14. Estructura deproteínas, 1

Niveles estructurales en las proteínas

Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos

Estructura secundaria: Plegamiento básico de la cadenadebido a enlaces de hidrógeno entre grupos -CO- y -NH-de la unión peptídica: hélices, láminas y giros

Estructura terciaria: Estructura tridimensional de la proteína

Estructura cuaternaria: Asociación de distintas subunidades,siendo cada una un polipéptido.

5’-AAGGGTACCCAACATTTAGTT-3’3’-TTCCCATGGGTTGTAAATCAA-5’

5’-AAGGGUACCCAACAUUUAGUU-3’

N Lys.Gly.Ser.Gln.His.Leu.Val C

DNA

RNA

Proteína

Estructura primaria

FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKA

S

S

GIVEQCCASVCSLYQLENYCN

S S

S

S

Estructura primaria de la insulina

CC

CH2

S

S

CH2

CCN

N

OH

H O

H

H

CC

CH2

N

OH

SO3H

H

H

CH2

CCN

H O

SO3H

HCO3H

Oxidación de puentes disulfuro

CC

CH2

S

S

CH2

CCN

N

OH

H O

H

H

CC

CH2

N

OH

SH

H

H

CH2

CCN

H O

SH

DTT ICH2 COOH

CC

CH2

N

OH

S

CH2

COO-

H

H

CH2

CCN

H O

S

CH2

COO-

Reducción y alquilación de puentes disulfuro

O2N

NO2

F + H2N CN C

N

R1

O

H

R2

O

H

R3

O

O2N

NO2

HN CN C

N

R1

O

H

R2

O

H

R3

O

O2N

NO2

HN

R1

COOH

H2N COOH

R2 COOH

R3

H2N+ +

Determinación del N-término por la reacción de Sanger

---.---.---.Lys.---.---.---

Tripsina

---.---.---.Arg.---.---.---

---.---.---.Phe.---.---.------.---.---.Tyr.---.---.------.---.---.Trp.---.---.------.---.---.Leu.---.---.---

Quimotripsina

Rotura enzimáticade polipéptidos

N CN C

N CN

CH2

O

H

R

O

H

R

O

C CN C

NCN

H

O

R

H

O

R

H

H

R

O

H

R

O

CH2

S

CH3

NCN

CN

H

O

R

H

O

R

H

O

O

CN C

N

R

O

H

R

O

CN C

H

R

O

H

R

O

H2N

BrCN

Rotura de un péptido por bromuro de cianógeno

N CN C

O

H

R4

O

CNC

H

O

R2

H

O

R1 R3

H2NN C S +

N C

S

N CN C

O

H

R4

O

CNC

H

O

R2

H

O

R1 R3

N

H

N CN C

O

H

R4

O

CH2N

H

O

R2

R3

NNH

S

O

R1H

+

Degradación secuencial de Edman

Ácido diluído

Feniltioisocianato

PTC-péptido

PTH-aminoácido

Péptido (n)

Péptido (n-1)

Hoy día, la mayor parte de estructuras primarias de proteínasse determina a partir de la secuencia de nucleótidos en el genoma.

Técnicamente la secuenciación de ácidos nucleicos (en particular,la de DNA) es mucho más sencilla y barata que la de proteínas, estando al alcance de cualquier laboratorio.

10 20 30 40 50 60 | | | | | | PYQYPALTPE QKKELSDIAH RIVAPGKGIL AADESTGSIA KRLQSIGTEN TEENRRFYRQ

70 80 90 100 110 120 | | | | | | LLLTADDRVN PCIGGVILFH ETLYQKADDG RPFPQVIKSK GGVVGIKVDK GVVPLAGTNG

130 140 150 160 170 180 | | | | | | ETTTQGLDGL SERCAQYKKD GADFAKWRCV LKIGEHTPSA LAIMENANVL ARYASICQQN

190 200 210 220 230 240 | | | | | | GIVPIVEPEI LPDGDHDLKR CQYVTEKVLA AVYKALSDHH IYLEGTLLKP NMVTPGHACT

250 260 270 280 290 300 | | | | | | QKFSHEEIAM ATVTALRRTV PPAVTGITFL SGGQSEEEAS INLNAINKCP LLKPWALTFS

310 320 330 340 350 360 | | | | | | YGRALQASAL KAWGGKKENL KAAQEEYVKR ALANSLACQG KYTPSGQAGA AASESLFVSN

HAY Estructura primaria de la aldolasa A humanaSWISS-PROT http://www.expasy.ch

Cálculos a partir de estructura primaria

- Número, porcentaje y fracción molar de aminoácidos

- Fórmula molecular y peso molecular

- pI (punto isoeléctrico) teórico

- Absorbancia molar teórica

- Vida media teórica

- Índices de inestabilidad e hidrofobicidad

Amino acid composition:

