TEMA 4 Relación Estructura- Función Y Evolución DE Proteínas PDF

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Profesor: Josep Vendrell...

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TEMA 4: RELACIÓN ESTRUCTURA-FUNCIÓN Y EVOLUCIÓN DE PROTEÍNAS

Pequeños o grandes cambios en la estructura de las proteínas producen cambios correlativos en la función. Dos proteínas: mioglobina (monomérica) y hemoglobina (tetramérica).

ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE OXÍGENO: MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA Las células aeróbicas requieren oxígeno. El O2 es apenas soluble en agua. Una vez dentro del organismo, la difusión de O2 a través de los tejidos es ineficiente. Con suerte, las proteínas también pueden ayudar aquí. Las mioglobina y la hemoglobina tienen como función gestionar el suministro de oxígeno a los organismos aerobios. En realidad, cualquier célula aeróbica requiere de oxígeno, pero este por sí solo no es capaz de autosuministrarse o autodirigirse porque le es muy difícil acoplar agua, por lo que se necesita de estas proteínas para facilitar el transporte de este. Las necesidades de oxígeno están cubiertas por proteínas que almacenan y transportan O2: •

Mioglobina: Es una molécula monomérica formada por una sola cadena polipeptídica, con un solo dominio. Fijan y almacenan O2.

•

Hemoglobina: Es una molécula tetramérica formada por cuatro cadenas polipeptídicas diferentes y unidas por enlaces no covalentes. Fijan y transportan O2.

Cada subunidad de la mioglobina es muy parecida estructuralmente a la mioglobina en si. Se puede definir como cuatro mioglobinas juntas. Su función es fijar y almacenar el O2. La hemoglobina, en cambio, fija y transporta O2, esto se debe a la complejidad de su estructura. La estructuración tridimensional de estas proteínas afecta a las funciones que llevan a cabo. La mioglobina solo puede almacenar O2 pero no cargar y descargar (función transporte) como la hemoglobina.

ALMACENAMIENTO DE OXÍGENO: MIOGLOBINA • • •

Las cadenas laterales de proteínas carecen de afinidad para O2. Algunos metales de transición como el hierro unen bien O2, pero generarían radicales libres en solución. Los compuestos organometálicos (como los grupos hemos) unidos a las proteínas son la solución utilizada por las células para capturar O2.... (¿Por qué no un hemo solo?).

El O2 no se une como tal a las proteínas, pues no existen aminoácidos que puedan unir con eficiencia el O2. Se une al Fe2+, lo que provoca una oxidación del Fe2+ al Fe3+, lo que genera un radical libre O2- que es peligroso para las células. Esto, por tanto, no sería una buena opción para transportarlo. Para esto, las células han evolucionado un sistema con el que una proteína protege el Fe con una estructura metálica (anillo) que es de protoporfilina, coordinada por cuatro nitrogenos. Aún así, no está protegido del todo porque el Fe puede entrar por las dos esquinas del dibujo y este ataque del Fe provocaría el problema anterior.

PLIEGUE DE LA GLOBINA Y LA UNIÓN DEL HEMO El grupo hemo está unido entre las hélices E y F. La menor accesibilidad del grupo hemo es la razón para usar hemoproteínas para unir O2. Grupo protésico hemo: hierro en forma de Fe2+ ligado a un grupo de porfirina.

El exceso de propeno está minimizado, por lo que el O2 solo puede unirse al Fe que está ubicado en el interior del anillo de protoporfilina por una de las esquinas, lo que mantiene al Fe en Fe2+, por lo que no puede oxidarse y aumenta su capacidad de unión de oxígeno. Esto es debido a que en ambas esquinas del anillo de protoporfilina hay residuos de la proteina cercanos al Fe. Una es una histidina proximal y otra distal, esta última puede estar cercana pero no coordina el Fe y permite que entre. La baja accesibilidad del propeno es el error de utilizar proteínas para unir O2. Por tanto, hacen falta tres cosas: El Fe, el anillo de protoporfilina y el O2 para hacer esta función. ➢

O2 UNIÉNDOSE AL HEMO:

La afinidad del hemo por el CO es mucho mayor que el del O2. La unión a la mioglobina reduce 102 veces la diferencia de afinidad.

