Estructura tridimensional de las proteínas globulares

Bioquímica. Proteínas. Hemoglobina. Mioglobina. Estructuras. Interacciones

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TEMA 6

ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LAS PROTEINA GLOBULARES.

DESNATURALIZACIÓN

Ejm.: Mioglobina y Hemoglobina

GENERALIDADES DE LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LAS PROTEINAS

Las proteínas globulares tienen la cadena peptídica mucho más plegada. Toda la cadena no tiene la misma estructura: trozos regulares, otros al azar,...

Una proteína que tenga varias cadenas pueden estar enrolladas de distinta forma Heterogéneas.

Además, el plegamiento hace que la estructura sea muy compacta y hace que el H2O esté excluida, de tal manera que los R apolares estén interiores en interacciones hidrofóbicas y los R polares hacia fuera.

Cadena peptídica de 584 aá: en conformación de Hélice:

ၡ : muy plegada y compacta

Hoja plegada ၢ:

En la misma escala arbitraria.

Cuando se quiere estudiar una proteína globular como la estructura no es homogénea (parte hélice ၡ, otra ၢ lámina plegada,...) es difícil y para ello se emplea para estudiar los términos de estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

ESTRUCTURA PRIMARIA

Las proteínas podían estar formadas pro una o varias cadenas peptídicas y cada una tiene una secuencia de aá y dicha secuencia de aá ( qué y en qué orden) se llama estructura primaria y en bibliografía se habla de estructura covalente (se indica localización de los enlaces peptídicos y los puentes disulfuro).

Ejm.: - 94 aá

  • secuencia: Lys-Glu,...

  • Además para otros autores hay que decir cuántos y en que lugar están los puentes disulfuros.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

Algunas proteínas tienen algunos trozos enrollados en una estructura regular estabilizada por puentes de H, fundamentalmente:

  • Hélice ၡ

  • Hoja plegada ၢ Puentes de H

  • Giro ၢ C=O ////// H-N

HÉLICE : tiene las mismas características de las proteínas fibrosas. Se representa como un lazo enrollado o como un cilindro.

HOJA PLEGADA : Su conformación del trozo de cadena peptídica se representa como ოოო.

GIRO : no suele tener

CARACTERÍSTICAS:

  • Hélice ၡ: Hélice dextrógira

3.6 aá por vuelta

Estabilizada por puentes de H C=O /////// H-N

  • Hoja plegada ၢ: Cadena peptídica extendida en zig-zag

Estabilizada por puentes de H C=O /////// H-N

Cada uno de los enlaces peptídicos están en planos: vértices Cၡ unidos al los O de grupos carboxilos y a los ၡ de los grupos amino.

En esta estructura se pueden formar puentes de H con otra cadena ၡ otra parte de la mima.

C=O /////// H-N Disp. Antiparalela: el mismo nº de puentes de H estabiliza mejor

C=O Disp. Paralela: el mismo nº de pts de H estabiliza peor (+dist)

H-NAntiparalela / paralela: grupos R (pequeños y apolares) para poder entre las cadenas. Quedan hacia arriba y hacia abajo.

  • Giros ၢ: también son cuando la proteína gira, y se forma un codo y se pone un puente de H para estabilizarla. Los aá generalmente son especiales: Glicina, Prolina (por el anillo se le da poca libertad de movimiento, son 4 aá estabilizados por un puente de H.

Ejm. Estructura secundaria:

Mioglobina: tiene trozos de hélice ၡ y otros al azar.

Inmunoglobulina: tiene trozos de lámina ၢ y otros al azar.

Trimidilata sinteasa: trozos de hélice ၡ y lámina ၢ.

ESTRUCTURA SUPERSECUNDARIA

Son agrupaciones de varias estructuras secundarias y confieren una estabilidad espacial.

Ejm.: - Lazo ၢ-ၡ-ၢ - Barril

- Meandro - Silla

- Greca - Dedo de Zn2+

  • Lazo --: es un trozo de cadena peptídica que tiene un trocito de l ၢ, otro de hélice-ၡ y por último de l ၢ

Grupos R

Hélice-α: fuera (apolares)

Lámina β: arriba y abajo (apolares)

Están estabilizadas por interacciones hidrofóbicas

  • Meandro:

α y β son antiparalelas.

