Descargar Artículo Habíamos quedado en la publicación, con las proteínas fibrilares, fibrosas, y que en general estas proteínas se consideran que tienen estructuras según elementos de estructura segmental, existen proteínas que tienen prácticamente solo α-hélice, que es la característica que ellas presentan que son α-hélice que tiene enlaces covalentes entre ellas, por lo cual le da características especiales. Estas son las queratina, por ejemplo: el pelo, las plumas y las uñas, no es otra cosa que proteínas fibrilares con una característica especial y que en general tienen funciones de protección, son estructuras que protegen, después existe una familia de proteínas que presenta esencialmente estructuras β, conformación β como estructura secundaria de sus proteínas y
estas son mucho más flexibles, son filamentos más flexibles y suaves, un buen ejemplo de esta estructura es la fibroína de la seda y también hay una estructura muy especial que se escapa a los elementos de estructura secundaria que habíamos descrito que es la triple hélice del colágeno. El colágeno forma parte del tendón, en la matriz de los huesos, etc., y forma una fibra altamente resistente, pero que no presenta ningún tipo de elasticidad, por lo tanto se rompen fácilmente a la tracción, al exceso digamos de tracción mecánica.
La primera de ellas, la queratina como dijimos, son puras α-hélices, estas α-hélice se enrollan sobre si misma formando una estructura bastante estable, varias de estas se asocian, formando un protofilamento y finalmente formando una protofibrilla, formando la estructura del pelo.
Y en esto habíamos quedado en la clase anterior, las cadenas de proteínas entre ellas, estas cadenas de α-hélice de las queratinas, están asociadas por puentes disulfuros y dependiendo de la cantidad de puentes disulfuros que tengan va a ser la rigidez de estas proteínas, las uñas, como se puede apreciar, son queratinas que poseen una alta cantidad de puentes disulfuros, en cambio el pelo las posee en baja cantidad, las personas que tienen el pelo parado, no por la gomina, es porque tienen un pelo con queratinas que poseen mucho más puentes disulfuros, uno de los pelo que presenta mucho más puentes disulfuros son los pelos que forman parte del cuerno del rinoceronte, en el enrulamiento del pelo también explicamos la bioquímica, por que a través de los puentes disulfuros, estos se pueden modificar, haciendo que se pueda pasar de pelo liso a pelo ondulado y viceversa de ondulado a pelo liso, y dependiendo de los métodos que nosotros utilicemos va a ser más o menos estable, habíamos explicado que por calor se podía hacer, pero es mucho más inestable los cambios que se logran, que haciéndolo químicamente, reduciendo los puentes disulfuros, se enrolla el pelo, se vuelven a oxidar en las nuevas posiciones, lo que involucran mucho más puentes disulfuros y por lo tanto es bastante más estable.
En la estructura del colágeno, el colágeno forma una triple hélice, esta es la estructura básica del colágeno, son tres α-hélices entrelazadas, pero la característica de estas α-hélices (a diferencia de la queratina) es que son levógiras , o sea, giran a la izquierda, no son dextrógiras, y tres de ellas se asocian para formar esta estructura tan característica, también las fibras de colágeno, en el fondo son estas triples hélices repetidas unas con otras y también presentan entrecruzamientos, los cuales no están dados por puentes disulfuros, pero en este caso son entrecruzamientos con enlaces covalentes, éstas con un enlace especial y con una reacción entre dos grupos de aminoácidos lisinas se forma un enlace covalente y cuando uno hidroliza el colágeno, lo que obtienen es este tremendo residuos que es la dihidroxineuroleucina, el entrecruzamiento entre las distintas triple hélices del colágeno esta generado fundamentalmente por enlaces especiales entre residuos de lisinas de cadenas adyacentes y eso le da la características a estas fibras.
La estructura básica de la fibroína de la seda, son las hojas β plegadas, paralelas todas ellas y varias de ellas van a formar estas largas fibras.
