Estructura primaria de la proteína

Secuencia lineal de aminoácidos en un péptido o proteína.

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Este diagrama (que es interactivo) de la estructura de la proteína utiliza PCNA como ejemplo. ( PDB : 1AXC ​)

La estructura primaria de una proteína es la secuencia lineal de aminoácidos en un péptido o proteína . ^[1] Por convención, la estructura primaria de una proteína se informa comenzando desde el extremo amino terminal (N) hasta el extremo carboxilo terminal (C). La biosíntesis de proteínas la realizan más comúnmente los ribosomas en las células. Los péptidos también se pueden sintetizar en el laboratorio. Las estructuras primarias de las proteínas pueden secuenciarse directamente o inferirse a partir de secuencias de ADN .

Formación

Biológico

Los aminoácidos se polimerizan mediante enlaces peptídicos para formar una larga columna vertebral , con las diferentes cadenas laterales de aminoácidos sobresaliendo a lo largo de ella. En los sistemas biológicos, las proteínas se producen durante la traducción por los ribosomas de una célula . Algunos organismos también pueden producir péptidos cortos mediante síntesis de péptidos no ribosómicos , que a menudo utilizan aminoácidos distintos de los 20 estándar, y pueden ciclarse, modificarse y entrecruzarse.

Químico

Los péptidos se pueden sintetizar químicamente mediante diversos métodos de laboratorio. Los métodos químicos suelen sintetizar péptidos en el orden opuesto (comenzando en el extremo C) a la síntesis de proteínas biológicas (comenzando en el extremo N).

Notación

La secuencia de proteínas generalmente se indica como una cadena de letras, que enumera los aminoácidos desde el extremo amino terminal hasta el extremo carboxilo terminal. Se puede utilizar un código de tres letras o un código de una sola letra para representar los 20 aminoácidos naturales, así como mezclas o aminoácidos ambiguos (similar a la notación de ácidos nucleicos ). ^{[1] [2] [3]}

Los péptidos pueden secuenciarse directamente o inferirse a partir de secuencias de ADN . Actualmente existen grandes bases de datos de secuencias que recopilan secuencias de proteínas conocidas.

Modificación

En general, los polipéptidos son polímeros no ramificados, por lo que su estructura primaria a menudo puede especificarse mediante la secuencia de aminoácidos a lo largo de su columna vertebral. Sin embargo, las proteínas pueden entrecruzarse, más comúnmente mediante enlaces disulfuro , y la estructura primaria también requiere especificar los átomos de entrecruzamiento, por ejemplo, especificar las cisteínas involucradas en los enlaces disulfuro de la proteína. Otros enlaces cruzados incluyen desmosina .

Isomerización

Los centros quirales de una cadena polipeptídica pueden sufrir racemización . Aunque no cambia la secuencia, sí afecta las propiedades químicas de la secuencia. En particular, los L -aminoácidos que normalmente se encuentran en las proteínas pueden isomerizarse espontáneamente en el átomo para formar D -aminoácidos, que la mayoría de las proteasas no pueden escindir . Además, la prolina puede formar isómeros trans estables en el enlace peptídico. ${\displaystyle \mathrm {C^{\alpha }} }$

Modificación post-traduccional

Además, la proteína puede sufrir una variedad de modificaciones postraduccionales , que se resumen brevemente aquí.

El grupo amino N-terminal de un polipéptido se puede modificar covalentemente, por ejemplo,

Fig. 1 acetilación N-terminal

• acetilación ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-CH_{3}} }$

La carga positiva en el grupo amino N-terminal se puede eliminar cambiándolo a un grupo acetilo (bloqueo N-terminal).

• formilación ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)H} }$

La metionina N-terminal que generalmente se encuentra después de la traducción tiene un extremo N bloqueado con un grupo formilo. Este grupo formilo (y a veces el propio residuo de metionina, si va seguido de Gly o Ser) es eliminado por la enzima deformilasa.

