Fisiología Celular

estructura y función proteica

Las proteínas son los bloques de construcción de las estructuras celulares y motores de las actividades celulares. Son de naturaleza modular y sus interacciones con otras moléculas en la célula dependen de la presencia de dominios funcionales específicos. La forma precisa del dominio, resultante de la presencia de enlaces no covalentes entre residuos en una cadena polipeptídica decide sobre la función., El ejemplo más conocido de la relación forma-función es la teoría de «llave y cerradura» de la función enzimática. El cambio de bolsillo enzimático, debido a la mutación o modificación de un residuo de aminoácido cambia la afinidad y/o especificidad de la enzima. En resumen, cuanto mejor encaje entre dos moléculas, mejor funciona, más enlaces se pueden hacer, más rápido puede pasar la señal, o más fuertes se conectan las dos moléculas (piense en las moléculas de adhesión).

la conformación 3D de la proteína depende de las interacciones entre aminoácidos en la cadena polipeptídica., Dado que la secuencia de los aminoácidos depende del código genético, la forma de la proteína está codificada en el ADN. Las proteínas tienen cuatro niveles de organización. La estructura primaria se refiere a la secuencia lineal de los aminoácidos conectados por los enlaces peptídicos. La estructura secundaria consiste en el empaquetado local de la cadena del polipéptido en α-hélices y β-hojas debido a los enlaces de hidrógeno entre enlace del péptido – espina dorsal central del carbono. La estructura terciaria (3D) es una forma resultante del plegamiento de estructuras secundarias determinadas por interacciones entre cadenas laterales de aminoácidos., La estructura cuaternaria describe la disposición de las cadenas polipeptídicas en la disposición de subunidades múltiples.

este video muestra los 4 niveles de estructura proteica.
adaptado del Banco de datos de RCSBProtein bajo licencia CC-BY

todo lo que se necesita para dar una forma única a una proteína y, por lo tanto, una función única está «escrito» en un fragmento del ADN conocido como gen. Cada vez que se transcribe un gen, ya sea a lo largo de la vida de la célula o en cualquier célula que tenga el mismo ADN, natural o recombinante, las proteínas aparecen por igual y asumen su función preprogramada.,

estructura primaria de las proteínas

Las proteínas son la clase más importante y versátil de macromoléculas en la célula. Los roles que desempeñan estas moléculas abarcan desde el transporte de nutrientes, catalizando reacciones bioquímicas hasta ser componentes estructurales de las células o motores moleculares. Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos conectados por enlaces peptídicos. Se sintetizan a partir de la cadena plantilla de ADN y contienen secuencias de aminoácidos únicas y específicas en una forma lineal conocida como estructura primaria.,

solo veinte aminoácidos son necesarios y suficientes para generar miles de proteínas en una célula. Eso no significa que solo haya veinte aminoácidos. Este es un error común. Hay innumerables aminoácidos que existen en el mundo, pero están involucrados en otras reacciones metabólicas pero no en la síntesis de proteínas. Cómo la proteína individual obtiene su identidad radica en la combinación ordenada de aminoácidos, que determina todas sus características.

Los aminoácidos que están conectados por un enlace peptídico se denominan cadena polipeptídica., La cadena polipeptídica está compuesta por una secuencia de aminoácidos dictada por el gen. Una secuencia de las cadenas de aminoácidos proporciona diversidad vital para satisfacer las demandas de la vida. La conservación de secuencias proteicas específicas es tan importante que la célula cuenta con mecanismos reguladores para garantizar que solo se produzcan proteínas perfectas. Cada secuencia separada tiene un orden único que transmite una función muy única. Si tuvieras que cambiar una sola disposición de la cadena, entonces esa cadena tendría una función completamente diferente., La función de la proteína puede ponerse en peligro o perderse por completo si la secuencia está fuera de servicio. Pero no todas las mutaciones o modificaciones de proteínas conducen a consecuencias desastrosas. Algunos de ellos hacen que la célula y el organismo se ajusten mejor a las presiones ambientales, un proceso que ustedes conocen como evolución.

las propiedades de los aminoácidos y sus diferencias de cadena lateral

Los aminoácidos tienen la misma estructura de base, lo que es importante para la formación adecuada de enlaces químicos entre las moléculas adyacentes. Cada aminoácido tiene un carbono Central designado como El α-carbono., El α-carbono siempre tiene los siguientes cuatro grupos unidos a él:

