Universidad de Concepción
ACTIVIDAD 1: LECTURA DIRIGIDA SOBRE ESTRUCTURA DE PROTEINAS
Curso: Biofísica Molecular. Actividades grupales_2016 epto. Bio!uí"ica # Biología Molecular $o"%re: María &os' (sta# Busta"ente Carrera: Bio!uí"ica
1- )*asgos co"unes en las proteínas !ue les +acen posi%le e,ecutar
funciones diversasUno de los principales rasgos co"unes de las proteínas es la estructura co"n !ue tienen los a"ino/cidos cada a"ino/cidos presenta los "is"o co"ponentes !ue son: un grupo a"ino un grupo car%oilo un car%ono central 3car%ono alfa4 una cadena lateral. 5a cadena lateral o grupo * es lo !ue +ace !ue +a#a a"ino/cidos diferentes # ade"/s dependiendo de los grupos funcionales !ue posea # sus características fisico!uí"icas ellos cu"plen diversas funciones co"o por e,e"plo: [] Aminoácidos con g!"os "o#$%s n%!&os: (stos a"ino/cidos tienen grupos polares !ue son ionia%les co"o grupos +idroilos !ue per"iten for"as puentes de +idrógeno con los /to"os de la cadena principal # grupos !ue contienen aufre !ue pueden for"ar puentes desulfuro 3enlace 774 lo !ue +ace posi%le !ue las proteínas !ue los contiene cu"pla la función de for"ar partes en los sitios de unión de "etales e interpretar un rol catalítico en sitios activos de eni"as. [] Aminoácidos con g!"os ácidos: Al tener grupos car%oilos en la cadena lateral est/n cargadas negativa"ente a p8 fisiológico lo !ue +ace posi%le !ue interacciones favora%le"ente con "ol'culas de solventes # for"en interacciones electroest/ticas con a"ino/cidos cargados positiva"ente. (stos a"ino/cidos cu"plen la función de for"ar parte de proteínas glo%ulares e interaccionar con los solventes # dese"pe9ar roles catalíticos en el sitio activo de las eni"as # for"ar parte de sitios de unión de iones "et/licos.
[] Aminoácidos con g!"os 'ásicos:
A"ino/cidos con grupos con pa %a,o se encuentran neutras a p+ fisiológico por lo !ue pueden presentarse "u# frecuente"ente en el sitio activo de eni"as #a !ue puede actuar "u# eficiente"ente co"o cataliador acido%ase. ;a"%i'n puede actuar co"o ligando de iones "et/licos en varias fa"ilias de proteínas. A"ino/cidos con car/cter %/sico "/s fuertes se presentas cargados positiva"ente a p+ fisiológico # pueden for"ar interacciones electroest/ticas con grupos cargados negativa"ente de otras a"ino/cidos # ta"%i'n ,uegan un i"portante rol en las proteínas !ue unen aniones interaccionando electrostatica"ente con los ligandos. [] Aminoácidos con g!"os $#i(á&icos ) $omá&icos: ;ienen una naturalea +idrofó%icos # son no polares.
*- 5a capacidad de esta%iliación de una alfa +'lice frente a una +e%ra
etendida. 5a esta%ilidad de una +o,a %eta paralela frente a una antiparalela
L$ c$"$cid$d d% %s&$'i#i+$ci,n d% !n$ $#($ .#ic% (%n&% $ !n$ %'$ %/&%ndid$:
5a alfa +'lice o a+'lice es una de las estructuras secundarias regular consiste en un plega"iento en espiral +acia la derec+a. 5a estructura de la alfa +'lice se repite cada => A # tiene ?6 a"ino/cidos por vuelta. 5a alfa +'lice son "/s esta%les !ue la +e%ra etendida por!ue los planos de los enlaces polipeptídicos est/n se"i paralelos con el e,e de la +'lice # los dipolos dentro de la +'lice est/n alineados es decir los grupos C@< apunten a la "is"a dirección # los grupos $8 +acia la otra +aciendo posi%le !ue los grupos C@< # $8 de las cadenas laterales for"en enlaces puentes de +idrógeno con un enlace peptídico > residuos por delante d/ndole así un ordena"iento esta%le.