La tropomiosina nos sirve para mostrar los tipos de α-hélices, que son la tropomiosina incluida hasta en el musculo, pero forma una estructura fibrilar y estas son bastante estables, no están entrecruzadas, es otra forma de formar una asociación de 2 α-hélices muy estables.
El colágeno, son tres hélices levo-rotatorias que están íntimamente asociadas, la asociación entre ellas esta dada porque poseen glicina en el centro y están íntimamente asociadas, tampoco hay enlaces covalentes.
La pregunta aquí es ¿Por qué forma una α-hélice levo-rotatoria y no una dextro-rotatoria? ¿Que habíamos dicho en alguna de las clases anteriores sobre que determina el tipo de estructura secundaria que va adoptar una zona o una cadena polipeptídica? Respuesta: por las características que tiene el “grupo R” de cada aminoácido, hay aminoácidos que van a tender siempre a formar α-hélices y hay otros que siempre van a tender a formar hoja β plegada, incluso depende de la ventana de aminoácidos que uno posee, quienes lo rodean va a ser mayor la probabilidad de formar α-hélice ó mayor probabilidad de formar hoja β plegada.
Fíjense ustedes que el colágeno tiene fundamentalmente repeticiones de prolina y glicina y un aminoácido “x” y después sigue otra prolina, glicina y otro aminoácido “x”, prolina, glicina, etc… esa es la secuencia del colágeno, el colágeno es muy rico en prolina, generalmente la prolina esta modificada como hidroxiprolina. Entonces desde el punto de vista nutricional es una mala proteína, porque contiene prolina y glicina, y la glicina es un aminoácido gluconeogénico, o sea, tiende a entrar en el metabolismo de la glucosa, o sea, es energético, no es apreciable como nutriente esencial; y lo otro, es lisina. Entonces estas gelatinas de vacuno, quecitos de patas, por ejemplo, son ricos pero no son nutritivos del punto de vista aminoacídico.
La prolina no tiende a formar α-hélices, sino que tiende a quebrar las α-hélice dextro-rotatorias, entonces en este caso particular, esta abundancia de prolina más un aminoácido “fome” como la glicina, fome porque ni siquiera tiene un carbono asimétrico, hace que tienda a formar espontáneamente este tipo de estructura, una α-hélice levo-rotatoria.
Hay varios tipos de colágenos en las células, se sintetizan distintos tipos de colágenos para formar tendones, matriz del hueso, etc., hay distintas cantidades y por lo tanto hay distintos tipos de colágeno, pero todos tienen esta estructura básica.
Finalmente como la fibroína de la seda, como la seda es suave, delgada, tiene una estructura elegante, más ordenada, es una capa de fibras largas de hoja β plegada, sabían ustedes que la fortaleza de la seda viene del muy buen ensamblado de las hojas β.
La glándula del gusano de la seda, produce la fibroína en largas fibras una encima de otra, estas las va produciendo continuamente y se van ensamblando en capas. Hay muchas más proteínas fibrilares con características muy extraordinarias por ejemplo: La Tela de Araña. La Tela de Araña es una fibra extraordinariamente resistente, es mucho más resistente que la seda, los chalecos antibalas están usando un derivado de esta proteína, justamente el chaleco se ha diseñado de las fibras que genera la Tela de Araña.
Las proteínas fibrilares son de forma muy alargadas, cuando son α-hélices son más cortas, aunque las β son más largas que las α-hélices, pero la mayoría de las proteínas que hacen funciones, que son enzimas, que son receptores, que son el “motorcito” de la célula, los cuales hacen toda la pega digamos para mantener viva la célula, son proteínas globulares y desde el punto de vista farmacológico lo mas interesante deberían ser las proteínas globulares.
Hay dos métodos para determinar la estructura tridimensional de una proteína, conociendo la secuencia primaria de la proteína se puede llegar por bioinformática a determinar la estructura de la proteína, pero para poder hacerlo por bioinformática se requiere tener modelos referenciales de estructuras tridimensionales con certeza, y el único método que se puede hacer con certeza para saber donde queda cada átomo, que son cientos, miles de átomos, es por el método de cristalografía.
