TEMA 4 - Estructura de las proteínas PDF

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Estudio de las estructuras que componen las proteínas ...

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TE TEMA MA 4 – ES ESTR TR TRUC UC UCTU TU TUR RA Y CO CONF NF NFOR OR ORM MAC ACIÓ IÓ IÓN ND DE E LLAS AS PPROT ROT ROTE EINA INAS. S. 1. ESTRUCTURA Y CONFORMACIÓN DE LAS PROTEÍNAS •

NIVELES ESTRUCTURALES: ► Estructura primaria: descripción de la secuencia de aminoácidos que compone una proteína. Siempre se describe desde el extremo N terminal hasta el extremo C terminal. ► Estructura secundaria: disposiciones estables de la cadena de aminoácidos que dan lugar a patrones estructurales repetitivos ► Estructura terciaria: describe el plegamiento tridimensional de todo el péptido. ► Estructura cuaternaria: disposición en el espacio de una proteína que posee dos o mas subunidades.

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CONFORMACION DE LA CADENA POLIPEPTIDICA: la conformación de la cadena polipeptídica es cada una de las disposiciones espaciales que pueden adquirir los átomos de una proteína en el espacio sin necesidad de romper enlaces. Existen diferentes conformaciones donde esa proteína va a ser funcional, es decir, que va a tener su actividad biológica. En ese caso hablamos de que la proteína se encuentra en su conformación nativa. La conformación se distingue de la configuración en que, en esta última, para cambiar de una a otra, se requiere la ruptura de enlaces. •

ÁNGULOS DE TORSIÓN: Si se quiere describir la estructura tridimensional de una proteína, se tiene que decir donde se encuentran los átomos. Para ello se definen los ángulos de torsión. ► Φ: ángulo que incluye los enlaces C-N-Cα-C, siendo la rotación en el enlace N-Cα ► Ψ: ángulo que incluye los enlaces N-Cα-N-Cα, siendo la rotación en el enlace Cα -C ► ω: ángulo que incluye los enlaces Cα-C-N-Cα, donde la rotación debería ser en el enlace C-N, pero al ser el enlace peptídico, la rotación es limitada.

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DIAGRAMA DE RAMACHANDRAN: los choque estéricos provocados por los grupos R a la hora de girar los ángulos Φ y Ψ, impiden un gran número de conformaciones. Las conformaciones posibles se representan en el diagrama de Ramachandran.

2. ESTRUCTURA PRIMARIA La estructura primaria describe la secuencia de aminoácidos, la cual esta relacionada con la secuencia de DNA del gen para cada proteína. El conocimiento de la secuencia de aminoácidos puede proporcionar datos acerca de: 1. Estructura tridimensional y función, ya que a partir de la secuencia de aminoácidos podemos definir que estructura tridimensional se va a conseguir, y así es como conocemos su función. Las proteínas homologas tienen secuencias y funciones semejantes. 2. Localización celular, ya que ciertas secuencias de aminoácidos sirven como señales que determinan la localización celular. 3. Evolución, ya que la comparación de secuencias permite establecer relaciones evolutivas. Se pueden dar variaciones en la secuencia de aminoácidos. A estas variaciones se les conoce como mutaciones: 1. Mutación conservativa: cambia un aminoácido por otro similar, sin afectar a las estructuras superiores o funciones de las proteínas. 2. Mutación no conservativa: el cambio de un aminoácido por otro afecta a las estructuras superiores y/o las funciones de una proteína. 3. ESTRUCTURA SECUNDARIA La estructura secundaria es un segmento especifico de la cadena polipeptídica en la cual se describe la disposición de los átomos de dicha cadena principal sin tener en cuenta la disposición de las cadenas laterales. Cuando nos referimos a cadena principal, nos referimos al esqueleto polipeptídico sin tener en cuenta los grupos R. Una estructura secundaria se considera regular cuando todos los ángulos de torsión Φ y Ψ adoptan valores iguales o parecidos en todo el segmento. Existe un numero limitado de estructuras secundarias que son estables. Esto es debido a los impedimentos estéricos entre los grupos -NH, -C=O y grupos R, de la secuencia de aminoácidos. Las conformaciones posibles se estabilizan por un numero elevado de enlaces de hidrogeno. Las conformaciones mas destacadas con la hélice α, la hoja β y el giro β. Cuando no se observa una estructura regular, la estructura secundaria suele describirse como ovillo estadístico. HELICE α (3.613) Es una estructura secundaria cuyo esqueleto polipeptídico se encuentra enrollado alrededor de un eje imaginario longitudinal en el centro de la hélice, dejando a los grupos R hacia afuera del esqueleto para que haya una mínima repulsión entre ellos, debido a los impedimentos estéricos, y para posibilitar interacciones entre ellos, posibilitando así la estabilidad de la cadena polipeptídica.

