2 - Estructura tridimensional de las proteínas

Vista previa del material en texto

NIVELES DE ORGANIZACIÓN PROTEICA Y CONCEPTOS
• Estructura primaria ⇒ secuencia
• Estructura secundaria ⇒ plegado local
• Estructura terciaria (tridimensional) ⇒ plegado global
• Estructura cuaternaria (SÓLO PROTEÍNAS MÁS GRANDES) ⇒ asociación de cadenas
Conceptos generales sobre la estructura tridimensional de las proteínas
• La estructura tridimensional de una proteína está determinada por su secuencia de
aminoácidos
• La función de una proteína depende de su estructura
• Cada proteína adopta una conformación única o unas pocas ⇒ OJO, conformación “única”
no quiere decir RÍGIDA, ya que hay algunas proteínas, como algunas enzimas, que, para ejercer
su función, deben cambiar de conformación
• Las fuerzas que estabilizan la estructura de una proteína son interacciones débiles
(hidrofóbica, unión H e interacción iónica)
Conformación de proteínas
● Refiere a la disposición espacial de los átomos de una proteína
● El orden de los átomos y su disposición SIEMPRE ES EN TORNO A ENLACES SIMPLES (no
se rompen enlaces)
● Conformación nativa = Estructura en donde la proteína es funcional
● La estructura proteica suele estar dada por la presencia de los grupos o cadenas laterales
hidrofóbicas en el interior, lo cual permite que la estructura sea muy compacta debido a
que, a menos que se presenten bolsil los necesarios para su función, no hay espacio
siquiera para una molécula de agua. Asimismo, los grupos hidrofílicos están dispuestos
hacia el exterior, en contacto con el medio acuoso. OJO! IGUAL ESTO NO QUIERE DECIR
QUE NO HAYA RESIDUOS HIDROFÓBICOS A INTERACCIONAR EN LA SUPERFICIE
El enlace peptídico
● MUY estable, porque tiene un carácter parcial de doble enlace
● La posibilidad de resonancia que posee el grupa mida que compone el enlace peptídico
establece dipolos que pueden otorgar polaridad ⇒ El esqueleto peptídico debe estar
compensado
● Siempre se ubica en configuración trans por una cuestión de impedimento estérico
● El carácter parcial de doble enlace define un plano, en donde hay seis átomos que van a
estar en él (Cα-CO-NH-Cα) ⇒ Los enlaces simples que van a rotar son los que están en
torno al Cα (o sea un plano Cα-CO-NH-Cα con respecto a sus contiguos) ⇒ Limita las
conformacine que puede tomar la molécula
φ y ψ valen 180° cuando el polipéptido (ppt) está totalmente extendido y
todos los enlaces peptídicos están en un mismo plano
El ángulo de rotación en torno al enlace peptídico (ω, omega) solo puede
tomar dos valores: 0º cuando el enlace es cis, o 180º cuando el enlace es trans,
para no romper la resonancia del enlace
OJO! NO CUALQUIER CONFORMACIÓN ESTÁ PERMITIDA ⇒ Algunas sí, y
otras no
ESTRUCTURA SECUNDARIA
● Es la disposición espacial, local, regular de la cadena principal (esqueleto peptídico, sin
tener en cuenta a las cadenas laterales) que permite neutralizar los grupos polares del
enlace peptídico mediante uniones Hidrógeno
● Todos los ángulos diedros son iguales
Hélice alfa
● Es una conformación en
la cual la cadena
polipeptídica se enrolla
en torno a un eje
imaginario y los restos
laterales se acomodan
hacia afuera. Ángulos
diedros constantes.
● Representa mucha
estabilidad debido a que
se organiza a partir de la
formación de UNIONES
HIDRÓGENO entre
grupos C=O y α-NH2
(C=O - H - N-Cα) cada
3,6 residuos (ej.: el C=O
del aa 1 con el NH2 del aa
5) ⇒ Siempre es con el carboxilo más cercano al N terminal y el amino más cercano al C
terminal, dado que ni el N terminal ni el C terminal forman unión H con otros aa
● Momento dipolar de la hélice= Debido al equilibrio tautomérico del
enlace peptídico, se genera un momento dipolar. Además, com
está eso en una estructura proteica, la sucesión de momentos
dipolares provoca que se alineen las cargas, y se tenga una ઠ+
en el extremo N terminal y ઠ- en el C terminal. Esto se intenta
que esté compensado uniendo algo ya que de lo contrario sería
inestable.