En la figura de la izquierda se ve el anillo con el Fe en el medio, la histidina proximal debajo y coordinando el Fe e impidiendo que entre O2 por la parte de abajo al anillo y pueda solo por la parte de arriba. A parte de permitir que entren proteínas que impiden la oxidación del Fe, esta estructura tiene otra ventaja: En la figura de la derecha, el Fe se puede unir al O2 y a un oxido de carbono, por lo que si consideramos los grupos hemo solos, en esta situación, un óxido de carbono no puede fijar O2, pero dentro de la proteína, la afinidad del óxido de carbono por el Fe es muy baja. Esto es fundamental para la protección contra gases tóxicos como el monóxido de carbono. La unión de ligando se puede describir cuantitativamente. En la mioglobina, el ligando es oxígeno, su concentración es equivalente a pO2 y Kd es la presión a media saturación, P50.

Analizar el proceso de manera cuantitativa: 1.

Gráfica: se calcula la saturación de las moléculas correspondientes (letra griega: θ) en función de la concentración de O2 (expresado en presión parcial de O2).

2.

Ecuación: indica la interacción de la proteína con su ligando (O2). Como cualquier reacción química, se describe por una constante de equilibrio (Ka = constante de acidez (reacción hacia la derecha) y Kd = constante de disociación (reacción hacia la izquierda).

3.

θ: se define como cuánta proteína hay unida respecto a la proteína total. Se extrae la concentración de PL de la ecuación anterior de la ecuación de disociación. Así se llega a la última expresión, pues Ka es la inversa de Kd. (HACER LOS CÁLCULOS).

¿Cuánto vale la expresión cuando la saturación es la mitad, θ = 1/2? La expresión es igual a L/2L, quiere decir que Kd tiene que ser igual a L. Esto quiere decir que Kd representa la concentración de O2 (o presión parcial de O2) que se da cuando la molécula está medio saturada , es decir, el valor que es constante a P50. Así simplificamos el valor de la saturación al fraccionar en términos más estandarizados en los que L es equivalente a concentración de oxígeno y este lo es a la presión parcial. Finalmente: θ = presión parcial de oxígeno / presión parcial de oxígeno + P50 Gráfica hiperbólica, pues la ecuación de la letra griega muestra este tipo de gráfica. Expresa la saturación simple de una proteína por parte de un ligando. La mioglobina no liberará O2 en los capilares tisulares. Es necesaria otra molécula más versátil, capaz de pasar de un estado de baja afinidad a un estado de alta afinidad . Valores de referencia: presión atmosférica: 101,32 kPa. El aire contiene 21% O2.

Comparación entre gráfica de saturación de la mioglobina y los valores de concentración de O2 (pO2) en los tejidos y en los músculos se ve que la mioglobina está igual de saturada. Esto es lo de demuestra que la mioglobina no puede ser una molécula transportadora, porque carga pero no descarga en los tejidos, donde la molécula de mioglobina es igual de afina que lo es en los pulmones. Para esto se necesita otra molécula más versátil, la hemoglobina, que puede pasar de un estado de carga en los pulmones a otro de descarga en los tejidos.

TRANSPORTE DE OXÍGENO: HEMOGLOBINA Hemoglobina: su estructura cuaternaria hace posible una transición.

