Estructura y Función de las Proteínas

Tema 5 Estructura y Función de las Proteínas
Clasificación de las proteínas
Según su función:
1) Catálisis: enzimas
2) Estructura_ forman parte de las estructuras como tej de sostén, caparazones, cutículas (colágeno, elastina)
3) Movimiento: participan en los mecanismos de división celular, endocitosis y exocitosis, (actina, miosina, tubulina) Contráctiles o mótiles
4) Defensa: Funciones de protección frente a daños mecánicos o químicos (queratina), de coagulación, (trombina) y forman parte del sistema inmunitario anticuerpos.
5) Regulación, involucrados en procesos de regulación comunicación de cél. Se agrupan todas las hormonas y los factores de crecimiento.
6) Transporte: dentro y fuera de la cél, en la membrana, la hemoglobina en la sangre y la sabia. Transportan Fe, O2, CO2. . .
7) Almacenamiento: almacenan compuestos como la caseína en la leche. Normalmente sólo almacenan N y S. es decir NUTRIENTES.
8) respuesta a agresiones: Físicas o químicas, e incluidas en las de defensa. Citocromo P450 y las prot de choque térmico.
Según su Forma:
 Prot. Fibrosas, son totalmente insolubles en agua y muy rígidas.
 Prot. Globulares, solubles en agua y menos rígidas.
 Según su composición:
 Simples, compuestas solo por proteínas.
 Conjugadas, tienen otro elemento llamado grupo prostético que se une de forma covalente a la proteína. Si se quita el grupo prostético se obtiene una apoproteína. Si está completa es una holoproteína.
Las holoproteínas, glucoproteínas, lipoproteínas, metaloproteínas, fosfoproteínas, hemoproteínas.
Configuración
El orden en el espacio los distintos sustituyentes unidos a un átomo concreto. L y D. Para pasar de una a otra es necesario romper los enlaces
Conformación
La posición en el espacio de los distintos componentes que rodean a un átomo sin desprender los enlaces.
Niveles de Organización de una proteína
 Estructura primaria, determina que aa contiene la prot y el orden. Es la estructura básica.
 Estructura secundaria: como se situa la cadena en el espacio, la estructura tridimensional. Hay diferentes tipos, α hélice y hoja β.
 Estructura terciaria, se encuentra plegada en el espacio. Puede tener diferentes tipos de estructura secundaria. Las fibrosas no pueden tener terciaria
 Estructura cuaternaria: La unión de las distintas cadenas polipeptídicas con sus estructuras primarias, secundarias y terciarias.
Solo hay dos estructuras porque hay un enlace rígido que no puede rotar. El único movimiento posible es el que origina el giro de los otros enlaces. El enlace limita las posibilidades del giro de la cadena.
En el diagrama de Ramachandran se representan los grados del ángulo ϕ y los del ángulo ψ, se obtiene una gráfica a partir de todos los ángulos. En la zona con color más oscuro representa la zona en la que más aa se concentran entre los 90º y +180º.
Diagrama de Ramachandran:
Conformaciones accesibles a todos los aa (oscuro).
Conformaciones accesibles a todos los aa excepto Val e Ile (medio).
Conformaciones inestables que se pueden encontrar en algunas proteínas (claro).
1951 Linus Pauling y Robert Corey
Se tiende a adquirir una estructura organizada por ello Pauling y Corey estudiaban cómo se disponían en el espacio los centros de cada aa aunque no las cadenas laterales. Así, descubrieron α hélice y hoja β. Explican que en todos los modelos adoptan estas estructuras debido a los ángulos.
Las 3•1613. Se trata de una estructura que genera una hélice, en cada giro completo hay 3.6 aa (n) y 13átomos.

Encontramos otros parámetros que definen la hélice cómo.
 d=0.15nm, la distancia entre dos carbonos quirales Cα de forma paralela al eje imaginario.
 p=0.54nm paso de rosca. La longitud de una vuelta entera en paralelo al eje. Dxn para calcularlo.
 ϕ=-57º
ψ= -47º todos los ángulos para toda la cadena tienen el mismo valor.
Los enlaces de puentes de H ayudan a estabilizar la estructura y se forman entre el O del grupo carboxilo y el H del grupo amino.
Los aa que forman la cadena designan sus características como la Gly que da flexibilidad mientras que la Pro impide el giro de ϕ de los aa cargados y limita la flexibilidad. En las hélices α aa con R voluminosos son escasos porque quitan flexibilidad.
Las hélices pueden ser dextrógiras o levógiras. Las más abundantes son las primeras porque en la configuración L, es el que mejor va a impedir que chequen las cadenas laterales.
Existen otros tipos de hélices, la hélice 310 y la hélice π, en la primera, por cada vuelta de hélice tendremos un nº menor de aa por tanto su d será menor. Mientras que la hélice π será mayor
La hélice 310 se encuentra en el extremo de las hélice α , la hélice π (4•416), pero no se ha encontrado en ningún tipo de proteína.
Lámina β
Dos tipos de esta estructura, dependiendo del sentido:
 Paralela, las cadenas tienen el mismo sentido. Interaccionan entre sí mediante puentes de H que se forman entre los aa de distinta cadena En la hojaβ ψ=113 y ϕ=-119º y todos los radicales quedan hacia arriba o abajo.
 Antiparalela, el sentido de las cadenas varía. Se unen entre sí mediante puentes de H. Lineales, esto hace que sea más compacta y más estable. Por ello es la más frecuente.
Además, existe un 3er tipo Lazos o Giros, que son un tipo de estructura secundaria. El giro es un lazo en el que se produce un giro de 180º



