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Las proteínas constituyen la mayor parte del peso seco de una célula; sin embargo → las proteínas no solo son los elementos estructurales de la célula sino que también ejecutan prácticamente todas las funciones celulares. LAS PROTEÍNAS SON MOLÉCULAS MUY VERSÁTILES → lo cual les permite cumplir diversas funciones. Hay proteínas, como las enzimas, que facilitan las reacciones químicas de la célula; proteínas que forman canales y bombas que controlan el paso de pequeñas moléculas hacia adentro y fuera de la célula; proteínas que transportan mensajes de una célula a otra; proteínas que actúan como integradoras de señales, etc → existe una gran variabilidad tanto funcional como morfológica de proteínas. Algunas funciones de las células entonces son: SEÑALIZACIÓN → proteínas permiten la comunicación entre el interior celular y el exterior → en ambos sentidos. TRANSPORTE → proteínas permiten ingreso y egreso de diferentes moléculas a través de la membrana. CATÁLISIS → son las enzimas. MOVIMIENTO → participan tanto en el movimiento de estructuras internas de la célula como en el movimiento de la célula en su totalidad. ESTRUCTURA → mantienen la estructura celular → son las responsables de su forma. REGULACIÓN → las proteínas pueden regular la activación e inhibición de otras proteínas, de los genes y también pueden auto-regularse. PROTEOMA → constituye la totalidad de las proteínas de un organismo. Recordar → el genoma de las células de un mismo organismo es idéntico para todas las células. SIN EMBARGO, EL PROTEOMA ES DIFERENTE EN CADA UNA DE LAS CÉLULAS DE UN ORGANISMO. PÉPTIDO → cadena lineal y corta de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos (20 a 30 residuos). POLIPÉPTIDO → cadena lineal de hasta 4000 residuos de aminoácidos. PROTEÍNA → polipéptido (o complejo de polipéptidos) que tiene una estructura tridimensional bien definida. La unidad de tamaño de una proteína o polipéptido son los DALTONS; o puede hablarse del peso molecular (PM) de la molécula. Proteínas I 5° T E O R I C O Nomenclatura Las proteínas son MACROMOLÉCULAS FORMADAS POR AMINOÁCIDOS; en la imagen se muestra la fórmula general de cualquier aminoácido → formado por un átomo de carbono, el cual tiene unido un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y un grupo R → éste último es variable en los distintos tipos de aminoácidos que forman las proteínas y puede tener distintas características químicas. De acuerdo a la naturaleza química del grupo R → los aminoácidos pueden clasificarse en AMINOÁCIDOS POLARES → aquellos solubles en agua o hidrofílicos. Dentro de estos, puedo encontrar aminoácidos con carga positiva o negativa; o también aminoácidos polares no cargados. AMINOÁCIDOS NO POLARES → aquellos no solubles en agua o hidrofóbicos. Los aminoácidos pueden nombrarse con un código de 3 letras → generalmente son las 3 primeras letras del nombre. También se los puede nombrar con un código de una única letra en mayúscula; en algunos casos esta letra coincide con la primera letra del aminoácido. EN LAS PROTEÍNAS HAY 20 TIPOS DE AMINOÁCIDOS, CADA UNO CON PROPIEDADES QUÍMICAS DIFERENTES → UNA PROTEÍNA ESTÁ FORMADA POR UNA LARGA CADENA DE ÉSTOS AMINOÁCIDOS, CADA UNO DE LOS CUALES ESTÁ UNIDO POR ENLACES COVALENTES PEPTÍDICOS A UN AMINOÁCIDO VECINO. Al ser enlaces covalentes → sería necesario un gran aporte de energía para romperlos. CADA TIPO DE PROTEÍNA TIENE UNA SECUENCIA ÚNICA DE AMINOÁCIDOS. Un enlace peptídico es una unión que ocurre entre un grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido siguiente → con pérdida de agua. El orden en el que se van adicionando los aminoácidos para formar a la proteína → se conoce como SECUENCIA DE LA PROTEÍNA → la secuencia siempre comienza a partir del extremo amino terminal de la proteína. Estructura de las proteínas Dos maneras esquemáticas de representar la secuencia de una proteína. En celeste se representan los aminoácidos polares y en verde los no polares. También pueden representarse los aminoácidos con los códigos de 3 letras. ENTONCES → CADA PROTEÍNA DIFIERE DE LAS OTRAS EN LA SECUENCIA Y NÚMERO DE AMINOÁCIDOS. DE LA SECUENCIA DEPENDERÁ LA ESTRUCTURA ESPACIAL QUE ADQUIERA LA PROTEÍNA → Y DE SU ESTRUCTURA DEPENDERÁ LA FUNCIÓN DE LA PROTEÍNA. CADA PROTEÍNA PODRÍA ADOPTAR DIFERENTES ESTRUCTURAS ESPACIALES; y cuanto mayor sea el número de aminoácidos que esta posea → mayor será la cantidad de estructuras tridimensionales posibles que podría adoptar. Sin embargo → CADA UNA DE LAS PROTEÍNAS SE PLIEGA ADOPTANDO LA ESTRUCTURA O CONFORMACIÓN DE MENOR ENERGÍA → a esto se lo conoce como CONFORMACIÓN NATIVA DE LA PROTEÍNA. Para esta proteína en particular → la conformación de menor energía sería exponiendo todos los grupos no polares hacia el interior y todos los grupos polares hacia el medio acuso exterior. Un factor importante que condiciona el plegamiento de cualquier proteína es la distribución de sus aminoácidos polares y apolares → ya que, las moléculas hidrófobas tienden a unirse unas a otras cuando se hallan en un entorno acuoso; las cadenas laterales apolares suelen aglutinarse en el interior de la