Proteínas

Marijose Artolozaga Sustacha, MSc

Proteínas:Son polímeros de aminoácidos unidos

por ENLACES PEPTÍDICOS:Grupo α-carboxilo de aá 1Grupo α-amino de aá 2Se libera agua

– CO – NH –

Extremo carbonilo (C)

Extremo amino (N)

Carbono α

- Dipéptido: 2 aá unidos por enlace peptídico- Tripéptido: 3 aminoácidos- Oligopéptido: entre 4 y 100 aá- Polipéptido: entre 100 y 10.000 aá- Proteína > 10.000 aminoácidos

Las cadenas polipeptídicas son flexiblesy forman una espiral aleatoria que toma diferentes formas dependiendo de enlaces o fuerzas entre átomos y grupos

1. Enlaces covalentes• enlace peptídico• puente disulfuro (cistina)

Fuerzas que estabilizan la estructura de las proteínas:

2. Fuerzas no covalentes• enlaces iónicos (electrostáticos)• enlaces o puentes de hidrógeno • interacciones hidrofóbicas• fuerzas de van der Waals

1. Enlaces covalentesTienen hasta 80 veces más fuerza de enlace que los enlaces no covalentes

Puente disulfuroEstabiliza la estructura tridimensional de las proteínas

Es un enlace covalente

Interacciones electrostáticasFuerzas de• repulsión – cargas del mismo signo• atracción – cargas opuestas

= enlaces iónicos o salinos

2. Fuerzas no covalentes

Los enlaces iónicosSon más fuertes en el interior de las proteínas que entre ellas

Los grupos cargados son abundantes en la superficie de las proteínas, donde están estabilizadas por el agua y no interactúan entre sí

Asp –, Glu –, Lis+, Arg+, His+

Puentes de HidrógenoH unido covalentemente a un átomo electronegativo (donador) se comparte con otro átomo electronegativo (aceptor)

•Entre N-H y O=C de los enlaces peptídicos

•Entre átomos de grupos laterales

•Con el agua

Interacciones HidrofóbicasSon las fuerzas no covalentes más importantes que hacen que un polipéptido se pliegue en su estructura funcional

Los grupos no polares no se atraen pero, cuando se juntan, el área de superficie en contacto con el agua se reduce, desplazando agua al grueso del disolvente•Aumenta la entropía•Termodinámicamente favorable

Fuerzas de van der Waals-LondonSon las fuerzas no covalentes más débiles

Pero muy importantes para la formación de la estructura de las proteínas

Depende mucho de la distancia entre los átomos

4 niveles de estructura:Estructura primaria:

Secuencia de aminoácidos

Estructura secundaria:Conformación en láminas o hélices

Estructura terciaria:Conformación espacial tridimensional

Estructura cuaternaria:Unión de subunidades

Estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de la hemoglobina

Tipos de proteínas según su forma

• Fibrosas • Colágeno• Queratina• Fibroína - seda

• Globulares (=Globulinas)• Hemoglobina• Mioglobina• Inmunoglobulinas• Muchas enzimas

E1 - E2

E1 - E2 - E3 -(E4)

Estructura primaria:

La secuencia de los aá

unidos por enlace peptídico (covalente)

Así se sintetizan las proteínas

Es lo que se codifica en el ADN

Suele incluir los puentes disulfuro

Algunas hormonas proteicas sólo tienen Estructura Primaria:• Insulina, vasopresina (hormona antidiurética), secretina y otras hormonas digestivas

La E1 de una proteína determinaSu estructuraSu mecanismo de acciónSu funciónSu relación con otras proteínas de función fisiológica similar

Ejemplos →

Ej. E1 de la Insulina

La E1 de las insulinas de distintas especies animales es casi idéntica, excepto en 4-5 posiciones de aá:

>> La E1 de una prot es esencial para su función

Ej. E1 de la Hemoglobina en la Anemia falciformeLa E1 de la hemoglobina normal y la de la que produce células falciformes se diferencia sólo en un aá: (<<mutación de una sola base del ADN)

Se cambia un Glutamato (polar) por una Valina (apolar) en la molécula de globina β.

