FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

DEPARTAMENTO DE QUIMICA BIOLOGICA

BIOQUIMICA BIOQUIMICA AVANZADAAVANZADA

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

La música que están escuchando corresponde a la proteína beta-globina…

¿Cómo podemos relacionar una melodía con una secuencia proteica?

¿Qué tienen en común?

TEMA I

PARTE I:

LA CONFORMACION LA CONFORMACION DE LASDE LAS

MACROMOLECULAS MACROMOLECULAS BIOLOGICASBIOLOGICAS

PROTEINASPROTEINAS

¿Por qué estudiar a las ¿Por qué estudiar a las proteínas?proteínas?

Llevando el drama de la Llevando el drama de la vida a una escala vida a una escala molecular, las proteínas molecular, las proteínas se encuentran donde está se encuentran donde está la acción…la acción…

Cumplen una infinidad de papeles en Cumplen una infinidad de papeles en los procesos vitales:los procesos vitales:

-Proteínas estructurales-Proteínas estructurales

-Proteínas catalíticas-Proteínas catalíticas

-Proteínas de transporte-Proteínas de transporte

-Proteínas de almacenamiento-Proteínas de almacenamiento

-Proteínas regulatorias-Proteínas regulatorias

-Proteínas del sistema inmune-Proteínas del sistema inmune

La contraparte La contraparte tridimensional de la tridimensional de la determinación de la determinación de la secuencia genómica, la secuencia genómica, la resolución de todas las resolución de todas las estructuras proteicas en un estructuras proteicas en un organismo, se conoce como organismo, se conoce como genómica estructural.genómica estructural.

Conocidas las secuencias y las Conocidas las secuencias y las estructuras de todas las estructuras de todas las macromoléculas en un organismo, macromoléculas en un organismo, tenemos un conocimiento completo tenemos un conocimiento completo pero estático de los componentes de pero estático de los componentes de un objeto viviente…un objeto viviente…

El paso siguiente será conocer cómo El paso siguiente será conocer cómo estos componentes se ensamblan y estos componentes se ensamblan y cómo se integran las funciones cómo se integran las funciones individuales. individuales.

Esto es lo que se conoce como el Esto es lo que se conoce como el proyecto proteoma.proyecto proteoma.

Este conocimiento, permitirá Este conocimiento, permitirá emprender tareas científicas, tales emprender tareas científicas, tales como:como:

-Interpretación del mecanismo de -Interpretación del mecanismo de acción de proteínas individuales.acción de proteínas individuales.

-Aproximación al problema del -Aproximación al problema del plegamiento proteico.plegamiento proteico.

-Patrones de evolución molecular.-Patrones de evolución molecular.

-Predicción de la estructura de -Predicción de la estructura de proteínas altamente relacionadas: proteínas altamente relacionadas: modelado por homología.modelado por homología.

-Ingeniería de proteínas.-Ingeniería de proteínas.

-Diseño de drogas.-Diseño de drogas.

Niveles de estructura en las macromoléculas biológicas.

Ciertos términos pueden llevar a interpretaciones ambiguas si se utilizan

en forma indiscriminada:

-Subunidad-Subunidad

-Región-Región

-Residuo-Residuo

-Molécula-Molécula

-Dominio-Dominio

Los residuos monoméricos individuales que forman las proteínas son los aminoácidos y poseen una estructura estructura atómicaatómica conocida.

Puede definirse la identidad de cada átomo

La configuraciónconfiguración de un residuo monomérico es su estructura atómica, incluyendo la estereoquímica conocida de sus centros asimétricos.

La conformaciónconformación es una descripción más completa e incluye lo que se conoce acerca de las orientaciones preferidas de los grupos, capaces de movimiento por rotación interna.

Una estructura primariaestructura primaria es el orden secuencial de los residuos.

Los términos secuenciasecuencia y estructura estructura primariaprimaria pueden intercambiarse y son idénticos para todo polímero de cadena simple y sin entrecruzamientos.

La estructura secundariaestructura secundaria de un biopolímero se define como una enumeración de las regiones particulares de la estructura primaria, involucradas en cualquier tipo de hélice (-hélice o lámina plegada).

Los residuos que no están involucrados en alguna de ellas se dice que tienen estructura aleatoria.

La estructura terciariaestructura terciaria es la estructura tridimensional completa de una unidad efectivamente indivisible.

Para una proteína, esta unidad es una especie covalente singular, ya sea que contenga un único polipéptido o más de uno, unidos por entrecruzamientos covalentes.

