Clase 6Proteínas

Esta es la diapositiva en la que les hablaba que acá hay una molécula de agua que se invierte para romper un enlace peptídico.Hablamos de lo que es un péptido (menos de 50 aa).

No existen de forma natural proteínas con iguales aa.

Se pueden sintetizar proteínas de iguales aa pero no tan grande. Por ejemplo, para aislar una proteína se puede, por ejemplo, pegarle una cola de 7 histidinas, y esa cola de 7 histidina la reconoce un anticuerpo y se pega en una columna. Entonces, el anticuerpo reconoce la cola y obtienes la proteína entera.

Existen proteínas simples que están compuestas solamente por aminoácidos. Existen también las proteínas conjugadas que se componen por aminoácidos y un componente no aminoacídico, que está fuertemente unido a través de enlace covalente y éste se llama grupo prostético.Es un grupo no aminoacídico, que se une a una proteína y se une covalentemente al resto de la proteína. Entonces como proteínas conjugadas tenemos muchas formas (todas las de la tabla). Es muy interesante porque, por ejemplo, en las

fosfoproteínas, agregar o sacar un fósforo es una forma de apagar o prender una proteína pueden mandar una cadena de señales que parten desde la membrana y se extienden hacia fuera a otras reacciones que involucran fosforilaciones. Las fosfoproteínas son importantes.La hemoproteínas son las que tienen un grupo hemo (súper bueno el aporte!)El caso más conocido es la hemoglobinaY van a encontrarse con proteínas que tienen hierro, molibdeno, cobre, etc.

(Grupo hemo)

El grupo hemo es un anillo de porfimina y tiene una unidad de hierro, y este hierro no tiene que ver mucho con las uniones que ustedes están acostumbrados a usar. Y estos son un tipo especial de enlace que se constituye entre metales y otros tipos de átomos. Es un enlace raro, se pueden ver como covalentes, pero se denominan compuestos coordinados. Y hay una teoría especial para este tipo de enlaces que es de cuerpos cristalinos (divagaciones varias)…. No es precisamente un enlace covalente, pero si es muy fuerte.

Pregunta de Raúl: ¿Esas dos líneas (las rosadas) que están al lado del hierro tienen que ver con (no se entiende bn q)?Resp: esto estaría hablando de la capacidad de coordinación que tiene con el oxígeno por sobre el plano. Entonces ustedes tienen al grupo nitrógeno que lo que está haciendo es orientar al enlace con los oxígenos sobre este hierro.Ahora porqué dice ahí hemoglobina y mioglobina? Porque la mioglobina también coordina. La hemoglobina es una subunidad y la

mioglobina son 4 subunidades, y todas tienen el anillo de porfimina. La mioglobina se encuentra en los músculos.Ahí tienen la estructura de la mioglobina: y el anillo de protoporfirina aparece arriba… Por los enlaces de van de Waals el oxígeno no tiene acceso al pliego de los anillo de protoporfirina. Acá ponen los volúmenes reales que tienen los átomos. El fierro está como envuelto por las mioglobinas… y no hay ningún camino resuelto por la cristalografía que diga que el oxígeno puede llegar al fierro, pero sin embargo llega al fierro. La pregunta es ¿cómo llega al fierro? ¿Qué camino sigue? ¿Por qué razón el oxígeno es capaz de llegar al fierro?. No hay forma. Tomando

encuentra la estructura, la estructura de la mioglobina y la fuerza que se puede producir entre los átomos, se utiliza un computador que tiene un software para eso, y el software lo que busca es minimizar la energía libre de Gibas, porque son las más estables, pero también hace sus intervenciones en el orden de 10^-12 isoalgo, a través de el hallar las fuerzas entre los átomos, y con las fuerzas ¿qué puedo obtener yo? (varias respuestas x) A qué nos lleva más cuantitativamente la fuerza: de qué viene la fuerza quiero ver cómo se comporta la proteína si se la fuerza se la aceleración, si sé la aceleración sé la velocidad, y si sé la velocidad sé la distancia, obtengo las posiciones. Necesito saber entonces por eso que fuerzas están involucradas ahí. La mayoría de las fuerzas son eléctricas. Hay que considerar todas las fuerzas que están en los enlaces, pero principalmente las eléctricas por el alcance que hay entre ellas, y a eso me refiero a relaciones, las que están involucradas en las de van der Waals también, … las fuerzas entre grpos iónicos o entre grupos que tengan momento bipolar. Entonces lo que se vio fue que cuando se estimulaba el movimiento de esa proteína hacia pasos transitorios