>> La E1 de una proteína es esencial para su función

Estructura secundaria:

Es el plegamiento tridimensional local Se debe a los enlaces de H entre los NH y C=O

de enlaces peptídicos distantesLas más estables son 2:

Hélice α Hoja plegada β

Las proteínas fibrosas sólo tienen E1 y E2 (especiales)

Generalmente funciones estructurales

Pte de H entre aá de la misma molécula (cada 3 aá)

• Hélice α

Ej. Proteínas fibrosas: Miosina, queratina, colágeno

• Hélice α

Ej. Queratina del pelo, uñas, etc

ej. Colágenode tendones y ligamentos

• Hélice α - tipo cable:

Contiene mucha cantidad de: •Glicina•Prolina o Hidroxiprolina•Hidroxilisina

ej. Colágeno de tendones y ligamentos

Modificaciones:-Hidroxilaciones < vitamina C-Grupos carbonilo perpendiculares crean ptes de H muy fuertes entre cadenas

Ptes de H entre aá de dos cadenas o regiones similares distantesAlineadas en dirección paralela o antiparalela

• Hoja plegada β

Ej. Proteína fibrosa: Fibroína de la Seda

Ej. Proteína fibrosa: Fibroína de la Seda

Estructura terciaria:• Describe la posición de cada uno de sus átomos en el espacio, tridimensional

• Para las proteínas globulares

• Átomos muy separados entre sí en la estructura primaria aparecen juntos en el espacio

• Grupos laterales apolares aparecen juntos en el interior de la molécula lejos del agua

• Grupos ionizados se encuentran en el exterior

Las proteínas globulares combinan hélices α, hojas β y giros y bucles para formar su E3

Regiones compactas semiindependientesen que se pliegan frecuentemente las cadenas polipeptídicas largas

Entre 100 - 150 aá consecutivos

Núcleo apolar interno y exterior polar

Interconectados por segmentos de cadena sin estructura secundaria regular

Pueden tener una tarea o función

Dominios

Los dominios pueden presentarse globulares y separados por una hendidura

Frecuentemente en esta hendidura se encuentra el sitio funcional de la molécula (enzimas)

con grupos laterales pertenecientes a varios dominios – alejados en la secuencia

Dominios

Los dominios pueden moverse unos con respecto a otros

Ej.

Hexoquinasa cataliza la fosforilación de Glucosa por ATP:

Sitio de unión de glucosa: entre dos dominios

Cuando se une, los dominios se cierran y

la atrapan para su fosforilación

Hexoquinasa+

Glucosa libre

Hexoquinasa con Glucosa unida al centro activo

Cada dominio puede tener diferente tarea dentro de las funciones de la misma proteína

Por ejemplo:

En las enzimas alostéricas:

Los sitios alostéricos y los sitios catalíticos pueden estar en distintos dominios de la misma proteína

Estructura cuaternaria:• Algunas proteínas poseen subunidades

• Las subunidades tienen estructura tridimensional (E3)

• Estas interactúan entre sí formando una estructura funcional cuaternaria (E4)

•Ej. Interacciones entre las 4 subunidades de la Hemoglobina

La hemoglobina transporta el O2 de los pulmones a las células y el CO2 de vuelta, con ayuda del grupo Hemo

La mioglobina almacena el O2 en los músculos con ayuda del grupo Hemo; se usa en ejercicio extenuante

MioglobinaSólo E3

Cadena β de la Hemoglobina HbA1

Parte de su E3

Las estructuras globales son muy parecidas, excepto en los extremos N y C terminales

Estructura cuaternaria de la Hemoglobina:• 4 subunidades:

