Dr. Alape

Proteínas

Priones: agentes infecciosos de naturaleza proteica. Es una proteina con su correspondiente en el organismo, pero que al plegarse de manera diferente provoca una enfermedad infecciosa, como encefalopatias. Es una proteina con 2 plegamientos.

Proteínas: macromoléculas, son heteropolímeros de alfa- L - aminoácidos, tienen longitud y secuencia variables, y diferentes formas (globulares y fibrosas). Se encuentran dispersas en todos los compartimientos intra y extracelulares en una ambiente hidrosoluble (citoplasma y compartimientos intracelulares).

Estructura: Pueden ser globulares o fibrosas, las fibrosas son mas alargadas y se encuentran en la matriz como el colageno. Las globulares son mas compactas, la mayoria son de este tipo.Las poteinas transmemebraba, que son fibrosas, son muy difíciles de estudiar porque al ser liposolubles son difíciles de extraer.

Son las macromoleculas mas versátiles. Funciones muy diversas:Estructurales: (fibrosasproteínas del citoesqueleto (actina, tubulina) o de la matriz extracelular como colágeno en el tejido conectivo, queratina en piel y pelo, elastina en las paredes de los vasos sanguineos.Transportar o almacenar: lipoproteínas almacenan lípidos, colesterol, proteinas asociadas al grupo HEM, la hemoglobina transporta oxígeno (pulmones – tejidos), la mioglobina (músculo, cardiaco y esqueletico–tiene menos capacidad). La hemoglobina tiene estructura cuaternaria y la mioglobina solo terciaria.Catálisis: la mayoría de las enzimas son proteínas, acelera una reaccion disminuyendo la energia de activacion. En una reaccion hay ruptura y formación de enlaces, con la formación de un intermediario (no es muy estable) tiene un elevado contenido de energia la velocidad depende de la energia de esa reaccion, los cataliticos estabilizan este intermediario para disminuir la energia de activacion. Transduccion de senales: muchas hormonas son de naturaleza proteica, se produce una proteína, se secreta al espacio extracelular y actúa como hormona (citoquina), se une al receptor de otra célula y activa un proceso . Regulación de la expresión génica: para se exprese un gen, proteínas que se unen al ADN, en la parte reguladora, son las que indican que ese gen tiene que activarse, que ese gen tiene que empezarse a transcribir. Proteínas de membrana y transmembrana: regiones que actuan como proteinas transportadoras, receptores, para diferentes ligandos, hormonas, hay canales iónicos. Los factores de crecimiento que hacen que las células entren en división, son proteínas. Defensa: los anticuerpos, proteínas plasmáticas (en plasma y espacio extracelular). Son producidas por células plasmáticas que provienen de los linfocitos B, se unen específicamente a un antigeno. Los factores del complemento, que pertenecen al sistema de complemento (conjunto de proteínas plasmáticas, producidas en el hígado. Forman parte del sistema inmune, y al detectar una bacteria, estas se unen a su membrana y forman un hueco para lisar esa bacteria). Los factores de la coagulación: se consideran parte de un sistema de defensa, que evita las hemorragias, cuando se dañan las paredes de los vasos, se activan y se forma una malla para que no pueda salir la sangre del vaso.

Su estructura conformacional determina su capacidad de interactuar con otras moléculas. Las proteínas interactuan con otras moléculas.

Dependiendo de su estructura conformacional pueden unirse a otras moléculas, estas uniones ocurren por complementareidad de formas, cargas, superficies. Pueden unirse con alguna afinidad de manera específica y reversible, tienen constante de afinidad.Pueden formar puentes de hidrógeno, interacciones electrostáticas, fuerzas de van der waals. Si la proteína pierde su estructura va a perder la capacidad de llevar a cabo su función.

Muchas interactuan con otras proteinas, por ejemplo la capside en la cual hay interacciones de tipo no covalente con otras y permite ormar estructuras tridimensionales. La estructura tridimensional no es rígida, pueden ocurrir cambios conformacionales. Las proteínas de la superfamilia RAS, actúan como switches moleculares para activar procesos, entonces tienen dos conformaciones, una en la cual tienen unido GDP y otra en la que tienen unido GTP.