Ala (A) 42 11.6%Arg (R) 15 4.1%Asn (N) 14 3.9%Asp (D) 14 3.9%Cys (C) 8 2.2%Gln (Q) 17 4.7%Glu (E) 24 6.6%Gly (G) 30 8.3%His (H) 9 2.5%Ile (I) 20 5.5%Leu (L) 34 9.4%Lys (K) 26 7.2%Met (M) 3 0.8%Phe (F) 8 2.2%Pro (P) 19 5.2%Ser (S) 20 5.5%Thr (T) 22 6.1%Trp (W) 3 0.8%Tyr (Y) 13 3.6%Val (V) 22 6.1%

Asx (B) 0 0.0%Glx (Z) 0 0.0%Xaa (X) 0 0.0%

Atomic composition:

Carbon C 1741Hydrogen H 2780Nitrogen N 486Oxygen O 526Sulfur S 11

Formula: C1741H2780N486O526S11Total number of atoms: 5544

Molecular weight: 39288.8

ProtParam, 1http://www.expasy.ch

Total number of negatively charged residues (Asp + Glu): 38Total number of positively charged residues (Arg + Lys): 41

Theoretical pI: 8.39

Extinction coefficients:

Conditions: 6.0 M guanidium hydrochloride 0.02 M phosphate buffer pH 6.5

Extinction coefficients are in units of M-1 cm-1 .

The first table lists values computed assuming ALL Cys residues appear as half cystines, whereas the second table assumes that NONE do.

276 278 279 280 282 nm nm nm nm nmExt. coefficient 35630 35508 34945 34190 32880Abs 0.1% (=1 g/l) 0.907 0.904 0.889 0.870 0.837

276 278 279 280 282 nm nm nm nm nmExt. coefficient 35050 35000 34465 33710 32400Abs 0.1% (=1 g/l) 0.892 0.891 0.877 0.858 0.825

ProtParam, 2http://www.expasy.ch

Estimated half-life:

The N-terminal of the sequence considered is P (Pro).

The estimated half-life is: >20 hours (mammalian reticulocytes, in vitro). >20 hours (yeast, in vivo). ? (Escherichia coli, in vivo).

Instability index:

The instability index (II) is computed to be 34.82This classifies the protein as stable.

Aliphatic index: 87.16

Grand average of hydropathicity (GRAVY): -0.268

ProtParam, 3http://www.expasy.ch

Predicciones a partir de estructura primaria, 1

- Hidrofobicidad

- Estructura secundaria

- Retención cromatográfica en HPLC

- Residuos accesibles y ocultos

- Mutabilidad

Ala: 1.800Arg: -4.500Asn: -3.500Asp: -3.500Cys: 2.500Gln: -3.500Glu: -3.500 Gly: -0.400His: -3.200Ile: 4.500Leu: 3.800Lys: -3.900Met: 1.900Phe: 2.800Pro: -1.600Ser: -0.800Thr: -0.700Trp: -0.900Tyr: -1.300Val: 4.200

PYQYPALTPEQKKELSDIAH

Valor de hidrofobicidad para laposición n (en este caso, 8):

i = n-4

n+4

bi = -10.5

Escala de hidrofobicidad(según Kyte y Doolittle)

Cálculo predictivo de hidrofobicidad (Kyte & Doolittle)

(CG5432)CG5432 PROTEIN. [Drosophila melanogaster] 376 AA Score = 398 bits (1011), Expect = e-110 Identities = 197/355 (55%), Positives = 245/355 (68%), Gaps = 2/355 (0%) Query: 2 YQYPALTPEQKKELSDIAHRIVAPGKGILAADESTGSIAKRLQSIGTENTEENRRFYRQL 61 + YP E ++EL I+ +VAPGKGILAADES+ + KR Q IG ENTEENRR YRQ+ Sbjct: 5 FYYP--NKELQEELICISKALVAPGKGILAADESSAVMGKRFQLIGVENTEENRRLYRQM 62