Los giros β suponen giros de 180º en la estructura de una prot formadas por cuatro aa consecutivos. Los más abundantes e influyentes son Gly y Pro. La glicina es uno de los que menos interferencia generas en el giro ya que tiene la cadena lateral más corta, y la prolina tiene afinidad por la forma cis en sus isómeros, genera un mayor plegamiento de su cadena lateral que permite un mejor plegamiento de la dirección favorece la solubilidad de las globulares porque se generan puentes de H con el agua.
Encontramos dos tipos de giros β, en ambos el aa que ocupa el segundo lugar es una prolina y el tercero es una glicina. La diferencia entre I y II es que en el tipo II los aa cambian su orientación y hacen que la cevidad del giro sea más voluminosa que la del tipo I- El más frecuente. En ambos, se genera un puente de H entre el 1 y el 4. Tipo II>tipo I.
Hay otros giros, los γ sólo encontramos 3 aa y un puente de H entre el O del carboxilo del aa 3 y el H del amino 1.
En las globulares el 70% es hélice α o lámina β y el 30% restante pertenece a los giros mientras que en las fibrosas el 90% son hélice α o láminas.
En las fibrosas hay un elevado número de residuos con cadena lateral hidrofóbica y tienen esta capacidad. Clasificación:
Estilo Características Ejemplos de localización
Hélices α por puentes disulfuro Met, Cys Genera grandes fibras resistentes e insolubles Α-queratina del cabello, plumas y uñas.
Conformación β Filamentos Suaves y flexibles Fibroina de la seda
Tripe hélice de colágeno Muy resistente a la tensión y sin capacidad de estiramiento Colágeno de los tendones y matriz ósea.

La α-queratina proporciona fuerza y soporta esfuerzos mecánicos. Presenta hélices dextrógiras que se unen girando hacia la izquierda. Tiene una gran cantidad de aa hidrofóbicos y de cisteína para unir las α-hélices mediante disulfuro. Gracias a estos aa es insoluble en agua y se disuelve formando micelas en cuyo interior queda la parte de aa hidrofóbicos.
 Hélice α de queratina, superenrollamiento de dos cadenas (levógiro) Protofilamento (4 superenrollamientos) Fibrilla muchas cadenas.
En el cabello encontramos celdillas de protofilamentos que envuelven células muertas.
 El colágeno es la más abundante, porque proporciona fuerza y soporte. Presenta tres hélices levógiras que se enrollan de forma dextrógira se denominan tropocolágeno. Los aa más abundantes son Gly y la Pro, se puede encontrar también como su derivado, la 4-hidroxipolina. Encontraremos secuencias tipo Gly-X-OH-Pro. Que confiere la estructura helicoidal.
 La estructura terciaria de las globulares es más compleja y depende de la estructura primaria porque el enlace peptídico es muy rígido y limita las formas. Además el porcentaje de hidrofóbicos limita sus estructuras, cuando introducimos la prot en un disolvente polar tiende a plegarse y compactarse.
Los aa cargados determinan la estructura tridimensional, así:
 Los residuos no polares tienden a encontrarse en el interior.
 Los cargados se encuentran en la superficie o se desestabilizaría.
 Los polares no cargados se adaptan a cualquier conformación en el interior o en la superficie. En la superficie es más habitual.
Solo hay 3 tipos de estructuras terciarias, que se denominan dominios.