molécula. ESTA ESTRUCTURA O CONFORMACIÓN NATIVA DE LA CÉLULA SE OBTIENE DEBIDO A LA FORMACIÓN DE ENLACES NO COVALENTES ENTRE LOS DIFERENTES ÁTOMOS DE LA CADENA. Los enlaces no covalentes que intervienen en el plegamiento de las proteínas son: ATRACCIONES ELECTROESTÁTICAS ENLACES DE HIDRÓGENO ATRACCIONES DE VAN DER WAALS EFECTO HIDROFÓBICO La conformación de una proteína determina su función. La función deriva de la estructura tridimensional → la que a su vez está dada por la secuencia de aa. PROTEÍNAS FIBROSAS → estructuras alargadas → estas proteínas que forman fibras tienen, en su secuencia, aminoácidos que se repiten en determinadas posiciones. Esta estructura está formada y mantenida por enlaces de tipo covalente. Un ejemplo es el COLÁGENO. PROTEÍNAS CON PARTE DE SU CADENA DESESTRUCTURADA → estas forman parte de estructuras que tienen que funcionar relajándose y contrayéndose. Un ejemplo es la ELASTINA; muchas moléculas de elastina se unen entre sí por uniones de tipo covalentes llamadas enlaces cruzados. La fibra elástica, ante determinado estímulo puede extenderse, y luego volverá a relajarse. Una proteína puede DESNATURALIZARSE → esto quiere decir que la proteína pierde su estructura tridimensional → pierde su conformación. UNA PROTEÍNA DESNATURALIZADA ES UNA PROTEÍNA EXTENDIDA. Esto se puede lograr, por ejemplo, exponiendo una proteína purificada a un solvente como la urea (solvente polar) → que tiene la capacidad de formar PdH con distintos átomos de la cadena → entonces rompe las interacciones no covalentes entre los átomos de la cadena logrando que la proteína se despliegue. Si se elimina el solvente del medio → la proteína recupera su conformación original → la proteína se RENATURALIZA. LA SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS DETERMINARÁ COMO SE PLEGARÁ LA PROTEÍNA EN EL ESPACIO. La cadena polipeptídica puede plegarse en su conformación nativa sin ninguna ayuda exterior; sin embargo → DENTRO DE LA CÉLULA, el plegamiento es asistido por un grupo particular de proteínas llamadas → CHAPERONAS → éstas ayudan al plegamiento de la proteína durante su síntesis. LA ACTIVIDAD DE LAS CHAPERONAS ES FUNDAMENTAL PARA EL CORRECTO PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS. Conformación de las proteínas Las proteínas presentan diferentes niveles de complejidad en cuanto a su estructura. ESTRUCTURA PRIMARIA → consiste en la secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. ESTRUCTURA SECUNDARIA → consiste en los segmentos de una cadena polipepíidica que forman hélices oláminas beta. ESTRUCTURA TERCIARIA → consiste en la conformacióntridimensional que adopta la molécula → determina la conformación de la proteína. Si una molécula proteica está constituida por un complejo de más de una cadena polipeptídica → a la estructura completa se la denomina ESTRUCTURA CUATERNARIA. También existe una ORGANIZACIÓN SUPRAMOLECULAR → válido para maquinarias moleculares. Estructura primaria ES LA SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS UNIDOS POR ENLACES PEPTÍDICOS DE TIPO COVALENTE (esquematizado en amarillo). Como consecuencia del enlace peptídico, LA CADENA DE UNA PROTEÍNA PRESENTA POLARIDAD → sus extremos son diferentes → en uno de los extremos está expuesto el grupo amino terminal y un expuesto carboxilo terminal. Todos los grupos amino están del mismo lado del carbono; y los grupos carboxilo también están siempre del mismo lado del carbono. POR CONVENCIÓN → cuando se representa una cadena polipeptidica → se representa primero al extremo amino terminal → éste se corresponde con el extremo 5’ del ARN mensajero que codifica para esta proteína. Estructura jerárquica Estructura secundaria Es un PLEGAMIENTO LOCALIZADO → son las distintas disposiciones espaciales que resultan del plegado de partes localizadas de la cadena polipeptídica. Una de las principales formas de la estructura secundaria son las HELICES-σ → la porción de la proteína que forma una hélice alfa se dispone en manera de espiral. Esta estructura de hélice se mantiene mediante enlaces de hidrógeno formados entre los oxígenos del grupo carboxilo y los hidrógenos aportados por el grupo amino. Los grupos laterales del aminoácido, grupos R → se disponen hacia el exterior de la hélice → no forman parte de la estabilización de la estructura. Una vuelta de hélice se produce cada 3,6 residuos de aminoácidos (aprox). LA ALFA HÉLICE TIENE POLARIDAD → tanto los dadores de hidrógeno como los aceptores de hidrógeno tienen la misma orientación en la cadena. según los aminoácidos que estén formando parte de ella → la alfa hélice puede ser HIDRÓFOBA (predominan AA hidrófobos); HIDROFÍLICA (predominan AA hidrofílicos); o ANFIPÁTICA (cuando de un lado de la hélice predominan AA hidrofobicos y del otro lado hidrofilicos). Ejemplos de proteínas con hélice alfa → QUERATINA (forma parte del cabello y las uñas); y también muchas PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA (transportadores, receptores de superficie celular, etc). Otro tipo de estructura secundaria → HOJA BETA O LÁMINA BETA → éstas láminas están constituidas por HEBRAS BETA → que son SEGMENTOS CORTOS DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA (que tienen entre 5 u 8 AA) que se disponen de manera casi totalmente extendida. Varias hebras beta interaccionan lateralmente mediante enlaces de hidrogeno formados entre el hidrógeno del grupo amino de la cadena principal y el oxígeno del grupo carboxilo de la cadena principal. LOS GRUPOS R NO TIENEN PARTICIPACIÓN EN LA ESTABILIZACIÓN DE ESTA ESTRUCTURA → se disponen hacia arriba o hacia debajo de la lámina beta. VISTA LATERAL → grupos R hacia arriba o hacia debajo de la estructura de manera alternada. 