La estructura primaria de una proteína se define como la secuencia de aminoácidos de los que está compuesta. Esta secuencia determina en última instancia la forma que adopta la proteína, de acuerdo con las limitaciones espaciales en la disposición de los átomos en la proteína, las propiedades químicas de los residuos de aminoácidos componentes y el entorno de la proteína.

Los enlaces peptídicos que unen los residuos de aminoácidos en un polipéptido se forman en una reacción de condensación entre el grupo carboxilo ácido de un aminoácido y el grupo amino básico de otro aminoácido. En el contexto de un péptido, el grupo de amidas (CO–NH) se conoce como el grupo de péptidos.

Crucial para comprender la estructura de la proteína es conocer la estructura del enlace peptídico. Linus Pauling, en la década de 1930, utilizó la difracción de rayos X para examinar la naturaleza del enlace peptídico formado entre dos aminoácidos. Informó que el grupo peptídico (CO–NH) tiene una estructura plana rígida. Esta estructura se debe a las interacciones entre los electrones del doble enlace del grupo carbonilo y los del enlace C–N (Figura 2), de modo que este último adquiere propiedades parciales de doble enlace (alrededor del 40%).

Figura 2 Las interacciones de resonancia entre electrones en el enlace C=O y el enlace C–N del grupo de péptidos significan que hay ‘intercambio’ de electrones entre estos enlaces. Observe las cargas en los átomos N y O.

Este efecto es un ejemplo de resonancia que puede considerarse como un intercambio de electrones entre enlaces. Dado que los enlaces simples entre dos átomos son más largos que los enlaces dobles entre los mismos dos átomos, las longitudes de los enlaces C–N y C=O en el grupo peptídico difieren de las observadas para estos enlaces en otros contextos donde no se produce resonancia. Por lo tanto, el carácter de doble enlace parcial de C–N en el grupo peptídico significa que este enlace es más corto de lo que se predeciría para un enlace simple C–N, mientras que el enlace C=O, que tiene un carácter de enlace simple parcial debido a la resonancia, es más largo de lo que se predeciría para un enlace doble C=O. Las longitudes de enlace en el grupo de péptidos se indican en la Figura 3. Compare el enlace C–N del grupo peptídico con el enlace entre N y Ca (el átomo C al que están unidos el grupo amino y el grupo carboxilo).

Figura 3 Las dimensiones medias en angstroms, Å (10 Å = 1 nm = 1000 pm) y grados, del grupo de péptidos planos en (a) la conformación trans y (b) la conformación cis. Nota: en esta y otras representaciones de la configuración de polipéptidos, no hay indicación de orden de enlace (es decir, enlaces simples o dobles).

Hay dos conformaciones posibles del enlace peptídico plano: en el grupo de péptidos trans, los átomos de Ca están en lados opuestos del enlace peptídico (Figura 3a) y en el grupo de péptidos cis, los átomos de Ca están en el mismo lado del enlace peptídico (Figura 3b).

en General, los enlaces peptídicos en la conformación trans. Sin embargo, las formas cis pueden ocurrir en enlaces peptídicos que preceden a un residuo de prolina. En tales casos, la forma cis es más estable de lo habitual, ya que la cadena lateral prolina ofrece menos obstáculos. Sin embargo, los enlaces peptídicos cis ocurren solo en aproximadamente el 10% de los casos de enlaces peptídicos que preceden a los residuos de prolina.

Teniendo en cuenta la naturaleza plana del grupo peptídico, se puede ver que una cadena polipeptídica tiene una columna vertebral que consiste en una serie de grupos peptídicos planos rígidos unidos por los átomos de Ca. La Figura 4 muestra parte de un polipéptido con dos grupos peptídicos planos en la conformación trans. Tenga en cuenta que, aunque no se permite la rotación sobre los enlaces peptídicos, existe un potencial de rotación alrededor de los enlaces Ca–N y Ca–C. Los ángulos de rotación , denominados ángulos de torsión, sobre estos enlaces especifican la conformación de una columna vertebral polipeptídica. Los ángulos de torsión de los enlaces Ca–N y Ca–C se denominan ɸ (phi) y ψ. (psi), respectivamente, y se definen como 180° cuando el polipéptido está en la conformación plana extendida, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4 Una porción de un polipéptido que muestra dos grupos de péptidos planos (áreas sombreadas) unidos en el átomo de Ca. Hay poca libertad de movimiento dentro del grupo peptídico, pero la rotación de los grupos peptídicos alrededor de los enlaces Ca–N y Ca–C puede ocurrir y está definida por los ángulos de torsión φ y ψ respectivamente. En la conformación extendida que se muestra aquí, ambos ángulos se definen como 180º. Por convención, φ y φ aumentan con la rotación en el sentido de las agujas del reloj del grupo de péptidos cuando se ven desde Ca, como indican las flechas.

No te sorprenderá saber que las restricciones estéricas se aplican a ɸ y ψ.

Como resultado de estas restricciones estéricas, solo se permiten ciertos valores de ψ y ψ, y por lo tanto conformaciones del péptido, mientras que otros no.

