estructura de proteinas.pdf
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Estructura de las Proteínas
Tema 2
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Esquema del Tema
• Aminoácidos– Aminoácidos estándar– Aminoácidos no
estandard– Aminoácidos proteicos
modificados
• Propiedades ácido-basede los aminoácidos– pKa de aminoácidos– Punto isoeléctrico
• Polimerización deaminoácidos: El enlacepeptídico– Propiedades del enlace
peptídico– Péptidos– Proteínas
• Estructura de proteínas– Estructura primaria,
secundaria, terciaria ycuaternaria.
– Proteínas fibrosas yproteínas globulares
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Aminoácidos
• Un α-aminoácido es unácido carboxílico conun grupo amino y ungrupo R en el carbonoα
• R --> cadena lateral• Dos estereoisómeros
posibles– Enantiómeros L y D– Sólo la forma L se
encuentra en proteínas
L-Alanina D-Alanina
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AminoácidosEstándar
• Se representanormalmente elestado deprotonación a pH 7,0
• Los aminoácidos seclasifican según laspropiedades de suscadenas laterales (apH 7,0)
–¡Atención a loscasos de His, Tyr yCys!
Aminoácidos neutros no polares
Aminoácidos neutros polares
Aminoácidos ácidos Aminoácidos básicos
Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina
Fenilalanina Triptófano Metionina Cisteina Prolina
Serina Treonina Tirosina Asparagina Glutamina
Aspartato Glutamato Lisina Arginina Histidina
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Aminoácidos Alifáticos No Polares
GlicinaGly, G
AlaninaAla, A
ValinaVal, V
LeucinaLeu, L Metionina
Met, M
IsoleucinaIle, I
ProlinaPro, P
Cadena lateralciclada. Implicarestriccionesconformacionales(Iminoácido)
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Aminoácidos Aromáticos
FenilalaninaPhe, F
TirosinaTyr, Y
TriptófanoTrp, W
No polar(Hidrofóbico) Polar
No polar(Hidrofóbico)
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Aminoácidos Neutros Polares
SerinaSer, S
TreoninaThr, T
CisteinaCys, C
AsparaginaAsn, N
GlutaminaGln, Q
•Puedeencontrarsecargado apH>8,5•Grupo -SH esmuy reactivo.Dos moléculasde Cys se oxidanformado cistinamediante unpuente disulfuro(-S-S-).
Puedeencontrarsecargado apH>9
TirosinaTyr, Y
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Aminoácidos Básicos con Carga Positiva
ArgininaArg, R
HistidinaHis, H
LisinaLys, K
H+
Se encuentracargado apH<7
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Aminoácidos Ácidos con Carga Negativa
AspartatoAsp, D
GlutamatoGlu, E
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Aminoácidos no Estándar
• Aminoácidos distintos de los 20 estándar yderivados de éstos realizan funcionesbiológicas importantes como mensajeros oprecursores– Neurotransmisores
• γ-aminobutírico (GABA), derivado de la Gln
• serotonina, derivado del Trp
– Hormonas• tiroxina, derivado de la tirosina• ácido indol acético, derivado del triptófano
– Precursores e intermediarios metabólicos• citrulina• ornitina
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Aminoácidos Proteicos Modificados
• Cadenas laterales de aminoácidos se modificandespués de la síntesis proteica
• Proporcionan propiedades funcionales específicas
γ-carboxiglutamato 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina o-fosfoserina
Importante para launión de calcio enproteasas de lacascada decoagulación
Posibilitan laformación de la
estructura reticulardel colágeno
La fosforilación enresiduos con gruposhidroxilo (Ser, Tyr, Thr)regula la actividad demuchas proteínas
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Propiedades Ácido-Base de los Aminoácidos
Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1
Forma aniónicaForma zwitteriónica(neutra)
Forma catiónica
K2; pK2K1; pK1
• Los aminoácidos son anfóteros– se comportan a la vez como ácidos y como bases
