Tema 2.2 Estructura de las Proteínas PDF

TEMA 2.2 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS 1. Introducción El ADN codifica la secuencia de aminoácidos que constituyen una proteína, la cual puede tener: Estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos Estructura secundaria: es la estructura tridimensional más simple Estructura terciaria: es una estru...

TEMA 2.2 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS 1. Introducción El ADN codifica la secuencia de aminoácidos que constituyen una proteína, la cual puede tener: Estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos Estructura secundaria: es la estructura tridimensional más simple Estructura terciaria: es una estructura tridimensional con funciones bioquímicas específicas, y es el nivel estructural más alto que puede alcanzar un polipéptido individual. Estructura cuaternaria: son las proteínas formadas por más de un polipéptido, necesitan formar complejos proteínicos de más de una proteína. La estructura tridimensional final de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos. Según los niveles de organización de las proteínas, estas se clasifican en: Globulares: tienen forma esférica, diferentes estructuras secundarias y son solubles en agua. Fibrosas: tienen forma de largas hebras, una estructura secundaria y son insolubles en agua. Además, estas proteínas suelen formar parte del tejido conjuntivo. 2. Estructura primaria: El enlace peptídico El enlace peptídico se forma tras la biosíntesis de las proteínas en los ribosomas mediante una reacción de condensación. Se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, tras liberarse una molécula de agua (enlaces amida). Se denomina cadena polipeptídica al conjunto de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos, y residuo a cada unidad de la proteína. El peso molecular de un aminoácido es de 110 g/mol. La cadena polipeptídica tiene direccionalidad porque sus extremos son distintos: Grupo α-amino: Inicio de la cadena (N-terminal) Grupo α-carboxilo: Final de la cadena (C-terminal) La secuencia de aminoácidos de una cadena proteica se escribe empezando por el residuo amino-terminal (N-terminal), que sería el primer aminoácido. La cadena polipeptídica está formada por: Cadena principal o esqueleto carbonado, se repite regularmente. Posee un elevado potencial para la formación de puentes de hidrógeno, está formado por carbono e hidrógeno y se representa de color negro. Parte variable, está formada por las cadenas laterales y se representa de color verde. Las proteínas son cadenas polipeptídicas naturales que contienen entre 50 y 2000 residuos. Una de las proteínas más grandes es la titina, está formada por casi 27.000 aminoácidos y forma parte de los músculos. La masa de una proteína se mide en Dalton, una masa prácticamente igual a un átomo de H. Los péptidos u oligopéptidos son cadenas polipeptídicas naturales que contienen pocos residuos. Frederick Sanger describió que cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos única, especificada en los genes. Es importante conocer las secuencias de aminoácidos de una proteína, ya que: Determinan las estructuras tridimensionales de las proteínas Mecanismo de acción: enzimas fosforilan proteínas, quinasas con mismas frecuencias de aminoácidos. Las alteraciones en la secuencia de aminoácidos pueden provocar un funcionamiento anómalo y dar lugar a enfermedades: patología molecular Aspectos de su historial evolutivo: la Paleontología molecular 2.1. Características estructurales del enlace peptídico El enlace peptídico es prácticamente plano y posee un marcado carácter de doble enlace gracias a las estructuras resonantes, impide la rotación en torno a este enlace e impone restricciones a la conformación del esqueleto peptídico (es rígido), a veces aparece como simple y otras veces como doble. Además, el enlace peptídico no está cargado, lo que le permite formar estructuras globulares. Si tuviese carga no podrían formarse porque se repelerían entre ellas. El enlace peptídico puede adoptar dos configuraciones: Trans: Los dos átomos de α−carbono se encuentran en los lados opuestos del enlace peptídico. Cis: Los dos átomos de α−carbono se encuentran del mismo lado del enlace. Las proteínas son de tipo trans. Los enlaces entre el grupo amino y el átomo de carbono alfa, y entre el átomo de carbono alfa y el grupo carbonilo son enlaces sencillos puros, esto significa que pueden rotar, y esto permite a las proteínas plegarse de formas distintas. 3. Estructura secundaria de las proteínas L. Paulin y R. Corey descubrieron que las cadenas polipeptídicas tienen la capacidad de plegarse formando dos tipos de estructuras periódicas (secundarias) denominadas -hélice y lámina plegada o lámina-. Mas adelante se descubren los ciclos y bucles que son secundarias también, se unen mediante puentes de hidrogeno. 