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(Arriba): La comparación de las secuencias de aminoácidos de las cadenas polipeptídicas (cadena α y cadena β) de la hemoglobina humana, y de la mioglobina (su única cadena polipeptídica) revela un fuerte grado de homología. Las cadenas α y β comparten 64 residuos iguales de sus aproximadamente 140 totales en cada una. La mioglobina y la cadena α de la hemoglobina tienen 38 identidades en la secuencia de aminoácidos. En consecuencia esta homología se ve reflejada en la estructura terciaria de estas proteínas. (Abajo): La duplicación de un gen ancestral de la globina propició la divergencia de la mioglobina y de los genes de una hemoglobina ancestral. Otro evento de duplicación genética dió origen a las formas α y β

ancestrales, tal como se indica en el árbol evolutivo. La duplicación genética es una importante fuerza evolutiva en la diversidad de los organismos vivos. Proteínas aparentemente diferentes pueden compartir un ancestro común. Un ejemplo notable de relación evolutiva se observa de la homología en las secuencias entre la lisozima de clara de huevo (a la derecha) y la α-lactoalbúmina (a la izquierda) de leche humana, proteínas éstas de diferente actividad

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biológica y origen. La lisozima (129 residuos) y la α-lactoalbúmina (123 residuos) son idénticas en 48 posiciones. La lisozima hidroliza los polisacáridos de la pared bacteriana, mientras que la α-lactoalbúmina regula la síntesis de la lactosa (azúcar de la leche) en la glándula mamaria.

Aunque ambas proteínas actúan en reacciones que implican carbohidratos, sus funciones muestran poca similitud. Sin embargo, sus estructuras terciarias son sorprendentemente similares, (como se aprecia en la figura). Es concebible que muchas proteínas estén relacionadas de esta forma, pero que el tiempo y el curso del cambio evolutivo han borrado otras evidencias de su ancestro común.

(a) Las proteínas que tienen papeles estructurales en las células son típicamente fibrosas y a menudo insolubles en agua, como el colágeno. (b) Las proteínas solubles operan en las funciones metabólicas y

pueden caracterizarse como moléculas globulares plegadas de forma compacta, tal como la mioglobina. El patrón de plegado en estas proteínas deja las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos hacia el interior y las de los aminoácidos hidrofílicos hacia el exterior, haciendo a la proteína

altamente soluble en agua. (c) Las proteínas de membrana se pliegan de tal manera que las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos quedan expuestas hacia la la bicapa lipídica de la membrana y las porciones hidrofílicas quedan expuestas hacia el entorno acuoso, como en las proteínas globulares.

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Los enlaces peptídicos son planos. En una pareja de aminoácidos unidos (un dipéptido), seis átomos (Cα , C , O , N , H y Cα ) permanecen en un mismo plano. Las cadenas laterales se muestran como esferas verdes. Esta preferencia geométrica se explica por la naturaleza del enlace químico del

péptido. El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace, lo que evita la rotación a su alrededor, por lo tanto el enlace peptídico es planar y rígido.

El enlace peptídico se describe como un híbrido de resonancia, es decir que el oxígeno carbonílico y el nitrógeno amida comparten parcialmente dos pares de electrones. El oxígeno tiene una carga parcial negativa y el nitrógeno positiva, formando un pequeño dipolo eléctrico.

Longitudes de enlace estándar en un enlace peptídico. El carácter parcial de doble enlace también se observa en la longitud del enlace entre los grupos CO y NH. La distancia C-N en un enlace peptídico es típicamente 1.32 Aº, que está entre los valores esperados para un enlace C-N sencillo (1.49 Aº)

y un enlace C=N doble (1.27 Aº), como se aprecia en esta figura. El enlace peptídico se muestra en su configuración trans característica.

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Enlaces peptídicos cis y trans. La forma trans está enormemente favorecida debido a los choques estéricos que se dan en la forma cis.

Si bien el enlace peptídico es plano y rígido y no existe posibilidad de rotación a su alrededor, los enlaces N-Cα y Cα-C si que permiten la rotación libre al ser enlaces sencillos. Cabe entonces la posibilidad de distintas conformaciones en torno a estos enlaces. Por ello se definen los llamados ángulos de conformación que se denominan con las letras griegas Ф (phi) para el enlace N-Cα y ψ (psi) para el enlace Cα-C.

Por convención se considera que los ángulos Ф y ψ tienen un valor de 0º cuando los enlaces peptídicos que flanquean un carbono alfa se encuentran en el mismo plano. Esta conformación no es accesible en una proteína, puesto que se produciría un solapamiento estérico entre un oxígeno carbonílico y el átomo de hidrógeno del grupo α-amino.

