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Estructura secundariade las proteínas

Niveles de estructuración en lasproteínas

Se refiere a cualquier segmento de una cadena polipeptídica ydescribe el arreglo espacial local de los átomos de la cadenaprincipal sin tomar en cuenta la conformación de su cadenalateral o su interrelación con otros segmentos.

Hélices αConformaciones βGiros β

Los puentes de hidrógeno son laprincipal fuerza estabilizadora deesta estructura.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

HéliceaLa cadena se enrolla en espiral sobre sí misma. Esta estructura se mantienegracias a los enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo –NH de un enlace peptídico (n) y el grupo –C=O del cuarto aminoácido quele sigue (n+4).

Tendencia de los aminoácidos a formar hélices a

A mayor DDG0 (relativo a la alanina) es menos propenso aformar hélicesa

Factores que desestabilizan las hélices a

Los aminoácidos disruptores de la hélice αdesestabilizan la estructura helicoidal, como laprolina cuyo –N de su enlace peptídico no tieneningún –H para formar un puente de hidrógeno.

Restricciones en la hélice-α

• Presencia de Pro y/o Gli:– Pro: El átomo de N, es parte de un anillo rígido, lo

que no permite la rotación del Cα-N; además deque el mismo N no tiene H para participar en lospuentes de H con otros residuos.

– Gli: Tiene mayor flexibilidad conformacional queotros residuos. Los polímeros de Gli tienden aformar estructuras enroscadas muy diferentes a lahélice-α.

Conformacionesb

Hojas plisadas b:el esqueleto de la cadena polipeptídica seextiende en forma de zig-zag.Las cadenas de los polipéptidos adyacentes pueden serparalelas o antiparalelas.

GirosbGiros b:Muy abundantes en las proteínas globulares, las cualestienen una estructura plegada de forma compacta.

Los giros b conectan las terminaciones de dos segmentosadyacentes de una láminabantiparalela.

La estructura es un giro de 180o que involucra cuatro residuosde aminoácidos.

Los aminoácidos Gli y Pro, son los que frecuentemente formanlos giros b, debido a su tamaño pequeño (Gli) y a suflexibilidad (Pro).

Girosb

Ejercicio 1. Estructura alfa-hélice

¿Cuál de los siguientes péptidos es másprobable que adopte una estructura de alfa-hélice? ¿Por qué?• L K A E N D E A A R A M S E A.• Leu-Lis-Ala-Glu-Ans-Asp-Glu-Ala-Ala-Arg-Ala-Met-Ser-Glu-Ala

• C R A G G F P W D Q P G T S N.• Cis-Arg-Ala-Gli-Gli-Phe-Pro-Trp-Asp-Gln-Pro-Gli-Thr-Ser-Asn

Ejercicio 2. Secuencia de aminoácidos (estructuraprimaria) de una proteína• Nuestra creciente comprensión de los pliegues de las proteínas

permite a los investigadores realizar predicciones sobre laestructura de las proteínas tomando en cuenta los datos de suestructura primaria (secuencia de aminoácidos).

a) ¿En que residuos de estas secuencia de aminoácidos puedenpresentarse los giros β?

b) ¿Qué residuos podrían participar en la formación de los enlacesdisulfuro intracadena?

Son moléculas muy alargadas.

Las estructuras secundarias son los motivospredominantes.

Sus funciones son fundamentalmente estructurales omotrices.

Son resistentes e insolubles.

Ejemplos: colágeno, queratina, fibroína de la seda…

Proteínas fibrosas

a-keratina

• Está formada por dos cadenas de hélice-α quevan girando a la derecha, orientadas enparalelo y envueltas entre ellas mismas,formando una espiral superenrollada lo que leconfiere una mayor fuerza.

• La estructura superenrollada gira hacia la izq.• La α-keratina está enriquecida en residuos de

Ala, Val, Ile, Met, Phe.

Proteínas fibrosasSus cadenas polipeptídicas están organizadas en hebras oláminas largas. Ej. α-queratina, colágeno.

El colágeno como proteína fibrosaSe encuentra en tejido conectivo (tendones, cartílago, matriz orgánica de loshuesos y córnea).

Red fibrosa de tropocolágeno (unidad estructural).

Formada por tres cadenas que se unen entre sí por puentes de hidrógeno.