3 hebras beta formando la lámina. Las láminas beta pueden ser PARALELAS O ANTIPARALELAS → depende de si las hojas están orientadas en el mismo sentido o en diferentes sentidos. LAS HOJAS BETA SON POLARES → la polaridad está dada por la orientación del enlace peptídico. Se estabiliza mediante ENLACES DE HIDRÓGENO. Ejemplo de lámina beta → PROTEÍNAS DE LA SEDA. Otro tipo de estructura secundaria → GIROS BETA → PERMITEN QUE PROTEÍNAS GRANDES SE PLIEGUEN PARA FORMAR ESTRUCTURAS ALTAMENTE COMPACTAS. Se componen de 3 a 4 residuos; generalmente se localizan en la SUPERFICIE DE LAS PROTEÍNAS. ESTÁN MANTENIDOS Y ESTABILIZADOS POR ENLACES DE HIDRÓGENO → los cuales se forman entre el oxígeno del carboxilo y el hidrógeno aportado por el grupo amino. Los GRUPOS R NO PARTICIPAN EN LA FORMACIÓN DE ESTOS ENLACES, y generalmente se disponen hacia afuera. Esta estructura es rica en dos tipos de AA → GLICINA Y PROLINA → la glicina es el AA más pequeño, es el que mejor se acomoda en esta estructura compacta; y la prolina porque su grupo R tiene una curvatura intrínseca que le permite curvar esta estructura en forma de U. CUANDO ESTAS ESTRUCTURAS ESTÁN FORMADAS POR MÁS DE 4 AA → se denominan BUCLES → también se encuentran estabilizados por enlaces de hidrógeno, pero a diferencia de los giros beta, los bucles pueden tener muchas más conformaciones alternativas. LOS DISTINTOS TIPOS DE ESTRUCTURAS SECUNDARIAS (ALFA HÉLICE, HOJA BETA Y GIRO BETA) SE PUEDEN COMBINAR DE MANERA PARTICULAR Y REGULAR PARA FORMAR ESTRUCTURAS O MOTIVOS TRIDIMENSIONALES. Ejemplo de un motivo encontrado en proteínas → HÉLICE-BUCLE-HÉLICE → está formado por dos alfa hélices cortas (en rojo) separadas por un bucle. Este motivo está presente en muchas PROTEÍNAS DE UNIÓN A CALCIO ya que el bucle tiene residuos de AA que le permiten unir el ion calcio por interacciones electroestáticas. Cuando las proteínas de unión a calcio unen calcio cambian su conformación → este cambio de conformación produce un cambio funcional. Este motivo también se encuentra en PROTEÍNAS DE UNIÓN A ADN. Otro motivo es, por ejemplo → el DEDO DE ZINC → este está formado por una alfa hélice corta (rojo) y dos hebras beta (celeste). Hay residuos de la alfa hélice y la hoja beta que permiten la interacción con el ión zinc → la relación del zinc con los residuos mantiene la estructura de dedo. Este motivo está presente en PROTEÍNAS DE UNIÓN A ADN Y A ARN. MOTIVO DE ESPIRAL ENROLLADA → está formado por dos o más alfa hélices → éstas alfa hélice presentan una secuencia séptuple (7 AA) repetida → en general, en las posiciones 1 y 4 se encuentran AA hidrofóbicos de tipo alifáticos. Las repeticiones hacen que los AA alifáticos queden SIEMPRE DEL MISMO LADO DE LA HÉLICE → estos AA tienden a interaccionar entre sí por interacciones hidrofobicas cerrando la estructura en forma de espiral enrollada. Este motivo suele estar presente en PROTEÍNAS FIBROSAS Y EN FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN. Estructura terciaria Consiste en la disposición tridimensional de todos los átomos que forman parte de la proteína; o sea → LA ESTRUCTURA TERCIARIA ES LA CONFORMACIÓN O DISPOSICIÓN GLOBAL DE TODOS LOS AA DE LA PROTEÍNA. A DIFERENCIA DE LA SECUNDARIA (la cual se mantiene únicamente con interacciones de hidrógenos) → ésta se mantiene por distintos tipos de enlaces no covalentes → enlaces de hidrógenos, interacciones hidrófobas, fuerzas de van der Waals e interacciones electroestáticas. LA ESTRUCTURA TERCIARIA SE PUEDE REPRESENTAR DE DIFERENTES MANERAS → cada una de las formas de representación brinda una información particular de la estructura terciaria. A → trazado de la cadena principal o alfa → permite ver la estructura global de la proteína. B → se puede observar la localización y distribución de todos los átomos que forman a la proteína. C → permite ver la localización y distribución de todos los elementos de la estructura secundaria (celeste alfa hélices; celeste hebras beta). D → este tipo de representación muestra la superficie externa de la proteína v o sea, su topografía → se pueden ver las protuberancias que ocurren en la superficie de las proteínas, las hendiduras, las cavidades y la distribución de cargas superficiales (cargas positivas representadas en azul y negativas en rojo). EL DOMINIO PROTEICO ES LA REGIÓN DE UNA PROTEÍNA QUE PUEDE PLEGARSE EN FORMA COMPACTA Y ESTABLE → INDEPENDIENTEMENTE DEL RESTO DE LA CADENA. Si se lo define desde un PUNTO DE VISTA FUNCIONAL → es la región de una proteína que cumple una función particular aun cuando se la aisle del resto de la cadena. Por ejemplo → un dominio quinasa, dominio regulador, etc. Si se lo