Aminoácidos codificablesLos aminoácidos que constituyen a las proteínas de los seres vivos son alfa – L aminoácidos, con una excepcion ya que en la pared de las eubacterias hay un polisacarido complejo, el peptidoglican 2unidades alternantes de NAG y NAM, entrecruzados x tetra peptidos y pentapeptidos de aas de la serie D. Tambien tienen en el carbono alfa un grupo R. Se clasifican dependiendo de la naturaleza del grupo R en hidrofóbicos, en polares, cargados y no cargados.

Hay 20 codificables, que están especificados en el código genético. Clasificacion del grupo R: (dibujos)

NO POLARES:Alifaticos: gly, ala, val, leu, metAromáticos: Phe, tyr, tryp

POLARES:No cargados: ser, tre, cys, asp, gluCargados:-Positivamente: lys,arg, his-Negativamente: aspartato y glutamato

Hidrofobicidad:Hidrofobicos: phe, leu, iso, val.Hidrofilitos: arg,ac.aspartico y glutámico, ser, asp, cys, glut, his.Anfifilicos: tryp, tyr, lys, met.

En la membrana se ubican preferentemente según estas características. En las transmembrana tienen expresión de residuos hidrifilicos en los extremos e hidrofóbicos en la interfase y en los limites encontramos los anfipaticos.

Los aminoácidos que constituyen las proteínas son más que 20. Propiedades de los aminoacidos:

Más pequeño: Glicina es el aminoácido, el grupo R es un hidrógeno. Hidrofóbicos no polares: alanina, valina, leucina, isoleucina y prolina, cuyo grupo R sólamente tiene carbonos e hidrógenos.Aromáticos: fenilalanina, tirosina y triptofano. Fenilalanina: anillo bencénico, que lo hace completamente hidrofóbico. Tirosina: anillo fenólico, que le confiere cierta polaridad, le da una naturaleza antipática.Triptofano: pasa igual, formando parte del grupo R hay un aminoácido aromático, pero no es completamente hidrofóbico porque tiene un nitrógeno.

Entonces tirosina y triptofano son anfipáticos, mientras que la fenilalanina es hidrofóbica. Tirosina y triptofano: absorben luz a 280nm Grupos hidroxilo: serina, treonina y tirosina. Importantes para procesos de modificaciones postraduccionales (fosforilación). Grupo sulfhidrilo: cisteína, que es polar, puede formar puentes disulfuro, enlace covalente importante para la estabilización de la estructura conformacional. Prolina: el grupo amino es secundario, forma parte de un anillo heterocíclico, esto hace que este este enlace pierde su capacidad de rotación, es el aminoácido más tieso.Aminoácidos ácidos: ác.aspártico y ác.glutámico tienen un grupo carboxilo en el grupo R, cuando están ionizados, están cargados negativamente. La asparragina y la glutamina, son polares, son las amidas de los ácidos aspártico y glutámico. En lugar de un hidroxilo, tienen un grupo amida. Aminoácidos básicos: lisina, arginina e histidina tienen grupos amino aparte del amino unido al carbono alfa, cuando están ionizados, están cargados positivamente.

Modificaciones postransduccionales: ocurren después que la proteina se ha formado, son catalizados enzimáticamente. Esto tiene consecuencias.

Ionizacion:

Los aminoácidos son moléculas ionizables, pueden estar cargados positiva o negativamente.Aa’s acidos: el ácido glutámico y el ácido aspártico, la pKa del grupo R es el pH al cual se disocia el grupo ionizable, tiene un valor bajísimo como de 3 o 4. En condiciones fisiológicas (pH 7.2) siempre van a estar cargados negativamente. Aa’s ionizables basicos: la lisina y la arginina, se cargan positivamente (grupos amino), la pKb es altísima, más de 9. La histidina, tiene una pKb muy cercana a la neutralidad, a veces está cargada positivamente y a veces no, depende del entorno. Frecuentemente están ubicadas en sitios activos enzimáticos.

La carga de una proteína va a depender de:a. Su secuencia de aminoácidos.b. pH del medio en que se encuentra.

