TEMA 3b. Estructura Tridimensional DE LAS ProteÍnas PDF

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TEMA 3b. ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LAS PROTEÍNAS 1. CONCEPTOS BÁSICOS ~ La estructura tridimensional de una proteína viene determinada por su secuencia de aminoácidos. ~ La función de una proteína depende de su estructura. ~ Una proteína adopta generalmente una única forma estructural o un pequeño nº de ellas. ~ Las fuerzas más importantes que estabilizan la estructura específica de una proteína son interacciones NO covalentes. ~ Diversas proteínas distintas pueden tener patrones estructurales comunes → Hélices α, láminas β… En última instancia, la secuencia de aminoácidos determina la función de las proteínas.

2. CONFORMACIÓN NATIVA La conformación es la disposición espacial de los átomos de una proteína, gracias a los enlaces simples que tienen libertad de rotación. La conformación nativa es la única (o únicas) que hace que la proteína sea funcional. Esta conformación se estabilizada por:  

Enlaces disulfuro(covalentes) → Entre cisteínas. Enlaces débiles (NO covalentes) → Principal fuerza estabilizadora. ~ Interacciones hidrofóbicas → Son las que más contribuyen al plegamiento de la proteína (los residuos hidrofóbicos se sitúan hacia el interior de la proteína, para huir del agua). ~ Mayor nº posible de puentes de hidrógeno dentro de la proteína. ~ Mayor nº posible de enlaces iónicos dentro de la proteína.

3. ENLACE PEPTÍDICO El enlace peptídico es la unión entre aminoácidos. Es un enlace covalente(amida) entre el C del grupo carboxilo y el N del grupo amino → C – N . Se libera una molécula de agua en su formación. Tiene poca libertad de rotación, debido a que tiene carácter parcial de doble enlace, ya que el enlace peptídico es un híbrido de resonancia entre 2 formas: Resonancia → Deslocalización de los orbitales electrónicos sobre O-CN. Se comparten “parcialmente” 2 pares de e- por O y N (carácter parcial de doble enlace). 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016) 

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El enlace peptídico NO puede girar libremente a causa de su carácter parcial de doble enlace. La configuración trans es la más favorable.

4. NIVELES ESTRUTURALES Los aminoácidos y péptidos se estructuran de diversas formas:    

Estructura primaria → Secuencia de aminoácidos. Estructura secundaria → Plegamiento de la secuencia de aminoácidos. Estructura terciaria → Un solo polipéptido más plegado. Estructura cuaternaria → Compuesta por varios polipéptidos.

5. ESTRUCTURA SECUNDARIA Consiste en la conformación local de algunas partes del polipéptido. Algunas de estas estructuras secundarias son muy estables, por lo que se repiten en diversas proteínas. Aunque algunas regiones tengan la misma estructura secundaria , no tienen por qué tener la misma estructura terciaria. 5.1 HÉLICE α Consiste en una hélice dextrógira, cuyo giro es de 5,4Å, y contiene 3,6 aminoácidos. Los radicales de los aminoácidos están orientados hacia el exterior de la hélice, ya que los átomos del centro de la hélice α están muy cercanos. Los planos de los enlaces peptídicos son planos y rígidos (doble enlace parcial), y se disponen hacia arriba o hacia abajo, paralelos al eje longitudinal de la hélice α para formar los puentes de hidrógeno que estabilizan la estructura. Para mantener la estructura helicoidal, se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios entre las vueltas consecutivas. Se establecen entre el O del carbono carbonílicoy el H del grupo amino. Los H que forman puentes de hidrógeno tienen carga parcial negativa, pero los que NO forman este enlace tienen carga parcial positiva, por lo que cada hélice α es como un dipolo, con un extremo de carga parcial negativa (extremo carboxilo), y otro de carga parcial positiva (extremo amino). Por este motivo, hay aminoácidos de carga positiva en el extremo negativo/carboxilo, y aminoácidos de carga negativa en el extremo positivo/amino. Esto es así para que no se rompa la estructura. Además, estos enlaces quedan alineados, por lo que la fuerza es máxima . Cada aminoácido (n) establece el enlace con el aminoácido que tiene por encima (n+4).