El número de puentes de H es mucho mayor y da mas estabilidad

  • Greca:

2

1

3

  • 4

La cadena se enrolla en forma de greca y como los trozos de hoja plegada β están al lado unos de otros, se forman muchos puentes de H.

  • Barril: cadenas antiparalelas y muchos puentes de H.

ESTRUCTURA TERCIARIA

Disposición tridimensional global de la molécula.

En proteínas se tienen muchos aá, a veces hay trozos de la cadena peptídica que se pliegan de forma independiente a otros de la cadena peptídica pues a cada una de las unidades de plegamiento se llaman dominios.

Los dominios pueden ser iguales o diferentes.

Ejm.: -Inmunoglobulinas tienen cuatro cadenas: 2 ligeras y 2 pesadas.

2 cadenas ligeras: dos dominios (arriba)

2 cadenas pesadas: dos dominios (abajo)

- Troponina: 2 dominios

ESTRUCTURA CUATERNARIA

Proteínas con dos o más cadenas peptídicas iguales o diferentes. También en la bibliografía hay autores que consideran que uno tiene estructura cuaternaria cuando tiene dos o más cadenas unidas por enlaces no covalentes.

También aparece la terminología de:

  • Dímero: 2 cadenas peptídicas

  • Polímero: 3 cadenas peptídicas

  • Tetrámero: 4 cadenas peptídicas

  • Oligómero: pocas cadenas peptídicas

  • Multímero: muchas cadenas peptídicas

  • Homodímero: 2 cadenas peptídicas iguales

  • Heterodímero: 2 cadenas peptídicas distintas

- Subunidades: tiene cuatro cadenas peptídicas iguales dos a dos.

Si una cadena peptídica tiene cuatro subunidades y se separan dos a dos cada una de las partes se le llama subunidad que se le llama protómero a cada integrante.

Ejm.: Hemoglobina: 4 cadenas: - Proteína oligomérica

- Tetrámero (α βα β = α2 β2)

- Dos subunidades α β

- Se dice que es un dímero de los protómeros α β

INTERACIONES QUE ESTABILIZAN LAS DISTINTAS ESTRUCTURAS

  • ESTRUCTURA PRIMARIA enlaces peptídicos (duros y resistentes)

  • ESTRUCTURA SECUNDARIA enlaces de hidrógeno

  • ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA: enlaces débiles no covalentes:

  • Puentes de H (1-10 Kcal/Mol)

  • Hidrofóbicas (2-3 Kcal/Mol)

  • Van der Waals (menos de 1 Kcal/Mol)

  • Carga-Carga (1-6 Kcal/Mol)

PUENTES DE HIDRÓGENO

Hay trozos de cadena enrolladas al azar y tienen:

N-Hδ+ //// Pueden formar puentes de H cadena-cadena

C-Oδ-////

También hay R polares /// δ-O-Hδ+ // Pueden formar puentes de H R polares-R polares

/// N-Hδ+//

También pueden formar puentes de H Cadena-R polares

Estos se establecen entre aquellos aá que están en el interior de la proteína porque los que están por fuera establecen puentes de H con el exterior, que es agua.

INTERACIONES HIDROFÓBICAS

V,F,L,Y,I,W,M (Grupos R apolares) Hidrofóbicos

E,K,Q,R,D,N,M Hidrofílicos

Gly, Cys, Ala, Thr, Pro Pueden estar dentro y fuera

INTERACIONES CARGA-CARGA

Se establecen entre los grupos R cargados positiva o negativamente.

R+ (Lys Arg His)

R- (Asp Glu) R+ /////// R-

Hay veces que estos grupos quedan en el interior de la proteína estableciéndose estas interacciones. También se llaman: puentes salinos, enlace iónico, periónico, intercuasiónicas.

Si están en el exterior los grupos R establecen puentes de H con el agua.