L$ %s&$'i#id$d d% !n$ o0$ '%&$ "$$#%#$ (%n&% $ !n$ $n&i"$$#%#$
5a +o,a %eta o +e%raB es una confor"ación !ue for"a un estructura en igag en una confor"ación "/s etendida !ue la a+'lice. 5a estructura de las +e%rasB es torcida est/ torsión es a la i!uierda # resulta de la rotación relativa de cada residuo de la +e%ra en ?0 grados en sentido +orario. 5as +o,as% !ue corren en una dirección son +e%ras paralelas "ientras !ue en las +e%ras antiparalelas estas corren en direcciones opuestas. (n las +o,as "itas algunas +e%ras est/n paralelas # otras antiparalelas. 5as +o,as antiparalelas son "/s esta%les !ue las +o,as paralelas #a !ue pueden soportar "a#ores distorsiones 3torsiones # nudos4 !ue las paralelas 3!ue son "enos torcidas4 esto es gracias a la geo"etría de los puentes de +idrogeno. - E# %(%c&o d% #$ "%s%nci$ d% !n %sid!o d% "o#in$ $# s% in&od!cido %n #$ s%c!%nci$ d% !n$ .#ic% 2$# comi%n+o3 %n %# m%dio ) $# (in$#45
$or"al"ente la planaridad del enlace peptídico es de 10 en casi todos los enlaces peptídicos de la cadena principal. Al introducir un residuo de prolina en la +'lice +ace posi%le !ue la planaridad sea solo de 10 para un enlace peptídico cis. 5os residuos de rolina inducen una distorsión de alrededor de 20 en la dirección del e,e de la +'lice de%ido al i"pedi"ento est'rico originado por su cadena lateral cíclica lo cual ta"%i'n %lo!uea el /to"o de $ de la cadena principal # !uí"ica"ente previene su participación en la for"ación de un puente +idrógeno. 5a presencia de residuos de prolina en la +'lice causa la ruptura de dos puentes +idrógenos #a !ue el grupo $8 del residuo siguiente ta"poco puede participar en la for"ación de puente +idrógeno.
>("pa!ueta"iento de las +'lices ( # B de "ioglo%ina de esper"a de %allena. (l e"pa!ueta"iento de +'lice ( # B de la "ioglo%ina de esper"a de %allena es un tipo de e"pa!ueta"iento +'lice +'lice 3!ue es cuando las +'lices se e"pa!uetan unas con otras co"o una sucesión de +endiduras # "ontículos4 !ue ocurre de tal for"a !ue los "ontículos de la +'lices ( # B se cruan entre ellos gracias a un +ueco for"ado por un par de residuos de glicina resultando !ue las +'lices ( # B est'n separadas por alguna interaiales poco co"unes.
= (l efecto !ue "odificaciones postransduccionales en una proteína tales co"o : i4fosforilación ii4glicosilación iii4acetilaciones iv4 "iristoilaciones 5 Una "odificación postraduccional de una proteína es un ca"%io !uí"ico ocurrido en 'sta despu's de su síntesis por los ri%oso"as. (s uno de los pasos finales de la síntesis de proteínas # por lo tanto de la epresión g'nica. Muc+as proteínas no podrían e,ercer sus funciones si no sufren estos ca"%ios. 7on "uc+os los tipos de "odificaciones !ue se pueden encontrar: (os(oi#$ci,n: (s la adicción de grupos fosfato a la proteína. (st/ "odificación afecta a grupos <8 de 7er ;+r # ;#r ocasionando un incre"ento nota%le de carga negativa en la proteína. (s reversi%le # "u# frecuente. 5a fosforilación la realian las proteínacinasas transfiriendo el grupo D del A;. g#icosi#$ci,n: (s la adicción de glcidos 3oligosac/ridos o glucanos4 a la proteína. 7e glucosilan proteínas !ue se van a secretar o son de "e"%rana. 5a función de estos oligosac/ridos a9adidos es: favorecer o esta%iliar la confor"ación final de la proteína etracelular o de "e"%rana au"entar la vida "edia de la proteína incre"entando su esta%ilidad # su resistencia a la digestión por las proteasas. au"entar la solu%ilidad en un "edio acuoso aportar las estructuras !ue van a reconocer algunos receptores 3por e,e"plo los antígenos4 $c%&i#$ci,n: 7e trata de una "odificación covalente pos introducción de un grupo acetilo en el a"ino de un a"ino/cido. 5o "/s frecuente es la acetilación de la Met del etre"o a"ino 3lo !ue +ace !ue la proteína no se pueda secuenciar4 pero ta"%i'n puede ocurrir so%re las 5#s de las +istonas para ca"%iar su afinidad por el $A. miis&oi#$ci,n: (s una "odificación irreversi%le de las proteínas por lipidación !ue consisten en la adición de cotraduccional de un grupo "iristoilo en un residuo de glicina 3fig. =4 de la región a"ino ter"inal. 5a "iristoilación per"ite interacciones proteínaproteína d'%iles # proteínalípidos # dese"pe9a un papel esencial en la deter"inación del destino de las proteínas de "e"%rana las interacciones proteínaproteína e intervienen en varias vías de transducción de se9ales..