● Las hélices pueden girar en sentido horario o antihorario, es
decir, ser dextrógiras o levógiras. En la naturaleza hay
dextrógiras mayormente.
● La glicina y la prolina inestabilizan a la hélice alfa: en el caso de la
Gly es porque es pequeña, y en el caso de la prolina porque es
rígida, debido a ser un anillo de 5 carbonos, en donde sus
enlaces no pueden librerrotar.
Hoja Beta (β)
- Es un segmento de cadena polipeptídica, típicamente de 3 a 10 aminoácidos de extensión,
con el esqueleto peptídico en conformación (casi) extendida
- Está dado por la sucesión de distintos segmentos de cadena que se pliegan en zigzag,
asociadas entre sí
- Los R van por encima o debajo del plano
- La asociación de las cadenas puede ser en sentido ANTIPARALELO (amino ⇒ carboxilo
⇒ amino ⇒ carboxilo , etc) o PARALELO (amino ⇒ carboxilo ⇒ carboxilo ⇒ amino, etc).
Giros Beta (β)
● Segmento de conexión presente en las hélices alfa u hojas
beta
● Corresponde al giro abrupto de una cadena, de 180 grados.
Involucra 4 aminoácidos, siendo que el 1 y el 4 se unen por
unión H.
● Hay dos tipos comunes= tipo 1, que posee prolina en su
composición, y el de tipo 2, que posee glicina. La prolina,
para estar formando parte de un giro beta, debe estar en
configuración cis
Bucles
● Segmentos de conexión largos ocurrentes entre distintas partes de la cadena con
estructura 2° definida
● Tienen longitud y forma variable, flexibilidad
● Se localizan sobre la superficie de la proteína ⇒ Son ricos en aminoácidos polares y
cargados
● Son las regiones que presentan mayor variabilidad
● Generalmente se relacionan con la actividad de la proteína, ya que son flexibles y pueden
actuar, por ejemplo, como zona de reconocimiento de anticuerpo
Análisis de la estructura secundaria de proteínas por dicroísmo circular
La espectroscopía de
dicroísmo circular (CD)
mide la diferencia en
absorción de luz
circularmente polarizada a
derecha o a izquierda en
moléculas quirales. Es un
método biofísico de
evaluar la estructura
secundaria de péptidos,
proteínas y ácidos
nucleicos.
ESTRUCTURA TERCIARIA (TRIDIMENSIONAL)
Conjunto de segmentos con conformación de hélice alfa y hoja beta unidos por segmentos de
conexión
Clasificación de las estructuras terciarias
a) Según su función=
● Funcionales
● Estructurales
Globulares = Funcionales
Fibrosas = Estructurales
b) Según su estructura=
● Globulares
● Fibrosas (similar a una fibra)
Fibrosas=
➢ Insolubles en agua por ser ricas en residuos hidrofóbicos
➢ Alfa-queratina= La molécula de queratina forma una hélice alfa, en donde dos
hélices se vinculan entre sí, generando una estructura enrollada; se ubican
sucesivamente y forman el protofilamento, que se asocian por puentes
disulfuro formando protofibril las. A mayor cantidad de puentes disulfuro
entre cadenas adyacentes, mayor resistencia; inversamente, a mayor
proporción de agua, menor resistencia (no es lo mismo un cuerno de
rinoceronte que un pelo humano, pese a que ambos son de queratina)
➢ Colágeno=
❖ Presente en el tejido conjuntivo de tendones, cartílagos y la córnea del
ojo
❖ Tres cadenas polipeptídicas superenrolladas (triple helix), con una
secuencia tripeptídica que se repite = Gly - X - Y (siendo X generalmente
Pro e Y generalmente 4-OHPro).
