TEMA 6 - Proteinas globulares PDF

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Proteinas globulares ...

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TE TEMA MA 6 – PPROT ROT ROTEI EI EIN NAS GL GLOB OB OBUL UL ULARE ARE ARESS 1. PROTEINAS GLOBULARES Las proteínas globulares son relativamente esféricas y compactas. Tienen una estructura terciaria singular debido a que poseen elementos de estructura secundaria plagadas de manera específica. Estas estructuras terciarias especificas dan lugar a una gran variedad de funciones, ya que cada estructura esta relacionada con una función concreta. La gran variedad estructural da lugar a una gran variedad funcional. Esta gran variedad funcional se debe también a que muchas de ellas no solo contienen de un elemento proteico si no que aparecen también una moléculas de naturaleza no proteica, pequeñas, orgánicas o inorgánicas, que van a participar en la función. Estas moléculas reciben el nombre de grupos prostéticos. En las proteínas globulares suelen aparecer diferentes dominios con estructuras supersecundarias muy similares, y la mayoría están formadas por mas de un dominio. Las proteínas globulares suelen ser solubles, debido a su alto grado de compactación. De esta manera, en el interior de la proteína deben quedar los aminoácidos hidrófobos y en el exterior se encontrarán los hidrofílicos o con carga. Debido a la gran compactación que sufren estas proteínas, sus estructuras presentan giros, que ayudan a su pliegue, de diferentes tipos, como β, γ…, y se crean zonas donde encontramos ovillos estadísticos. Muchas proteínas globulares forman un nivel de estructura cuaternaria debido al ensamblaje de múltiples subunidades. 2. MIOGLOBINA La mioglobina es una proteína que se encuentra en los músculos y su función es la de fijar oxigeno en estos. Es un almacén de oxígeno en las células musculares. Se puede encontrar de dos maneras, como desoximioglobina, cuando no está unida al oxígeno, y como oximioglobina, cuando esta unida al oxígeno. La mioglobina está compuesta de una cadena polipeptídica y de un grupo hemo. La cadena polipeptídica pertenece al grupo de las globinas. Esta compuesta de 153 residuos de aminoácidos, los cuales están dispuestos en 8 segmentos de hélice α, nombrados A, B, C, D, E, F, G, H, donde la mas grande tiene 23 residuos y la mas grande tiene 7 residuos, siendo todas dextrógiras, y cuando se define, se definen los giros que la conforman, AB, CD… Cuando se indica la posición de un

aminoácido en la cadena se le denomina como; EJEMPLO: His93 → quiere decir que hay una histidina en la posición 93 de la cadena empezando por el extremo N-terminal. O His F8 → quiere decir que hay una histidina en la posición 8 de la hélice F. Las fuerzas estabilizantes de la mioglobina son interacciones hidrofóbicas entre los aminoácidos hidrófobos del interior de la proteína, para evitar que, entre el agua, e interacciones de Van der Waals, debido a la gran proximidad de los átomos por la compactación de los átomos. El grupo prostético de la mioglobina es el grupo hemo. El grupo hemo esta compuesto por un anillo de protoporfirina, el cual está formado por 4 anillos pirrólicos unidos por puentes mételo, unidos a 4 grupos metilo, 2 vinilo y 2 propionato, y un átomo de Fe 2+. Este hierro tiene 6 enlaces de coordinación, de los cuales, 4 están unidos a los anillos pirrólicos mientras que los otros 2 quedan libres. UNION DEL OXIGENO A LA MIOGLOBINA Se conoce que los 4 enlaces del hierro que están unidos a los anillos pirrólicos están en el mismo plano y los otros 2 enlaces son perpendiculares a dicho plano. El quinto enlace de coordinación se va a establecer con una histidina de la mioglobina, que es la His93 o histidina proximal. Y el sexto enlace de coordinación lo va a utilizar el hierro para unirse al oxígeno. Si el Fe2+ sin tener el grupo hemo puede captar O2 y se oxida a Fe3+, pero esto biológicamente no seria eficaz debido a que si se oxida ya no es capaz de captar oxígeno. Un grupo hemo sin tener la proteína alrededor, es capad también de captar oxígeno, pero el hierro se oxidaría a Fe3+ y el oxígeno quedaría como superóxido, de tal manera que quedarían grupos hemo incapaces de unir oxigeno y en el medio, iones superóxido que son muy tóxicos para el organismo porque daña los tejidos celulares. La presencia de la proteína va a evitar que el Fe2+ se oxide a Fe3+ y que el oxígeno no pase a ion superóxido, y se quede como O2. El grupo hemo, en la estructura proteica, se encuentra en lo que se denomina bolsillo hidrofóbico, de tal manera que, al estar ahí, lo que va a evitar es que, entre agua en ese espacio, por lo que se evita que el Fe2+ se oxide a Fe3+, ya que se necesita agua para esta reacción. En las proximidades del lugar de unión de oxigeno al grupo hemo hay otra histidina que es la histidina distal, la cual puede formar un enlace de hidrogeno con el O2, de esta forma se evita que pase a forma de ion superóxido.

