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Los enlaces peptídicos restringen conformaciones secundarias posibles
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La rotación libre sólo es posible alrededor de dos de los tres enlaces covalentes del esqueleto polipeptídico: el carbono α (Cα) al carbono carbonilo (Co), y el Cα al enlace de nitrógeno (figura 3-9). El carácter de doble enlace parcial del enlace peptídico que une el Co al nitrógeno α requiere que el carbono carbonilo, el oxígeno carbonilo y el nitrógeno α permanezcan coplanares, lo que evita la rotación. El ángulo alrededor del enlace de Cα—N recibe el nombre de ángulo fi (Ф), mientras que aquel ubicado alrededor del enlace de Co—Cα es el ángulo psi (ψ). En péptidos, para aminoácidos que no son glicina, casi ninguna combinación de ángulos fi y psi se permite debido a obstáculo estérico (figura 5-1). Las conformaciones de prolina son aún más restringidas debido a la ausencia de rotación libre del enlace N—Cα.
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Las regiones de estructura secundaria ordenada surgen cuando una serie de residuos aminoacilo adoptan ángulos fi y psi similares. Los segmentos extendidos (p. ej., asas) de polipéptidos llegan a poseer diversos ángulos de ese tipo. Los ángulos que definen los dos tipos más frecuentes de estructura secundaria, la hélice α y la hoja β, caen dentro de los cuadrantes inferior y superior izquierdos de un gráfico de Ramachandran, respectivamente (figura 5-1).
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El esqueleto polipeptídico de una hélice α está torcido una cantidad igual alrededor de cada carbono α con un ángulo fi de aproximadamente −57° y un ángulo psi de alrededor de −47°. Un giro completo de la hélice contiene un promedio de 3.6 residuos aminoacilo y la distancia que sube por cada giro (su pendiente) es de 0.54 nm (figura 5-2). Los grupos R de cada residuo aminoacilo en una hélice α miran hacia afuera (figura 5-3). Las proteínas sólo contienen L-aminoácidos, para los cuales una hélice α diestra es con mucho la más estable, y en las proteínas sólo hay hélices α diestras. En los diagramas esquemáticos de proteínas se representa a las hélices α como espirales o cilindros.
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La estabilidad de una hélice α proviene sobre todo de enlaces (puentes) de hidrógeno formados entre el oxígeno del enlace peptídico del grupo carbonilo y el átomo de hidrógeno del grupo amino (que contiene nitrógeno) del enlace peptídico del cuarto residuo en dirección descendente por la cadena de polipéptido (figura 5-4). La capacidad para formar el número máximo de enlaces de hidrógeno, complementada por interacciones de Van der Waals en el centro de esta estructura estrechamente apretada, brinda la fuerza impulsora termodinámica para la formación de una hélice α. Dado que el nitrógeno del enlace peptídico de prolina carece de un átomo de hidrógeno, es incapaz de formar un enlace de hidrógeno con un oxígeno carbonilo. Así, la prolina sólo puede adaptarse de manera estable dentro del primer giro de una hélice α. Cuando está presente en otro sitio, la prolina altera la conformación de la hélice y produce una flexión. Debido a que posee un pequeño grupo R, la glicina a menudo también induce flexiones en hélices α.
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En muchas hélices α tienen grupos predominantemente R hidrofóbicos proyectados desde un lado del eje de la hélice y grupos predominantemente R hidrofílicos proyectados desde el otro lado. Estas hélices anfipáticas están bien adaptadas a la formación de interfases entre regiones polares y no polares como el interior hidrofóbico de una proteína y su ambiente acuoso. Las agrupaciones de hélices anfipáticas pueden crear un canal, o poro, que permite que moléculas polares específicas pasen a través de membranas celulares hidrofóbicas.
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Es la segunda (de ahí su denominación “β”) estructura secundaria regular reconocible en las proteínas. Los residuos aminoácidos de una hoja β, cuando se observan de canto, forman un modelo en zigzag o plisado en el cual los grupos R de residuos adyacentes apuntan en direcciones opuestas. A diferencia del esqueleto compacto de la hélice α, el esqueleto peptídico de la hoja β está muy extendido; sin embargo, al igual que la hélice α, gran parte de la estabilidad de las hojas β se deriva de enlaces de hidrógeno entre los oxígenos carbonilo y los hidrógenos amida de enlaces peptídicos. En contraste con la hélice α, estos enlaces se forman con segmentos adyacentes de hoja β (figura 5-5).
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Las hojas β que interactúan pueden disponerse para formar una hoja β paralela, en la cual los segmentos adyacentes de la cadena polipeptídica proceden en la misma dirección amino hacia carbonilo, o una hoja antiparalela, en la cual proceden en direcciones opuestas (figura 5-5). Una u otra configuración permite el número máximo de enlaces de hidrógeno entre segmentos, o hebras de la hoja. Casi ninguna hoja β es perfectamente plana, sino que tiende a mostrar una torsión hacia la derecha. Las agrupaciones de hebras torcidas de hoja β forman el centro de muchas proteínas globulares (figura 5-6). En diagramas esquemáticos se representa a las hojas β como flechas que apuntan en la dirección amino hacia carboxilo terminal.
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A grandes rasgos, la mitad de los residuos en una proteína globular “típica” reside en hélices α u hojas β, y la otra mitad en asas, giros, flexiones y otras características conformacionales extendidas. “Giros y flexiones” alude a segmentos cortos de aminoácidos que unen dos unidades de estructura secundaria, como dos hebras adyacentes de una hoja β antiparalela. Un giro β comprende cuatro residuos aminoacilo, en los cuales el primer residuo está enlazado con hidrógeno al cuarto, lo que da por resultado una vuelta de 180° cerrada (figura 5-7). La prolina y la glicina a menudo están presentes en giros β.
