HH (2007)

Otro Portugués
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 5º curso
Asignatura HH
Año del apunte 2007
Páginas 23
Fecha de subida 19/10/2014
Descargas 11
Subido por

Vista previa del texto

Química i Enginyeria de les Proteïnes TEMA 3 – Determinants estructurals. Estructures secundàries 1. Nivells d’estructuració tridimensional 2. Tipus de forces estabilitzadores de la conformació 3. Cooperativitat de les interaccions febles 4. Condicionants del plegament de proteïnes 5. Tipus principals d’estructures secundàries; aminoàcids que hi participen 1. Nivells d’estructuració tridimensional Nivells d’estructuració proteic: o Estructura primària És la seqüència d’aminoàcids si no hi ha enllaços disulfur, sinó és la seqüència d’aminoàcids amb els ponts disulfur. L’estructura primària és la descripció de tots els enllaços covalents de la proteïna. L’estructura primària de la proteïna és la seqüència sempre començant del N terminal al C terminal i cal dir on hi ha un pont disulfur. Per saber això no cal haver resolt una estructura tridimensional. La manera de representarho és la següent: Això és l’estructura primària (indicant els enllaços covalents: enllaços peptídics i ponts disulfur). La proteïna es plegarà diferent a l’espai si hi ha o no un pont disulfur, per això és important marcar-ho. L’estructura primària si no s’indica no hi ha ponts disulfur.
Aquesta estructura primària es plega en uns patrons molt ben definits, que són l’estructura secundària.
o Estructura secundària Hi ha quatre tipus d’estructura secundària: 1) Hèlix 2) Fulla 3) Gir 4) Regions no estructurals o regions no regulars Aquesta estructura secundària es plega a l’espai per donar lloc a l’estructura terciària.
1 Química i Enginyeria de les Proteïnes o Estructura terciària L’estructura terciària en la majoria dels casos adopta una conformació globular (mioglobina), però no sempre. Un exemple de proteïna en la qual l’estructura terciària no és globular és en el cas de les proteïnes fibroses (col·lagen, queratina...).
L’estructura terciària és la descripció de les coordenades a l’espai més la seva coordinació amb grups no proteics. Per exemple, l’estructura terciària de l’hemoglobina m’ha de descriure la cadena polipeptídica més el cofactor si existeix (grup hemo).
o Estructura quaternària En alguns casos, l’estructura terciària no és funcional, sinó que fa falta que formi unions amb altres estructures terciàries que poden ser molt petites o molt grans. En la figura de a baix n’hi ha quatre, però en la capsa d’un virus n’hi ha més. De manera que l’estructura terciària s’acobla, normalment, per interaccions no covalents. En aquest cas, no hi ha cap enllaç disulfur.
L’estructura quaternària és l’associació de l’estructura terciària, però no sempre es dóna, sinó que passa en alguns casos i prou. Així doncs, l’estructura quaternària NO és la conformació que té l’estructura terciària amb el temps.
Les proteïnes estan formades, normalment, per dominis. Hi ha les proteïnes que tenen un únic domini funcional, que són molt petites, i les proteïnes que tenen més d’un domini funcional. Si una proteïna ha de ser molt gran perquè la seva funció sigui molt complexa, no creix fent un domini molt gran, sinó que creix unint dominis petits.
2 Química i Enginyeria de les Proteïnes Aquesta proteïna és una carboxipeptidasa (degrada extrems C-terminals) i el què fa és retallar els pèptids i proteïnes per l’extrem Cterminal. Això serveix per fer seqüències, puc anar retallant i alliberant. Puc saber igual com abans marcava amb l’enzim quin és el N-terminal, amb aquesta puc saber quin és el C-terminal. La seva forma activa és la part de color groc, però la resta de la proteïna no se sintetitza com a un únic domini, sinó que conté tres dominis. Un domini globular de connexió que té estructura terciària, un domini o segment de connexió que només té estructura secundària i després tenim diferents zones desestructurades.
Aquesta proteïna és un proenzim, és molt senzilla i treballa en digestió (és un dels enzims digestius del pàncrees). El què passa és que tu no vols que aquesta proteïna estigui activa en el teu pàncrees perquè si ho està se’l menja, molts càncers de pàncrees són deguts a què l’enzim s’activa. La natura s’ha inventat un mecanisme per a evitar-ho, que és col·locant sobre l’enzim un altre domini. Aquest domini tapa l’entrada del centre actiu de manera que, d’aquesta forma, emmagatzemada al pàncrees no és activa i llavors s’activa quan arriba a l’intestí, ja que a la vegada que s’alliberen aquestes proteïnes s’allibera tripsina. La tripsina talla només a aquelles zones que no estan estructurades de la proteïna. D’aquesta manera, fa un tall en el proenzim i aquest tall, aquesta hèlix d’aquí, que sembla tan estable, però que no ho és, sinó que es va movent, es desmunta i fa saltar el domini que tapava el centre actiu. Per tant, aquesta proteïna que ha de tenir un mecanisme de formació complexa no pot fer-lo a partir d’un únic domini, necessita tenir diferents dominis que tenen diferents funcions.