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Las interacciones entre las cadenas laterales ( n, y n+4) de los aminoácidos pueden estabilizar o desestabilizar esta estructura.

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DESESTABILIZANTES: Repulsiones eléctricas → Radicales con la misma carga. Impedimento estérico → Radicales muy grandes.

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ESTABILIZANTES Atracciones eléctricas → Radicales con distintas cargas. Interacciones hidrofóbicas → Radicales hidrófobos que interaccionan.  RESTRICCIONES A LA FORMACIÓN DE HÉLICE α

 Presencia de residuos de Prolina(Pro) → Este aminoácido tiene una curvatura en su radical que desestabiliza la estructura (curvatura desestabilizante). Además, gracias a su estructura NO tiene un H libre, por lo que NO puede formar enlaces de puentes de hidrógeno(NO se encuentra nunca).Por ello, es desestabilizante al no tener puentes de hidrógeno. No existe rotación entre el N y el Cα. 

Presencia de residuos de Glicina (Gly)→ Produce excesiva flexibilidad a la conformación, ya que el radical es tan pequeño que no interacciona del todo bien con el aminoácido superior(se encuentra de forma muy escasa). Cuando el R es tan pequeño, no ayuda a estabilizar. Se favorece la formación de hoja plegada, no de α hélice.

 Presencia de aminoácidos de carga positiva en el extremo positivo/amino, y presencia de aminoácidos de carga negativa en el extremonegativo/carboxilo(NO se encuentra nunca). 5.2 CONFORMACIÓN/LÁMINA/HOJA β Consiste en un esqueleto extendido en zig-zag. Las cadenas polipeptídicas están estiradas, aunque presentan angulaciones dado que los enlaces de los átomos de C no son planos, tienen ángulos. Varias cadenas polipeptídicasestiradas se disponen de forma paralela, y pueden pertenecer a la misma proteína o no. Para unir las distintas cadenas se establecen enlaces de puentes de hidrógeno entre el O del carbono carbonílicoy el H del grupo amino. Los radicales de los aminoácidos sobresalen en direcciones opuestas, ya sea por encima o por debajo, pero NO hacia el interior de la hoja β. Cuando varias láminas β se disponen juntas, los radicales en contacto deben ser pequeños → Alanina(Ala), y glicina(Gly).  TIPOS DE LÁMINAS β Las láminas β pueden ser: 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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

Paralelas → Las cadenas contiguas están orientadas al derecho, con los extremos carboxilo y amino orientados hacia el mismo lado: ~ Los enlaces de puentes de hidrógenoNO quedan alineados, por lo que esta conformación es menos estable.



Antiparalelas → Las cadenas contiguas están orientadas al revés, con los extremos carboxilo y amino orientados hacia lados opuestos. ~ Los enlaces de puentes de hidrógeno quedan alineados, por lo que esta conformación es más estable.  GIROS β

Los giros son donde la cadena polipeptídica cambia de dirección. Estos giros unen tramos sucesivos de hélices α,conformaciones β, y otras estructuras secundarias. Los giros βson un tipo de giro concreto, y unen los extremos adyacentes de segmentos de hojas βantiparalelas, mediante una angulación de 180º. Se estabilizan mediante puentes de hidrógeno entre el O del carbono carbonílicodel aminoácido nº1, y el H del grupo amino del aminoácido nº4. Los giros β aminoácidos, unidos por puentes de H, y los hay de 2 tipos: 



están

formados

por

4

Tipo 1→ El 2º aminoácido es una prolina(Pro), la prolina tiene la cualidad de producir un giro, que puede ser β o de otro tipo. Se encuentra en configuración cis(el giro es más acusado). Tipo 2→ El 3er aminoácido es una glicina(Gly).

