BIO-T3: Estructura tridimensional de les proteïnes PDF

BIO-T3-Estructura-tridimensional... Loimi Fonaments de Biologia Molecular i Cel·lular 1º Grado en Química Facultad de Ciencias Universidad Autónoma de Barcelona Reservados todos los derechos. No se permite la expl...

BIO-T3-Estructura-tridimensional... Loimi Fonaments de Biologia Molecular i Cel·lular 1º Grado en Química Facultad de Ciencias Universidad Autónoma de Barcelona Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes NIVELLS D’ESTRUCTURACIÓ DE LES PROTEÏNES A diferència de la majoria de polímers les proteïnes adopten conformacions 3D úniques en el medi aquós. L’estructura 3D d’una proteïna determina la seva funció. L’estat natiu es troba estabilitzat per contactes no covalents febles: - Interaccions electrostàtiques - Ponts d’hidrogen - Contactes de Van der Waals - Efecte hidrofòbic Les proteïnes tenen una longitud aproximada entre 100 i 1000 residus (aminoàcids incorporats), anomenem pèptids a les seqüències de menys de 100 residus. Estructura primària: seqüència d’aminoàcids de la proteïna Estructura secundària: ordenament en l’espai de regions locals. Conformació de la cadena principal (hèlix alfa, làmina beta, girs, desordre) Estructura terciària: ordenament en l’espai de tots els àtoms de la proteïna. Empaquetament. Estructura 3D de la proteïna. Estructura quaternària: proteïnes amb més d’una cadena polipeptídica (subunitat), ordenació en l’espai de les subunitats. La interacció entre les subunitats poden ser covalents o no covalents. No es pot unir amb un enllaç peptídics. L’enllaç peptídic Uneix aminoàcids per formar la cadena principal de la proteïna. Es tracta d’un enllaç rígid que es comporta com un dipol. L’orientació relativa de cada pla i de cada cadena lateral, i per tant de les seves propietats fisicoquímiques, té un impacte determinant en l’estructura de les proteïnes. L’enllaç peptídic i els angles de torsió Els angles de torsió o angles dièdrics (intersecció entre dos plans) són els angles de rotació en relació a un enllaç covalent. Enllaços amb rotació permesa: N-Ca (angle ϕ phi), Ca-C (angle ψ psi) Enllaços amb rotació no permesa: C-N (angle ω omega) Angle ϕ i angle ψ Els angles de torsió són els angles de rotació en relació a un enllaç covalent. Aquests dos angles estan definits per les rotacions de dues unitats rígides al voltant del mateix àtom de carboni alfa (Cα). L’angle psi és el que uneix el carboni alfa amb el grup carboxil, i l’angle phi és el que uneix el carboni alfa amb el radical. Quan l’angle psi (ψ) esta fixat a 165 graus la majoria de angles phi (ϕ) produeixen col·lisions, en canvi phi (ϕ) 60 i psi (ψ) 30, no hi ha col·lisions. En sentit horari és negatiu, i en sentit anti horari és positiu Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes 27-09-21 Angle ω, enllaç peptídic C-N L’enllaç omega no pot rotar però el podem trobar en dues posicions possibles: Trans: 180º Predominant. Encara les cadenes laterals cap a direccions oposades i evita xocs estèrics Cis: 0º més freqüent en presència de prolina. La posición trans ja té xocs estèrics i es troba menys afavorida energèticament. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Ramachandran plot Explica quines conformacions podem trobar en l’espai 3D i quines tindran xocs estèrics ESTRUCTURA SECUNDÀRIA: HÈLIX-α I LÀMINA-β L’estructura secundària fa referència a la conformació local de la cadena polipeptídica. També existeixen les regions desordenades que poden tenir una funció important en la proteïna. - Hèlix-α La cadena principal gira al voltant d’un eix intern imaginari, les cadenes lateral projecten a l’exterior. Per volta hi ha uns 3’6 residus i per residu hi ha un angle de 100 graus (amb alçada de 1’5 Armstrong). Forma una estructura compacta que no deixa passar l’aigua. L’enllaç peptídic té una orientació concreta per poder tenir un comportament