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Las asas son regiones que contienen residuos más allá del número mínimo necesario para conectar regiones adyacentes de estructura secundaria; sin embargo, las asas, que tienen conformación irregular, desempeñan funciones biológicas clave. Para muchas enzimas, las asas que forman puentes entre dominios encargados de la unión de sustratos a menudo contienen residuos aminoacilo que participan en catálisis. Los motivos de hélice-asa-hélice proporcionan la porción de unión a oligonucleótido de muchas proteínas de unión a DNA como represores y factores de transcripción. Los motivos estructurales, como el motivo de hélice-asa-hélice que son intermedios entre estructuras secundarias y terciarias, a menudo se denominan estructuras supersecundarias. Dado que muchas asas y flexiones residen sobre la superficie de proteínas y, así, quedan expuestas a solvente, constituyen sitios fácilmente accesibles, o epítopos, para reconocimiento y unión de anticuerpos.
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Si bien las asas carecen de regularidad estructural manifiesta, muchas adoptan una conformación específica estabilizada por medio de formación de enlaces de hidrógeno, puentes salinos, e interacciones hidrofóbicas con otras porciones de la proteína; sin embargo, no todas las porciones de proteínas están necesariamente ordenadas. Las proteínas pueden contener regiones “desordenadas”, a menudo en el extremo amino o carboxilo terminal, caracterizadas por una alta flexibilidad conformacional. En muchos casos, estas regiones desordenadas adoptan una conformación ordenada en el momento de unión de un ligando. Tal flexibilidad estructural permite que dichas regiones actúen como conmutadores controlados por ligando que afectan la estructura y la función de proteínas.
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Estructura terciaria y cuaternaria
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El término “estructura terciaria” se refiere a toda la conformación tridimensional de un polipéptido. Indica, en espacio tridimensional, de qué modo las características estructurales secundarias —hélices, hojas, flexiones, giros y asas— se montan para formar dominios, y cómo estos últimos se relacionan desde el punto de vista espacial entre sí. Un dominio es una sección de estructura proteínica suficiente para desempeñar una tarea química o física particular, como la unión de un sustrato u otro ligando. Casi todos los dominios son de naturaleza modular, contiguos tanto en secuencia primaria como en espacio tridimensional (figura 5-8). Las proteínas simples, en particular las que interactúan con un sustrato único, como lisozima o triosa fosfato isomerasa (figura 5-6), y la proteína de almacenamiento de oxígeno mioglobina (capítulo 6), a menudo constan de un dominio único. En contraste, la lactato deshidrogenasa comprende dos dominios, un dominio de unión a NAD+ N terminal, y un dominio de unión a C terminal para el segundo sustrato, piruvato (figura 5-8). La lactato deshidrogenasa es una de la familia de oxidorreductasas que comparten un dominio de unión a NAD(P)+ N terminal, conocido como el pliegue de Rossmann. Al fusionar el módulo del pliegue de Rossmann a diversos dominios C terminal, ha evolucionado una gran familia de oxidorreductasas que utilizan NAD(P)+/NAD(P)H para la oxidación y reducción de una amplia gama de metabolitos. Los ejemplos son alcohol deshidrogenasa, gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, malato deshidrogenasa, quinona oxidorreductasa, 6-fosfogluconato deshidrogenasa, D-glicerato deshidrogenasa, formato deshidrogenasa y 3α, 20β-hidroxiesteroide deshidrogenasa.
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No todos los dominios unen sustratos. Los dominios de membrana hidrofóbicos fijan proteínas a membranas o les permiten abarcar membranas. Las secuencias de localización dirigen proteínas hacia ubicaciones subcelulares o extracelulares específicas, como el núcleo, las mitocondrias, vesículas secretoras, etc. Los dominios reguladores desencadenan cambios de la función de proteína en respuesta a la unión de efectores alostéricos o modificaciones covalentes (capítulo 9). Combinar el código del material genético de los módulos de dominio individuales proporciona una ruta fácil para generar proteínas de gran complejidad estructural y funcional (figura 5-9).
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Las proteínas que contienen múltiples dominios también pueden montarse por medio de la asociación de múltiples polipéptidos o protómeros. La estructura cuaternaria define la composición polipeptídica de una proteína y, para una proteína oligomérica, las relaciones espaciales entre sus protómeros o subunidades. Las proteínas monoméricas constan de una cadena polipeptídica única; las proteínas diméricas contienen dos cadenas polipeptídicas. Los homodímeros contienen dos copias de la misma cadena polipeptídica, mientras que en un heterodímero los polipéptidos difieren. Se usan letras griegas (α, β, γ, etc.) para distinguir diferentes subunidades de una proteína heterooligomérica, en tanto que los números en subíndice indican el número de cada tipo de subunidad. Por ejemplo, α4 designa una proteína homotetramérica, y α2b2γ una proteína con cinco subunidades de tres tipos diferentes.
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Dado que incluso las proteínas pequeñas contienen muchos miles de átomos, las representaciones de la estructura de proteínas que indican la posición de cada átomo por lo general son demasiado complejas como para interpretarlas con facilidad. De este modo, se usan diagramas esquemáticos simplificados para representar características clave de las estructuras terciaria y cuaternaria de una proteína. Los diagramas de cinta (figuras 5-6 y 5-8) trazan la conformación del esqueleto polipeptídico; cilindros y flechas indican regiones de una hélice α y una hoja β, respectivamente. En una representación aún más simple, segmentos de línea que enlazan los carbonos α de cada residuo de aminoácido indican la trayectoria del esqueleto polipeptídico. Tales diagramas esquemáticos a menudo incluyen las cadenas laterales de aminoácidos seleccionados que recalcan relaciones específicas entre estructura y función.