define desde el PUNTO DE VISTA ESTRUCTURAL → región de una proteína formada por 40 AA o más → quese disponen formando una estructura única, estable, distintiva y que con frecuencia abarca una o más estructuras secundarias. GENERALMENTE, LOS DOMINIOS ESTRUCTURALES TIENEN UNA FUNCIÓN PARTICULAR. IMAGEN → proteína con diferentes dominios. Modelo de cintas → se ven las disposiciones de las distintas estructuras secundarias. Se representan en diferentes colores a los diferentes dominios. UN DOMINIO PUEDE ESTAR FORMADO DESDE 40 HASTA 350 AA. LA CANTIDAD DE DOMINIOS QUE PUEDE TENER UNA PROTEÍNA DEPENDE DE CADA PROTEÍNA → las proteínas más pequeñas podrán tener un único dominio y las más grandes podrán tener un número variable. Otra manera de representar el dominio proteico es a través del DOMINIO TOPOLÓGICO → refiere a una región de la proteína que está definida en relación a su localización respecto de otras proteínas de la célula. Por ejemplo → cuando se habla del dominio transmembrana → se habla de la región de la proteína que esta insertada dentro de la membrana. SE DICE QUE LOS DOMINIOS SON UNIDADES MODULARES EN LAS PROTEÍNAS → UN MISMO DOMINIO PUEDE ENCONTRARSE PRESENTE EN DISTINTAS PROTEÍNAS CUMPLIENDO FUNCIONES SIMILARES. Por ejemplo → el factor de crecimiento epidérmico se encuentra presente en diferentes proteínas solo o asociado a otros dominios diferentes en otras proteínas → ESTA COMBINACIÓN PARTICULAR DE DISTINTOS DOMINIOS EN LAS DIFERENTES PROTEÍNAS → ES LO QUE GENERA O GENERÓ LA DIVERSIDAD EN LA ESTRUCTURA Y EN LA FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS. Dominio proteico Estructura cuaternaria LAS PROTEÍNAS QUE POSEEN ESTRUCTURA CUATERNARIA SON AQUELLAS QUE POSEEN MÁS DE UNA SUBUNIDAD → aquellas que SE ASOCIAN PARA FORMAR ESTRUCTURAS MULTIMÉRICAS. poseen 2 o más polipéptidos o subunidades → idénticos o diferentes. Poseen una estequiometria determinada (n° de subunidades) y posición relativa específica de las subunidades → siempre se unen de la misma manera para formar la conformación nativa más estable de esa proteína. Ejemplo de proteína con estructura cuaternaria → proteína neuraminidasa → formada por 4 subunidades idénticas. Se dice que la proteína es un homotetrámero. Las interacciones que estabilizan a la estructura cuaternaria son mayormente interacciones de tipo no covalentes entre las diferentes subunidades. Hay un tipo de unión covalente → UNIÓN PUENTE DISULFURO → que está presente en la estructura de muchas proteínas extracelulares → proteínas que se sinterizan en la célula y se secretan al medio extracelular. ESTE TIPO DE UNIÓN COVALENTE SE FORMA EN EL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO → ya que en él, está la enzima (disulfuroisomerasa) que cataliza la formación de esta unión. Esta unión puente disulfuro se produce entre dos residuos cisteína presentes en las proteínas → los residuos de aminoácido cisteína tienen un grupo SH → dos grupos SH pueden interaccionar entre sí y, mediante una reacción redox, se forma la unión de puente disulfuro. EL ENLACE PUENTE DISULFURO ES EL ÚNICO TIPO DE UNIÓN COVALENTE QUE PUEDE ESTABILIZAR LA ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA DE MUCHAS PROTEÍNAS. Si la unión puente disulfuro ocurre entre residuos de cisteína que se encuentren entre dos cadenas polipeptidicas separadas (dos subunidades separadas) → se habla de un ENLACE DISULFURO INTERCATENARIO. CUANDO EL PUENTE DISULFURO SE ENCUENTRA DE ENTRE DOS CADENAS DIFERENTES → ESTABILIZA LA ESTRUCTURA CUATERNARIA. Puentes disulfuro Si la unión puente disulfuro ocurre entre dos residuos cisteína presentes dentro de la misma cadena polipeptídica → ENLACE DISULFURO INTRACATENARIO. CUANDO EL PUENTE DISULFURO SE ENCUENTRA DENTRO DE LA MISMA CADENA → ESTABILIZA LA ESTRUCTURA TERCIARIA. Es el NIVEL MÁS ALTO DE ORGANIZACIÓN JERÁRQUICA DE LAS PROTEÍNAS → también llamado COMPLEJOS SUPRAMOLECULARES. En este caso → hay una asociación de muchísimas proteínas o polipéptidos que se unen para cumplir una función celular general. Están formados por decenas o cientos de cadenas polipeptídicas; y en algunos casos ácidos nucleicos. Constituyen estructuras muy grandes en cuanto a tamaño. Pueden cumplir tanto funciones estructurales como funciones más complejas. Tienen capacidad de autoensamblarse. ALGUNOS DE ESTOS COMPLEJOS SUPRAMOLECULARES → sobre todo aquellos que cumplen funciones estructurales → SON ESTRUCTURAS MÁS ESTABLES. Y otras, la mayor parte de las maquinarias moleculares → se asocian transitoriamente cuando deben cumplir con su función particular. Un ejemplo es el COMPLEJO DE LA TRANSCRIPCIÓN → se forma cada vez que un gen se va a transcribir → está formado por enzimas, proteínas con funciones de actores de transcripción, proteínas con funciones adaptadoras y el ADN del cual se transcribirá el ARN. Entonces → LAS MAQUINARIAS MOLECULARES O LOS COMPLEJOS SUPRAMOLECULARES INTEGRAN FUNCIONES INDIVIDUALES DE CADA UNO DE LOS POLIPÉPTIDOS EN UN PROCESO ÚNICO DE MANERA COORDINADA. Maquinas moleculares Las proteínas que constituyen una familia de proteínas se denominan entre sí → PROTEÍNAS HOMÓLOGAS → tienen la características de presentar secuencias, estructuras