de dipol. Cada aminoàcid forma un pont d’hidrogen amb el H-N de l’aminoàcid situat 4 posicions més endavant de la seqüència (entre el i i el i+4). El pas de rosca és el punt repetitiu de l’hèlix. S’estabilitza gràcies a: - Ponts d’hidrogen de la cadena principal entre N-H i C=O entre els residus n i n+4 - Interaccions de Van der Waals òptimes entre els àtoms del nucli de la hèlix - Posició de les cadenes laterals (interaccions electrostàtiques, altres…) - Pro i Gly desafavorides: la glicina és l’aminoàcid més petit i la prolina té un grup cíclic no aromàtic, per tant no ofereix un grup lateral complet per interaccionar. Residus hidrofòbics petits com Ala, afavorits en regions centrals - Identitat dels residus presents en el C i N terminal Encara que els L-aminoàcids podrien formar hèlixs α cap a l’esquerra o cap a la dreta, les hèlixs dextrògires estan més afavorides. Las descargas sin publicidad se realizan con las coins Fonaments de Biologia Molecu... Banco de apuntes de la a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes Hi ha dos tipus d’hèlix menys afavorides que trobem amb menys freqüència a les proteïnes i tenen paràmetres diferents: hèlix310 i hèlix π L’hèlix 310 té 3 residus per volta amb una elevació de 2A. L’hèlix α té 3’6 residus per volta amb una elevació de Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 1’5 A. L’hèlix π té 4’4 residus per volta amb una elevació de 1’2 A. Totes son dextrogires (giren cap a la dreta, les cadenes són de L-aminoàcids). 28-09-21 Fulla β La cadena principal està estesa, formant un zig-zag, els seus residus adjacents es troben a 3’5 A de distància, tenim el màxim de distància entre dos aminoàcids adjacents. Els seus residus s’alternen en dos plans de la fulla Per unir les cadenes hi ha ponts d’hidrogen (entre els N-H i C=O de la cadena principal). En canvi els residus laterals s’uneixen per interaccions hidrofòbiques. Si son fulles beta paral·leles els ponts d’hidrogen estan una mica desplaçats, però si son antiparal·leles estan “rectes”. Barrils β Son fulles beta amfipàtiques que formen barrils, aquests s’insereixen en la membrana i formen porus que permeten el pas de molècules. Si tenen una distància específica només deixaran passar unes certes molècules. Girs β i bucles (loops) Les proteïnes requereixen canvis de direcció en les seves cadenes polipeptídiques. Aquests es poden aconseguir amb els - Girs β: gir curt i brusc. Les prolines i glicines es troben freqüentment. Las descargas sin publicidad se realizan con las coins a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes - Loops: estructura més llarga i complexa. Poden donar una estructura específica que interacciona amb una altra molècula. Els girs es troben sovint al final d’una làmina beta i permet el gir de la cadena principal. Els loops no tenen una estructura secundària definida però tampoc son proteïnes desordenades. La majoria son funcionals, per exemple la regió d’interacció d’un anticòs per reconèixer l’antigen d’un patògen. ESTRUCTURA TERCIÀRIA: PROTEÏNES FIBROSES, GLOBULARS I DESORDENADES L’estructura terciària correspon a l’organització de tots els àtoms d’una proteïna i la conformació de la seva cadena principal. És l’estructura que dona funció específica a la molècula. Cal que estigui en l’estat natiu per tal de dur a terme la funció. - Proteïnes fibroses: formades per un únic tipus d’estructura secundària, funció estructural i insolubles. (ossos, tendons,...) - Proteïnes globulars: tenen moltes formes i funcions diferents. Son compactes i solubles. - Proteïnes intrínsecament desordenades: absència d’estructura secundària, poden tenir funcions concretes gràcies a la seva estructura. Podrà tenir un cert dinamisme. Proteïnes fibroses Tenen una forma allargada i estesa. Generalment només tenim un tipus d’estructura secundària, és a dir, es repeteix la seqüència per tal de formar la