El término conformaciónconformación se utiliza como sinónimo de estructura terciariaestructura terciaria, porque si uno conoce la conformación (por ejemplo los ángulos de rotación alrededor de todos los enlaces simples de un polímero), uno también conoce la estructura terciaria.

El nivel más complejo de estructura a considerar es la estructura cuaternariaestructura cuaternaria. Está formada por la asociación no covalente de unidades independientes con estructura terciaria (subunidadessubunidades).

Las subunidades en una estructura cuaternaria pueden o no ser idénticas y su disposición espacial puede o no ser simétrica.

ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS

Las proteínas son Las proteínas son polímeros conteniendo polímeros conteniendo un esqueleto o cadena un esqueleto o cadena principal de unidades principal de unidades repetitivas, los péptidos, repetitivas, los péptidos, con una cadena lateral con una cadena lateral unida a ellos.unida a ellos.

Los aminoácidosLos aminoácidos

Las proteínas naturales Las proteínas naturales contienen un repertorio contienen un repertorio

básico de 20 básico de 20 aminoácidos.aminoácidos.

Todos, excepto la Todos, excepto la glicina, poseen un glicina, poseen un

carbono asimétrico y las carbono asimétrico y las proteínas contienen el proteínas contienen el

isómero L.isómero L.

Los aminoácidos y sus códigos de Los aminoácidos y sus códigos de tres y una letra:tres y una letra:

GlicinaGlicina GlyGly GG

AlaninaAlanina AlaAla AA

Serina*Serina* SerSer SS

Treonina*Treonina* ThrThr TT

CisteínaCisteína CysCys CC

ValinaValina ValVal VV

IsoleucinaIsoleucina IleIle II

LeucinaLeucina LeuLeu LL

ProlinaProlina ProPro PP

FenilalaninaFenilalanina PhePhe FF

Tirosina*Tirosina* TyrTyr YY

MetioninaMetionina MetMet MM

Triptofano*Triptofano* TrpTrp WW

PequeñoPequeño

*puede formar *puede formar uniones uniones puente de H o puente de H o puente salino puente salino con las con las cadenas cadenas laterales.laterales.

Hidrofóbico, Hidrofóbico, tamaño medio tamaño medio o grandeo grande

Asparragina*Asparragina* AsnAsn NN

Glutamina*Glutamina* GlnGln QQ

Histidina*Histidina* HisHis HH

Acido aspártico*Acido aspártico* AspAsp DD

Acido glutámico*Acido glutámico* GluGlu EE

Lisina*Lisina* LysLys KK

Arginina*Arginina* ArgArg RR

Polar.Polar.

Acídico, cargado negativamenteAcídico, cargado negativamente

Básico, cargado positivamenteBásico, cargado positivamente

Efecto hidrofóbico:Efecto hidrofóbico:

La La hidrofobicidad hidrofobicidad de un aminoácido de un aminoácido es una medida de la interacción es una medida de la interacción termodinámica entre la cadena termodinámica entre la cadena lateral y el agua. Las cadenas lateral y el agua. Las cadenas laterales hidrocarbonadas, tales laterales hidrocarbonadas, tales como las de la leucina y fenilalanina, como las de la leucina y fenilalanina, interactúan desfavorablemente con interactúan desfavorablemente con el agua, tal como el aceite en el el agua, tal como el aceite en el condimento de la ensalada. Así como condimento de la ensalada. Así como la mezcla de aceite y agua se separa la mezcla de aceite y agua se separa espontáneamente en dos fases, espontáneamente en dos fases, existe una tendencia de las cadenas existe una tendencia de las cadenas laterales hidrofóbicas de laterales hidrofóbicas de secuestrarse en el interior de una secuestrarse en el interior de una proteína, lejos del contacto con el proteína, lejos del contacto con el agua.agua.

Este Este efecto hidrofóbicoefecto hidrofóbico provee un provee un componente importante de la fuerza componente importante de la fuerza que impulsa el plegamiento proteico.que impulsa el plegamiento proteico.