La unidad repetitiva de la hélice α es el giro, que ocupa alrededor de 5.4 Å a lo largo del eje longitudinal. Cada giro incluye 3.6 residuos de aminoácidos En esta estructura se crean enlaces de hidrogeno entre los residuos i y el (i+4), es decir, un residuo forma un enlace de hidrogeno con otro que se encuentra 4 posiciones por delante de él. EJEMPLO: si el aminoácido se encuentra en la posición 7, se crea una unión con el aminoácido que se encuentre en posición 11. Estos enlaces se crean entre el -C=O y el -NH. Existen 13 átomos por bucle cerrado, es decir, un bucle, que comprende desde el aminoácido i hasta el (i+4), esta compuesto por 13 átomos. Esta hélice, a su vez, es dextrógira, es decir, realiza su giro con respecto al eje hacia la derecha. FACTORES QUE ESTABILIZAN LA HELICE α Se forman enlaces de hidrogeno entre los grupos -C=O y -NH entre los residuos i y (i+4), pero en los tres primeros residuos de los extremos no se crean estos enlaces. En este caso, lo que sucede es que van a participar los grupos R que están en dichos residuos. Estos residuos se estabilizan por enlaces de hidrogeno con los grupos R. También existen interacciones electrostáticas atractivas e interacciones hidrofóbicas. Las interacciones electrostáticas se forman mediante la interacción entre residuos R de distinta carga situados a 3 o 4 residuos de distancia, y las interacciones hidrofóbicas se crean entre aminoácidos aromáticos situados a 3 o 4 residuos de distancia. En la hélice se forma un dipolo. Los enlaces peptídicos, por su carácter de doble enlace, tienen cierta polaridad creando una distribución de cargas. Cuando se realiza el balance global de las cargas de la hélice, se encuentra una densidad de cargas negativas en el extremo C terminal y una densidad de cargas positivas en el extremo N terminal. Se ha comprobado que la hélice α se ve estabilizada debido a que en el extremo N terminal se encuentran aminoácidos cargados negativamente y en el extremo C terminal hay aminoácidos cargados positivamente. FACTORES QUE DESESTABILIZAN LA HELICE α Cuando en la secuencia de aminoácidos encontramos muchos residuos de la misma carga se crean interacciones electrostáticas repulsivas. Esto ocurre cuando encontramos muchos residuos de Glu consecutivos, que crearan repulsiones entre residuos cargados negativamente, e impedirá que la hélice se forme a pH 7. Lo mismo ocurrirá con los residuos de Lys y/o Arg consecutivos, que habrá una repulsión entre residuos cargados positivamente. El tamaño y la forma de residuos de Asn, Ser, Thr y Cys pueden desestabilizar la hélice si están muy cerca. Esto es debido al gran tamaño de sus cadenas R. En una hélice α nunca se va a encontrar un aminoácido de prolina, debido a que su cadena R forma un anillo rígido que no permite el giro, y que su N no tiene ningún H con el que formar enlace de hidrogeno, por lo que no es posible formar una hélice.

Tampoco se puede encontrar Gly, debido a que su cadena R es tan pequeña que tiene una gran flexibilidad y capacidad de giro, demasiada para una hélice α.