por donde podía circular el oxígeno, que después se cerraban y se abrían otros caminos para el oxígeno hasta que llegaba. Entonces esto resolvió la paradoja y nos confirma una vez más que las cosas no están quietas, sino que están en constante movimiento, y yo no puedo entender la biología si la quiero entender por puras fotos o ideas quietas. La dinámica es importante para determinar la función. Asía que efectivamente había que considerar la dinámica para ver por qué el oxígeno llegaba hasta el fierro, porque la estructura que ustedes ven ahí la determinaron por la cristalografía, y no es más que el promedio de la decena de estructuras que puede tener la proteína a lo largo de su vida. Entonces esto no da cuenta de su funcionalidad, pero sí ayuda a entender el movimiento que tiene permanentemente la proteína.

Esta es la secuencia de aminoácidos de una proteína simple (insulina bovina). Los puentes disulfuro determinan que tengamos una cadena peptídico junto a otra a través de enlaces covalentes, de una forma altamente estable. Lo que ustedes ven a ahí es la cadena A y la cadena B de la insulina, y la enumeración es desde el extremo alfa-amino al alfa-carboxilo. Y ustedes van a ver que van a aparecer aminoácidos en la estructura de letras, pero también pueden aparecer en el código de una letra, principalmente para secuencias de proteínas largas, con la anotación más compacta.Acá se muestran los puentes disulfuro que se establecen entre cisteínas. Entonces cuando se forma una proteína hay muchas opciones. Podría haberse establecidos uniones entre otros pares de cisternas, pero la verdad es que en la traducción de la proteína se determina que estas estructuras va orientando la formación de estos enlaces, por lo tanto no son todas las posibilidades. Cuando se está sintetizando la insulina, hay ciertas conformaciones que están siendo establecidas, por lo tanto las cisteínas van a estar próximas, pero no tienen todas las posibilidades en la síntesis. Entonces cuando uno busca la composición de aa de una proteína y encuentra que hay cisteína, debería tratar de hallar enlaces disulfuro, a ver si es que se dan o no. Es importante porque le confieren cierta rigidez a la estructura de la proteína, y hacen que no pasen tanto de una conformación a otra. Los puentes disulfuro van a tener un efecto en la estructura de la proteína. Los enlaces disulfuro equivalen a dos radios de enlace covalente. Por lo tanto estos dos grupos están muy próximos, y tú puedes tener vueltas de la proteína por enlaces entre cisteínas.

Ahora, veamos más algo con relación al enlace peptídico.

Ustedes ven que en el enlace peptídico se puede dar una cierta resonancia, en la estructura del oxígeno que está ahí. No se olviden que el enlace peptídico es el que es entre el carboxilo de un carbono alfa y el amino del carbono alfa de otro aminoácido. Entonces qué es lo que puede pasar, se puede dar un desplazamiento de electrones desde el nitrógeno hacia el carbono, y desde el carbono hacia el oxígeno. Y lo que se va a mantener es la carga neta. Entonces (1) sería el caballo, (3) sería el rinoceronte, y entonces (2) el unicornio. Y hay un 40% de enlace, que tendría el enlace peptídico de tener el doble enlace entre el nitrógeno y el carbono del carboxilo. Significa entonces que si aquí hay un enlace covalente simple entre el nitrógeno y el carbono, uno debería simplemente esperar que esto rotara, pero si uno tiene un enlace doble entre el carbono y el nitrógeno, éste no va a poder rotar porque habría un cambio de configuración. Entonces este es el porcentaje de doble enlace ene le enlace peptídico y que equivale a que este pierde la capacidad de rotación y los átomos estarían estáticos en un plano, y aquí está el 40% del doble enlace entre el nitrógeno y el carbono, y uno ve estos átomos confinados a un plano. No hay otra posibilidad.Entonces, cuando ustedes ven una secuencia de residuos aminoacídicos en una proteína, ustedes lo que deben captar también es que hay una secuencia de planos que pueden tener distintas orientaciones entre sí, porque puede rotar el nitrógeno del residuo con el carbono alfa al cual

pertenece este nitrógeno. Puede rotar en el eje que define el enlace covalente. El carbono alfa con su nitrógeno forman un enlace simple, y este enlace simple tiene la posibilidad de rotar, puede hacer ese giro. Pero no se olviden que este nitrógeno está confinado a un plano del enlace peptídico, así que todo el plano puede girar entorno al eje que establecen el con el enlace covalente el nitrógeno y el carbono alfa. Y eso lo van a tener en todos los planos que aparecen ahí en la figura.Bueno, esas son las razones por las cuales las proteínas pueden cambiar de conformación, porque tienen cierta flexibilidad. Tampoco es asumir cualquier conformación, porque las conformaciones se dan en torno al plano del