¿Y porque cristalografía?, ustedes saben que por microscopia normal solo podemos aumentar 2000 veces (El Zoom), y lo que estamos tratando de ver son átomos en el espacio, el microscopio electrónico, aunque dice que es electrónico, porque usa electrones, tampoco alcanza para ver átomos, se logra un aumento máximo de 1.000.000 de veces, con lo cual se pueden ver muy bien los virus, estructuras como el ribosoma, se pueden distinguir muy bien y en general se pueden ver estructuras cuaternarias de proteína, pero deben ser grandes las proteínas, pero para ver proteínas globulares normales se requiere lo que se denomina cristalografía y que utiliza rayos X y el método es complejo, se requiere de una fuente que genere rayos X y se requiere una proteína que este fijada, además de que la proteína que no este cambiando, una proteína normalmente es una estructura dinámica que esta cambiando su forma y por lo tanto hay que cristalizarla y obtener cristales de proteínas, no es básico, no es trivial, entonces al incidir el has de rayos X sobre el cristal de proteínas, nosotros obtenemos un mapa de extracción de rayos X, donde haya un átomo el haz de rayos X se refractara y se reflejara en una pantalla de rayos X, y será ahora interpretada a través de un computador, el cual nos da a ubicación espacial del átomo.
¿Cómo hacer una cristalización? básicamente hay colocar una proteína bastante concentrada en un reservorio con un tampón especial, el cual tiene que ir variando, y hay que dejarla durante mucho tiempo en un recipiente cerrado, y con suerte se obtienen cristales, por que es muy difícil obtener cristales, no se pueden obtener de un día para otro, se me olvidaba decir que el cristal para tener una refracción en los rayos X hay que irlo variando grado a grado, hay que obtener un patrón rodando el cristal en distintas orientaciones y eso entonces nos permite a nosotros generar la imagen exacta de la ubicación atómica de los átomos.
En las estructuras tridimensionales de las proteínas globulares encontramos los mismos elementos que tenían las estructuras secundarias, que ya habíamos descrito, α-hélice y hoja β plegada. He aquí una lista de ciertas proteínas conocidas y su cantidad en % de α-hélice y hoja β plegada:
Ø Quimotripsina: 14.0 % α-hélice y 45,0 % hoja β plegada
Ø Ribonucleasa: 26,0 % α-hélice y 35,0 % hoja β plegada
Ø Carboxipeptidasa: más α-hélice que hoja β plegada
Ø Citocromo C: solo α-hélice
Ø Lisozima: más α-hélice que hoja β plegada
Ø Mioglobina: solo α-hélice
Dentro de las proteínas nosotros vamos a encontrar hoja β plegada y estructuras secundarias de α-hélice, formando un subconjunto de superestructuras secundarias y son elementos que se repiten de una proteína a otra, todas las proteínas que tienen estructura hoja β plegada y α-hélice se encuentran como elementos de superestructura secundaria y por eso se les llaman elementos de superestructura secundaria.
La proteína en la que trabajé durante varios años y una de mis favoritas es la apolipoproteína 1, la cual toda la información que tenía de ella se me quemó en el incendio, la llamada apolipoproteína 1 es el componente más importante de la lipoproteína de alta densidad y su estructura se caracteriza por predominar una α-hélice de características anfipáticas, la que se pliega en esta forma de herradura y ¿Por qué se pliega en forma de herradura? Por que en cada cierto trecho tiene una… que le va dando una curvatura, y tiene esta estructura porque abraza a los fosfolípidos y eso sería la estructura-característica de la lipoproteína de alta densidad.