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Tres enlaces separan dos carbonos α consecutivos secuencialmente en una cadena polipeptídica. Los enlaces N-Cα y Cα-C pueden rotar, y sus ángulos de enlace se denominan Ф y ψ, respectivamente. Puede producirse rotación alrededor de dos de los tres tipos de enlaces existentes en una cadena polipeptídica. Los enlaces C-N de los grupos peptídicos planares (sombreados en azul), que suponen un tercio del total de los enlaces del esqueleto polipeptídico, no tienen libertad de rotación. Otros enlaces simples de la cadena principal pueden tener también impedida su rotación, dependiendo del tamaño de los grupos R (representados aquí en gris).

Si se llevan a una gráfica los valores de los ángulos de conformación observados en las proteínas, representando Ф en abcisas (eje x) y ψ en ordenadas (eje y), se obtiene una gráfica denominada representación de Ramachandran en honor a su descubridor. En esta representación se observa que los pares de valores de estos ángulos aparecen únicamente en unas pocas zonas permitidas. Existen zonas que representarían conformaciones donde las cadenas laterales (grupos R) de los aminoácidos sucesivos tenderían a ocupar las mismas zonas del espacio (lo que se llama impedimento estérico) y por ello no se observan pares de valores de ángulos de conformación en esta zona del diagrama. Pero aún así, los valores observados de los ángulos de conformación aparecen en zonas aún más pequeñas y restringidas que las que podría explicar el mero impedimento estérico. Esto se debe a que la cadena peptídica tiende a adoptar una conformación espacial que maximiza la formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos, el primero como aceptor y el segundo como dador de hidrógeno. La estructura que adopta la cadena peptídico en el espacio a través de la formación de estos enlaces recibe el nombre de estructura secundaria.

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Formación de un enlace (o puente) de hidrógeno entre el grupo NH y el CO de dos enlaces peptídicos adyacentes.

La α-hélice. Es una estructura en la cual la cadena peptídica se pliega en el espacio en forma helicoidal dextrógira (como un tornillo a derechas). (a) Formación de una hélice α dextógira. Los planos de los enlaces peptídicos rígidos son paralelos al eje longitudinal de la hélice. (b) Modelo de bolas y varillas en el que se muestran los enlaces de hidrógeno intracatenarios. La unidad repetitiva es una vuelta de la hélice, de 3.6 residuos. (c) La hélice α vista desde un extremo a lo largo del eje longitudinal. Obsérvense las posiciones de los grupos R, representados por esferas púrpuras. (d) Un modelo de esferas de van der Waals de la hélice α.

Esquema de puentes de hidrógeno para una α-hélice. En la α-hélice el grupo CO del

residuo n forma un puente de hidrógeno con el grupo NH del residuo n + 4 .

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Las principales características de la α-hélice son: - Una vuelta completa cada 3.6 residuos de aminoácido - Una traslación media por residuo de 0.15 nm - Un paso de rosca de 0.54 nm.

No todos los aminoácidos tienen igual facilidad para la formación de α-hélices. En particular la prolina es incapaz de formar parte de estas estructuras al ser un aminoácido que carece de grupo donador NH en los enlaces peptídicos en que participa. En las proteínas globulares suelen aparecer residuos de prolina al principio y al final de segmentos α-helicoidales. De hecho, la presencia de prolina produce una angulación de

aproximadamente 120º entre dos segmentos sucesivos de α-hélice. Esto confiere a la prolina un importante significado estructural, razón por la que nos encontramos muy frecuentemente a este aminoácido como invariante en las series filogenéticos de proteínas homólogas. Otro aminoácido que dificulta la formación de α-hélice es la glicina, debido al pequeño tamaño de su cadena lateral.

La α-hélice aparece tanto en las proteínas fibrosas como en las globulares. Entre las primeras, las α-queratinas (como el pelo y la lana) son estructuras en α-hélice superenrrollada. En otras proteínas fibrosas, como la miosina del músculo, la α-hélice es la estructura predominante. En las proteínas globulares, como por ejemplo en la mioglobina y en las subunidades de la hemoglobina, la cadena polipeptídica forma hasta un total de ocho α-hélices. Dado que el interior de la membrana es un medio hidrofóbico, no es extraño encontrar la estructura de α-hélice anfipática; las cadenas laterales de aminoácidos polares se disponen hacia un lado de la estructura y las de aminoácidos hidrofóbicos hacia el lado opuesto.

Diagrama de Ramachandran para las hélices. Tanto las hélices dextrógiras como las levógiras se encuentran en regiones de conformaciones permitidas en el diagrama, sin embargo, prácticamente todas las α-hélices de las proteínas son dextrógiras.