6 (l efecto de una reducción de los puentes 77 so%re una proteína co"o Ensulina. Un enlace disulfuro puente disulfuro o enlace 77 3enlace aufreaufre4 es un enlace covalente fuerte entre grupos tiol 3784 de dos cisteínas. (ste enlace es "u# i"portante en la estructura plega"iento # función de las proteínas. Al reducir o ro"per los puentes disulfuro de una proteína i"plica la desnaturaliación de las estructura terciaria de la proteína. 5a reducción de los puentes disulfuro de la insula es necesaria para su degradación en el +ígado.
F Enteracciones entre oligó"eros con estructura cuaternaria. 5os oligo"eros son proteínas de estructura cuaternaria !ue contienen "ultiples cadenas de polipeptidos.
5as interacciones proteína proteína # el rol del solvente. Con interacciones proteínaproteína se refiere a la asociación de proteínas # son i"portantes en "uc+os procesos %iológicos. 5as proteínas pueden interactuar durante "uc+o tie"po para for"ar parte de un co"ple,o proteínicoG o pueden transportar a otra proteína o pueden interactuar %reve"ente con otra proteína para "odificarla. (l rol del solvente es lograr !ue la proteína presente una capa de solvatación for"ada por el agua de +idratación !ue es el agua retenida por las cargas el'ctricas de la superficie de las proteínas. (sto ocurre en disolución acuosa cuando los residuos +idrofó%icos de las proteínas se acu"ulan en el interior de la estructura "ientras !ue en la superficie aparecen diversos grupos con carga el'ctrica en función del p8 del "edio.. Cual!uier factor !ue "odifi!ue la interacción de la proteína con el disolvente dis"inuir/ su esta%ilidad en disolución # provocar/ la precipitación.
5a estructura de las proteínas esta esta%iliada por diferentes tipos de enlaces co"o enlaces covalentes 3enlace peptídico enlace por puentes disulfuro4 enlaces por puentes de +idrógeno 3interacciones dipolodipolo4 interacciones +idrofó%icas enlaces salinos 3interacciones electrost/ticas4 o las fueras de los contactos de Han der Iaals. ;odos estos tipos de enlaces ,uegan un i"portante papel en la esta%iliación de la estructura tridi"ensional de las proteínas. 5a fuera de atracción de los diferentes enlaces !ue intervienen en la esta%iliación de las proteínas se epresa en calJ"ol # corresponde a la energía li%erada al for"ar el enlace o la energía !ue de%e su"inistrarse para ro"per el enlace !ue es: ;ipo de enlace Kuera 3calJ"ol4 Covalente =0 a L100 Eónico o salino 1 a L0 uentes de 8idrógeno ? a L6 Han der Iaals 0= a L1 8idrofó%ico 0= a L? Un e,e"plo de un p'ptido de 12 a"ino/cidos pertenecientes a la estructura de la !ui"otripsina 3desde la glicina1? a la asparragina20>4 servir/ para ilustrar los diferente tipos de enlaces !ue se dan para esta%iliar la estructura de las proteínas. 5a !ui"otripsina est/ for"ada por cuatro cadenas polipeptídicas 3A B C 4. N (l es!ueleto polipeptídico se representa en color aul "ientras !ue las cadenas laterales de los a"ino/cidos se representan con los colores típicos C 8 $ < 7 N (nlaces por puente disulfuro (ste tipo de enlaces se esta%lece al oidarse dos cisteínas para for"ar una cistina unión de los dos aufres. (ste tipo de uniones se conocen con el no"%re de puentes disulfuro. C8277C82. or e,e"plo el puente disulfuro entre la C#s201 # la C#s1?6. N (nlaces salinos 5os a"ino/cidos %/sicos # /cidos de las proteínas presentan a p8s fisiológicos carga. Al poderse encontrar en el es!ueleto polipeptídico a"ino/cidos /cidos 3Olu # Asp4 !ue presentan carga negativaG # a"ino/cidos %/sicos 38is 5#s Arg4 !ue presentan carga positivaG +a# distintas regiones de las proteínas con carga opuesta !ue se atraen por fueras electrost/ticas interacciones !ue se conoce con el no"%re de enlace salino. 5os a"ino/cidos !ue presentan carga en su cadena lateral se suelen localiar "/s en la parte eterior de la proteína !ue en el interior de la "is"a en esta localiación se encuentran "a#oritaria"ente los a"ino/cidos +idrofó%icos.