enlace peptídico. Pero sí ustedes se pueden dar cuenta que si yo puedo hacer esta pequeña rotación en los enlaces, y tengo miles de enlaces de ese tipo o cientos, definitivamente le confiere un montón de posibilidades a esa proteína. Respuesta a pregunta x: Lo que pasa es que se invierte un grupo muy voluminoso a las cadenas laterales de dos aminoácidos contiguos. Acuérdate que en este modelo de bolas y varillas como es un modelo de van der Waals para volúmenes de átomos, ustedes podrían darse cuenta que este grupo R podría estorbar al grupo R que está acá, así que no es cosa de llegar y que ocurra la rotación. Hay impedimento estérico. Por lo tanto va a haber una obstrucción de una cadena lateral a otra cadena lateral, y por lo tanto no se darían ciertos cambios conformacionales.

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Ahora veamos algunas estructuras de proteínas. Veamos el modelo conocido como de alfa hélice. Ustedes pueden ordenar el esqueleto peptídico en torno a un eje, dando las vueltas de una escalera de caracol. Y ese modelo tiene un puro ordenamiento determinado para la realización del giro. Si esto lo miran desde arriba, este es extremo amino terminal y este el carboxilo terminal, ustedes podrían ver que las vueltas que sigue son sentido anti-horario. Y hay una distancia que está determinada o definida para cada estructura; la principal es el alto que tiene la vuelta, esta vuelta que se va a repetir permanentemente. Y cada vuelta de hélice equivale a 5,4 amstrongs, y eso está calculado que representa 3,6 residuos aminoacídicos, que cada 3,6 aminoácidos obtienen una vuelta

completa. Fíjense que está estableciendo puentes de hidrógeno al completarse cada una de esas vueltas, y esos puentes de hidrógeno pueden obtenerlos entre el oxígeno de un carbonilo y el hidrógeno de un amino. De tal manera que se van a encontrar con la presencia de puentes de hidrógeno que van a estabilizar la estructura alfa hélice. Si ustedes tienen estos puentes de hidrógeno, pierde la flexibilidad la estructura. En las vueltas tú vas observando que el oxígeno establece puentes de hidrógeno con los hidrógenos de los nitrógenos. Aquí tienes un puente de hidrógeno, y vas a tener sobre el nitrógeno del enlace peptídico, vas a tener un carbono unido a un enlace peptídico de otro aminoácido. Y esos se confrontan y establecen un puente de hidrógeno.

Para que se establezcan los puentes de hidrógeno tienen que confrontarse el amino (NH3+) con el carboxilo (COO-), tienen que estar hacia el mismo lado por lo menos.

Aquí hay una vista superior del modelo alfa- hélice…Ahí tienen una estructura alfa hélice con modelo de varillas, ese hueco es solamente aparente y porque, porque si tomáramos en cuenta los radios de vander valls, este no se notaría.

Este es el modelo de llenado espacial, para que vean que ese espacio no existeTenemos alfa hélices que pueden ser izquierda o derecha, las de las proteínas son por lo general derechas.

Hay

repulsiones que afectan a la estabilidad de la alfa hélice: hay repulsiones o atracciones entre los aminoácidos eléctricamente cargados que son sucesivos en la proteína, ósea si tengo muchos aminoácidos que

están cargados, entonces yo voy a observar que hay interacciones electroestáticas muy fuertes que se superponen a las interacciones más débiles, que son los puentes de hidrógeno, estos estabilizaban la alfa hélice entonces van a competir por el puesto, y los sacan, por lo que se puede observar, que cuando una proteína tiene muchos aminoácidos cargados sucesivamente, esas zonas vana tender a no formar estructura alfa hélice.Ahora, la carga depende de sí gano o perdió un protón la cadena lateral, y resulta que esta perdida o ganancia es por aquellos aminoácidos que son ácidos o que son básicos y eso va a depender del pH y del pK de la cadena lateral, así que les estoy sugiriendo un ejercicio, y es que cuando ustedes vean un aminoácido ácido o básico en una proteína y les dan el pH, y se les pregunta existe alguna posibilidad de que en algunos segmentos esta proteína no conforme estructura alfa hélice, y ven puros ac. Glutámicos, y al haber puros glutámicos seguidos, y tiene carga, ustedes deben pensar que no formará alfa hélice. Deben ponerse en la situación, si les dan el pH, y una secuencia proteica, y saben los pks por tabla (se los dan), ustedes deberían saber si la estructura forma o no alfa hélice.Entonces les queda claro que si cambia el pH, cambia la estructura del aminoácido, y por tanto de la proteína, y en el tamaño de los grupos adyacentes, porque? Porque puede haber impedimento estérico, las interacciones también depende de la capacidad para formar alfa hélice, por ejemplo cadenas laterales de fenilalanina, no puedo tener muchas porque no podría formar alfa hélices, porque se rompen.