• A pH 7 Los aminoácidos sin cadena lateral cargada sonzwitteriones
– presentan simultáneamente una carga positiva y una negativa
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α-carboxilopK1=2-3
Asp y GlupKR≈4> pK1
Lys y ArgpKR> pK2
α-aminopK2=9-11
HispKR< pK2
Cys, pKR< pK2 Tyr, pKR> pK2
carga - en estadodesprotonado
Valores de pKa de Aminoácidos
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Punto Isoeléctrico (pI)
• pI es el valor de pH parael cual la carga neta delaminoácido es 0– Valor medio de los pKa que
flanquean la estructuraisoeléctrica
• Para aminoácidos neutroses el valor medio de lospK1 y pK2
• Para aminoácidos ácidos obásicos depende de cadacaso
– Cuando pH= pI disminuyela solubilidad en agua
pK1=2.2
pKR=4.3
pK2=9.9
Equivalentes de OH-
Ácidoglutámico
pI= (2.2+4.3)/2 = 3.22
Carga +1
Carga -1
Carga -2
Carga 0
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Polimerización de Aminoácidos: El enlace Peptídico
• Los aminoácidospolimerizan formandopolipéptidos medianteenlaces peptídicos– El enlace peptídico es un
enlace amida formadopor unión del grupo α-carboxilo y el grupo α-amino de dosaminoácidos
– Los aminoácidos unidosse llaman residuos deaminoácido
– Los residuos se nombrancon la terminación “il”comenzando por elextremo N-terminal
Formación de un Dipéptido
Enlace peptídico
N-terminal C-terminal
Dos aminoácidos
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Propiedades del Enlace Peptídico
• El enlace peptídico esrígido y planar– Tiene carácter parcial de
doble enlace (~40%)• Equilibrio de estructuras
resonantes• No tiene libertad de giro
– Es más corto que otrosenlace C—N
– Se presentanormalmente enconformación trans
• Los grupos C=O y N-Hpeptídicos son polares– Participan en la
formación de enlaces dehidrógeno
C—N—Cα
O
H
Cα—
C—N—Cα
O
H
Cα—
Estructuras de resonanciadel enlace peptídico
Equilibrio cis-trans. Sólo enlos enlaces X–Pro aparece laconformación cis en unaproporción significativa
C—N—Cα
O H
Cα—
C=N—Cα
O- Cα—
+H
trans cis
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Péptidos
• Son polímeros de unos pocos aminoácidos• Ejemplos de algunos péptidos importantes
– Glutatión (γ-glutamil-L-cisteinilglicina)• Agente reductor. Protege a las células de productos
oxidantes derivados del metabolismo del O2
– Vasopresina (Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2)• Hormona antidiurética. Interviene en la regulación del
equilibrio hídrico
– Oxitocina (Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2)• Hormona sexual. Estimula la secreción de la leche y la
contracción muscular uterina durante el parto
– Péptidos opiáceos (leu- y met-encefalinas)• Pentapéptidos que intervienen en el alivio del dolor
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Proteínas
• Largas cadenas de aminoácidos quese pliegan con una estructura definida
• Son responsables de la mayoría delas funciones bioquímicas:–Catálisis – Transporte–Estructura – Almacenamiento–Movimiento – Detoxificación–Defensa–Regulación
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Tipos de Proteínas
• Según su forma– Fibrilares– Globulares
• Según su composición– Simples– Conjugadas
• Constan de una cadena polipeptídica y un grupo prostético– apoproteína --> sólo la cadena polipeptídica– holoproteína --> polipéptido + grupo prostético
• Según sea el grupo prostético:– glucoproteínas– lipoproteínas– metaloproteínas– hemoproteínas– fosfoproteínas
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Estructura de las Proteínas
• Surge del plegamiento de lacadena polipeptídica
• Depende de su secuencia yde las características deldisolvente
• Se distinguen cuatroniveles estructurales:– Estructura primaria
• Secuencia de aminoácidos– Estructura secundaria
• Plegamiento local– Estructura terciaria
• Plegamiento global– Estructura cuaternaria
• Organización multimérica devarias cadenas
