en función de su carga y su masa, tras lasegunda electroforesis, los residuos se mueven endiagonal( no hay puentes de disulfuro).

– Con puentes de disulfuro: si la proteína posee puentes de disulfuro, una vez que se realiza laprimera electroforesis, se emplea ácido fórmico pararomper el puente de disulfuro, y los Aa quedaránseparados.

Como consecuencia, cuando se realice la segunda electroforesis los Aa se separan de la diagonal (sabemos que la cisteína está en los puentes de disulfuro).

Información de la estructura primaria.

La estructura primaria encierra toda la información sobre la estructura y función de una proteína. En concreto, lo que ésta nos permite conocer es:

– Propiedades fisico-químicas: Aa que la componen, PI, masa molecular, absorvancia, vida media...– Señales de destino, maduración o motivos secuenciales,– estructura tridimensional: comparando con información procedente de otras proteínas conocidas

( con igual estructura secundaria es probable que tengan una estructura terciaria similar9.– Mecanismos e acción de una proteína: podemos predecir la actividad de una proteína si posee una

secuencia de Aa similar a una de la que conocemos su actividad.– Producción de anticuerpos sondas de DNA: si conocemos la estructura primaria, podremos buscar

los tripletes que se corresponden con cada Aa.– Generación de nuevos péptidos o proteínas: al conocer la estructura primaria podremos fabricarla

en el laboratorio.– Patología molecular: enfermedades en proteínas mutadas, se altera la estructura primaria y por

tanto cambia su forma de actuar.– Evolución de las especies: sabiendo el número de diferencias en las cadenas polipetídicas podemos

saber qué nivel de relación hay entre las especies y conocer así el grado de evolución.Esta información se va a acumular en bancos de datos para hacer comparaciones y encontrar proteínas homólogas o heterólogas.

Estructura secundaria.La estructura secundaria hace referencia a la distribución local espacial de los Aa de la cadena principal.Recordando el diagrama de Ramachandran, una estructura secundaria se considera regular cuando todos los ángulos diedros Ψ y Φ adoptan valores iguales o casi iguales en todo el segmento, así debemos tener en cuenta que los enlaces del carbono están organizados de forma tetraédrica y esto va a determinar una configuración espacial debido a la rotación de los ángulos Ψ y Φ.

Atendiendo a ésto, podemos distinguir un número determinado de estructuras que son muy estables, entre ellas las mas importantes son la conformación en hélice α y la conformación β.Con la información de Ramachandran y los estudios de las propiedades del enlace peptídico, Paulin y Corey,

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predijeron las posibles conformaciones mas comunes en la naturaleza.

Según Pauli habría distintos tipos de hélices según el número de Aa, y también estableció el número de Aa por vuelta de hélice.

*la forma de n=3 y n=-3 va a depender del tipo de enlace que presenta ( Ψ o Φ)

Podemos decir, que el paso de rosca de una hélice depende del número de residuos en cada giro y la distancia que hay entre los Aa. Así, podemos calcularla de la siguiente manera:

Por tanto, la estructura secundaria quedará definida por:• paso de rosca• número de Aa por vuelta de hélice• la traslación (elevación) existente entre un Aa con el anterior y con el posterior.• Ángulos Ψ y Φ

Tras realizar sus estudios, las estructuras mas habituales que encontraron en la naturaleza fueron las siguientes:

α- hélice Lamina β Hélice 310 Hélice Π

Residuos/vuelta (n) 3,6 2 3 4,4

Elevación (h) 1,5 3,5 2 1,2

Ángulo Ψ -47 +135 ó +113 -26 -70

Ángulo Φ -57 -139 ó -119 -49 -57

El volumen del radical hace que los Aa se adapten mejor a determinadas formas: • Val, Ile, Phe, Try, Trp; Thr se adaptan bien a la lámina β• Ala, Leu, Cys, Met, Glu, Gln, His, Lys se adaptan mejor a la hélice α

Un Aa que no se adapta a la forma de hélice α es la Pro. Sin embargo esta es abundante en la hélice de colágeno, siendo muy importante para su estabilidad (presenta ¼ de su composición).

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Hélice α

El esqueleto polipeptídico se encuentra enrollado al rededor de un eje imaginario, formando una hélice hueca. Los radicales quedan sobresaliendo hacia fuera del esqueleto quedando dispuestos perpendicularmente al eje de la hélice.Dependiendo del volumen de los Aa, esta estructura será mas o menos estable.

