1 1.De la estructura unidimensional a la estructura tridimensional proteínas nativas y proteínas...

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1. De la estructura unidimensional a la estructura tridimensional● proteínas nativas y proteínas desnaturalizadas● relaciones estructura-actividad

2. La información para el plegamiento está contenida en la estructura primaria. Las proteínas nativas son estables?● Christian Anfinsen y la ribonucleasa A

3. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde adentro), con una quimotripsina● enlaces disulfuro● enlaces iónicos● enlaces de hidrógeno● fuerzas de van der Waals

Estructura de proteínas, fuerzas que gobiernan el plegamiento

4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

● el agua y otros detalles5. El problema de decidir la

estructura correcta ● ¿cuántos disulfuros puedes

formar?● la corta vida de una proteína

6. Para ganar la carrera● los pequeños motivos de una proteína● un poco de ayuda: enzimas y chaperonas moleculares

7. Resumen

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Bibliografía

• Anfinsen, C and Scheraga, H. Experimental and theoretical aspects of protein folding. Adv. Prot. Chem 29, 205.

• Edelhoch, H. and Osborne, J. Thermodynamic Stability of Macromolecules. Adv. Prot. Chem.; 30; 200.

• Rossmann, M. and Argos, P. Protein Folding. Ann Rev. Biochem. 50; 497.• Dressler, D. And Potter, H.; Discovering Enzymes; Scientific American

Library, Vol 34. Chap 4.• Kolata, G. Trying to crack the second half of the genetic code; Science,

233; 1039.• Dobson, C. Evans, P, Radford, S, Understanding how proteins Fold: The

Lysozyme Story so far, TIBS, 19, 31• Hartl, F. Hlodan, R. and Langer, T., Molecular Chaperones in protein

folding: The art of avoiding Sticky situations., TIBS 19, 20• Hartl, F. and Hayer-Hartl, M. Converging concepts of protein folding in vitro

and in vivo. Nature Structural & Molecular Biology 16: 574

3Las proteínas se pliegan en forma específica y rápida in vivo apenas son sintetizadas

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Formación deenlaces

Est

ado

ener

gétic

o

Plegamiento proteico

? A

ctiv

idad

bio

lógi

ca

Plegamiento proteico

¿Son estables las Proteínas nativas?

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¿Son estables las proteínas nativas?¿qué quiere decir estable?

¿Qué consecuencias tendría una u otra hipótesis?

¿Qué quiere decir estable?

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2. La información para el plegamiento está contenida en la estructura primaria

Christian Anfinsen y la ribonucleasa A

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3.- Fuerzas que determinan el plegamiento (desde adentro)

Con una quimotripsinaPéptido modelo:Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-Lys-Lys-Asn-Gly-Ala-Trp-Thr-Leu-Val-Gly-Ile-Val-Ser TrpAminoácidos 193-216

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Interacciones covalentesEnlace disulfuro

• Es un enlace covalente• Involucra a dos residuos de cisteína• Implica el intercambio de dos electrones

(es decir, su formación o ruptura es una reacción redox)

2 RSH + Oxidante RS—SR + Producto

RS—SR + Reductor 2 RSH + Producto

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Interacciones de cargaIon-Ion; Enlace iónico; puente salino

+Lisina

Arginina

Amino terminal

(Histidina)

-Aspartato

Glutamato

Carboxilo terminal

(Cisteína)

r

qqkE

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= constante dieléctrica - vacío: = 1 - medio apolar: = 3-5 - agua: = 78

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Interacciones con dipolos1. Ion dipolo

NH3+

O

NH

+-

el dipolo se orienta y se atrae con una energía:

2

1

r

qkE

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Interacciones con dipolos2.Dipolo dipolo

N H

O

NH

+-

Los dipolos se ORIENTAN y se atraen con una energía:

+-

321

rkE

pero además los dipolos se SUMAN

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-

+

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Interacciones con dipolos3.Enlace de hidrógeno. Básicamente es una

interacción dipolo-dipolo con un átomo de hidrógeno en el medio

N H O

NH

+-

donador receptor

+-

E = 1-3 kcal/mol

2.7 Å

Altamente DIRECCIONAL

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CH

CH2

O

H

NCH

HO

CH2CH

Interacciones con dipolos3.Enlace de hidrógeno. Un enlace de hidrógeno

entre un receptor y un donador tiene múltiples configuraciones posibles, por ejemplo

Serina

Asparagina

CH

CH2

O

H

NC

H

H

O

CH2

CH… y todas tienen prácticamente la misma energía

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Interacciones de van der Waals• Son interacciones sumamente DÉBILES entre

moléculas.

• Implican dipolos instantáneos y dipolos inducidos.

• Dependen (entre otras cosas) del número de electrones de la molécula (P.M.), por ejemplo:

CH4 Metano (gas)

C8H18 Nafta (líquido)

C40H82Parafina (sólido)

• Son interacciones de contacto (E α r-6).

• Están presentes en TODOS LOS CASOS.

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Resumen de interacciones

Por supuesto que estos son valores promedio y aproximados.Pero destacan la importancia del AGUA

Tipo de enlace Energía (kcal/mol)

Distancia (Å) En el vacío En agua

Covalente 1.5 90 -200 90

Iónico 2.5 80-200 ~ 3

Hidrógeno 3.0 4 1 – 3

van der Waals 3.5 0.1 0.1

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

El agua y otros detalles (efecto hidrofóbico)¿Quién odia al agua?Describamos el fenómeno:

Un soluto no polar en agua tiende a precipitar, agruparse, huir, etc.