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Hoja plegada-β antiparalela. Pueden observarse los planos correspondientes a los enlaces peptídicos en las caras de la hoja plegada y los carbonos-α situados en los pliegues. En esa misma situación se ven las cadenas laterales (grupos R, en amarillo) que están dirigidas hacia el exterior de la hoja plegada β y se enfatiza el plegamiento de la hoja descrito por los planos de los enlaces peptídicos. También se muestran los enlaces por puente de hidrógeno (o enlaces de hidrógeno) entre cadenas adyacentes mediante líneas de puntos en rojo.

Cada cadena polipeptídica individual en la hoja plegada-β se denomina hebra- β.

Derecha: Hoja plegada-β paralela. Las hebras-β adyacentes transcurren en el mismo sentido. Los puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO conectan cada aminoácido de una hebra con dos

aminoácidos diferentes de la hebra opuesta. Izquierda arriba: hebra-β donde puede observarse que la cadena polipeptídica está en su conformación más extendida posible. En esta representación las cadenas laterales se representan en verde. En el enlace peptídico, en el grupo carbonilo el carbono (en negro) y el oxígeno (en rosa) y en el amino, el nitrógeno (en azul) y el hidrógeno (en blanco). Izquierda abajo: hoja plegada-β antiparalela. En la que la orientación amino-terminal –carbonilo-terminal de cada cadena polipeptídica adyacente es inversa (ver flechas amarillas) es decir, las hebras-β adyacentes transcurren en sentidos opuestos. Los puentes de hidrógeno se representan por líneas punteadas en verde. En este caso los puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO conectan cada aminoácido con un único aminoácido en la hebra opuesta estabilizando la estructura.

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Hoja plegada-β antiparalela con dos hebras, para poner de relieve su apariencia plegada. Las líneas discontinuas indican los enlaces de hidrógeno. Obsérvese como las cadenas laterales (grupos R, en ciruela) de las cadenas polipeptídicas se extienden alternativamente por los lados opuestos de la hoja. La hoja plegada-β paralela y la antiparalela tienen un período de repetición ligeramente distinto (distancia entre un carbono-α (n) y otro carbono-α (n+2) es más corto en la conformación paralela, 0.65 nm (6.5 Aº), en comparación con los 0.7 nm (7 Aº) de la antiparalela (este último valor se refleja en la figura adjunta). La distancia entre aminoácidos adyacentes en una hebra-β es aproximadamente 3.5 Aº, en contraste con la distancia de 1.5 Aº en una α-hélice. La hoja plegada utiliza la plena capacidad de formación de enlaces de hidrógeno del esqueleto polipeptídico (hebra-β), los enlaces de hidrógeno pueden establecerse en la misma cadena polipeptídica (misma hebra-β) o entre cadenas polipeptídicas vecinas (diferentes hebras-β).

Cada hebra-β se suele representar por una flecha que apunta hacia el extremo carboxilo terminal. Conexiones entre hebras-β adyacentes en hojas plegadas-β: (a) Conexión en horquilla entre hebras antiparalelas que se haltopológicamente en el plano de la hoja. (b) Conexión cruzada, hacia la derecha, entre hebras sucesivas de hojas- β paralelas. Casi todas las conexiones de cruce de lasproteínas tienen esta orientación. (c) Conexión cruzada hacia la izquierda entre hebras de hojas- paralelas. Las conexiones con esta orientación son raras.

Diagrama de Ramachandran para las hebras-β. El área roja muestra las conformaciones permitidas estéricamente para las estructuras extendidas, tipo hebra-β.

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Estructura de un giro β. Estos son elementos de conexión que unen tramos sucesivos de hélices-α o conformaciones β. Los giros β que conectan los extremos adyacentes de dos segmentos de hojas β antiparalelas son muy frecuentes. Esta estructura forma un giro cerrado (180º) en la que participan cuatro

residuos aminoácidos. Los giros β del tipo I y tipo II son los más comunes; el giro de tipo I aparece con una frecuencia superior al doble que el tipo II. El tercer residuo del giro β del tipo II siempre es una Gly. Obsérvese el enlace de hidrógeno entre los grupos peptídicos de los residuos primero y cuarto del giro. A menudo se encuentran residuos de Gly y Pro en los giros β. En la glicina se debe a que es un residuo pequeño y flexible, mientras que en la prolina es la facilidad con que los enlaces peptídicos en los que participa el nitógeno imino de la Pro adoptan la configuración cis, particularmente adecuada para la formación de un giro cerrado. Los giros se encuentran a menudo en la superficie de las proteínas, donde los grupos peptídicos de los dos residuos aminoácidos centrales en el giro (residuos aminoácidos hidrofílicos), pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua (Los residuos de aminoácidos individuales están marcados por grandes círculos azules.)