Escala de hidrofobicidad de aminoácidosEscala de hidrofobicidad de aminoácidos

2.252.25 TrpTrp

1.801.80 IleIle

1.791.79 PhePhe

1.701.70 LeuLeu

1.541.54 CysCys

1.231.23 MetMet

1.221.22 ValVal

0.960.96 TyrTyr

0.720.72 ProPro

0.310.31 AlaAla

0.260.26 ThrThr

0.130.13 HisHis

0.000.00 GlyGly

-0.04-0.04 SerSer

-0.22-0.22 GlnGln

-0.60-0.60 AsnAsn

-0.64-0.64 GluGlu

-0.77-0.77 AspAsp

-0.99-0.99 LysLys

-1.01-1.01 ArgArg

Plegamiento proteicoPlegamiento proteico

Cualquier posible conformación de la Cualquier posible conformación de la cadena polipeptídica de una proteína, cadena polipeptídica de una proteína, coloca diferentes combinaciones de coloca diferentes combinaciones de residuos en proximidad.residuos en proximidad.

Las interacciones de las cadenas Las interacciones de las cadenas laterales y de la cadena principal, laterales y de la cadena principal, entre ellas, con el solvente y con entre ellas, con el solvente y con ligandos, determina la energía de la ligandos, determina la energía de la conformación.conformación.

Las proteínas han evolucionado de Las proteínas han evolucionado de forma que un patrón de plegamiento forma que un patrón de plegamiento de la cadena, produce un arreglo de de la cadena, produce un arreglo de interacciones que es interacciones que es significativamente más favorable que significativamente más favorable que todos los otros.todos los otros.

Es el conocido como Es el conocido como estado nativoestado nativo..

La formación de un estado nativo La formación de un estado nativo es una propiedad global de la es una propiedad global de la proteína.proteína.

En la mayoría de los casos, se En la mayoría de los casos, se necesita la proteína entera (o, al necesita la proteína entera (o, al menos, una gran parte) para la menos, una gran parte) para la estabilidad.estabilidad.

Esto se debe a que muchas de las Esto se debe a que muchas de las interacciones estabilizantes interacciones estabilizantes involucran partes de la proteína involucran partes de la proteína que están muy distantes en la que están muy distantes en la cadena polipeptídica, pero cadena polipeptídica, pero próximas en el espacio por el próximas en el espacio por el plegamiento.plegamiento.

Las proteínas son Las proteínas son marginalmente estables y marginalmente estables y adquieren estabilidad solamente adquieren estabilidad solamente dentro un rango restringido de dentro un rango restringido de condiciones de solvente y condiciones de solvente y temperatura.temperatura.

Pasemos estos límites y las Pasemos estos límites y las proteínas perderán su estructura proteínas perderán su estructura compacta definida, sus hélices y compacta definida, sus hélices y láminas plegadas.láminas plegadas.

La energía libre de estabilización La energía libre de estabilización de proteínas, en condiciones de proteínas, en condiciones ordinarias, es de alrededor de ordinarias, es de alrededor de 20-60 kJ.mol20-60 kJ.mol-1-1 (5-15 kcal.mol (5-15 kcal.mol-1-1).).

Los variados mecanismos Los variados mecanismos homeostáticos, mediante los cuales homeostáticos, mediante los cuales el medio ambiente interno de el medio ambiente interno de nuestros cuerpos se mantiene a una nuestros cuerpos se mantiene a una temperatura, concentración salina y temperatura, concentración salina y acidez relativamente constantes, acidez relativamente constantes, son esenciales para la salud aunque son esenciales para la salud aunque más no fuese porque las proteínas más no fuese porque las proteínas perderían la eficacia en sus perderían la eficacia en sus funciones si cualquiera de esas funciones si cualquiera de esas condiciones se apartase de los condiciones se apartase de los límites.límites.

Caminos del plegamiento proteicoCaminos del plegamiento proteico

No es suficiente que la No es suficiente que la conformación de una proteína sea conformación de una proteína sea estable; la proteína debe ser estable; la proteína debe ser capaz de encontrarla, en un capaz de encontrarla, en un tiempo corto, partiendo de un tiempo corto, partiendo de un estado desnaturalizado que se estado desnaturalizado que se caracteriza por una población al caracteriza por una población al azar de conformaciones no azar de conformaciones no plegadas.plegadas.

Un camino de plegamiento está Un camino de plegamiento está construido dentro de la estructura construido dentro de la estructura por la selección natural, así como por la selección natural, así como el estado nativo.el estado nativo.

Muchas veces no se puede Muchas veces no se puede conocer la naturaleza de este conocer la naturaleza de este camino, por la dificultad de aislar camino, por la dificultad de aislar los estados intermediarios.los estados intermediarios.

