EJERCICIOS RESUELTOS DE MACROMOLÉCULAS-BIOQUIMICA (4)

Vista previa del material en texto

AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL
FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS
Santa Fe, Argentina
Aminoácidos
Bloques fundamentales de péptidos y proteínas
Constituyentes de fosfolípidos (serina)
Mensajeros químicos:
La glicina, el GABA (producto de descarboxilación del glutamato) y la dopamina (producto de la tirosina) son neurotransmisores
La histamina (producto de descarboxilación de la histidina) es un
potente mediador en reacciones alérgicas
La tiroxina (producto de la tirosina) es una hormona tiroidea que estimula el metabolismo celular
Intermediarios en procesos metabólicos:
La citrulina y la ornitina son intermediarios en la síntesis de urea
La homocisteína es un intermediario del metabolismo de aminoácidos
α-aminoácido
El carbono  tiene estructura tetraédrica y cuatro sustituyentes
Se diferencian por el sustituyente R
En la glicina, el sustituyente R es H
Cuando el grupo R no es H el carbono  es asimétrico > isómeros
carbono  (posición 2 - IUPAC)
Esteroquímica
Todos los aminoácidos (salvo la glicina) son quirales
Los L-aminoácidos son los constituyentes de las proteínas
La nomenclatura “L” y “D” es similar a la “R” y “S” utilizada en la química moderna
Clasificación
En base a las propiedades fisicoquímicas de los grupos R
Propiedades
espectrocópicas
Todos los aminoácidos absorben en la región infrarroja
Solamente la Phe, la Tyr y el Trp absorben en
la región UV
La absorbancia a 280 nm es un buen diagnostico de la presencia de proteínas en una muestra
Este principio se utiliza como método de cuantificación de proteínas
Aminoácidos poco comunes
La selenocisteína se considera el aminoácido número 21 entre los aminoácidos proteicos. Está codificada en el ARNm por el triplete UGA.
La N-formilmetionina (AUG) se encuentra en el extremo N-terminal de las proteínas de bacterias, mitocondrias y cloroplastos (se elimina en el proceso de maduración).
La 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina se encuentran en el colágeno, la proteína fibrosa más abundante en los mamíferos.
El γ-carboxiglutamato está presente en la protrombina, una proteína que interviene en la cascada de coagulación de la sangre.
Química ácido-base
Los aminoácidos presentan actividad ácido-base y actúan como ácidos débiles polipróticos
Punto isoeléctrico
El punto isoeléctrico es el pH al que un polianfolito tiene carga neta cero.
Dado que los aminoácidos y las proteínas son polianfolitos, el concepto es aplicable.
La importancia del pI radica en que a este valor de pH la solubilidad en agua de la sustancia es mínima.
La especie molecular con carga neta cero se denomina zwitterion:
+H3N – CH2 – COO-
A pesar de que los grupos ácidos y básicos están presentes en la misma molécula, presentan perfiles de distribución como si fueran entidades separadas
Para el caso de la glicina:
H2N – CH2 – COOH
La forma molecular neutra NO existe en solución. La carga de los grupos dependerá del pH de la solución y de los valores de pKa respectivos para cada grupo con actividad ácido-base.
pH=1	+H3N – CH2 - COOH
pH=7
+H3N – CH2 – COO-
pH=12
H2N – CH2 – COO-
Cálculo del pI
Para calcular el pI se deben utilizar los valores de pKa de todos los grupos con actividad ácido-base.
pH ácido	pH alcalino
pKa1	pKa2
p𝐾𝑎n + p𝐾𝑎n+1
pI =
2
Los	pKa a	considerar	en	esta	ecuación son los	que	contienen	a la especie química con carga neta cero (cuando hay más de un pKa).
Hidrofobicidad de los aminoácidos
En Chimera, un programa para la visualización y análisis de macromoléculas, es posible asignar a los aminoácidos un atributo llamado kdHydrophobicity, con valores de acuerdo a la escala de hidrofobicidad de Kyte y Doolittle. Hay otras escalas de hidrofobicidad llamadas wwHydrophobicity y hhHydrophobicity.
J Kyte and RF Doolittle (1982) A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J Mol Biol 157, 105.
WC Wimley and SH White (1996) Experimentally determined hydrophobicity scale for proteins at membrane interfaces. Nature Struct Biol 3, 842.
T Hessa, H Kim, K Bihlmaier, C Lundin, J Boekel, H Andersson, I Nilsson, SH White and G von Heijne (2005) Recognition of transmembrane helices by the endoplasmic reticulum translocon. Nature 433, 377, supplementary data. En este caso los valores más negativos reflejan mayor hidrofobicidad.