3.1 La hélice-α La -hélice es una estructura con forma de cilindro que presenta un esqueleto fuertemente enrollado. Las cadenas laterales se orientan hacia fuera, adoptando una disposición helicoidal. La alfa hélice se estabiliza mediante puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO de la cadena principal. El grupo CO de cada aa forma un puente de hidrógeno con el grupo NH del aa que está situado cuatro residuos más allá en la secuencia (más adelante). Todos los grupos CO y NH de la cadena principal están formando puentes de hidrógeno, y pertenecen a aa que se encuentran cerca el uno del otro. El sentido de giro de una hélice puede ser dextrógiro o levógiro, pero prácticamente todas las hélices α que se encuentran en las proteínas son dextrógiras. 3.2 Lámina La lámina se compone de dos o más cadenas polipeptídicas denominadas hebras beta y se encuentra casi totalmente extendida (trocitos de cadena o hebra de la misma proteína). Se forma mediante la unión a través de puentes de hidrógeno de dos o más hebras beta situadas cerca una de otra. Las cadenas adyacentes pueden estar orientadas en sentidos opuestos (hoja β antiparalela, A), en la misma dirección (hoja β paralela, B) o mixta. En las hebras que son antiparalelas (opuestas) se van a formar enlaces de hidrógenos entre un aminoácido de cada cadena (dos), mientras que en las paralelas están implicadas más de dos aminoácidos. Las hojas beta pueden estar formadas por secciones de un polipéptido que no se encuentran cerca una de la otra. Representación esquemática: se dibujan como flechas anchas que apuntan en la dirección del extremo carboxilo terminal para indicar el tipo de hoja beta que están formando (paralela o antiparalela). Las hojas betas pueden ser casi planas, pero la mayoría adoptan una forma algo retorcida. La c-terminal (la punta de la flecha), mientras que la otra parte es la N-terminal. 3.3 Giros y bucles Se denominan giros y bucles a las estructuras de conexión entre diferentes elementos de estructura secundaria. Los giros están formados por cuatro residuos que se disponen de tal forma que permiten que se produzca un cambio de dirección de la cadena polipeptídica de 180º. La estructura se estabiliza por la presencia de un enlace de hidrógeno entre el grupo -C=O del primer aa y el grupo amino del cuarto. Participan en la formación de sitios de unión de ligandos y se localizan sobre la superficie de las proteínas. Interaccionan con otras proteínas y con el entorno. Los bucles son nexos de unión entre estructuras de aminoácidos (alfa-hélice y lamina- beta) y no provocan un giro; mientras que los giros obligan a rotar 180 grados a la proteína. 3.4 Las proteínas fibrosas Las proteínas fibrosas forman largas fibras que desempeñan un papel estructural. Están constituidas por una estructura tridimensional y, en general, poseen grandes tramos de estructura secundaria. Las más destacadas son la α-queratina y el colágeno. 3.4.1. α-queratina La α-queratina es un componente principal de la lana, pelo, plumas, cuernos… Forma parte de una súper familia de proteínas denominada proteínas con helicoides enrollados: está formada por dos hélices alfa dextrógiras entrelazadas, mediante uniones débiles, que forman una especie de súper hélice levógira. Algunas proteínas tienen enlaces fuertes mediante enlaces disulfuro, pero no es lo común. 3.4.2. Colágeno El colágeno es el principal componente fibroso de la piel, huesos, tendones, cartílagos y dientes. Contiene tres cadenas polipeptídicas helicoidales, con una longitud de 1000 residuos, y también se van a enrollar unas con otras. La glicina aparece cada tres posiciones y la secuencia glicina-prolina-prolina aparece de forma recurrente. Las hélices se estabilizan mediante repulsiones estéricas entre los anillos de pirrolidina de los residuos de prolina. (No son alfa hélices porque no la mantienen puentes de hidrógenos) Las tres hebras se enrollan entre sí para formar un cable súper helicoidal que se estabiliza mediante puentes de hidrógeno entre las hebras. El interior del cable helicoidal formado por tres hebras del cable tiene un alto grado de ocupación y eso explica por qué en cada hebra tiene que haber una glicina cada tres posiciones: el único residuo que puede encajar en una ubicación interior es la glicina. Las tres hebras de colágeno están unidas por enlaces de hidrogeno. Los residuos de aminoácidos que están a cada lado de la glicina se localizan en el exterior del cable, donde encuentran sitio para los voluminosos anillos de los residuos de prolina. Los