Cuando el grupo carboxilo esta ionizado vaa estar cargado negativamente, cuando el grupo amino esta protonado, esta cargado positivamente.El que grupo ionizable este cargado o no depende del Ph.La ley de accion de masas: dependiendo d ela concentración de protones van a etar protonados los grupos ionizables.Si la cc de protones e smuy alta y el pH es bajo: este H del carboxilo no se va adesprendder xq en la reaccion en la que se desprende se liberan protones y hay muchos protones en el medio.Este grupo amino va a estar protonado porque la cc de protones en el medio es muy alta.A un pH muy alto donde la cc de protones es muy baja, el grupo va a estar protonado y este grupo va a ionizarse, vaa liberar el proton xq la cc de protones en el medio es muy baja.

En algunos casos van a estar protonados ambos grupos, sin embargo la carga neta de aa va aser cero, la forma zwiterionica del aa. Para un aa como la glicina hay 3 formas una forma donde el grupo amino esta cargado, una donde el grupo carboxilo etsa cargado y una forma donde ambos estan cargados. La forma predominante depende del pH.

Otros aas mas complejos como el ac.glutamico, tienen un grupo carboxilo, la curva de titulacion va a ser diferente van a haber mas formas una donde el grupocarboxilo esta cargado y los dos grupos carboxilo y amino y el carbono alfa estan cargados y una cuarta donde

En el caso de la histidina que tienen grupos extra que se pueden cargar, el anillo imidazolico el grupo amino puede cargarse positivamente entonces, para cada uno de los grupos ionizables hay una pK.

pK: constante de ionizacion que correspoponde al pH por encima (en el caso de los aas acidos) o por debajo (aas basicos) del cual este grupo ioniza.

Para el glutamato en por encima del pH 4 el grupo carboxilo se va a encontrar desprotonado, va a tener carga negativa.

Ac. Aspartico y glutámico tienen pK de alrededor de 4.5, entonces por encima de ese pH van a estar cargados negativamente. El grupo carboxilo y el grupo R siempre vana estar cargados negativamente.Histidina y Arginina y lisina tienen pk de 12 y 7.5 esos son pHs extremos, eso significa que a pH fisiologico los grupos amino y grupos R van a estar protonados.

Histidina es un aa que se puede cargar positivamente, pero su pkb es tan cerca del pH fisiologico que no siempre va a estar cargada positivamente, dependiendo del pH y la proteina en que se encuentre (por ej si se encuentra cerca de un sitio activo).

Punto isoeléctrico: es el pH en el cual esa proteína tiene una carga neta igual a cero. El número de cargas positivas y negativas es el mismo. NO varía con el pH!, es una propiedad fisicoquímica que depende de su estructura.

Aminoácidos no codificablesSon los que se encuentran formando parte de proteínas, pero no están especificados en el código genético, sino que se forman por modificación de los codificables. Estas modificaciones postraduccionales, son importantes para el funcionamiento correcto de la proteína.

Hidroxiprolina: la prolina, se hidroxila.α-Gama-carboxiglutámico: ácido glutámico se carboxila.

Los factores de coagulación, muchos son proteínas que tienen gama-carboxiglutámicos formando parte de su estructura. La vitamina K es importante para la enzima que pega los grupos carboxilo a los ácidos glutámicos.

Los dicumarinicos, raticidas, son inhibidores antagonistas de la vitamina K. Inhiben la carboxilación de los ácidos glutámicos de los factores de coagulación y ocasionan hemorragias internas y mueren.

Proteinas conjugadasSimples: solo tienen aas en su estructura

Conjugadas: tienen tbn grupos prosteticos con diferentes caracteristicas.Los utilizan por ejemplo para el plegameinto o como cofactores que estabilizan estructura terciaria (enlaces de coordinación)

Enlaces peptídicosLos aminoácidos están unidos mediante enlaces peptídicos, es un enlace tipo amida, que une covalentemente los aminoácidos en las proteínas, formando una cadena polipeptídica.