R+

CONFORMACIÓN NATIVA

Secuencia de aá de la proteína que adopta una determinada conformación dependiendo de unas determinadas condiciones que sea además la más estable la conformación nativa y tiene actividad biológica.

Al cambiar la condición del medio se desestabiliza la cadena y se produce una desorganización de la conformación y la proteína pierde actividad biológica. Cuando ocurre eso se dice que la proteína se ha desnaturalizado.

  • ¿Por qué puede desnaturalizarse?

Por cualquier cambio del entorno ocasionados por:

  • pH ionización R (se puede romper alguno de los enlaces débiles y si se produce durante mucho tiempo se termina desnaturalizando)

  • Aumento de temperatura aumento de energía rotacional y vibracional (se puede romper alguno de los enlaces débiles y si se produce durante mucho tiempo se termina desnaturalizando)

  • Fuerza iónica interacciones R-R se rompen

Se necesitan 12.5 Kcal/mol para desnaturalizar una proteína, no obstante, algunas se desnaturalizan mas fácilmente que otras.

En el laboratorio a veces interesa desnaturalizar una proteína para:

  • Saber cuanto producto ha producido una enzima en un determinado tiempo y así pierde su actividad. Para ello:

+ Añadir ácido/base

+ Calentar Urea

+ Agentes desnatulalizantes SDS (dodecil sulfato sódico)

UREA: como es pequeña se puede meter en el interior de la proteína y entonces todos los puentes de H, que antes formaban las proteínas, los forma con la urea y la proteína se desenrolla totalmente.

Oδ-

C

δ+ H2N NH2δ+

SDS: (es un detergente). La parte apolar queda dentro de la proteína y las interacciones que establecía entre R y R las establece con el SDS y separa todas las cadenas peptídica y la carga negativa del O queda estabilizada al interaccionar con el agua.

TIPOS DE DESNATURALIZACIÓN

Puede ser reversible e irreversible, y depende de la proteína y del agente desnaturalizante.

Al proceso por el que una proteína que ha perdido su conformación nativa y vuelve ha adquirirla se llama RENATURALIZACIÓN y de esa manera vuelve a adquirir su actividad biológica y la información para renaturalizarse y tener actividad biológica está determinado en la secuencia de aá.

RIBONUCLEASA (124 aá): cuatro puentes disulfuro. Cuando la ponemos en un tubo de ensayo en su estado nativo (tiene actividad catalítica) y la mezclamos con urea, se despliega, pierde su actividad catalítica y los puentes disulfuro quedan reducios (S-S). Cuando quitamos la urea y la volvemos a poner a pH fisiológico es capaz de volver a adquirir su estado nativo.

RUTA DE PLEGAMIENTO SIMULADO

Las proteínas cuando se están sintetizando empiezan a plegarse poco a poco partiendo sólo con la secuencia de aá.

Pues sólo 36 aá se pusieron en presencia de 3000 moléculas de agua necesitó 500 millones de etapas: AL AZAR.

Pero Si no es por el azar tardan 1 μs en plegarse con sólo la secuencia de aá.

PLEGAMIENTO ASISTIDO

También hay algunas proteínas que necesitan para plegarse una determinada ayuda: (enzimas dentro de la célula):

  • Proteína disulfuro isomerasa (PDI): forma correctamente los puentes disulfuros

  • Péptido prolil cis-trans isomerasa (PPI): se encarga cuando hay una prolina presente de ponerla en configuración cis o trans atendiendo a la disposición mas estable.

  • Chaperonas moleculares (no son enzimas): Impiden la agregación de cadenas peptídicas con grupos R apolares. También impiden la desnaturalización y el plegamiento.

  • Chaperoninas: complejo con varias subunidades que tiene dentro enzimas. Las proteínas se meten dentro del complejo enzimático y por medio de reacciones catalizadas enzimaticamente se pliegan correctamente.