  1. –NH2 un grupo amino básico
  2. –COOH un grupo ácido (conocido como grupo carboxilo)
  3. –H un átomo de hidrógeno
  4. –r una cadena lateral

-r simboliza la cadena lateral variable, que es el único grupo químico que difiere entre los veinte aminoácidos. Esencialmente, la cadena lateral hace que el aminoácido sea único y puede considerarse como su huella digital.,

la propiedad más importante de los aminoácidos que afecta el plegamiento y posteriormente la función de toda la molécula de proteína es su interacción conocida y predecible con el agua. Los aminoácidos pueden, por lo tanto, dividirse en grupos hidrofílicos e hidrofóbicos. Los aminoácidos hidrofóbicos, también conocidos como no polares, tienen hidrocarburos saturados como sus cadenas laterales. Estos aminoácidos son alanina, valina, metionina, leucina e isoleucina y dos aminoácidos con anillos aromáticos triptófano y fenilalanina., Los aminoácidos hidrofóbicos no polares juegan un papel esencial en el plegamiento de proteínas porque tienden a juntarse y agruparse lejos del agua. Estos aminoácidos generalmente forman dominios transmembrana y se encuentran profundamente enterrados en el interior hidrofóbico de la mayoría de las proteínas globulares.

los aminoácidos hidrofílicos interactúan fácilmente con el agua. Este grupo incluye aminoácidos que se ionizan y se cargan eléctricamente (tanto negativa como positivamente) tras la disociación y aminoácidos que son polares pero sin carga., Los aminoácidos que tienen cadenas laterales con un grupo carboxilo además del grupo carboxilo en α-carbono utilizado en la formación de enlace peptídico llevan una carga negativa. Estos residuos son ácido glutámico y ácido aspártico – observe que sus nombres en realidad contienen el término «ácido» debido a la presencia de dos grupos carboxilo.

Las cadenas laterales de lisina, arginina e histidina tienen grupos básicos fuertes y están cargadas positivamente. Los aminoácidos hidrofílicos que son polares pero sin carga son asparagina, glutamina, serina, treonina y tirosina., Las cadenas laterales hidrofílicas y cargadas de aminoácidos están expuestas en la superficie de la proteína y están especialmente extendidas en bolsas enzimáticas o moléculas de transporte. Las cargas eléctricas expuestas transmiten la naturaleza y la actividad de la proteína a otras moléculas y actúan como imanes que atraen fuerzas similares para interactuar.

varios aminoácidos contribuyen a la estructura de la proteína debido a las características únicas características de sus cadenas laterales. La estructura de prolina difiere de los otros aminoácidos en el hecho de que su cadena lateral está unida al nitrógeno, así como al carbono central., Este aminoácido es químicamente no reactivo (hidrofóbico), pero debido a su anillo de cinco miembros, interrumpe la geometría de una proteína plegable causando cambios abruptos a la conformación mediante la introducción física de torceduras y curvas a una cadena polipeptídica. La glicina no tiene cadena lateral en absoluto, solo un segundo átomo de hidrógeno unido al α-carbono. No exhibe un fuerte carácter polar o electronegatividad, se ve típicamente en lugares donde partes de la cadena de polipéptidos se doblan y se acercan entre sí.

la cisteína es un aminoácido comúnmente conocido por afectar en gran medida la estructura de la proteína., Tiene un grupo sulfhidrilo responsable de la formación de enlaces disulfuro que estabilizan la estructura terciaria de las proteínas y contribuye en gran medida a las funciones moleculares que aprenderá más adelante en este texto.

la estructura secundaria y todos los bucles

¿Cómo sabemos cómo se ven realmente las proteínas cuando se pliegan? Hay dos métodos que nos permiten vislumbrar la estructura de la proteína; la difracción de rayos X y la resonancia magnética nuclear (RMN)., El método de difracción de rayos X produce un mapa de contorno tridimensional de los electrones en un cristal de proteína basado en cómo los rayos x rebotan cuando pasan a través de la muestra. La RMN mide el espaciamiento entre las proteínas en una solución saturada y la información sobre las restricciones de espacio se utiliza para determinar las estructuras de pliegue de cada proteína. Estas dos pruebas juntas nos ayudan a entender cuál es la forma plegada de una proteína.

la forma de una proteína está determinada únicamente por la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica. Así es; ES como el ADN, el código único hace un diseño único., El plegamiento de proteínas es el resultado de las propiedades físicas de las cadenas laterales de los aminoácidos y sus interacciones con el entorno que las rodea. Las proteínas se pliegan en la forma más eficiente de la energía llamada estado nativo en varios pasos o niveles en la estructura de la proteína.

plegamiento y arquitectura de proteínas

cuando se expone a las condiciones en el citosol o lumen de la sala de emergencias, las cadenas polipeptídicas asumen una organización localizada llamada estructura secundaria que optimiza las interacciones entre las cadenas laterales de aminoácidos entre sí y el agua., La columna vertebral del polipéptido se pliega en espirales y cintas de, respectivamente, hélices α y hojas β. Tanto α-helix como β-sheet son segmentos del polipéptido que tienen una geometría regular y están entrelazados con giros suaves y no tan suaves, y separados por bucles menos organizados.