• piroglutamato

Fig. 2 Formación de piroglutamato a partir de una glutamina N-terminal

Una glutamina N-terminal puede atacarse a sí misma, formando un grupo piroglutamato cíclico.

• miristoilación ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{12}-CH_{3}} }$

Similar a la acetilación. En lugar de un simple grupo metilo, el grupo miristoilo tiene una cola de 14 carbonos hidrofóbicos, lo que lo hace ideal para anclar proteínas a las membranas celulares .

El grupo carboxilato C-terminal de un polipéptido también se puede modificar, por ejemplo,

Fig. 3 Amidación C-terminal

• aminación (ver Figura)

El extremo C también se puede bloquear (neutralizando así su carga negativa) mediante aminación.

• Accesorio de glicosil fosfatidilinositol (GPI)

El glicosilfosfatidilinositol (GPI) es un gran grupo protésico de fosfolípidos hidrófobo que ancla las proteínas a las membranas celulares . Está unido al extremo C del polipéptido a través de un enlace amida que luego se conecta a la etanolamina, de allí a diversos azúcares y finalmente a la fracción lipídica fosfatidilinositol.

Finalmente, las cadenas laterales peptídicas también pueden modificarse covalentemente, por ejemplo,

• fosforilación

Aparte de la escisión, la fosforilación es quizás la modificación química más importante de las proteínas. Se puede unir un grupo fosfato al grupo hidroxilo de la cadena lateral de los residuos de serina, treonina y tirosina, agregando una carga negativa en ese sitio y produciendo un aminoácido no natural. Estas reacciones están catalizadas por quinasas y la reacción inversa está catalizada por fosfatasas. Las tirosinas fosforiladas se utilizan a menudo como "asas" mediante las cuales las proteínas pueden unirse entre sí, mientras que la fosforilación de Ser/Thr a menudo induce cambios conformacionales, presumiblemente debido a la carga negativa introducida. Los efectos de la fosforilación de Ser/Thr a veces se pueden simular mutando el residuo de Ser/Thr en glutamato.

• glicosilación

Un nombre general para un conjunto de modificaciones químicas muy comunes y muy heterogéneas. Se pueden unir restos de azúcar a los grupos hidroxilo de la cadena lateral de Ser/Thr o a los grupos amida de la cadena lateral de Asn. Estos archivos adjuntos pueden cumplir muchas funciones, que van desde aumentar la solubilidad hasta el reconocimiento complejo. Toda la glicosilación se puede bloquear con ciertos inhibidores, como la tunicamicina .

• desamidación (formación de succinimida)

En esta modificación, una cadena lateral de asparagina o aspartato ataca el siguiente enlace peptídico, formando un intermedio de succinimida simétrico. La hidrólisis del intermedio produce aspartato o el β-aminoácido, iso(Asp). Para la asparagina, cualquiera de los productos produce la pérdida del grupo amida, por lo tanto, "desamidación".

• hidroxilación

Los residuos de prolina pueden estar hidroxilados en cualquiera de dos átomos, al igual que la lisina (en un átomo). La hidroxiprolina es un componente crítico del colágeno , que se vuelve inestable tras su pérdida. La reacción de hidroxilación es catalizada por una enzima que requiere ácido ascórbico (vitamina C), cuyas deficiencias provocan muchas enfermedades del tejido conectivo como el escorbuto .

• metilación

Se pueden metilar varios residuos de proteínas, sobre todo los grupos positivos de lisina y arginina . Los residuos de arginina interactúan con la cadena principal de fosfato del ácido nucleico y comúnmente forman enlaces de hidrógeno con los residuos de bases, particularmente guanina , en complejos proteína-ADN. Los residuos de lisina pueden estar metilados simple, doble o incluso triplemente. Sin embargo, la metilación no altera la carga positiva de la cadena lateral.

• acetilación

La acetilación de los grupos amino de la lisina es químicamente análoga a la acetilación del extremo N. Funcionalmente, sin embargo, la acetilación de residuos de lisina se utiliza para regular la unión de proteínas a ácidos nucleicos. La anulación de la carga positiva de la lisina debilita la atracción electrostática de los ácidos nucleicos (cargados negativamente).

