Estructura de les Proteïnes: Nivells i Plegaments

Estructura de les Proteïnes

Nivells d'Estructura Proteica

Estructura Secundària

Disposició espacial, regular i recurrent dels residus d'una cadena polipeptídica o d'un fragment de la mateixa.

Estructura Terciària

Disposició en l'espai de tots els àtoms d'un polipèptid.

Estructura Quaternària

Només en aquelles proteïnes formades per més d'un polipèptid. Relació espacial entre els àtoms de diferents polipèptids.

Les diferents conformacions d'una proteïna són totes aquelles disposicions espacials dels seus àtoms que es poden aconseguir sense trencar cap enllaç covalent.

Hèlix Alfa (α)

Donat que els enllaços N-Cα (Φ) i Cα-C (Ψ) tenen capacitat de rotació, es va pensar en la possibilitat que es poguessin formar ponts d'hidrogen entre els grups C=O i NH. Això és possible si la cadena polipeptídica adopta una conformació helicoidal. Els ponts d'hidrogen s'estableixen entre els aminoàcids n i n+4. En principi, l'hèlix és independent dels grups R i es repeteix després de 18 residus. L'hèlix és dextrogira perquè els aminoàcids són L. També són possibles hèlix π.

• Els grups R sobresurten en forma perpendicular a l'eix longitudinal de l'hèlix.
• Tot i que no intervenen en la seva formació, les interaccions entre les cadenes d'aquests grups poden estabilitzar o desestabilitzar l'hèlix:
  • Grups R voluminosos (Asn, Ser, Thr i Cys) donen lloc a impediments estèrics que la desestabilitzen.
  • En la Pro, el grup R està ciclat amb el grup amino, impedint la rotació entre N i Cα.
  • Grups R amb la mateixa càrrega la desestabilitzen. Grups R alternats amb càrregues oposades la estabilitzen.
  • La Gly és un aminoàcid molt "flexible". La seva presència desafavoreix la formació de l'hèlix.

Fulla Beta (β)

En una fulla β hi poden participar tant segments propers com segments distants de la cadena polipeptídica. Inclús es pot formar entre cadenes polipeptídiques diferents. Els ponts d'hidrogen es formen entre els grups C=O i NH de cadenes adjacents. Els grups R sobresurten de la fulla de manera perpendicular i alternada. Hi ha fulles β paral·leles, antiparal·leles i mixtes. La separació entre els aminoàcids de les 2 cadenes és de 0,35 nm. Poden haver fulles β composades per un nombre elevat de segments (8 o més).

Girs Beta (β)

En les proteïnes globulars, al voltant de la tercera part dels residus es troben en bucles on la cadena polipeptídica canvia d'orientació. Aquests bucles serveixen de connexió entre trams successius d'hèlix α o fulla β. És molt freqüent trobar girs β en l'extrem d'aquests bucles. També són freqüents com a element de connexió entre les cadenes que formen una fulla β antiparal·lela. El gir β està format per 4 aminoàcids que donen lloc a un gir tancat de 180 graus. Només els aminoàcids 1 i 4 fan ponts d'hidrogen. La Gly (petit i flexible) i Pro (únic aminoàcid que pot adaptar una configuració cis després de formar un enllaç peptídic) són aminoàcids que freqüentment es troben en girs β.

Estructura Terciària: Proteïnes Fibroses i Globulars

Proteïnes Globulars

La cadena polipeptídica es plega donant lloc a estructures esfèriques. La major part d'enzims i proteïnes reguladores són de tipus globular.

Proteïnes Fibroses

Proteïnes que presenten formes filamentoses, hèlixs o fulles molt allargades. Presenten un únic tipus d'estructura secundària. És habitual trobar-les en estructures de suport. La seva estructura els confereix força, elasticitat o les dues coses alhora.

Alfa-Queratines

Proteïnes molt adaptades per suportar esforços mecànics. L'α-queratina és un polipèptid de 300 aminoàcids amb una estructura en hèlix α. Dues unitats formen una nova hèlix (levogira) amb un petit cap globular. L'empaquetament d'aquesta doble hèlix és tan gran que els grups R (generalment petits) poden interdigitar entre si. La doble hèlix forma protofilaments que alhora formen protofibril·les. Vuit protofibril·les formen una microfibril·la. L'estructura resultant és compacta i flexible. L'α-queratina és molt rica en Cys i pot endurir-se en major o menor mesura per la formació de ponts disulfur.

Fibroïna de la Seda

La base de la fibroïna són varies capes d'una fulla β antiparal·lela amb les cadenes polipeptídiques paral·leles a l'eix longitudinal de la fibra. Les fulles β estan formades per la repetició de Gly-Ala/Ser. Aquesta alternança permet que les fulles puguin encaixar l'una sobre l'altra, donant lloc a una fibra molt resistent i inextensible. Alhora, les fibres són molt flexibles perquè les unions entre les fulles són per interaccions de Van Der Waals, que oposen molt poca resistència i possibiliten que les fibres es puguin corbar fàcilment.