Las proteínas son macromoléculas formadas por una o más cadenas polipeptídicas son péptidos muy grandes (cadenas polipeptídicas pequeñas, con menos de 50 aminoácidos). Usualmente, se habla de una molécula grande, que pesa más de 50 kilodaltons.

El enlace peptídico se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro aminoácido, con la pérdida de una molécula de agua, y forma un enlace de tipo amida, los grupos R de los aminoácidos van a quedar unidos a la cadena polipeptídica principal (-N–C–C–N–C–C-).

Participa el carbono carboxílico del primer aminoácido, y el nitrógeno del grupo amino del siguiente aminoácido. El oxígeno y el nitrógeno tienen electrones libres, entre el carbono y el oxígeno se dibuja un doble enlace, pero en realidad, el enlace carbono nitrógeno no es simple, porque los electrones de los orbitales externos del oxígeno y del nitrógeno están resonando, están deslocalizados entre los tres átomos – los enlaces tienen carácter parcial de doble enlace. Esto hace que el enlace peptídico tenga geometría planar. No hay libre rotación.

Los carbonos alfa, tienen libre rotación, de manera que se pueden ver las cabezas polipeptídicas como una cadena principal con los grupos R unidos a los carbonos alfa y los planos que se conectan a través de esos carbonos alfa.

Hay restricción para la rotación, dependiendo de los grupos R. Si tenemos 2 glicinas, el grupo R libre rotacion en una curva, pero tenemos triptofano y fenilalanina, los grupos R tienen gran impedimento estérico. Hay dos posibles conformaciones extremas: cis o trans, dependiendo de la naturaleza del grupo R. Esto determina de qué manera se pliega la cadena polipeptídica.

El carbono alfa de la prolina no puede rotar, sólamente hay dos posibilidades reales (cis o trans).

En una cadena polipeptídica los aminoácidos se llaman residuos de aminoácidos. Siempre hay un extremo amina libre. El primer aminoácido siempre está en el extremo aminoterminal. El último, que tiene el carboxilo libre, está en el extremo carboxilo terminal.

Para nomenclatura, se nombran todos los aminoácidos como derivados del último (glicil alanil glutamil prolina). Los grupos R se proyectan perpendicularmente a la cadena principal.

Determinación de la estructuraEspectrómetro de masas determina la masa de las proteínas que están cargadas. Envían una señal que luego se integra.Isoelectroenfoque se utiliza un gel que esta cargado y según las cargas los aas migran a los polos y se detienen en su PI. Punto isoelectrico: numero de carga neta es cero.Aas básicos: PI alto a pH fisiológico, tiene muchas cargas positivas.Aas ácidos: PI bajos a pH fisiológico, tienen muchas cargas negativas.

Determinación de la secuencia de aas.Se da una secuencia de reacciones, ciclos de reaccion de Edman que van del grupo amino terminal hasta el grupo carboxilo terminal, se utiliza isosuccinato de tionilo el cual reacciona con el grupo amino del extremo amino de la cadena polipeptídica y forma un derivado se ese aa el enlace peptídico se rompe y se van liberando aas derivatizados, se identifica comparando con el estándar. Para todas éstas recciones se necesita tener la proteína pura. En cada ciclo se obtiene un aa derivatizado. Nose puede utilizar para proteinas grandes de 100 residuos, estas hay que cortarlas, (fragmentarlas) y secuenciarlos por separado, por eso se busca cortar específicamente para ubicar el orden (utiliza diferentes para cada fragmento).

PlegamientoLas cadenas polipeptídicas se pliegan en estructuras compactas, tienen una estructura tridimensional y el plegamiento depende de la capacidad de rotación de los enlaces y qué tipo de interacciones pueden mantener los átomos que constituyen la cadena principal y los grupos R.

Las cadenas polipeptídicas se pliegan de manera específica en una forma determinada porque termodinámicamente, es la estructura más estable. En la cual el número de interacciones no covalentes es máximo, estas interacciones van a determinar de qué manera se pliegan y van a estabilizar esta estructura.

Niveles de estructura de las proteínas: Estructura Tipo de plegamiento EstabilizadaPrimaria Secuencia de aminoácidos Enlaces peptídicos Secundaria Plegamiento local Puentes de hidrógenoTerciaria Plegamiento global. Forma en que la

cadena está plegada.Interacciones entre átomos de la cadena principal y grupo R.