Conformación de la cadenapolipeptídica
Planoamida-
peptídico
Cadenalateral
Carbono α
Carbono αφ
ψ
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Estructura Primaria• Se define por la secuencia de
aminoácidos– Específica de cada proteína
• Las proteínas homólogas tienensecuencias y funciones semejantes
• La comparación de secuenciaspermite establecer relacionesevolutivas
– Mutaciones -->variaciones en lasecuencia
• Los aminoácidos invariables sonimportantes para la función
• Las mutaciones conservadoras soncambios entre aminoácidosquímicamente semejantes
• Algunas mutaciones se relacionan conenfermedades --> enfermedadesmoleculares (patología molecular)
Estructura primariade la ribonucleasa
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Estructura Secundaria
Fragmento de cadenapolipeptídica en conformaciónextendida: φ =180o, ψ =180o
Planoamida
Plano amida
Cadenalateral
Carbono α
• Patrones repetitivos deconformación local de lacadena polipeptídica– Dependen de los valores de los
rotámeros φ y Ψ• Hay un número limitado de
conformaciones posibles debidoa impedimentos estéricos entrelos grupos -NH, -CO y -R
• La conformación más favorabledepende de la secuencia deaminoácidos
– Las conformaciones posibles seestabilizan por un númeroelevado de enlaces dehidrógeno
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Conformaciones Prohibidas
Choquede losgrupos
-CO
Choquede losgrupos
-NH
Grupos -CO lejosentre ellos y lejos dela cadena lateral R
Choque-NH con
-CO
Conformación Posible
φ =0o, ψ =180o φ =180o, ψ =0o
φ =-60o, ψ =180o
φ =0o, ψ =0o
El choque estérico (solapamiento de los radios de van der Waals) algirar los rotámeros φ y ψ impide gran número de conformaciones. Lasconformaciones posibles se representan en el diagrama deRamachandran
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Diagrama de Ramachandran
• Distribución deángulos φ y ψ en unpolipéptido depolialanina– En blanco, valores
prohibidos– En azul, valores
posibles.• Tipos principales de
estructura secundaria– hélice α– láminas β
ψ (g
rados)
φ (grados)
Hélice α(a derechas)
Cadenas β
Hélice α(a izquierdas)
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Hélice α (3,613)
• Conformación helicoidal “αderechas”
– φ =-60o, ψ=-40o - -50o
– 3,6 residuos por vuelta• avance de 5,4 Å por vuelta
– 13 átomos por bucle (hélice3,613)
– Casi todos los grupospeptídicos participan enenlaces de H
• Entre residuos i e (i+4)• Excepto en los extremos
– Las cadenas laterales sedirigen hacia fuera
• Mínima repulsión• Posibles interacciones entre
ellas
•3,6 residuos•5,4 Å•(1,5 Å por residuo)
Residuo “i”
Residuo “i+4”
Cadenaslateraleshacia afuera
Vista desde arriba
12
34
13 átomos por cada buclecerrado por un enlace de H
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Estabilidad de la Hélice α
• Contribución principal: enlaces de hidrógeno entregrupos -CO y -NH peptídicos (cada residuo i con i+4)
–No es posible en los tres primeros residuos de los extremos•Se estabilizan por enlaces de H con grupos de cadenas laterales
• Interacciones entre cadenas laterales–Residuo i con i+3 e i+4 (por encima) y con i-3 e i-4 (por
debajo)•Electrostáticas
–Atractivas (estabilizadoras, entre residuos de distinta carga)–Repulsivas --> desestabilizadoras (entre residuos con la misma carga)
•Hidrofóbicas
• Algunos residuos desestabilizan la hélice α–Glicina (no tiene R --> otorga demasiada flexibilidad)–Prolina (restringe el giro de φ; no tiene -NH para formar enlace
de H)–Residuos voluminosos (Trp) y ramificados en el carbono β (Val,
Thr)
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Hoja β
Hoja βParalela
Hoja βAntiparalela
Enlaces de H mejororientados (más fuertes)
Peor orientación deenlaces de H (más
débiles)
• Alineamiento de segmentospolipeptídicos en confor-mación extendida (cadenas β)
– -CO y -NH peptídicos formanenlaces de H entre cadenasadyacentes
