Proteïna

miniatura|Representació tridimensional de la mioglobina, que mostra acolorides les hèlix alfa. L'estructura d'aquesta proteïna va ser la primera que Max Perutz i Sir John Cowdery Kendrew van resoldre per cristal·lografia de raigs X l'any 1958, fet pel qual van rebre el Premi Nobel de Química de l'any 1962. Les proteïnes, també denominades polipèptids, són compostos orgànics fets d'aminoàcids arranjats en una cadena lineal i units per enllaços peptídics entre els grups carboxil i amino de residus adjacents. La seqüència d'aminoàcids d'una proteïna és definida per la seqüència d'un gen, que està codificada al codi genètic.Ridley, M. (2006). Genome. Nova York, NY: Harper Perennial. En general, el codi genètic especifica vint aminoàcids estàndard, però en alguns organismes el codi genètic pot incloure la selenocisteïna i —en certs arqueus— pirrolisina. Poc després o fins i tot durant la síntesi, els residus d'una proteïna sovint són modificats químicament per la modificació posttraduccional, que altera les propietats físiques i químiques, el plegament, l'estabilitat, l'activitat i, en última instància, la funció de les proteïnes. Les proteïnes també poden col·laborar per complir una funció determinada, i sovint s'associen per formar complexos estables. Les proteïnes fan moltes funcions, les més importants són la funció metabòlica i també la funció de transport d'oxigen i d'anticossos.

Com altres macromolècules biològiques com els polisacàrids i els àcids nucleics, les proteïnes són parts essencials dels organismes i participen en la pràctica totalitat dels processos cel·lulars. Moltes proteïnes són enzims que catalitzen reaccions bioquímiques i són essencials per al metabolisme. Les proteïnes també tenen funcions estructurals o mecàniques, com l'actina i la miosina dels músculs o les proteïnes del citoesquelet, que formen una carcassa que manté la forma de la cèl·lula. Altres proteïnes són importants en la senyalització cel·lular, la resposta immunitària, l'adherència cel·lular i el cicle cel·lular. Les proteïnes també són necessàries en la dieta dels animals, car no poden sintetitzar tots els aminoàcids que necessiten i han d'obtenir aminoàcids essencials del menjar. Mitjançant el procés de la digestió, els animals descomponen les proteïnes que han ingerit en aminoàcids lliures que posteriorment són utilitzats en el metabolisme.

Les proteïnes foren descrites i anomenades per primer cop pel químic suec Jöns Jacob Berzelius el 1838. Tanmateix, el paper essencial de les proteïnes en els éssers vius no fou apreciat completament fins al 1926, quan James Batcheller Sumner demostrà que l'enzim ureasa era una proteïna. La primera proteïna que fou seqüenciada fou la insulina, per Frederick Sanger, que guanyà el Premi Nobel pel seu treball el 1958. Les primeres estructures proteiques en ser determinades foren la de l'hemoglobina i la de la mioglobina, per Max Perutz i Sir John Cowdery Kendrew, respectivament, el 1958. L'estructura tridimensional d'ambdues proteïnes fou determinada per primer cop per anàlisi de difracció de rajos X; Perutz i Kendrew compartiren el Premi Nobel de Química del 1962 per aquests descobriments. Les proteïnes es poden purificar de la resta de components cel·lulars mitjançant una varietat de tècniques com ara ultracentrifugació, precipitació, electroforesi i cromatografia; l'arribada de l'enginyeria genètica ha fet possible una sèrie de mètodes per facilitat la purificació. Els mètodes utilitzats habitualment per estudiar l'estructura i el funcionament de les proteïnes inclouen la immunohistoquímica, la mutagènesi dirigida i l'espectrometria de masses.