	Residuo	kdHydrophobicity (a)	wwHydrophobicity (b)	hhHydrophobicity (c)
	Ile	4.5	0.31	-0.60
	Val	4.2	-0.07	-0.31
	Leu	3.8	0.56	-0.55
	Phe	2.8	1.13	-0.32
	Cys	2.5	0.24	-0.13
	Met	1.9	0.23	-0.10
	Ala	1.8	-0.17	0.11
	Gly	-0.4	-0.01	0.74
	Thr	-0.7	-0.14	0.52
	Ser	-0.8	-0.13	0.84
	Trp	-0.9	1.85	0.30
	Tyr	-1.3	0.94	0.68
	Pro	-1.6	-0.45	2.23
	His	-3.2	-0.96	2.06
	Glu	-3.5	-2.02	2.68
	Gln	-3.5	-0.58	2.36
	Asp	-3.5	-1.23	3.49
	Asn	-3.5	-0.42	2.05
	Lys	-3.9	-0.99	2.71
	Arg	-4.5	-0.81	2.00
Existen numerosas escalas para calificar y cuantificar la hidrofobicidad de los aminoácidos
Reacciones
Muchas reacciones dependen del grado de ionización que presenten los grupos químicos intervinientes:
Grupos carboxilos forman amidas y ésteres
Grupos amino forman bases de Schiff y amidas
En muchos casos, las cadenas laterales muestran reactividad únicas:
Los residuos de Cys pueden formar puentes disulfuro (enlace covalente) o pueden ser alquilados
Los residuos de Cys pueden formar puentes disulfuro (enlace covalente) mediante una reacción de oxidación
Los aminoácidos polimerizan vía enlace amida o peptídico
Un polímero de aminoácidos se denomina polipéptido
polímeros de ≤50 aminoácidos se llaman oligopéptidos o polipéptidos
polímeros de >50 aminoácidos se llaman proteínas
La secuencia se escribe desde el extremo N-terminal hacia el C-terminal: Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
De igual forma se puede escribir usando el código de una letra: YGGFL
Glutatión
Tripéptido: Glu-Cys-Gly (GSH)
Presenta un enlace peptídico inusual entre el grupo amino de la Cys y el grupo carboxilo de la cadena lateral del Glu
Es un agente redox ubicuo (presente en la mayoría de los seres vivos)
Puede formar un puente disulfuro, dando lugar a la forma oxidada (GSSG)
Microcistinas
Las microcistinas son heptapéptidos sintetizados por ciertas cianobacterias.
Se desconoce su función biológica, aunque podrían actuar como moléculas de defensa, quelantes de hierro, en vías señalización o en el proceso de división celular.
Son compuestos tóxicos para plantas, bacterias, invertebrados no artrópodos, artrópodos y vertebrados (desde peces hasta mamíferos).
Inhiben las fosfatasas de proteínas PP1 y PP2A, importantes para procesos como la división celular, la contracción muscular o la síntesis de proteínas.
Es una proteína pequeña (51 aminoácidos).
Es sintetizada como un único polipéptido (preproinsulina).
El péptido señal se cliva cuando es transportada al lúmen del retículo endoplasmático rugoso, dando lugar a la proinsulina.
Luego se forman los puentes disulfuro y posteriormente el polipéptido es clivado por endopeptidasas en 2 posiciones, liberando el péptido C y dejando las cadenas A y B unidas por 2 puentes disulfuro.
Insulina
Proteínas
Constituídas por L-α-aminoácidos
Los aminoácidos proteicos son 20 (+1)
Polímeros de más de 50 aminoácidos
Niveles de organización estructural
Estructura primaria
Es la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica
El ángulo de torsión alrededor del enlace peptídico C-N (ω, omega) se encuentra restringido a valores cercanos a 180° en la conformación trans, pero puede adoptar valores cercanos a 0° en la conformación cis (casos muy raros).
Los ángulos de torsión o ángulos diedros alrededor del enlace N-Cα (φ, phi) y Cα-C (Ψ, psi) determinan la estructura secundaria
En una cadena polipeptídica totalmente extendida los valores de φ y Ψ son de 180°. Los valores de φ aumentan cuando se analiza el enlace N-Cα desde el N y los valores de Ψ aumentan cuando se analiza el enlace Cα-C desde el Cα (ambos aumentan en el sentido horario).
Los gráficos de Ramachandran(1963) muestran los posibles pares de valores de estos ángulos
Por	convención,	φ	y	Ψ	se
definen como cero cuando los dos enlaces peptídicos que flanquean el Cα están en el mismo plano. Esta conformación está prohibida en las proteínas por impedimento estérico entre el oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del grupo amino
Diagrama de Ramachandran. Se muestran los ángulos φ (phi) y Ψ (psi) permitidos desde el punto de vista estérico para la polialanina. Las regiones en azul muestran los ángulos normalmente permitidos y las verdes corresponden a conformaciones con ángulos que se alejan de la combinación óptima.
hélice alfa
cadena beta antiparalela
cadena beta paralela
Estructura secundaria
Se	refiere	a	la	disposición	espacial	que
cadena	y	que	conforman	estructuras
guardan	entre	sí	residuos	contiguos	en	la
de
ángulos repetitivos.