Hemos recorrido en estas clases desde la estructura primaria, la estructura secundaria, ¿Qué es la estructura terciaria? Respuesta: es la relación espacial de los elementos de estructura secundaria que adopta en el espacio, pero estas proteínas pueden adoptar formas más complejas, que es asociándose en distintas cadenas polipeptídicas, las cuales van a dar la estructura terciaria para formar una estructura cuaternaria, y solo con la estructura cuaternaria la proteína es funcional, y en esta estructura cuaternaria, cada uno de los componentes que forma la estructura cuaternaria se llama subunidad, por ejemplo: la hemoglobina es un tetrámero, esta compuesto por 4 subunidades ó 2 tipos de subunidades la α-globina y la β-globina (2 subunidades de cada tipo = 4 subunidades en total) ésta es un heterotetrámero (distintas subunidades), existen dímeros, trímeros, hexámeros, decámeros, hasta con 20 subunidades y mas, pero no confundir con las proteínas fibrilares, que no son verdaderas estructuras cuaternarias, proteínas cuaternarias son las proteínas globulares.
Una diferencia importante entre estructura terciaria y cuaternaria es que en la estructura cuaternaria la relación espacial entre las distintas subunidades esta dada por uniones débiles, o sea, la estructura cuaternaria finalmente esta estabilizada solo con enlaces débiles, Van der Waals, Puentes de Hidrogeno, Interacciones Iónicas e Interacciones Hidrofóbicas, todas estas participan para estabilizar a las estructuras cuaternarias. Muchas veces encontramos, como en la insulina, dos cadenas polipeptídicas y éstas forman una sola subunidad, la cual esta estabilizada por puentes disulfuros, esto no es estructura cuaternaria, solo es estructura terciaria, la insulina solo posee estructura terciaria, aunque sean dos las cadenas polipéptídicas; subunidad y cadena polipeptídica no son sinónimos, una estructura terciara puede estar compuesta por 2 o mas cadenas polipeptídicas, pero todas ellas están estabilizadas entre si por puentes disulfuros, y eso, eso va a ser estructura terciaria.
Cuando se empiezan a asociar distintas subunidades para formar una estructura cuaternaria comenzamos a tener ejes de simetría, no voy a entrar a profundizar más en esto, porque es materia de un curso más avanzado, pero la distribución espacial puede dar origen a distintas estructuras cuaternarias, es un poco como los isómeros, si tienen un centro quiral o no, si son superponibles o no son superponibles, lo mismo sucede cuando empezamos a tener subunidades distintas como en este caso que genera estructuras más complicadas porque tenemos todas las subunidades iguales, va a ser por ejemplo las capsulas de los virus, que están hechos por 1 ó 2 subunidades distintas.
Hay un aspecto que es bien importante tener en cuenta cuando uno habla de estructura tridimensional de las proteínas, porque nosotros estamos tratando con información absolutamente lineal, o sea, codificada en el genoma y eso se traduce a un polipéptido también lineal, pero lo que se requiere funcionalmente para la célula es que tenga estructura terciaria y uno se pregunta ¿Dónde esta esa información para que se adopte la estructura terciaria? eso nos llevo a un problema que es esencial, que es el plegamiento de la proteína, cuando se está sintetizando la proteína se tiene que ir plegando para formar una determinada estructura terciaria, ¿y donde esta esa información? R: En la estructura Primaria esta toda la información necesaria para que pueda adoptarse esa estructura terciaria y no otra estructura, porque o sino hubiera terminado en otra cosa, puede recuperar así casi el 100% de su actividad, se puede decir que casi toda la proteína puede recuperar un solo tipo de estructura y si tuviera otro tipo de estructura distinta seria inactiva, si no tiene la estructura terciaria no va a formar el sitio activo de la enzima para tener la actividad catalítica. Lo que quiero es que les quede grabado, que toda la información para adquirir la estructura terciaria está en la estructura primaria de la proteína.
En vivo las proteínas pueden tener más de una estructura terciaria y eso para ciertas proteínas es importante, para cumplir su función, pero también es tan importante y tan grave que el cambio en la forma terciaria de las proteínas puede ser causal de enfermedades, como por ejemplo: el mal de las vacas locas.
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