6. ESTRUCTURA TERCIARIA La imagen de la derecha representa la proteína en modelo de cinta, la doble hélice aparece como tal, y las hojas plegadas β con una flecha. Disposición tridimensional global de los átomos de una proteína. Los distintos tramos pueden tener distintas estructuras secundarias. La localización, dirección, y el ángulo de los giros está determinado por el nº y la localización de aminoácidos promotores de su formación. Además, esta estructura se estabiliza mediante interacciones débiles (enlaces de Van der Waals→ Interacciones hidrofóbicas), puentes de H, enlaces iónicos,y puentes disulfuro(son covalentes). Las más importantes son las más débiles (las hidrofóbicas). 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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Existen 2 tipos de proteínas según su estructura terciaria: 

Proteínas fibrosas ~ Las cadenas polipeptídicas están dispuestas en hebras u hojas. ~ El conjunto de la proteína tiene forma de fibra alargada. ~ Tienen sólo 1 tipo de estructura secundaria, la cual puede ser hélice α o estructura lámina β plegada. ~ La cisteína es el aminoácido que formará puentes disulfuro. ~ Suelen ser proteínas con función estructural.

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Proteínas globulares ~ Las cadenas polipeptídicas están plegadas de forma esférica. ~ Tienen varios tipos de estructuras secundarias en distintos tramos de la cadena. ~ Tienen mucha diversidad funcional. 6.1 PROTEÍNAS FIBROSAS

