Estructrura De La Proteina

Estructura de las Proteínas Tema 2 Bioquímica gD Tema 2 (UVEG )

Esquema del Tema • Aminoácidos • Polimerización de – Aminoácidos estándar aminoácidos: El enlace – Aminoácidos no peptídico estandard – Propiedades del enlace – Aminoácidos proteicos modificados peptídico – Péptidos – Proteínas • Propiedades ácido-base de los aminoácidos • Estructura de proteínas – pKa de aminoácidos – Estructura primaria, – Punto isoeléctrico secundaria, terciaria y cuaternaria. Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Proteínas fibrosas y proteínas globulares 2

Aminoácidos • Un α-aminoácido es un ácido carboxílico con un grupo amino y un grupo R en el carbono α • R --> cadena lateral • Dos estereoisómeros posibles – Enantiómeros L y D – Sólo la forma L se Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) encuentra en proteínas L-Alanina D-Alanina 3

Aminoácidos neutros no polares Aminoácidos Estándar Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina • Se representa Fenilalanina Triptófano Metionina Cisteina Prolina normalmente el Aminoácidos neutros polares estado de protonación a pH 7,0 • Los aminoácidos se clasifican según las propiedades de sus Serina Treonina Tirosina Asparagina Glutamina cadenas laterales (a Aminoácidos ácidos Aminoácidos básicos pH 7,0) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) –¡Atención a los casos de His, Tyr y Cys! Aspartato Glutamato Lisina Arginina 4 Histidina

Aminoácidos Alifáticos No Polares Cadena lateral ciclada. Implica restricciones conformacionales (Iminoácido) Glicina Alanina Valina Gly, G Ala, A Val, V Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Leucina Isoleucina Prolina Metionina Leu, L Met, M Ile, I Pro, P 5

Aminoácidos Aromáticos No polar No polar (Hidrofóbico) Polar (Hidrofóbico) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Fenilalanina Tirosina Triptófano Phe, F Tyr, Y Trp, W 6

Aminoácidos Neutros Polares •Puede encontrarse cargado a pH>8,5 Serina Treonina Cisteina •Grupo -SH es Ser, S Thr, T Cys, C muy reactivo. Dos moléculas de Cys se oxidan Puede formado cistina encontrarse mediante un cargado a puente disulfuro pH>9 (-S-S-). Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Tirosina Asparagina Glutamina Tyr, Y Asn, N Gln, Q 7

Aminoácidos Básicos con Carga Positiva Se encuentra cargado a pH<7 H+ Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Lisina Arginina Histidina Lys, K Arg, R His, H 8

Aminoácidos Ácidos con Carga Negativa Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Aspartato Glutamato Asp, D Glu, E 9

Aminoácidos no Estándar • Aminoácidos distintos de los 20 estándar y derivados de éstos realizan funciones biológicas importantes como mensajeros o precursores – Neurotransmisores • γ-aminobutírico (GABA), derivado de la Gln • serotonina, derivado del Trp – Hormonas • tiroxina, derivado de la tirosina • ácido indol acético, derivado del triptófano Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Precursores e intermediarios metabólicos • citrulina • ornitina 10

Aminoácidos Proteicos Modificados • Cadenas laterales de aminoácidos se modifican después de la síntesis proteica • Proporcionan propiedades funcionales específicas Importante para la Posibilitan la La fosforilación en unión de calcio en formación de la residuos con grupos proteasas de la estructura reticular hidroxilo (Ser, Tyr, Thr) cascada de del colágeno regula la actividad de coagulación muchas proteínas Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) γ-carboxiglutamato 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina o-fosfoserina 11

Propiedades Ácido-Base de los Aminoácidos • Los aminoácidos son anfóteros – se comportan a la vez como ácidos y como bases • A pH 7 Los aminoácidos sin cadena lateral cargada son zwitteriones – presentan simultáneamente una carga positiva y una negativa Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1 Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) K1; pK1 K2; pK2 Forma catiónica Forma zwitteriónica Forma aniónica (neutra) 12