❖ Los residuos de glicina se ubican hacia el interior de la hélice; la Pro y
4-Hyp permiten el giro pronunciado de la hélice
❖ Cadenas de colágeno ⇒ Entrecruzadas por enlaces covalentes poco
frecuentes entre residuos de Lys o 5OH-Lys, e His.
➢ Conformación de hoja β⇒ Fibroína de seda
❖ Se forma a partir de distintas hojas Beta que se superponen como
“apilándose”, a partir de interacción hidrofóbica
❖ Los residuos que permiten la interacción hidrofóbica deben ser
pequeños para que se puedan superponer, por lo que son polipéptidos
ricos en Gly y Ala.
Globulares=
➢ Están dadas por interacciones hidrofóbicas que estabilizan
➢ Los residuos hidrofóbicos se ubican en el interior, siendo el núcleo muy
compacto
Dominios
- Un DOMINIO representa una sección de la cadena polipeptídica que se pliega de modo tal
que, de ser separada de la cadena, seguiría siendo estable- Las proteínas se pliegan a medida que se van sintetizando
- >70 % de las proteínas eucariotas son multidominio, y cada dominio puede tener una
función distinta e interaccionar con distintos elementos
MOTIVOS (ESTRUCTURA SUPERSECUNDARIA)
- Un MOTIVO es un patrón de plegamiento que incluye
dos o más elementos de estructura secundaria
conectados
- Comprende un segmento corto de proteína o a la
proteína entera (de este último caso es ejemplo el
barril β)
- Puede ser estable o no si es separado de la proteína (DIFERENCIA CON LOS DOMINIOS
QUE SIEMPRE SON ESTABLES SI SE SEPARAN)
- Restricciones de plegamiento=
❖ Mínimo dos capas de estructura secundaria
❖ Si coexisten hélices α y hojas β, deben ubicarse en distintas capas, ya que no
pueden formar puente hidrógeno entre ellas
❖ Pueden resultar cercanos restos que si se desarrollara estarían alejados
❖ La conformación β es más estable si los segmentos individuales están ligeramente
torsionados en sentido dextrógiro
❖ Hay proteínas que son todo α, otras que son todo β, y otras que tienen ambos
juntos, y se denominan α/β. Si tienen segmentos α y β pero separados, se
llaman α+β
ESTRUCTURA CUATERNARIA
- Se presenta en proteínas complejas, en donde dos o más cadenas (subunidades, iguales
o distintas) se encuentran dispuestas en complejos tridimensionales
- Si son subunidades distintas posiblemente tengan distinta función (ej.: subunidades
catalítica y reguladora de una enzima alostérica)
- Se clasifican, según la cantidad de subunidades, en=
❖ Multímeros = Si tienen muchas
❖ Oligómeros = Si tienen pocas
❖ Protómero = Si tiene una sola subunidad
- La separación de las subunidades implica la pérdida de la función de la proteína. Las
interacciones son débiles, se pueden separar fácilmente en el laboratorio, por ejemplo, en
el caso de que se quiera evaluar el efecto que tiene la falla de la misma
- El ensamblado de los monómeros se realiza de forma espontánea⇒ Oligómero presenta
un mínimo de energía libre (estructura estable)
- Ventajas de que una proteína posea estructura cuaternaria=
- La estructura cuaternaria posee ejes de simetría ⇒ Puede ser simetría circular de dímeros
o tetrámeros, simetría helicoidal (como en las cápsides virales y en el pili bacteriano)
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: PLEGAMIENTO
- Plegamiento= Proceso por el que una cadena adquiere la estructura tridimensional
adecuada para lograr el estado nativo biológicamente activo
- Desnaturalización de proteínas⇒ Posibilidad de ser reversible y que las proteínas sean
RENATURALIZADAS, recuperando su conformación nativa y su actividad biológica. Esto
demuestra que la información para el plegamiento de la proteína la tiene LA PROPIA
SECUENCIA PROTEICA, no la célula.