– Apariencia de lámina plegada– Cadenas laterales dispuestas
perpendicularmente a amboslados de la hoja
– Frecuentes aminoácidos concadena lateral voluminosa
• Según la dirección de lascadenas β
– Paralela– Antiparalela
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Esquemas de Hojas β
Paralela
Antiparalela
Cadenaslaterales
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Giros β
• Cambian la dirección dela cadena 180o
– Conectan entre sí cadenasβ antiparalelas
• Son giros cortos ycerrados– Implican cuatro residuos
• Con frecuencia Gly y Pro
– Enlace de H entre i e i+3
• Varios tipos– Tipo I– Tipo II (Gly en 3a
posición)
Tipo I Tipo II
Glicina
12
34
34
12
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Meandro β Unidad αα Barril β Llave griegaUnidades βαβ
Estructuras Supersecundarias
• Son combinaciones de elementos de estructurasecundaria que forman patrones definidos
• Son la base para la clasificación estructural de lasproteínas
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Motivos Estructurales
Son secuencias de aminoácidos que presentancaracterísticas y funciones definidas
Mano EFConfiguraciónhélice-vuelta-hélice que se uneespecíficamente aiones Ca2+
Dedo de ZnHabitual enproteínas queunen DNA
Cremallerade leucinas
Hélice F
Hélice ECa2+
Activacióntranscripción(longitud y secuencia variable)
Unión DNA66-68 residuosconservados
Unión hormona(longitud y secuencia variable)
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Estructura Terciaria• Estructura tridimensional
global que asume una proteínaal plegarse
– Residuos lejanos en la secuenciaquedan cerca en el espacio
– Estructura compacta que excluyelas moléculas de agua de suinterior
• La ausencia de agua facilita lasinteracciones iónicas y los enlacesde hidrógeno
• En el interior se agrupan residuoshidrofóbicos (efecto hidrofóbico).Los polares se exponen al exterior
– Las proteínas grandes suelenpresentar dominios estructurales
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Mantenimiento de la Estructura Terciaria
Puentesalino
Interaccioneshidrofóbicas
Puentesdisulfuro
Enlaces dehidrógeno
InteraccionescovalentesPresentes sóloen algunoscasos
Interacciones débiles (nocovalentes)•Iónicas (puentes salinos)•Hidrofóbicas•Enlaces de hidrógeno•Fuerzas de van der Waals
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Proteínas Hidrosolubles y Proteínas de Membrana
Entornoacuoso
Polar
HidrofóbicoHidrofóbico
ArgArgAspAspLysLysGluGluAsnAsnGlnGlnHisHisTyrTyrProProSerSerGlyGlyThrThrAlaAlaTrpTrpCysCysValValLeuLeuIleIleMetMetPhePhe
Escala dehidrofobicidadde Engelman
Entornolipídico
membrana
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Plegamiento de las Proteínas
• El plegamientodepende de lascondiciones del medio– Factores físicos
• Temperatura• Presión
– Factores químicos• pH• Disolventes orgánicos• Agentes caotrópicos
(urea, cloruro deguanidinio)
• Suele ser reversible ycooperativo
Temperatura (ºC)
Fracción desnaturalizada
RenaturalizaciónD
esna
tura
lizac
ión
N
DDdesnaturalizada
Nnativa
Experimento de Anfinsen
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Proteína desnaturalizada <-> Proteína Nativa
• “Ovillo estadístico”• Irregular, variable, abierta• Ausencia de estructura 2ria
• Pocos enlaces intramoleculares• Residuos hidrofóbicos
expuestos– Efecto hidrofóbico– Contribución entrópica al
plegamiento
• Regular, compacta• Estructura 2ria
• Abundancia de enlacesintramoleculares
– Puentes de H– Enlaces iónicos– Interacciones de van
der Waals• Residuos hidrofóbicos no
expuestos
D Ndesnaturalización
renaturalización
Clatratos:Capas de H2O ordenadas
Residuoshidrofóbicos
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Plegamiento “in vivo”
• Problema del plegamiento “in vivo”– Plegamiento acoplado a la síntesis
de proteínas
– ¿Cómo selecciona la célula lascondiciones de plegamiento?