3 Química i Enginyeria de les Proteïnes 2. Tipus de forces estabilitzadores de la conformació Interaccions que estabilitzen les proteïnes: o Enllaços covalents En les proteïnes hi trobem l’enllaç peptídic i el pont disulfur (típica distància de 2,2A), que són enllaços molt forts.
o Enllaços no covalents Són realment importants, els que estabilitzen la proteïna. Veurem essencialment el pont salí, interaccions electrostàtiques (molt febles), el pont d’hidrogen (és un dels tipus d’interaccions electrostàtiques) i les forces de Van der Waals (les més febles).
Interacció iònica: el pont salí És una interacció iònica i és la més forta de les interaccions no covalents que trobarem a la proteïna. Perquè es doni necessito dos residus carregats com arginina, lisina, aspàrtic o glutàmic. Els ponts salins depenen de la distància. Com més propers estiguin més forts seran.
Els dipols també depenen de la distància, però canvien en la segona o tercera posició, per tant quan estan molt lluny són molt poc forts, molt febles. Els dipols no carregats són efectius a distàncies més curtes que les interaccions càrrega-càrrega.
El pont salí, que seria el què tindríem en el clorur sòdic (és estabilitzat per ponts salins), és extremadament fort en el buit. En el buit aquesta interacció és més forta que un enllaç covalent, però al buit en biologia mai ens hi trobem, sempre estem en solvent aquós. Per tant, en aigua, en l’entorn de les proteïnes, la interacció és forta, però no tant (normalment val entre 10 i 30 4 Química i Enginyeria de les Proteïnes KJ/mol depenent de l’entorn on es trobi). Així doncs, l’interior de la proteïna el pont salí serà més fort, ja que a l’exterior està competint per l’aigua i, en canvi, a l’interior hi ha residus hidrofòbics, que no és com en el buit, però no hi ha tanta competició. Canvia amb l’invers de la distància.
Interaccions electrostàtiques Perquè hi hagi interaccions electrostàtiques cal que hi hagi o càrregues o càrregues induïdes en els dipols. Hi ha d’haver alguna cosa carregada negativament i alguna cosa carregada positivament.
Les interaccions de tipus dipolar tenen lloc quan dos grups no carregats deslocalitzen la càrrega. En el cas de la figura observem un enllaç peptídic on la càrrega està repartida de manera que l’oxigen del carbonil es queda amb la càrrega negativa i l’hidrogen de l’amino es queda amb la positiva. Això crea un dipol elèctric que va en la direcció senyalada a la figura i que és efectiu perquè en l’enllaç peptídic la distància entre NH i CO és molt petita. Com que tenim tants enllaços peptídics com aminoàcids tingui és molt important a l’hora d’estructurar la proteïna. Aquests dipols no es poden disposar de qualsevol manera, sinó una proteïna seria negativa, han de ser compensats.
5 Química i Enginyeria de les Proteïnes Interaccions electrostàtiques: el pont d’hidrogen Els ponts d’hidrogen són febles, però tenen una importància molt gran en les proteïnes, ja que aquestes estan farcides de grups amino i carbonils, de manera que permeten la formació de molts ponts d’hidrogen. D’aquesta manera, malgrat ser febles són molt abundants (els més abundants), de manera que acaben sent forts, i són els què contribueixen més en l’estabilitat de la proteïna. Per formar un pont d’hidrogen cal un hidrogen unit a un àtom, que és un donador, i un acceptor electronegatiu. En les proteïnes normalment l’acceptor o bé és oxigen, o bé és nitrogen.
El pont d’hidrogen té una força molt variable, entre 5 i 20 KJ/mol. Aquesta força depèn de la distància i de l’angle entre el donador i l’acceptor. Aquest tipus de pont d’hidrogen de la figura on els dos oxígens estan alineats (angle de 0º), és més fort que aquest altre de la figura on els dos oxígens formen un angle: La distància típica d’un pont d’hidrogen es de 1.9 a 2A. En una estructura tridimensional jo NO veuré els ponts d’hidrogen. Els ponts d’hidrogen no es veuen, existeixen però no es veuen. El què veuré seran els àtoms d’oxigen, nitrogen... Com sé que en una proteïna uns residus estan formant un pont d’hidrogen? Perquè estan a distància d’enllaç. Si veig un oxigen i un hidrogen a menys de 2A de distància, això vol dir que estan formant un pont d’hidrogen. Els ponts d’hidrogen no es veuen, les interaccions iòniques tampoc, però les puc calcular (per exemple, si tinc dues càrregues (negativa-positiva) a menys de 2.5A, aleshores això serà un pont salí).
Tot aquest tipus d’interaccions són molt més febles en medi aquós, que és el medi en el què es on viuen la majoria de proteïnes.
6 Química i Enginyeria de les Proteïnes Forces de Van der Waals i l’efecte hidrofòbic Interaccions apolars, entre residus hidrofòbics. Els residus hidrofòbics en proteïnes tenen tendència a agrupar-se, això es denomina efecte hidrofòbic, que és el principal responsable del plegament de la proteïna (és el primer que passa quan la proteïna se sintetitza). Quan la proteïna se sintetitza els residus hidrofòbics no volen estar en presència d’aigua, prefereixen estar junts, i fa que la proteïna es compacti.