La componente proteica de la mioglobina controla la reactividad intrínseca del grupo hemo, es decir, controla que se oxide el Fe2+ a Fe3+ y se forme ion superóxido, haciéndola mas adecuada para unir oxígeno de forma reversible. AFINIDAD DE LA MIOGLOBINA POR EL MONOXIDO DE CARBONO. El grupo hemo puede unir otras moléculas aparte del O2, como el monóxido de carbono, el cual es muy tóxico. Si hay un grupo hemo libre, sin parte proteica, tiene 20.000 veces mas afinidad por el monóxido de carbono que por el oxígeno. Esto es un problema debido a la gran toxicidad que acarrea el CO en nuestro organismo. Sin embargo, cuando el grupo hemo se encuentra en la proteína, pasa de 20.000 a 200 veces la afinidad por el monóxido. La capacidad para unir el monóxido de carbono se reduce debido a la presencia de la proteína porque existe impedimentos estéricos entre la molécula de CO, la cual es lineal, y la proteína. Impedimentos que, con el O2, que tiene cierto ángulo, no ocurren. CURVAS DE UNION DE OXIGENO A LA MIOGLOBINA. La curva de unión de la mioglobina al oxígeno, se representa como una curva hiperbólica. En estas gráficas, en el eje de las X, se representa la presión parcial de oxígeno, que es la concentración de oxígeno que hay en el medio, y en las Y, se representa la fracción de saturación de la mioglobina, que se representa en tanto por uno. Cuando decimos que la fracción de saturación de la mioglobina es 1, significa que el 100% de las moléculas de mioglobina estan unidas al oxígeno. Si esta fracción es de un 0.5, la mitad de las moléculas tendrían oxígeno… Eso depende de la presión parcial de oxígeno, debido al equilibrio que debe realizar.

Si la concentración de oxígeno es pequeña, el equilibrio esta desplazado hacia la derecha, pero si la concentración de este es pequeña, la concentración estará desplazado hacia la izquierda. Cuando la presión parcial de oxígeno es elevada, la mioglobina se encontrará más saturada que a presiones parciales mas bajas.

Va a ver una concentración de oxígeno, llamada P50, caracterizada porque el 50% de l a mioglobina se encuentra sin unir al oxígeno, y el otro 50% de la mioglobina se encuentra unida al oxígeno. Si tengo mioglobina a una presión parcial de 5, que se encuentra saturada al 90%, y pasamos a una presión parcial de 1, estando saturada al 70%, sabemos que se ha liberado el 20% del oxigeno que estaba unido a la mioglobina. La presión parcial de nuestros pulmones es de unos 12 kPa, la saturación a esa presión es de 98%. La presión parcial en nuestros tejidos baja a 4 kPa, pero la saturación no cambia, sigue siendo 98%. Por esto, esta molécula no sirve para transportar oxígeno, debido a que en los pulmones se satura y cuando llega a los tejidos, sigue teniendo tanta afinidad por el oxigeno que no lo suelta. 3. HEMOGLOBINA ESTRUCTURA DE LA MIOGLOBINA La hemoglobina tiene una función de transporte de oxígeno. Es una proteína oligomerica formada por 4 subunidades, la α1 y α2, que cada una tiene 141 residuos de aminoácidos, y β1 y β2, que tienen 146 residuos de aminoácidos cada una. Cada una de estas cadenas son globinas con una estructura muy similar a la de la mioglobina. Cada una de estas subunidades tiene un grupo hemo. Hay diferencias entre la mioglobina y la hemoglobina como es que, en la hemoglobina, en la subunidad α carece de hélice D, pero estructuralmente es muy similar. Las interacciones entre las cadenas son: • •

Entre α1β1, en la cual participan 35 residuos y se unen ya sea mediante interacciones hidrofóbicas o enlaces de hidrogeno o puentes salinos. Esto ocurre entre α2β2. Entre α1β2, donde participan 19 residuos de aminoácidos y se unen mediante interacciones hidrofóbicas o enlaces de hidrogeno o puentes salinos. Esto también ocurre entre α2β1.