Abundante en glicina e hidroxiprolina (Gli-X-Y). X=Pro, Y=4OHPro).

Forma una hélice triple que solo se rompe en los extremos.

El colágeno es un componenteabundante en piel, tendones, sistemavascular y otros materiales dedesecho, de donde se puede obtenerla gelatina comercial, que es unproducto de degradación parcial delcolágeno, extraída por calentamientotras un tratamiento en medio ácido oalcalino.

Colágeno

• Su PM es 300,000 y tiene forma de varilla, de3,000 Å de largo y 15 Å de ancho.

• Su estructura secundaria gira a la izquierda(left-handed).

• Cuenta con tres cadenas-α superenrolladasentre ellas mismas que cuentan con aprox.1,000 residuos de a.a (cadenas-α ≠ hélices-α).

• Su estructura superenrollada va girando haciala derecha.

Colágeno

• El contenido usual de aminoácidos en elcolágeno es una tripéptido que se repite:– Gli-X-Y, donde– “X” es frecuentemente Pro y– “Y” 4-OH-Pro

• Y su contenido es comúnmente: 35% Gli, 11%Ala, 21% Pro y 4-OHPro.

Colágeno

• Las fibrillas de colágeno están formadas demoléculas de colágeno alineadas yentrecruzadas, lo que le permite formarestrías cruzadas y que a su vez le confiere granfuerza.

Ejercicio 3. Acción patógena de la bacteriaque causa gangrena gaseosa.• La bacteria anaerobia Clostridium perfringens es altamente

patógena y es responsable de gangrena gaseosa, unacondición en la cual la estructura del tejido animal sedestruye. Esta bacteria secreta una enzima que cataliza lahidrólisis del enlace peptídico indicado en rojo

en donde X y Y son cualquiera de los 20 aminoácidos.¿Cómo contribuye la secreción de esta enzima a lainvasividad de esta bacteria al tejido humano? ¿Por quéesta enzima no afecta a la bacteria?

Estructura terciaria de las proteínasEstructura terciaria: Es el arreglo tridimensionalde todos los átomos de una proteína. Losaminoácidos polares se sitúan en el exterior ylos apolares se internalizan.

La estabilizan:Puentes de HPuentes disulfuroInteracciones de Van der WaalsEfecto hidrofóbico

Estructura terciaria de la mioglobina

Proteínas globularesLas cadenas polipeptídicas se pliegan de forma esféricao globular. Mioglobina

Caractersísticas de las proteínasglobularesForma mas o menos esférica.

Ricas en estructuras secundarias.

Múltiples funciones.

Son solubles, flexibles y dinámicas.

Ejemplo: hemoglobina, anticuerpos, enzimas…

La funcionalidad de las proteínas globulares dependede sus propiedades dinámicas

FlexibilidadNo son estructuras rígidas.

Su flexibilidad depende de un gran número de interacciones débiles.

Cambios conformacionalesSon pequeñas variaciones de su estructura terciaria.

Sirven para regular su actividad.

InteraccionesUnión reversible de ligandos.

Interacciones reversibles proteína-proteína.

Se llevan a cabo mediante enlaces débiles.

Ejemplos de proteínas globulares:mioglobina y hemoglobina

Mioglobina

Hemoproteína monomérica.

Función: Almacenamiento de O2 en el músculo.

Hemoglobina

Hemoproteína tetramérica: cada cadena es muysimilar a la mioglobina.

Función: transporte de oxígeno y CO2 entre lospulmones y los tejidos.

Estructura cuaternaria de las proteínas

Estructura cuaternaria: Es la disposición espacial de las distintascadenas polipeptídicas de una proteína multimérica.

Proteínas oligoméricas: se componen de más de una cadenapolipeptídica, ejemplo, la hemoglobina.

Proteínas monoméricas: compuestas de una sola cadenapolipeptídica, ejemplo, la mioglobina.

Estructura de lahemoglobina

Estructura cuaternaria de las proteínas

Los monómeros se asocian entre sí mediante interacciones nocovalentes:Puentes de hidrógenoInteracciones hidrofóbicas

También pueden existir interacciones covalentes entre lasdiferentes cadenas polipeptídicas: Puentes disulfuro.

Son homodímeros cuando los monómeros que constituyen a lasproteínas son iguales.

Son heterodímeros cuando los monómeros son diferentes.