LAMINA β Esta estructura secundaria se distingue debido a que el esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra extendido en zigzag, dando una apariencia de lamina plegada, con los grupos R colocados perpendicularmente a ambos lados de la hoja. Estos grupos R deben ser pequeños debido al gran grado de empaquetamiento. Los grupos -C=O y -NH peptídicos forman enlaces de hidrogeno entre las cadenas adyacentes. Los segmentos individuales pueden ser cercanos o muy distantes en la secuencia lineal del polipéptido. Las cadenas adyacentes en la hoja β pueden ser paralelas, con la misma orientación amino-carboxilo, o antiparalelas, con una orientación amino-carboxilo opuesta. Esto hará que el patrón de formación de enlaces de hidrogeno sea diferente, ya que, en la antiparalela, la conformación los átomos que formaban dicho enlace es lineal, y en cambio, la paralela, la conformación es oblicua, siendo enlaces más débiles.

GIROS β Los giros β son bucle que permiten cambiar de dirección a la cadena polipeptídica. Son elementos de conexión entre hojas β o, incluso, entre hélices α. Estos giros están formados por 4 residuos de aminoácidos. Existen dos tipos de giros: en aquellos donde aparece la glicina (debido a que es pequeño y muy flexible) en posición 3, que son los llamados giros Tipo I, y en aquellos donde aparece prolina (debido a su posible conformación cis) en posición 2, que son los llamados giro Tipo II. Se estabilizan mediante enlaces de hidrogeno entre el -NH del residuo i y del -C=O del residuo (i+3). 4. ESTRUCTURA SUPERSECUNDARIA: Son combinaciones de estructuras secundarias que forman patrones definidos. No todas las proteínas tienen estructuras supersecundarias.

5. ESTRUCTURA TERCIARIA La estructura terciaria de una proteína es la disposición espacial de todos los átomos de esta. En estas estructuras, los aminoácidos alejados pueden interaccionar entre ellas. Dependiendo de las estructuras terciarias, existen dos clases de proteínas: proteínas fibrosas, dispuestas en forma de hebras, y proteínas globulares, plegadas en formas globulares o esféricas. •

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DOMINIOS ESTRUCTURALES: Un dominio es una región compacta, completamente plegada de la estructura terciaria. Las proteínas que tienen más de un dominio se encuentran unidas por la propia cadena polipeptídicas. Son importantes debido a que son estables de forma independiente y suelen tener funciones diferentes. FUERZAS QUE ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA TERCIARIA. Existen enlaces covalentes, como son los puentes disulfuro entre dos cadenas laterales de cisteína, y enlaces amida entre las cadenas laterales de la lisina y un aminoácido dicarboxilo como es el glutamato o aspartato. También se dan interacciones débiles, que son interacciones electrostáticas, puentes de hidrogeno, interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals.

6. ESTRUCTURA CUATERNARIA La estructura cuaternaria solo se da cuando tenemos varias cadenas polipeptídicas. No todas las proteínas tienen estructura cuaternaria. Cuando varias cadenas se asocian, interaccionando entre ellas de forma no covalente, formando una sola unidad, se considera que solo hay una proteína y no varias, debido a que estas interactúan entre si para formar esa única proteína. Existen varios nombres utilizados para definir estas estructuras; los multímeros son proteínas formados por varias subunidades, los oligómeros son multímeros como pocas subunidades, Y por último encontramos el protómero, que es la unidad de repetición estructural de un oligómero/multímero. Estas estructuras aparecen porque dan estabilidad a las proteínas y porque aparece la regulación alostérica. 7. DESNATURALIZACION Y PLEGAMIENTO. DEGRADACION DE PROTEINAS. La desnaturalización proteica se entiende como la perdida de estructura tridimensional de una proteína, perdiendo a su vez la función.