Entropía Conformacional
El proceso de plegamiento está favorecido con una liberación de energía ΛG<0. Las cadenas con ΛG>0 no se podrían dar.
Cuando se pliega una globular tenernos un desorden molecular y un aumento de la entropía, estas reacciones serian las más favorecidas por su cambio del orden de las secundarias al desorden de las terciarías.
Interacciones Débiles
Enlaces por puente de hidrógeno, no covalentes
Los elementos implicados son el H y un elemento muy electronegativo. Lo que ocurre es que dos aa quedan unidos plegando las cadenas. Que mayoritariamente forman este enlace son los grupos OH de la serina y tirosina con los grupos amino y carbonilo de Asparragina y Glutamina.

Interacciones de Van Der Walls
Son interacciones electroestáticas muy débiles entre moléculas sin cargas.
Interacciones carga-carga
Por atracción de carga, tienden a asociarse. Se rompen a valores de pH muy o muy bajos o por repulsión de cargas.



Interacciones hidrofóbicas
Cuando introducimos una globular en un medio acuoso los aa apolares se sitúan en su interior. La estructura depende de cómo de polares o apolares sean.
Enlaces covalente
Puente Disulfuro
Se necesita la presencia de Metionina y Cisteina. Normalmente se forma entre Cisteina y Cisteina porque el azufre ocupa la posición final de la cadena lateral.
Desnaturalización de Proteínas
Proceso mediante el cual se pierde la estructura terciaria y la función de una proteína manteniéndose la primaria. Producido por:
 La temperatura: si aportamos energía en forma de calor, hacemos que los enlaces se rompan. La excepción son los termófilos.
 Los cambios de pH si es muy ácido o muy básico éstos también se pueden romper debido a que el estado de protonación puede cambiar y hará que las interacciones débiles se rompan.
Estos cambios se pueden deber a la acción de disolventes orgánicos o detergentes (apolares) que pueden cambiar el pH o la estructura terciaria y si los añadimos al medio que contiene una prot globular hacen que su estructura se rompa para que los aa apolares salgan a la superficie.
 Determinadas sales: Si tenemos una proteína con un reparto de cargas equitativo y añadimos sales en las que predominan aniones o cationes, éste reparto haría que entraran en repulsión con las sales y otros de atracción y por tanto se rompería la estructura terciaria. Se denominan agentes aotrópilos.
NINGUNO DE ESTOS AGENTES ROMPE ENLACES COVALENTES!!
Las curvas de desnaturalización sirven para identificar en qué momento está completa. Es reversible. Para que se pierda la estructura se van desnaturalizando por zonas de la proteína, cada fragmento favorece la desnaturalización de otros y esto hace que no se alcance la desnaturalización total hasta una T elevada. Renaturalización=1/desnaturalización.
Plegamiento de Proteínas Paradoja de Levinthal, si tenemos una cadena con 100aa y hubiera un plegamiento al azar, se necesitarían 1,6•1027años para que pasara de la primaria a la secundaria y terciaria. Se demostró matemáticamente, implicaba que el proceso de plegamiento no es al azar.
 Hipótesis del glóbulo fundido. De las múltiples vías de plegamiento al azar hay algunas que están favorecidas termodinámicamente. Es la que está más próxima a la realidad porque ocurre una mezcla de ambas teorías.
La gráfica muestra la evolución del plegamiento y el porcentaje
de aa que se van plegando en el proceso. La E de la cadena
desplegada es muy grande y durante el plegamiento se
produce una liberación de esta, reacción exergónica espontanea
Inicialmente se producen plegamientos que forman glóbulos
Fundidos. No todos los plegamientos son espontáneos, hay
Algunos controlados por chaperonas (complejos proteicos que
Participan en procesos de plegamiento de otras) son enzimas
Porque catalizan y no lo son porque no hay cambio químico.
Interaccionan de manera específica con otra proteína. De
Esta forma se puede generar puentes de H entre los distintos puntos. Otras chaperonas se unen a la cadena en regiones muy distales de forma que toda la cadena queda plegada. También están las chaperoninas que necesitan un aporte de energía.
Hay un caso en el que las chaperoninas mantienen la cadena desplegada.
Estructura cuaternaria
Cuando varias cadenas se asocian entre sí, interaccionan mediante enlaces de tipo covalente y no covalente. Un ejemplo es la Hemoglobina, está compuesta por cuatro cadenas iguales dos a dos
(2 α y 2β que no significa ni hélice α y hojaβ). Está muy relacionada con la mioglobina porque si comparamos sus estructuras encerramos una cadena idéntica.
Ambas pueden transportar O porque tienen un grupo químico Hemo (protoporfirina) con un anillo central que envuelve un átomo de Fe unido a cuatro N. Únicamente en el Fe el O se puede unir a la proteína. Las cuatro cadenas tienen un grupo hemo. Cuando no tiene O se denomina Desoxihemoglobina y es una forma tensa y voluminosa, cuando está saturada se llama Oxihemoglobina y presenta una forma más relajada.