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Tema 4: Estructura tridimensional de las proteínas 1.Introducción   

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Una proteína se sintetiza en los ribosomas en forma lineal, con una secuencia de aminoácidos que está codificada en el ADN. A medida que se va formando, la proteína se pliega, adoptando una estructura tridimensional: la proteína funcional (proteína nativa). Esta conformación está determinada por las interacciones entre su secuencia de aminoácidos y el ambiente acuoso de la célula (con sus condiciones de pH, fuerza iónica y temperatura), de manera que se alcance la máxima estabilidad de la molécula y el mínimo de energía libre. Para cada secuencia (estructura primaria) solo existe una conformación (estructura tridimensional) favorecida.

2.Niveles estructurales de una proteína

Secuencia: -Estructura primaria: secuencia. Enlaces implicados: enlaces peptídicos. Conformación: -Estructura secundaria: plegamiento local. Enlaces implicados: enlaces de H entre enlaces peptídicos. -Estructura terciaria: plegamiento global de la cadena. Enlaces implicados: enlaces de H, interacciones electroestáticas, interacciones hidrofóbicas y puentes de S entre dos cys. Asociación: -Estructura cuaternaria: asociación entre diversas cadenas peptídicas por fuerzas débiles para formar una proteína activa. - Asociación supramolecular: asociación de estructuras cuaternarias estabilizadas por diversas fuerzas, incluidos los enlaces covalentes.

3.Estructuras secundarias  

El esqueleto de una proteína es una secuencia ligada de planos rígidos, Dependiendo de los valores de phi y psi, adoptará una conformación diferente. Si los ángulos phi y psi tienen valores repetitivos en un segmento de la proteína, se obtienen estructuras secundarias regulares. Las más frecuente son alfa-hélices, hoja plegada-beta, hélice de colágeno, giros beta y giros gamma.

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Si no adopta valores repetitivos, la estructura es al azar.

3.1. Hélice alfa 

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El esqueleto polipeptídico se enrolla hacia la derecha alrededor de un eje imaginario, y los grupos R de los residuos sobresalen perpendiculares al eje de la hélice. Esta distribución produce el mínimo de interacciones estéricas entre grupos R, que pueden ser voluminosos. Hay 3,6 residuos/vuelta. La estructura se repite cada 5 vueltas(3,6x5=18). Se estabiliza por la formación de puentes de H entre el O carbonílico del residuo i y el -NH- del i+4. Todos los enlaces peptídicos participan en la formación de la hélice y cada vuelta está unida a las adyacentes por 3 o 4 puentes de H. Todos los enlaces de H apuntan en la misma dirección.

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Los grupos R afectan a la estabilidad: -Grupos cargados: desestabilizan si cargas del mismo signo están próximas, por su repulsión electroestática. Cargas opuestas, estabilizan. -Grupos muy voluminosos: si están próximos desestabilizan por impedimentos estéricos. -Grupos aromáticos: si están próximos estabilizan por interacciones hidrofóbicas. -Pro, no posee -NH- capaz de formar enlaces de H por lo que no permite la formación de esta estructura. -Gly, tiene más flexibilidad que los otros aminoácidos, y no suele estar en las alfa-hélice.

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En proteínas globulares suele tener de 4 a 36 aminoácidos, es decir, de 1 a 10 vueltas. En proteínas fibrosas puede abarcar toda su longitud.

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3.2. Hélice de colágeno   

Es una hélice levógira, con 3,3, aminoácidos por vuelta. Solo está presente en el colágeno, que es la proteína más abundante de los mamíferos. Es consecuencia de la repetición de Gly-X-Pro o Gly-X-4OH-Pro en la secuencia.

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En X es frecuente Lys y OH-Lys. Se estabiliza por la repulsión estérica de los anillos de Pro, que alcanzan su máxima separación en esta hélice.

3.3. Hoja plegada beta 

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El esqueleto de las cadenas polipeptídicas en zigzag se dispone de manera adyacente. Se estabiliza por puentes de H entre enlaces peptídicos de esos segmentos contiguos. Los grupos R de los distintos aminoácidos quedan perpendiculares al plano que define la hoja, de forma alternante por encima y por debajo.

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Las cadenas polipeptídicas adyacentes de una hoja plegada beta pueden ser paralelas (con la misma orientación) o antiparalelas (con orientación opuestas).

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Los patrones de formación de puentes de hidrógeno son diferentes.

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La alineación antiparalela es un poco más estable. En proteínas globulares pueden tener de 2 a 22 polipéptidos, con hasta 15 residuos. En fibrosas, toda su longitud se puede plegar en una hoja. Conectan tramos sucesivos de hélices alfa y/o hoja beta. Forman un giro de 180º en el que están involucrados 4 residuos, con el primero formando un puente de H con el cuarto. Como el aminoácido 2 o el 3 suele aparecer Gly, porque es pequeño y flexible. Suelen estar en la superficie de las proteínas, donde los aminoácidos centrales pueden formar enlaces de H con el agua.

3.5. Giros gamma  

Conectan tramos sucesivos de hélices alfa y/o hoja beta. Forman un de 180º en están

giro el que

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involucrados 3 residuos, con el primero formando un puente de H con el tercero. El segundo residuo es la prolina. Son menos frecuentes.

3.6. Estructuras aleatorias (irregulares o bucles)  

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Cuando un segmento carece de combinación repetitiva de phi y psi, la estructura resultante no tiene un patrón geométrico. Debido a las interacciones entre grupos R, a los puentes de S y las interacciones impuestas por cofactores, se adopta una conformación determinada. Las estructuras irregulares no son menos ordenadas que las demás, son simplemente más difícil de describir.

