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Estructura secundaria




Ángulos de conformación o torsión

Veamos la estructura de un tripéptido en el que las cadenas laterales se representan como átomos de color verde:

Los átomos de los dos enlaces peptídicos se encuentran en el mismo plano (el enlace peptídico no permite rotación). Sin embargo, es posible la rotación en el enlace N-Ca y C-Ca, conocidos como ángulos de torsión or conformación. El ángulo Y (Psi) es la torsión en torno al enlace entre Ca y el carbono del grupo -C=O; el ángulo F (Phi) es la torsión entre el nitrógeno (N) y el Ca.

El tripéptido aparece en pantalla con los valores F=60º y Y=180º.

El ángulo F es la torsión entre el N del enlace peptídico y el Ca siguiente:

El ángulo Y es la torsión entre el C del enlace peptídico y el Ca previo:

No todos los valores posibles aparecen en las proteínas. Por ejemplo, valores de F=0º y Y=0º, F=180º y Y=0º o F=0º y Y=180º nunca se ven en las proteínas. Estos valores muestran Impedimento estérico, esto es, solapamiento entre átomos. Por el contrario, algunos valores son muy frecuentes, por ejemplo:

  • Valores de F = -57º, Y= -47º. Son los valores del a-helicoide dextrógiro:
  • Valores de F = -119º, Y= 113º. Estos valores corresponden a la Lámina b paralela:
  • Valores de F = -139º, Y= 135º. Estos valores corresponden a la Lámina b antiparalela:

La conformación espacial de una proteína es tal que algunos ángulos de conformación son preferidos (ver Representación de Ramachandran en el texto). Estos valores representan no sólo un mínimo de impedimento estérico, sino tambiénj la conformación que maximiza la formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos -C=O y -N-H de los diferentes enlaces peptídicos. La estructura resultante es lo que llamamos Estructura Secundaria. La estructura secundaria puede ser de tres tipos principales: Helicoides, Láminas y Giros.




Estructuras secundarias helicoidales

El a-helicoide o a-hélice

Para valores de F=-57º y Y=-47º, se maximiza la posibilidad de formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos de la unión peptídica, dando lugar a una estructura helicoidal dextrógira. Sea un hexadecapéptido teórico, en el cual vamos sucesivamente rotando F= -57º y Y= -47º en torno a cada carbono a. La estructura que se obtiene es el a-helicoide o a-hélice:

en la cual los aminoácidos se disponen según un helicoide dextrógiro regular, con las cadenas laterales (representadas por átomos de color verde) dirigidas hacia el exterior de la hélice, con las siguientes características:

  • Un paso de rosca de 0.54 nm
  • Una traslación media por residuo de 0.15 nm, medidos a lo largo del eje principal de la hélice.
  • Un número de residuos por vuelta igual a 3.6

De esta manera, el grupo -C=O del aminoácido n forma un enlace de hidrógeno con el -N-H del aminoácido situado en la posición n+4:

El a-helicoide recibió su nombre a partir de los estudios de Pauling y Corey, que propusieron esta estructura para las a-queratinas, proteínas fibrosas que constituyen el principal contingente del pelo, de las uñas y de otros derivados dérmicos. Una proteína del citoesqueleto de estructura análoga a las a-queratinas es la Vimentina:

Otras proteínas fibrosas cuya estructura es en gran parte a-helicoidal son la Miosina del músculo y el Fibrinógeno del plasma sanguíneo:



Ahora bien, hay que tener en cuenta que el a-helicoide no es en modo alguno exclusivo de las proteínas fibrosas; una gran cantidad de proteínas globulares presentan asimismo tramos de estructura en a-helicoide. De hecho es la estructura secundaria más frecuente en todas las proteínas. Podemos ver un ejemplo en la Mioglobina, proteína de almacenamiento de oxígeno en el músculo y de estructura análoga a las subunidades de la hemoglobina:

Con su grupo prostético hemo B:

Veamos asimismo la hormona peptídica Glucagon, cuya estructura secundaria consiste en un único a-helicoide:

Aun cuando las cadenas laterales de los aminoácidos se dirigen hacia fuera de la estructura, según veíamos, tienen sin embargo un papel importantísimo en el mantenimiento de la estructura en a-helicoide, de manera que hay cadenas laterales que estabilizan la estructura y otras que la desestabilizan (Ver texto, capítulo 9).