proteïna. Té un alt contingut d’aminoàcids hidrofòbics. Donen les següents propietats: duresa, estructures insolubles de duresa i flexibilitat diferents, filaments suaus i flexibles,... Queratina Dímer de dues hèlix paral·leles d’alfa queratina, aquestes dues cadenes es troben estabilitzades per interaccions hidrofòbiques. Queden enrotllades per tal de tenir propietats extensibles i força de resistència a l’estructura. La queratina és rica en Cisteïnes que formen ponts disulfur entre cadenes, estabilitzen l’estructura. Depenent del percentatge de Cys determinem la duresa de la queratina. Col·lagen És important en el teixit connectiu (pell, ossos, tendons, cartílags). És flexible i hidratada. Son cadenes amb seqüència repetitiva amb moltes glicines i prolines. La superhèlix està formada per tres cadenes superenrotllades en una triple superhèlix dextrògira. El gir és afavorit per les prolines. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes Forma estructures molt semblants a la queratina, és molt freqüent la interacció de les lisines amb grups -OH. Mutacions de Glicina (Gly) per aminoàcids més voluminosos provoquen tendons hiperlaxes: el col·lagen no pot empaquetar-se correctament. Fibroïna de la seda Proteïna fibrosa composada per apilaments de fulles beta antiparal·leles. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. - Contactes amb fulles del costat: ponts d’hidrogen de la cadena principal - Contactes amb fulles d’altres capes per Van der Waals Repeticions de Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala → Gly cap una cara, Ala cap a l’altra Estructura no extensible però molt flexible. 30-09-21 Proteïnes globulars Les proteïnes globulars tenen estructures compactes, els diferents elements de l’estructura secundària es pleguen uns sobre els altres. Cada proteïna te un plegament característica, això proporciona una gran varietat d’estructures, i per tant gran varietat de funcions. La majoria d’enzims, proteïnes de transport, receptors, etc son proteïnes globulars. Hi ha diverses formes de representar les proteïnes globulars: a) Diagrama de cintes b) Superfície de la proteïna c) Diagrama de cintes amb les cadenes laterals dels AA hidrofòbics (Leu, Ile, Val i Phe). d) Representació de tots els àtoms que no són H e) Superfície de la proteïna segons el seu potencial electrostàtic Proteïnes Intrínsecament desestructurades (IDPs) Les regions desestructuraes també son funcionals. Les proteïnes/regions desordenades están enriquides en aminoàcids polars i carregats, això augmenta la solubilitat. El seu estat estructural correspon a tot el conjunt de conformacions que poden adoptar en el temps: S’interconverteixen. - Funcions especialitzades gràcies a la dinàmica estructural: excel·lents interactors, augmenten la solubiltat i el dinamisme de proteïnes més grans, transicions estructurals que depenen de l’entorn Las descargas sin publicidad se realizan con las coins a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes Estructura quaternària La presenten aquelles proteïnes formades per la unió específica de dues o més cadenes polipeptídiques (subunitats o monòmer). L’estructura quaternària es l’ordenament a l’espai de les subunitats i a la naturalesa de les interaccions que estableixen entre elles. La unitat asimètrica s’anomena protòmer. S’anomena oligòmer al complex format per unes quantes subunitats (Homo- o Hetero-oligòmers) Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Les forces que mantenen unides les subunitats són les interaccions febles i ponts disulfur. Un exemple son les càpsides del virus: es veu que la càpside està formada per 180 còpies idèntiques d’un monòmer de 386 aminoàcids. En el seu interior trobem el RNA del genoma de 4500 nucleòtids La proteïna de la càpside ha d’ésser adaptable doncs ha de permetre que el RNA surti i iniciï la replicació viral quan el virus ha entrat