Bioquímica

miniatura|Estructures de ressonància de l'enllaç peptídic que uneix aminoàcids individuals per formar un polímer proteic. Les proteïnes són polímers lineals formades per sèries de fins a vint -α-aminoàcids diferents. Tots els aminoàcids presenten trets estructurals comuns, incloent-hi un α-carboni al qual estan units un grup amino, un grup carboxil i una cadena lateral variable. La prolina és l'única que difereix d'aquesta estructura bàsica, car conté un anell inusual al grup amino de l'extrem-N, que força el fragment d'amida CO–NH en una conformació fixa.Nelson D. L., Cox M. M. (2005). Lehninger's Principles of Biochemistry, 4th Edition. W. H. Freeman and Company, Nova York. Les cadenes laterals dels aminoàcids estàndard, detallats a la llista d'aminoàcids estàndard, tenen una gran varietat d'estructures i propietats químiques; és l'efecte combinat de totes les cadenes laterals dels aminoàcids d'una proteïna el que determina en última instància la seva estructura tridimensional i la seva reactivitat química.

Els aminoàcids d'una cadena polipeptídica estan units per enllaços peptídics. Una vegada enllaçats a la cadena proteica, un aminoàcid individual és anomenat "residu", mentre que les sèries unides d'àtoms de carboni, nitrogen i oxigen són coneguts com a "cadena principal" o "tronc proteic".Murray et al., p. 19. L'enllaç peptídic té dues formes de ressonància que contribueixen un cert caràcter de doble enllaç i inhibeixen la rotació al voltant del seu eix, de manera que els alfa-carbonis són més o menys coplanars. Els altres dos angles dièdrics de l'enllaç peptídic determinen la forma local que assumeix el tronc proteic.Murray et al., p. 31. L'extrem de la proteïna amb el grup carboxil lliure és conegut com a carboxil terminal, mentre que l'extrem amb el grup amino lliure és l'amino terminal.

Els mots "proteïna", "polipèptid" i "pèptid" són una mica ambigus i el seu significat es pot solapar. "Proteïna" se sol utilitzar per referir-se a la molècula biològica completa en una conformació estable, mentre que "pèptid" està reservat generalment per oligòmers curts d'aminoàcids, que sovint manquen d'estructura tridimensional estable. Tanmateix, el límit entre els dos no està ben definit i sovint es marca a prop de 20-30 residus."Lodish H., Berk A., Matsudaira P., Kaiser C. A., Krieger M., Scott M. P., Zipurksy S. L., Darnell J. (2004). Molecular Cell Biology 5a edició. WH Freeman and Company: Nova York, NY. Polipèptid" es pot referir a qualsevol cadena lineal d'aminoàcids, sovint sense prendre en compte la seva llargada, però sovint implica l'absència d'una conformació definida.

dcha|miniatura|estructura insulina.

Estructura i plegament

Molts dels enllaços que formen una cadena polipeptídica permeten la lliure rotació dels àtoms que uneixen, la qual cosa confereix a l'esquelet de la proteïna una gran flexibilitat. Per tant, qualsevol molècula proteica pot, en principi, adoptar un nombre il·limitat de formes diferents (conformacions). No obstant això, la majoria de les cadenes polipeptídiques es pleguen adoptant una sola conformació particular. Això és a causa del fet que els esquelets dels diferents aminoàcids, a manera de cadenes laterals de la cadena principal, s'associen entre si i amb l'aigua formant diversos enllaços no covalents febles. Sempre que les cadenes laterals apropiades es trobin en posicions crucials en la cadena, es desenvoluparan importants forces que fan que una conformació particular sigui especialment estable.

Un dels factors més importants que condicionen el plegament d'una proteïna és la distribució de les seves cadenes laterals polars i no polars. Les cadenes laterals hidròfobes, molt abundants, tendeixen a agrupar-se en l'interior de la molècula, la qual cosa els permet evitar el contacte amb l'entorn aquós. Per contra, les cadenes laterals polars tendeixen a disposar-se prop de la part externa de la molècula proteica, on poden interaccionar amb l'aigua i altres molècules polars. Al descriure l'estructura d'una proteïna, resulta útil distingir diversos quatre nivells d'organització, cadascun dels quals es construeix sobre el nivell anterior d'una forma jeràrquica.