Los principales parámetros de esta estructura son:• n: 3,6• h: 1,5 Å• p: 5,4 Å• Ψ : -47• Φ: - 57

Esta estructura presenta polaridad, puesto que tiene un extremo positivo (amino-terminal) y otro negativo (carboxilo-terminal)

Puentes:Esta estructura queda estabilizada por medio de puentes de hidrógeno intracatenarios . Estos puentes se establecen entre el átomo de nitrógeno electronegativo de un enlace peptídico y el de oxígeno carboxílico electronegativo del cuarto Aa que se encuentra al lado del amino-terminal con respecto al mismo.En cada vuelta sucesiva de la hélice α se establecen tres o cuatro puentes de hidrógeno.

Desestabilización de la proteína.La desestabilización de esta proteína puede estar provocada por varios factores:

– Tipo de Aa : la prolina no puede formar parte de los puentes de hidrógeno, puesto que su anillopirrolidino no permite que el hidrógeno pueda unirse a otros átomos electronegativos, disminuyendo la estabilización de la hélice, debido al anillo que forma su nitrógeno del carbono alfa.

– Tendencia de los Aa de formar parte de la estructura secundaria: no todos los Aa tienen la mismafacilidad para formar parte de las distintas estructuras, sino que cada uno tiene tendencia a estar presente en una en concreto.

– Interacciones electrostáticas entre los extremos de la cadena: si se enfrentan dos radicales con lamisma carga entre ellos, se darán interacciones de repulsión electrostática.

– Volumen de los radicales adyacentes: si los Aa adyacentes son muy voluminosos, se puedenproducir impedimentos estéricos.

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– Volumen de los Aa residuales cada 3,6 residuos: si son muy voluminosos no se pueden acomodar en la estructura de la proteína, dando lugar a impedimentos estéricos.

Conformaciones de la hélice.Esta conformación puede estructurarse de distinta manera dependiendo de si los giros que presenta se producen hacia la derecha o hacia la izquierda. La estructura predominante será aquella en la que se dan los giros a la derecha ( psi (+) y fi (-) )

• Dextrógiras: este es el giro presente en todas las proteínas. El El giro se produce hacia la derecha y es la estructura descrita hasta ahora.

• Levógiras: en esta disposición, las cadenas quedan hacia el interior, por lo que son poco frecuentes y es difícil de encontrar, al no ser que se produzca de manera artificial.

Presencia de la estructura.La hélice dextrógira predomina en las proteínas globulares y también en las fibrosas (función estructural).Las características que tienen estas proteínas son:

– poco solubles en agua: en las proeínas fibrosas debe haber regiones intracelulares de tipo hidrofóbico por lo que hay secuencias de Aa repetitivas que permiten que los radicales hidrofóbicos se unan mediante enlaces hidrofóbicos entre sí.Un ejemplo es el pelo, formado por dos cadenas α- hélice enrolladas entre sí en sentido levógiro que dan lugar a una gran estabilidad, forman unas protofibrillas unidas por medio de puentes de disulfuro, responsables de la diferente flexibilidad de la queratina.

En las proteínas fibrilares se presenta interacciones hidrofóbicas y en las fibrosas también encontramos puentes de disulfuro.

Lámina β Esta es una estructura en zig-zag que se encuentra mas extendida que la anterior y en la que las cadenas polipeptídicas se disponen de manera adyacente formando una estructura que se parece a una serie de plieges (las cadenas giran 180 grados).

Se caracteriza por los siguientes parámetros.• n: 2• h: 3,5• p: 7• Ψ : -139 o -119• Φ: +135 o +113

En esta estructura unos radicales quedan dispuestos hacia arriba y otros hacia abajo. A la hora de unirse las dos cadenas es muy importante el volumen de estos radicales, pues si tienen unos radicales muy voluminosos enfrentados en el mismo lado se puede producir un impedimento estérico.

Conformaciones:Esta estructura se puede presentar de dos maneras, según cual sea la disposición de sus radicales.

• Paralelas: los Aa tienen la misma orientación amino-carboxílico, es decir, se orientan hacia el mismo sentido.