defectos en la estructura del colágeno dan lugar a estados patológicos, como: Osteogénesis imperfecta o enfermedad de los huesos de cristal. La causa un colageno mal estructurado. Se caracteriza por una fragilidad ósea extrema y por la presencia de una tonalidad azul en la parte blanca de los ojos. Tiene lugar como consecuencia de: La glicina es sustituida por otros aminoácidos Retrasos y defectos en el plegamiento del colágeno Acumulación de colágeno defectuoso provoca la muerte celular Escorbuto. Se produce por la falta de vitamina C y se caracteriza por encías sangrantes, pérdida de dentadura y las infecciones periodontales. El colágeno de las encías se recambia con rapidez. La vitamina C es necesaria para la actividad continuada de la prolihidroxilasa, que sintetiza hidroxiprolina, un componente habitual del colágeno, que en la secuencia glicina-prolina-prolina aparece en la posición de la segunda prolina. Es un aminoácido modificado después de la producción de esa cadena (hidroxiprolina). 4. Estructura terciaria de las proteínas La estructura terciaria es la disposición tridimensional global de todos los elementos que constituyen las proteínas. Proporciona una ventaja energética y es esencial para la función. Las proteínas globulares presentan una estructura tridimensional compacta y son solubles en agua. Llevan a cabo la mayor parte de las transacciones químicas. 4.1 La mioglobina La mioglobina ilustra los principios de la estructura terciaria. Está constituida por una única cadena polipeptídica de 153 aa, se localiza en el músculo cardiaco y esquelético y facilita la difusión de oxígeno desde la sangre hasta las mitocondrias (porque es el aceptor de electrones). Es una molécula muy compacta: el 70% de la cadena principal se encuentra plegada en forma de ocho hélices y gran parte del resto de la cadena se encuentra formando giros y bucles entre las hélices. La mioglobina es asimétrica debido al plegamiento complejo de su cadena principal: el interior está formado por residuos polares y el exterior por residuos no polares. También tiene dos residuos de histidina, que desempeñan un papel crucial en la unión del hierro del grupo hemoaloxígeno. (Amarillo hidrofóbico, azul cargadas y blancas apolares). En un medio acuoso, el plegamiento de las proteínas está dirigido por el efecto hidrofóbico: La cadena polipeptídica se pliega de tal manera que sus cadenas laterales hidrofóbicas se recluyen en el interior y sus cadenas polares, cargadas, se disponen sobre la superficie. La única forma de introducir un segmento de la cadena principal en un entorno hidrofóbico consiste en emparejar todos los grupos NH y CO mediante puentes de hidrógeno. Se consigue en caso de una hélice alfa o de una hoja beta. Las interacciones de van der Waals entre cadenas laterales hidrocarbonadas densamente empaquetadas también contribuyen a la estabilidad de las proteínas. Proteínas que atraviesan membranas biológicas: presentan una distribución inversa de los aminoácidoshidrofóbicos e hidrofílicos. Las membranas están formadas mayoritariamente por las cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas de los lípidos. Son proteínas que presentan en el exterior aminoácidos hidrofóbicos. El agua atraviesa la membrana mediante las acoporinas. 4.2. Motivos y dominios estructurales Los motivos o estructuras supersecundarias son combinaciones de varios elementos con estructura secundaria definida con una disposición geométrica característica, dentro de la proteína hay partes pequeñas que son los motivos con funciones determinadas en la celula. Desempeñan funciones biológicas específicas y forman parte de otras unidades estructurales y funcionales. Los dominios estructurales son una combinación de varios motivos. También se definen como la parte de la cadena que se puede plegar de forma independiente, formando una estructura terciaria estable, y son unidades estructurales que suelen ser también unidades de función. Estructuralmente, estos dominios están formados por diferentes combinaciones de elementos con una estructura secundaria concreta (alfa hélice, láminas beta, etc) o de diferentes motivos. Por ejemplo: los receptores de membrana. 5. Estructura cuaternaria de las proteínas Las proteínas con estructura cuaternaria son aquellas formadas por más de una cadena polipeptídica. Se llama subunidad a cada cadena polipeptídica y pueden ser homo (si son idénticas las subunidades) o hetero. La estructura cuaternaria hace referencia a la disposición de las subunidades y a la naturaleza de sus interacciones. Las interacciones que se establecen entre las subunidades son interacciones débiles y puentes disulfuro. Un ejemplo sería la hemoglobina, un tetrámero α2β2.