Un caso particularmente interesante es el del aminoácido Prolina. Al ser una amina secundaria, carece de grupo donador -NH para la formación de enlaces de hidrógeno cuando forma parte de una cadena peptídica. Por otra parte, y a diferencia del resto de los aminoácidos, que siempre lo hacen en trans-, la prolina forma enlaces peptídicos en cis- con cierta frecuencia. Por estas razones, la prolina interrumpe la estructura en a-helicoide, dando lugar a un punto de inflexión en la dirección general del helicoide:

En la imagen vemos cómo una prolina interrumpe la estructura en a-helicoide. Se representa únicamente el esqueleto proteico (en verde) y la prolina (en colores cpk), así como los enlaces de hidrógeno (en blanco).


Otras estructuras helicoidales

Con mucha menor frecuencia que el a-helicoide aparece en las proteínas el llamado Helicoide 3.10:

que corresponde a valores de F= -49 y Y=-26, dando lugar a un helicoide más estrecho y alargado, con tres residuos de aminoácido por vuelta y que se repite cada 10 residuos. El patrón de enlaces de hidrógeno se forma de manera que el grupo -C=O del aminoácido n enlaza con el -N-H del aminoácido n+3:

Otra estructura helicoidal, teóricamente posible, pero no observada en la práctica, es el Helicoide p:

más ancho y corto que el a-helicoide, y que corresponde a valores de F=-57 y Y=-70. Los enlaces de hidrógeno se establecen entre n y n+5:

Mucha mayor importancia tienen los helicoides basados en el aminoácido prolina. La estructura del péptido sintético poliprolina muestra un helicoide levógiro, más ancho que el a-helicoide:

Una estructura parecida a la poliprolina, aunque no idéntica, la encontramos en el Colágeno. El Tropocolágeno o Monómero de colágeno presenta un dominio central fibroso formado por tres helicoides levógiros entrelazados similares a la poliprolina:

Esta estructura es la base de las fibras colágenas, de amplísima distribución en los tejidos animales de origen mesoblástico. Podemos distinguir los tres helicoides:



Estructuras secundarias laminares

Los estudios primitivos sobre cristalografía de rayos X de las a-queratinas llevados a cabo por Astbury y su grupo mostraron que el estiramiento en un ambiente húmedo de éstas hacía variar su estructura, por lo que dieron a esta nueva conformación el nombre de Estructura b, y a la proteína así modificada, el nombre de b-queratina.

Los estudios posteriores de Pauling y Corey mostraron que las cadenas polipeptídicas en b- no están plenamente extendidas, sino que corresponden a valores de F entre -115 y -140 y Y entre 110 y 140. El estudio de muchas otras proteínas mediante la representación de Ramachandran mostró que se trata de estructuras muy frecuentes no sólo en las proteínas fibrosas, sino también en las globulares, cuestión plenamente corroborada por el estudio cristalográfico de muchas proteínas.

Las estructuras b corresponden a dos tipos generales; para F=-119º y Y=113º, tenemos la Cadena b paralela:

Y para F=-139º y Y=135º la Cadena b antiparalela:

Los calificativos "paralela" y "antiparalela" aluden al patrón de establecimiento de enlaces de hidrógeno, como veremos a continuación. En ambos casos, la cadena polipeptídica aparece extendida a lo largo del eje N-C.