• sulfatación

Las tirosinas pueden volverse sulfatadas en su átomo. De manera algo inusual, esta modificación se produce en el aparato de Golgi , no en el retículo endoplásmico . De manera similar a las tirosinas fosforiladas, las tirosinas sulfatadas se utilizan para el reconocimiento específico, por ejemplo, en receptores de quimiocinas en la superficie celular. Al igual que con la fosforilación, la sulfatación agrega una carga negativa a un sitio previamente neutro. ${\displaystyle \mathrm {O^{\eta }} }$

• prenilación y palmitoilación ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}} }$

Los grupos isopreno hidrofóbicos (p. ej., grupos farnesilo, geranilo y geranilgeranilo) y palmitoilo se pueden agregar al átomo de residuos de cisteína para anclar proteínas a las membranas celulares . A diferencia de los anclajes GPI y miritoílo, estos grupos no se añaden necesariamente en los extremos. ${\displaystyle \mathrm {S^{\gamma }} }$

• carboxilación

Una modificación relativamente rara que agrega un grupo carboxilato adicional (y, por lo tanto, una doble carga negativa) a una cadena lateral de glutamato, produciendo un residuo Gla. Esto se utiliza para fortalecer la unión a iones metálicos "duros" como el calcio .

• ADP-ribosilación

El gran grupo ADP-ribosilo puede transferirse a varios tipos de cadenas laterales dentro de las proteínas, con efectos heterogéneos. Esta modificación es un objetivo para las poderosas toxinas de bacterias dispares, por ejemplo, Vibrio cholerae , Corynebacterium diphtheriae y Bordetella pertussis .

• ubiquitinación y SUMOilación

Se pueden unir varias proteínas plegadas de longitud completa en sus extremos C a los grupos de amonio de cadena lateral de lisinas de otras proteínas. La ubiquitina es la más común de ellas y normalmente indica que la proteína marcada con ubiquitina debe degradarse.

La mayoría de las modificaciones polipeptídicas enumeradas anteriormente ocurren postraduccionalmente , es decir, después de que la proteína se ha sintetizado en el ribosoma , lo que ocurre típicamente en el retículo endoplásmico , un orgánulo subcelular de la célula eucariota.

Los químicos han aplicado muchas otras reacciones químicas (p. ej., cianilación) a las proteínas, aunque no se encuentran en los sistemas biológicos.

Escisión y ligadura

Además de las enumeradas anteriormente, la modificación más importante de la estructura primaria es la escisión de péptidos (mediante hidrólisis química o mediante proteasas ). Las proteínas suelen sintetizarse en forma de precursor inactivo; normalmente, un segmento N-terminal o C-terminal bloquea el sitio activo de la proteína, inhibiendo su función. La proteína se activa escindiendo el péptido inhibidor.

Algunas proteínas incluso tienen el poder de escindirse a sí mismas. Normalmente, el grupo hidroxilo de una serina (rara vez, treonina) o el grupo tiol de un residuo de cisteína atacará el carbono carbonilo del enlace peptídico anterior, formando un intermedio con enlace tetraédrico [clasificado como hidroxioxazolidina (Ser/Thr) o hidroxitiazolidina ( Cys) intermedio]. Este intermedio tiende a revertir a la forma amida, expulsando al grupo atacante, ya que la forma amida suele verse favorecida por la energía libre (presumiblemente debido a la fuerte estabilización por resonancia del grupo peptídico). Sin embargo, interacciones moleculares adicionales pueden hacer que la forma amida sea menos estable; en cambio, el grupo amino se expulsa, lo que da como resultado un enlace éster (Ser/Thr) o tioéster (Cys) en lugar del enlace peptídico. Esta reacción química se llama desplazamiento de NO acilo.

