CURSO DE BIOLOGÍA

ESTRUCTURA PRIMARIA.

 

La estructura primaria de una proteína es su secuencia de aminoácidos, es decir, vendría especificada por los aminoácidos que la forman y el orden de colocación de los mismos a lo largo de la cadena polipeptídica. La secuencia de aminoácidos de una proteína se escribe empezando por el extremo amino terminal y finalizando por el carboxi-terminal. 

Si analizamos en detalle la estructura primaria de una proteína (ver Figura 8.7) observaremos, dado que el enlace peptídico implica a los grupos amino y carboxilo de cada aminoácido, y que éstos están unidos a su vez al mismo átomo de carbono (C_α), el esqueleto de la cadena polipeptídica es una sucesión monótona de estos tres tipos de enlace:

C _α ------- C _carboxílico

C _carbox --- N _amino(enlace peptídico)

N _amino ---- C _α

También observamos que las cadenas laterales o grupos R de los distintos restos aminoácidos, que no están implicadas en el enlace peptídico, surgen lateralmente hacia afuera de este esqueleto monótono (ver Figura 8.7).

Los estudios realizados acerca de la estructura primaria de proteínas procedentes de diferentes especies de seres vivos revelan que aquellas proteínas que desempeñan funciones similares en diferentes especies tienen secuencias de aminoácidos parecidas entre sí. Por otra parte, se ha comprobado que cuanto más emparentadas evolutivamente estén dos especies mayor es el grado de similitud entre las secuencias de aminoácidos de sus proteínas homólogas. Estos datos sugieren que debe existir algún tipo de relación entre la secuencia de aminoácidos y la función de las proteínas.

7.2.-ESTRUCTURA SECUNDARIA.

La estructura secundaria de una proteína es el modo característico de plegarse la misma a lo largo de un eje. Es el primer nivel de plegamiento, en el que los distintos restos de aminoácidos se disponen de un modo ordenado y repetitivo siguiendo una determinada dirección. En las proteínas fibrosas (aquéllas cuyas cadenas polipeptídicas están ordenadas formando largos filamentos u hojas planas) las estructuras primaria y secundaria especifican completamente la conformación tridimensional; estas proteínas no presentan por lo tanto niveles superiores de complejidad

Fue precisamente en las proteínas fibrosas, dada su mayor simplicidad estructural, donde fue estudiada inicialmente la estructura secundaria; particularmente en dos tipos de proteínas de origen animal muy abundantes: las queratinas y los colágenos. Ambas son proteínas insolubles que desempeñan importantes funciones de tipo estructural en los animales superiores. Existen dos tipos de queratinas de diferente dureza y consistencia, las α-queratinas(por ejemplo las que abundan en el pelo o en las uñas) y las β-queratinas (telas de araña, seda, etc.).

El análisis de la estructura secundaria de las proteínas fibrosas fue abordado inicialmente mediante la técnica dedifracción de rayos X (basada en la capacidad de los átomos de difractar los RX en función de su tamaño). Esta técnica es aplicable al análisis de estructuras cristalinas, sin embargo, la microscopía electrónica reveló que las proteínas fibrosas presentaban estructuras repetitivas que eran susceptibles de análisis mediante esta técnica.

Los primeros análisis de difracción de rayos X de las queratinas, realizados por Willian Atsbury (Figura 8.8) en la década de los años 30, proporcionaron datos acerca de estructuras que se repetían con una periodicidad fija a lo largo de sus cadenas polipeptídicas, siendo estas periodicidades diferentes según se tratase de α o de β-queratinas. Dado que las cadenas polipeptídicas extendidas no presentan estructuras repetitivas que puedan dar lugar a estas periodicidades, se concluyó que dichas cadenas debían encontrarse plegadas de un modo regular que era diferente en cada tipo de queratinas. Pocos años más tarde, L. Pauling y R. Corey (Figura 8.9), dos investigadores norteamericanos, obtuvieron con gran precisión la longitud de estas periodicidades (0,56 nm en las α y 0,70 nm en las β-queratinas).

Por otra parte, aplicando la técnica DRX a pequeños péptidos (dos o tres residuos aminoácidos) en estado cristalino Pauling y Corey pudieron conocer la estructura íntima del enlace peptídico. Observaron que este enlace era ligeramente más corto de lo que sería un enlace simple C-N, lo que les permitió deducir que poseía un carácter parcial de doble enlace. Ello es debido a que el nitrógeno del grupo peptídico posee un orbital vacante que le permite compartir enresonancia un par de electrones del doble enlace C-O. El carácter parcial de doble enlace impide que el enlace peptídico pueda girar sobre sí mismo; los cuatro átomos del grupo peptídico son coplanares, estando el oxígeno y el hidrógeno en posición trans (Figura 8.10). Esta falta de libertad de giro supone una primera restricción en el número de conformaciones posibles de la cadena polipeptídica, que estaría entonces constituida por una serie de planos rígidos formados por los diferentes grupos peptídicos, los cuales podrían adoptar diferentes posiciones unos con respecto a otros mediante giros de los enlaces sencillos que flanquean cada uno de estos planos (ver Figura 8.11).