4.Estructuras supersecundarias 

Los motivos son combinaciones de estructuras secundarias y las conexiones entre ellas que, con frecuencia, desempeñan funciones semejantes en diferentes proteínas.

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Las cadenas de más de 200 aminoácidos se pliegan en regiones compactas que están conectadas por un segmento flexible. Estas unidades se llaman dominios. Con frecuencia cada dominio tiene una función diferente en la proteína.

5. Estructura terciaria  

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Es la estructura tridimensional global de la proteína con una sola cadena. En las proteínas con estructura globular se combinan distintos tipos de estructura secundaria. Son solubles en agua. Cumplen muchos papeles en la célula. En las proteínas con estructura fibrosa domina un único tipo de estructura secundaria. Forman fibras alargadas y son insolubles en agua. Tienen función estructural.

5.1. Fuerzas que estabilizan la estructura terciaria 1-Puentes disulfuro (entre residuos de cys).

2-Interadcciones electroestáticas entre cargas. 3-Puentes de hidrógeno. 4-Interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals (entre grupos no polares). 5.Interacciones con cofactores (parte no proteica). 5.2. Desnaturalización-renaturalización  

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La desnaturalización es la pérdida de la estructura tridimensional de una proteína conservando la primaria. La proteína pierde su función. El agente primordial es el calor, pero también se produce por cambios de pH, tratamiento con disolventes orgánicos, con compuestos polares como la urea, con reductores de puentes de S como el mercaptoetanol y detergentes. Todos ellos alteran las interacciones que mantienen la estructura tridimensional. Su consecuencia es la pérdida de solubilidad. Los aminoácidos hidrófobos salen e interaccionan entre si formando agregados que precipitan. Algunas proteínas globulares desnaturalizadas son capaces de recuperar su estructura y su actividad biológica si se elimina el agente desnaturalizante. Indica que la información para adoptar la estructura tridimensional está en la secuencia de aminoácidos.

5.3. Plegamiento de proteínas  

El plegado de una proteína está favorecido energéticamente en condiciones fisiológicas (Energía libre de Gibbs menor que 0) Las proteínas se pliegan de forma jerarquizada, con la formación rápida de estructuras secundarias locales (1), que se unen entre sí para formar dominios (2) y, finalmente, se ajusta la conformación de los dominios para obtener la proteína nativa activa (3).

5.4. Proteínas que ayudan al plegamiento 

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El plegamiento espontáneo solo es válido para un reducido número de proteínas pequeñas y muy estables. La mayoría, para poder plegarse requieren ayuda. Proteínas que ayudan al plegamiento: - Chaperonas moleculares: interaccionan con polipéptidos parcialmente plegados, facilitando microentornos en los que pueda tener lugar el plegamiento correcto. - Proteína disulfuro isomerasa: cataliza la formación de enlaces disulfuro entre los residuos de Cys correctos. - Péptido prolil cis-trans isomerasa: cataliza la interconversión entre los isómeros cis y trans de los enlaces peptídicos en que participa la Pro (sin enzima la isomerización es más lenta), permitiendo el plegamiento correcto.

6. Estructura cuaternaria  

Proteínas que tienen más de una cadena polipeptídica, y cada uno de sus polipéptidos es una subunidad. La unión se realiza con una cierta simetría, y las subunidades ocupan puntos equivalentes geométricamente.

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Está estabilizada por fuerzas débiles, de corto alcance, por lo que las superficies en contacto deben ser complementarias. Es un estado de equilibrio entre asociación-disociación por la acción de factores externos. Permite los fenómenos de cooperatividad y alosterismo. Proteína globular: hemoglobina - Estructura primaria: 2 cadenas alfa de 141 aminoácidos y dos cadenas beta de 146. - Estructura secundaria: en alfa-hélice, con algunos giros y secuencia al azar en cada cadena. - Estructura terciaria: cada cadena se une a un grupo hemo y. al considerar todas las estructuras secundarias y las interacciones entre los grupos R, adopta una estructura globular. - Estructura cuaternaria: las cuatro cadenas se asocian entre sí mediante interacciones no covalentes, para formar la proteína activa. Proteína fibrosa: colágeno. - Estructura primaria: cadenas de 1000 aminoácidos en las que se repite la secuencia Gly-X-Pro o Gly-X-4-OH-Pro. - Estructura secundaria: hélice levógira de 3,3 residuos/vuelta. - Estructura terciaria: plegamiento global de la cadena en hélice levógira adoptando una conformación extendida. - Estructura cuaternaria: tres cadenas se asocian formando una triple hélice dextrógira. Se estabiliza por enlaces débiles (enlaces de H entre OH-Pro) y algunos covalentes (entre Lys y OH-Lys en posición X). Se denomina tropocolágeno. - Asociación supramolecular: las moléculas de tropocolágeno se asocian entre sí mediante enlaces covalentes para formar fibras.

7. Asociación supramolecular 

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Las moléculas de tropocolágeno se asocian entre sí, mediante enlaces covalentes entre residuos de Lys e OH-Lys en la posición X. Esto permite formar: fibras con gran resistencia a la tensión. El “desplazamiento” de las moléculas de tropocolágeno en las fibras, da lugar a un patrón estriado cuando se estudian a microscopio electrónico. Se encuentra en el tejido conjuntivo de tendones, cartílagos, la matriz de los huesos y la córnea del ojo....