Interacciones entre grupos R de los aminoácidos, los primeros son las cadenas laterales, espaciados entre 3 o 4 restos de aminoácidos, porque? Porque es lo que dura la vuelta (3.6), entonces si tengo una cadena lateral que esta para allá y tengo 3 o 4 aminoácidos mas, esas cadenas también apuntaran para allá y si tienen a interactuar voy a tener problemas de interacción, y que tipo de interacción? Dipolo-dipolo, carga contra carga, o con la misma carga. Por ejemplo la ocurrencia entre prolinas y glicinas, la prolina es un aminoácido que tiene como característica que su grupo amino y su cadena R, se cierran y forman un anillo, lo que le da una forma de codo, que desestabiliza la alfa hélice, ocurre un quiebre y eso si que es una regla general, la glicina también puede afectar la formación de alfa hélice, porque razón? Porque al tener una cadena lateral tan pequeña, tiene posibilidad de fácil rotación, por lo que tiende a desestabilizar la hélice, pero esto no ocurre siempre como es el caso de la prolina. Hay interacciones entre los restos en la estructura helicoidal, y con restos aminoaciditos con cargas opuestas como son los extremos carboxiterminal y aminoterminal del segmento y lo que sucede es lo siguiente, y esto también desestabiliza la hélice, ustedes saben que el en el grupo aminoterminal debería concentrarse una carga positiva, y el carboxiterminal una carga negativa, y en el caso del doble enlace del carboxilo, algunos de los electrones del doble enlace, tienen a irse con el oxigeno porque hay una resonancia, y en el caso del grupo amino, los electrones tiene a irse. los del nitrógeno de ese grupo, entonces el carboxiterminal tiende a aceptar protones y el aminoterminal a cederlos, por lo que los extremos tienden a verse como un dipolo. Entonces si

interaccionan las cadenas laterales cargadas con los extremos dipolo del segmento, se obtiene un quiebre de la alfa hélice( esto no ocurre siempre).Un ejemplo de interacción electrostática, es el aspartico en posición 100, y la arginina de la posición 103, se da la regla de 3.4 aminoácidos.

Veamos un tipo de proteínas, las queratinas, son insolubles, y están presentes en los animales, particularmente derivados de

la piel (por

ejemplo el cuero), y vamos a hablar de dos tipos de queratina, la alfa queratina, que es muy rica en cistina ( dos cisternas unidas a un pte. Disulfuro),ejemplo de este tipo, cueros, piel, uñas, pelo, ahí se muestran los porcentajes de cistina en cada uno de ellos, fíjense que la alfa hélice se determino a partir de la queratina, históricamente, a partir de la cristalografía de rayos X.

Las beta queratinas en cambio, no tienen cistina pero si son ricas en aminoácidos, con cadenas laterales simples, por ejemplo, la glicina, la serina, la alanina.

Veamos la estructura de la alfa queratina, esta estructura alfa hélice es capaz de enrollarse con otra similar, este enrollamiento, definido acá como enrollamiento izquierdo. Además se pueden disponer estas alfa hélices enrolladas de forma paralela entre sí, lo que se denomina protofilamento, así que sería un tercer orden estructural, el primero seria la secuencia aminoacídica, el segundo el enrollamiento de las

hélices, y cuando ponemos muchos protofilamentos como aparece acá hablamos de las protofibrillas.