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• Antiparalelas: los Aa tienen distinta orientación amino-carbixílico, es decir, se orientan hacia el sentido contrario.

De estas dos, la mas estable es la antiparalela.

Puentes:Estas proteínas presentan puentes de hidrógeno intercatenarios, estos puentes se forman entre los radicales, pero deben encontrarse a unas distancias determinadas. De esta manera, cuando hay muchas cadenas β alineadas se forman entre ellas los puentes.

• Cuando son paralelas se forman puentes de hidrógeno oblicuos, por tanto son de menor fuerza y la estructura es mas inestable.

• Cuando son antiparalelas, los puentes de hidrógeno son mas direccionales, por lo que la unión es mas fuerte y la estabilidad de la estructura mayor.

Presencia de la estructura.Esta estructura está presente en las proteínas globulares como las inmunoglobulinas y en las proteínas estructurales (β- queratinas).

Un ejemplo es la fibroina de la seda, cuyos radicales son pequeños por el predominio de la Gly y de la Ala,ya que son los que poseen los grupos radicales mas pequeños ( cuando dos o mas hojas beta se encuentran densamente empaquetadas en una proteína, los grupos R de los residuos de los Aa de la superficies de contacto deben ser relativamente pequeños). Las cadenas pueden aproximarse entre sí y formar puentes de hidrógeno intercatenarios.

Desestructuración de las estructuras secundarias.• Giros β o inversos: Estos conectan los extremos adyacentes de dos

segmentos de hojas β antiparalelas y son muy frecuentes.Lo que hacen estos giros es cambiar el sentido de la hoja y son muy frecuentes en las proteínas globulares. En este giro intervienen 4 Aa y se estabilizan por medio de puentes de hidrógeno intracatenarios entre el 1º Aa que forma el giro y el 4º Aa que se encuentra formando parte de la cadena polipeptídica. Por tanto, constituyen unas interrupciones bruscas de la cadena secundaria.

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Dependiendo de la presencia de la prolina podemos distinguir varios tipos de giros:• I: no existe Pro en la posición 3• II: Presenta Gly en posición 2 y frecuentemente Pro en posición 3.Estos se encuentran en la superficie de la proteína, su unidad repetitiva forma parte de la estructura secundaria.

• Bucles: Son estructuras en α-hélice o lámina β que se unen entre símediante una sere de Aa(bucles). Estos Aa forman un anillo cilíndricoque está definido estructuralmente pero no se adapta a ningunadisposición. Estos bucles también están en la superfice de la proteína.Ejemplo:inmunoglobulina.

Estructura del colágeno.El colágeno es una proteína fibrosa con función estructural en el organismo. Es una de las más abundantes del organismo, constituyendo el 25% del total proteico y estando presente en el tejido conjuntivo (huesos, tendones, cartílagos, córnea..).

Al microscopio se observa una alternancia de fibras claras (zona de inserción) y oscuras (zonas proteicas) debido a que se encuentra formada por unas moléculas ordenadas (tropocolágeno) que constituyen su unidad fundamental.Se puede disponer tridimensionalmente de distintas formas y su estructura secuncaria suele coincidir con la estructura terciaria. El colágeno es disgregado por la colagenasa y por tanto también las células que lo contienen.

El tropocolágeno es el percursor de la molécula de colágeno. Está formado por una triple hélice y cada una tiene una característica: son levógiras. Cada una tiene unos 1000 Aa y 1/3 aproximadamente es glicina; también existe mucha prolina, lisina y derivados hidroxilados de prolina y lisina (hidroxilisina e hidroxiprolina). No contienen cisteína, por lo que no hay puentes disulfuro. Tampoco tiene puentes de hidrógeno intracatenarios.

La gran cantidad de prolina y glicina explica la estabilidad de la hélice simple del colágeno y del tropocolágeno.

Prolina: da estabilidad a la hélice de colágeno ya que no le permite girar tan libremente como otros aminoácidos. Esta constituye ¼ del total

Glicina: Existe mucha glicina porque en la vuelta de hélice, el radical queda en el interior. El hueco que queda entre las tres cadenas que forman el colágeno es el justo para que quepa el radical de la glicina. Esto ocurre cada 3 aminoácidos; y da estabilidad a la molécula. Esta constituye 1/3 del total.

Hidroxilisina e hidroxiprolina: constituyen ¼ del total.