- Aún así, si bien la información del plegamiento está en la secuencia, tiene que haber algo
adicional que ayude a catalizar la síntesis ya que, de lo contrario, se tardaría muchísimo
más tiempo=
1) Modelo jerarquizado de plegamiento= Éste establece que:
- Las estructuras secundarias locales se forman primero (por proximidad, a
hélice α)
- Las interacciones iónicas ayudan en el proceso
- Luego se forman estructuras supersecundarias
- Las proteínas sencillas (con interacciones de corto alcance) se pliegan más
rápido
2) Modelo del colapso hidrofóbico= Establece que el colapso espontáneo de la cadena
polipeptídica genera un estado compacto mediado por interacciones hidrofóbicas
(se colapsa a medida que se va sintetizando porque se expone la cadena
hidrofóbica un medio acuoso).
Es un primer plegamiento que resulta bastante laxo ⇒ ENTONCES ⇒ El
plegamiento NO ESTÁ DIRIGIDO por la formación de la estructura secundaria ≠ al
Modelo jerarquizado. El proceso sería dado por un importante cambio energía en el
momento en que las cadenas se colapsan para no estar en contacto con el agua, en
donde como consecuencia del acercamiento se forman uniones Hidrógeno locales
(estructura 2°)
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: FORMACIÓN DE PUENTES
DISULFURO (-S-S-)
Tomando como base el 2° Modelo explicado, se forma una estructura semi laxa por el colapso
hidrofóbico, hasta que se termina compactando y adquiriendo el plegamiento definitivo.
En una primera aproximación, puede ocurrir que los puentes disulfuro que se formen no sean
correctos, con lo cual no se estaría estabilizando concretamente a la proteína.
En el caso de que eso ocurriera, para no llegar a una prote´n no funcional, va a actuar la enzima
disulfuro isomerasa (PDI), que cataliza intercambio de puentes disulfuro (ruptura y permisión de
reacomodamiento de la estructura) hasta que se formen los de la conformación nativa.
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: ISOMERIZACIÓN DE LA
PROLINA
- Si bien los enlaces peptídicos están en trans, la prolina,. por ser rígida, puede soportar
estar en cis o en trans
- Cuando se sintetiza la proteína, todos los aa se sintetizan en trans, por lo que, si en algún
pe´ptido corresponde por estabildad que la prolina esté en cis, debe actuar una enzima
que rompe el enlace covalente y prmite el giro para que se de la isomerización ⇒ Enzima
peptidil-prolil-cis-trans isomerasa (PPI)
ASISTENCIA EN EL PLEGAMIENTO: CHAPERONAS
La proteína está en un primer estado desplegado,
luego el parcialmente plegado, y de allí a estado
nativo. AHORA⇒ Cuando están en proceso de
convertirse en nativas, en los otros dos estados,
corren el riesgo de formar AGREGADOS
PROTEICOS.
Para evitar esto, existen unas proteínas
denominadas chaperonas, que mantienen a la
proteína desplegada (o a la parcialmente legada la
transforman en desplegada y se unen también)
unida y secuestrada, para evitar que el equilibrio se
de hacia la formación de agregados. Una vez que la
proteína se desprenda entonces puede plegarse
para ser nativa de manera adecuada.
Las chaperonas son proteínas resistentes al calor
que se unen a zonas ricas en residuos
hidrofóbicos del polipéptido desplegado para evitar
la agregación, participando en el ensamblado de proteínas multiméricas y en la translocación en
membranas de proteínas secretadas.
Sistema de las chaperoninas⇒ Son proteínas que asisten al plegamiento, en donde el sistema
más conocido es el GroEL/GroES de E. coli ⇒ Para ser asistida en el plegamiento, la cadena
despegada debe entrar en una especie de barril con un bolsil lo hidrofóbico, dentro del cual se
pliega adecuadamente, saliendo luego como proteína plegada.
Requiere de mucho gasto de energía, y la función coordinada de la proteína con subunidades que
forman el barril (GroEL), y otra que va a mantener cerrado ese espacio para que no ingrese
ninguna otra proteína una vez que alguna desplegada ingresó (GroES).