Valores de pKa de Aminoácidos Cys, pKR< pK2 Tyr, pKR> pK2 α-carboxilo α-amino carga - en estado pK1=2-3 pK2=9-11 desprotonado His pKR< pK2 Asp y Glu pKR≈4> pK1 Lys y Arg pKR> pK2 Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) 13

Punto Isoeléctrico (pI) • pI es el valor de pH para el cual la carga neta del Carga -2 pK2=9.9 aminoácido es 0 – Valor medio de los pKa que flanquean la estructura Ácido isoeléctrica glutámico Carga -1 • Para aminoácidos neutros es el valor medio de los pKR=4.3 pK1 y pK2 • Para aminoácidos ácidos o pK1=2.2 básicos depende de cada Carga 0 caso pI= (2.2+4.3)/2 = 3.22 – Cuando pH= pI disminuye Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) la solubilidad en agua Carga +1 Equivalentes de OH- 14

Polimerización de Aminoácidos: El enlace Peptídico Formación de un Dipéptido • Los aminoácidos polimerizan formando Dos aminoácidos polipéptidos mediante enlaces peptídicos – El enlace peptídico es un enlace amida formado por unión del grupo α- carboxilo y el grupo α- amino de dos aminoácidos – Los aminoácidos unidos se llaman residuos de aminoácido – Los residuos se nombran Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Enlace peptídico con la terminación “il” comenzando por el extremo N-terminal N-terminal C-terminal 15

Propiedades del Enlace Peptídico • El enlace peptídico es Estructuras de resonancia rígido y planar del enlace peptídico – Tiene carácter parcial de —Cα H —Cα H doble enlace (~40%) + C—N C= N • Equilibrio de estructuras resonantes O Cα— O- Cα— • No tiene libertad de giro – Es más corto que otros enlace C—N Equilibrio cis-trans. Sólo en – Se presenta los enlaces X–Pro aparece la normalmente en conformación cis en una conformación trans proporción significativa • Los grupos C=O y N-H peptídicos son polares —Cα H —Cα Cα— Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Participan en la C—N C—N formación de enlaces de O Cα— O H hidrógeno trans cis 16

Péptidos • Son polímeros de unos pocos aminoácidos • Ejemplos de algunos péptidos importantes – Glutatión (γ-glutamil-L-cisteinilglicina) • Agente reductor. Protege a las células de productos oxidantes derivados del metabolismo del O2 – Vasopresina (Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2) • Hormona antidiurética. Interviene en la regulación del equilibrio hídrico – Oxitocina (Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2) • Hormona sexual. Estimula la secreción de la leche y la contracción muscular uterina durante el parto Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Péptidos opiáceos (leu- y met-encefalinas) • Pentapéptidos que intervienen en el alivio del dolor 17

Proteínas • Largas cadenas de aminoácidos que se pliegan con una estructura definida • Son responsables de la mayoría de las funciones bioquímicas: – Catálisis – Transporte – Estructura – Almacenamiento – Movimiento – Detoxificación Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Defensa – Regulación 18

Tipos de Proteínas • Según su forma – Fibrilares – Globulares • Según su composición – Simples – Conjugadas • Constan de una cadena polipeptídica y un grupo prostético – apoproteína --> sólo la cadena polipeptídica – holoproteína --> polipéptido + grupo prostético • Según sea el grupo prostético: – glucoproteínas – lipoproteínas Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – metaloproteínas – hemoproteínas – fosfoproteínas 19

Estructura de las Proteínas • Surge del plegamiento de la Conformación de la cadena cadena polipeptídica polipeptídica • Depende de su secuencia y de las características del disolvente • Se distinguen cuatro ψ niveles estructurales: φ Carbono α – Estructura primaria • Secuencia de aminoácidos Cadena – Estructura secundaria lateral • Plegamiento local Plano amida- – Estructura terciaria Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) peptídico • Plegamiento global Carbono α – Estructura cuaternaria • Organización multimérica de varias cadenas 20

