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Clasificación estructural de proteínas
La enorme diversidad de secuencias que presentan las proteínas haría pensar, en principio, que las posibilidades estructurales de las mismas son asimismo enormes. Sin embargo, el rápido progreso en el conocimiento de estructuras tridimensionales nos ha hecho ver que en la estructura de proteínas hay mucha más regularidad que la esperada. De esta forma, hay ya varios intentos de clasificación de proteínas según su estructura tridimensional; según sus autores, más del 90 % de las proteínas actualmente conocidas caben dentro de estas clasificaciones. En Internet disponemos de varias clasificaciones estructurales de proteínas. Entre otras, están SCOP y CATH.
La clasificación SCOP (Structural Classification of Proteins) mantenida por los Dres. Alexey G. Murzin, Bartlett G. Ailey, Steven E. Brenner, Tim J.P. Hubbard, and Cyrus Chothia , de la Universidad de Cambridge (MRC Laboratory of Molecular Biology and Centre for Protein Engineering, Hills Road, Cambridge, CB2 2QH, England), muy completa y que suele ser la utilizada por otras bases de datos, como el Protein Data Bank; y
La clasificación CATH (Protein Structure Classification) , creada por los Dres. C.A. Orengo, A.D. Michie, . S. Jones, M.B. Swindells, G. Hutchinson, A. Martin, D.T. Jones, y J.M. Thornton, del University College de Londres (Biomolecular Structure and Modelling Unit, University College, London), muy parecida a la anterior en los grandes apartados, pero que por su mayor sencillez se adapta mejor a un entorno docente. En esta presentación seguiremos la sistemática CATH.
El objeto de la clasificación CATH (así como en SCOP) es el dominio, es decir, la unidad básica de estructura terciaria en las proteínas. La jerarquía "taxonómica" en esta clasificación es la siguiente:
- I. Clase (nivel C): Es la jerarquía mayor en la clasificación, y corresponde a una descripción de la estructura secundaria globalmente considerada; así, hay tres clases básicas: (C1) Pricipalmente a; (C2) Principalmente b; (C3) a-b, más otro apartado que engloba a proteínas con poca o ninguna estructura secundaria.
- II. Arquitectura (nivel A): Describe la forma global de empaquetamiento de las estructuras secundarias dentro del dominio, pero sin ofrecer distinciones en cuanto a conectividad de los distintos elementos. Así, por ejemplo, el barril de la Triosa fosfato isomerasa que hemos visto en módulos anteriores correspondería a una arquitectura específica dentro de la clase a-b.
- III. Topología (nivel T): En este nivel describimos la conectividad de los distintos elementos dentro de las diversas arquitecturas. No entraremos en este nivel en esta presentación.
- IV. Superfamilia de homología (nivel H): Aquí entraríamos en consideraciones de homología de estructura primaria; las distintas categorías en este nivel se refieren a grupos de proteínas (superfamilias) con una homología de secuencias tal que remiten a un antepasado filogenético común. Tampoco entraremos en este nivel.
Pasamos por lo tanto a enumerar, con ejemplos, las clases y arquitecturas descritas en la clasificación CATH.
Clase: Proteínas preferentemente a
En estas proteínas la estructura secundaria en a-helicoide es predominante (Más de un 50 % a y menos de un 5 % b). Se distinguen tres arquitecturas distintas en esta clase:
Arquitectura: No fasciculada. Los a-helicoides no están dispuestas en haces, sino que se agrupan libremente dentro de una estructura globular. El ejemplo es la Eritrocruorina, una proteína que pertenece a la misma familia que las hemoglobinas y la mioglobina.