Las más comunes son:
Hélices alfa
Cadenas beta (hojas plegadas)
Hélices alfa
Estabilizadas por enlace puente hidrógeno entre los grupos CO del residuo n y NH del residuo n+4 que forman parte del enlace peptídico.
Hélice alfa: dextrógira, φ=-57° y Ψ=-47°, n=3,6 residuos y p=5,4 Å. n: número de residuos por vuelta. p: paso de hélice (pitch), distancia que avanza longitudinalmente por cada vuelta. Otras hélices: cinta 2,27, hélice 310 y hélice π
Cadenas beta y hojas plegadas
Los puentes H se producen entre cadenas vecinas. Los ángulos φ y Ψ varían ligeramente de aquellos presentes en un polipéptido extendido por completo (±180°).
Giros beta
Presentan una estructura no repetitiva o irregular (no al azar). En general involucran 4 residuos. Hay 2 tipos (I y II) que difieren por un giro de 180° de la unidad peptídica que une los residuos 2 y 3. Se establece un puente H entre el CO y el NH de los residuos 1 y 4, respectivamente. Suelen conectar cadenas beta antiparalelas.
Una misma secuencia puede tener distinta estructura secundaria en un contexto diferente
La secuencia VDLLKN forma parte de una hélice alfa (izquierda) y de una cadena beta (derecha). A su vez, distintas secuencias pueden dar los mismos patrones de plegamiento.
Las estructuras súper-secundarias dan origen a la estructura terciaria
Estructura terciaria
Plegamiento de la cadena peptídica sobre sí misma en el espacio.
Estructura tridimensional en la que aparecen próximos aminoácidos que no necesariamente están contiguos en la estructura primaria.
Esto es característico de las proteínas globulares.
Las proteínas fibrosas adoptan estructuras filamentosas y se agrupan en fibras.
Las proteínas fibrosas generalmente tienen un rol protector, conector o de soporte.
La queratina es una proteína durable en términos mecánicos y no reactiva desde el punto de vista químico, presente en todos los vertebrados superiores.
La α-queratina se encuentra en la piel, el pelo, los cuernos y las uñas de los mamíferos.
Es una hélice de hélices. El paso de hélice (p) es ligeramente inferior
al de una hélice alfa (5,1 en lugar de 5,4 Å).
Presenta una estructura pseudo-repetitiva de 7 residuos (a-g), de los cuales 2 (a y d) suelen ser no-polares, lo que permite la interacción hidrofóbica entre las dos cadenas que forman el dímero.
La α-queratina es rica en residuos de Cys que forman puentes disulfuro entre cadenas adyacentes.
Es insoluble y muy resistente al estiramiento. Se las clasifica en blandas (piel) y duras (pelo) en función de su contenido de azufre.
α-queratina
Es la proteína más abundante de los vertebrados.
Es una triple hélice de hélices. Es una proteína extracelular que se organiza en fibras solubles de gran fuerza tensil.
Se encuentra en tejidos conectivos (huesos, dientes, cartílagos, tendones, ligamentos, piel y vasos sanguíneos).
Tiene una composición característica de aminoácidos: 30% de Gly y 15-30% de Pro y 4-hidroxiprolina. También presenta residuos de 3-hidroxiprolina y 5-hidroxilisina (en cantidades menores).
Los residuos hidroxilados resultan de la modificación postraduccional del colágeno.
La 4-hidroxiprolina le confiere estabilidad al colágeno mediante la formación de puentes H intermoleculares.
Colágeno
Proteínas globulares
Mioglobina. (A) Vista externa. Aminoácidos hidrofóbicos: amarillo; aminoácidos hidrofílicos: azul y blanco. En la superficie predominan los residuos polares. (B) Vista de una sección transversal mostrando que en el interior se encuentran mayoritariamente los residuos hidrofóbicos. Porina. (C) Se muestra la particular distribución de los aminoácidos.
Poseen forma compacta
Interior hidrofóbico del que el agua está casi excluida
La interacción hidrofóbica es fundamental en el plegamiento
Las proteínas insertas en membranas revierten esta característica
(C)
Las proteínas globulares presentan tramos de estructura secundaria conectados por conexiones flexibles (loops) o giros beta.
Se clasifican en distintas familias en base al patrón de plegamiento.
Las bases de datos utilizan distintos algoritmos para su clasificación: SCOP (Structural Classification of Proteins), CATH (Class Architecture Topology Homology) y FSSP (Families of Structurally Similar Proteins).