Las enzimas que hidrolizan los Aa son las lisilhidroxilasa y la prolihidroxilasa, que necesian vitamina C, la falta de ésta hace que la persona padezca escorbuto (encías hinchadas, fragilidad en la piel y huesos). Las cadenas α se diferencian en la cantidad de éstas.

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La hélice simple del colágeno es muy extendida, tiene un alto paso de rosca, por lo que los Aa adyacentes están muy alejados. Tres hélices simples (cadenas α, que son levógiras) forman el tropocolágeno, que se estabiliza además por puentes de hidrógeno intercatenarios que hace que sea muy estable y le da al colágeno su gran fuerza. Las tres hélices simples se unen entre sí de forma dextrógira aunque son levógiras en sus formas simples.

Puentes tropocolágeno

Los tipos de colágeno se diferencian por los puentes cruzados de la estructura terciaria. Es una glicoproteína, por lo que se puede glicosilar y el grado de glicosilación confiere los tipos del colágeno.

alisina + alisina: derivado de la lisina que se forma cuando la lisina pierde el grupo amino del radical. Dos moléculas se unen por condensación aldólica (se forma el puente covalente y se pierde una molécula de agua).

alisina + lisina: también se pierde una molécula de agua. Se realiza a través de intermediarios, las bases de Schiff. Se une el grupo aldehído a un grupo amino, obteniéndose deshidrolisinaleucina (compuesto intermedio); se reduce el doble enlace de la base de Schiff, lo que da lisilnorleucina, un estereoisómero de la leucina.

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Cadenas α del colágeno:Estas son tres hélices levógiras que se unen entre sí para formar una hélice dextrógira.Las características que presentan son las siguienes:

• n : 3• h: 3,1• p:9,4• Ψ : +153• Φ; -51

Cada 4 residuos aparece una Gly con el radical hacia el interior, permitiendo que se unan las 3 cadenas α para formar la molécula de tropocolágeno.La secuencia de Aa del colágeno corresponde generalmente a la repetición de un tripéptido de tipoo Gly-X-Y (Donde a menudo X es Pro e Y, 4 Hyp).Solo los residuos de Gly pueden acomodarse en las estrechas uniones entre las cadenas α individuales.

Puentes colágeno.Esta hélice presentará puentes de hidrógeno intercatenarios que la mantienen estable, sin embargo, no presenta puentes de hidrógeno intracatenarios, ya que no hay residuos de Pro( no participan de los puentes de hidrógeno y la distancia entre las Gly es tan grande que no permite la formación de puentes de hidrógeno). Por tanto, podemos decir que lo que le confiere estabilidad a la molécula de colágeno son dos factores:

– Estructura secundaria individualmente.– Unión intercatenaria por puentes de hidrógeno de las cadenas.

Síntesis del colágeno:El colágeno va a sufrir procesos de modificación postraducional. La proteína naciente tiene una señal de terminación que indica que es de secreción, por lo que no se queda en el citosol, sino que va al interior del Rer. Dentro sufre las primeras modificaciones (hidroxilaciones mediante la prolilhidroxilasa / lisilhidroxilasa). Cuando se libera, es glicosilada mediante las enzimas glicosidasas, (la N-glicosidasa o la O-glicosidasa) que glicosilan restos de galactosa. Este proceso tiene lugar en el AG, donde son trasladadas mediante vesículas.

Cuando se sintetizan las cadenas y se modifican, se produce la unión de 3 hélices simples de procolágeno para formar un preprocolágeno o protoprecolágeno (posee una longitud mayor a la del colágeno). Estas moléculas trans se van a formar en el Aparato de Golgi. Cuando se liberan, sus grupos amino y carboxilo terminal están plagados de restos de cisteina, lo que nos dice que ahí se pueden formar enlaces disulfuro.

Cuando estas moléculas van al medio extracelular, las enzimas aminopeptidasas y carboxilpeptidasas rompen los extremos del tropocolágeno (amino y carboxilo terminal), cuando esto ha ocurrido, el tropocolágeno saldrá a la matriz extracelular donde se une para formar el colágeno, donde se produce la formación de los puentes cruzados para formar el colágeno. La formación de enlaces de alisina tiene lugar en el espacio extracelular. El protropocolágeno puede tener cisteína, pero que se cortan y no aparecen en el

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colágeno. Existen varios tipos distintos de colágeno, que desempeñan distintas funciones estructurales, formados por distintas cadenas α que forman mas de 20 moléculas de colágeno. Estos se diferencian en los tipos de Aa que lo forman.