En la que podemos ver su estructura secundaria:
Arquitectura: Fasciculada. Los a-helicoides están dispuestas en haces, de manera que forman entre sí ángulos de 0º o 180º. Tenemos un ejemplo en el Citocromo C', proteína implicada en el transporte electrónico mitocondrial:
En la que podemos ver su estructura secundaria:
Arquitectura: Proteínas pequeñas helicoidales. Estas proteínas constan solamente de uno o dos helicoides. Un ejemplo es la Proteína de cubierta de Inovirus (ICP). El inovirus es un virus bacteriano (bacteriófago) filamentoso.
Estructura secundaria:
Clase: Proteínas preferentemente b
En esta clase la estructura secundaria fundamental es la beta, agrupada en láminas. Se define con los siguientes valores límite: más del 50 % en b y menos del 5 % en a. Comprende 17 arquitecturas distintas, que pasamos a presentar:
Arquitectura: Cinta . Es una clase amplia, que comprende una serie de láminas b, con una forma global elongada. Un ejemplo es el Activador del Plasminógeno, proteína implicada en el proceso de fibrinolisis.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Lámina simple. Se trata de proteínas cuya estructura es una simple lámina b, con una pequeña curvatura. Un ejemplo es la Heregulina, factor de crecimiento relacionado con el Factor de Crecimiento Epidérmico o EGF
Estructura secundaria:
Arquitectura: Rollo. Se trata de una sola lámina muy curvada, pero que no llega a formar un barril. Tenemos un ejemplo en la Fosfatidil Inositol 3-kinasa, enzima implicada en el sistema de transducción de señales de los inositol fosfatos.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Barril. Consta de una lámina b antiparalela formando una estructura cerrada; contiene de 6 a 16 tramos en b. Un ejemplo es la Porina, proteína integral de membrana que forma poros en la misma con un límite de exclusión de 600 Da:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Concha. Es una gran lámina b doblada en forma de concha, con unas pocas a-hélices alrededor. Esta curiosa estructura aparece en la Proteína A portadora de bacterioclorofila, presente en bacterias fotoautotrofas:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa bb. Dos láminas empaquetadas formando un "sandwich" de dos capas. Es el motivo típico de los dominios de las inmunoglobulinas. Tenemos un ejemplo en la b-2-Microglobulina, antígeno humano de histocompatibilidad Clase I Aw 68.1 (Hla-Aw 68.1, Antígeno Leucocitario Humano):
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa distorsionada. Dos láminas empaquetadas formando un "sandwich" de dos capas, como en el caso anterior, pero con mayor desorden y una curvatura significativa. Un ejemplo sería la Proteína Reguladora del Complemento, que participa en la activación de este sistema de defensa.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Trifolio. Tres horquillas b dobladas en torno a su punto medio, que se combinan en parte para formar una estructura de barril b central. Por ejemplo, el Factor de Crecimiento del Fibroblasto, importante factor de crecimiento tisular.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Prisma Ortogonal. 3 láminas paralelas dispuestas como las caras de un prisma trigonal. Los tramos b de cada lámina discurren perpendicularmente al eje del prisma. Un ejemplo es la Aglutinina de Galanthus nivalis, lectina vegetal capaz de fijar manósidos.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Prisma Alineado. 3 láminas paralelas dispuestas como las caras de un prisma trigonal. Los tramos b de cada lámina discurren paralelamente al eje del prisma. Tenemos un ejemplo en la Proteína de membrana vitelina:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Hélice de cuatro aspas. Se trata de cuatro láminas b dispuestas radialmente como las aspas de una hélice. Cada una de las aspas aparece retorcida incluso hasta 90º. Es el caso de la Hemopexina, proteína plasmática encargada del transporte de porfirinas en la sangre.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Hélice de seis aspas. Se trata de seis láminas b dispuestas radialmente como las aspas de una hélice. Es el caso de la Neuraminidasa, enzima que elimina residuos de ácido siálico a partir de oligosacáridos.