La proteína fibroína que se encuentra en la seda representa un tipo de proteína fibrosa (una β-queratina). Esta proteína está compuesta de hojas β antiparalelas apiladas, como se observa en la figura. La secuencia polipeptídica de las proteínas de la seda es rica en residuos de glicina que aparecen alternativamente. Todos los residuos de glicina aparecerán por un lado de la hoja y los otros residuos (principalmente

residuos de alanina y serina) se situarán sobre la superficie opuesta de la hoja. Pares de hojas β antiparalelas pueden entonces empaquetarse conjuntamente de forma compacta con una disposición entrelazada de las cadenas laterales (la superficie con las glicinas con la superficie de las glicinas o la superficie de las alaninas-serinas hacia la superficie de las alaninas-serinas). Las interacciones de van der Waals entre las hojas estabilizan también la estructura global. La seda no se estira, ya que la conformación β ya está altamente extendida. Sin embargo, la estructura es flexible debido a que las hojas se mantienen unidas mediante numerosas interacciones débiles.

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Frecuencia relativa de aparición de los residuos aminoácidos en α-helices, hojas plegadas β y giros β en proteínas de estructura conocida.

La seda se obtiene de los filamentos de los “gusanos de seda” (las larvas de la mariposa nocturna Bombyx mori y otras especies relacionadas. La fibroína, la proteína principal de la seda, está constituida por dos estructuras de hoja plegada antiparalelas ordenadas en numerosas capas superpuestas.

Las cadenas laterales poco voluminosas se hallan interdigitadas y permiten un empaquetamiento compacto entre cada una de las hojas superpuestas.

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Estructura del colágeno. (a) La cadena α del colágeno (no confundir con la hélice-α), tiene una estructura secundaria repetitiva que sólo se encuentra en esta proteína. La secuencia repetitiva tripeptídica Gly-X-Pro o Gly-X-Hyp adopta una estructura helicoidal levógira con tres residuos por vuelta. La secuencia repetitiva empleada para generar este modelo es Gly-Pro-Hyp. (b) Modelo de esferas de

la misma cadena α. (c) Tres de estas hélices (mostradas aquí en gris, azul claro y azul oscuro) se enrollan entre sí de forma dextrógira, formando una superhélice, a la que en ocasiones se denomina tropocolágeno. (d) La superhélice de tres cadenas del colágeno vista desde un extremo, en una representación de bolas y varillas. Los residuos de glicina se representan en rojo. La glicina es necesaria en el lugar en que las tres cadenas entran en contacto a causa de su pequeño tamaño. En esta ilustración las bolas no representan los radios de van der Waals de los átomos individuales. El centro de la superhélice de tres cadenas no está hueco como aquí aparece, sino que está firmemente empaquetado.

Secuencia típica de aminoácidos en el colágeno. La composición en aminoácidos del colágeno se aparta de lo que es normal en otras proteínas: Entre el 30-35 % del total de aminoácidos está constituido por glicina, caso un tanto anómalo si se considera que el contenido en Gly de proteínas como la hemoglobina no pasa del 6%. También posee un 11% de alanina y un 21 % de los residuos totales está constituido por prolina e hidroxiprolina. Este altísimo contenido en prolina dota al colágeno de propiedades estructurales únicas.

Las tres cadenas aparecen unidas entre sí por multitud de enlaces de hidrógeno establecidos entre el grupo –NH- correspondiente a glicina y el grupo –CO- de la prolina de otra cadena.

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Residuos hidroxilados que se encuentran típicamente en el colágeno. La prolina y la hidroxiprolina juntas comprenden hasta un 30% de los residuos aminoácidos del colágeno. Estos tres aminoácidos se forman de la prolina y la lisina normales después de que los polipéptidos del

colágeno se han sintetizado. La hidroxilación de los residuos de prolina está catalizada por la enzima prolil hidroxilasa. La enzima prolilhidroxilasa sólo actúa sobre residuos de prolina incorporados a una proteína en la que el aminoácido adyacente a la prolina del lado C sea precisamente glicina. La enzima no actúa sobre residuos aislados de prolina. Esta reacción requiere oxígeno molecular, α-cetoglutarato y ácido ascórbico (vitamina C) y es activada por Fe2+. El ácido ascórbico participa como agente correductor, de ahí que uno de los trastornos moleculares que aparecen en el escorbuto (enfermedad carencial producida por la deficiencia dietética en ácido ascórbico) sea un colágeno mal formado.

Un disacárido de galactosa y glucosa está unido covalentemente al grupo 5-hidroxilode las hidroxilisinas en el colágeno mediantla acción combinada de las enzimas galactosil- transferasa y glucosiltransferasa.

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Estructura tridimensional. El tropocolágeno o monómero de colágeno consta de tres cadenas polipeptídicas y tiene un peso molecular de 300 KDa, 3000 Aº de longitud y 15 Aº de grosor. Cada una de las tres cadenas polipétidicas consta de unos 1000 aminoácidos y presenta una disposición en el espacio más extendida que una α-hélice. Las principales características de esta hélice son:

3.3 residuos por vuelta , una traslación media por residuo de 0.29 nm (que es de 0.15 nm en la α-hélice) a lo largo del eje de la hélice y un paso de rosca de 0.9 nm (que es de 0.54 nm en la α-hélice)

Se trata de una hélice levógira (como un tornillo a izquierdas) muy diferente de la α-hélice, dado su altísimo contenido en prolina; de hecho, la disposición tridimensional de la cadena es similar a la que daría un péptido sintético de poli-L-prolina. Las tres cadenas helicoidales aparecen enrolladas entre sí de forma dextrógira formando una superhélice. Al ser el signo de arrollamiento de la superhélice contrario al de las hélices, la disposición resultante confiere una gran resistencia mecánica al conjunto (esta misma disposición es la que se da a los cables de acero).

Estructura de las fibrillas de colágeno. El monómero de colágeno (tropocolágeno) es una molécula en forma de vara, de 3000 Aº de longitud y 15 Aº de grosor. Sus tres cadenas α enrolladas pueden tener secuencias diferentes pero cada una tiene unos 1000 aminoácidos. Las fibrillas de colágeno se forman a partir de moléculas de colágeno (tropocolágeno) alineadas de manera escalonada y entrecruzadas para tener fuerza. El alineamiento específico y el grado de entrecruzamiento varían con el tejido y originan las estrías de las micrografías electrónicas. Aquí el alineamiento de los grupos de cabeza de cada cuatro moléculas produce estrías que distan 640 Aº.

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Dependiendo de la estructura primaria y otros factores como el grado de glicosilación, de hidroxilación y de la distribución en el organismo se reconocen cinco tipos distintos de colágeno, llamados I, II ,III, IV y V. Estos tipos se corresponden con cinco clases distintas de cadenas llamadas α1(I), α1(II), α1(III), α1(IV), α1(V). Las combinaciones de estas cadenas con la cadena llamada α2 da lugar a los cinco tipos citados de colágeno.

Las cadenas α de las moléculas de colágeno y las moléculas de colágeno (tropocolágeno) de las fibrillas están entrecruzadas por un tipo no habitual de enlace covalente que implica residuos de Lys (lisina), HyLys (hidroxilisina) o His (histidina). Estas uniones dan lugar a residuos aminoácidos no estándar tales como la deshidrohidroxilisina-norleucina. La rigidez y la fragilidad cada vez mayores del tejido conjuntivo en las personas de mayor edad son el resultado de la acumulación de entrecruzamientos covalentes en las fibrillas de colágeno a medida que envejecemos.

Niccolo Paganini, fue de una virtuosidad tan sobre-saliente que se rumoreaba que había establecido un pacto con el diablo.

Se conocen diversas alteraciones hereditarias, poco frecuentes, del colágeno. Unas pocas son consecuencia de la sustitución de un aminoácido en un polipéptido del colágeno que, presumiblemente rompe la hélice triple del colágeno o bien procede de la anulación de un segmento del polipéptido. La mayor parte de los desórdenes del colágeno, sin embargo, se caracteri- zan por deficiencias en la cantidad sintetizada de un tipo de colágeno o por actividades anormales de las enzimas que intervienen en las transfor- maciones del colágeno, tales como la lisilhidroxilasa o la lisiloxidasa. Un grupo de al menos 10 enfermedades de deficiencias del colágeno, los síndromes de Ehlers-Danlos, se caracterizan por la hiperextensibilidad de las articulaciones y de la piel. El “hombre de goma” de fama circense, padecía de un síndrome de Ehlers-Danlos. El síndrome de Marfan se manifiesta por síntomas semejantes. Niccolo Paganini, virtuoso violinista del siglo XIX, puede haber padecido (y aprovechado) este desorden. Las mutaciones en el colágeno del Tipo I, que constituye la principal proteína estructural en la mayor parte de los tejidos humanos, normalmente resultan en osteogénesis imperfecta (enfermedad de los huesos frágiles). La gravedad de esta enfermedad depende de la naturaleza y posición de la mutación: incluso el cambio de un solo aminoácido puede tener consecuencias letales.