Pauling y Corey construyeron modelos moleculares de gran precisión (con bolas y varillas) hasta que encontraron unos que encajaban con los datos experimentales, es decir, hasta que encontraron modelos que, respetando las restricciones de giro del enlace peptídico, explicaban las periodicidades obtenidas. A la vista de estos modelos pudieron observar (suponemos que con gran regocijo) que no sólo eran posibles, sino que, de ser reales, presentarían una gran estabilidad, ya que todos los grupos peptídicos del esqueleto quedaban colocados en la relación geométrica adecuada para poder establecer puentes de hidrógeno entre ellos, circunstancia esta que proporcionaría una gran estabilidad a la estructura.

 

Los modelos encontrados fueron denominados respectivamente hélice α (que es la estructura secundaria de las α-queratinas) y conformación β (que es la estructura secundaria de las β-queratinas). Con posterioridad se descubrió la estructura secundaria del colágeno, la cual se denominó hélice del colágeno.

En la hélice-α (ver Figura 8.12) el esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra arrollado de manera compacta alrededor del eje longitudinal de la molécula, y los grupos R de los distintos restos aminoácidos sobresalen de esta estructura helicoidal, que tiene forma de escalera de caracol. Cada giro de la hélice abarca 3,6 residuos aminoácidos, ocupando unos 0,56 nm del eje longitudinal, lo que se corresponde con la periodicidad observada por DRX. El rasgo más sobresaliente de esta estructura es que todos los grupos peptídicos de los diferentes restos aminoácidos quedan enfrentados en la relación geométrica adecuada para formar puentes de hidrógeno entre sí; estos puentes se establecen entre el oxígeno del grupo carboxilo de cada residuo aminoácido y el hidrógeno del grupo amino que se encuentra cuatro residuos más allá en dirección carboxi-terminal (algo más de una vuelta completa de hélice). Así, cada vuelta sucesiva de la hélice α se mantiene unida a las vueltas adyacentes mediante varios puentes de hidrógeno intracatenarios que, actuando cooperativamente, proporcionan a la estructura una considerable estabilidad.

En la conformación β, también llamada hoja plegada, el esqueleto de la cadena polipeptídica se dispone en zig-zag con los grupos R de los distintos aminoácidos proyectándose alternativamente a uno y otro lado de dicho esqueleto (ver Figura 8.13). Cada zig-zag representa 0,70 nm de longitud de la cadena, coincidiendo con la periodicidad observada por DRX. Muchas de estas cadenas colocadas paralelamente unas a otras forman una estructura que recuerda a una hoja de papel plegada, en la que los grupos R de los aminoácidos se encuentran sobresaliendo por ambas caras de dicha hoja. En este caso, los grupos peptídicos de los diferentes restos aminoácidos establecen puentes de hidrógeno con los de las cadenas vecinas (puentes de hidrógenointercatenarios).

La hélice del colágeno(Figura 8.14) es un tipo de estructura secundaria que sólo aparece en esta proteína. Se trata de un arrollamiento helicoidal con tres residuos aminoácidos por vuelta en el que la cadena polipeptídica se encuentra más extendida que en la hélice α. Tres de estas hélices se encuentran a su vez arrolladas en una estructura superhelicoidal que da lugar a la molécula de tropocolágeno, que es la unidad que se repite a lo largo de las fibras de colágeno.

La hélice-α y la conformación β son las estructuras secundarias más frecuentes no sólo en la proteínas fibrosas sino en todo tipo de proteínas. Existen otros tipos de estructura secundaria cuya presencia se encuentra limitada a algunas proteínas especializadas.

En las proteínas globulares se han descubierto estructuras secundarias características de los puntos en que la cadena polipeptídica cambia abruptamente de dirección. Se les ha denominado giros o codos. El más extendido es el codo β, que consta de cuatro residuos aminoácidos formando un bucle cerrado con diferentesgrupos peptídicos unidos por puente de hidrógeno(Figura 8.15).

Ahora bien, ¿qué es lo que determina que una cadena polipeptídica adopte una u otra de estas posibles estructuras secundarias conocidas? Los estudios realizados acerca de la estructura de cadenas polipeptídicas formadas por un solo tipo aminoácido (poliaminoácidos), así como diversas consideraciones teóricas (basadas en el tamaño o carga eléctrica de los grupos R de los distintos aminoácidos de una cadena), llevaron a la conclusión de que es la secuencia de aminoácidos, es decir, la estructura primaria, lo que determina el modo en que una cadena polipeptídica ha de plegarse a lo largo de un eje, es decir, su estructura secundaria. Es la naturaleza y posición de los grupos R a lo largo de la cadena, es decir, su secuencia, lo que propicia o impide el plegamiento según uno u otro modelo.