– Fibrilar: En piel y tendones, Tiene poca hidroxilisina, por lo que su glicosilación es baja.– Mallas: esta en la membrana basal y en el riñón. Tiene mucha hidroxilisina por lo que su

glicosilación es alta.

Elastina:Es otra proteína imporante que se encarga de mantener la distensión de los vasos (envuelve la pared de los vasos, es extracelular), también la encontramos en los alveolos.Tiene una estructura en “ovillo estadístico”,en el que no presenta estructura secundaria pero si terciaria.Se caracteriza por tener una gran cantidad de Lys, Pro e hidroxiprolina, carece de hidroxilisina por lo que no se va a glicosilar. En ella, la Lys se unen por medio de enlaces covalentes (Desmosina, formada por cinco moléculas de Lys). Los puentes presentes permiten que se pueda expandir o contraer, por lo que tiene una estructura al azar.

α- queratinasLa hélice de α-queratina es la misma hélice α dextrógira que se observa en muchas proteínas. Las hélices α de la qeratina estaban dispuestas formando una superhélice donde dos hebras orientandas en paralelo se enrollan una sobre a otra formando un enrollamiento superhelicoidal.Este enrollamiento es levógiro, en sentido opuesto al de la hélice α. La superficie donde las dos hélices entran en contacto está formada por residuos de Aa hidrofóbicos cuyos grupos R se unen entre ellos formando un patrón de entrecruzamiento regular, estas cadenas son ricas en ciertos residuos hidrofóbicos. Los entrecruzamientos que estabilizan esta estructura son los enlaces disulfuro.

Las características principales de estas estructuras son:Estructura Características Ejemplos

Hélice α entrecruzada mediante enlaces disulfuro

Estructuras protectoras insolubles y resistentes de dureza y flexibilidad variables

α- queratina de cabello, plumas y uñas

Conformación β Filamentos suaves y flexibles Fibroína de la seda

Triple hélice de colágeno Elevada resisencia a la tensión, sin capacidad de estiramiento

Colágeno de los tendones, matriz ósea

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Estructura terciaria.Es la posición tridimensional global de todos los átomos en una proteína, es decir, esta estructura hace referencia a la relación que existe entre los Aa alejados en la estructura primaria.Atendiendo a esta estructura podemos clasificar las proteínas en dos grupos:

– Proteínas fibrosas:– Constan mayoritariamente de un único tipo de estructura secundaria y su estructura terciaria es

relativamente simple.– Las estructuras que forman dan soporte, forma y protección externa.– Son insolubles en agua (debido a la elevada concentración de residuos de Aa hidrofóbicos en el

interior y la superficie.– Simplicidad estructural– Ejm: α-queratinas, colágeno, fibroína de la seda

– Proteínas globulares:– Contienen a menudo varios tipos de estructura secundaria.– Son enzimas y proteínas reguladoras.– Solubles en agua.– Gran diversidad estructural (se debe a los plegamientos).– Ejm: enzimas, proteínas de transporte, proeínas motoras, porteínas reguladoras,

inmunoglobulinas.

Patrones o elementos estructurales.Los patrones de plegamiento que nos permiten comprender la estructura tridimensional completa se definen con dos términos:

• Motivos estructurales, estrucutra supersecundaria o plegamiento: Este plegamiento incluye launión de varias estructuras secundarias. Entre los distintos motivos estructurales tenemos los siguientes:• Horquilla β: es la unión de dos hojas β entre sí.• Llave griega: 4 hojas β en sentido antiparalelo.• Meandro β: hojas β antiparalelas, cuyas uniones son mas cercanas.• Lazo β-α-β: 2 láminas β conectadas por una estructura en α hélice.• Lazo psi: 3 láminas β y una α hélice.

• Dominio estructural: son regiones de la proteína definidas desde el punto de vista estructural y quetambién realizan una función. ( parte de una cadena polipeptídica que es estable de maneraindependiente y puede moverse con una entidad única respecto al resto de la cadena)

En las globulares hay mucha relación entre aminoácidos muy alejados en la cadena, por el plegamiento. En cambio en las fibrosas hay escasa relación, de ahí la estructura simple y alargada.