Perquè es compacta? Perquè és favorable? Per l’entropia. Si tinc benzè en aigua i el passo a benzè, això jo sé que és favorable. Passo un compost orgànic des d’aigua a un solvent orgànic i això energèticament és favorable (és positiu). Si ho faig al revés haig d’aportar energia. Això no és perquè les interaccions del compost hidrofòbic, i en aquest cas de l’aminoàcid hidrofòbic amb el benzè, siguin millors que les interaccions amb l’aigua. L’entalpia que em mesura la força de les interaccions, no em canvia o fins i tot és positiva. Els compostos hidrofòbics no interaccionen favorablement amb els solvents hidrofòbics. I perquè interaccionen? Per l’aigua.
És l’aigua del sistema la què em dóna aquest valor, aquest canvi entròpic el què fa que això sigui favorable. Per tant, amagar els residus hidrofòbics dins del nucli hidrofòbic de la proteïna respon exclusivament a qüestions entròpiques, no entàlpiques. Les interaccions hidrofòbiques com a tal no existeixen, excepte en no sé què. Per tant, la principal força que condueix a l’enterrament dels grups apolars és l’efecte hidrofòbic, que és disminuir l’entropia del sistema.
Aquest canvi és molt important, perquè té una magnitud molt gran, per exemple un metilè quan el passo d’aigua a un entorn apolar, quan el passo al nucli, aporta 3 KJ/mol, això és molt.
Les interaccions de Van der Waals canvien amb la inversa de la sisena potència de la distància, per tant no tenen cap efecte si els dos àtoms no estan pràcticament solapats. Van der Waals és molt important en les proteïnes, ja que en aquestes els àtoms estan casi a compactació màxima. Molts àtoms estan a distància de Van der Waals o a subdistància de Van der Waals, perquè si estiguessin a menys distància tindrien forats i no els vull perquè m’hi cap aigua i no vull aigua al nucli. Per tant, Van der Waals són forces molt petites, però són molt importants.
7 Química i Enginyeria de les Proteïnes Si ara agafo la seqüència d’una proteïna coneguda i faig un perfil d’hidrofobicitat, és a dir, a cada aminoàcid de la seqüència li dono el seu valor d’hidrofobicitat, tindré aquest tipus de perfil: El 0 vol dir que la molècula està igual de còmoda amb aigua que amb solvent orgànic, el què hi ha per sobre és hidrofòbic i el què hi ha per sota és hidrofílic. Fixeu-vos que els residus hidrofòbics es tan distribuïts de manera no continua, tinc un bloc aquí, un bloc aquí i un bloc aquí. Què significa això? Perquè quan ho posi en aigua (surti del ribosoma) aquests residus tindran tendència a estar junts i això em provocarà un col·lapse, això és l’efecte hidrofòbic.
Estan distribuïts a la seqüència de tal manera que em col·lapsen per donar una estructura globular, i això és el què anomenem la força directriu del plegament.
3. Cooperativitat de les interaccions febles Si les interaccions que tenen lloc en una proteïna són febles, com és que les proteïnes es mantenen plegades en dissolució? a) Perquè n’hi ha moltes b) Perquè són cooperatives Per entendre la cooperativitat des del punt de vista entròpic ens imaginem la molècula de la figura que té quatre grups, A-B-C-D, que poden formar una interacció feble. Si imaginem que la forma plegada correcte és A amb B i C amb D, quan jo formo la primera interacció, sigui AB o CD, la següent es veu facilitada: Per tant, formar la primera interacció m’és més difícil que formar la següent. Cada interacció contribueix en que la següent interacció, encara que tingui el mateix caràcter, sigui més fàcil, i per tant, sigui més forta.
8 Química i Enginyeria de les Proteïnes Imagineu-vos que l’efecte cooperatiu, el que fes és que cada interacció que tenim sigui deu vegades més forta que l’anterior. Això és lineal. Aquesta és la interacció 1, 2, 3, 4... fins a 10.
Imagineu-vos que la constant d’equilibri de la primera interacció és . Vol dir que és més favorable que la interacció no es formi, que no que es formi. Perquè fos igual de favorable que es formés i no es formés, la constant d’equilibri hauria de ser 1 i delta G hauria de ser 0. Anem a mirar en aquest gràfic com canviaríem delta G en una proteïna que vol formar 10 interaccions. El gràfic que segueix és aquest, aquesta és la constant d’equilibri i això és delta G, que inicialment és positiu, per tant es molt poc favorable la formació de la primera interacció, encara que després la següent sigui deu vegades més forta, el què passa és que delta G cada vegada és menys positiva fins que arriba un moment en el qual quan s’han format un nombre determinat d’interaccions i això comença a ser favorable, això és el què anomenen cooperativitat. En aquest exemple, quan puc considerar que la proteïna esta plegada en solució? Només quan tingui les 10 interaccions, perquè delta G és negativa. Quan en tingui només 9 i n’hi falti una, el 50% de les molècules estan plegades i la altra meitat no ho estarà.
Aquesta cooperativitat fa que les interaccions inicials siguin molt costoses, però que després cadena avall baixi molt fàcilment. Això em permet una qualitat molt important de les proteïnes, les proteïnes pleguen molt ràpidament, pleguen en mil·lisegons, i això em fa falta per viure en la cèl·lula, no puc permetre’m plegar en hores, perquè vindrà una proteasa i em degradarà. Per tant, l’estructura és inestable, necessita un nombre d’interaccions i a partir d’aquí comença a ser cada vegada més estable.
