Bioquímica – L. Stryer, J.M. Berg y J.L. Tymoczko.

Quinta Edición, Editorial Reverté, S.A., Barcelona,

2003.

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Clases teóricas: Lunes de 17 a 19 hs. y Martes de 15 a 17

hs., Aula 11, Corona del Tornavías, o en el Auditorio del IIB.

Ejercicios y Problemas: Martes de 17 a 21. 30 hs, Aula 11.

Trabajos Prácticos: Martes de 17 a 21. 30 hs, Salones de

TPs del IIB.

En esta asignatura les daremos un panorama general de cómo

se llevan a cabo los procesos químicos que transcurren en una célula

viva. Veremos las enzimas, catalizadores biológicos que permiten que

muchas reacciones químicas se lleven a cabo al mismo tiempo, sin

producir productos secundarios. Estudiaremos los carbohidratos y el

metabolismo energético, comenzando por la glucólisis, siguiendo con el

ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la cadena respiratoria. Veremos los

lípidos y su metabolismo, lo mismo que la síntesis y degradación de los

aminoácidos; la fotosíntesis y otros procesos biosintéticos, como la

síntesis y luego la degradación del glucógeno en los animales.

Finalmente, estudiaremos los ácidos nucleicos y su papel fundamental en

la conservación de la información genética y en la traducción de esa

información al nivel de las proteínas.

Dado que la inmensa mayoría de los procesos que ocurren en la

célula son ejecutados por las proteínas, empezaremos con el estudio de

estas moléculas, iniciándolo con las unidades que las forman, los

aminoácidos.

LOS AMINOACIDOSUn aminoácido, como su nombre lo indica, es una molécula orgánica pequeña

que contiene un grupo amino y un grupo carboxilo. Todos los aminoácidos

presentes en las proteínas tienen ambos grupos unidos al mismo átomo de C y,

con una excepción, todos presentan isomería óptica y pertenecen a la serie L.

Son L-a-aminoácidos.

Formas ionicas de la L-

alanina.

Los aminoacidos se

encuentran realmente en

la forma de zwitterion

(Bjerrum, 1923)

Formas iónicas y

curva de

titulación de la

glicina.

LAS PROTEINAS:

ESTRUCTURA Y

PLEGAMIENTO

ESTRUCTURA Y FUNCION DE LAS PROTEINAS.

Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones

amida, llamadas uniones peptídicas.

La cadena polipéptídica constituye la estructura primaria de la

proteína, dada por la secuencia de los residuos de aminoácidos.

Para ser funcional, la proteína requiere niveles superiores de

estructura, que la llevan a su forma tridimensional, esencial

para su función. Esos niveles estructurales son las

estructuras secundaria, terciaria y, eventualmente, cuaternaria

(si se trata de un oligómero con subunidades iguales o

diferentes).

NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS.

1) Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos.

Unión peptídica exclusivamente.

N-terminal C-terminal

Angulos de rotacion del

carbono alfa.

2) Estructura secundaria: Disposición

espacial de residuos de aminoácidos

cercanos en la secuencia. Unión hidrógeno

involucrando el N y el O de las uniones

peptídicas exclusivamente. Tres elementos

principales de estructura secundaria: a-

hélice, estructura b (hoja plegada) y giros b.

1 residuo: 1.5 Ǻ, rotación 100º. 3.6 residuos por vuelta de la hélice. Paso de la hélice: 1.5 x

3.6 = 5.4 Ǻ. La hélice forma un cilindro compacto, y los R se disponen hacia afuera.

Hojas b paralela y anti-paralela

3) Estructuras supersecundarias: motivos y

dominios.

4) Estructura terciaria: Disposición espacial de residuos

de aminoácidos lejanos en la secuencia. Interacciones

hidrofóbicas, puentes de hidrógeno entre restos

laterales o entre ellos y la cadena peptídica, uniones

salinas, puentes disulfuro.

5) Estructura cuaternaria: Disposición espacial de las

subunidades en proteínas oligoméricas. Interacciones

hidrofóbicas, uniones puente hidrógeno y salinas.

PUENTE DISULFURO: SOLO EN ESTRUCTURA TERCIARIA

Cadenas laterales de

aminoácidos que

pueden formar

puentes de hidrógeno

y participan en la

estructura terciaria de

las proteínas.

DISTRIBUCION DE LOS RESIDUOS DE AMINOACIDOS EN LA MIOGLOBINA.

Residuos hidrofobicos en amarillo, cargados en azul y el resto en blanco. (B): corte de la

molecula, mostrando que los residuos hidrofobicos se encuentran en buen parte en su interior

MODIFICACION POST-TRADUCCIONAL DE PROTEINAS.

Muchas proteínas no están “terminadas” cuando se completa la

traducción, y requieren “madurar”, a través de modificaciones post-

traduccionales.

Estas modificaciones pueden consistir en:

Modificación covalente de residuos de aminoácidos (más de 200).