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La estructura terciaria es la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína. Para las proteínas que constan de un solo polipéptido (esto es, las que no tienen estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se puede obtener sobre la misma. La estructura terciaria de una proteína globular es una disposición precisa y única en el espacio, mantenida por enlaces fuertes y débiles, y que surge al ser sintetizada la proteína. No se trata ni mucho menos de una disposición al azar, sino la determinada por una serie de condicionantes físico-químicos relacionados con sus aminoácidos integrantes. Según el modelo general de interacción estereoespecífica, la función de las proteínas depende de su capacidad para fijar un determinado ligando en forma estereoquímicamente complementaria. Es obvio que la fijación correcta del ligando específico depende de la orientación adecuada de los grupos químicos presentes en la superficie de la proteína. Por ello se habla de estructura “correcta” en el sentido de “estructura plenamente funcional”, también denominada estructura nativa de la proteína.

Representación esquemática de las interacciones estabilizadoras de las proteínas globulares. La frecuencia con la que ocurre cada tipo de interacción varía de una proteína a otra. Las estructuras en α-hélice, en hoja plegada β, los puentes disulfuro y los enlaces de coordinación de iones metálicos pueden estar totalmente ausentes o estar todos presentes, o pueden estar en cualquier combinación posible. Los otros tipos de interacciones (marcadas por un ·) se encuentran en todas las proteínas globulares.

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Estructura terciaria de la mioglobina de cachalote. La orientación es la misma en todas las figuras; el grupo hemo esta en rojo. (a) El esqueleto polipeptídico se muestra en una representación de cintas que permite identificar las regiones de estructura secundaria, que en este caso solo corresponden a las regiones en α-hélice de la mioglobina. No se muestran las cadenas laterales de los aminoácidos. (b) Un modelo espacial lleno con el grupo hemo prácticamente enterrado en la molécula. Se incluyen todas las cadenas laterales de los aminoácidos. (c) Una representación de cintas que incluye las cadenas laterales de los residuos hidrofóbicos Leu, Ile, Val, Phe (en color púrpura). (d) Un modelo espacial lleno con todas las cadenas laterales. La mayor parte de los residuos hidrofóbicos no son visibles.

• John Kendrew y colaboradores revelaron su estructura terciaria mediante estudios de difracción de rayos X.

• Proteína fijadora de O2 en células musculares, relativamente pequeña ( Mr 16.700) y con una sola cadena polipeptídica.

• Posee un grupo prostético hemo (protoporfirina) al que se une un átomo de hierro en estado ferroso (Fe2+).

• Molécula muy compacta (4.5 x 3.5 x 2.5 nm), con muy poco espacio interno. • Sus residuos aminoácidos están aproximadamente en un 75 % en α-hélice, el

esqueleto estructural de la mioglobina está formado por ocho segmentos relativamente rectos de α-hélice.

• Cuatro de las hélices terminan con un residuo de prolina (aminoácido incompatible con la α-hélice). Otros giros contienen residuos de Ser, Thr y Asn, incompatibles con α-hélice si se encuentran muy próximos entre ellos.

• Interior y exterior bien definidos. Hacia el interior los residuos aminoácidos no polares, evitando el contacto con el agua. Todos los grupos R polares, excepto dos (dos histidinas con un importante papel estructural), se encuentran en la superficie de la molécula, y todos ellos están hidratados.

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El grupo hemo planar está situado en una hendidura o bolsillo de la molécula de mioglobina. El átomo de hierro del centro del grupo hemo tiene dos posiciones de enlace (de coordinación) perpendiculares al plano formado por el

propio grupo. En una de estas posiciones se une a la cadena lateral de un residuo de His en posición 93 (His F8, histidina proximal); la otra posición está ocupada por una molécula de O2 cuando éste se encuentra unido a la proteína. La accesibilidad del grupo hemo al solvente está muy restringida en el interior de este bolsillo. Este hecho es muy importante para la función, puesto que los grupos hemo libres en una disolución oxigenada se oxidan rápidamente, pasando de la forma ferrosa (Fe2+), activa en la unión reversible de O2, a la forma férrica (Fe3+), que no es capaz de fijar O2.

Estructuras tridimensionales de tres proteínas pequeñas: citocromo c, lisozima y ribonucleasa. En los casos de lisozima y ribonucleasa, el centro activo del enzima está dirigido hacia el lector. Los grupos funcionales clave (hemo en citocromo y cadenas laterales en el centro activo de lisozima y ribonucleasa) se muestran en rojo. Observar las diferencias estructurales con la mioglobina.