PROTEÍNA PRIÓN (254 aá)

Tiene dos formas:

  • PrPC: La tenemos todos fisiológicamente, normal y no tiene efecto nocivo

  • PrPSC: “scrapie” infecciosa: se encuentra por primera vez en la tembladera de las ovejas. Es capaz de infectar y no tiene resto de ADN y ARN, sólo es proteína con los mismos aá de PrPc pero distinta conformación. Produce:

+ Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob

+ Enfermedad espongiforme

+ Enfermedad vacas locas

+ Neuropatología humanas

Se adquieren cuando está la proteína en la forma PrPSC y puede ser por herencia, mutación espontánea o por infección.

PrPc: PrPSC:

Cuando uno adquiere PrPSC hace que las proteínas normales adquieran la conformación anómala dando lugar una transformación autorreproducible produciéndose una neruodegeneración y muerte.

ANEMIA FALCIFORME

Es una enfermedad hemolítica (producida por lisis de los hematíes), crónica y se transmite genéticamente.

Es una enfermedad molecular que se conoció por primera ver hace 20 años.

Se llama anemia falciforme porque el hematíe tiene forma alargada (como una hoz).

Se produce porque los hematíes se rompen, produce anemia, hay falta de oxígeno, los hematíes rotos pueden depositarse en los músculos produciendo dolor, se produce lesión en el riñón, hay un aumento de infecciones, aumento de corazón y puede llegarse a una muerte prematura.

Estos síntomas se producen sólo cuando uno tiene gran candtidad de hemoglobina en forma desoxi. Si los individuos con esta enfermedad no hacen mucho ejercicio ni tienen tendencia a tener anemias por otro lado, pueden llevar una vida normal.

Esta enfermedad, con la globalización se extiende mas, pero antes la tenían aproximadamente un 3% de la población negra de África.

Los individuos con esta enfermedad tienen hemoglobina S, por la forma de los eritrocitos, y cuando se secuenciaron las cadenas peptídicas α y β de la hemoglobina s la única diferencia entre la hemoglobina A y S estaba en la cadena β. Los 141 aá de α eran iguales y el aá nº 6 de los 146 de la β es dinde variaba: en la A es glutamato y en la S valina.

Como consecuencia de este cambio, la estructura de la hemoglobina S en su forma desoxi tiene una conformación distinta de la hemoglobina A, pero en la forma oxi es igual.

'Estructura tridimensional de las protenas globulares'

Las moléculas de hemoblobinas (tras interacciones β-β) forman unas hebras, luego fibras y luego forman estructuras rígidas que adquieren aspecto falciforme y se rompen fácilmente.

'Estructura tridimensional de las protenas globulares'

HEMOGLOBINAS ANORMALES: HEMOGLOBINOPATÍAS

Se producen muchas mutaciones en la hemoglobina, pero no todas son patológicas.

Hay algunas proteínas que tienen copias en las que cambian alomejor un aá, y no debe pasar nada, pero si uno cambia un aá con R pequeño por un aá con R grande, alomejor el grande ya no cabe y tiene que cambiar la conformación de la proteía y así se pueden cambiar las funciones. Igual pasa si se cambia un aá con R+ por un aá con R-; con la Hemoglobina pasa lo mismo, por ejemplo:

  • Una de cada 300 personas es heterozigótica para una variante de la hemoglobina A.

  • Un 95% de las mutaciones se producen por el cambio de un aá en una cadena.

CAMBIOS:

+ Pueden estar en la superficie: se forman agregados que pueden romper la célula.

+ Pueden estar en el centro activo: Hemoglobina M (metahemoglobina) sitio por donde se une el oxígeno a la hemoglobina.

Se cambia Tyr por His E7 α (Hemoglobina Boston); heterocigóticosindividuos cianóticos.

+ Afectación a la estructura terciaria: Hemoglobinas inestables se desnaturaliza y no puede realizar su función biológica: transporte de oxígeno.

Hemoglobina Riverdale-Bronx Val por Gly en β 6 Anemia Hemolítica

+ Afectación a la estructura cuaternaria: cambio en contacto α1 β 1 , pérdida de cooperatividad.

Aumento de la afinidad por el oxígeno, libera menos oxígeno Policitemia: aumento del número de eritrocitos.

ELECTROFORESIS DE LA HEMOGLOBINA:

'Estructura tridimensional de las protenas globulares'