9 Química i Enginyeria de les Proteïnes Aquesta petita força de les interaccions i el fet de què siguin cooperatives és el què em permet que les molècules de les proteïnes estiguin plegades en forma globular estable. La densitat d’empaquetament dels àtoms en una proteïna és el volum que ocuparia la proteïna si estigués tot empaquetat a distància de Van der Waals (màxima distància possible) dividit pel volum real, i pot estar fins a 0.82 (si fos 1 voldria dir que el volum real és el mateix que el volum a distància Van der Waals). Per exemple, en un cristall salí l’empaquetament de les molècules, que és sòlid, és de 0.74, per tant les proteïnes estan compactades a màxima densitat, les molècules d’aigua no hi caben, a no ser que hi hagi una cavitat que m’ho permeti, però sinó, si fossin globulars únicament no hi cabria.
4. Condicionants del plegament de proteïnes: Ramachandran Vam explicar que hi havia dos llocs per on les proteïnes poden girar. L’enllaç peptídic és rígid, defineix un pla amb sis àtoms i només pot girar al voltant del carboni : angles fi i psi. Aquests angles NO poden tenir qualsevol valor.
Això és els angles fi en les proteïnes reals, de 0 a 180 si gira a dreta i de 0 a -180 si gira a l’esquerra, i el mateix per a psi. En principi, teòricament, això hauria d’estar ple, però fixeu-vos que està buit. En color verd tenim les combinacions d’angle fi i psi permeses en les proteïnes, observem que només poden explorar una part relativament petita de l’espai conformacional. Això és perquè en aquetes posicions es creen interaccions, xocs, entre els àtoms de la cadena polipeptídica, és a dir, impediments estèrics. La gran majoria d’aminoàcids tenen els mateixos impediments estèrics, perquè els impediments estèrics qui hi contribueixen? l’hidrogen, del pont de l’enllaç peptídic, l’oxigen, del carbonílic de l’enllaç peptídic (els tenim en tots els aminoàcids) i el carboni en posició , que en la majoria dels casos és un metil o etil. Per tant, aquestes posicions d’aquí, aquest puntets són el valor d’un aminoàcid en una proteïna plegada en l’espai, encaixen perfectament amb el ????.
En les regions grises no hi pot haver res, però de cop comencen a aparèixer coses. Hi ha uns aminoàcids que resulta que poden assolir posicions en l’espai conformacional que cap altre pot 10 Química i Enginyeria de les Proteïnes assolir. Pregunta d’examen, quins? La glicina, ja que no té el carboni , sinó que té un hidrogen, i per tant pot adoptar posicions en l’espai que cap altre aminoàcid pot. Això és fonamental per l’estabilitat de les proteïnes.
07/10/13 El Ramachandran plot es basa en l’angle fi o l’angle psi. Observem que la majoria de l’espai no està ocupat, el què està ocupat és una part molt petita sobretot en els dos primers quadrants, això depèn dels impediments estèrics que normalment venen donats pel NH i el CO dels seus enllaços peptídics i a més a més hi contribueix el C present en tots els aminoàcids com a CH3, CH2 o CH4, excepte per a la Gly, que hi té un hidrogen. La Gly pot ocupar posicions no permeses del Ramachandran plot.
Les regions habitables del Ramachandran corresponen a l’estructura secundària de les proteïnes. Les proteïnes tenen aquest tipus d’estructura secundària perquè no en poden tenir cap impediments altre perquè estèrics.
Les sinó grans tindrien zones ocupades del Ramachandran corresponen a l’hèlix i a les fulles , a banda d’altres regions molt més específiques. De manera que el Ramachandran és qui defineix el tipus d’angles fi i psi disponibles i aquests em defineixen l’estructura. No pot haver-hi una estructura secundària que tingui angles diferents.
Per tant, les proteïnes tenen essencialment dos tipus d’estructura: i (més els girs), i això és perquè no pot haver-hi qualsevol altre estructura. A la imatge es veu que això és un continu, hi ha una regió de la fulla i una regió de l’hèlix .
5. Tipus principals d’estructures secundàries; aminoàcids que hi participen Hèlix en la qual l’increment de la distància per volta La figura de la pàgina següent seria una hèlix és 7. Si mantinc la distància entre residus i faig que el nombre de residus en comptes de ser 5 passi a ser 4 per volta tinc la hèlix que mostra la figura (per n = 4), una hèlix més estreta. Si faig que enlloc de 4 residus passi a 3 residus per volta, mantenint la distància dels residus, aleshores les posicions equivalents en l’espai estaran molt més distants, avanço més en l’espai 11 Química i Enginyeria de les Proteïnes que quan tinc 4 residus per volta. La darrera possibilitat en aquests condicionaments és la hèlix quan n = 2, en la qual tinc 2 residus per volta. Si haig de fer una estructura de tipus cilíndrica ja no avanço més que 2 residus per volta.
Per tant, l’hèlix està dissenyada per tenir un estirament pràcticament òptim. Està entre n = 4 i n = 3, té 3.6 residus per volta, de manera que avança en l’espai d’una forma significativa.