Es posible calcular estos valores permitidos para un residuo dado en el contexto de un polipéptido. Este cálculo se realiza determinando primero las distancias entre todos los átomos no enlazantes en dos grupos de péptidos vecinos (como los de la Figura 4) en todos los valores posibles de ψ y ψ. Se hace más fácilmente para un polipéptido que contiene solo un tipo de aminoácido. Una gráfica conformacional de ψ contra ψ para un residuo en particular se conoce como gráfica de Ramachandran (por su inventor, G. N. Ramachandran). Esta gráfica nos permite identificar aquellas conformaciones (es decir, para un valor particular de ψ y ψ) que son estéricamente favorables o desfavorables (como en la Figura 5), de acuerdo con los siguientes criterios:

• Cuando no hay conflicto entre los radios de van der Waals de átomos no enlazantes, se ‘permite’una conformación. Estas conformaciones se encuentran en las áreas azules de la Figura 5.

• Las conformaciones que requieren distancias interatómicas en el límite de lo que es permisible se definen como conformaciones de «límite exterior». Se encuentran en las áreas verdes de la Figura 5.

• Las conformaciones teóricas que requieren que dos átomos que no se unen estén más cerca entre sí de lo que permiten sus radios de van der Waals están «prohibidas» de forma sterica. Estos se encuentran en las áreas blancas de la Figura 5.

Observe que los valores de ɸ y ψ en la Figura 5 varían de −180º a +180º. Girar el grupo de péptidos a través de 360º, por supuesto, lo devolverá a su posición inicial, y −180º y +180º corresponden a la misma posición. Por lo tanto, la franja verde en la esquina inferior izquierda de la gráfica en la Figura 5 es contigua con el campo en la esquina superior izquierda.

Figura 5 Una gráfica de Ramachandran que muestra los ángulos XT y ψ permitidos estéricamente para una cadena de péptidos que contiene solo residuos de l-alanina (poli-l-alanina). Las conformaciones «permitidas» se encuentran dentro de las áreas azules o verdes, con aquellas que son conformaciones de «límite exterior» en estas últimas. Las conformaciones restantes, en la zona blanca, están «prohibidas». Tenga en cuenta que solo hay tres regiones discretas (numeradas del 1 al 3) que corresponden a conformaciones permitidas. (Datos de Ramachandran y Sasisekharan, 1968).

Se pueden construir parcelas de Ramachandran para polímeros de cada uno de los 20 aminoácidos. Es significativo observar que las parcelas de Ramachandran para muchos residuos de aminoácidos son generalmente muy similares, teniendo solo tres regiones con conformaciones favorables o toleradas (marcadas 1-3 en la parcela de poli-l-alanina en la Figura 5). Sin embargo, existen diferencias. Por ejemplo, cuando la cadena lateral (R en la Figura 4) está ramificada cerca de Ca, como en el caso de la treonina, ocupa más espacio cerca de la columna vertebral del péptido y restringe el acercamiento de los átomos en los grupos de péptidos vecinos. Como resultado, las conformaciones permitidas (ángulos XT y ψ) son más restringidas para polipéptidos de aminoácidos ramificados.

Figura 6 Una Ramachandran para la trama de poli-l-glicina.Las regiones de las formas «permitido», «límite exterior» y «prohibido» se colorean como en la figura 5. (Datos de Ramachandran y Sasisekharan, 1968)

Las gráficas de Ramachandran en las Figuras 5 y 6 se han generado para, respectivamente, l-alanina y l-glicina sobre la base de las distancias límite permitidas y externas para los contactos interatómicos, determinadas a partir de valores conocidos para los radios de van der Waals de los átomos (Tabla 1).

Por lo tanto, son gráficos conformacionales predictivos en lugar de reales. Podemos, por supuesto, usar difracción de rayos X para determinar experimentalmente los valores ‘reales’ de ψ y ψ para residuos en un polipéptido. En la Figura 7, los valores ers y ψ para todos los residuos (con la excepción de glicina y prolina) en varias estructuras diferentes se han determinado mediante difracción de rayos X de alta resolución y se han trazado en una gráfica de Ramachandran. Podemos ver que hay una correspondencia sorprendente entre las conformaciones predichas y las reales. Observe, sin embargo, que hay algunos residuos cuyas conformaciones se asignan a las áreas «prohibidas». La mayoría de estos residuos se mapean en la región entre las regiones «permitidas» 2 y 3, alrededor de ψ = 0.

Figura 7 Sobre la base de los datos de difracción de rayos X para una serie de estructuras de polipéptidos, los valores de xt y ψ para todos los residuos de aminoácidos (con la excepción de glicina y prolina) se han superpuesto a una gráfica de Ramachandran prevista de conformaciones «permitidas» y «límites exteriores». Las predicciones se basaron en las distancias de van der Waals para los contactos interatómicos como se describe en el texto. Observe que la mayoría de los valores reales corresponden a conformaciones permisibles previstas.

El conflicto asociado con estas conformaciones se puede acomodar mediante un pequeño grado de torsión del enlace peptídico. Por lo tanto, en tales conformaciones, el grupo peptídico se tuerce fuera de su conformación plana habitual.

Un número limitado de conformaciones «prohibidas» de residuos particulares puede tolerarse en un polipéptido si la conformación adoptada, en su conjunto, es energéticamente favorable. Un polipéptido tenderá a plegarse de tal manera que adopte la conformación más estable. En esta conformación, el polipéptido minimiza su energía libre. En las siguientes secciones, veremos este nivel más alto de estructura proteica.