La estructura
de las proteínas esta estabilizada por diferentes tipos de enlaces, como enlaces
covalentes (enlace peptídico, enlace por puentes disulfuro), enlaces por puentes
de hidrógeno (interacciones dipolo-dipolo), interacciones hidrofóbicas, enlaces
salinos (interacciones electrostáticas) o las fuerzas de los contactos de
Van der Waals. Todos estos tipos de enlaces juegan un importante papel
en la estabilización de la estructura tridimensional de las proteínas.
La fuerza de atracción de los diferentes enlaces que intervienen en
la estabilización de las proteínas se expresa en kcal/mol, y corresponde a
la energía liberada al formar el enlace, o la energía que debe suministrarse
para romper el enlace que es:
Tipo de enlace |
Fuerza (kcal/mol) |
Covalente |
-50 a –100 |
Iónico o salino |
-1 a –80 |
Puentes de Hidrógeno |
-3 a –6 |
Van der Waals |
-0,5 a –1 |
Hidrofóbico |
-0,5 a –3 |
Un ejemplo de un péptido de 12 aminoácidos pertenecientes a la estructura de la quimotripsina (desde la glicina193 a la asparragina204), servirá para ilustrar los diferente tipos de enlaces que se dan para estabilizar la estructura de las proteínas. La quimotripsina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas (A, B, C, D).
El esqueleto polipeptídico se representa en color blanco, mientras que las cadenas laterales de los aminoácidos se representan con los colores típicos C , H, N, O, P, S
Enlaces
por puente disulfuro
Este tipo
de enlaces se establece al oxidarse dos cisteínas para formar una cistina,
unión de los dos azufres. Este tipo de uniones se conocen con el nombre de
puentes disulfuro.–CH2–S–S–CH2–.
Por ejemplo el puente disulfuro entre la Cys201 y la Cys136.
Enlaces
salinos
Los
aminoácidos básicos y ácidos de las proteínas presentan a pHs fisiológicos carga.
Al poderse encontrar en el esqueleto polipeptídico aminoácidos ácidos (Glu y
Asp) que presentan carga negativa; y aminoácidos básicos (His, Lys, Arg) que
presentan carga positiva; hay distintas regiones de las proteínas con carga
opuesta que se atraen por fuerzas electrostáticas, interacciones que se conoce
con el nombre de enlace salino.
Los aminoácidos que presentan carga en su cadena lateral se suelen
localizar más en la parte exterior de la proteína, que en el interior de la
misma, en esta localización se encuentran mayoritariamente los aminoácidos hidrofóbicos.
Aunque es
raro encontrar aminoácidos cargados en el interior de la proteína, si están,
juegan un papel importante ya que la distancia y fuerza de este tipo de enlace
se aproxima a los valores del enlace covalente (2,8 Å).
En el modelo propuesto como ejemplo, el grupo ácido de la cadena
lateral del aspartato (194) interacciona con el grupo amino terminal de la cadena
B, corresponiente a una Isoleucina (16).
Los grupos cargados normalmente se
encuentran en la superficie de la proteína, y determinan el correcto plegamiento
de la proteína al poder interaccionar con el agua de solvatación. Las moléculas
de agua interaccionan con las cargas de las cadenas laterales (o grupo amino
y carboxilo terminal). Son ejemplos de este tipo de interacción las Lys202
y Lys203 con las moléculas de agua de solvatación.
Puentes
de hidrógeno
En
la estructura de las proteínas hay diferentes tipos de enlaces por puentes de
hidrógeno, dependiendo de los átomos que intervienen en el mismo:
Las cadenas laterales de dos aminoácidos de
la cadena polipeptídica.
La Ser195
en el modelo peptídico está situado de tal manera que interacciona con la His57
a través de un puente de hidrógeno, el grupo OH de la Ser comparte el hidrógeno
con un N de la cadena lateral del anillo de la His57.
Los
átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y las moléculas de agua
de solvatación.
El
Asn204 contiene en la cadena lateral un grupo carboxilo, grupo que puede formar
un puente de hidrógeno con el agua de disolución en la superficie de la proteína.
Los
átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y los átomos del esqueleto polipeptídico.
La Gly193 forma un enlace de hidrógeno a través del grupo carboxilo
con un grupo –NH de la cadena lateral de la His40.
Los
átomos del esqueleto polipeptídico.
La mayoría de los enlaces por puente
de hidrogeno están formados por el esqueleto polipeptídico de la proteína entre
los grupos amino (N-H) y carbonilo (C=O), que forman las hélices a o las lámina b. En el modelo polipeptídico (residuos
193-204) es una lámina b que está formando puentes de hidrógeno con un lámina
b
antiparalela (residuos 205-214). Así se establecen dos puentes de hidrógeno
entre los átomos de la cadena polipeptídica en la Leu199 y la Gly211.
Interacciones
hidrofóbicas
Las
interacciones hidrofóbicas se dan entre las cadenas laterales de los aminoácidos
hidrofóbico, estos aminoácidos suelen disponerse en el interior de la
proteína, evitando de esta manera las interacciones con el agua. Este tipo de
fuerzas hidrofóbicas intervienen en el correcto plegamiento de la proteína.
Las uniones hidrofóbicas suelen darse en el interior, corazón hidrofóbico de
la proteína, donde la mayoría de cadenas laterales puede asociarse estrechamente
y se encuentran protegidas de las interacciones con el disolvente. Así la Pro198
y la Val200 son dos de los seis aminoácidos hidrofóbicos del modelo polipeptídico.
Estos dos aminoácidos se asociación de manera estrecha con las cadenas hidrocarbonadas
de Leu209, Val121 y Trp207. Este tipo de interacciones ayudan a mantener la
estructura tridimensional de las proteína.
Aunque no todos los aminoácidos hidrofóbicos
se encuentran en el interior de las proteínas, cuando las cadena lateral hidrofóbicas
están expuestas a las moléculas polares del agua usualmente involucran un enlace
hidrofóbico externo. Podemos observar la unión hidrofóbica entre la Pro24 y
Phe71.
Fuerzas de Van der
Waals
Las
fuerzas de Van der Waals, son atracciones eléctricas débiles entre diferentes
átomos. Estas fuerzas son el resultado de las fuerzas atractivas y repulsivas
que se establecen al acercarse los átomos, de manera que existe una distancia
en que la atracción es máxima. Esta distancia se encuentra en
lo que se conoce con el nombre de radios de Van der Waals. Estas fuerzas se
deben a que cada átomo posee una nube electrónica que puede fluctuar, creando
de esta manera dipolos temporales. El dipolo transitorio en un enlace puede
inducir un dipolo complementario en otro enlace, provocando que dos átomos de
los diferentes enlaces se mantengan juntos. Estos dipolos transitorios provocan
una atracción electrostática débil: las fuerzas de Van der Waals.
Los puntos
alrededor de los átomos representan el radio de Van der Waals.
Estas atracciones de Van der Waals,
aunque transitorias y débiles son un componente importante en la estructura
de las proteínas porque su número es importante. La mayoría de los átomos de
una proteína están empaquetados lo suficientemente próximos unos de otros para
involucrar estas fuerzas transitorias.
Adaptado de: Bonding and Protein Structure, David Marcey