Estructura de proteínas - Matias Arredondo

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Estructura de proteínas
● Entender cuales son las fuerzas involucradas 
en mantener la estructura tridimensional de las 
proteínas
● Comprender como la estructura tridimensional 
afecta la función proteíca
 
De la secuencia a la estructura
 
Los cuatro niveles de la estructura proteíca
 
Formando enlace peptídico
Estructura general de 
un aminoácido
Los amino ácidos: estructura y carácter químico 
 
La propiedades del enlace peptídico afectan 
la estabilidad y flexibilidad de las proteínas
Los enlaces tipo amida
 son muy estables
Resonancia de los enlaces tiene dos efectos: 
incremento de la estabilidad y momento dipolar 
Caracter de doble enlace 
parcial afecta la rotación 
de la cadena polipeptídica
 
Estructura secundaria: Alfa hélices
Distancias
Dipolo
Puentes de hidrógeno 
y cadenas laterales
Vista superior
Las cadenas laterales determinan 
el carácter hidrofílico, hidrofóbico 
o anfipático de una alfa hélice
Variantes poco frecuentes
de alfa hélices 
 
Estructura secundaria: Hojas beta
Barril beta
Retinol-binding protein
Estructura hoja beta
Hojas beta anfipáticas
 
El gráfico de Ramachandran
En gral cada aminoácido tiene una región preferencial en gráfico de Ramachandran 
debido a interacciones estéricas.
Hay algunos muy particulares: Gly, Pro, Ile, Val
 
Gráfico de Ramachandran
Más de 1.000.000 de datos de alta calidad
Hoja beta
Alfa hélice
Mano derecha
Alfa hélice
Mano izquierda
Beta turn
http://proteopedia.org/wiki/index.php/Ramachandran_Plots
 
Predicción de estructura secundaria
Prefencia por ciertos aminoácidos de acuerdo a la estructura
 
Predicción de estructura secundaria
Phyre server www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/
 
Plegamiento de proteínas (Julio Caramelo)
Intermediarios de plegamiento
(barnase)
La competencia entre las 
interacciones internas y el agua 
controlan el plegamiento
La estructura primaria determina el plegamiento
 
TIM DHFR
Estructura terciaria
La condensación de múltiples elementos de estructura secundaria 
conduce a la estructura terciaria
Ambas tienen 8 hebras beta 
conectadas por alfa hélices
Barril alfa/beta paralelo
Dominio alfa/beta con hojas mixtas
 
Las moléculas de agua unidas a la superficie 
son una parte importante de la estructura 
y se consideran parte de la estructura terciaria
La estructura terciaria es estabilizada 
por el empaquetamiento de los átomos
Corte del interior de una proteínaPrimera capa de hidratación de 
la elastasa pancreatica porcina.
Estructura terciaria
 
La proteínas plegadas son estabilizadas mediante interacciones
 débiles no covalentes 
D
éb
ile
s
 
Estructura terciaria
El plegamiento proteíco es un compromiso termodinámico
Entalpía: calor liberado por la formación de las interacciones
Entropía: contribuído por el agua. El plegamiento incrementa la entropía del sistema.
El efecto hidrofóbico contribuye a la entropía
Las aguas que rodean residuos hidrofóbicos están 
más ordenadas que las aguas líquidas. Cuando los 
residuos condesan, expulsan el agua incrementando la entropía
La estabilidad es definida con la energía libre, 
una función que combina tanto la entalpía como la entropía
La energía liberada por la formación de los enlaces débiles 
es contrabalanceada por la enorme pérdida de estabilidad conformacional que ocurre cuando
 un polipéptido se pliega.
La diferencia de energía libre entre los estados 
desplegado y plegado es de entre 21-42 Kj/mol
Consecuencia: Flexibilidad 
 
Dominios proteícos
Los dominios proteícos son una región compacta 
de la proteína que, generalmente, esta formada 
por segmento continuo de amino ácidos y puede 
plegarse de manera estable por si misma en solución
Represor Lac
Dominio de tetramerización
Dominio de 
unión a DNA
Generalmente tienen menos de 200 aa.
El 49% tiene entre 50 y 150 aa.
Tioesterasa
Tioesterasa 
dehidratasa
Dos dominios casi idénticos Dos subunidades
Las proteínas multidominio evolucionaron por fusión de genes 
que codifican para proteínas separadas
 