Aun!ue es raro encontrar a"ino/cidos cargados en el interior de la proteína si est/n ,uegan un papel i"portante #a !ue la distancia # fuera de este tipo de enlace se aproi"a a los valores del enlace covalente 32 P4. (n el "odelo propuesto co"o e,e"plo el grupo /cido de la cadena lateral del Asp1> interacciona con el grupo a"ino ter"inal de la cadena B corresponiente a una Ele16. N 5os grupos cargados nor"al"ente se encuentran en la superficie de la proteína # deter"inan el correcto plega"iento de la proteína al poder interaccionar con el agua de solvatación. 5as "ol'culas de agua interaccionan con las cargas de las cadenas laterales 3o grupo a"ino # car%oilo ter"inal4. 7on e,e"plos de este tipo de interacción las 5#s202 # 5#s20? con las "ol'culas de agua de solvatación. N lega"ientos ricos en puentes disulfuros proteínas pe!ue9as A continuación se "uestran unos pocos e,e"plos de la fa"ilia de do"inios ricos en puentes disulfuros. Algunas proteínas pe!ue9as necesitan "antener su estructura tridi"ensional "u# esta%le pero no poseen el nu"ero de ele"ento de estructura secundaria necesario para tal esta%iliación para ello incorporan puentes disulfuros enlaces covalentes entre residuos de císteina confor"acional"ente cercanos !ue acerca # esta%ilia onas distantes de la proteína. 5os "ie"%ros de esta fa"ilia contienen un gran n"ero de puentes +idrogeno !ue esta%ilian su plega"iento la esta%iliaciQn de los ele"entos de estructura secundaria # de la proteRna "is"a depende del alto n"ero de puentes disulfuros. or otra parte los puentes de +idrógeno ta"%i'n est/n i"plicados en el "anteni"iento de la estructura de las proteínas. (stos puentes de +idrógenos se pueden ro"per f/cil"ente por trata"iento con calor. el "is"o "odo al caso anterior la "odificación de la estructura de la proteína por rotura de los puentes de +idrógeno puede "odificar la actividad del eni"a *(CEE;ACES$ 7(5(C;EHA ( 5A7 *<;(T$A7 (l agua es el disolvente %iológico por ecelencia. (n disolución acuosa los residuos +idrofó%icos de las proteínas se acu"ulan en el interior de la estructura "ientras !ue en la superficie aparecen diversos grupos con carga el'ctrica en función del p8 del "edio 3Kigura de la i!uierda4. (n torno a los grupos cargados los dipolos del agua se orientan confor"e a la carga el'ctrica de cada grupo de tal "anera !ue la proteína presenta una capa de solvatación for"ada por el agua de +idratación !ue es el agua retenida por las cargas el'ctricas de la superficie de las proteínas 3(n color ro,o en la Kigura superior derec+a4. 5os AA polares sin carga ta"%i'n se disponen en la superficie donde interaccionan con el agua "ediante puentes de +idrógeno 3Kigura superior i!uierda4. Cual!uier factor !ue "odifi!ue la interacción de la proteína con el disolvente dis"inuir/ su esta%ilidad en disolución # provocar/ la precipitación. Así la desaparición total o parcial de la envoltura acuosa la neutraliación de las cargas el'ctricas de tipo repulsivo o la ruptura de los puentes de +idrógeno facilitar/ la agregación inter"olecular # provocar/ la precipitación. 5a precipitación suele ser consecuencia del fenó"eno lla"ado desnaturaliación.