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Detalle del entorno hidrofóbico que rodea al grupo prostético (grupo hemo) de la mioglobina, en el interior de la cadena polipeptídica plegada. Se observan los dos residuos hidrofílicos que juegan un papel esencial en la fijación de O2 por esta proteína: Se trata de dos residuos de histidina, la histidina proximal o histidina F8 (residuo que ocupa el octavo lugar dentro de la hélice F) o residuo 93 si se comienza a contar desde el residuo que ocupa el extremo amino terminal (principio de la cadena polipeptídica). A este residuo se une el hierro en estado ferroso (Fe2+) en su 5ª posición de enlace (de coordinación). En la 6ª posición de enlace de coordinación del Fe2+ se sitúa el O2

cuando se une a la molécula de mioglobina. La histidina distal o histidina E7, es la que ocupa el séptimo lugar dentro de la hélice E, no se une al hierro, sino que al ocupar esta posición cercana al grupo hemo provoca que el enlace del O2 con el Fe2+ se produzca con una cierta angulación (el ángulo que se forma entre el oxígeno y el plano del hemo es de 120º). Esto producirá que el monóxido de carbono, que tendría mayor afinidad para unirse al Fe2+ que el propio O2 tiene disminuida su capacidad de fijación debido a este impedimento estérico que provoca la histidina distal que no le deja fijarse perpendicularmente como sería la orientación idónea para el CO.

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Restricciones físico químicas a que está sometido el plegamiento de los polipéptidos (Observar cuadro de patrones de plegamiento estables de proteínas). 1.- Las interacciones hidrofóbicas aportan una gran contribución a la estabilidad de las estructuras de las proteínas. Las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos sepultados, normalmente en el interior de la proteína plegada para evitar el contacto con el agua, necesitan como mínimo dos capas de estructura secundaria. 2.- Generalmente, cuando coinciden simultáneamente en las proteínas, las α-hélices y las hojas-β se localizan en diferentes capas estructurales. 3.- Los segmentos polipeptídicos adyacentes en la secuencia primaria están normalmente apilados uno junto al otro en la estructura plegada. 4.- Las conexiones entre elementos de estructura secundaria no pueden cruzarse o formar nudos. 5.- La conformación β es más estable cuando los segmentos individuales están ligeramente torsionados en sentido dextrógiro. Esto influye tanto en la disposición relativa de las hojas β una en relación a otra, como en el camino de conexión del polipéptido entre ellas.

Construcción de dominios grandes a partir de otros más pequeños. El barril α/β es un motivo común construído a partir de repeticiones del motivo de lazo β-α-β más sencillo. Este barril α/β es un dominio del enzima piruvato quinasa de conejo.

La α-hemolisina, una proteína monomérica de la bacteria Staphylococcus aureus, que forma un poro heptamérico, de 100 Aº de longitud, con un diámetro que alcanza de 14 a 46 Aº. En esta estructura, cada monómero contribuye con dos hebras-β de 65 Aº de longitud que se conectan

mediante un giro en horquilla (giro-β). La estructura del interior del barril de 14 hebras-β es hidrofílico, y la superficie exterior es hidrofóbica. Los poros formados por la α-hemolisina en eritrocitos humanos, plaquetas y linfocitos permiten una entrada rápida de Ca2+ en estas células produciendo toxicidad.

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Motivos estructurales. Las estructuras supersecundarias, también denominadas motivos o simplemente plegamientos, son disposiciones muy estables de varios elementos de estructura secundaria, y las conexiones entre ellos. Entre los bioquímicos no existe un acuerdo universal sobre la aplicación de estos tres términos, y a menudo se utilizan indistintamente. Los motivos reconocidos van de simple a complejo y aparecen a menudo como unidades repetitivas o combinaciones. Un solo motivo grande puede englobar la proteína entera. A pesar de la extaordinaria variedad de estructuras a que pueden dar lugar teóricamente las proteínas, se van encontrando en todas ellas una serie de motivos estructurales que se repiten en fuentes biológicas extremadamente diversas y cuyo conocimiento facilita el análisis predictivo de las estructuras de orden superior. Pero además, la evolución filogenética del genoma implica muchas veces la duplicación del material genético, con el resultado de proteínas de estructura similar aunque su función puede poco a poco irse haciendo muy diferente.