Tryptophan synthase Galactonate dehydratase
Los dominios de color amarillo son similares aunque 
no tienen similitud de secuencia o relación funcional
La mayoría de las estructuras nuevas pueden dividirse en
 dominios previamente conocidos.
La proteínas son modulares, es decir, estan formadas por
 dominios que se intercambian (LEGO proteins)
 
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios alfa: compuestos solamente por alfa hélices
Four-helix bundle
Globina
Myohemierythrin Mioglobina
 
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios beta: compuestos solamente por hojas beta
Cadena liviana 
de la inmunoglobulina
Proteína de la seda
Sandwich beta 
Neuraminidasa
Propulsor beta
Bacterioclorrofila A
Jelly roll
Clasificación de dominios de proteínas
 
Clasificación de dominios de proteínas
Dominio alfa/beta: cada hebra de una hoja beta se conecta a la otra por una alfa hélice
Cruce mano derecha
Cruce mano izquierda
Barriles
Twists
Dos grandes familias
TIM
Aspartate semi-aldehyde dehydrogenaseLa hoja beta es hidrofóbica y se encuentra 
aislada del solvente por la alfa hélices
 
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios alfa+beta
Compuestos de alfa hélices y hojas beta pero tienen ningún tipo de arreglo espacial.
TATA binding protein
Esta clase presenta una gran diversidad de dominios 
 
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios cross-linked 
Dominios tan pequeños que carecen de centro hidrofóbico o un gran número de 
elementos de estructura secundaria. La solución es conectar (cross-link) las diferentes 
regiones del dominio mediante enlaces covalentes
Hay dos soluciones: puentes disulfuro y unión de metales
Toxina de escorpión
Cuatro puentes disulfuro Zinc finger de un factor de transcrición
Coordina un zinc mediante dos His y dos Cys
 
Estructura cuaternaria
Las proteínas se asocian formando ensamblados de dos o más proteínas
La asociación con proteínas idénticas lleva a la 
formación de homo-oligómeros. De acuerdo a número de 
monómeros se llaman homodímeros, homotrímeros, etc.
Si las proteínas que se asocian son diferentes se llaman 
hetero oligómeros.
Las interacciones son específicas y complementarias. 
Involucran uniones débiles
 
Estructura cuaternaria
Interacciones cuaternarias inadecuadas pueden tener efectos funcionales graves.
La anemia faciforme se produce por una mutación de Glu a Val en la superficie de la 
subunidad beta de la hemoglobina creando una región hidrofóbica que induce la
 formación de largas fibrilas
 
 
Estructura cuaternaria
Cuando las subunidades son idénticas se producen
interacciones simétricas mediante las superficies complementarias
De acuerdo a la localización de estas superficies 
complementarias se obtienen diferentes tipo de oligómeros
Si el monómero tiene una segunda superficie de interacción 
se producen asociaciones de dímeros formando tetrámeros,
hexámeros, etc
 
Flexibilidad de proteínas
Los cambios estructurales grandes (por ejemplo alfa hélice a hoja beta) nunca ocurren en 
condiciones normales. Se presentan en casos patológicos como amieloides o priones.
Algunos cambios pueden inducirse por la unión de un ligando y otros son cambios 
conformacionales entre dos estados que coexisten en condiciones fisiológicas. 
Uno de los más comunes es el movimiento de un loop particular que cierra un sitio activo
Inhibidor
Se mueve 10A
Se puede residuos, loops o dominios
 
De la estructura a la función
 
Cuatro funciones fundamentales en la bioquímica de las proteínas
Unión (binding)
Catálisis
Switching (control)
Estructural
La función más elemental que subyace en todas ellas es el binding
 
Reconocimiento y complementariedad
La unión de ligandos ocurre en sitios específicos que proveen 
complementariedad geométrica y química y se llaman sitios de unión a 
ligandos. Si en el sitio de unión a ligando ocurre una reacción con el sustrato 
se llama sitio activo.Factor letal de la toxina antrax 
unida a un peptido de MAPKK2
Sitio activo de madelato racemasa
Los sitios de unión tienen un ambiente químico que es diferente 
del solvente y favorece la unión del sustrato o ligando.
Catálisis ácido-base
Dos Lys juntas baja la afinidad por el protón
Produciendo un ácido fuerte
En general, son situaciones desfavorables desde el punto de vista energético que son 
compensadas por interacciones favorables en otra parte de la proteína.
 