ANALISIS ANALISIS CONFORMACIONAL Y CONFORMACIONAL Y

FUERZAS QUE FUERZAS QUE DETERMINAN LA DETERMINAN LA

ESTRUCTURA ESTRUCTURA PROTEICA.PROTEICA.

Las estructuras proteicas Las estructuras proteicas dependen de una dependen de una

variedad de fuerzas variedad de fuerzas químicas para su químicas para su

estabilidad y para su estabilidad y para su afinidad y especificidad afinidad y especificidad

hacia los ligandos.hacia los ligandos.

Uniones químicas covalentes y Uniones químicas covalentes y coordinadas.coordinadas.

Por ejemplo, puentes disulfuro entre Por ejemplo, puentes disulfuro entre aminoácidos cisteína.aminoácidos cisteína.

Iones metálicos son parte integral Iones metálicos son parte integral de las estructuras de muchas de las estructuras de muchas proteínas o, sin estar unidos proteínas o, sin estar unidos directamente a la proteína, forman directamente a la proteína, forman parte de un ligando más grande.parte de un ligando más grande.

Uniones puente de hidrógeno.Uniones puente de hidrógeno.

Los átomos polares en las proteínas Los átomos polares en las proteínas forman puentes de hidrógeno con forman puentes de hidrógeno con el agua en el estado no plegado. En el agua en el estado no plegado. En el estado plegado, el potencial de el estado plegado, el potencial de formación de puentes de hidrógeno formación de puentes de hidrógeno de los átomos “enterrados” en el de los átomos “enterrados” en el interior de la proteína debe interior de la proteína debe satisfacerse, de alguna manera.satisfacerse, de alguna manera.

La cadena principal, conteniendo La cadena principal, conteniendo los grupos peptídicos, debe pasar a los grupos peptídicos, debe pasar a través del interior y algunas través del interior y algunas cadenas laterales polares son, cadenas laterales polares son, también, “enterradas”.también, “enterradas”.

Estas pierden, por lo tanto, sus Estas pierden, por lo tanto, sus interacciones con el agua.interacciones con el agua.

Para recuperar la energía, los Para recuperar la energía, los átomos polares “enterrados”, átomos polares “enterrados”, forman uniones puente de forman uniones puente de hidrógeno proteína-proteína.hidrógeno proteína-proteína.

Efecto hidrofóbicoEfecto hidrofóbico

Para que las proteínas puedan Para que las proteínas puedan adoptar sus estados nativos en un adoptar sus estados nativos en un medio ambiente acuoso, los medio ambiente acuoso, los residuos hidrofóbicos se residuos hidrofóbicos se congregan en el interior y los congregan en el interior y los residuos cargados se encuentran residuos cargados se encuentran en la superficie.en la superficie.

El área superficial accesible de la El área superficial accesible de la proteína, calculable a partir de un proteína, calculable a partir de un conjunto de coordenadas conjunto de coordenadas atómicas, da una medida de la atómicas, da una medida de la interacción termodinámica entre interacción termodinámica entre la proteína y el agua.la proteína y el agua.

Fuerzas de van de Waals y Fuerzas de van de Waals y empaquetamiento denso del empaquetamiento denso del interior proteico.interior proteico.

El empaquetamiento de los átomos El empaquetamiento de los átomos en el interior proteico contribuye de en el interior proteico contribuye de dos maneras a la estabilidad de la dos maneras a la estabilidad de la estructura. Una es la exclusión de estructura. Una es la exclusión de átomos no polares del contacto con átomos no polares del contacto con el agua (efecto hidrofóbico). La otra el agua (efecto hidrofóbico). La otra es la fuerza de atracción entre los es la fuerza de atracción entre los mismos átomos proteicos.mismos átomos proteicos.

Area superficial accesibe y Area superficial accesibe y enterradaenterrada

F.M. Richards desarrolló, por primera F.M. Richards desarrolló, por primera vez, una aproximación geométrica al vez, una aproximación geométrica al análisis de estructuras proteicas.análisis de estructuras proteicas.

Definió el área de la superficie Definió el área de la superficie molecular accesible a una molécula molecular accesible a una molécula de agua (modelada como una esfera de agua (modelada como una esfera de radio igual a 1.4 de radio igual a 1.4 ÅÅ) y la densidad ) y la densidad de empaquetamiento de los átomos de empaquetamiento de los átomos en el interior proteico.en el interior proteico.