Proteólisis parcial.

Las modificaciones pueden ser:

Reversibles o irreversibles.

Presentes en todas las moléculas o sólo en algunas.

Enzimáticas o no enzimáticas.

Co-traduccionales, post-traduccionales inmediatas, o post-traduccionales

tardías.

Modificacion post-traduccional de las proteinas.

Algunos ejemplos:

PROTEINAS INTRINSECAMENTE DESORDENADAS

(PROTEINAS INTRINSECAMENTE NO ESTRUCTURADAS)

• Desde comienzos del Siglo XXI se han descripto numerosasproteínas que presentan una estructura flexible o un plegamientoazaroso en la mayor parte de su extensión.

• De acuerdo al concepto clásico, estas proteínas no seríanfuncionales; sin embargo, se ha demostrado que proteínas coneste tipo de plegamiento están involucradas en diferentes vías deseñalización, algunas son factores transcripcionales, receptores demembrana, o bien son proteínas abundantes en algunos tejidos dediferentes organismos.

• Los proyectos genoma de eucariotes permiten predecir quealrededor de un 30 % de las proteínas codificadas serían proteínasparcial o totalmente desordenadas.

• Es posible que la flexibilidad estructural no se dé o se dé muchomenos en el ambiente intracelular, comparado con lo que seobserva en solución acuosa.

• A: Ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa de espinaca, proteínaglobular

• B: Factor de inicio de la traducción (eIF1A) humano, la mayor parte decuya estructura es desordenada.

En general estas proteínas presentan una composición de

aminoácidos particular. Son proteínas de baja complejidad que

tienen una baja abundancia o carecen de aminoácidos

hidrofóbicos y/o voluminosos (Val, Ile, Met, Phe, Trp, Tyr), que

promueven el plegamiento espontáneo de las proteínas

globulares, y poseen una alta proporción de aminoácidos

cargados o polares (Gln, Ser, Pro, Glu, Lys, Arg) y en algunos

casos tienen una alta abundancia de aminoácidos pequeños (Gly,

Ala).

Se sabe que estas proteínas tienen la capacidad de fluctuar

entre diferentes estados conformacionales en una escala de nano

a micro-segundos. Esta alta flexibilidad por unidad de tiempo les

da la habilidad de interaccionar con distintas moléculas, o de

modos diferentes con la misma molécula. Por ejemplo, las

proteínas p21 y p27 actuando sobre quinasas dependientes de

ciclinas (CDKs), pueden actuar como activadoras o inhibidoras

de las mismas.

• A: La proteína puede unir un ligando con una conformación dada yrealizar una función específica.

• B: La misma proteína puede interaccionar con el mismo ligando (o conotro distinto) a través de una conformación diferente, y así realizar unafunción completamente distinta.

• A: La interacción con el ligando induce en la proteína una conformación masestable.

• B: Modificaciones post-traduccionales en la proteína influyen en suplegamiento, además de la interacción con su ligando.

• C: La disponibilidad de agua puede modificar la estructura de la proteína; elcambio en su interacción con el agua llevaría a un cambio en su conformación.

PROTEINAS FIBROSAS

Las proteínas fibrosas se dividen en general en tres grupos, dependiendo

de la estructura secundaria de las moléculas individuales: las a-hélices

super-enrrolladas, la triple hélice del colágeno, y las hojas b en las fibras

amiloides y las sedas.

Las fibras en a-hélice de la lana son flexibles, pueden ser estiradas hasta

el doble de su longitud, y son elásticas, retornando a su longitud inicial

cuando se libera la tensión. Las fibras del colágeno son fuertes,

resistentes al alargamiento y relativamente rígidas. Las fibras con hojas b

son fuertes y muy flexibles. Las fibras de la seda de araña son mas

resistentes que un hilo de acero de las mismas dimensiones, pero son

muy flexibles.

PROTEINAS FIBROSAS

Dos o mas a-helices pueden enrrollarse sobre si mismas para formar

“superhélices” muy estables de hasta 1000 Ǻ de longitud. Estas

estructuras se encuentran en proteínas fibrosas como la miosina y la

tropomiosina del músculo, la fibrina de los coágulos sanguíneos y la

keratina del pelo. La interacción entre las a-hélices se hace habitualmente

por interacciones hidrofóbicas, a menudo mediadas por Leu o Ileu.

El colágeno es muy rico en prolina, hidroxiprolina y glicina. Uno de cada

tres residuos es Gly.

El colágeno es una molécula en forma de bastón, de hasta 3000 Ǻ de largo

y sólo 15 Ǻ de diámetro. Es la proteína mas abundante en los mamíferos,

siendo el componente fibroso principal de la piel, los huesos, los cartílagos

los tendones y los dientes. Está formado por una triple hélice, diferente de

la a-hélice (no se mantiene cada hebra por puentes de hidrógeno internos,

sino por la repulsión estérica de Pro y HyPro). Cada hebra de procolágeno

tiene dos “cabezas” globulares, una en cada extremo, necesaria para el

ensamblado de la fibra, que luego se elimina. Por eso al desnaturalizarlo,

no se renaturaliza, y forma gelatina.