Les hèlix n = 3 i n = -3 de la figura tenen el mateix nombre de residus per volta, però són diferents. La diferència és el sentit del gir. L’hèlix pot girar a la dreta o a l’esquerra, la de les proteïnes és dextrògira.
Els ponts d’hidrogen entre el carbonil i el NH de l’enllaç peptídic marquen l’estructura de les hèlix . Els ponts d’hidrogen són els què intervenen fonamentalment en el manteniment de l’estructura. Cada residu de la cadena lateral pot formar dos ponts d’hidrogen, està connectat amb l’hèlix per dalt i per sota. Els quatre residus del N-terminal i del C- terminal, però, només poden formar un pont d’hidrogen: si estan al Nterminal amb els residus que hi ha a sota i si estan al C-terminal amb els que hi ha a sobre. Per tant, les hèlix són molt més estables al centre que als extrems (necessito algú a dalt que m’aguanti).
Els ponts d’hidrogen es formen entre el residu “i” i el residu “i+4”. És a dir, entre l’aminoàcid de posició N-terminal i el què està quatre vegades més enllà en seqüència. L’enllaç es forma entre el carbonil de l’aminoàcid 1 i el què està a quatre posicions més enllà. Això fa que l’hèlix giri d’una forma determinada.
12 Química i Enginyeria de les Proteïnes Aquesta taula (figura de sota) s’ha de saber per la hèlix i per la hèlix 3-10. La hèlix 3-10 és una hèlix especial en la qual l’enllaç es dóna entre “i” i “i+3”. Habitualment és molt curta, té entre 3-4 residus, però és molt important. De la taula és important recordar quins són els seus angles (phi i psi), no necessito saber els valors exactes, però sí saber que els dos valors són negatius perquè phi i psi giren en el mateix sentit. L’angle omega només pot tenir dos valors, o 180º o 0º, i m’informa de si l’enllaç peptídic està en posició cis (0º) o trans (180º). L’hèlix sempre és en trans. Per tant, no cal saber els valors exactes, però sí que els angles phi i psi estan al voltant de 50 i això fa que sigui regular. Hi ha 3.6 residus per volta, és a dir, que a 3.6 residus estic una volta més enllà. La translació per residu és de 1.5 (cada residu que avanço en seqüència avanço 1.5A en alçada). Per la hèlix 3-10 cal saber que té menys residus per volta (3 exactament) i això fa que avancem una mica més, és més estirada.
Hi ha unes altres hèlix a les proteïnes que són molt especials, que són les hèlix de poliprolina.
Per aquestes hèlix, la seva regió en el Ramachandran no té res a veure amb la d’una hèlix (la hèlix 3-10 sí que s’assembla a la ) perquè no necessiten cap tipus d’enllaç per mantenir-se, és a dir, no necessiten ponts d’hidrogen. Es mantenen perquè la prolina està ciclada, al ciclar fa que hi hagi un petit gir que es va repetint al llarg de la cadena de manera que ens dóna una estructura helicoïdal més allargada que avança més per volta, avança la voltant d’uns 3A. Es manté, doncs, pel gir característic que té la prolina al ciclar-se i, per tant, no té res a veure amb una hèlix .
13 Química i Enginyeria de les Proteïnes La figura mostra una hèlix vista des de dalt (és com un tub). Això està pràcticament tot empaquetat. En lila són les cadenes laterals, només ens dibuixa el C , llavors hi pot haver tot el triptòfan, etc. les cadenes laterals estan mirant cap enfora. L’angle entre una cadena lateral i el següent és de 100º. Entre 1 i 2 hi ha 100º. Cada cadena lateral es projecta 100º en l’anterior (gairebé 90º), i per tant no surten ben bé perpendiculars.
Les cadenes laterals són molt importants, són fonamentals per a l’estabilitat (no tindrà la mateixa estabilitat una hèlix d’una poli-alanina que la d’una poli-glicina). Normalment interaccionen la cadena lateral i la que està a sota, és a dir, a la posició i+3 o i+4 (és 3.6 la distància, per tant de vegades estarà més cap a l’esquerra i de vegades més cap a la dreta).
En aquesta distància les cadenes laterals estan a distància de contacte. Per exemple la cadena lateral de la posició 1 en contacte amb la de la posició 5, la de la posició 2 amb la de la posició 6... Cal observar que encara que 5 i 8 ens sembli que estan properes, en veritat no ho estan perquè 8 està dues voltes més avall i no es veu. La cadena lateral de la posició 2 contacta amb 6 i aquest alhora contacta per sota amb 9 o 10. Per tant, si en posició 1 tinc una glicina, en posició 4 o 5 vull un glutàmic o un aspàrtic (si vull una cadena que pugui formar un pont salí). Si tinc una fenilalanina, a sota vull tenir una polar (triptòfan, tirosina....). Les cadenes laterals que estan contactant han de tenir el mateix caràcter, perquè sinó no es mantindran. Per exemple, si col·loco un aspàrtic i a sota una fenilalanina, això és impossible que es mantingui. Si col·loco dues glicines tindré repulsions electrostàtiques. Per tant les cadenes es van acumulant de manera que tingui la màxima interacció possible, cal seleccionar quin residu tindré a sota i quin a dalt.
