miniatura|350px|dereita|Estruturas das proteínas.
A estrutura das proteínas describe os varios niveis de organización das moléculas de proteínas. Refírese ao conxunto de propiedades de disposición no espazo das moléculas de proteína, as cales proceden en último extremo da súa secuencia de aminoácidos, e das características físicas do medio que as rodea e a presenza de compostos simples ou complexos que as estabilicen e/ou induzan nelas un pregamento específico, distinto do esperado espontaneamente. Por tanto, deriva dos seus compoñentes, é dicir, da propia estrutura dos aminoácidos concretos que as compoñen, de como interaccionan quimicamente estes, de forma xerarquizada e específica, e está relacionada co destino celular e a función biolóxica que exercen.
Termodinámica do pregamento
En condicións fisiolóxicas, o proceso de pregamento dunha proteína globular está claramente favorecido termodinamicamente, é dicir, o incremento de enerxía libre global do proceso debe ser negativo (aínda que algún dos seus pasos pode ser positivo). Este cambio atínxese equilibrando unha serie de factores termodinámicos como a entropía conformacional, as interaccións carga-carga, as pontes de hidróxeno internas, as interaccións hidrófobas e as interaccións de van der Waals. .
Entropía conformacional Defínese entropía conformacional do pregamento como a diminución da entropía (da aleatoriedade) durante o paso desde unha multitude de conformacións de nobelo aleatorio ata unha única estrutura pregada. A enerxía libre, representada na ecuación ΔG = ΔH - T ΔS, demostra que o ΔS negativo realiza unha contribución positiva a ΔG. É dicir, o cambio de entropía conformacional oponse ao pregamento. Por tanto, o ΔG global, que debe ser negativo, débese a que ou ben ΔH é negativo e grande ou a algún outro aumento da entropía co pregamento. Na práctica danse ambas as cousas.
A orixe do ΔH negativo é o cúmulo de interaccións favorables enerxeticamente que se dan no interior do glóbulo proteico, interaccións que adoitan a non ser covalentes.
Interaccións entre cargas
As interaccións carga-carga danse entre grupos polares e cargados das cadeas laterais dos aminoácidos compoñentes do polipéptido, xa que os grupos carboxilo e amino do carbono alfa están implicados no enlace peptídico e non interveñen nelas. Deste modo, ditos grupos ionizados atráense e forman un equivalente ao que serían sales entre os residuos do polipéptido: de feito, denomínanse ás veces pontes salinas. Ditas interaccións desaparecen cando o pH do medio fai que se perda o estado de ionización do grupo, e esta é unha das causas da desnaturalización rápida das proteínas cando se engaden ao medio ácidos ou bases, o que fai que as proteínas deban estar nun medio cun pH tamponado e moderado, que é o fisiolóxico, agás excepcións, como pode ser, por exemplo, o interior do lisosoma.
Enlaces de hidróxeno internos
miniatura|Dúas moléculas enlazadas por medio de catro pontes de hidróxeno, representadas por liñas de puntos.
As cadeas laterais de moitos aminoácidos compórtanse como doadores ou como aceptores de enlaces de hidróxeno (por exemplo, no caso dos grupos hidroxilo da serina e os grupos amino da glutamina, por exemplo). Ademais, se os protóns das amidas ou os carbonilos do armazón polipeptídico non están implicados no enlace peptídico, poden interaccionar tamén neste tipo de unións estabilizadoras.
Aínda que os enlaces de hidróxeno son febles en disolución acuosa, o seu gran número pode estabilizar a estrutura terciaria das proteínas.
Interaccións de van der Waals
O denso empaquetamento no núcleo das proteínas globulares facilita a interacción feble entre grupos moleculares sen carga. Ditos enlaces son de baixa enerxía, mais o seu abundante número compensa a súa debilidade. Cada interacción individual só contribúe nuns poucos kilojoules á entalpía de interacción negativa global. Pero a suma de todas as contribucións de todas as interaccións si que pode estabilizar a estrutura pregada. Deste xeito, unha contribución enerxética favorable feita pola suma das interaccións intramoleculares compensa de modo máis que suficiente a entropía desfavorable do pregamento.
Interaccións hidrófobas
Por definición, calquera substancia hidrófoba en contacto coa auga provoca que esta se afaste e se agrupe en estruturas denominadas clatratos. Esta ordenación corresponde a unha diminución da entropía do sistema. No caso das proteínas, os residuos hidrófobos dos aminoácidos quedan orientados, no seu pregamento, cara ao interior da molécula, en contacto con outros residuos semellantes e lonxe da auga. En consecuencia, a disposición cara ao interior dos grupos hidrófobos aumenta a aleatoriedade do sistema "proteína máis auga" e, por tanto, produce un aumento de entropía ao dobrarse. Este aumento de entropía produce unha contribución negativa á enerxía libre do pregamento e aumenta a estabilidade da estrutura proteica.
Función das pontes disulfuro
miniatura|Molécula de cistina, orixinada pola condensación de dúas cisteínas por medio dun enlace disulfuro.
A estabilización da proteína recentemente pregada pode acontecer por medio da formación de pontes disulfuro entre residuos do aminoácido cisteína adxacentes ou enfrontados. Dito procesamento prodúcese en moitos casos no lume do retículo endoplasmático por acción do encima proteína disulfuro isomerase, presente en todas as células eucariotas. Dito encima, que cataliza a oxidación dos grupos sulfhidrilo ou grupos tiol (-SH2) dos residuos de cisteína, é especialmente abondosa en órganos como o fígado ou páncreas, onde se producen pequenas cantidades de proteínas que conteñen este tipo de enlaces. PMID 14444674
Niveis de estruturación
miniatura|Representación da estrutura proteica a tres niveis: arriba, o primario, que depende da composición de aminoácidos; no centro, o secundario, definido polas estruturas en hélice alfa, folla beta e semellantes; e abaixo o terciario, que depende de todos os aspectos volumétricos. A estrutura das proteínas pode xerarquizarse nunha serie de niveis, interdependentes. Estes niveis corresponden a catro estruturas: Estrutura primaria, que corresponde á secuencia de aminoácidos. Estrutura secundaria, que provoca a aparición de motivos estruturais. Estrutura terciaria, que define a estrutura das proteínas compostas por un só polipéptido. Estrutura cuaternaria, cando intervén máis dun polipéptido.
Estrutura primaria
A estrutura primaria das proteínas refírese á secuencia de aminoácidos, é dicir, a combinación lineal dos aminoácidos por medio dun tipo de enlace covalente, o enlace peptídico. Os aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos, e unha das súas características máis importante é a coplanaridade dos radicais constituíntes do enlace.
A estrutura lineal do péptido definirá en grande medida as propiedades de niveis de organización superiores da proteína. Esta orde é consecuencia da información do material xenético: Cando se produce a tradución da información contida no ARN (copia complementaria dun xene de ADN) obtense a orde de aminoácidos que van dar lugar á proteína. Pódese dicir, por tanto, que a estrutura primaria das proteínas non é máis que a orde dos aminoácidos que as conforman.
Estrutura secundaria
A estrutura secundaria das proteínas é a disposición espacial local do esqueleto proteico, grazas á formación de pontes de hidróxeno entre os átomos que forman o enlace peptídico, é dicir, un tipo de enlace non covalente, sen facer referencia á cadea lateral. Existen diferentes tipos de estrutura secundaria: Estrutura secundaria ordenada, (tramos repetitivos onde se encontran as hélices alfa e cadeas beta, e non repetitivos onde se encontran os xiros beta e comba beta). Estrutura secundaria non ordenada.
Os motivos máis comúns son a hélice alfa e a folla beta.
Hélice alfa miniatura|dereita|100 px|Hélice alfa. Os aminoácidos nunha hélice α están dispostos nunha estrutura helicoidal dextroxira, cuns 3,6 aminoácidos por volta. Cada aminoácido supón un xiro duns 100° na hélice, e os carbonos α de dous aminoácidos contiguos están separados por 1,5Å. A hélice está estreitamente empaquetada, de forma que non hai case espazo libre dentro da hélice. Todas as cadeas laterais dos aminoácidos están dispostas cara ao exterior da hélice.
O grupo amino do aminoácido (n) pode establecer un enlace de hidróxeno co grupo carbonilo do 4º aminoácido seguinte (n+4). Desta forma, cada aminoácido (n) da hélice forma dúas pontes de hidróxeno cos grupos C=O e N-H do seu enlace peptídico e os do 4º aminoácido anterior e o 4º posterior (n+4 e n-4). En total son 7 enlaces de hidróxeno por volta. Isto estabiliza enormemente a hélice.
Folla beta
A folla ou lámina beta fórmase polo posicionamento paralelo de dúas cadeas de aminoácidos dentro da mesma proteína, no que os grupos amino dunha das cadeas forman enlaces de hidróxeno cos grupos carboxilo da oposta. É unha estrutura moi estable que pode chegar a orixinarse por unha rotura dos enlaces de hidróxeno durante a formación da hélice alfa. As cadeas laterais desta estrutura están situadas sobre e baixo o plano das láminas. Ditos substituíntes non deben ser moi grandes, nin crear un impedimento estérico, xa que se vería afectada a estrutura da lámina.
Estrutura terciaria
É o modo en que a cadea polipeptídica se prega no espazo, é dicir, como se enrola unha determinada proteína, xa sexa globular ou fibrosa. É a disposición dos dominios no espazo.
A estrutura terciaria establécese de maneira que os aminoácidos apolares se sitúan cara ao interior e os polares cara ao exterior en medios acuosos. Isto provoca unha estabilización por interaccións hidrófobas, de forzas de van der Waals e de pontes disulfuro Lehninger, Albert (1993). Principles of Biochemistry, 2nd Ed. Worth Publishers. ISBN 0-87901-711-2. (covalentes, entre aminoácidos de cisteína convenientemente orientados) e por medio de enlaces iónicos.
Estrutura cuaternaria
miniatura|A hemoglobina é unha proteína tetramérica que acostuma empregarse como exemplo de proteína con estrutura cuaternaria.
A estrutura cuaternaria deriva da conxunción de varias cadeas peptídicas que, asociadas, conforman un ente multimérico, que posúe propiedades distintas ás dos monómeros que o compoñen. Ditas subunidades asócianse entre si por medio de interaccións non covalentes, como poden ser pontes de hidróxeno, interaccións hidrófobas ou pontes salinas. Para o caso dunha proteína constituída por dous monómeros, un dímero, este pode ser un homodímero, se os monómeros constituíntes son iguais, ou un heterodímero, se non o son.
Ángulos de rotación e representacións de Ramachandran dereita|miniatura|Ángulos de rotación na cadea peptídica. A convención da dirección de rotación positiva móstrase polo sentido da frecha.
Nunha cadea polipeptídica defínense dous enlaces do armazón que poden rotar: un é o enlace entre o nitróxeno e o Cα, e o outro o enlace entre o Cα e o osíxeno do carbonilo. Ambos os dous definen dous ángulos de rotación:
O ángulo de rotación φ, definido polos catro átomos sucesivos do esqueleto CO-NH-Cα-CO, que implica a dous aminoácidos. O ángulo de rotación ψ, definido polos catro átomos sucesivos do esqueleto: NH-Cα-CO-NH, que implica a dous aminoácidos.
A orientación do eixe de xiro considerada positiva por convención móstrase na imaxe; corresponde á das agullas do reloxo.
Existen dúas excepcións nos aminoácidos que se representan nestes diagramas: a glicina, que carece dun substituínte (só ten un H), e a prolina, cíclica debido a ter unha estrutura tipo pirrol, non cumpren os requisitos requiridos para unha representación convencional Carl-Ivar Brändén, John Tooze (trad. Bernard Lubochinsky, préf. Joël Janin), Introduction à la structure des protéines, De Boeck Université, Bruxelles, 1996 ISBN 2-8041-2109-7