en una cèl·lula hoste. PLEGAMENT DE PROTEÏNES I MALPLEGAMENT EN FIBRES AMILOIDES El procés en el que la cadena principal adopta una estructura 3D definida s’anomena plegament proteic. Postulat d’Anfinsen: - Per les proteïnes petites, l’estat natiu correspon a la conformació termodinàmicament més estable en el seu ambient fisiològic. - Aquest estat està determinat per la seqüència d’Aminoàcids. Termodinàmica del plegament de proteïnes El plegament de les proteïnes, en condicions fisiològiques, és un procés favorable del punt de vista termodinàmic: a) Entropia conformacional: passar de moltes estructures aleatòries possibles a una estructura nativa, implica una disminució d’entropia conformacional. b) Interaccions en l’estructura plegada: en l’estat natiu de proteïna plegada es donen moltes interaccions febles, això implica una disminució en la variació d’entalpia. c) Efecte hidrofòbic: en les estructures desplegades, els aminoàcids hidrofòbics immobilitzen molècules d’aigua al seu voltant i quan la proteïna es plega, aquestes molècules passen a la dissolució, estant més desordenades, reportant això un augment en l’entropia. Mecanismes de plegament Les proteïnes exploren totes les conformacions posibles a l’atzar fins que troben la correcta? Paradoxa de Levinthal Cyrus Levinthal: va demostrar que no podia ser així, mitjançant un càlcul senzill: si imaginem una proteïna de 100 residus, cada residu porta associats 2 angles de torsió (Φ i Ψ), i si imaginem 3 conformacions estables per residu, això ens porta a 3100 conformacions possibles. Si ara imaginem que la proteïna pot explorar conformacions noves a la velocitat de reorientació dels enllaços covalents simples (10-13 segons aprox), el temps que empraria una proteïna per a explorar totes les conformacions seria 3100/1013 segons. Per una proteïna de 100 aminoàcids seria aprox. 1027 anys (més alt que l’edat estimada de l’Univers: 20 mil milions d’anys ). Sabem que les proteïnes adquireixen el seu estat natiu en pocs segons o inclús en milisegons, llavors com son capaces de plegar-se? Las descargas sin publicidad se realizan con las coins a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5405462 FBiBM T3: Estructura tridimensional de les proteïnes La nova visió del plegament de proteïnes Termodinàmicament el procés de plegament es pot veure com un embut d’energia lliure en el que els estats “desplegats” es caracteritzen per tenir molta entropia conformacional i molta energia lliure, de forma que quan el plegament progressa hi ha una disminució del nombre d'espècies conformacionals. La cadena, inicialment desplegada, va adquirint contactes natius que estabilitzen i delimiten la conformació (en disminueixen la llibertat). El plegament és un procés cooperatiu: una cascada d’esdeveniments estructurals que afavoreixen l’establiment de nous contactes natius. Plegament en la cèl·lula La cèl·lula és un ambient molt transitat i molt dens, per tant el plegament ha de ser òptim i ràpid. Xaperones moleculars: ajuden a les proteïnes a plegar en l’estat natiu. Les proteïnes mal plegades poden interaccionar erròniament amb altres, poden precipitar o agregar. Els protosomes son maquinàries proteiques capaces d’eliminar espècies mal plegades. Malplegament, agregació i malalties conformacionals Algunes proteïnes són capaces d’escapar els mecanismes de control i s’agreguen en forma de precipitats insolubles: les fibres amiloides. Els amiloids no es poden eliminar i són toxics: provoquen la mort cel·lular. Encara que els polipèptids que formen els agregats proteics són diferents per cada amiloïdosi, aquestes malalties tenen característiques comunes: les proteïnes, que en la seva forma nativa són solubles, es converteixen en fibril·les insolubles, riques en estructura en fulla β. Aquesta toxicitat inicia processos patològics. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.