Col·lagen

La unitat bàsica és el tropocol·lagen, una triple hèlix dextrogira formada per 3 cadenes d'un monòmer de 1000 residus. Cada cadena adopta una estructura secundària en forma d'hèlix levogira de 3 aminoàcids per volta. El col·lagen està compost per Gly (35%), Ala (11%) i Pro+Hidroxipro (Hyp, 21%) que es van repetint en forma Gly-X-Y, on X és Pro i Y és Pro o Hyp. Els grups OH de Hyp són importants per estabilitzar l'estructura. La Pro passa a Hyp per l'enzim prolil-hidroxilasa, que requereix vitamina C com a cofactor. El col·lagen és un exemple de com un tipus particular de seqüència repetida dóna lloc a una estructura particular. També conté Lys (moltes hidroxilades (Hyl)). La funció del grup OH de Lys és l'ancoratge de polisacàrids. Els Hyl propers a Lys poden formar un enllaç covalent. L'acumulació d'enllaços covalents fa que el col·lagen es torni menys elàstic i més trencadís.

Plegaments (Foldings) o Motius Estructurals (Motifs)

Són agrupacions estables de varis elements d'estructura secundària i les seves connexions (estructures supersecundàries). Un mateix "folding" es pot trobar de forma reiterada en proteïnes diferents. Hi ha uns 2000 foldings diferents.

Dominis

Són unitats de plegament independents dintre de la proteïna i estan constituïts per un o més foldings. Tenen entre 50 i 350 residus. Tenen una funció pròpia i diferenciada. Es poden trobar dominis similars en proteïnes diferents. Les proteïnes globulars tenen una estructura modular.

L'Estructura Terciària ve Determinada per la Seqüència d'Aminoàcids

Quan una proteïna és sotmesa a temperatures elevades, pHs extrems, etc., es desnaturalitza (perd la seva estructura tridimensional i la seva funció). Per moltes proteïnes, la desnaturalització és un procés reversible. Si la Ribonucleasa és capaç de recuperar la seva funció en un tub d'assaig en absència de qualsevol altre factor que no sigui la seva seqüència d'aminoàcids, vol dir que aquesta seqüència és la que determina en primera instància l'estructura terciària de la proteïna. Els ponts disulfur estabilitzen l'estructura terciària un cop aquesta s'ha format.

Termodinàmica del Plegament de Proteïnes

El plegament d'una proteïna globular és un procés afavorit termodinàmicament (ΔG < 0).

• Decrement d'entropia: Quan una proteïna es plega, adopta una estructura ordenada.
• Increment d'entropia: L'efecte hidrofòbic compensa en part el decrement d'entropia conformacional.
• Decrement d'entalpia: L'establiment d'interaccions químiques febles acaba compensant el decrement d'entropia conformacional.

Plegament de Proteïnes: Ràpid i Seqüencial

Paradoxa de Levinthal. S'estima que una proteïna de 1000 aminoàcids pot tenir 10¹⁰⁰ conformacions possibles. No es pot examinar totes les possibles conformacions durant el plegament d'una proteïna. Poc després de sintetitzar-se es produeix el col·lapse de les zones hidrofòbiques i la formació de petits segments d'estructures secundàries estables ("globul fos"), la qual cosa possibilita la formació de noves interaccions. Són possibles múltiples camins, però tots condueixen a un mínim d'energia que representa la conformació nativa.

Xaperones i Xaperonines: Proteïnes que assisteixen al plegament d'altres proteïnes.

Les Dues Conformacions del Prió

Els prions són agents infecciosos de naturalesa proteica que no es poden inactivar amb tractaments que habitualment destrueixen els àcids nucleics. Els prions transmeten encefalopaties espongiformes. El prió es pot plegar de dues maneres:

• PrP^c (normal): Estructura rica en hèlix α, solubilitat alta, agregació baixa i sensibilitat a proteases.
• PrP^sc (conformació patològica "scrapie"): Estructura rica en fulla β, solubilitat baixa, agregació alta i resistència a proteases.

La forma "scrapie" forma fulles β intermoleculars (quaternàries) amb altres PrP^sc donant lloc a llargues fibres amiloides que originen la malaltia. La forma "scrapie" és capaç d'induir aquest plegament anòmal en la proteïna prió normal.

Estructura Quaternària

• Redueix la taxa d'errors en la seqüència de proteïnes grans.
• Principi d'economia: només fa falta codificar uns pocs gens per construir una càpside sencera (càpsides virals).
• Sovint mostren capacitat reguladora.

Protòmer: unitat de repetició de l'estructura. En el cas de l'hemoglobina, el protòmer és el conjunt de la subunitat α i β. Les estructures quaternàries es classifiquen segons el tipus de simetria que presenten. Les més corrents són cícliques i diedriques. Molts virus tenen càpsides icosaèdriques.