Patrones de plegamiento estables en proteínas. (a) Dos motivos simples y abundantes que proporcionan dos capas de estructura secundaria. Las cadenas laterales de los aminoácidos en la interfase entre elementos de estructura secundaria están protegidos del agua. Obsérvese que las cadenas β en el lazo β-α-β tienden a girar dextrogiramente. (b) Conexiones entre cadenas β en capas de hojas β. Se muestran las hojas desde un extremo, no se ven las torsiones. Los conectores de un extremo (p. ej. cerca del observador) no se cruzan entre sí . (c) Debido a la torsión de las cadenas β, las conexiones entre cadenas son generalmente dextrógiras.

(d) Dos disposiciones de β estabilizadas por la tendencia de las cadenas a girar. El barril β es un solo dominio de la α-hemolisina de la bacteria Staphylococcus aureus. Las hojas β torsionadas son de un dominio de la fotoliasa de E. coli.

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Un motivo estructural muy frecuente en proteínas es la doble lámina β antiparalela como el , dominio VL de las inmunoglobulinas (representado arriba) y la concanavalina A, una proteína lectina (proteínas que fijan glúcidos con elevada afinidad y especificidad (mostrada a la derecha).

Estructura en barril α/β, en la triosa fosfato isomerasa. También se encuentra en el dominio 1 de la piruvato kinasa.

Triosa fosfato isomerasa vista lateral (izquierda) y vista de arriba (derecha). Los tramos en estructura β en este motivo estructural están conectado por α-hélices.

La silla de montar se articula también en torno a una lámina β paralela, pero en este caso la lámina no es plana, sino que tiene la forma de la superficie de una silla de montar.

Flavodoxina

Fosfoglicerato mutasa

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Un motivo muy frecuente basado en α-hélice es el de cuatro α-hélices empaquetadas, como en la miohemeritrina, proteína no hemo transportadora de O2 en ciertos gusanos y moluscos.

Miohemeritrina

Proteína de la cubierta del virus del mosaico

del tabaco

El dedo de zinc, presente en muchas proteínas con capacidad para interaccionar con el DNA, está relacionado con el reconocimiento del mismo, y no con la función de la proteína en particular.

Motivo hélice-vuelta-hélice (mostrado a la izqda.) también frecuente en proteínas que interaccionan funcionalmente con el DNA (p.e. activadores y represores en procariotas). Otro motivo relacionado con el DNA es la cremallera de leucina (mostrado a la derecha), que en la secuencia se traduce en la presencia del aminoácido leucina, espaciado de siete en siete aminoácidos, en zonas estructuradas en α-hélice, dando lugar a una interdigitación de las cadenas laterales de la misma al modo de una cremallera a lo largo de las hélices.

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Dominios estructurales La estructura terciaria de las proteínas globulares se forma a partir de tramos con estructura secundaria (α-hélices, hojas plegadas β y giros β) que se pliegan sobre sí mismos en el espacio dando lugar a una estructura compacta. En muchas proteínas la estructura terciaria se concentra en uno o varios dominios estructurales de forma aproximadamente esférica, muchas veces con un motivo estructural determinado, y conectados por tramos peptídicos con poca o ninguna estructura secundaria, lo que hace a

estos últimos ser particularmente sensibles a las enzimas proteolíticas (rompen los enlaces peptídicos en puntos determinados). De esta forma, un ataque proteolítico limitado en una proteína puede separar los diferentes dominios estructurales de la misma sin que éstos queden alterados, manteniendo su estructura tridimensional correcta. Tal es el caso, por ejemplo, de las cadenas (ligeras y pesadas), de las inmunoglobulinas (mostrado arriba). La cadena ligera consta de dos dominios, VL y CL . La cadena pesada tiene cuatro dominios conocidos como VH, C1H, C2H y C3H. El tramo de cadena peptídico que conecta los tramos C1H y C2H es particularmente carente de estructura secundaria y de esa forma es muy sensible al ataque por enzimas proteolíticos como la papaína. Más frecuentemente, los extensos contactos entre dominios hacen difícil discernir los dominios individuales. A menudo los diferentes dominios tienen funciones distintas, tales como la unión de pequeñas moléculas o la interacción con otras proteínas. Normalmente las proteínas pequeñas tienen un solo dominio (el dominio es la proteína). Dominio estructural en el polipéptido troponina C (izquierda). Esta proteína de fijación de calcio asociada con el músculo presenta dominios de fijación de calcio separados, indicados en azul y púrpura. (Derecha) Los dos dominios estructurales de la elastasa, enzima que degrada la elastina del tejido conjuntivo. Se aprecian dos dominios unidos por una zona sin estructura secundaria. Los dos dominios muestran un gran parecido estructural, podemos suponer razonablemente que estamos ante casos de duplicación genética.

Ocurre lo contrario en los dominios estructurales de la papaína que no muestran parecido estructural.