2 α y 2 β

• 4 grupos Hemo

Ej. Cooperatividad positiva de la Hemoglobina

• La fijación de un O2 a la primera subunidad de desoxi-hemoglobina facilita a fijación de O2 a las otras subunidades

• Y la disociación de un O2 de la Hb totalmente oxigenada facilitará la disociación de O2 de las otras subunidades

Interacciones entre subunidades, en proteínas con E4:

Interacciones entre subunidades, en proteínas con E4:

Ej. Algunas enzimas alostéricas tienen:• Subunidades alostéricas• Subunidades catalíticas

• La fijación de un activador alostérico facilita la unión del sustrato en la subunidad catalítica

• La fijación de un inhibidor alostérico dificulta la unión del sustrato en la subunidad catalítica

Conformación nativaEs la conformación tridimensional (secundaria, terciaria y cuaternaria) que adopta espontáneamente cada proteína a partir de su estructura primaria.

-en las condiciones de disolución correctas-en presencia de sus grupos prostéticos (*)

Las proteínas chaperonas aumentan la velocidad del plegamiento proteico hacia su forma nativa

Es la conformación funcional

Desnaturalización• Pérdida de la E2, E3 y/o E4 nativas

• No necesariamente se rompe la E1

• Implica pérdida de la función de la proteína

• Causas fisiológicas:

• cambio de pH• cambio de fuerza iónica• cambio de temperatura• la unión de grupos prostéticos, cofactores y

sustratos influye en estabilidad

Métodos experimentales de desnaturalización de proteínas:

• Adición de:• Base fuerte• Ácido• Disolvente orgánico• Urea• Detergentes

• Calentamiento (>60ºC)

• Congelación / descongelación

Métodos para el estudio de proteínasPara el estudio de una proteína de interés, primero es importante extraerla y purificarla: •ejemplo:

• Romper las células que la contienen• Eliminar otras moléculas: lípidos, ácidos nucleicos…• Precipitar y eliminar otras proteínas • Cromatografías para purificarla

Ya pura, se puede a veces cristalizar, para poder ver su estructura tridimensional por difracción de rayos X

Métodos para el estudio de proteínasLa caracterización de una proteína incluye datos como:

• Peso Molecular• Estructura cuaternaria (subunidades)• Estructura tridimensional• Secuencia y composición de aá• Cofactores que se le unen• Función o actividad

• pH y temperatura óptimos• Especificidad de sustrato (enzimas)

• etc

Métodos para el estudio de proteínasMétodos de determinación del Peso Molecular:

• Ultracentrifugación (Svederg)

• Centrifugación en gradiente de sacarosa• Filtración en gel = cromatografía• Microscopio electrónico (las muy grandes)

• Electroforesis en gel de poliacrilamida, PAGE:• Las moléculas cargadas se mueven entre dos electrodos

y se separan en un gel con cierta porosidad• El gel se tiñe con azul de Commassie o plata Ag+ para

visualizar las bandas

Métodos para el estudio de proteínasElectroforesis en gel de poliacrilamida, PAGE:

Las proteínas se desnaturalizan hirviéndolas con SDS y mercaptoetanol:•mercaptoetanol → se separan las subunidades•SDS → todas con carga negativa y forma similar

Proteínas se separan según su tamaño, no su carga

• Para determinar el PM de la proteína: Se compara con la separación de proteínas con PM definido

etc…

Enzima Porfobilinógeno Sintasa dePseudomonas aeruginosa

Ej. Estructura cuaternaria muy compleja

Ej. Inmunoglobulinas, anticuerpos

• Son glicoproteínas

Complejo antígeno-anticuerpo

Ej. Inmunoglobulinas

Ej. Caseína

Hidrólisis por la renina

•Aá hidrofóbicos•Micelas•Fosfato de calcio

•Hidrolizado más insoluble: precipita o “coagula”

Ej. Ovoalbúmina

•Estructura terciaria globular•Se desnaturaliza por el calor

Ej. Gelatina

Ej. Lipoproteínas

Ej. Actina y miosina