y funciones similares entre sí. Estas proteínas homologas surgieron durante la evolución a partir de una proteína ancestral común → a partir de un gen que codificaba una proteína ancestral, por mecanismos de duplicación y divergencia → se generaron nuevas proteínas similares entre sí. Algunos ejemplos de familias de proteínas: FAMILIA DE LAS GLOBINAS → está compuesta por diversas proteínas, como la hemoglobina (transportadora de oxígeno). FAMILIA DE SERINOPROTEASAS → son enzimas que degradan proteínas → una de ellas es la quimiotripsina. Si bien la secuencia de las proteínas es la que dicta el plegamiento de las mismas → y este plegamiento sucede de manera espontánea, dando la conformación nativa (aquella termodinámicamente más estable). Sin embargo → DENTRO DEL AMBIENTE PARTICULAR DE LA CÉLULA → EL PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS ES ASISTIDO POR PROTEÍNAS ESPECIALES LLAMADAS CHAPERONAS → dentro de las chaperonas hay dos familias de proteínas: CHAPERONAS MOLECULARES → en general asisten al plegamiento de las proteínas en síntesis → se unen a las cadenas parcialmente plegadas o desplegadas de las proteínas que están en síntesis → EVITAN QUE ÉSTAS AGREGUEN ERRÓNEAMENTE. Muchas chaperonas moleculares se designan con las siglas HSP → “proteínas de choque térmico”. CHAPERONINAS → proteínas que forman una cámara dentro de las cuales envuelven parte de una proteína, o a una proteína completa no plegada → LE OTORGAN A LA PROTEÍNA UN TIEMPO Y UN AMBIENTE ADECUADO PARA QUE SE PLIEGUEN DE MANERA CORRECTA. Una de las principales chaperonas moleculares que existen en la célula → presente en el citosol y en algunos compartimientos celulares → PROTEÍNA hsp70 → tiene un dominio de unión a nucleótido (celeste) y un dominio de unión a sustrato (amarillo). Cuando la proteína está unida a ATP → está en una conformación de tipo abierta → dándole la posibilidad al sustrato de unirse → luego de unirse el sustrato, se produce la hidrólisis del ATP unido al dominio del Familias de proteínas Plegamiento de proteínas In vivo nucleótido → esta hidrolisis está asistida por otras proteínas adicionales (cochaperonas). CUANDO OCURRE LA HIDROLISIS DE ATP A ADP → la proteína cambia de conformación → de una conformación abierta pasa a una cerrada que favorece el plegamiento adecuado de la proteína. Luego → el ADP es intercambiado por ATP (proceso favorecido por otro grupo de cochaperonas) → nuevamente la proteína cambia su conformación, de cerrada a abierta → de esta manera, LA PROTEÍNA PUEDE SALIR Y CUMPLIR CON SU FUNCIÓN NORMAL (en caso de estar plegada correctamente). SI LA PROTEÍNA NO ESTÁ PLEGADA DE MANERA CORRECTA → SE REPITE EL CICLO. Otra chaperona molecular es laHsp90 → actúa como dímero → tiene dos dominios de unión a nucleótido, dos dominios de unión a sustrato y dominios de dimerización. Cuando se une ATP a los dominios de unión a sustrato → la proteína se encuentra en una conformación abierta → se permite la unión de la proteína desplegada; la unión de ATP también permite la dimerización del dominio de unión al nucleótido → de manera tal que la conformación se cierra → y la proteína que está unida al dominio de unión a sustrato se puede plegar correctamente. Luego se produce la hidrólisis de ATP para dar ADP → cambia la conformación de la proteína → se abre y la proteína sustrato se puede liberar si está correctamente plegada → o volver al ciclo si se plegó incorrectamente. EN GENERAL → los sitios de unión a proteínas mal plegadas → se llaman “BOLSILLOS DE UNIÓN” y tienen características hidrofóbicas → ya que las proteínas que están desplegadas o mal plegadas están exponiendo al ambiente celular los aa o los residuos hidrofóbicos → y todo lo que es hidrofóbico tiende a unirse entre sí y a evitar el contacto con el agua. Por esto una PROTEÍNA DESPLEGADA O MAL PLEGADA DENTRO DE LA CÉLULA → TIENDE A UNIRSE CON OTROS RESIDUOS HIDROFÓBICOS → tienden a agregarse y a precipitar → lo que CAUSA ANOMALÍAS FUNCIONALES EN LA CÉLULA. LAS CHAPERONINAS SON COMPLEJOS MACROMOLECULARES → consisten en dos anillos superpuestos (GroEl) → cada uno contiene una cámara de plegamiento independiente del otro anillo. En la parte superior pueden tener unida una co-chaperonina (rojo en esquema). Las chaperoninas se clasifican en dos grupos: TIPO 1 O GRUPO 1 → se encuentran en los procarioentes, en los cloroplastos y en las mitocondrias. TIPO 2 O GRUPO 2 → son las que funcionan en el citosol de las células eucariontes. Cada uno de los anillos que forman las cámaras → cada uno de ellos tiene 7 subunidades. La cochaperonina en los procariontes se denomina GroEs → también posee 7 subunidades. Puede haber una cochaperonina unida a cualquiera de las cámaras o a las dos. A diferencia de las chaperonas moleculares, LAS CHAPERONINAS SOLO INTERVIENEN EN EL PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS QUE YA HAN SIDO COMPLETAMENTE SINTETIZADAS (no durante su síntesis). UNA PROTEÍNA QUE ESTÁ MAL PLEGADA O DESPLEGADA → se une a una de las cámaras a través de sus residuos hidrofóbicos → interacciona con la cámara y comienza a ingresar al interior de la cámara. Mientras tanto → la otra cámara permanece cerrada