Query: 62 LLTADDRVNPCIGGVILFHETLYQKADDGRPFPQXXXXXXXXXXXXXXXXXXPLAGTNGE 121 L T D ++ I GVI +HETL+Q+ DDG PF + PL G+ E Sbjct: 63 LFTTDPKIAENISGVIFYHETLHQRTDDGLPFVEALRKKGILTGIKVDKHFSPLFGSEDE 122

Query: 122 TTTQGLDGLSERCAQYKKDGADFAKWRCVLKIGEHTPSALAIMENANVLARYASICQQNG 181 TTQGLD L+ RCAQYKK+G FAKWRC+LKI ++TPS AI+ENANV+ARYA+ICQ Sbjct: 123 FTTQGLDDLANRCAQYKKEGCSFAKWRCILKITKNTPSPQAILENANVMARYAAICQSQR 182

Query: 182 IVPIVEPEILPDGDHDLKRCQYVTEKVLAAVYKALSDHHIYLEGTLLKPNMVTPGHACTQ 241 +VPI+ PE+L GDHDL RCQ V E +LA VYKALSDHH++LEGTLL+P+MV PG + Sbjct: 183 LVPIISPEVLATGDHDLDRCQKVNEILLAGVYKALSDHHVFLEGTLLQPSMVMPGLQSNK 242

Query: 242 KFSHEEIAMATVTALRRTVPPAVTGITFLSGGQSEEEASINLNAINKCPLLKPWALTFSY 301 +I +ATV A+RR+VPPAV G+ F G QSEEEA+++LNAIN PL KPWA+TF++ Sbjct: 243 NHPPADIGVATVLAIRRSVPPAVMGVLFCGGAQSEEEATVHLNAINNVPLCKPWAMTFAF 302

Query: 302 GRALQASALKAWGGKKENLKAAQEEYVKRALANSLACQGKYTPSGQAGAAASESL 356 RALQ S L+ WGGKKE + AQ E +KR AN LA GKY +AA+E L Sbjct: 303 DRALQTSILRTWGGKKEQISHAQNELIKRCRANGLASIGKYVIGSVESSAATERL 357

Predicciones a partir de estructura primaria, 2: Homologías

Dependiendo del grado de homología en su estructuraprimaria, las proteínas se agrupan en:

- Superfamilias: homología en torno a 30 %

- Familias: homología superior a un 50 % y la misma función, por lo general.

Además, hay pequeños tractos de secuencias comunesa proteínas muy diversas, y que corresponden a ciertosaspectos funcionales (como p.e. modificación postraduccional): son los motivos secuenciales

Algunos motivos secuenciales en las proteínas

N-Glicosilación N-{P}-[ST]-{P}Unión a glicosaminoglicano S-G-x-GFosforilación dependiente de cAMP [RK]-(2)-[ST]Fosforilación, protein kinasa C [ST]-x(2)-[RK]Fosforilación, tirosin kinasa [RK]-x(2)-[DE]-x(3)-YN-miristilación G- {EDRKHPFYW}-x(2)-[STAGCN]-{P}Amidación C-terminal x-G- [RK]-[RK]-carboxilación de ácido glutámico x(12)-E-x(3)-E-x-C-x(6)-[DEN]-x-[LIVMFY]Prenilación C-{DENQ}-[LIVM]

-8 1 10___.___.___.___.___.___.___.___.Gly.___.___.___.___.Gly.___.___.___.Phe.

20___.___.___.Cys.___.___.Cys.His.___.___.___.___.___.___.___.___.Lys.___.

30 40Gly.Pro.___.Leu.___.Gly.___.___.___.Arg.___.___.Gly.___.___.___.Gly.___.

50 60___.Tyr.___.___.Ala.Asn.___.___.___.___.___.___.Trp.___.___.___.___.___.

70 80___.___.Tyr.Leu.___.Asn.Pro.Lys.Lys.Tyr.Ile.Pro.Gly.Thr.Lys.Met.___.Phe.

90 100___.Gly.___.___.Lys.___.___.___.Arg.___.___.___.___.___.___.___.___.___.