EVOLUCION MOLECULAR DE LA MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA. POSICIONES INVARIANTES. La mioglobina y la hemoglobina poseen algunas posiciones que son invariables. De hecho, se ha estudiado la estructura primaria de la hemoglobina y mioglobina en 60 especies y se ha comprobado que en la cadena α hay 23 aminoácidos que son idénticos, 20 en la cadena β, y 27 en la mioglobina. Esto da a pensar que ambas proceden de una proteína ancestral común cuya función era fijar oxígeno, y que la evolución de estas dos proteínas se ha dado por duplicación génica.

DIFERENCIAS ENTRE MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA: UNION DE OXÍGENO. La hemoglobina puede presentar dos conformaciones que son funcionales, Estado R (relajado) y Estado T (tenso). Cuando esta en Estado R, el numero de interacciones que se establecen entre las unidades son menos que cuando esta en estado T, donde hay mayor cantidad de interacciones entre subunidades. En ambas conformaciones, la hemoglobina puede unir oxígeno, pero la tendencia a unir oxígeno es diferente en una que en otra. Cuando la hemoglobina se encuentra en ausencia de oxígeno, la conformación más estable es el estado T, teniendo una baja afinidad para unir oxígeno. En cuanto se empieza a unir la primera molécula de oxígeno, ocurre un pequeño cambio conformacional. Este cambio conformacional es que cuando estamos en Estado T, el anillo de protoporfirina no esta totalmente perpendicular al Fe2+, y cuando se une el oxígeno, hace que la conformación de los átomos cambie y se vuelva mas planar, pasando al Estado R. Este estado R tiene una mayor afinidad por el oxígeno. La hemoglobina tiene 4 cadenas con grupos hemo sin oxígeno. A la primera molécula de oxigeno le va a costar mucho unirse a ella debido a que, al encontrarse en Estado T, no tiene mucha afinidad hacia el oxígeno. Pero cuando se produce el cambio conformacional hacia R, a la secunda molécula de oxígeno le va a costar menos unirse a la cadena, a la tercera molécula mucho menos y a la cuarta menos todavía.

DIFERENCIAS ENTRE MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA: CURVAS DE UNION DE OXIGENO. La curva de unión del oxigeno a la hemoglobina es sigmoidal. Esto es debido a la conformación de las cuatro cadenas que posee. Al estar en el inicio en conformación T, tiene poca afinidad por el oxígeno, pero al ir cambiando a conformación R, cuanta más presión parcial de oxigeno haya, la afinidad va a aumentar. Un comportamiento sigmoidal es que una molécula tiene poca afinidad hacia el oxigeno a presiones parciales bajas y mucha afinidad hacia el oxigeno a presiones parciales altas. El cooperativismo se describe mediante el comportamiento sigmoidal.

El alosterismo o cooperativismo aparece cuando se tiene una proteína con diferentes cadenas polipeptídicas de tal forma que lo que sucede es que cuando una molécula se une a una de las cadenas polipeptídicas provoca un cambio en la conformación que provoca un cambio en la conformación que modifica su función. Esto es lo que ocurre en la hemoglobina cuando a esta se le une el oxígeno, que crea un cambio en la conformación que modifica su función. Ese ligando que se une a la proteína alostérica se llama modulador o efector alostérico. De tal forma que su efecto puede ser positivo o negativo. En el caso de la hemoglobina, el efecto es positivo porque cuando se une, la afinidad aumenta. Los moduladores pueden recibir el nombre de homotropicos, es decir, que el ligando que se va a unir a la proteína es el sustrato natural de dicha proteína, y heterotrópicos, es decir, que el ligando que se une a la proteína es diferente al sustrato natural de la proteína. El oxigeno es un homotropico debido a que es el sustrato original de la hemoglobina. Este alosterismo tiene una consecuencia muy importante sobre la función de la hemoglobina y es que esta puede transportar oxigeno de los pulmones a los tejidos. La presión parcial de nuestros tejidos es de 4 kPa y la de nuestros pulmones es de 12 kPa. Debido a este alosterismo, la hemoglobina es capad de saturar el 98% de sus moléculas en los pulmones con oxigeno y cuando llega a los tejidos, donde la presión parcial baja y su afinidad disminuye, la cantidad de moléculas saturadas es de un 60%, haciendo que se libere un 38% de oxígeno. Por esto, la hemoglobina se encarga del transporte de oxígeno . ECUACION DE HILL

Al igual que la mioglobina, la hemoglobina cuando esta en contacto con el oxígeno, tiene que cumplir un equilibrio

