Proteínas: órdenes de estructura superiores

Capítulo 5, Harper, 28 ediciónVersión 2011

Importancia biomédica• La forma sigue a la función. La función de las proteínas está relacionada

con su estructura tridimensional. De los enlaces intramoleculares depende la estructura tridimensional de la proteína.

• Iónicas o electrostáticas.• Puentes de hidrógeno entre aminoácidos polares.• Interacciones hidrofóbicas : los grupos apolares se agrupan ya que el agua

tiende a excluirlos.• Fuerzas de Van der Waals : atracción mutua entre átomos muy cercanos.• Puentes disulfuro: unión covalente entre grupos -SH de dos Cisteínas.

• Las deficiencias genéticas obstaculizan la maduración de proteínas como la enfermedad de Creutzfeld-Jacob, encefalopatía espongiforme bovina y escorbuto.

Conformación y configuración de las proteínas• Configuración es la relación geométrica entre un grupo dado

de átomos (D aminoácidos y L aminoácidos).

• Conformación de una proteína: Relación espacial de cada átomo de una molécula. Es la forma tridimensional característica de una proteína en su estado nativo. La maduración ocurre con las modificaciones postraduccionales.

• La conformación tridimensional es la que confiere a cada proteína su actividad biológica exclusiva. Esta conformación, por su parte, depende de la secuencia específica de aminoácidos de sus cadenas polipeptídicas.

Clasificación de las proteínas

• Simples (queratina colágena) y conjugadas • Fibrosas o extendidas (colágena) y globulares o compactas

(hemoglobina y mioglobina)

• Proteínas conjugadas: Son proteínas unidas a un componente no protéico

Proteína + ión metálico = metaloproteínaProteína + nucleótido = nucleoproteínaProteína + glucosa = glucoproteínaProteína + pigmento = cromoproteínaProteína + lípido = lipoproteína

Los cuatro órdenes de la estructura de la estructura de proteínas

• Las proteínas se construyen usando principios modulares: aminoácidos-enlaces pepiticos, plegado y maduración.

• Estructura primaria: la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica.

• Estructura secundaria: el plegado de segmentos de polipétidos cortos (3 a 30 residuos de aa) y contiguos hacia unidades de manera geométrica.

• Estructura terciaria: es el montaje de unidades estructurales hacia unidades funcionales de mayor tamaño (dominios).

• Estructura cuaternaria: el número y los tipos de unidades polipetídicas de proteínas oligoméricas y su distribución espacial.

Estructura primaria• Es la más simple estructuración de proteínas. Corresponde a

una cadena lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Pueden contener puentes disulfuro.

• Se ha determinado que al primer resíduo de los aminoácidos se le denomina amino terminal y al último se le denomina carboxilo terminal.

ESTRUCTURA SECUNDARIA• Está construida a base de la secuencia de la cadena primaria

• Formación en plegamiento Hélice alfa y lamina plegada beta. • Las cadenas se estabilizan por enlaces de H entre grupos

carbonilo y N – H del esqueleto polipeptidico.

HELICE ALFA• Es una forma compacta de las proteínas

• Estructura rigida en forma de varilla formada cuando una cadena polipeptidica se retuerce.

• Es necesario que exista un grupo N – H para formar los enlaces de hidrógeno intracadena que son cruciales en la estructura de helice alfa.

• En muchas hélices alfa predominan grupos hidrofóbicos en un lado del eje de la hélice e hidrofílicos en el otro (hélices anfipáticas.

• En los diagramas esquemáticos se representan como bucles.

La hélice alfa• La hélice alfa termodinámicamente es más estable como está

configurada por sus puentes de hidrógeno.• El esqueleto polipetídico está torcido por una cantidad igual

alrededor de cada carbono alfa con un ángulo fi de aproximadamente -57° y un ángulo psi de alrededor de -47° .

• La prolina no puede formar puente de H, por lo que sólo puede estar en el primer giro.

• La capacidad anfipática forma un poro que permite que moléculas polares pasen a través de membranas celulares hidrofóbicas.

el ángulo phi (f) es la rotación en torno al enlace Ca-N ( -57º)el ángulo psi (y) es la rotación en torno al enlace C-Ca (-47º)

Cada vuelta de helice existen 3.6 residuos de aminoacidos

54nm

LAMINA PLEGADA BETA• Formadas cuando se alinean de lado 2 o más segmentos de

cadenas polipeptidicas en zigzag y los grupos R apuntan en direcciones opuestas. Se estabilizan por los puentes de hidrógeno.

• No es tan compacta como las hélices alfa.

• 2 TIPOS :• Paralelas: cadenas polipeptidicas en la misma dirección.• Antiparalelas: cadenas en dirección contraria, mas estables

debido a que el enlace de H esta colineal.

• En los diagramas esquemáticos se representa como flechas que apuntan en la dirección amino hacia el carboxilo terminal.

Enlace de H en linea

Asas y flexiones• Una proteína puede tener hélices alfa y láminas beta y otros

segmentos cortos de AA con características conformacionales extentidas con giros y flexiones.

• Unen estructuras secundarias en áreas adyacentes, incluso para dar vuelta en 180º .

• La prolina y la glicina están presentes en giros beta.