EL COLAGENO

LA TRIPLE

HELICE DEL

COLAGENOEn el interior de la triple

hélice no queda espacio

para un aminoácido de

mayor tamaño que la gly.

PROTEINAS DE

MEMBRANA

A diferencia de las proteínas globulares solubles, que concentran

sus residuos hidrofóbicos en su interior, resguardándolos del

agua, las proteínas integrales de membrana tienen la mayoría de

sus residuos hidrofóbicos en su superficie, interaccionando con

los lípidos de la membrana.

PROTEINAS DE MEMBRANA.

Proteínas integrales y Proteínas periféricas

Prostaglandina H2 sintasa-1. Sintetiza la prostaglandina H2 a

partir de ácido araquidónico proveniente de lípidos de la

membrana, en dos etapas.

La aspirina inhibe la síntesis de la prostaglandina H2, acetilando

la Ser 530, lo que bloquea el conducto hidrofóbico e inhibe la

actividad de ciclooxigenasa.

Es posible predecir, con buena

probabilidad, la presencia de

a-hélices transmembrana. El

gráfico muestra el índice de

hidropatía, que indica la

energía libre de transferencia

de una hélice de 20 residuos

desde la membrana al agua, en

función del primer residuo de

cada uno de esos segmentos.

Picos con valores mayores de

+20 kcal/mol indican posibles

hélices trans-membrana.

PREDICCION IN SILICO DE

SEGMENTOS

TRANSMEMBRANA.

PLEGAMIENTO DE LAS

PROTEINAS.

LA RIBONUCLEASA: EL EXPERIMENTO DE ANFINSEN.

REDUCCION DE LOS PUENTES DISULFURO

La urea desnaturaliza a la ribonucleasa (es decir, deja solo su

estructura primaria) y el b-mercaptoetanol reduce los puentes

disulfuro.

Si se elimina la urea y luego se deja

que los puentes disulfuro vuelvan a

formarse por oxidacion con el aire,

se recupera la estructura nativa. Si

se oxida en presencia de urea, se

obtiene una “ribonucleasa

revuelta”, inactiva, pero esta

recupera su actividad en presencia

de trazas de b-mercapto-etanol.

Hay 105 modos diferentes de

aparear 8 Cys para formar 4

puentes disulfuro, y sólo 1 es el

correcto.

LA PARADOJA DE LEVINTHAL.

Para una proteína pequeña, de 100 residuos de

amino ácidos:

Si cada residuo puede asumir 3 posiciones, el

número total de estructuras posibles será igual a 3100,

lo que es igual a 5 x 1047

Si toma 10-13 seg para convertir una estructura

en otra el tiempo total requerido para el plegamiento

correcto será

5 x 1047 x 10-13 seg = 5 x 1034 seg = 1.6 x 1027

años.

(Paradoja de Levinthal)

El plegamiento puede

pasar a traves de un

intermediario que ya

tiene practicamente

completa la estructura

secundaria (el globulo

fundido). Puede tener un

camino unico o tener

caminos alternativos.

AGENTES DESNATURALIZANTES.

1) Extremos de pH. Muchas proteínas se desnaturalizan a

valores de pH < 5 o > 10. Esto puede deberse a la ionización

de grupos en el interior de la proteína (His a pH ácido, Tyr a pH

alcalino); a repulsión electrostática entre grupos de la

superficie de la proteína; a la destrucción de puentes salinos

importantes en la estabilización de la estructura nativa.

2) Agentes desnaturalizantes. Los más usados son la urea y el

clorhidrato de guanidina:

DESNATURALIZACION DE UNA PROTEINA.

PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS IN VITRO E IN VIVO.

In vitro: Plegamiento espontáneo, a muy bajas concentraciones de proteína

para evitar agregados. Buffer redox (GSH/GSSG) para inducir la formación

correcta de puentes disulfuro.

In vivo: Plegamiento a altas concentraciones proteicas, asistido por otras

proteínas.

1) Puentes disulfuro: proteína disulfuro isomerasa. Contiene

secuencias –Cys-Gly-His-Cys- y acelera unas 6000 veces el intercambio de

puentes disulfuro.

2) Uniones peptídicas X-Pro: Peptidil prolil isomerasa. En vez de ser

todas uniones en trans, como para los demás aminoácidos, un 6 % de las con

Pro es cis. La PPI acelera 300 veces la isomerización cis-trans.

3)Prevención de la formación de agregados moleculares: chaperonas

moleculares. Se unen reversiblemente a zonas desplegadas del polipéptido

naciente, evitan su agregación y facilitan su plegamiento correcto, con

consumo de ATP.