14 Química i Enginyeria de les Proteïnes Què passa amb la càrrega de l’esquelet polipeptídic? Recordeu que vam parlar de les forces no covalents importants per a l’estructura de les proteïnes i que concretament vam parlar dels dipols. Les forces dipolars són febles, però molt rellevants en certs tipus d’estructures: dipol que s’estableix en l’enllaç peptídic. Fixeu-vos que en una hèlix tots els enllaços peptídics van en el mateix sentit (de N a C terminal), no hi ha gir, i això fa que jo generi un dipol elèctric entre cadascuna de les posicions, però entre tota la hèlix . La hèlix és com una fila i com més llarga més diferència de potencial acumularà entre els dos extrems. L’extrem Nterminal està carregat positivament i el C-terminal negativament.
Com puc aconseguir estabilitzar els extrems d’una hèlix ? El primer residu s’anomena N-cap i l’últim C-cap. El N-cap té un caràcter negatiu. En general, en molts casos, el residu del final de l’hèlix tindrà càrrega negativa perquè m’estabilitzarà aquesta diferència de potencial positiva i m’estabilitzarà la última volta de la hèlix. I el mateix pel C-cap, on al final hi tindré una lisina o arginina, si hi posés un glutàmic, la hèlix es desestabilitzaria perquè no podria aguantar aquesta diferència de potencial.
Resumint, l’estabilitat de la hèlix depèn del caràcter dels residus adjacents a l’espai i també de la mida d’aquests. Depèn de la mida perquè no vull tenir dos residus consecutius molt grans perquè, encara que tinguin el mateix caràcter, xocaran estèricament, ni tampoc els vull molt petits perquè em quedarà un forat a l’hèlix i se m’hi podria posar aigua. Per tant, el caràcter i la mida dels residus “i+3”-“i+4”.
En les hèlix hi ha poques prolines i glicines. Les prolines normalment quan les trobem properes al C-terminal quan aquesta hèlix ja ha de començar a girar. Les glicines també es troben a aquí, que és on menys molesten, n’hi ha molt poques, perquè una glicina dintre de l’estructura sí que ja deixa un forat absolut. Per tant, no vull glicines dins de la hèlix perquè tinc a més molta flexibilitat i l’hèlix es mou i es desestabilitza. No vull prolines perquè farà que aquests 3.6 residus per volta canviïn una mica i no pugui mantenir l’estabilitat (fa que els ponts d’hidrogen es torcin i no seran tan forts).
L’estabilització per residus en posició N-cap i C-cap és molt important, ja que un canvi en la posició N-terminal pot fer que tinguis una hèlix molt estable i sobretot perquè casi tota la capacitat de formar ponts d’hidrogen en hèlix relativament estable.
15 està saturada, la hèlix és una estructura Química i Enginyeria de les Proteïnes Característiques hèlix : o n = 3.6 residus per volta o d = 1.5 augment per residu (cada residu augmenta 1.5A) (d = p/n) o p = 5.4 augment per volta (cada volta augmenta 5,4A) o Els angles phi (-57) i psi (-47) o Màxim empaquetament dels àtoms (estabilització per ponts d’hidrogen formats entre ii+4 en hèlix o i també pel caràcter dipolar) La longitud mitjana normalment és d’uns 12 aminoàcids tenint en compte que tres voltes són divuit aminoàcids més o menys (pot ser molt més llarga, però normalment no és més curta) o Moltes hèlix Una hèlix són amfipàtiques amfipàtica vol dir que té un costat polar i un costat apolar. Per tant, els residus col·locats en un costat poden formar ponts d’hidrogen i en l’altre costat no poden. Quin sentit té això? L’hèlix tindrà la mitat cap endins i la mitat cap enfora, perquè és una estructura globular. Els residus polars miraran cap enfora i els hidrofòbics cap endins. Quan miren cap enfora han de ser hidrofílics i quan miren cap endins han de ser hidrofòbics.
Una hèlix serà totalment hidrofòbica quan estigui ancorada a la membrana plasmàtica. Els receptors transmembranals normalment tenen hèlix que són totalment hidrofòbiques perquè estan en ambient lipídic. Mantenen tots els paràmetres, només canvia que les cadenes laterals ara són totes hidrofòbiques.
16 Química i Enginyeria de les Proteïnes Fulla És més plana que la hèlix , al ser més plana avança molt més (la distància entre una posició i la posició equivalent és 5,4A en hèlix i 7A en fulla ). És pràcticament l’estirament màxim que poden fer les cadenes laterals. El nombre de cadenes implicades és entre 2 i 15 normalment, per tant, unes 5-6 cadenes de mitjana.
No hi ha una fulla si hi ha una cadena polipeptídica, si hi ha només un fragment això no pot ser una cadena , la definició de cadena és que hi hagi almenys dues cadenes enllaçades. Al contrari que passa amb la hèlix , que es manté per contactes locals, la cadena per contactes entre es manté residus, que òbviament no han de ser consecutius en seqüència, a diferència de la hèlix , que sí que han de ser consecutius. Això fa que sigui molt fàcil de predir l’estructura , només he de mirar si la seqüència que tinc té residus que siguin formadors de , però sí que és més complicat predir l’estructura , perquè no només depèn de la seqüència, sinó que hem de trobar una altra regió equivalent.