Alpha helix es una estructura que empaqueta α-carbonos con rotación que proporciona ángulos favorables para la formación de fuertes enlaces de hidrógeno y un embalaje apretado de cadenas laterales. Las láminas Beta son estructuras planas compuestas de varias hebras β unidas a las hebras β vecinas a través de enlaces de hidrógeno., En las hojas β, la cadena polipeptídica puede correr en la misma dirección (paralela) o opuesta (anti-paralela). Los enlaces de hidrógeno son más estables cuando la hoja β Tiene filamentos anti-paralelos en lugar de paralelos. Las hojas paralelas tienden a estar enterradas dentro de la estructura proteica. Las estructuras secundarias están conectadas por estiramientos no estructurados formando múltiples bucles.

La estructura terciaria de la proteína

Hay muchas maneras en las estructuras secundarias pueden agrupar en 3D gran celosía., La estructura terciaria de la proteína es una combinación tridimensional de hélices α y hojas β que se pliegan una junto a la otra como resultado de las interacciones no covalentes entre los grupos secundarios de los aminoácidos y el entorno que rodea al polipéptido individual. En esta etapa, las proteínas comienzan a solidificar su estructura mediante enlaces adicionales como enlaces disulfuro entre dos cisteínas. La característica más importante de las estructuras terciarias es la presencia de regiones conservadas con funciones similares conocidas como dominios funcionales., Las estructuras terciarias son menos estables y, de hecho, la mayoría de ellas cambian de forma durante la vida útil de la proteína, a menudo varias veces. Los cambios conformacionales dentro de estos dominios funcionales son la base para la función de la proteína. Pueden ser permanentes durante el plegado y maduración de la proteína o reversibles y sirven como una forma de regular la actividad de la proteína en una escala de reacción por reacción. Los dominios proteicos son regiones de actividad similar. No necesariamente tienen una secuencia conservada., Por ejemplo, un dominio quinasa, responsable de unir el grupo fosfato tiene una forma y secuencia diferente, dependiente del sustrato al que se une el grupo fosfato. Las estructuras secundarias que forman dominios no tienen que estar secuencialmente en una cadena polipeptídica. Incluso podrían ser partes de varios polipéptidos diferentes en el caso de proteínas multiméricas.

Los motivos son un subgrupo de dominios funcionales que tienen secuencias conservadas evolutivamente, dándoles, por supuesto, forma conservada., Un ejemplo, los motivos en espiral son superestructuras muy regulares de dos hélices α emparejadas para formar la configuración fibrosa que es la base de dímeros estables. Por lo general, hay dos hélices α idénticas envueltas una alrededor de la otra en una conformación zurda y estabilizadas por interacciones hidrofóbicas. Los enlaces iónicos intermoleculares entre cadenas laterales en una hélice α, Con 3,6 residuos separados, dan a los residuos hidrofóbicos espacio para interactuar con un motivo similar en la proteína opuesta.,

estructura cuaternaria

la estructura cuaternaria es el resultado de un ensamblaje de dos o más polipéptidos en una proteína multimérica funcional. Las subunidades se ensamblan por interacciones entre dominios o regiones en la proteína y se mantienen unidas por interacciones hidrofóbicas (dos espejos húmedos) y enlaces disulfuro., Si las subunidades son las mismas la estructura se describe con el prefijo homo y si son diferentes con el prefijo hetero (como en el homodímero de glucógeno fosforilasa muscular o como en las proteínas G heterotriméricas)

los procesos intracelulares como la señalización dependen de la interacción entre moléculas. Cuanto mejor sea el ajuste molecular entre dos moléculas, más enlaces pueden formar, o más fuerte es la interacción (afinidad entre ellas). La secuencia de aminoácidos dictada por un gen, y a su vez las propiedades de las cadenas laterales de los aminoácidos deciden sobre la forma y a su vez sobre las interacciones.

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