El enlace éster/tioéster se puede resolver de varias maneras:

• La hidrólisis simple dividirá la cadena polipeptídica, donde el grupo amino desplazado se convierte en el nuevo extremo N. Esto se ve en la maduración de la glicosilasparaginasa.
• Una reacción de eliminación β también divide la cadena, pero da como resultado un grupo piruvoilo en el nuevo extremo N. Este grupo piruvoilo se puede utilizar como cofactor catalítico unido covalentemente en algunas enzimas, especialmente descarboxilasas como la S-adenosilmetionina descarboxilasa (SAMDC) que explotan el poder aceptor de electrones del grupo piruvoilo.
• Transesterificación intramolecular, dando como resultado un polipéptido ramificado . En las inteínas , el nuevo enlace éster se rompe mediante un ataque intramolecular por parte de la futura asparagina C-terminal.
• La transesterificación intermolecular puede transferir un segmento completo de un polipéptido a otro, como se ve en el autoprocesamiento de la proteína Hedgehog.

Compresión de secuencia

La compresión de secuencias de aminoácidos es una tarea comparativamente desafiante. Los compresores de secuencias de aminoácidos especializados existentes son bajos en comparación con los compresores de secuencias de ADN, principalmente debido a las características de los datos. Por ejemplo, modelar inversiones es más difícil debido a la pérdida de información inversa (desde aminoácidos hasta secuencia de ADN). El compresor de datos sin pérdidas actual que proporciona una mayor compresión es el AC2. ^[5] AC2 mezcla varios modelos de contexto utilizando redes neuronales y codifica los datos mediante codificación aritmética.

Historia

La propuesta de que las proteínas eran cadenas lineales de α-aminoácidos fue hecha casi simultáneamente por dos científicos en la misma conferencia de 1902, la 74ª reunión de la Sociedad de Científicos y Médicos Alemanes, celebrada en Karlsbad. Franz Hofmeister hizo la propuesta por la mañana basándose en sus observaciones de la reacción del biuret en las proteínas. A Hofmeister le siguió unas horas más tarde Emil Fischer , quien había acumulado una gran cantidad de detalles químicos que respaldaban el modelo del enlace peptídico. Para completar, la propuesta de que las proteínas contienen enlaces amida fue hecha ya en 1882 por el químico francés E. Grimaux. ^[6]

A pesar de estos datos y de la evidencia posterior de que las proteínas digeridas proteolíticamente sólo producían oligopéptidos, la idea de que las proteínas eran polímeros de aminoácidos lineales y no ramificados no fue aceptada de inmediato. Algunos científicos muy respetados, como William Astbury, dudaban de que los enlaces covalentes fueran lo suficientemente fuertes como para mantener unidas moléculas tan largas; temían que las agitaciones térmicas hicieran pedazos moléculas tan largas. Hermann Staudinger enfrentó prejuicios similares en la década de 1920 cuando argumentó que el caucho estaba compuesto de macromoléculas . ^[6]

Así, surgieron varias hipótesis alternativas. La hipótesis de la proteína coloidal afirmaba que las proteínas eran conjuntos coloidales de moléculas más pequeñas. Esta hipótesis fue refutada en la década de 1920 por mediciones de ultracentrifugación realizadas por Theodor Svedberg que mostraron que las proteínas tenían un peso molecular reproducible y bien definido y por mediciones electroforéticas de Arne Tiselius que indicaron que las proteínas eran moléculas individuales. Una segunda hipótesis, la hipótesis del ciclol avanzada por Dorothy Wrinch , propuso que el polipéptido lineal experimentó un reordenamiento químico de ciclol C=O + HN C(OH)-N que entrecruzaba sus grupos amida principales, formando un tejido bidimensional . Varios investigadores propusieron otras estructuras primarias de proteínas, como el modelo de dicetopiperazina de Emil Abderhalden y el modelo de pirrol/piperidina de Troensegaard en 1942. Aunque nunca se les dio mucho crédito, estos modelos alternativos fueron finalmente refutados cuando Frederick Sanger secuenció con éxito la insulina ^{[ cuando ? ]} y por la determinación cristalográfica de mioglobina y hemoglobina por Max Perutz y John Kendrew ^{[ ¿cuándo? ]} . ${\displaystyle \rightarrow }$

Estructura primaria en otras moléculas.