Mientras que en el a-helicoide los enlaces de hidrógeno se establecen dentro de la propia estructura, las cadenas en b interaccionan con otras cadenas, que pueden pertenecer al mismo polipéptido o a un polipéptido distinto. La interacción tiene lugar con enlaces de hidrógeno establecidos de forma aproximadamente perpendicular al eje principal de la cadena polipeptídica extendida. La interacción puede tener lugar de dos formas:

En un caso, la cadena polipeptídica interacciona con otra, en la misma disposición b, y en las que la dirección N-C es la misma (paralela). La interacción de varias cadenas da lugar a lo que se llama lámina b paralela u Hoja plegada paralela:

En la figura aparecen cuatro cadenas polipeptídicas (las cadenas laterales no se representan) y dirigidas en el mismo sentido (es decir, los términos N están todos al mismo lado y lo mismo para los términos C). Podemos ver cómo se establecen los enlaces de hidrógeno:

La estructura general es la de una hoja o lámina plegada alternativamente; o bien una escalera en la que los carbonos a ocupan los vértices de los diedros sucesivos, y los planos peptídicos ocupan los planos de los escalones. No tiene por qué tener necesariamente cuatro cadenas; pueden ser más o menos. Igualmente, las cadenas que interaccionan para dar esta estructura pueden pertenecer al mismo o distintos polipéptidos.

la representación convencional de las estructuras laminares b es de cintas de color amarillo con la punta de la flecha señalando la dirección N - C:

Cuando las cadenas en b interaccionan de manera que su polaridad es opuesta (es decir, que el término N de una está enfrentado al término C de otra, y así sucesivamente), la estructura que resulta es la Hoja plegada antiparalela:

En la figura aparecen cuatro cadenas polipeptídicas (las cadenas laterales no se representan) y dirigidas en sentido inverso. Podemos ver cómo se establecen los enlaces de hidrógeno:

Podemos ver que en la representación convencional de la hoja antiparalela las flechas aparecen en sentidos alternativamente inversos:

Las estructuras b aparecen, como hemos visto, tanto en proteínas fibrosas como globulares. Entre las primeras tenemos a la Fibroína de la seda:

Se trata de una estructura de varias láminas b antiparalelas superpuestas. Su representación esquemática es:



Un ejemplo de estructura b paralela en proteínas globulares es el llamado Barril b:

Cuya representación esquemática es:

Como ejemplo de una proteína globular con una gran cantidad de estructura b tenemos una cualquiera de las subunidades de la Concanavalina A:

En la que apreciamos el predominio de la estructura b:



Giros

Con mucha frecuencia la cadena peptídica en las proteínas sufre una inflexión brusca, de aproximadamente 180 grados. Estas inflexiones corresponden a una estructura secundaria determinada, estabilizada, como las anteriores, por enlaces de hidrógeno. Dado que con gran frecuencia se presenta asociada a cadenas b, representando un segmento intermedio entre dos tractos sucesivos, recibe el nombre de Giro b:

Téngase en cuenta que en estas imágenes no se representan los átomos de hidrógeno. Podemos ver el enlace de hidrógeno que estabiliza el giro:

Tenemos en pantalla un giro b típico (clase I) constituído por la secuencia NVDN, con un enlace de hidrógeno entre el primero y el cuarto aminoácido.

Algo parecido tenemos en el péptido FHGR:

Con el enlace de hidrógeno que estabiliza el giro:

En este último la tercera posición está ocupada por glicina, aminoácido muy frecuente en los giros b dado su pequeño volumen.

Los giros b se presentan generalmente intercalados entre tractos peptídicos en b. Podemos ver un ejemplo en la siguiente estructura:

Los giros b se representan en color azul:



Resumen

Como compendio de todo lo que acabamos de ver, veremos la estructura del Citocromo P450 CAM:

En la que podemos ver las diferentes estructuras secundarias que hemos estudiado:

  • Los a-helicoides:
  • Las láminas b:
  • Los Giros b:

Y en gris las zonas que no tienen estructura secundaria.


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