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Plegamiento de las proteínas.En la estructura terciaria existen interacciones frecuentes que permiten su mantenimiento. Estas interacciones mantienen estable la conformación activa de las proteínas y pueden ser fuertes o débiles.Fuertes:

– Puentes disulfuro intracatenarios.Débiles

– Puentes de hidrógeno: entre el grupo hidroxilo y oxígeno del e. peptídico, grupo amino y grupocarboxilo de dos Aa.

– Fuerzas de Van der Waals entre aminoácidos cercanos.– Hidrofóbicas: entre Aa apolares– Interacciones elestrostáticas entre Aa con cargas opuestas– Catión-π: Entre aminoácidos cargados negativamente y un radical π (se establece normalmente en

dobles enlaces que generalmente está en los anillos.) (Ejm: enlace entre la carga + de la Arg y loselectrones que giran alrededor del Thp).

Estructura cuaternaria.La estructura cuaternaria surge por las interacciones de distintas cadenas polipeptídicas que se asocian para formar complejos supramoleculares.Los monómeros que se unen pueden ser iguales ( actina G para forman actina F), aunque lo mas frecuente es que sean diferentes (hemoglobina formada por cuatro subunidades diferentes).

Uniones.Los monómeros se unen por medio de interacciones elestrostáticas Y enlaces de tipo covalente.

Simetría de las estructuras cuaternarias.Cuando se estudia la estructura cuaternaria, lo que realmente se tiene en cuenta es la simetría con la que se unen las subunidades. Las simetrías que se presentan en esta estructura son varias:

• Simetría C3 : es un tipo de simetría cíclica, en la que 3 subunidades se pueden superponer medianterotación alrededor de un único eje.

• Simetría helicoidal: Se pueden superponer unas subunidades individuales a las otras mediante larotación helicoidal.

• Simetría cúbica• Simetría icosaédrica: Es una simetría rotatoria mas compleja.

La simetría c3 y las simetrías cúbicas e icosaedrica son simetrías rotatorias , se disponen alrededor de un eje . La simetría helicoidal dispone una hélice alrededor de un eje, pero es un grupo diferente al rotatorio.

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Desnaturalización de las proteínas.

La pérdida de la estructura tridimensional suficiente para originar la pérdida de la función es lo que conocemos como desnaturalización de la proteína. Dependiendo de la intensidad de la misma puede ser:

– Reversible: cuando se quita el agente desnaturalizante la proteína vuelve a su conformación inicial.– Irreversible: Cuando cesa el agente desnaturalizante la proteína no vuelve a su conformación inicial.

Un agente caotrópico es cualquier agente que actúa como desnaturalizador. Un ejemplo de esto pueden ser los detergentes.Entre los distintos agentes que pueden provocar la desnaturalización podemos encontrar aquellos responsables de la ruptura de los puentes de hidrógeno. Entre ellos tenemos la temperatura y el pH. De esta manera, cuando se rompen 3 o 4 puentes de hidrógeno la proteína se desnaturaliza, pues aunque hablemos de la desaparición de fuerzas débiles, hay que tener en cuenta que éstas tienen un papel muy importante en el mantenimiento de la estructura.

Plegamiento de las proteínas.

La secuencia determina la conformación.Anfinsen hizo un experimento que permitió comprobar que la estructura primaria es la que lleva la información para la función del plegamiento, es decir, que esta estructura es la que dirigirá el plegamiento que da lugar a la estructura tridimensional.

En este experimento utilizó la ribonucleasa, una enzima que tiene cuatro puentes disulfuro estabilizando la estructura terciaria.Lo que hizo fue ponerla en presencia de agentes reductores de puentes de disulfuro(β- mercaeptoetanos) en urea 8M. Esto hace que la proteína se despliegue y los puentes de disulfuro se rompan, obteniéndose así una cadena polipeptídica completamente reducida y desprovista de actividad enzimática.

Tras esto, se observó que si se quita solamente el agente químico, la estructura de la proteína adquiere una conformación diferente, variando su función biológica.Si se quita solamente la úrea, se producen interacciones hidrofóbicas en otros lugares y no se forman los puentes disulfuros, por lo que tampoco se adquiere la conformación nativa o biológica.

Sin embargo, se observó que si se quitaban los dos agentes desnaturalizantes, la ribonucleasa recuperaba su estructura nativa, plegándose exactamente igual que como estaba originalmente.

Esto no ocurre en todas las proteínas, pues algunas necesitarán la presencia de chaperonas o chaperoninas, que colaborarán en su plegamiento (plegamiento asistido).

Normalmente, las proteínas no tienden a plegarse ya que las fuerzas se oponen a su plegamiento, sin embargo, en disolución si se pueden plegar de forma espontánea haciendo que los radicales hidrofóbicos queden orientados hacia el interior y los hidrofílicos hacia el exterior.Por tanto, en disolución acuosa este proceso es termodinámicamente espontáneo, pues al ordenarse la proteína aumenta el desorden de las moléculas de agua en las que está inmersa, adquiriendo la proteína un mínimo de energía libre.

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El plegamiento es cooperativo.

Este plegamiento no ocurre al azar, sino que es espontáneo, coordinado y brusco. Podríamos decir que es un proceso de “todo o nada” que se produce por una transición cooperativa. Así, las condiciones que producen la desestabilización de cualquier parte de la estructura proteica probablemente desenredan completamente la proteína.

Si tenemos el contenido de una disolución proteica en condiciones que corresponden al punto medio de transición plegada y desplegada y analizamos el estado de las proteínas observamos que la disolución contiene la mitad de las proteínas completamente plegadas y la otra mitad completamente desplegadas y no una mezcla del 100% de las proteínas a medio camino entre el plegamiento y el desplegamiento.

Esto demuestra que el plegamiento es coordinado, sin embargo, éste hecho no indica que sea un proceso rápido, solamente puede indicarnos la brusquedad con la que se produce la desnaturalización.

Velocidad del plegamiento.

El plegamiento de las proteínas es un proceso que ocurre a una gran velocidad, para explicar este hecho a priori podríamos pensar que durante el plegamiento se intentan todas las combinaciones posibles hasta hallar la mas favorable energéticamente, sin embargo, se trataría de un proceso inviable, ya que para la formación de una proteína se podrían tardar hasta 1,6·1027 años. A esta enorme paradoja entre los tiempos calculados y los reales para el plegamiento se la conoce como la paradoja de Levinthal.

La solución a este problema era la selección acumulativa , la cual quedaba explicada por Richar Dawkins en su obra “el relojero ciego” donde se preguntaba cuanto tardaría un mono tecleando al azar en una máquina de escribir para reproducir el comentario de Hamlet a Poloniuos “Pensaría que es como una comadreja”.

En este caso, se requería un gran número de pulsaciones si cada vez que ponía una letra mal tiene que volver a intentar acertar la frase completa, sin embargo, si se guardaban los caracteres correctos, se necesitarían muchas menos pulsaciones medías.

Pues bien, el sistema del plegamiento de las proteínas es algo similar a esto, de manera que la esencia del plegamiento proteico es la retención de los intermediarios parcialmente correctos. De esta manera, en el plegamiento, las proteínas se irán plegando y cuando se han plegado y es estable, éste puente de la molécula no se vuelve a desplegar. (modelo de encauzamiento).

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Mecanismo de plegamiento.

Cuando la proteína está desplegada, se encuentra en la parte superior del centro de nucleación ( energía libre muy grande y soporte muy grande) se forman estructuras secundarias en los lugares preferentes de nucleación.

Cuando la proteína se encuentra totalmente desordenada, aparecen unos lugares de nucleación por los que se pliegan las proteínas, y al plegarse por varios sitios reducen el tiempo de plegamiento.Algunas proteínas pueden plegarse de forma errónea (pocillos) y como esa forma es energéticamente mas favorable que la desplegada para salir de este pocillo debe vencer una energía determinada, lo cual no ocurre prácticamente nunca.La proteína continúa su plegado hasta llegar al estado de glóbulo fundido, en el cual tiene la menor energía libre. Tras este plegamiento, los lugares de nucleación se mantienen.

Este proceso permite explicar la rapidez del plegamiento de las proteinas.

Representación termodinámica.

Si representamos el plegamiento de una proteína termodinámicamente, podemos obtener un esquema en forma de embudo.