con la cochaperonina groEs. Cada una de las subunidades de estos anillos de las cámaras → TIENE LA CAPACIDAD DE UNIR ATP, DE HIDROLIZARLO Y LUEGO LIBERAR ADP → estas reacciones producen cambios conformacionales → éstos cambios que se producen la unión de la GroEs que sella a las cámaras; y también controla el interior de las cámaras → que es el sitio donde se plegará la proteína. ENTONCES → hay unión de ATP → hidroliza y se libera ADP → esto genera que la proteína termine de ingresar y que la cochaperonina GroEs se una a la cámara por donde ingreso la proteína, mientras que la GroEs de la cámara contraria se va a liberar. LUEGO → una vez que la proteína ya está en uno de los compartimientos → hay hidrolisis de ATP → se libera la cochaperonina, se libera el ADP → y así se favorece la unión de la cochaperonina Plegamiento de proteínas GroEs en la otra cámara (SE LIBERÓ DE UNA CÁMARA PARA UNIRSE EN LA OTRA). Queda descubierta la cámara en la cual está la proteína y ésta ahora puede salir → SI ESTÁ PLEGADA ADECUADAMENTE O PUEDE TODAVÍA ESTAR INCOMPLETAMENTE PLEGADA → SI ESTO ÚLTIMO OCURRE, LA PROTEÍNA VUELVE A INICIAR EL CICLO. Hay una relación recíproca entre los dos anillos de GroEl → cuando se cierra una de las cámaras para realizar el plegamiento de la proteína → la otra cámara se abrirá para permitir la salida del otro péptido plegado. Plegamiento anómalo En algunos casos → el plegamiento de la proteína puede ser anómalo → cuando esto sucede, LA PROTEÍNA PIERDE SU FUNCIÓN NORMAL. Si una proteína es plegada de manera anómala → la célula posee mecanismos de control de calidad → y tratará de plegarla → si el plegamiento normal no ocurre → LA PROTEÍNA ANÓMALA SERÁ DEGRADADA, YA QUE PUEDE SER PERJUDICIAL PARA LA CÉLULA. MUCHAS VECES LOS MECANISMOS DE DEGRADACIÓN NO SON SUFICIENTES (por ejemplo, si se acumulan muchas proteínas mal plegadas) → lo que genera que se formen agregados insolubles y que se acumulen las proteínas anómalas. Esto ocurre en muchas enfermedades neurodegenerativas → hay agregados de proteínas (neuronas) que están plegadas de manera estable en una conformación alternativa → ocurre un plegamiento alternativo → esto hace que se formen agregados entre las moléculas de proteínas y se depositan en la célula. Cuando estos agregados se forman en la neurona → interfieren en su función normal → con lo cual pueden llevar a la muerte neuronal. Cualquier proteína funciona MEDIANTE LA INTERACCIÓN CON OTRAS MOLÉCULAS → la capacidad de unirse a otras moléculas permite que las proteínas actúen como catalizadores, receptores de señales, interruptores, motores o pequeñas bombas. Estas otras moléculas con las que interactúan las proteínas para poder cumplir su función pueden ser: OTRAS PROTEÍNAS ÁCIDOS NUCLEICOS AZUCARES IONES Las proteínas, para unirse a las diversas moléculas que le permitirán cumplir su función → poseen, en su estructura, un sitio de unión. Y la moléculas que van a interactuar con la proteína para ayudarla a cumplir su función → se denominan LIGANDOS. LA INTERACCIÓN ENTRE LA PROTEÍNA Y LOS LIGANDOS OCURRE MEDIANTE LA FORMACIÓN DE ENLACES NO COVALENTES. El proceso de unión entre el ligando y la proteína ocurre por un mecanismo de COMPLEMENTARIEDAD MOLECULAR → ocurre un encastre perfecto entre el ligando y los átomos de la proteína → el encastre tiene que ver tanto con FORMAS COMPLEMENTARIAS como con la CAPACIDAD DE INTERACCIONES NO COVALENTES ENTRE EL LIGANDO Y EL SITIO DE UNIÓN DE LA PROTEÍNA. PROTEÍNA DESPLEGADA → cadenas laterales de aa en diferentes colores; cuando la proteína se pliega → los átomos específicos de las cadenas laterales de aa → toman una localización específica (imagen inferior) y tienen la capacidad de interaccionar entre sí y con otro átomos de la cadena → esto le otorga, además → capacidad de interaccionar con el ligando que se una a éste sitio de unión. Tanto la proteína como el ligando que se unirá a esta → son MOLÉCULAS QUÍMICAS → se producen interacciones químicas → enlaces no covalentes entre átomos de la proteína y átomos del ligando. La interacción entre la proteína y su ligando tiene una ALTÍSIMA ESPECIFICIDAD → cada proteína puede unirse a un único ligando (o a un grupo de ligandos químicamente relacionados); además, esta unión posee una ALTÍSIMA AFINIDAD → la cual depende del número de interacciones no covalentes que la proteína pueda establecer con el ligando particular. Función de las proteínas ENTONCES → la cantidad de enlaces covalentes que pueda formar una proteína en su sitio de unión con su ligando → determinará la FUERZA DE UNIÓN → y esto a su vez, determinará la AFINIDAD. CASO SUPERIOR Y MEDIO → moléculas A y B prácticamente no tienen capacidad de interaccionar entre sí ya que pueden formar muy pocas interacciones no covalentes y tampoco encastran perfectamente. Lo mismo sucede con A y C → pocos enlaces covalentes y poco encastre. CASO INFERIOR → A y D encastran perfectamente y además tienen la capacidad de formar numerosas interacciones di tipo no covalente → esta interacción posee una alta afinidad. Son un tipo de PROTEÍNAS ESPECÍFICAS. Los anticuerpos son proteínas producidas por un tipo especial de células → los linfocitos B