Versión 1Los solutos no polares odian al agua por eso se van

Versión 2El agua expulsa a los solutos no polares porque prefiere estar sola

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

¿Hay simpatías entre moléculas?

G = H -TSEl agua y los solutos van a hacer todo lo posible para que:

H < 0

S > 0G < 0

El efecto hidrofóbico puede entenderse en términos de la energía de Gibbs del sistema

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

cadena peptídica

O

H

H O

H

H

O H

H

O

H

H

O

H

HO

H

H

OH

H

O

H

H

O

H

HO

H

H

OH

HO

H

H

O

H

H

O

H

H

O H

H

O

H

H

+H disminuye (se forman enlaces)S aumenta (se liberan moléculas)

G < 0

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

Simpatías entre moléculasEscalas de hidropatías para cadenas laterales de aminoácidos

Kyte y Doolittle (1982)

Arg Lys Asn Asp Gln Glu His Pro Tyr Trp

-4.5 -3.9 -3.5 -3.5 -3.5 -3.5 -3.2 -1.6 -1.3 -0.9

Ser Thr Gly Ala Met Cys Phe Leu Val Ile

-0.8 -0.7 -0.4 1.8 1.9 2.5 2.8 3.8 4.2 4.5

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales pero da indicios de algunas características mediante mapas de hidropatía

http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1

Albúmina

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales pero da indicios de algunas características mediante mapas de hidropatía

http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1

Hemoglobina

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4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales pero da indicios de algunas características mediante mapas de hidropatía

http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1

Citocromo oxidasa

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5. El problema de decidir la estructura correcta¿Cuántos disulfuros se pueden formar?

Cisteínas Disulfuros posibles Combinaciones posibles

2 1 1

4 2 3

6 3 15

8 4 105

10 5 945

12 6 10395

14 7 135135

16 8 2027025

34 17 6332659870762850000

46 23 25373791335626300000000000000

← RNAsa A

← Quimotripsina

← Albúmina sérica

← Inmunoglobulina

Edad del universo (s) 432043200000000000

Nn

nnn

n2

2

2

( )!

!

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5. El problema de decidir la estructura correctaEl plegamiento no puede ser un proceso de búsqueda aleatoria. Debe existir un camino secuencial y ordenado para llegar al estado nativo.

El “camino” debe proporcionar una ruta RÁPIDA e INEQUÍVOCA hacia el estado nativo.

Además, la ruta debe estar codificada en la secuencia de aminoácidos ya que muchas proteínas se pliegan espontáneamente in vitro

Secuencia de aminoácidos

Estructura 3D?alguna ayudita

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6. Para ganar la carrera

Los pequeños motivos de una proteína

IN VITRO:

1. El plegamiento de un polipéptido enrollado al azar comienza con la formación de pequeñas secciones de estructura secundaria, como hélices , giros , etc., que pueden funcionar como núcleos desde donde el plegamiento se extiende.

2. Los núcleos que tienen la estructura adecuada pueden crecer por la difusión, colisión o adhesión de dos o más núcleos, hasta formar los dominios de la proteína

Muchas proteínas se pliegan a su estado nativo en una secuencia ordenada de pequeños “colapsos” que forman “motivos” de la estructura 3D.

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6. Para ganar la carrera

3. En proteínas con más de un dominio, estos se pueden juntar para formar un “glóbulo fundido” que tiene la estructura secundaria correcta pero tiene una estructura terciaria desordenada, por ejemplo, puede haber residuos hidrofóbicos expuestos al disolvente.

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6. Para ganar la carrera

Un poco de ayuda

Isomerasas de disulfuros proteicosIsomerasas de prolinas peptídicas cis-trans

El plegamiento de las proteínas tiene algunos pasos más lentos como la formación de enlaces disulfuro o la isomerización cis-trans de los enlaces peptídicos de prolina

Para acelerar estos procesos hay, por supuesto, enzimas

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6. Para ganar la carrera

Un poco de ayuda

Chaperonas molecularesProteínas de shock térmico

Las chaperonas moleculares inhiben interacciones inapropiadas entre superficies potencialmente complementarias y rompen uniones inadecuadas para facilitar asociaciones más funcionales

Las Hsp se unen a cadenas polipeptídicas nacientes cuando van emergiendo del ribosoma. Revierten la desnaturalización y la agregación de proteínas

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Netzer, WJ and Hartl, FU; TIBS, (1998) 23: 68

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1. De la estructura unidimensional a la estructura tridimensional● proteínas nativas y proteínas desnaturalizadas● relaciones estructura-actividad

2. La información para el plegamiento está contenida en la estructura primaria. Las proteínas nativas son estables?● Christian Anfinsen y la ribonucleasa A

3. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde adentro), con una quimotripsina● enlaces disulfuro● enlaces iónicos● enlaces de hidrógeno● fuerzas de van der Waals

Estructura de proteínas, fuerzas que gobiernan el plegamiento

4. Fuerzas que determinan el plegamiento (desde afuera)

● el agua y otros detalles5. El problema de decidir la

estructura correcta ● ¿cuántos disulfuros puedes

formar?● la corta vida de una proteína

6. Para ganar la carrera● los pequeños motivos de una proteína● un poco de ayuda: enzimas y chaperonas moleculares

7. Resumen