Sitios de unión
Los sitios de unión para macromoléculas pueden ser cóncavos, convexos o 
planos. Por su parte los sitios de unión a pequeños ligandos pueden ser 
cavidades, bosillos o ranuras.
Hormona de crecimiento
Unión de un represor al ADN
Factor de transcripción Gal4
Generalmente estan en la superficie o son accesibles al solvente
 
Los sitios catalíticos estan 
presentes en interfaces 
entre dominios o 
subunidades
Los sitios de unión pueden 
estar enterrados dentro de la 
proteína
Sitios de unión
La afinidad entre el ligando y la proteína se debe mayormente a 
interacciones hidrofóbicas, mientras que la especificidad se debe a 
interacciones anisotrópicas del tipo puente de H. El desplazamiento 
de las moleculas de agua favorece la unión de sustratos y ligandos
 
Proteínas estructurales
El ribosoma contiene más de 
cien componentes proteícos 
que estabilizan el plegamiento 
del ARN ribosomal.
La proteínas estructurales 
pueden estar involucradas en 
procesos dinámicos. Por 
ejemplo actina, fibrinógeno, 
etc.
Colágeno.
Otras proteínas 
estructurales están 
diseñadas para 
permancer toda la vida 
del organismo. P.e. 
Seda, elastina, 
queratina, la cubierta de 
un virus, etc
Step5 de levadura
Las proteínas scaffold 
(andamio) sirven como 
soporte donde otras proteínas 
se ensamblan formando un 
complejo funcional.
 
Catálisis
Las enzimas aceleran las tasas de la reacciones químicas pero no cambian 
el equilibrio bajando la barrera de activación de la reacción. Lo hacen de 
tres maneras: incrementando la energía libre de los reactivos, bajando la 
energía del estado de transición o tomado un camino diferente que tenga 
intermediarios de reacción
 
Catálisis
Los sitios activos posicionan de manera óptima a los sustratos para que la reacción ocurra.
Potencial electrostático de 
la Cu, Zn superóxido 
dismutasa
Sitio activo
Sitio activo
Fuerzas 
electrostáticas 
orientan al 
sustrato hacia el 
sitio activo
Algunos sitios se 
encuentran 
cerrados al 
solvente y solo el 
sustrato adecuado 
puede abrirlos
Las 
interacciones 
electrostáticas 
contribuyen a la 
afinidad y 
especificidad
 
Catálisis
Subsitio de especificidad
Subsitio de reacciónPiridoxal-P
Aspartato aminotransferasa de E. coli
 
Catálisis
Quimiotripsina
Sitio activo de la citrato sintasa 
que estabiliza el estado de 
transición
 
Switching Unión de moléculas regulatorias
Inhibición competitiva por producto final de la 
vía metabólica
Unión cooperativa de ligandos. 
Puede ser positiva o negativa. 
Es un efecto a distancia donde 
la flexibilidad proteíca es 
importante.
DtxR
Fe+2
 
Switching
GTPasa
ATPasa
Tienen una estructura similar
Diagrama del mecanismo de 
switch universal de GTPasas
Pi gama del GTP Relajación 
después de la 
hidrólisis
 
Switching
GEF (guanine-
nucleotide 
exchange factors)
GAP (GTAase-
activating protein)
GDP
GTP
 
Switching
Sistemas de dos componentes bacterianos
Dominio regulatorio
Cambia la superficie
Azul: no fosforilado
Magenta: fosforilado
 
Una estructura con diversas funciones
Madelato racemase Muconate lactonizing enzyme
 
Diversas estructuras: una función
L-aspartate aminotransferase.
Presente en todos los organismos
D-amino acid aminotransferasa.
Presente solo en bacterias
 
Moonlighting: proteínas con más de una función
 
Secuencias camaleón: una secuencia con más de un plegamiento
De gran importancia 
en enfermedades 
neurodegenerativas
Proteína de unión a ADN MATalpha2 de levadura
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