7e lla"a desnaturaliación de las proteínas a la p'rdida de las estructuras de orden superior 3secundaria terciaria # cuaternaria4 !uedando la cadena polipeptídica reducida a un polí"ero estadístico sin ninguna estructura tridi"ensional fi,a 3Kigura inferior4. (stado nativo (stado desnaturaliada Cuando la proteína no +a sufrido ningn ca"%io en su interacción con el disolvente se dice !ue presenta una estructura nativa. Cual!uier alteración de la estructura nativa !ue "odifi!ue su interacción con el disolvente # !ue provo!ue su precipitación dar/ lugar a una estructura desnaturaliada. (n una proteína cual!uiera la estructura nativa # la desnaturaliada tan sólo tienen en co"n la estructura pri"aria es decir la secuencia de AA !ue la co"ponen. 5os de"/s niveles de organiación estructural desaparecen en la estructura desnaturaliada. 5a desnaturaliación provoca diversos efectos en la proteína: ca"%ios en las propiedades +idrodin/"icas de la proteína: au"enta la viscosidad # dis"inu#e el coeficiente de difusión una dr/stica dis"inución de su solu%ilidad #a !ue los residuos +idrofó%icos del interior aparecen en la superficie p'rdida de las propiedades %iológicas Una proteína desnaturaliada cuenta nica"ente con su estructura pri"aria. or este "otivo en "uc+os casos la desnaturaliación es reversi%le. (l proceso "ediante el cual la proteína desnaturaliada recupera su estructura nativa se lla"a renaturaliación. estructura pri"aria la !ue contiene la infor"ación necesaria # suficiente para adoptar niveles superiores de estructuración. (sta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aisla"iento # purificación de proteínas #a !ue no todas la proteínas reaccionan de igual for"a ante un ca"%io en el "edio donde se encuentra disuelta. (n algunos casos la desnaturaliación conduce a la p'rdida total de la solu%ilidad con lo !ue la proteína precipita. 5a for"ación de agregados fuerte"ente +idrofó%icos i"pide su renaturaliación # +acen !ue el proceso sea irreversi%le. 5os agentes !ue provocan la desnaturaliación de una proteína se lla"an agentes desnaturaliantes. 7e distinguen agentes físicos 3calor4 # !uí"icos 3detergentes disolventes org/nicos p8 fuera iónica4. Co"o en algunos casos el fenó"eno de la desnaturaliación es reversi%le es posi%le precipitar proteínas de "anera selectiva "ediante ca"%ios en: 314 la polaridad del disolvente 324 la fuera iónica 3?4 el p8 3>4 la te"peratura
Cuando la te"peratura es elevada au"enta la energía cin'tica de las "ol'culas con lo !ue se desorgania la envoltura acuosa de las proteínas # se desnaturalian. Así"is"o un au"ento de la te"peratura destru#e las interacciones d'%iles # desorgania la estructura de la proteína de for"a !ue el interior +idrofó%ico interacciona con el "edio acuoso # se produce la agregación # precipitación de la proteína desnaturaliada Mecanis"o de desnaturaliación proteica: efinición: un proceso o secuencia de procesos $ativo esnaturaliado $ativo: Ba,o ciertas condiciones de p8 # te"peratura cada polip'ptido asu"e una confor"ación específica. Corresponde a: Una estructura ter"odin/"ica"ente esta%le # Un siste"a organiado con "íni"a energía li%re. 5a confor"ación nativa esta relacionada con la: olaridad 8idrofo%icidad E"pedi"ento est'rico. (stado nativo es ter"odin/"ica"ente "/s esta%le Ca"%ios en entorno: 3p8 fuera iónica