Cuaternaria Proteínas que tienen más de una cadena polipeptídica dímeros, heterodímeros, homodímeros.

Interacciones no covalentes o puentes de disulfuro

Maneras de representar la estructura tridimensional: El modelo de cintas muestra los elementos de estructura secundaria y el modelo lleno muestra la superficie de la proteína.

Hay 4 tipos de estructura secundaria:Estructura de alfa hélice: forma una hélice dextrógira, que da una vuelta cada 4 aminoácidos. Hay una formación regular de puentes de hidrógeno (entre atomos cercanos) que estabilizan esta estructura. Los grupos R están proyectados perpendicularmente al eje imaginario de la hélice. Se representan con colochos.Estructura de hojas beta: la cadena está más aplanada, hay cierto ángulo en los carbonos alfa pero no tanto como las alfa hélice. Los puentes de hidrógeno estabilizan la estructura, se forman entre átomos que están lejos, está plegada de manera que se establecen contactos regulares pero no entre átomos muy cercanos en la secuencia. Hay periodicidad pero no son segmentos adyacentes. Se representan con flechas. Si en una proteína hay dos flechas adyacentes en dirección opuesta se llaman antiparalelas y son paralelas cuando tienen flechas en misma dirección. La cadena está formando un plano, los grupos R quedan o por arriba del plano o por debajo. Giros beta: segmentos en los cuales cambia bruscamente de dirección. En estos sitios, se da la estabilización por puentes de hidrógeno entre aminoácidos cercanos. Son los sitios de la proteína con mayor restricción estérica, porque los grupos R no pueden dirigirse hacia adentro (están dirigidos hacia el mismo lado), por lo que usualmente encontramos glicinas. Los aminoácidos más grandes no están en esta estructura. Al azar: segmentos donde no hay un patrón característico de formación de puentes de hidrógeno que estabilice la estructura.

Estructura terciariaUn dominio se define como un segmento de una proteína de una longitud variable entre 50 y 350 residuos de aminoácidos que forma una sola unidad en la estructura tridimensional. Tenemos proteínas de un solo o varios dominio, usualmente son unidades funcionales (no solo estructurales) se asocian a una función particular.

Se estabilizan por medio de interacciones de tipo no covalente como puentes de hidrógeno, interacciones electrostáticas, hidrofóbicas que se establecen tanto entre átomos de la cadena principal como entre los grupos R.

Los puentes de disulfuro son interacciones covalentes, muy importantes. La cisteína tiene grupos sulfhidrilo, que catalizados enzimáticamente, reaccionan para formar los puentes disulfuro (2 átomos de azufre se unen covalentemente).

La mayoría de las proteínas están en un ambiente acuoso, el líquido intracelular, como regla general, las proteínas se pliegan de manera que exponen en su superficie los residuos hidrofílicos, y los hidrofóbicos los esconden hacia el interior para que interaccionen entre sí.

La excepción son las proteínas que atraviesan la membrana, las proteínas transmembrana exponen en su superficie residuos hidrofóbicos para poder mantenerse dentro de la membrana. En las regiones de la interfase de la membrana se exponen residuos anfipáticos (en regiones entre hidrofílico e hidrofóbico).

Determinación de la estructura tridimensionalDifracción de rayos X (Cristalografía) Resonancia magnética nuclear (NMR)Es muy usa porque es para proteínas grandes, las proteínas se encuentran en estado sólido, ya que se encuentran muy concentradas, por los cristales hay muchos aas dispuestos de manera simétrica por lo que se hacen pasar rayos x que chocan contra los átomos difractan contra una película sensible a rayos X. Esta imagen (mapa de difracción) que se forma, luego por estudios de física, se reconstruye la posición en el espacio la posición de cada átomo dentro de la estructura. La solución que hace cristalizar cada proteína

Se utiliza solo para proteínas pequeñas, estas se encuentran disueltas en un medio acuoso, este se somete a un campo magnético y se obtiene un espectro de núcleos de cada uno de los átomos de la proteína y se reconstruye.

es diferente por ello esto se vuelve un ensayo de prueba-error.