104___.___.___.___. Invariantes en citocromo c

Predicciones a partir de estructura primaria, 3: Filogenia y Taxonomía

Posición Aminoácidos

13 Arg, Lys

40 Ser, Thr

46 Phe, Tyr

49 Ser, Thr

81 Val, Leu, Ile

85 Leu, Ile

90 Asp, Glu

94 Leu, Ile

95 Ile, Val

97 Phe, Tyr

Sustituciones conservadoras en citocromo c

Posición Aminoácidos

33 His, Ser, Trp, Tyr, Asn

44 Ala, Pro, Asp, Gln, Val, Glu

54 Asn, Ala, Ser, Gln, Arg, Lys

60 Glu, Gly, Asp, Ala, Gln, Lys, Asn

65 Tyr, Phe, Ser, Met, Arg

83 Pro, Ala, Val, Gly, Thr

88 Pro, Ala, Asp, Glu, Lys, Thr

89 Gln, Lys, Asn, Glu, Thr, Gly, Asp, Ala, Ser

92 Ana, Asn, Asp, Gly, Glu, Val, Thr, Lys, Gln

Sustituciones radicales en citocromo c

1 2 3 4 5 6 7 8 9__________________________________________________________________________

1. Homo sapiens -

2. Maccaca mulata 1 -

3. Sus scrofa 10 9 -

4. Gallus domesticus 13 12 9 -

5. Rana pipiens 18 17 11 11 -

6. Musca domestica 27 26 22 23 22 -

7. Bombyx mori 31 30 27 28 29 14 -

8. Triticum vulgare 43 43 45 46 48 45 45 -

9. Neurospora crassa 48 47 46 47 49 41 47 54 -

Distancias filogenéticas en citocromo c

Ángulos deconformación

Representación de Ramachandran

-Hélice

= -57º= -47º

Paso de rosca: 0.54 nmTraslación por residuo: 0.15 nmResiduos por vuelta: 3.6Enlaces H: n a n+3

Hélice 310

= -49º = -26º

Paso de rosca: 0.59 nmTraslación por residuo: 0.19Residuos por vuelta: 3

N

C

Mioglobina

Proteína globular con alto contenido en

-hélice

Fibrinógeno

Proteína fibrosacon alto contenido

en -hélice

Propensión estructural hacia -hélices (Chou y Fasman)

Estabilizan

Ala: 1.420 Gln: 1.110 Glu: 1.510 Leu: 1.210 Lys: 1.160 Met: 1.450 Phe: 1.130

Indiferentes

Arg: 0.980 Asp:1.010 His: 1.000 Ile: 1.080 Trp: 1.080 Val: 1.060

Desestabilizan

Asn: 0.670 Cys: 0.700 Gly: 0.570 Pro: 0.570 Ser: 0.770 Thr: 0.830 Tyr: 0.690

Prolina y-hélices

Hélice de poliprolina

Colágeno

Estructura

= -119 = 113

CN C

N

H O

CN C

N

HO

OH

CN C

N

H O

CN C

N

HO

HO

CN C

N

H O

CN C

N

HO

H O

CN C

N

H O

CN C

N

HO

O H

CN C

N

H O

CN C

N

HO

H O

CN C

N

H O

CN C

N

HO

O H

N C

C

C

C

N

N

N

Lámina paralela

Lámina paralela

Barril paralelo

CN C

N CN C

N CN C

N

H O H O H

OHOHOH

O

NC N

C NC N

C NC N

C

O H O H OH

O H O H O H

CN C

N CN C

N CN C

N

H O H O H

OHOHOH

O

N C

N

N

C

C

Lámina antiparalela

Lámina antiparalela

Lámina antiparalela

Estabilizan

Ile: 1.600 Cys: 1.190 Gln: 1.100 Leu: 1.300 Phe: 1.380 Thr: 1.190 Trp: 1.370 Tyr: 1.470 Val: 1.700

Indiferentes

Arg: 0.930 Met: 1.050

Desestabilizan

Ala: 0.830 Asn: 0.890 Asp: 0.540 Glu: 0.370 Gly: 0.750 His: 0.870 Lys: 0.740 Pro: 0.550 Ser: 0.750

Propensión estructural hacia estructuras (Chou y Fasman)