Tienen que estar construidas por sustancias apolares, que no se disuelvan en agua, que no interaccionen con ésta. Por ejemplo: En una piscina si intento construir una casa de terrones de azúcar que son sustancias polares, se deshacen, por lo tanto, tengo que construir la casa en el fondo con plástico (sustancias apolares). Por lo tanto, las proteínas fibrosas son ricas en aminoácidos apolares. La localización, dirección, y ángulo de los giros está determinada por el nº y localización de los aminoácidos promotores de su formación. La mayoría de estos aminoácidos son: ~ Apolares y sin carga→ Para que formenestructuras establesen los medios acuosos. ~ Fibrosos→ Se empaquetan y forman complejos supramoleculares.  α – QUERATINA Forma el cabello, uñas, cuernos,y la capa externa de la piel . Está compuesta por filamentos intermedios, formados por la unión de α-hélices levógiras superenrolladas helicoidalmente. Los aminoácidos hidrófobos situados en contacto con la superficie (Ala, Val, Leu, Ile, Met, y Phe), se agrupan y forman cadenas.Contienen enlaces de hidrógeno. Su estructura cuaternaria consiste en la unión de 2 polipéptidos, es decir, es un dímero. 2 dímeros se asocian mediante puentes disulfuro y forman un protofilamento, y varios protofilamentos forman protofibrillas. A más puentes disulfuro tenga el complejo, más rígido es. Además, dado que la cisteína es el aminoácido que forma estos enlaces, dependiendo del % de cistina (cisteína + enlace disulfuro) la proteína será más o menos rígida ( la formación de puentes disulfuro es una oxidación, y romper un puente disulfuroes una reducción). Hiperqueratosis → Exceso de queratina en la piel. 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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 β – QUERATINA Son proteínas que NO tenemos los humanos, la tienen los reptiles en las escamas,y lasavesen las plumas. Están formadas por cadenas paralelas deláminas plegadas. Tienen conformación en zig-zag.  COLÁGENO Es la proteína más abundante de nuestro cuerpo. Presente en tendones, cartílago, huesos… Forma estructuras muy rígidas. La estructura secundaria del colágeno es exclusiva, se llama cadena α, NO es la α-hélice, es una hélice levógira que tiene 3 aminoácidos por vuelta. 1 de cada 3 aminoácidos es glicina. Muestra una repetición de un tripéptido: Gly-X-Y, donde: ~ X→ La mayoría de veces es Pro→ Provoca el giro de la hélice. ~ Y→ La mayoría de veces es 4-Hyp (hidroxiprolina) → La colocación de los –OH es post-traduccional. NO hay un codón que se traduzca a 4-Hyp, por lo que se forma Pro, y después se añade el grupo alcohol. La Prolina hidroxilasa es la enzima que añade el grupo OH a la Prolina. Pero esta enzima necesita un cofactor para poder funcionar, la Vitamina C. ~ 1 de cada 3 aminoácidos es Gly (Glicina)→ Orientadas hacia el mismo lado. El colágeno se presenta como 3 cadenas α que se superenrollan de forma dextrógira formando una triple hélice muy apretada, ya que los radicales que hay en el interiorde la hélice son las glicinas (un -H como R). La triple hélice se mantiene unida por puentes de hidrógeno entre los grupos – NH y -COO de las diferentes cadenas, o entre el grupo - OH de la Hyp.La hidroxiprolina es la hidroxilación de la prolina. Si en medio no aparece glicina, pierden la estructura tridimensional, se pierde la rigidez, dando lugar a las siguientes patologías: La patología en esta proteína puede provocar que aparezca otro aminoácido en lugar de la glicina. En ese caso, la triple hélice ya no estará apretada. Pueden aparecer enfermedades como: La osteogénesis imperfecta(formación anormal de huesos en bebés, ocasionándose múltiples fracturas), o el síndrome de Ehlers-Danlos(debilita las articulaciones). Si uno no toma vitamina C, la hidroxiprolina no puede incorporar prolinas y lisinas del colágeno, no formándose puentes de hidrógeno, siendo las fibras de colágeno muy débiles, por lo cual, se rompen los capilares apareciendo moratones, se caen los dientes… Además, la deficiencia de vitamina C provoca la enfermedad del escorbuto, que consiste en la degeneración del tejido conjuntivo, y provoca fragilidad de los vasos sanguíneos, mala cicatrización, degeneración de los huesos… La fibra de colágeno se vuelve poco resistente. 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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Muchas triples hélices se juntan y forman fibras. Las triples hélices de colágeno están unidas por enlaces de tipo covalente que se establecen entre aminoácidos, normalmente entre dos lisinas se forman esos enlaces covalentes, incluso dobles. El colágeno dura muchos años, conforme pasa el tiempo los enlaces covalentes son >, más abundantes, los enlaces covalentes son acumulativos, no tienen por qué ser dobles, pueden ser simples pero siempre covalentes, por eso los bebés al tener menos son muy flexibles (no tienen arrugas, recupera la piel su forma rápidamente, y también se producen más cardenales). En las personas > al tener demasiada rigidez, demasiado colágeno, tienen > facilidad para romperse, y por ello, tienen más moratones. Las triples hélices de colágeno se mantienen unidas entre sí mediante enlaces covalentes que se establecen entre lisinas. Cuantos más enlaces covalentes tenga el complejo, más rígido es. El nº de enlaces covalentes aumenta con la edad, por lo tanto, la piel cada vez será más resistente y menos elástica. Por ello aparecen arrugas en ella. El colágeno debe estar hidrolizado (cortado en trocitos