del sistema inmune → como respuesta a la presencia de antígenos en el organismo. Estos se encuentran presentes enagentes infecciosos como microorganismos, bacterias o virus. Sin embargo → otro tipo de moléculas como polisacáridos → también pueden generar alguna respuesta inmune → puede generar la formación de anticuerpos por parte de los linfocitos B. La FUNCIÓN de los anticuerpos, sintetizados por los linfocitos B → es unirse al antígeno de manera específica → para neutralizarlo. Le impide al antígeno que ingrese a las células. La unión del anticuerpo al antígeno tiene como función la neutralización y degradación del antígeno por parte del anticuerpo. Anticuerpos o inmunoglobulinas (Ig) El anticuerpo está formado POR DOS CADENAS PESADAS Y DOS CADENAS LIVIANAS MÁS CORTAS → las cadenas pesadas y las livianas se unen entre sí mediante PUENTES DISULFURO INTERCATENARIOS (uniones covalentes). Lo mismo ocurre entre las dos cadenas pesadas → se unen mediante puentes disulfuro intercatenarios. Sin embargo → en la estructura de la molécula también existen PUENTES DISULFURO INTRACATENARIOS → dentro de las cadenas. En los extremos de la estructura del anticuerpo → que posee forma de “Y” → se forman sitios que constituyen el lugar de unión con el antígeno → con lo cual, CADA ANTICUERPO TIENE DOS SITIOS DE UNIÓN A ANTÍGENOS ESPECÍFICOS. Interacción antígeno-anticuerpo La interacción entre el anticuerpo y su antígeno específico se produce mediante uniones no covalentes → por un mecanismo de COMPLEMENTARIEDAD MOLECULAR. En rojo → proteína spike del SARS-coV2; en celeste se muestran a los anticuerpos unidos de manera específica. El organismo responde ante la entrada del virus sintetizando anticuerpos → deben neutralizar la proteína spike para evitar que estas ingresen a las células que tienen receptores para la proteína → se evita la infección → siempre y cuando el proceso ocurra de manera adecuada. No todo el antígeno puede generar la formación de un anticuerpo → sino que hay una REGIÓN ESPECÍFICA DEL ANTÍGENO QUE SE DENOMINA EPÍTOPO → es la región del antígeno reconocida por el anticuerpo. ENTONCES → los anticuerpos participan en la respuesta inmune neutralizando y degradando moléculas extrañas; por otro lado, los anticuerpos son utilizados como herramienta terapéutica → por ejemplo, la terapia con plasma de pacientes recuperados, ya que el plasma contiene anticuerpos que podrían ser beneficiosos para pacientes infectados. Además → son una gran herramienta en investigación. Son otro tipo de proteínas específicas → SON CATALIZADORES CELULARES ALTAMENTE EFICIENTES Y ESPECÍFICOS. La diferencia con otro tipos de proteínas es que el ligando de las enzimas se denomina SUSTRATO, y además, este sustrato, luego de unirse a la enzima → se convierte en otra molécula química diferente denominada PRODUCTO. Las enzimas generan o rompen enlaces covalentes de manera controlada. ESQUEMA → enzima se une específicamente al sustrato → se forma un complejo enzima-sustrato → y cuando la reacción química que cataliza la enzima ya se produjo → el sustrato pasó a convertirse en uno o más productos. LA FUNCIÓN ESPECÍFICA DE LAS ENZIMAS ES ACELERAR LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS QUE OCURREN EN LA CÉLULA → PERO SIN MODIFICAR SU ENERGÍA LIBRE (ΔG). O sea → las reacciones que espontáneamente van a ocurrir dentro de la célula lo hacen de manera más veloz gracias a la presencia de las enzimas; sin embargo → las enzimas no pueden hacer que una reacción que tenga un ΔG > 0 (o sea, que no sea termodinámicamente favorable) ocurra. LAS ENZIMAS PUEDEN AUMENTAR LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS GRACIAS A QUE DISMINUYEN LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE ESAS REACCIONES. Azul → reacción química sin catalizador. Rojo → reacción química con catalizador. Toda reacción espontánea (ΔG<0) ocurre cuando la energía libre de los productos en menor que la energía libre de los reactivos → pero para que la reacción ocurra, se le debe dar al sistema determinada energía → el sistema debe alcanzar un estado de transición → en este caso, se habla de la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN, que es la diferencia entre la energía libre de los reactivos – la energía libre del estado de transición. EN EL CASO DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS → curva roja → el estado de transición tiene una menor energía libre que el estado de transición no catalizado → esto hace que la reacción química catalizada por una enzima pueda ocurrir más rápidamente. UNA CARACTERÍSTICA ESPECÍFICA DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS ES LA ALTÍSIMA ESPECIFICIDAD → una enzima solo reconocerá un único sustrato o un grupo de moléculas que actuarán como sustrato que están químicamente relacionadas. Enzimas Las enzimas trabajan en el medio intracelular en condiciones fisiológicas, en un rango de pH fisiológico, temperatura de 37°C, 1atm de presión y medio acuoso. TIPOS DE ENZIMAS → hay distintas familias de enzimas → en general, la mayor parte de las enzimas se denominan con el sufijo “asas”. Sin embargo → hay enzimas, como la pepsina, tripsina, trombina, lisozima, etc, que