Estructura primària

És comuna a totes les proteïnes i és la seqüència lineal d'aminoàcids que la integren; és a dir, indica els aminoàcids que la formen i l'orde en què es troben units. És l'estructura més senzilla i, tanmateix, la més important, ja que determina la resta de les estructures proteiques amb nivells superiors d'organització.

Una característica d'aquesta estructura és la seva disposició en ziga-zaga, deguda al caràcter planar de l'enllaç peptídic, cosa que provoca la rotació dels aminoàcids sobre els Cα a fi d'equilibrar les forces d'atracció que es puguin generar. Amb els vint aminoàcids possibles, el nombre de polipèptids que es poden formar és de 20n, en què n és el nombre d'aminoàcids presents en la cadena. Com que la majoria de pèptids contenen més de cent aminoàcids, fins i tot milers, la varietat de possibles seqüències és pràcticament il·limitada.

Estructura secundària

És la disposició espacial que adopta la seqüència d'aminoàcids o estructura primària a fi de ser estable, i és una conseqüència directa de la capacitat de gir que tenen els carbonis α dels aminoàcids. Els models més freqüents són l'α-hèlix i la conformació β o làmina plegada. Hèlix alfa o α-hèlix: en aquest tipus d'estructura, la cadena polipeptídica s'enrotlla en espiral sobre si mateixa a causa dels girs que es produeixen entorn de carboni α de cada aminoàcid. Aquesta estructura es manté gràcies als enllaços d'hidrogen intracatenaris formats entre el grup –NH de l'enllaç peptídic i el grup –C=O del quart aminoàcid que el segueix. Quan es forma l'α-hèlix, tots els grups –C=O queden orientats en la mateixa direcció, mentre que els –NH s'orienten en direcció contrària i els radicals dels aminoàcids queden dirigits cap a l'exterior de l'α-hèlix. La rotació té lloc cap a la dreta, de manera que cada aminoàcid gira 100° respecte a d'anterior. Això explica la presència de 3,6 residus aminoàcids per cada volta completa. Làmina β o conformació β o làmina [beta] plegada: a diferència de l'α-hèlix, aquí no interaccionen segments continus d'una única cadena polipeptídica, sinó diferents combinacions de seccions que no necessàriament van seguides una després de l'altra i que pertanyen a una o més cadenes polipetídiques. Els fragments de cadenes β estan ordenats un al costat de l'altre de manera que es formen ponts d'hidrogen entre els grups CO i NH de cadenes veïnes. Les cadenes que interaccionen poden ésser paral·leles (les cadenes polipeptídiques es disposen en el mateix sentit N-C) o antiparal·leles (les cadenes polipeptídiques s'alternen en les direccions N-C i C-N). En ambdós casos, els radicals dels aminoàcids s'orienten envers ambdues bandes de la fulla, de manera alterna. Ocasionalment es formen làmines plegades β mixtes amb orientació paral·lela a un costat de la cadena i antiparal·lela a l'altre. Empíricament es demostra que la isoleucina, la valina, la treonina, la fenilalanina i la tirosina afavoreixen la formació d'estructures de làmina plegada; això no obstant, és estrany trobar restes de prolina en les β làmina plegades. Hèlix de col·lagen: en les molècules de col·lagen, tres cadenes polipeptídiques distintes riques en l'aminoàcid prolina, estan enrotllades entre si generant una triple hèlix regular. Aquestes molècules de col·lagen estan, al seu torn, empaquetades formant fibril·les en les quals les molècules de col·lagen adjacents estan unides per enllaços covalents donant a les fibril·les una enorme resistència la tensió. Elastina: les cadenes polipeptídiques de l'elastina, relativament lliures i desestructurades, estan unides per enllaços covalents creuats, generant una trama elàstica semblant al cautxú que permet que teixits tals com els de les artèries i dels pulmons es deformin i dilatin sense sofrir cap dany. L'elasticitat és deguda a la capacitat de les diferents molècules proteiques per a desenrotllar-se de manera reversible cada vegada que se'ls apliqui una força de tensió.

Estructura terciària