Perquè es manté la fulla ? Igual que la hèlix , per ponts d’hidrogen entre carbonil i NH, però ara de cadenes adjacents. Fixeu-vos que les cadenes laterals estan alternativament cap endins i cap enfora, totes les que tinguin en el pla més fosc (en la figura) estaran per sobre del pla i les que estan en el pla més clar (en la figura) estaran per sota. Per tant, cada cadena lateral ha de ser compatible amb la del seu costat. En aquest cas les que estan costat per costat són les que han de ser hidrofòbiques, carregades negatiu i positivament, petites i grans, etc. El tipus d’estabilització és el mateix, interacció cadena principal i lateral compatible, només que ara les tenim de costat i no una sobre l’altra.
Hi ha dos tipus de fulla , la paral·lela i antiparal·lela. Antiparal·lela vol dir que si una cadena va en direcció N-C, la del seu costat ha d’anar en direcció C-N. Una cadena i la seva adjacent van en direccions oposades. Això em permet fer ponts d’hidrogen molt forts. Si miro una paral·lela, totes les cadenes estan en el mateix sentit, estic obligat a formar ponts d’hidrogen que entre el donador i l’acceptor hi ha un angle i per tant són més febles. Per tant, les antiparal·leles són més fortes i més abundants.
17 Química i Enginyeria de les Proteïnes Fixeu-vos que trobar una paral·lela és complicat des del punt de vista topològic. Una antiparal·lela és molt fàcil, jo puc tenir una cadena un gir i torno a baixar. Una paral·lela és molt més complicat (en parlarem més endavant dels girs ).
Moltes fulles són mixtes. Tenim regions paral·leles i regions antiparal·leles. Les paral·leles estaran enterrades dins de l’estructura perquè els ponts d’hidrogen són més febles i jo no vull que competeixin amb l’aigua. Les antiparal·leles tenen els ponts d’hidrogen més forts i normalment estan exposades parcialment, no poden estar exposades totalment per culpa d’una 18 Química i Enginyeria de les Proteïnes de les càrregues, i normalment són amfipàtiques, poden tenir un costat exposat al solvent i l’altre costat exposat a dins perquè els seus ponts d’hidrogen ho permeten.
Les fulles paral·leles i antiparal·leles normalment les dibuixen com si fossin rectes, com si fos absolutament paral·lel. Això és fals, el fet de què els aminoàcids siguin quirals fa que tinguin un cert angle, aquest angle es va propagant i com més llarga és la cadena fulles més angle té. Les tenen un “right hand twist”, giren una miqueta respecte l’altra de manera que hem donen aquest tipus d’estructura: Això és molt convenient perquè si tinc aquí una cosa recta la he de vestir i si faig una volta en aquest tipus així estic generant una tipus d’estructura globular on puc col·locar, per exemple, hèlix al costat per aquest forat perquè em deixa això d’aquí (textual del professor, mirar figura 19 Química i Enginyeria de les Proteïnes de la pàgina anterior). Per tant, giren molt poc entre dos residus, però va girant poc a poc i si és molt llarga s’acaba acumulant molt de gir. Per tant, no dibuixeu les fulles com a una cosa plana perquè no ho són.
Paràmetres característics de les fulles Augmentem per volta 7A, és a dir, la distància entre un lloc i la seva posició equivalent són 7A.
Com que tenim dos residus i entre dues posicions equivalents cada residu avança 3,5A en l’espai, la fulla avança més del doble del què avança una hèlix . Important: els angles són - 130 i +125, estan a prop d’un angle pla (no són 180º) i òbviament una cadena va cap a dalt l’altra cap avall, etc. Per tant, cada angle phi és seguit d’un angle psi positiu: negatiu-positiunegatiu-positiu... El fet que no van en el mateix sentit (en l’hèlix sí que hi van), sinó en sentit contrari, és molt important. Com a resultat l’extensió és pràcticament la màxima, la fulla extensible, no la puc estirar més. Un exemple de fulla és la seda, que és flexible, però no es pot estirar més perquè la trenco, la seva extensió és màxima gairebé. La fulla igual per ponts d’hidrogen i moltes fulles no és s’estabilitza són amfipàtiques.
Girs Com connecto una cadena antiparal·lela amb una altra cadena antiparal·lela? La forma més fàcil és per un gir. Hi ha diferents tipus de girs, només ens explicarà els girs .
Tinc una cadena , una altra cadena i un gir. Aquesta estructura d’aquí (imatge de sota, en antiparal·lela) no es diu fulla , es diu “hairpin” (forquilla). Aquest gir 20 conté les dues cadenes d’un “hairpin”.
Química i Enginyeria de les Proteïnes Qui quin tipus d’enllaç els manté? El mateix tipus d’enllaç que la hèlix i la fulla , els ponts d’hidrogen entre el primer i el quart residu. Hi ha quatre residus per gir i el primer i l’últim estan enllaçats per pont d’hidrogen.