Algunas regularidades incluyen:Algunas regularidades incluyen:

1- Calibración básica. Cada Å1- Calibración básica. Cada Å22 de área de área superficial enterrada contibuye 105 J superficial enterrada contibuye 105 J (25 cal) de energía libre de (25 cal) de energía libre de estabilización.estabilización.

2- El área superficial accesible (ASA) 2- El área superficial accesible (ASA) de proteínas monoméricas de hasta de proteínas monoméricas de hasta 300 residuos, varía como la potencia 300 residuos, varía como la potencia 2/3 del peso molecular: ASA= 11.1 2/3 del peso molecular: ASA= 11.1 MM2/32/3..

3- La formación de proteínas 3- La formación de proteínas oligoméricas a partir de monómeros, oligoméricas a partir de monómeros, entierra una superficie adicional de entierra una superficie adicional de 1000-5000 Å1000-5000 Å22. Valores menores . Valores menores caracterizan a proteínas para las que caracterizan a proteínas para las que el monómero es estable aislado; el monómero es estable aislado; valores superiores caracterizan valores superiores caracterizan proteínas en las que la asociación proteínas en las que la asociación debe estabilizar la estructura de los debe estabilizar la estructura de los monómeros, así como también el monómeros, así como también el complejo.complejo.

4- Naturaleza del área enterrada. 4- Naturaleza del área enterrada. El porcentaje de superficie El porcentaje de superficie accesible al solvente, en proteínas accesible al solvente, en proteínas monoméricas (el exterior proteico) monoméricas (el exterior proteico) es, aproximadamente, 58% no es, aproximadamente, 58% no polar (hidrofóbico), 29% polar y polar (hidrofóbico), 29% polar y 13% cargado. La superficie 13% cargado. La superficie enterrada, promedio, de proteínas enterrada, promedio, de proteínas monoméricas (el interior proteico) monoméricas (el interior proteico) es, aproximadamente, un 60% no es, aproximadamente, un 60% no polar (hidrofóbico), 33% polar y 7% polar (hidrofóbico), 33% polar y 7% cargado. Muchos esperan una gran cargado. Muchos esperan una gran superficie hidrofóbica enterrada y superficie hidrofóbica enterrada y se sorprenden ante cuán grande es se sorprenden ante cuán grande es el área hidrofóbica exterior. el área hidrofóbica exterior.

De hecho, el mensaje acerca de la De hecho, el mensaje acerca de la diferencia entre la superficie y el diferencia entre la superficie y el interior es que las proteínas casi interior es que las proteínas casi nunca “entierran” grupos nunca “entierran” grupos cargados.cargados.

Las conformaciones de los esqueletos polipeptídicos pueden ser descriptos por sus ángulos de torsión.

Debe recordarse que el esqueleto de una proteína es una secuencia de grupos peptídicos planares y rígidos.

Rotación alrededor de la unión C-C

Rotación alrededor de la unión C-N

Conformaciones estéricamente prohibidas, son aquellas en las que cualquier distancia interatómica, fuera de la unión, es menor que su correspondiente distancia de van der Waals.

Las conformaciones permitidas para los polipéptidos, están indicadas por el gráfico de Ramachandran…

Los valores de ángulos permitidos pueden determinarse calculando las distancias entre los átomos de un tripéptido para todos los valores de ángulos para la unidad peptídica central.

Diagrama de Ramachandran para poli-L-alanina.

Tipos de proteínas:

•Proteínas fibrosas:Proteínas fibrosas: son moléculas altamente elongadas cuyas estructuras secundarias son los motivos estructurales dominantes.

•Proteínas globulares:Proteínas globulares: comprenden un gran número de proteínas que, en su estado nativo, existen como moléculas esferoidales compactas.

•Las proteínas globulares poseen las siguientes características estructurales:

•Pueden contener hélices y láminas plegadas en diversas proporciones.

•La ubicación de las cadenas laterales varía con la polaridad.

•Los residuos no polares Val, Leu, Ile, Met y Phe, se encuentran en el interior de una proteína, fuera del contacto con el solvente acuoso.

•Los residuos polares cargados, Arg, His, Lis, Asp y Glu se encuentran localizados en la superficie de una proteína, en contacto con el solvente acuoso.

•Los grupos polares no cargados, Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr y Trp, están frecuentemente en la superficie de la proteína pero, muchas veces, aparecen en el interior de la molécula.

Los grandes polipéptidos forman dominios, es decir unidades estructuralmente independientes, cada una con las características de una proteína globular pequeña.