La hemoglobina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas, 2 alfa y 2 beta formando el tetrámero 2alfa2beta. Cada uno de los polipéptidos son parecidos pero no iguales a la hemoglobina. Tienen secuencias aminoacídicas diferentes. En la gráfica se ve la curva de saturación de la hemoglobina por O2 (curva del medio), que ya no es hiperbólica, es sigmoidal (paso de un estado de baja a alta afinidad), la cual representa la transición de una curva hiperbólica de baja afinidad y otra de alta afinidad. Este comportamiento se justifica con la estructura cuaternaria de la proteína, las cuatro cadenas polipeptídicas unidas por enlaces no covalentes permite que su estructuración negativa en el espacio pueda variar y adaptarse a los cambios en la concentración de O2. Una curva de unión sigmoide indica cooperatividad. Cada subunidad de hemoglobina es muy similar a la mioglobina:

Existe una gran similitud entre la mioglobina y una de las cadenas de la hemoglobina, pues la estructura tridimensional es muy parecida, donde el punto de unión del grupo hemo y el punto de exceso del O2 hacia el Fe del grupo hemo son casi idénticos.

LOS DOS ESTADOS DE LA HEMOGLOBINA •

Desoxihemoglobina: Estado T, baja afinidad, estable en ausencia de O2.

•

Oxihemoglobina: Estado R, alta afinidad, estable en presencia de O2.

Dos formas extremas de la hemoglobina, baja afinidad y alta afinidad. Desoxihemoglobina (estado T), estable en ausencia de O2, y oxihemoglobina (estado R), estable en presencia de O2. Ambas cadenas de color azul y rojo son bastantes iguales, sólo varía la posición relativa de estas cadenas respecto el resto de la molécula (en la parte superior del medio en relación al polipéptido tiene un color más difuminado y unas señales con flechas que han variado entre una figura y otra, esto es el cambio de conformación que permite el paso de la molécula un estado de baja a alta afinidad). ➢

CURVAS DE DISOCIACIÓN DE OXÍGENO PARA Mb Y Hb EN SANGRE ENTERA:

Comparación de las curvas de saturación de la mioglobina y la hemoglobina (Y = letra griega). Se ve claramente que la presión arterial está saturada en ambas, pero la presión en los tejidos en la mioglobina está saturada y en la hemoglobina está medio saturada (50%).

ALOTERISMO Y COOPERATIVIDAD DE LA HEMOGLOBINA La transición comienza con sutiles cambios estructurales...*

Esa transición de baja-alta afinidad (comportamiento alostérico). ¿A qué es debido a nivel molecular o atómico? En la figura de la izquierda hay una parte de la proteína, la parte más cercana del grupo hemo, está la histidina proximal está cerca a la esfera que marca la presencia del átomo de Fe. Hay que fijarse que la estructura orgánica de porfirina que envuelve el átomo de Fe está curvada porque estira el Fe hacia arriba, en cambio, en la forma R, hay seis puntos de coordinación (cuatro de la estructura de porfirina, la histidina proximal y el O2) y no hay bóveda, la estructura es plana porque se ha estirado hacia la derecha. En la figura de la derecha, la hélice de color azul (desoxigenada) está hacia arriba y la histidina estirando al anillo y al Fe que hay dentro de este hace que este anillo se abovede y quede de forma no plana y después, cuando entra el O2 (dibujos de color rosa), esto estira el Fe y aplana el anillo y estira la histidina que forma parte de la hélice. Este cambio tan pequeño traslada el resto de la molécula y hace que toda ella rápidamente pase transmitiendo el cambio conformacional de una forma de baja a alta afinidad. *... que desencadenan un cambio de conformación de largo alcance.

Los efectos del cambio de la presencia de O2 , o no, en la molécula de proteína. Se pasa de la estructura de la izquierda (baja afinidad) a la de la derecha (alta afinidad) y ha habido una reestructuración de la molécula, observándose en la ubicación relativa de los cuatro polipéptidos que es diferente. Esto se debe a un cambio puntual y pequeño de la molécula que modifica la posición del anillo del grupo hemo y hace que se transmita un gran cambio de conformación del resto de la molécula que abre justamente un paso cooperativo porque una cosa lleva a la otra que transforma a la molécula en una de alta afinidad por el O2.