Aquesta cadena lateral d’aquí i aquesta d’aquí i aquestes dues altres com són, com acostumen a ser (figura de sota)? Pensant en l’estructura de les proteïnes, són polars. Els girs normalment estan exposats a solvent, el gir es produeix normalment sempre tocant l’aigua i per tant les cadenes laterals dels girs solen ser polars.
La diferència entre el tipus 1 i el tipus 2 (de la figura) és molt senzilla, és el fet de què aquest NH esta mirant cap enfora i aquest carbonil està mirant cap endins, mentre que aquí estan al revés. Són exactament iguals, però poden optar dues posicions, les dues són igualment estables.
09/10/13 Recordatori classe anterior: 4 residus. NH del residu 4. Pont d’hidrogen entre 1-4, el mateix tipus d’estructura que té hèlix i fulla . Dues possibles configuracions, tipus 1 i tipus 2, en funció de si el que va a dintre és el carbonil del 2 o el NH del 3. Normalment a la superfície trobem les cadenes laterals polars, o alternativament Gly (flexibilitat) i prolina (permet gir).
Preferències conformacionals dels aminoàcids Hi ha aminoàcids bons formadors de ( ), aminoàcids bons formadors de fulla ( ) i aminoàcids bons formadors de girs . Dependrà de les seves cadenes laterals.
21 Química i Enginyeria de les Proteïnes Glutàmic: gran formador de , i mal formador de . Tirosina i valina, molt bon formador de , no tan de . Pro, Gly, Asp (perquè és un residu llarg) bons formadors de girs formador d’hèlix , però poliglutàmic no forma hèlix . Glutàmic bon , és molt freqüent tenir glutàmic normalment compensat per lisina arginina. Glutàmic i Aspàrtic són diferents (glutàmic la cadena lateral se’n va mes enllà, hi ha menys impediment estèric) Veiem com de freqüent és el glutàmic a hèlix , fulla i gir : la summa és 100. Molt important. Qüestió d’analitzar estructures i densitats. És una expressió molt important per nosaltres, en el nostre laboratori quan volem dissenyar proteïnes noves hem de saber les densitats, si volem crear una hèlix cadena hem d’agafar residus que tinguin densitats de ?, I si em de seleccionar cadena de carrega negativa posem glutàmic o aspàrtic, si volem cadena carrega positiva posem millor una lisina que una arginina.
Gràfics semblants a matrius, el que diu el número d’aquí és com és de freqüent una presència d’aminoàcids en una de les hèlix- respecte al què un esperaria per atzar tenint en compte el número de glutàmics que hi ha a les proteïnes.
Tot el que sigui superior a 1 vol dir que és més freqüent del què es trobaria per atzar i això vol dir que és favorable. Aquests valors són els que nosaltres fem servir per desprès intentar predir estructures secundades. De nou glutàmic, és molt mes freqüent en hèlix- i molt menys en fulla , isoleucina és freqüent en els girs-B. Cada aminoàcid té la seva preferència en una de les dues conformacions, Gly és més freqüent en girs-B, Serina, Aspàrtic i Asparagina son bons residus per tenir girs perquè són polars.
22 Química i Enginyeria de les Proteïnes Perquè serveix això? Això serveix per moltes coses, per nosaltres.
Imaginem que ens han dona una seqüència. Fa 15 anys, com saber quina seria la estructura 2aria per aquesta seqüència? Per a cada aminoàcid posàvem la seva probabilitat de formar hèlix- , i faig el mateix amb fulla-B. Comences a posar símbols, la escala es arbitraria, em triat escala que diu : H (high)  molt bon formador h  bon formador I  indiferent B (bad) molt dolent, b (bad) no tan dolent.
Es tria escala, per ex: tot el que està per sobre de 1.2 es H, entre 1 i 1.2 h, entre 0 i 0.75 I, i per sobre de 0.75 es bad. Ho fas per i per . Mirem quines regions tindrien propietat de propietat de . Mirar quina regió seria bona formadora de Com establim límits? Amb els residus que formen i quines i quina regió bona formadora de .
en aquest cas que són contigus a la cadena , analitzes residus contigus de 4 aminoàcids i fas promig de la probabilitat de hèlix de aquests 4 aminoàcids, i vaig corrent amb 4 primers, el 2n al 5e, el 3 al 6e etc.. per a cada residu i per a cada segment dona probabilitat. En aquest cas considero que és bo tot això que esta per sobre de 1,1.. Faig el mateix en cas de la .
Són límits teòrics.
Tenim la predicció i la realitat, s’assemblen moltíssim. Tenim una regió que formadora de ni bona formadora de ni es bona . Molt fàcil i funciona en proteïnes com aquesta.
Predicció en proteïnes petites. Però si volem treballar en proteïnes reals (180-200-300aa) es inviable, es solapen. Com ho fem? Predictors online. Predictors d’estructura. Aquest per ex em diu H (hèlix) C (coiled, no estructura) E (cadena B). Cada predictor està basat en una cosa diferent no entrem en detall. Correm tots els algoritmes i derivem una seqüència consens (posem a cada posició, de les 3 opcions, aquella q ha sigut més vegades) som capaços de fer prediccions d’estructura secundaria que són molt fiables. En aquest cas Coincideix plenament amb l’estructura real de la proteïna/ 4, 5, 6,7 algoritmes.
23 ...