por ser descubiertas antes de que se llegara a esta convención no llevan el “asa” como sufijo. Además → en muchos casos, el nombre de la enzima indica el sustrato y la naturaleza de la reacción catalizada. Por ejemplo → la citrato sintasa cataliza la síntesis de citrato mediante la adición de acetil CoA al oxalacetato. Sitio activo Las enzimas tienen un sitio específico al que se unen los sustratos → éste sitio específico se denomina SITIO ACTIVO → éste a su vez posee dos regiones: REGIÓN DE RECONOCIMIENTO O DE FIJACIÓN DEL SUSTRATO (bolsillo de unión) REGIÓN CATALÍTICA → sitio donde se lleva a cabo la reacción química que cataliza la enzima. En general son dos sitios separados, aunque en algunas enzimas pueden estar superpuestos. Sitio activo de la tripsina (proteasa → degrada péptidos → rompe enlaces peptídicos). Imagen derecha → módelo de superficie del sitio activo de la enzima → en azul se representa al sitio activo y en blanco y rojo la molecula de sustrato unida. La tripsina es una serina proteasa ya que tiene en su sitio activo un residuo de serina que es fundamental para el funcionamiento de la enzima. En celeste → sitio de unión de la tripsina; en lila → sitio catalítico. EL SUSTRATO → péptido o proteína que será degradado por la tripsina → se une mediante interacciones puente de hidrógeno con ciertos aa del sitio de unión → en este caso, las interacciones son entre los grupos aminos y carboxilo de ambas cadenas polipeptídicas → se forma una estructura de lámina beta. POR OTRO LADO → una cadena lateral del péptido que será degradado → se introduce en el bolsillo de unión → e interacciona por uniones electroestáticas con un residuo de aa aportado por la enzima a nivel del sitio de unión → estas interacciones hacen que el SUSTRATO SE FIJE ESPECÍFICAMENTE A LA ENZIMA; y por otro lado, QUEDA EXPUESTO EL ENLACE PEPTÍDICO QUE SERÁ ESCINDIDO POR LA ENZIMA EN EL SITIO CATALÍTICO. Diferentes especificidades de sustratos para distintas serinoproteasas relacionadas. CADA UNA DE ESTAS TIENE UN RANGO DE SUSTRATOS ESPECÍFICOS; EN EL BOLSILLO DE UNIÓN → CADA UNA DE ELLAS TIENE DETERMINADOS AA ESPECÍFICOS QUE RECONOCEN DIFERENTES SUSTRATOS. Los parámetros que definen la actividad catalítica de una enzima son: LA VELOCIDAD MÁXIMA → es la velocidad máxima de reacción a concentración de saturación de sustrato. KM → se define como la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima; mide la afinidad de la enzima por el sustrato. Velocidad de una reacción enzimática en función de la concentración del sustrato. CURVA ROJA → se observa que a medida que aumenta la concentración de sustrato → aumenta la velocidad de la reacción (velocidad de formación de producto). Sin embargo → ESTA VELOCIDADCinética enzimática AUMENTA HASTA UN NÚMERO MÁXIMO EN DONDE SE DETIENE Y ALCANZA UN EQUILIBRIO → por encima de ella, aunque aumente la concentración de sustrato, la velocidad máxima no se modifica → DEBIDO A QUE LOS SITIOS DE UNIÓN ESTÁN COMPLETAMENTE OCUPADOS. CURVA CELESTE → cantidad menor de enzima → 4 veces menor que curva roja → a medida que aumenta la concentración de sustrato aumenta la velocidad de reacción → igualmente se llega a una velocidad máxima → velocidad máxima 4 veces menor que la velocidad máxima de la curva roja → ya que tiene 4 veces menos cantidad de enzima. ES DECIR → LA VELOCIDAD MÁXIMA DE LA REACCIÓN ENZIMÁTICA DEPENDE DE LA CONCENTRACIÓN DE LA ENZIMA. LA KM ES LA MISMA PARA AMBAS CURVAS → se debe a que la km depende de la enzima y del sustrato que estén interaccionando → es independiente de la concentración de enzima. La km a su vez → DA UNA MEDIDA DE LA AFINIDAD DE LA UNIÓN DE LA ENZIMA CON SU SUSTRATO ESPECÍFICO → ES UNA MEDIDA DE LA AFINIDAD DE MANERA INVERSA → cuanto menor sea la km (cuanto menor sea la concentración de sustrato necesaria para llegar a la mitad de la velocidad máxima), mayor será la afinidad de la enzima por el sustrato particular. PARA UNA ENZIMA, CATALIZADA POR UNA ENZIMA A UNA DETERMINADA CONCENTRACIÓN DE ENZIMA → observo dos sustratos diferentes, cada uno de ellos se une a la enzima con una afinidad diferente. CURVA ROJA → CORRESPONDE AL SUSTRATO DE MAYOR AFINIDAD. Posee una determinada velocidad máxima y una determinada km. CURVA CELESTE → SUSTRATO DE BAJA AFINIDAD → se llega a la misma velocidad máxima en el tiempo → porque la enzima es la misma. Sin embargo → la km es diferente → en este caso es mayor → si la km es mayor, la afinidad de la enzima por esos sustratos es menor → en este caso, se necesita mas cantidad de sustrato para llegar a la mitad de la velocidad máxima. POR LO GENERAL → LA CONCENTRACIÓN INTRACELULAR DE UN SUSTRATO SUELE SER LA MISMA O SUPERIOR AL VALOR DE KM DE LA ENZIMA A LA CUAL SE UNE. EN LAS CÉLULAS EXISTEN NUMEROSAS VÍAS METABÓLICAS FORMADAS POR DIFERENTES PASOS → cada uno de los cuales está catalizado por una enzima → por lo general, el producto de una primera reacción enzimática → actúa como sustrato de la segunda reacción enzimática → y así sucesivamente. Durante la evolución → se desarrollaron mecanismos que tienden a aumentar la eficiencia de las vías metabólicas.
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