En la parte superior, el numero de conformaciones es grande, así como la entropía conformacional. Sólo estarán presentes una pequeña fracción de las interacciones intramoleculares que existirán en la conformación nativa. A medida que el plegamiento avanza, la ruta termodinámica hacia la parte inferior del embudo reduce el número de estados presentes, disminuyendo la energía libre y aumentando la cantidad de proteínas en la conformación nativa.

Las depresiones en los laterales del embudo representan intermediarios de plegamiento semiestables, los cuales en algunos casos pueden enlentecer el proceso de plegamiento.

Pocillo

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Plegamiento asistido de proteínas

No todas las proteínas se pliegan espontáneamente a medida que se sintetizan en la célula, a

pesar de que en su estructura primaria contiene la información para el correcto plegamiento

de la misma.

Para muchas proteínas el plegamiento está facilitado por la acción de proteínas especializadas.

Estas proteínas que facilitan el correcto plegamiento de otras son la proteína disulfuro

isomerasa, peptido cis-trans prolil-isomerasa y las chaperonas moleculares

Péptido cis-trans prolili-isomerasa: Se encarga de la interconversión de los enlaces

peptídicos cis y trans de la prolina.

Proteína disulfuro isomerasa: Cataliza el intercambio o la mezcla de puentes

disulfuros hasta que se forman los enlaces de la estructura nativa. También se encarga

de aquellos que no se han formado correctamente.

Chaperonas moleculares: Son proteínas que interaccionan con polipéptidos parcial o

incorrectamente plegados, facilitando rutas de plegamiento correctas o aportando

microentornos en los que pueda tener lugar el plegamiento. En general son proteínasde choque térmico y hay de muchos tipos.

Chaperonas o chaperoninas

Las chaperonas se descubrieron como proteínas de

choque térmico, o heat shock proteins. Estas proteínas

se inducen rápidamente cuando se somete a las

células a un estrés térmico.

Existen diferentes tipos de familias de chaperonas: hsp50, hsp60 (chaperoninas), hsp70; calnexina/

calreticulina; nucleoplasmina... Como antes mencionamos, ayudan al plegamiento y consumen

energía (ATP).

Los más estudiados son las groES-groEL (groEs es de la familia de las hsp60) de los procariotas; que interviene en el plegamiento de proteínas en e.coli. Están formados por 3 anillos con 7

proteínas cada una; los dos mayores son groEL, y el tercero es groES (caperuza).

Si la chaperona no se uniera, es posible que la proteína se plegara de forma incorrecta (evitan que caiga en un “pocillo energético”) y sería muy difícil sacarla del “pocillo”. Para evitar que suceda esto, los residuos hidrofóbicos se bloquean con una chaperona y cuando se sintetiza totalmente la proteína estos se desprenden permitiendo el plegamiento. Aparte de gastos energéticos de la formación de la proteína también se gasta energía para la unión de chaperonas.

Hay veces en que la cadena polipeptídica va plegándose poco a poco con su síntesis, dando lugar a su proteína nativa. Otras proteínas que sufren el plegamiento después de la síntesis (proteína entera). Durante este tránsito, los radicales hidrófobos quedan en el exterior, por ello necesitan proteínas que los enmascaren, evitando su contacto con el agua y por tanto un incorrecto plegamiento.

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Si la chaperona no se uniera, es posible que la proteína se plegara de forma incorrecta (evitan que caiga en un “pocillo energético”) y sería muy difícil sacarla del “pocillo”. Para evitar que suceda esto, los residuos hidrofóbicos se bloquean con una chaperona y cuando se sintetiza totalmente la proteína estos se desprenden permitiendo el plegamiento. Aparte de gastos energéticos de la formación de la proteína también se gasta energía para la unión de chaperonas.

La proteína entra dentro de un hueco o cavidad hidrofóbica

de la chaperona. Una vez que la proteína ingresa en un

anillo, se encaja el casquete (gasto de energía). Como actúa

como una ATPasa (hidroliza ATP), se libera fosfato, y se

produce un cambio de conformación en el que los radicales

hidrofóbicos del interior, se hacen hidrofílicos. Es entonces cuando se produce el plegamiento,

se libera el casquete y sale la proteína. Para que la proteína se libere, debe de añadirse un ATP

a la zona interior.

Las chaperonas no modifican el plegamiento final sino que hacen el proceso mucho más fácil.

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