Estructura Primaria • Se define por la secuencia de aminoácidos – Específica de cada proteína Estructura primaria de la ribonucleasa • Las proteínas homólogas tienen secuencias y funciones semejantes • La comparación de secuencias permite establecer relaciones evolutivas – Mutaciones -->variaciones en la secuencia • Los aminoácidos invariables son importantes para la función • Las mutaciones conservadoras son cambios entre aminoácidos Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) químicamente semejantes • Algunas mutaciones se relacionan con enfermedades --> enfermedades moleculares (patología molecular) 21

Estructura Secundaria • Patrones repetitivos de Fragmento de cadena conformación local de la polipeptídica en conformación extendida: φ =180o, ψ =180o cadena polipeptídica Plano – Dependen de los valores de los amida rotámeros φ y Ψ • Hay un número limitado de conformaciones posibles debido a impedimentos estéricos entre los grupos -NH, -CO y -R Carbono α • La conformación más favorable depende de la secuencia de Cadena aminoácidos lateral – Las conformaciones posibles se Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) estabilizan por un número elevado de enlaces de hidrógeno Plano amida 22

Conformaciones Prohibidas El choque estérico (solapamiento de los radios de van der Waals) al girar los rotámeros φ y ψ impide gran número de conformaciones. Las conformaciones posibles se representan en el diagrama de Ramachandran Conformación Posible Choque de los grupos -CO Choque Choque de los -NH con Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) grupos -CO -NH φ =-60o, ψ =180o Grupos -CO lejos φ =0o, ψ =180o φ =180o, ψ =0o entre ellos y lejos de φ =0o, ψ =0o la cadena lateral R 23

Diagrama de Ramachandran Cadenas β • Distribución de ángulos φ y ψ en un polipéptido de polialanina – En blanco, valores ψ (grados) prohibidos Hélice α – En azul, valores (a izquierdas) posibles. Hélice α • Tipos principales de (a derechas) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) estructura secundaria – hélice α φ (grados) – láminas β 24

Hélice α (3,613) Vista desde arriba • Conformación helicoidal “α derechas” – φ =-60o, ψ=-40o - -50o – 3,6 residuos por vuelta • avance de 5,4 Å por vuelta – 13 átomos por bucle (hélice 4 3,613) 3 – Casi todos los grupos peptídicos participan en 2 Residuo “i+4” enlaces de H 1 Residuo “i” Cadenas • Entre residuos i e (i+4) laterales hacia afuera • Excepto en los extremos •3,6 residuos – Las cadenas laterales se •5,4 Å dirigen hacia fuera Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) •(1,5 Å por residuo) • Mínima repulsión • Posibles interacciones entre 13 átomos por cada bucle cerrado por un enlace de H ellas 25

Estabilidad de la Hélice α • Contribución principal: enlaces de hidrógeno entre grupos -CO y -NH peptídicos (cada residuo i con i+4) – No es posible en los tres primeros residuos de los extremos •Se estabilizan por enlaces de H con grupos de cadenas laterales • Interacciones entre cadenas laterales – Residuo i con i+3 e i+4 (por encima) y con i-3 e i-4 (por debajo) •Electrostáticas –Atractivas (estabilizadoras, entre residuos de distinta carga) –Repulsivas --> desestabilizadoras (entre residuos con la misma carga) •Hidrofóbicas • Algunos residuos desestabilizan la hélice α – Glicina (no tiene R --> otorga demasiada flexibilidad) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Prolina (restringe el giro de φ; no tiene -NH para formar enlace de H) – Residuos voluminosos (Trp) y ramificados en el carbono β (Val, Thr) 26

Hoja β • Alineamiento de segmentos polipeptídicos en confor- Peor orientación de mación extendida (cadenas β) Hoja β enlaces de H (más débiles) – -CO y -NH peptídicos forman Paralela enlaces de H entre cadenas adyacentes – Apariencia de lámina plegada – Cadenas laterales dispuestas perpendicularmente a ambos lados de la hoja Hoja β – Frecuentes aminoácidos con Antiparalela cadena lateral voluminosa • Según la dirección de las Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) cadenas β – Paralela – Antiparalela Enlaces de H mejor orientados (más fuertes) 27