Modelaje molecularEstructura tridimensional no se puede determinar en base a la secuencia sin embargo como se sabe la estructura tridimensional de tantas proteínas se pueden hacer predicciones con bases en secuencias parecidas.

(1:03)Proteínas que pertenecen a una misma familia están codificadas en genes que pertenecen a una misma familia.Unos pocos genes ancestrales que se han mantenido (alrededor de 1000) se han ido duplicando y recombinando y han dado origen a genes actuales.La histona H3 existe en mamiferos, insectos,inclusive en las cel eucariotas, estos son genes ortologos.Han provocado genes ortólogos (equivalentes entre 2 especies no relacionadas) que dan origen a proteínas ortólogas.Los genes que codifican por las hemoproteinas dieron origen a la hemoglobina y la mioglobina que existen en los vertebrados, entonces aquí hablamos del gen de la cadena alfa de la hemoglobina y el gen de la cadena alfa de la mioglobina, son muy parecidos los 2 derivan de un gen ancestral, pero no son equivalentes, sino que son el producto de una modificación de un sustrato.Proteínas parologas: que no están codificadas en genes equivalentes.En diferentes especies se comparan genes de proteínas relacionadas filogenéticamente se dice que son homólogos (secuencias de aas con muchos residuos idénticos).Proteinas ortologas: igual o distinta funcion.Las proteínas homologas pertenecen a una misma familia y tienen un ancestro en común, y pueden ser parologas u ortologas.Entre proteínas homologas la estructura terciaria es mas conservada que la secuencia de aas esto es porque el plegamiento no depende de toda la secuencia sino de ciertos residuos critico, menos del 10% pro, cys, gly.

En algunos casos proteínas múltiples dominios se han formado por duplicación y recombinación y haya un intercambio no homologo originando nuevos genes que codifican nuevas proteínas dando origen a proteínas mas complejas con funciones mas complejas (evolución y especialización).

Familias y SubfamiliasInmunoglobulinas Anticuerpos: formadas por 2 cadenas pesadas (4dominios) y 2 cadenas livianas (2dominios), estos dominios se parecen, son dominios tipo Beta, son los dominios tipo inmunoglobulinas, que están presentes en los anticuerpos y además en proteínas involucradas en resp. Inmunologica, todas las que tienen al menos un dominio inmunoglobulina se clasifican en la superfamilia de las inmunoglobulinas,

Se clasifican en familias y superfamilias dependiendo de la filogenético.Se determina por la estructura tridimensional, muchas veces, esta no es rígida, tienen cierta flexibilidad que le permite reaccionar con los ligandos.

En la medicina moderna hay estudios relacionados, por ejemplo una familia que tiene una sordera hereditaria, inicia a los 10 años. Se ubica el gen que esta mutado en los miembros que son sordos y es normal en los que no, se secuencia ese gen y es una proteína que nadie ha descrito, no se sabe su función, entonces en las bases de datos se almacenan todos los datos encontrados hasta ahora y estos descubrimientos ayudan a hacer comparaciones de secuencias.

Muchas veces la estructura terciaria se ve afectada por modificaciones postraduccionales (después de la traducción), involucran la formación o ruptura de átomos covalentes. Pueden ser reversibles o irreversibles.

MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALESReversibles IrreversiblesGlicosilaciones: plegamiento, vida media.AcetilacionFosforilacion: regulación de la estructura 3D.

Proteolisis parcial

Otro mecanismo de regulación de estructura y función

Regulaciones alostericas: mediante una unión o un ligando, pero esta no es covalente, interactua en un sitio regulador y produce un cambio conformacional. Ejemplo: proteínas reguladas por GTP y GDP, depende de cual esta unido modifica la función de esa proteína.La estructura tridimensional es modificable, puede cambiar como parte de la función.

DesnaturalizacionPerdida total o parcial de la estructura conformacional y usualmente lleva a la perdida de la función.Puede darse por un cambio de pH, temperaturas extremas, un agente reductor.