te"peratura co"posición disolvente etc.4 rovocan !ue la "ol'cula asu"a nueva estructura 3adapta%ilidad confor"acional4. Ca"%ios en estructura cuaternaria terciaria # secundaria sin afectar la estructura pri"aria. ependiendo de las condiciones las proteínas asu"en algunos Vestados desnaturaliadosW. $ativo esnaturaliado Consideraciones ter"odin/"icas. (l plega"iento de una proteína depende de "uc+os factores: Entrínsecos: estructura pri"aria presencia de puentes disulfuro interacciones electrost/ticas interacciones +idrofó%icas. (trínsecos: polaridad del "edio fuera iónica p8 te"peratura presencia de otros co"puestos. 5a estructura de una proteína nunca es est/tica est/ su,eta a un e!uili%rio donde intervienen estos factores. roceso de desnaturaliación de roteínas ifícil conocer por co"ple,idad de interacciones de fueras !ue est/n involucradas en la deter"inación de la estructura de la proteína. 7in e"%argo se +an ela%orado algunos "odelos para tratar de descri%ir este proceso: Un "odelo %asado en esta idea es el "odelo del (stado de gló%ulo fundido 3@ "olten glo%ule state4: ropone p'rdida casi in"ediata de la estructura cuaternaria # terciaria pero conservando la estructura secundaria !ue se pierde gradual"ente en cada etapa "etaesta%le. (7$A;U*A5EXACE<$ ( *<;(T$A7 ϖKactores físicos ;e"peratura: calor # frío resiones +idrost/ticas ϖKactores !uí"icos Ycidos # /lcalis 3p84 isolventes org/nicos etergentes 7ales Calor HA*EAB5(7: ;e"peratura Helocidad # tie"po de calenta"iento. ;odo ali"ento procesado pasa por alguna etapa de trata"iento t'r"ico. Au"enta energía cin'tica de toda la proteína. 7e de%ilitan interacciones electrost/ticas "/s d'%iles 3iónicas4 se pierde este i"portante soporte. Calor esesta%iliación de interacciones no covalentes: 1.uentes de 8idrogeno en interior de proteína interacciones electrost/ticas # Han der Iaals 3eot'r"icas4. erdida de esta%ilidad a altas te"peraturas # viceversa. 2.8idrofó%icas: esta%les a altas te"peraturas 60 L F0ZC # poco esta%les a %a,as te"peraturas. 3endot'r"icas4. erfiles de desnaturaliación t'r"ica: A.Ca"%io %rusco al pasar te"peratura crítica 3te"peratura de desnaturaliación o "olting point4 B.Ca"%io gradual de las propiedades C.'rdida progresiva con ca"%ios %ruscos ocasionales [A\ [B\ [C\ ZC ZC ZC osi%les consecuencias de trata"iento t'r"ico: 'rdida estructura terciaria #Jo cuaternaria afecta actividad de eni"as. 'rdida de solu%ilidad provoca floculación de proteína 3agregación # precipitación4 Características estructurales !ue protegen a proteína de desnaturaliación t'r"ica: ;a"a9o: roteínas pe!ue9as "/s resistentes !ue grandes uentes disulfuro: Enteracciones covalentes oco afectados por incre"ento de te"peratura4 confieren rigide a la estructura de la proteína4 8idrofo%icidad: roteínas con "/s residuos +idrofó%icos 3+e Hal Ala
;+r4 "/s esta%les a ca"%ios de te"peratura !ue otras ricas en a"ino/cidos polares o iónicos. Kueras iónicas son de "u# corto alcance se de%ilitan al au"entar te"peratura. Contenido de agua: Agua interviene en desnaturaliación una ve iniciada: al perder estructura nativa se producen VgrietasW a trav's de las cuales el agua penetra al interior de proteína. roteínas des+idratadas Mas resistentes a desnaturaliación t'r"ica ;ienen estructuras "/s est/ticas Movilidad de seg"entos polipeptídicos "as restringidos