• Control celular de las condiciones deplegamiento (chaperonasmoleculares)
– Plegamiento de proteínas nacientes
– Prevención y corrección de erroresde plegamiento en condiciones deestrés (Heat shock proteins, HSP)
• Sistemas enzimáticos que ayudan alplegamiento
– Proteína-disulfuro isomerasas
– Peptidil-prolil isomerasas
mRNA
ribosoma
Síntesis de proteínasSíntesis de proteínas
Cadenanaciente
N
procesoasistido
PlegamientoPlegamiento
Cys
Pro
CysCys
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Estructura Cuaternaria
Estructura cuaternariade la hemoglobinaHetero-oligómero decuatro subunidades(tetrámero 2xαβ)
• Asociación no covalentede varias cadenaspolipeptídicas– Subunidades=monó-
meros=protómeros– Las subunidades se
organizan de manerasimétrica
– Ventajas de la asociación• Mayor estabilidad• Regulación alostérica
– Estabilidad• Mismo tipo de enlaces que
estructura terciaria
α1
β1β2
α2
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Niveles de Estructura de las Proteínas
Estructura primaria
Estructura secundaria
Estructura terciaria
Residuos aminoácidos Hélice α Subunidades unidas
Estructura cuaternaria
Cadena polipeptídica
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Proteínas Fibrosas y Proteínas Globulares
• Fibrosas– Forma alargada– Unidades repetidas de
un solo tipo deestructura secundaria
– Resistentes e insolubles– Función estructural
• Ejemplos– Colágeno (en tejido
conectivo devertebrados)
– Queratina (en piel, peloy uñas)
– Fibroína de la seda
• Globulares– Forma más o menos
esférica– Ricas en estructura
secundaria– Flexibles, y dinámicas– Múltiples funciones
• Ejemplos– Hemoglobina– Inmunoglobulinas
(anticuerpos)– Enzimas
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El Colágeno
• Proteína más abundante devertebrados
• Red fibrosa de tropocolágeno• Tropocolágeno
–Abundancia de Pro y Gly• Secuencia G-X-Y
–X e Y suelen ser Pro e hidroxi-Pro–En Y también abunda hidroxi-Lys
–Triple hélice a derechas formadapor tres hélices a izquierdas
• Enlaces de H interhélice• Gly, uno de cada tres residuos,
en la zona de empaquetamiento
• Entrecruzamiento deunidades de tropocolágeno
–Por derivados aldehído de Lys
Hélice triple detropocolágeno
Tres hélices aizquierdas
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Fibrilogénesis del Colágeno
Cabezas detropocolágeno
Estriaciones640 Å (64
nm)
Estriaciones640 Å (64
nm)
Tropocolágeno
Uniones hidoxilisinonorleucina
Cadenapolipeptídica
Norleucina (residuode Lys sin grupo ε-
amino)
Residuo dehidroxilisina
Cadenapolipeptídica
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Aminoácidos Especiales en el Colágeno
Residuo4-hidroxiprolil
Residuo3-hidroxiprolil
Residuo5-hidroxilisil
• Residuos de Prolina y Lisina hidroxiladas– Proporcionan grupos formadores de enlaces de hidrógeno– Se forman por adición de hidroxilo
• Modificación enzimática post-traduccional• Catalizada por una prolilhidroxilasa (o lisilhidroxilasa) que
requiere ascorbato (vitamina C) como antioxidante
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α-Queratina
Filamentointermedio
Células
HélicesenrolladasHélice α
Hélice α
Dos hélicesenrolladas aizquierdas
Tetrámero antiparalelo
Variostetrámero
Unidadestructural
Dímero
Reduc-ción Rizado
Oxida-ción
Rizado Artificial del cabello
Estructura del Pelo
Asociación tetrámeros
Tetrámero antiparalelo
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Fibroína de la Seda
• Fibras formadas porhojas β antiparalelas
– Aminoácidos concadena lateral pequeña(Gly, Ala, Ser)
– Residuos hidrofóbicos ypolares alternados (encaras opuestas)
– Varias hojasinteraccionan por lascaras hidrofóbicas
• Flexible y resistente alestiramiento
polar
polar
apolar apolar