En base a la estructura secundaria
Barril beta de la porina específica para sacarosa de la bacteria Salmonella typhimurium, vista de lado. Las porinas son proteínas transmembrana con centros huecos a través de los cuales pueden difundir moléculas pequeñas.
La mioglobina es una hemoproteína, estructural y funcionalmente muy parecida a la hemoglobina. Es una proteína relativamente pequeña constituida por una cadena polipeptídica de 153 aminoácidos y por un grupo hemo que contiene un átomo de hierro.
El barril TIM es un dominio estructural de proteínas muy conservado que consiste en ocho hélices alfa y ocho láminas beta paralelas que se alternan en el esqueleto de la proteína. La estructura debe su nombre a la Triosa fosfato IsoMerasa.
Estructura cuaternaria
Unión de dos o más subunidades por interacciones no covalentes
Fosfatasa alcalina de Escherichia coli (dímero) unida a Pi
Hemoglobina humana, heterotetrámero α2β2, cada subunidad contiene un grupo hemo que une O2 y CO2
Todas las interacciones estabilizan los distintos niveles estructurales, aunque algunas predominan en determinado nivel
La unión puente hidrógeno es fundamental para la estructuras secundarias.
Las fuerzas de Van der Waals y las interacciones hidrofóbicas son fundamentales para estabilizar las estructuras terciaria y cuaternaria.
Los puentes disulfuro intracatenarios estabilizan la estructura terciaria y, excepcionalmente, la cuaternaria (intercatenarios).
(A) ADP-Glc PPase monomer. Yellow, catalytic domain; pink, β-helix domain; ADP-Glc and sulfates are shown in atom type: carbon, green; oxygen, red; nitrogen, blue; phosphorous, magenta; sulfate, orange. (B) Overlay of ADP-Glc PPase (cyan), RmlA (r.m.s.d. 1.9 Å) (magenta), and GlmU (gold) (r.m.s.d.
2.5 Å). (C) ADP-Glc PPase tetramer. The disulfide bond between A and A′ is boxed. (D) Interactions between monomers in the tetramer.
Cadena, subunidad y dominio
Cadena. Secuencia comprendida entre los extremos N- terminal y C-terminal.
Subunidad. Es una cadena unida a otra por uniones no covalentes.
Dominio estructural. Región de una cadena que presenta un plegamiento particular, generalmente asociado a una determinada función.
Dominio funcional. Región de una cadena asociada a una función (no siempre a un domino estructural).
Modificaciones post-traduccionales
El proteoma es considerablemente más complejo que el genoma.
El genoma humano posee 20-25 mil genes, mientras que se estima que el proteoma humano está compuesto por más de 1 millón de proteínas.
Esto se debe, en parte, a iniciación de la transcripción en diferentes promotores, terminación de la transcripción diferencial y splicing alternativo.
La complejidad del proteoma se ve aumentada por la existencia de modificaciones post-traduccionales (PTMs).
Las PTMs son modificaciones químicasque juegan un rol fundamental en proteómica porque regulan la actividad, la localización y la interacción con otras moléculas (proteínas, ácidos nucléicos, lípidos y cofactores).
Post-translational modifications are key mechanisms to increase proteomic diversity. While the genome comprises 20,000 to 25,000 genes, the proteome is estimated to encompass over 1 million proteins. Changes at the transcriptional and mRNA levels increase the size of the transcriptome relative to the genome, and the myriad of different post-translational modifications exponentially increases the complexity of the proteome relative to both the transcriptome and genome.
https://www.thermofisher.com/ar/es/home/life-science/protein-biology/protein-biology-learning- center/protein-biology-resource-library/pierce-protein-methods/overview-post-translational- modification.html#2
Modificaciones post-traduccionales
Las PTMs ocurren en diferentes cadenas laterales y, generalmente, están mediadas por enzimas.
Se estima que un 5% del proteoma son enzimas que producen más de 200 tipos de PTMs:
Kinanasas
Fosfatasas
Transferasas
Ligasas
Proteasas
La caracterización de las PTMs, si bien resulta un desafío, provee información relevante sobre los mecanismos moleculares que regulan diversos procesos celulares.
Tipos de PTMs
Fosforilación
Glicosilación
Ubiquitinación
S-nitrosilación
Metilación
N-acetilación
Lipidación
Proteólisis
…
Tipos de PTMs
Fosforilación
Glicosilación
Ubiquitinación
S-nitrosilación
Metilación
N-acetilación
Lipidación
Proteólisis
…
Tipos de PTMs
Fosforilación
Glicosilación
Ubiquitinación
S-nitrosilación
Metilación
N-acetilación
Lipidación
Proteólisis
…
Tipos de PTMs
Fosforilación
Glicosilación
Ubiquitinación
S-nitrosilación
Metilación
N-acetilación
Lipidación
Proteólisis
…