Se trata del ciclo de carga y descarga de O2 de los pulmones a los tejidos. La hemoglobina, después de liberar O2 en los tejidos, queda en el estado T (desoxihemoglobina). A continuación, viaja de los tejidos hacia los pulmones donde la concentración de O2 (pO2 es alta) oxigena la desoxihemoglobina y la pasa al estado R (oxihemoglobina). Después, viaja a los tejidos (a pO2 bajo) libera su carga y cambia de nuevo al estado T. La unión de O2 es cooperativa.

El efecto cooperativo de trabajo se da en ambas direcciones (carga y descarga): El O2 favorece la forma oxihemoglobina y otros factores (por ejemplo: CO2, pH y BPG) favorecen la descarga. Así, el O2 aumenta la afinidad por otras moléculas de O2 de forma cooperativa . El CO2, el pH ácido y el BPG (2,3 bisfosfoglicerato) disminuyen la afinidad cooperativa. El O2, CO2, H+ y BPG son efectores alostéricos. La hemoglobina es una proteína alostérica, en la cual la unión de un ligando a un sitio afecta la unión a otros sitios en la misma proteína.

➢ EFECTO DEL CO2 Y H+ (EFECTO DE BOHR): La curva hacia la derecha indica pérdida de afinidad por el O2 y hacia la izquierda lo contrario. En los tejidos: Al aumentar la [CO2] y [H+], la hemoglobina libera O2 y transporta CO2 y H+. En los pulmones, la hemoglobina protonada y ligada a CO2 liberará protones y CO2 y unirá O2:

➢

EFECTO DEL 2,3 BPG:

El 2,3 BPG es el efector principal, pues es el regulador más importante del comportamiento de la hemoglobina. Estabiliza el estado T exclusivamente (no se une al estado R) uniéndose a su cavidad central. [2,3-BPG] cambia la presión atmosférica permitiendo la rápida adaptación a los cambios de altitud.

SECUENCIA Y RELACIONES EVOLUTIVAS La conformación (pliegue, nativo estructura 3D) de cada una de las cadenas de mioglobina y de hemoglobina son muy similares. Sus secuencias son homólogas, pero no idénticas.

MECANISMOS DE EVOLUCIÓN MOLECULAR

La evolución contemplada a nivel molecular se produce por mutación (cambios puntuales en las secuencias de DNA), duplicación génica (cada gen sufre presiones evolutivas diferentes), rotura de fragmentos (shuffling) o transferencia horizontal. El caso de la hemoglobina y mioglobina son algunas duplicaciones génicas y posterior evolución de las cadenas.

Las comparaciones de secuencias de proteínas nos permiten inferir relaciones evolutivas entre los organismos que producen las proteínas. Se obtienen árboles filogenéticos a partir de la matriz de diferencia. Por mecanismos de secuencia comparada, sustitución de matrices y algoritmos de alineación, los bioinformáticos están desarrollando métodos poderosos para la comparación de secuencias y reconocimiento. Alineación de la mioglobina humana y la cadena α de hemoglobina humana:

Los genes de globina familiares reconstruidos en un árbol filogenético: En este árbol se expresan los genes de globina familiares en diferentes estadios de desarrollo. Existen más tipos de cadenas de hemoglobina, no solo alfa y beta. La cadena gamma tiene una presencia diferencial durante el desarrollo del feto humano. En esta figura se ve que la síntesis de la cadena alfa es constante desde la fecundación pasando por la gestación, parto y postparto. En cambio, durante la gestación hay muy poca beta, sustituida por las cadenas gamma. El crecimiento de la beta y el decrecimiento de la gamma poco después del parto. Así, a los tres meses queda sustituida la gamma por la beta. La cadena gamma tiene una sustitución aminoacídica (cambio de histidina por serina). La histidina se une a la cadena beta y la serina a la cadena gamma....