• Las asas son regiones que contienen residuos con conformación irregular que desempeñan funciones clave en la catálisis, unión a DNA, sitios fácilmente accesible o epítopos para reconocimiento y unión a anticuerpos.

Colágena• Es un ejemplo de lámina beta. Es la proteína más abundante

del cuerpo.

• Existen varias clases de colágenas y son el principal componente del tejido conectivo tales como el cartílago, tendones, matriz del hueso, de la córnea del ojo.

• Contienen 35% Glicina, 11% Alanina, y 21% Prolina e hidroxiprolina.

Estructura terciaria

Estructuras terciarias• Están formadas por estructuras secundarias y primarias.

Presentan un arreglo tridimensional en forma globular interactuando uniones de tipo de atracción electrostática, puentes de hidrógeno, interacción de cadenas no polares, puentes salinos, fuerzas de Van der Waals y puentes disulfuro e interacciones hidrofóbicas.

• Forman dominios (subunidades). Un dominio es una sección de estructura proteínica que desempeña una tarea química o física particular como la unión de un sustrato u otro ligando.

• Se conocen proteínas de uno, dos, tres, cuatro o más dominios. Otros dominios tienen otras funciones.

Múltiples factores estabilizan las estructuras terciaria y cuaternaria

Estructura cuaternaria

Estructuras cuaternarias• Están formadas por estructuras terciarias, secundarias y

primarias. Son agrupamientos de varias cadenas polipetídicas en dominios.

• Se clasifican en monoméricas, diméricas, triméricas o multiméricas.

• La hemoglobina es una proteína tetramérica.

Analogía del teléfono y los niveles de estructuración

La estructura tridimensional se determina mediante cristalografía con rayos X o por medio de espectroscopía con

NMR• Con la cristalografía bajo condiciones óptimas de pH,

temperatura y sales, se cristalizan las proteínas a identificar, se congelan y se irradian con rayos X monocromáticos.

• Entre mayor pureza tiene la proteína, puede fácilmente cristalizarse y conservarse en polietilen glicol. La imagen se registra en una placa fotográfica.

Espectroscopía por resonancia nuclear magnética.

• Esta herramienta analítica se usa para detectar y diferenciar entre los núcleos de los átomos de una molécula. Se puede usar para realizar análisis químicos específicos o para determinar la estructura de especies orgánicas e inorgánicas. Es un método instrumental altamente especializado que cada vez tiene más aplicaciones.

• Mide la absorbancia de energía electromagnética de radiofrecuencia por ciertos núcleos atómicos (H1, C13, N15 y P31).

PLEGADO DE PROTEÍNASLa urea y cloruro de guanidina causan desnaturalización y pérdida de la estructura terciaria.

Por ejemplo, 8 mol/L urea. Estos reactivos son llamados agentes desnaturalizantes.

La conformación natural de una proteina es favorecida desde el punto de vista termodinámica.

El plegado es modular.

Proteínas auxiliares ayudan al plegado. Las proteínas Chaperón participan en el plegado de más de la mitad de las proteínas de mamíferos.

En las proteínas disulfuro isomerasa, los enlaces disulfuro entre polipétidos, estabilizan las estructuras terciaria y cuaternaria.La coniguración cis es en particular frecuente en giros beta.

El plegado es un plegado dinámico, lo hacen miles de veces, el desdoblamiento no es aleatorio y al hacerlo retienen contactos y regiones que facilitan el replegado.

Perturbación de la conformación de la proteína puede tener consecuencias patológicas

• Las encefalopatías espongiformes transmisibles, o enfermedades por prión, son enfermedades neurodegenerativas mortales caracterizadas por cambios espongiformes, gliomas astrocitos y pérdida neuronal originada por el depósito de agregados proteínicos insolubles en células neuronales.

• Ejemplos la enfermedad de Creutzfeld-Jacob en seres humanos y la enfermedad de las vacas locas en el ganado.

• Las enfermedades por prión pueden transmitirse mediante la proteína sola sin afección del DNA o el RNA.

Patologías afectadas por plegamiento

• Enfermedad de Alzheimer: Plegado erróneo de la proteína amiloide en beta, pasando de un estado rico en hélice alfa soluble a un estado abundante en hoja beta que se autoagrega.

• Talasemia Beta:• Son defectos genéticos que alteran la síntesis de la subunidad alfa. Un

chaperón que estabiliza a la cadena, que en ausencia se precipita la hemoglobina.

Colágena y maduración postraduccional• Muchas proteínas se sintetizan como proproteínas. La tripsina y la

quimotripsina son ejemplos típicos.

• La colágena es una proteína fibrosa de secuencias de aminoácidos repetitivos de función estructural con un alto grado de resistencia a la tracción.

• La colágena forma una triple hélice torcida a la izquierda. Se forma a partir de tres fibras de 1000 AA cada una denominadas tropocolágeno. Al madurar forma una varilla alargada.

• Se sintetiza como un precursor de menor tamaño como procolágena. Trastornos nutricionales y genéticos pueden alterar la maduración del colágeno, como cuando se presenta el escorbuto por deficiencia de vitamina C. Provoca sangrado de encías, inflamación de articulaciones, cicatrización inadecuada. Otra enfermedad es el síndrome de Ehler-Danlos