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AGENTES DESNATURALIZANTES: i. TEMPERATURA: la temperatura desnaturaliza a todas las proteínas. Con la temperatura lo que conseguimos romper son la interacciones débiles. Al principio cuesta romper, pero a medida que se rompen los primeros enlaces, funciona como un proceso cooperativo, rompiendo más rápido los demás enlaces, debido a que se desestabilizan las otras partes. ii. pH: dependiendo del pH, los grupos R con grupos ionizables, pueden estar protonados o no. A medida que se modifica el pH, se desnaturaliza la proteína porque desaparecen las repulsiones electroestáticas y algunos puentes de hidrogeno. iii. COMPUESTOS QUIMICOS: estos afectan a diferentes tipos de interacciones débiles. Estos pueden ser disolventes orgánicos, detergentes, urea y cloruro de guanidinio.

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RENATURALIZACION DE PROTEINAS: solo algunas proteínas tienen la capacidad de que una vez que se hayan desnaturalizado y desaparezca el efecto desnaturalizante, volver a su función activa. Este proceso se conoce como renaturalización. Las proteínas capaces de realizar esta renaturalización son aquellas a las cuales la desnaturalización ha afectado a enlaces disulfuro. Esto ocurre cuando añadimos mercaptoetanol, que es un agente reductor, que reconoce los grupos SH y la proteína se desnaturaliza. Si este agente se elimina, la proteína es capaz de volver a formar dichos puentes y renaturalizarse.

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PLEGAMIENTO DE PROTEINAS: El plegamiento es una incógnita, pero sabemos que no es un proceso completamente al azar en el que siga el método ensayo-error, debido a que seria un proceso muy largo. Esto se conoce como paradoja de Levinthal. i. PRIMERA TEORIA: se dice que es un proceso jerarquizado en el cual se crean primero las estructuras secundarias con interacciones iónicas, después de crean las estructuras supersecundarias, a continuación de la formación de dominios y por último el plegamiento polipeptídico. ii. SEGUNDA TEORIA: el plegamiento se inicia mediante un colapso espontaneo de la cadena, mediado por interacciones hidrofóbicas. Este estado colapsado se conoce como glóbulo fundido. Aunque no se sepa con exactitud como se pliegan las proteínas, si se conoce que existen moléculas que ayudan a este plegamiento, sufriendo lo conocido como plegamiento asistido. Las chaperonas moleculares son proteínas muy complejas que, cuando una proteína se ha sintetizado, pero no se ha plegado totalmente, se introduce en su interior e interacciona con ella, ayudándola a plegarse y sale completamente plegada. Hay dos tipos de chaperonas, las Hsp70 y las chaperoninas. Se conoce también que en la ruta del plegamiento de muchas proteínas se requieren dos enzimas que son las proteína disulfuro isomerasa, la cual cataliza el intercambio de enlaces disulfuro hasta formar los enlaces de la conformación nativa, y la péptido procil cis-trans isomerasa, que cataliza la interconversión entre isómeros cis o trans de los enlaces de la prolina.

Por circunstancias que no se conocen muy bien, las proteínas se pliegan de manera incorrecta dando lugar a enfermedades amiloides, como el Parkinson o el Alzheimer, y enfermedades por priones, como la enfermedad de las vacas locas. •

DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS: Las proteínas en nuestro organismo se están degradado y sintetizado de forma continua. Tiene que haber un turnover, un recambio proteico. Las proteínas se degradan mediante degradación lisosómica, que son proteasas que aparecen en los lisosomas y que reciben el nombre de catepsinas. O mediante degradación citosólica, que es un proceso mucho mas selectivo y que requiere el control de señales moleculares. En ella participan las calpaínas y los proteosomas.

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PROTEOSOMAS: son estructuras proteicas complejas, que lo que hace una proteína es entrar dentro del proteosoma y la va a degradas. El proteosoma solo va a degradar las proteínas que se encuentren marcadas para la degradación. El marcaje tiene lugar a través de una proteína muy pequeña que es la ubiquitina. Los proteosomas tienen una importancia destacada en la apoptosis, el ciclo celular, la diferenciación celular, la reparación del ADN y en la degradación de importantes enzimas en las rutas metabólicas. Se piensa que los proteosomas están implicados en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer o el Parkinson. Se usan de modo terapéuticos, estudiando su inhibición para el tratamiento del cáncer....