Estructura secundaria:
Arquitectura: Hélice de siete aspas. Se trata de siete láminas b dispuestas radialmente como las aspas de una hélice. Es el caso de la enzima Metilamina deshidrogenasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Hélice de ocho aspas. Se trata de ocho láminas b dispuestas radialmente como las aspas de una hélice. Es el caso de la enzima Metanol deshidrogenasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Solenoide (2). Se trata de dos láminas b planas empaquetadas de manera muy próxima. Se distingue de las estructuras multicapa por su conectividad, dado que la cadena alterna continuamente entre las dos láminas, y de ahí el término solenoide. Recibe a veces también el nombre de hélice b. Un ejemplo es la enzima Proteasa alcalina:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Solenoide (3). Se trata de tres láminas b planas en las que la cadena alterna continuamente entre las tres láminas, dando vueltas en torno al eje principal. Tenemos un ejemplo en la enzima Pectato liasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Compleja. En este caso es una estructura predominantemente b, pero de complejidad tal que no puede ser clasificada en ninguna de las categorías anteriores. Es el caso de la Proteinasa ácida:
Estructura secundaria:
Clase: Proteínas a y b
Se trata de proteínas que contienen zonas en a-hélice (entre un 15 % y un 55 %) y zonas en estructura b (entre un 10 % y un 45 %). Dentro de esta clase, otras clasificaciones, como SCOP, hacen distinción entre proteínas a/b, en las que ambas estructuras presentan una conectividad grande, y proteínas a y b, en las que aparecen separadas dentro del mismo dominio las zonas en a y las zonas en b. Veamos a continuación las principales arquitecturas de esta clase.
Arquitectura: Rollo. Suele haber una lámina b con cierta curvatura, que a veces rodea a la estructura en a-hélice. Por ejemplo, la enzima Escitalona dehidratasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Barril. Una lámina b paralela formando un cilindro central y cuyos tramos están unidos por a-hélices. Es el conocido "barril b" de la triosa fosfato isomerasa. Otro ejemplo es la enzima endo-1,4-b-Glucanasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa (2 capas, ba). Si la lámina b es suficientemente plana, podemos describir la estructura como dos capas: una es la lámina b y la otra las a-hélices. Por ejemplo, el inhibidor natural Barstar de la ribonucleasa barnasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa (3 capas, aba). Se trata de tres capas a-b-a. Podemos poner como ejemplo la Gen Regulatory Protein:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa (3 capas, bba). Estructura multicapa en la que sucesivamente hay una lámina b, otra lámina b y una tercera capa con a-hélices, por este orden. Por ejemplo, la subunidad B de la enzima Carboxi liasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Multicapa (4 capas, abba). Como en los casos anteriores, pero con cuatro capas: dos de a-hélices en los extremos y dos láminas b en el centro. Con esta arquitectura tenemos la Desoxirribonucleasa I:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Caja. Se trata de una lámina b extensa, algo curvada, y en cuyos extremos hay dos láminas más pequeñas, dando al conjunto una forma de caja. En el centro de la misma hay varias a-hélices. Es el caso del Antígeno nuclear de células proliferantes:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Herradura. Es una estructura con una lámina b muy ordenada, y curvada como una herradura, con a-hélices flanqueantes dispuestas asimismo de una forma muy ordenada. Por ejemplo, el Inhibidor de Ribonucleasa:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Compleja. En este tipo agrupamos aquellas proteínas a-b cuya estructura es demasiado compleja como para entrar en cualquiera de las categorías anteriores. Así, el Citocromo P450 CAM:
Estructura secundaria:
Arquitectura: Péptidos pequeños b. Agrupamos aquí a péptidos pequeños Estructura secundaria principalmente b. Por ejemplo, la subunidad A de la enzima Carboxi liasa:
Estructura secundaria:
Clase: Proteínas con estructura secundaria escasa
Se trata de proteínas con poca o ninguna estructura secundaria. Todas las proteínas de esta clase se agrupan en una sola arquitectura:
Arquitectura: Irregular. Tenemos un ejemplo en la subunidad B de la Lectina de guisante:
Estructura secundaria: