Estrutura primaria das proteínas

A estrutura primaria das proteínas e dos péptidos é a secuencia liñal de aminoácidos que compoñen a cadea proteica.^[1] O termo "estrutura primaria" foi acuñado por Linderstrøm-Lang en 1951. Por convención, a estrutura primaria da proteína indícase empezando polo seu extremo amino terminal e acabando no carboxilo terminal. A diferenza das outras estruturas das proteínas (secundaria, terciaria, cuaternaria), a estrutura primaria non é unha disposición no espazo da cadea, senón a súa secuencia de aminoácidos.

A imaxe contén ligazóns clicables

Diagrama interactivo da estrutura das proteínas, que usa como exemplo o PCNA. ( PDB 1AXC )

Unha proteína é unha cadea de aminoácidos. A súa estrutura primaria é a secuencia de aminoácidos da cadea.

Estrutura primaria dos polipéptidos

Artigo principal: Estrutura das proteínas.

Os aminoácidos que forman as proteínas teñen cadeas laterais con diferentes propiedades químicas. Poden ser hidrófobas, polares sen carga, con carga negativa (cadeas laterais ácidas), ou con carga positiva (cadeas laterais básicas). Ademais as cadeas laterais poden ser máis ou menos voluminosas, o que pode crear impedimentos estéricos á hora de formar as estruturas superiores á primaria. Por tanto, o tipo, cantidade e posición dos aminoácidos, é dicir, a súa estrutura primaria, determina en grande medida as estruturas secundaria e terciaria que poderá adoptar ese péptido. Porén, o pregamento das proteínas é tan complexo, que inflúen tamén outros factores, e coñecer a súa secuencia de aminoácidos non abonda para predicir a súa forma ou a estrutura precisa dun tramo da proteína.

Certas estruturas secundarias e terciarias son incompatibles coa abundancia de certos aminoácidos na estrutura primaria dunha cadea polipeptídica. Por exemplo, a hélice alfa non se pode formar se unha cadea posúe moitos residuos de ácido glutámico xuntos porque a pH celular se repelerían as súas cargas negativas, e pola mesma razón se ten moitos residuos de arxinina ou lisina (repeleríanse as cargas positivas). Tampouco se pode formar se están moi xuntos os aminoácidos asparaxina, serina, treonina e leucina debido ao gran volume e á forma das súas cadeas laterias, que supoñen impedimentos estéricos ao pregamento. Tampouco se pode formar se a estrutura primaria ten moitas prolinas, porque a cadea lateral deste aminoácido non está libre e non pode facer as rotacións e as pontes de hidróxeno necesarias para que se forme a hélice alfa.^[2]

O mesmo ocorre coa conformación en folla beta, que só é posible se os aminoácidos teñen cadeas laterais pouco voluminosas. Por exemplo, a fibroína da seda ten unha grande abundancia na súa estrutura primaria dos aminoácidos glicina e alanina, que son os menos voluminosos, e non empecen a formación da folla beta.^[2]

En xeral, os polipéptidos son polímeros non ramificados, polo que a súa estrutura primaria pode normalmente especificarse pola súa secuencia de aminoácidos. Porén, as proteínas poden ter enlaces cruzados, xeralmente por pontes disulfuro entre aminoácidos cisteína, polo que é moi importante ver cantas e en que posición están as cisteínas na estrutura primaria, xa que isto determinará a posibilidade de formar pontes disulfuro nas estruturas superiores. Por exemplo, as alfa-queratinas teñen unha estrutura primaria con moitas cisteínas, o que lles permite establecer pontes disulfuro entre cadeas adxacentes, que quedan fortemente unidas.

Nos encimas a composición de aminoácidos é tamén moi importante, xa que no seu centro activo debe haber aminoácidos con cadeas laterais cos grupos químicos axeitados para colocar en posición o substrato e intervir na catálise.

Nas proteínas os aminoácidos son L-aminoácidos, pero en caso de que os aminoácidos estean na forma D, a proteína non pode ser cortada pola maioría das proteases. Estes aminoácidos D son introducidos por modificacións postraducionais e aparecen en bacterias e algúns gasterópodos mariños (Conus).^[3][4]

Modificacións postraducionais

Artigo principal: Modificación postraducional.

A secuencia de aminoácidos dunha proteína correspóndese coa secuencia de codóns do ARNm que leva aos ribosomas a información xenética para traducir a proteína, segundo as correspondencias do código xenético. Porén, unha cadea polipeptídica pode sufrir modificacións posteriores á súa tradución, que cambian as propiedades da proteína, e que se chaman modificacións postraducionais, e que son necesarias para o funcionamento da proteína final. Moitas destas modificacións postraducionais teñen lugar no retículo endoplasmático ou no aparato de Golgi. Moitas outras reaccións (por exemplo, cianilación) non se dan nos sistemas biolóxicos, e só son aplicadas polos químicos nos laboratorios.

As modificacións postraducionais poden consistir en:

• Adición de grupos funcionais. Adición de pequenos grupos químicos, que cambian as propiedades químicas da proteína. Poden afectar aos seus extremos ou a aminoácidos do interior. Son exemplos: acetilacións, metilacións, amidacións, glicosilacións, hidroxilacións etc.
• Adición doutras proteínas ou péptidos. Por exemplo, a ubiquitinación, que consiste na adición da pequena proteína ubiquitina.
• Cambios na natureza química dos aminoácidos. Por exemplo, a citrulinación (conversión da arxinina en citrulina).
• Cambios estruturais. Por exemplo, formación de pontes disulfuro ou roturas proteolíticas.

Modificacións proteolíticas da estrutura primaria

Ademais das modificacións postraducionais que xa se mencionaron, a modificación máis importante da estrutura primaria é o corte ou "clivaxe" da cadea peptídica, realizado por proteases. As proteínas son a miúdo sintetizadas en forma dun precursor inactivo; normalmente, teñen un segmento N-terminal ou C-terminal que bloquea o sitio activo da proteína, inhibindo a súa función. A proteína actívase cando é cortada e se lle elimina ese segmento.

Algunhas proteínas mesmo teñen a capacidade de clivarse a si mesmas. Xeralmente, o grupo hidroxilo dunha serina (raramente dunha treonina) ou o grupo tiol dun residuo de cisteína ataca o carbono carbonílico do enlace peptídico precedente, formando un intermediato enlazado tetraedricamente (intermediato hidroxioxazolidina (Ser/Thr) ou hidroxitiazolidina (Cys)). Este intermediato tende a reverter á forma amida, expoñendo o grupo atacante, xa que a forma amida é xeralmente favorecida por razóns de enerxía libre, (presumiblemente debido á forte estabilización de resonancia do grupo peptídico). Porén, outras interaccións moleculares adicionais poden facer que a forma amida sexa menos estable; orixinándose un enlace éster (Ser/Thr) ou tioéster (Cys) en lugar do enlace peptídico. Esta reacción química denomínase cambio N-O acil.^[5][6][7]

O enlace éster/tioéster pode cortarse de varias maneiras:

• Simple hidrólise, que rompe a cadea peptídica, na que o grupo amino desprazado se converte no N-terminal. Isto é o que ocorre na maduración da glicosilasparaxinase.
• Unha reacción de β-eliminación, que rompe a cadea, pero orixina un grupo piruvoíl no novo extremo N-terminal. Este grupo piruvoíl pode utilizarse como cofactor catalítico unido covalentemente nalgúns encimas, especialmente descarboxilases como a S-adenosilmetionina descarboxilase (SAMDC) que aproveita o poder de retirar electróns do grupo pirovoíl.
• Transesterificación intramolecular, que orixina un polipéptido ramificado. En inteínas, o novo enlace éster rompe debido a un ataque intramolecular da que despois será a asparaxina C-terminal.
• Transesterificación intermolecular, que pode transferir un segmento enteiro dun polipéptido a outro, como se observa no autoprocesamento da proteína Hedgehog (ourizo).