pequeños para que pueda absorberse), pero una vez dentro del organismo no puede utilizarse porque no se puede volver a ensamblar (juntar los trozos para que funcionen). En el intestino, las proteasas lo hidrolizan también, absorbiéndose los aminoácidos prolina, lisina, hidroxiprolina e histidina. Es mejor comerse un trozo de ternera, o legumbres que son las más ricas en aminoácidos, y más baratos ambos alimentos que los comprimidos de colágeno. No por ello se va a generar más colágeno porque no se pueden ensamblar esos trozos, el organismo lo sintetiza por sí mismo según lo necesite. Lo que absorbe el intestino son moléculas pequeñas, aminoácidos que tomamos de esos comprimidos, de los alimentos pero que son elementos nutritivos solamente, no por tomarlos vamos a generar más colágeno. Al igual que pasa con la queratina y otros componentes proteicos. En resumen no se puede comer o inyectar colágeno, o tomar más proteínas para sintetizar más colágeno. La gelatina está compuesta por hidrolizado de colágeno, por eso son ricas en proteínas, porque se absorben aminoácidos.  ELASTINA Es una proteína elástica que forma fibras elásticas, y forma parte de la matriz extracelular y del músculo tensor del cristalino (la inserción de dicho músculo con el cristalino está compuesta por elastina en abundancia, y el cristalino no puede enfocar bien por la poca flexibilidad del músculo al no haber tanta elastina), y también la encontramos en las paredes de los vasos sanguíneos. Forma redes de elastina y fibrillina, que son proteínas diferentes. La fibrillina está alrededor de la matriz de elastina, propia de los vasos sanguíneos. Son proteínas hidrofóbicas que contienen muchaPro y Gly, pero NO tienen hidroxilisina, y poca hidroxiprolina. También contienen lisinas. Cada cadena de elastina tiene enrollamientos al azar, aunque de forma secuencial, no cada 3 aminoácidos…Además, esas cadenas se agrupan entre sí mediante más enlaces covalentes.Estos ovillos desordenados se deslizan unos sobre otros. El ovillo (elastina no distendida) se vuelve a encoger si cesa el estiramiento, cuando están estiradas, se 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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ordenan las fibras de elastina (elastina distendida). Estos enlaces ocurren porque se unen varios aminoácidos, formándose desmosinas (4 enlaces covalentes entre 4 lisinas),o isodesmosinas. No son iguales pero proceden de la unión de 4 lisinas mediante enlaces covalentes. Sólo lisinas forman enlaces covalentes. La elastina contiene la desmosina y la isodesmosina, estos 2 aminoácidos (aa) grandes, exclusivos de esta proteína, se encargan de unir elastinas entre sí mediante enlaces covalentes. Déficit de elastina en los pulmones (una proteasa degrada en exceso la elastina en los pulmones, y produce edema de pulmón). El humo del tabaco favorece que dicha proteasa citada anteriormente (tripsina) se fabrique en exceso. El inhibidor de la proteasa está inhibido. Síndrome de Williams→ Falta parcial de elastina, que provoca una menor elasticidad y mayor rigidez de la pared de los vasos sanguíneos. También produce problemas mentales por la falta de riego sanguíneo. Síndrome de Marfan→ Estos pacientes tienen un defecto de fibrilina o fibrillina. Como consecuencia, se produce una hiperelasticidad o rigidez de las articulaciones (extremidades alargadas e individuos delgados por la excesiva elasticidad), y desdoblamiento del cristalino. *FIBRINOÍNA DE LA SEDA La seda no se estira (conformación beta). El gusano de seda hace un capullo con hilos muy largos y muy resistentes, utilizándose para hacer tejidos por su gran resistencia aunque sea muy fino. Las arañas también hacen sus telas con este hilo, además de tener una sustancia pegajosa. Son finas pero resistentes para soportar el impacto de una mosca que choca a gran velocidad y no se rompa. Es flexible debido a que las hojas se unen por interacciones débiles no covalentes. Encajan unas sobre otras, se entrelazan _R (los R de los aminoácidos, que tienen que ser pequeños porque si no, no se enlazan correctamente). La estructura 1ª de esta proteína es propia de arácnidos y otros insectos pero no de humanos, es una repetición de (Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly-Ala-Ala) 8 veces, siendo una hoja plegada beta porque ésta es muy rica en glycina y alanina porque son muy pequeños, también de serina pero menos. Al estar más apretadas y empaquetadas las capas porque los R de los aminoácidos son muy pequeños, son más resistentes. La hoja plegada beta no es elástica porque ya está estirada, no se puede estirar más. Una hélice se puede estirar pero la hoja plegada beta no, por eso, la seda no es elástica. Son fuerzas hidrofóbicas (fuerzas de Vander Waals entre grupos R) las que la mantienen porque los R (glycina y alanina que son los más abundantes, son hidrofóbicos (apolares)). Son flexibles pero no elásticas.

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CASO CLÍNICO Niño de 3 años de raza negra. Dolor intenso en abdomen y piernas, crisis frecuentes en diferentes partes.

Analítica de sangre:  

Concentración de hemoglobina baja. Concentración de bilirrubina alta. Palpación abdominal (vesícula biliar inflamada). Ecografía de abdomen (cálculos biliares). (Si faltan moléculas se debe a un problema de síntesis. Si hay un exceso se debe a un déficit en su degradación). La bilirrubina es la degradación del grupo hemo, la cual si aumenta puede acumularse en la vesícula ...