Proteína fibrosa conestructura : Fibroína

Proteína globularcon estructura :Concanavalina A

Giro

Propensión estructural hacia giros

Estabilizan

Asn: 1.560 Asp: 1.460 Cys: 1.190 Gly: 1.560 Pro: 1.520 Ser: 1.430

Indiferentes

Arg: 0.950 Gln: 0.980 His: 0.950 Lys: 1.010 Thr: 0.960 Trp: 0.960 Tyr: 1.140

Desestabilizan

Ala: 0.660 Glu: 0.740 Ile: 0.470 Leu: 0.590 Met: 0.600 Phe: 0.600 Val: 0.500

1ntr

Proteínaregulatoria

Estructuras suprasecundarias

- Hélice-vuelta-hélice- Siete hélices transmembrana y hélice anfipática- Cremallera de leucina- Unidad - Meandro - Dedo de Zn- Mano EF

N

C

Hélice-vuelta-hélice

Siete hélices transmembrana(bacteriorrodopsina)

-héliceanfipática

Ladohidrofóbico

Lado polar

Cremallera de leucina

Motivo

Meandro

Dedo de Zn

Mano EF

Determinación experimental de la estructura secundaria

1. Métodos físicos:

Cristalografía Rayos X, Resonancia Magnética Nuclear(RMN, NMR) en tanto en cuanto resuelven la estructuraterciariaOtras técnicas: dicroísmo circular

2. Métodos predictivos a partir de la estructura primaria

Propensión de un aminoácido hacia una estructura dada

1. A partir de un conjunto de proteínas de estructura 3D conocida, se forma la siguiente tabla:

Total -hélice Estr. Giro

Glutamato 282 132 29 43Aminoácidos 5507 1715 1555 1121

(Se ha puesto el Glutamato como ejemplo; esta tabla se prepara para todos los aminoácidos)

2. A partir de la tabla anterior, se calculan las frecuencias relativas de aparición de dicho aminoácido en las tres estructuras:

-hélice Estr. Giro

Glutamato 0.470 0.104 0.151Aminoácidos 0.311 0.282 0.204

3. Se calcula entonces la propensión de cada aminoácido hacia unaestructura dada por el cociente de dividir la frecuencia relativa de cada estructura por la frecuencia relativa media de todos los amino-ácidos. En el caso del glutamato,

P = 0.470/0.311 = 1.511 P = 0.104/0.282 = 0.370 Pg = 0.151/0.202 = 0.748

Ala: 1.420 Arg: 0.980 Asn: 0.670 Asp: 1.010 Cys: 0.700 Gln: 1.110 Glu: 1.510 Gly: 0.570 His: 1.000 Ile: 1.080 Leu: 1.210 Lys: 1.160 Met: 1.450 Phe: 1.130 Pro: 0.570 Ser: 0.770 Thr: 0.830 Trp: 1.080 Tyr: 0.690 Val: 1.060

PYQYPALTPEQKKELSDIAH

Valor de propensión hacia-hélice para la posición n

(en este caso, 8):

i = n-4

n+4

bi = 9.07

Escala de propensiones hacia -hélice(según Chou y Fasman)

Ala: 0.830 Arg: 0.930 Asn: 0.890 Asp: 0.540 Cys: 1.190 Gln: 1.100 Glu: 0.370 Gly: 0.750 His: 0.870 Ile: 1.600 Leu: 1.300 Lys: 0.740 Met: 1.050 Phe: 1.380 Pro: 0.550 Ser: 0.750 Thr: 1.190 Trp: 1.370 Tyr: 1.470 Val: 1.700

PYQYPALTPEQKKELSDIAH

Valor de propensión haciaestructura para la posición n

(en este caso, 8):

i = n-4

n+4

bi = 8.1

Escala de propensiones hacia estructura(según Chou y Fasman)

Ala: 0.660 Arg: 0.950 Asn: 1.560 Asp: 1.460 Cys: 1.190 Gln: 0.980 Glu: 0.740 Gly: 1.560 His: 0.950 Ile: 0.470 Leu: 0.590 Lys: 1.010 Met: 0.600 Phe: 0.600 Pro: 1.520 Ser: 1.430 Thr: 0.960 Trp: 0.960 Tyr: 1.140 Val: 0.500

PYQYPALTPEQKKELSDIAH

Valor de propensión haciagiro para la posición n

(en este caso, 8):

i = n-4

n+4

bi = 9.12

Escala de propensiones hacia giro(según Chou y Fasman)