Se puede decir que cualquier heteropolímero de cadena lineal tiene una "estructura primaria" por analogía con el uso del término para proteínas, pero este uso es raro en comparación con el uso extremadamente común en referencia a proteínas. En el ARN , que también tiene una estructura secundaria extensa , la cadena lineal de bases generalmente se denomina simplemente "secuencia", como ocurre en el ADN (que generalmente forma una doble hélice lineal con poca estructura secundaria). También se puede considerar que otros polímeros biológicos, como los polisacáridos, tienen una estructura primaria, aunque el uso no es estándar.

Relación con la estructura secundaria y terciaria

La estructura primaria de un polímero biológico determina en gran medida la forma tridimensional ( estructura terciaria ). La secuencia de proteínas se puede utilizar para predecir características locales , como segmentos de estructura secundaria o regiones transmembrana. Sin embargo, la complejidad del plegamiento de proteínas impide actualmente predecir la estructura terciaria de una proteína únicamente a partir de su secuencia. Conocer la estructura de una secuencia homóloga similar (por ejemplo, un miembro de la misma familia de proteínas ) permite una predicción muy precisa de la estructura terciaria mediante modelos de homología . Si se dispone de la secuencia proteica completa, es posible estimar sus propiedades biofísicas generales , como su punto isoeléctrico .

Las familias de secuencias a menudo se determinan mediante agrupación de secuencias , y los proyectos de genómica estructural tienen como objetivo producir un conjunto de estructuras representativas para cubrir el espacio de secuencias de posibles secuencias no redundantes.

Ver también

• Secuenciación de proteínas
• Estructura primaria del ácido nucleico.
• Traducción
• Composición de pseudo aminoácidos

notas y referencias

1. SANGER F (1952). "La disposición de los aminoácidos en las proteínas". En ML Anson; Kenneth Bailey; John T. Edsall (eds.). Avances en la química de las proteínas . vol. 7. págs. 1–67. doi :10.1016/S0065-3233(08)60017-0. ISBN 9780120342075. PMID  14933251.
2. Aasland, Rein; Abrams, Carlos; Ampe, Christophe; Bola, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; Jarchau, Thomas (20 de febrero de 2002). "Normalización de la nomenclatura de motivos peptídicos como ligandos de dominios proteicos modulares". Cartas FEBS . 513 (1): 141-144. doi : 10.1016/S0014-5793(01)03295-1 . ISSN  1873-3468. PMID  11911894.
3. Aasland R, Abrams C, Ampe C, Ball LJ, Bedford MT, Cesareni G, Gimona M, Hurley JH, Jarchau T, Lehto VP, Lemmon MA, Linding R, Mayer BJ, Nagai M, Sudol M, Walter U, Winder SJ (1 de julio de 1968). "Una notación de una letra para secuencias de aminoácidos*". Revista europea de bioquímica . 5 (2): 151-153. doi :10.1111/j.1432-1033.1968.tb00350.x. ISSN  1432-1033. PMID  11911894.
4. Hausman, Robert E.; Cooper, Geoffrey M. (2004). La célula: una aproximación molecular . Washington, DC: Prensa ASM. pag. 51.ISBN​ 978-0-87893-214-6.
5. Silva M, Pratas D, Pinho AJ (abril de 2021). "AC2: una herramienta eficiente de compresión de secuencias de proteínas que utiliza redes neuronales artificiales y modelos Cache-Hash". Entropía . 23 (5): 530. Bibcode : 2021Entrp..23..530S. doi : 10.3390/e23050530 . PMC 8146440 . PMID  33925812. {{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
6. Fruton JS (mayo de 1979). "Primeras teorías de la estructura de las proteínas". Ana. Académico de Nueva York. Ciencia . 325 (1): xiv, 1–18. Código bibliográfico : 1979NYASA.325....1F. doi :10.1111/j.1749-6632.1979.tb14125.x. PMID  378063. S2CID  39125170.