Esquemas de Hojas β Antiparalela Paralela Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Cadenas laterales 28

Giros β • Cambian la dirección de la cadena 180o – Conectan entre sí cadenas Glicina β antiparalelas • Son giros cortos y 3 3 cerrados 4 4 – Implican cuatro residuos • Con frecuencia Gly y Pro – Enlace de H entre i e i+3 2 2 • Varios tipos 1 1 Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Tipo I Tipo I Tipo II – Tipo II (Gly en 3a posición) 29

Estructuras Supersecundarias • Son combinaciones de elementos de estructura secundaria que forman patrones definidos • Son la base para la clasificación estructural de las proteínas Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Unidades βαβ Meandro β Unidad αα Barril β Llave griega 30

Motivos Estructurales Son secuencias de aminoácidos que presentan características y funciones definidas Hélice E Ca2+ Hélice F Activación Unión DNA Unión hormona transcripción 66-68 residuos (longitud y secuencia (longitud y conservados variable) secuencia variable) Mano EF Dedo de Zn Configuración Habitual en Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) hélice-vuelta- proteínas que hélice que se une unen DNA específicamente a Cremallera iones Ca2+ de leucinas 31

Estructura Terciaria • Estructura tridimensional global que asume una proteína al plegarse – Residuos lejanos en la secuencia quedan cerca en el espacio – Estructura compacta que excluye las moléculas de agua de su interior • La ausencia de agua facilita las interacciones iónicas y los enlaces de hidrógeno • En el interior se agrupan residuos hidrofóbicos (efecto hidrofóbico). Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Los polares se exponen al exterior – Las proteínas grandes suelen presentar dominios estructurales 32

Mantenimiento de la Estructura Terciaria Interacciones débiles (no covalentes) •Iónicas (puentes salinos) •Hidrofóbicas •Enlaces de hidrógeno •Fuerzas de van der Waals Puente salino Interacciones hidrofóbicas Puentes Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) disulfuro Interacciones covalentes Presentes sólo en algunos Enlaces de casos hidrógeno 33

Proteínas Hidrosolubles y Proteínas de Membrana Arg Polar Entorno Asp Lys acuoso Glu Asn Gln His Tyr Escala de Pro Ser hidrofobicidad Gly membrana Thr de Engelman Ala Trp Entorno Cys lipídico Val Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Leu Ile Met Phe Hidrofóbico 34

Plegamiento de las Proteínas Experimento de Anfinsen desnaturalizada • El plegamiento D depende de las D condiciones del medio – Factores físicos Fracción desnaturalizada • Temperatura • Presión Desnaturalización Renaturalización – Factores químicos • pH • Disolventes orgánicos • Agentes caotrópicos (urea, cloruro de Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) guanidinio) • Suele ser reversible y N cooperativo N nativa Temperatura (ºC) 35

Proteína desnaturalizada <-> Proteína Nativa Clatratos: Capas de H2O ordenadas Residuos hidrofóbicos renaturalización D desnaturalización N • “Ovillo estadístico” • Regular, compacta • Irregular, variable, abierta • Estructura 2ria • Abundancia de enlaces • Ausencia de estructura 2ria intramoleculares • Pocos enlaces intramoleculares – Puentes de H • Residuos hidrofóbicos – Enlaces iónicos Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) expuestos – Interacciones de van – Efecto hidrofóbico der Waals – Contribución entrópica al • Residuos hidrofóbicos no plegamiento expuestos 36