Dimensiones aproximadas de la albúmina sérica bovina (PM 64,500 y 585residuos de aa) en una sola cadena polpéptidica si todos los residuos

adoptaran las siguientes conformaciones.

Plegamiento ydesnaturalización de las

proteínas

El plegamiento de una proteína es el proceso por el que unaproteína alcanza su estructura tridimensional. Su funciónbiológica depende de su correcto plegamiento

Estructura primaria Estructura terciaria

El plegamiento de una proteína es la transiciónreversible entre dos estados: El estado N (nativo) y D(desnaturalizado).

El estado nativo es la forma funcional de una proteína

El estado desnaturalizado se define como el resultantedel deterioro cooperativo y generalizado de laestructura nativa, sin cambios en los enlaces covalentes(a excepción de los puentes disulfuro).

Estado nativoEstado desnaturalizado

Durante la desnaturalización tiene lugar la solvatacióngeneralizada de la mayor parte de la molécula,mientras que durante el plegamiento, algunasinteracciones disolvente-proteína son reemplazadaspor interacciones intramoleculares.

Durante el plegamiento hay una disminución en laentropía configuracional (S) (medida del desorden) dela cadena polipeptídica.

Sconfiguracional nativa < Sconfiguracional desnaturalizada

DSconfiguracional < 0

En condiciones fisiológicas, el plegamiento es unareacción espontánea.

Gnativa< Gdesnaturalizada

DG < 0

Una proteína pequeña como la RNAsa A,que tiene 124 residuos de aminoácidostiene 1050 conformaciones posibles. Si lamolécula pudiese probar unaconfiguración cada 10-13 segundos, seríannecesarios 1030 años para probarlas todas.Sin embargo, se ha comprobado in vitroque la RNAsa se pliega enaproximadamente 1 minuto!!!

Agentes desnaturalizantes

Son aquellos que provocan la pérdida de laestructura nativa de una proteína

Agentes físicos: temperatura.

Agentes químicos: detergentes y agentescaotrópicos.

Cambios en el pH.

Efecto de la temperatura sobre la estructurade las proteínas

Aumento de la energía cinética de las moléculas.

Desorganización de la envoltura acuosa de las proteínas.

Asimismo, el aumento de la temperatura destruye lasinteracciones débiles y desorganiza la estructura de laproteína, de forma que el interior hidrófobo interaccionacon el medio acuoso y se produce la agregación yprecipitación de la proteína desnaturalizada.

Agentes químicos: detergentes y agentescaotrópicos

Los detergentes y los agentes caotrópicos(promotores del caos) originan la desnaturalizaciónde la proteína bajo condiciones menos agresivas, yaque estas sustancias:

No rompen los enlaces covalentes.

Desorganizan la estructura secundaria, terciaria ycuaternaria, pero…

No desorganizan la estructura primaria.

Los agentes caotrópicos como las salesde guanidinio y la urea permiten que lasmoléculas de agua penetren en lasproteínas, desorganizando así lasinteracciones hidrofóbicas que estabilizan laconformación nativa.

Efecto del pH sobre la estructura de lasproteínas.

Los H+ y los OH- del agua provocan efectosparecidos, pero además de afectar a la envolturaacuosa de las proteínas también afectan a la cargaeléctrica de los grupos ácidos y básicos de lascadenas laterales de los aminoácidos. Estaalteración de la carga superficial de las proteínaselimina las interacciones electrostáticas queestabilizan la estructura terciaria y a menudoprovoca su precipitación.

Termodinámica del plegado proteico

El número de conformaciones que una cadena polipeptídica puedeadoptar es astronómico, por lo que la adquisición de la estructura nativapor un mecanismo al azar tomaría un tiempo mayor que la edad deluniverso. A pesar de esto, las proteínas se pliegan en segundos. Estaobservación conocida como la “paradoja de Levinthal” sugiere queexisten rutas de plegamiento preferenciales que son termodinámicamentefavorables.

Restricciones en la hélice-a

• Otro factor que afecta la estabilidad de unahélice-α, es la identidad de los residuos deaminoácidos:– Regularmente, al final de la hélice-α, se

encuentran aminoácidos cargados negativamente,los cuales estabilizan la carga neta positiva de lahélice-α (debida a los puentes de H).

– Por lo que aminoácidos finales, cargadospositivamente desestabilizan la hélice-α.