La ecuación de Hill es la representación del log [θ/1-θ] frente a log pO2, siendo la pendiente de la recta n y el punto de corte con el eje de coordenadas, -logP50. Cuando se representa esta ecuación, debería dar una recta con una pendiente de 4, que son los sitios que la hemoglobina tiene para que el oxigeno se una. Sin embargo, la hemoglobina, en valores reales y experimentalmente comprobados, nunca llega a obtener un valor de 4, si no de 3. Esto nos indica que no se refleja el número de moléculas que puede unir una molécula, sino que lo que mide es el grado de cooperatividad. Esto es lo que llamamos nH o coeficiente de Hill. Cuando nH es igual a 1, la unión es no cooperativa, que es el caso de la mioglobina. Cuando nH es mayor de 1, es una cooperatividad positiva, es decir, la afinidad por el oxigeno aumenta. Cuando nH es menor de 1, la cooperatividad es negativa. Cuando nH es igual a 4, que es el número de moléculas de oxigeno que puede unir una molécula de hemoglobina, se dice que ha alcanzado el límite superior teórico.

EFECTO DEL BPG El BPG o 2,3-bifosfoglicerato, es un modulador alostérico heterotrópico, negativo, debido a que, cuando sus concentraciones aumentan, la afinidad de la hemoglobina por el oxigeno disminuye. 𝐻𝑏𝐵𝑃𝐺 + 𝑂2 ↔ 𝐻𝑏𝑂2 + 𝐵𝑃𝐺 Si en nuestra sangre la concentración de BPG fuera 0, la hemoglobina no seria capaz de transportar oxígeno. Por ello, la concentración de BPG en sangre es de aproximadamente 5 mM. Cuando vamos a lugares elevados sobre el nivel del mar, hay menos oxígeno, lo que produce una reducción de la presión parcial de oxígeno, provocando que la hemoglobina se sature en los pulmones con menos oxígeno, liberando en los tejidos solo el 30% del oxigeno captado, dejando un 8% menos de oxígeno en los tejidos. En el periodo de adaptación en lugares elevados, se sintetiza BPG, llegando a concentraciones mayores. Este BPG sintetizado, provoca que en los pulmones la hemoglobina se sature menos, es decir, que tenga menos afinidad por el oxigeno en los pulmones, pero cuando llega a los tejidos, esa afinidad también ha disminuido. Esto hace que se liberen en los tejidos un 37% del oxigeno captado. EFECTO BOHR La hemoglobina también transporta protones y CO2. 𝐻𝐻𝑏 + + 𝑂2 ↔ 𝐻𝑏𝑂2 + 𝐻 + Cuando el pH aumenta, disminuye la cantidad de protones, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la derecha para aumentar la cantidad de dichos protones, por lo que la afinidad de la hemoglobina hacia el oxigeno aumenta . Si el pH disminuye, los protones aumentan, desplazando el equilibrio hacia la izquierda, disminuyendo la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Cuando aumenta el pH, el P50 disminuye, debido al aumento de la afinidad. Esto quiere decir, que cuanto mas va disminuyendo el pH, se necesitara una presión parcial de oxígeno mayor para alcanzar el 50% de la saturación de las moléculas. Esto está relacionado con los estados conformacionales de la hemoglobina. Las interacciones son entre pares iónicos, y uno de los aminoácidos que participa en estos pares iónicos es la His146, que presenta carga a un determinado pH. Cuando esta cargado, se da lugar la

interacción y nos encontramos en el estado T. Sin embargo, cuando no tiene carga, ya no puede formar ese enlace por lo que nos encontraríamos en estado R. Cuando aumenta la cantidad de protones, es decir, el pH disminuye, se produce una protonación de la His146, cargándola y dándola la capacidad de formar un par iónico y se pasa, así, al estado T, liberando el oxígeno. La hemoglobina también une CO2, pero este no se une a través del grupo hemo, si no en el extremo N-terminal, formando lo que se conoce como residuo carbamino-terminal. Además, el CO2 se une de manera inversamente proporcional a la unión del oxígeno, es decir, si se une oxigeno al grupo hemo, el CO2 no es capaz de unirse al grupo amino, pero cuando se va liberando oxígeno, se puede ir uniendo más CO2. En los tejidos periféricos, el oxigeno baja por lo que el CO 2 se libera, al igual que los protones, disminuyendo el pH, disminuyendo la afinidad por el O 2, liberándolo. Como la unión del CO2 es inversamente proporcional a la unión de O2, cuando se va liberando oxígeno, se une CO2. En los pulmones, la cantidad de oxigeno unido a la hemoglobina es alta, por lo que se liberan protones y CO2....