Plegamiento “in vivo” Síntesis de proteínas • Problema del plegamiento “in vivo” mRNA – Plegamiento acoplado a la síntesis de proteínas ribosoma Cys – ¿Cómo selecciona la célula las Cadena Pro condiciones de plegamiento? naciente Cys • Control celular de las condiciones de Cys plegamiento (chaperonas moleculares) – Plegamiento de proteínas nacientes Plegamiento – Prevención y corrección de errores proceso de plegamiento en condiciones de asistido estrés (Heat shock proteins, HSP) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) • Sistemas enzimáticos que ayudan al plegamiento – Proteína-disulfuro isomerasas N – Peptidil-prolil isomerasas 37

Estructura Cuaternaria • Asociación no covalente de varias cadenas Estructura cuaternaria de la hemoglobina polipeptídicas Hetero-oligómero de – Subunidades=monó- cuatro subunidades meros=protómeros (tetrámero 2xαβ) – Las subunidades se α1 α2 organizan de manera simétrica – Ventajas de la asociación • Mayor estabilidad • Regulación alostérica Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Estabilidad • Mismo tipo de enlaces que estructura terciaria β2 β1 38

Niveles de Estructura de las Proteínas Estructura Estructura Estructura Estructura primaria secundaria terciaria cuaternaria Residuos aminoácidos Hélice α Cadena polipeptídica Subunidades unidas Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) 39

Proteínas Fibrosas y Proteínas Globulares • Fibrosas • Globulares – Forma alargada – Forma más o menos – Unidades repetidas de esférica un solo tipo de – Ricas en estructura estructura secundaria secundaria – Resistentes e insolubles – Flexibles, y dinámicas – Función estructural – Múltiples funciones • Ejemplos • Ejemplos – Colágeno (en tejido – Hemoglobina conectivo de – Inmunoglobulinas vertebrados) (anticuerpos) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) – Queratina (en piel, pelo – Enzimas y uñas) – Fibroína de la seda 40

El Colágeno • Proteína más abundante de Hélice triple de vertebrados tropocolágeno • Red fibrosa de tropocolágeno • Tropocolágeno –Abundancia de Pro y Gly Tres hélices a • Secuencia G-X-Y izquierdas –X e Y suelen ser Pro e hidroxi-Pro –En Y también abunda hidroxi-Lys –Triple hélice a derechas formada por tres hélices a izquierdas • Enlaces de H interhélice • Gly, uno de cada tres residuos, en la zona de empaquetamiento Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) • Entrecruzamiento de unidades de tropocolágeno –Por derivados aldehído de Lys 41

Fibrilogénesis del Colágeno Estriaciones Cabezas de 640 Å (64 tropocolágeno nm) Estriaciones Tropocolágeno 640 Å (64 nm) Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Cadena Norleucina (residuo Residuo de Cadena de Lys sin grupo ε- polipeptídica polipeptídica hidroxilisina amino) Uniones hidoxilisinonorleucina 42

Aminoácidos Especiales en el Colágeno • Residuos de Prolina y Lisina hidroxiladas – Proporcionan grupos formadores de enlaces de hidrógeno – Se forman por adición de hidroxilo • Modificación enzimática post-traduccional • Catalizada por una prolilhidroxilasa (o lisilhidroxilasa) que requiere ascorbato (vitamina C) como antioxidante Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Residuo Residuo Residuo 4-hidroxiprolil 3-hidroxiprolil 5-hidroxilisil 43

α-Queratina Estructura del Pelo Hélice α Unidad Dos hélices estructural enrolladas a izquierdas Dímero Células Tetrámero antiparalelo Filamento intermedio Asociación tetrámeros Varios tetrámero Tetrámero antiparalelo Hélices enrolladas Hélice α Rizado Artificial del cabello Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) Reduc- Oxida- ción Rizado ción 44

Fibroína de la Seda • Fibras formadas por hojas β antiparalelas polar – Aminoácidos con cadena lateral pequeña (Gly, Ala, Ser) – Residuos hidrofóbicos y apolar apolar polares alternados (en caras opuestas) – Varias hojas interaccionan por las caras hidrofóbicas Bioquímica gD Tema 2 (UVEG ) • Flexible y resistente al estiramiento polar 45

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Estructrura De La Proteina

by leamotoya on Aug 13, 2009

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