RECORDAR QUE CONFORMACIÓN NATIVA ⇎ RIGIDEZ
● Estado plegado⇒ Flexible, los átomos se mueven, y un aumento de movimiento se
ve como una imagen borrosa en cristalografía de rayos X
● Pueden darse cambios de orientación de restos laterales, movimiento de loops,
cambio de orientación de dominios o cambios en la estructura cuaternaria de una
proteína
● Posibilidad de cambios conformacionales relacionados con distintos estados
funcionales de una proteína
MAL PLEGAMIENTO: AMILOIDOSIS
La amiloidosis se da cuando una proteína sintetizada en una célula queda mal plegada, porque
toma una conformación que no es permitida, pero en la cual puede asociarse de otras formas con
más del mismo estilo, estableciendo fibril las amiloides que son tóxicas, características del
Alzheimer, Huntington y Parkinson.
PROTEÍNAS CONJUGADAS (Haloproteínas)
● Son proteínas que se asocian de manera covalente o reversible (uniones débiles) con
distintas moléculas para ejercer su función, las cuales pueden ser macromoléculas o
moléculas pequeñas.
● Están constituidas por un polipéptido (apoproteína) + componentes no proteicos (grupo
prostético)
● Particularmente en ENZIMAS, el grupo prostético puede ser=
• Cofactor enzimático: ion metálico no proteico
• Coenzima: molécula orgánica derivada de vitaminas
Glicoproteínas
Ocurre cuando la porción de carbohidratos se une a proteínas covalentemente a partir de=
- Residuos de Serinay Treonina = O-glicosilación (o también OH-lisina e OH-prolina, si
hubiera)
- Asparagina = N-glicosilación ⇒ Se reconoce una secuencia potencial dada por
aaX-Asn-aaZ-Thr. Las proteínas N-glicosiladas son de exportación, o bien están en la
cara extracelular de la MP, actuando como proteína de reconocimiento en la comunicación
- La glicosilación es esencial para el funcionamiento de un tercio de las proteínas
sintetizadas en el ribosoma
- Son 9 los monosacáridos más frecuentes en glicoproteínas=
➢ Fucosa
➢ Glucosa y acetilglucosamina
➢ Galactosa y acetilgalactosamina
➢ Manosa
➢ Ácido N-acetil Murámico
➢ Xilosa
➢ Arabinosa
PROTEÍNAS DESESTRUCTURADAS
Son proteínas que no tienen en su totalidad o parcialmente una estructura definida. Ej.: en el
GHR, se vio que el dominio citoplasmático está poco caracterizado porque no tiene estructura
definida.
ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA TERCIARIA: MÉTODOS
Cristalografía de rayos X
- Permite determinar el arreglo de los átomos en un cristal, en donde un rayo impacta en él y
dispersa la luz en múltiples direcciones
- A partir de los ángulos y las intensidades de los rayos dispersados, se puede generar una
imagen tridimensional de la densidad electrónica en el cristal
- A partir de la densidad electrónica, se determinan las posiciones medias de los átomos en
el cristal, como también sus enlaces químicos y su desorden
Fluorescencia intrínseca de proteínas (FIP) ⇒ Para Phe, Trp y Tyr
● Estos aminoácidos son relativamente poco frecuentes en
las proteínas, lo cual resulta una ventaja, ya que sería muy
complicado analizar los datos provenientes de muchos
residuos.
● El Trp tiene mayor longitud de onda de emisión y mayor
vida media de emisión. Una característica relevante de la
FIP es la alta sensibilidad del triptofano al entorno local. El
Trp cambia su espectro de emisión en respuesta a
cambios de conformación, asociación de subunidades,
unión de sustrato o desnaturalización. Estos cambios
pueden afectar el entorno local que rodea al anillo
indólico
Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
Su base está dada en el hecho de que todos los núcleos que contengan número de protones y/o
neutrones impar tienen un momento magnético intrínseco y un momento angular (spin > 0),
siendo los más habitualmente determinados 1H, 13C y 15N.
A partir de esto, se construyen espectros que permiten, en conjunto a otros análisis químicos,
llegar a una estructura proteica evaluando su unión y conformación.
Criomicroscopía electrónica (3D)
Una proteína en solución se enfría rápidamente de modo que las moléculas de agua no puedan
cristalizar, formando un sólido amorfo que no dañe la estructura de la muestra. Luego, se recogen
varias imágenes en 2D, que permiten reconstruir la estructura 3D.