Historia da estrutura primaria das proteínas

A proposta de que as proteínas eran cadeas liñais de α-aminoácidos fixérona case simultaneament dous científicos en 1902, na 74ª reunión da Sociedade de Científicos e Médicos Alemáns, en Karlsbad. Franz Hofmeister fixo a proposta pola mañá, baseándose nas súas observacións da reacción de biuret nas proteínas. Poucas horas despois fíxoa Emil Fischer, que acumulara gran cantidade de datos que apoiaban o modelo de péptidos enlazados. Completou o modelo en 1882 o químico francés E. Grimaux, que estableceu que as proteínas contiñan enlaces amida (enlaces peptídicos).^[8][9]

A pesar destes datos e de evidencias posteriores de que as proteínas dixeridas proteoliticamente rendían só oligopéptidos, a idea de que as proteínas eran cadeas liñais non ramificadas, polímeros de aminoácidos non foi aceptada inmediatamente. Algúns reputados científicos como William Astbury dubidaban de que os enlaces covalentes fosen fortes dabondo como para manter unidas moléculas tan longas; considerábase que a axitación térmica rompería en cachos moléculas tan longas. Hermann Staudinger tivo que facer fronte a reticencias similares na década de 1920 cando afirmou que o caucho estaba composto de macromoléculas.

Estando así as cousas, xurdiron varias hipóteses alternativas. A hipótese da proteína coloidal afirmaba que as proteínas eran ensamblaxes coloidais de pequenas moléculas. Esta hipótese foi desbotada na década de 1920 polas medidas de ultracentrifugación feitas por Theodor Svedberg, que mostraban que as proteínas tiñan un peso molecular ben definido e reproducible, e polas medicións electroforéticas de Arne Tiselius, que indicaban que as proteínas eran unha soa molécula. Unha segunda hipótese, a hipótese ciclol formulada por Dorothy Wrinch, propoñía que o polipéptido liñal sufría un rearranxo químico ciclol C=O + HN ${\displaystyle \rightarrow }$ C(OH)-N que formaba enlaces cruzados entre os grupos amida do seu esqueleto, formando un tecido bidimensional. Varios investigadores propuxeron outros modelos de estruturas primarias das proteínas, como o modelo dicetopiperacina de Emil Abderhalden e o modelo pirrol/piperidina de Troensegaard en 1942. Aínda que nunca atinguiron moito creto, estes modelos alternativos non foron finalmente desbotados ata que Frederick Sanger conseguiu secuenciar a insulina e Max Perutz e John Kendrew determinaron cristalograficamente a hemoglobina.^[10][11][12]

Notas

1. Wieland T and Bodanszky M (1991) The World of Peptides, Springer Verlag. ISBN 0-387-52830-X
2. A. Lehninger. Principios de Bioquímica. Omega. (1988). Páxinas 153, 156. ISBN 84-282-0738-0
3. Pisarewicz K, Mora D, Pflueger FC, Fields GB, Marí F (2005). "Polypeptide chains containing D-gamma-hydroxyvaline". Journal of the American Chemical Society 127 (17): 6207–15. PMID 15853325. doi:10.1021/ja050088m.
4. van Heijenoort J (2001). "Formation of the glycan chains in the synthesis of bacterial peptidoglycan". Glycobiology 11 (3): 25R–36R. PMID 11320055. doi:10.1093/glycob/11.3.25R.
5. Iwai K and Ando T. (1967) "N ${\displaystyle \rightarrow }$ O Acyl Rearrangement", Methods Enzymol., 11, 263-282.
6. Perler FB, Xu MQ and Paulus H. (1997) "Protein Splicing and autoproteolysis mechanisms", Curr. Opin. Chem. Biol., 1, 292-299.
7. Paulus H. "The chemical basis of protein splicing", Chem. Soc. Rev., 27, 375-386.
8. Hofmeister F. (1902) Naturwiss. Rundschau, 17, 529-545.
9. Fischer E. (1902) Autoreferat. Chem. Ztg., 26, 93.
10. Troensegaard N. (1942) Über die Struktur des Proteinmoleküls: eine chemische Untersuchung. E. Munksgaard, København (Copenhagen).
11. Sanger F. (1952) "The arrangement of amino acids in proteins", Adv. Protein Chem., 7, 1-67.
12. Fruton JS. (1979) "Early theories of protein structure", Ann. N.Y. Acad. Sci., 325, 1-18.

Véxase tamén

Outros artigos

• Secuenciación das proteínas
• Tradución de proteínas
• Estrutura das proteínas
• Estrutura secundaria das proteínas
• Estrutura terciaria das proteínas
• Estrutura cuaternaria das proteínas
• Paradoxo de Levinthal
• Dogma de Anfinsen
• Pregamento de proteínas