La ciencia de los peinados (cueck).. se produce por la ruptura de los puentes disulfuro de las cistina, se reducen por que ganan hidrógenos.Cuando se ponen los ondulines.. lo que hacen es

correr las cadenas polipeptídicas y al oxidarlo se reconstituyen los puentes disulfuro de manera distinta.El modelo beta, que fue descubierto a través de la beta queratina, y es una conformación distinta a la alfa queratina, y lo que se observa es que se esta dispuesto sobre una lamina imaginaria y esa lamina tiene quiebres ,sobres esta lamina pasan las cadenas polipeptídicas,Y ustedes pueden darse cuenta que esta cadena puede dar la vuelta y seguir sucesivamente y lo que obtienen es una estructura beta plegada , ahí hay una visión lateral, entonces la estabilidad de esta conformación viene dada gracias las cadenas laterales simples de la proteína pudiendo interactuar los distintos esqueletos peptídicos a través de puentes hidrógeno.

Entonces lo que tenemos es conformaciones paralelas que van de amino a carboxilo o la conformación beta plegada antiparalela como sería en la diapo, lo que le da la orientación son los grupos aminoterminal y carboxiterminal.

Probabilidad relativa de que un aminoácido se encuentre en algunos de los tres tipos comunes de estructura; alfa hélice, conformación beta y vuelta beta , esta es la información que tienen los programas de expertos.Otro tipo de patrones que se establecen el las proteínas, ahí tienen un loop beta-alfa beta . Esta es lámina beta, significa que tiene conformación

como tejas de zinc.

Acá tamos hablando ya de otro concepto que es dominios estructural, significa que se reconoce un patrón que pueden tener en otras proteínas determinada a una función determinada, entonces uno ya habla de dominios. Dominio tiene que ver con un rango estructural característico, y que tienen que

ver con una secuencia de aminoácidos que no necesariamente están contiguos. La flecha indica la orientación , de n Terminal a carboxilo Terminal. Este dibujo que parece un barrilito, lo utilizan muchas células, como canales de membrana y por el interior de eles por donde pasa el Ion, o un poro también.

La compleja estructura global de una proteína puede describirse por múltiples niveles estructurales, como por ejemplo vemos jaca la estructura de la desoxihemoglobina, las cadenas alfa aparecen en gris y en celeste y las cadenas beta aparecen en rojo y azul ( estudien la hemoglobina y estúdienla muy bien).

En síntesis debemos considerar los siguientes niveles estructurales en una proteína, estructura primaria de la proteína es la secuencia de aminoácidos, acuérdense de la dicisteina, que estaba unida por puentes disulfuro, la estructura primaria incluiría los puentes disulfuros cuando los hay , es decir la especificaron de los puentes disulfuros, forma parte de la especificación de le estructura primaria .

La estructura secundaria es el ordenamiento local de los aminoácidos , local me refiero a de corto alcance, hablamos de beta plegada, de alfa hélice, pero hay una mas que me gustaría mencionar, que es el ovillo al azar, significa que tengo un segmento

de aminoácido que esta en permanente vibración y no tienen ninguna estructura reconocida, una estructura floja y eso forma parte de le estructura secundaria. Pero cuando vemos la forma de cómo se ordenan estos segmentos de estructura secundaria al interior de la proteína se denomina estructura terciaria , y la cuaternaria es, cuando ya se como se pliega la proteína a un nivel mas macroscopico, como es la asociación entre esa proteína y las demás subunidades, en el caso que no hay subunidades no hay estructura cuaternaria, en el caso de la hemoglobina , cuando especifico como se unen las subunidades , estoy especificando la estructura cuaternaria.

Hay una dependencia estructural de la función de las proteínas. En la proteína podemos hallar dominios funcionales, en lo que no necesariamente participan restos de aminoácidos adyacentes en la estructura primaria. ¿ Como me doy cuenta que un aminoácido en un

dominio funcional de una proteína

vale la pena mantenerlo? Reemplazándolo por otro, hay distintos tipo de mutaciones, una mutación que altere un aminoácido, son sitio – dirigidas, yo puedo cambiar un codon y paso a otro aminoácido y si cambio ese aminoácido y se altera la función, ese aminoácido era el clave, y muchas veces son patologías asociadas como es el caso de la fibrosis quistica que es un aminoácido involucrado y pierde la función la proteína completa, la proteína del canal de cloruro, pierde la permeabilidad al cloruro La estructura terciaria puede explicar cómo dos aminoácidos distantes en la estructura primaria puedan estar próximos y participando de una misma función. La forma natural de la proteína se denomina forma nativa se sintetizo se plego gracias a las chaperonas, esa es, también la exposición de las proteínas a pHs extremos altero las cargas y estabilizo alfa hélice o a temperaturas elevadas lo que genera movimiento y hago rotaciones en los planos de los enlaces peptídicos, les hace experimentar un cambio conformacional conocido como desnaturalización, la desnaturalización no afecta la estructura primaria