HH (2007)

Otro Portugués
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 5º curso
Asignatura HH
Año del apunte 2007
Páginas 26
Fecha de subida 19/10/2014
Descargas 16
Subido por

Vista previa del texto

Química i Enginyeria de les Proteïnes TEMA 4 – Classificació estructural de les proteïnes 1. Estructures supersecundàries i motius 2. Dominis estructurals 3. Estructura terciària 4. Proteïnes ; proteïnes i ; proteïnes 5. Mètodes de classificació 6. Conformació i funció a proteïnes fibroses 1. Estructures supersecundàries i motius Les proteïnes estan formades com si fossin peces de “lego”, fan servir unes quantes peces comunes que s’acoblen per poder formar diferents estructures.
Cada proteïna no s’inventa una estructura nova, si no que utilitza elements estructurals comuns, el que anomenen superestructures secundàries, per anar construint l’estructura terciària.
Imaginem que tenim un problema on ens diu quina és la forma de connectar dos B-hairpin (forquilla ), ha de formar fulles de 4 parelles que tinguin sempre 2-B-hairpin. ??? Només hi ha 24 possibilitats. La natura pot utilitzar qualsevol de les 24 per formar fulles B.
Quan un mira l’estructura de les proteïnes resulta que nomes els 8 primers motius estan presents. Es fan servir com a motlles que es repeteixen de forma constant. D’aquests 8, 2 són tropològicament equivalents (marcats amb verd). S’anomenen Claus , ells dos sols són més freqüents que qualsevol del conjunt de motius possibles. Aquests d’aquí els trobem però els trobem poc. Si jo vull construir una fulla B en la majoria dels casos utilitzaré aquest tipus de motius. El repetiré tantes vegades com vulgui segons l’estructura que vulgui tenir.
Que tenen en comú els motius que jo acostumo a trobar a la proteïna dels que no acostumo a tenir? Són fulles B antiparal·leles (en general)  Perquè la seva configuració és més estable.
1 Química i Enginyeria de les Proteïnes No fem servir totes les combinacions possibles, fem servir un baix percentatge que són aquells mòduls que funcionen millor. Hi ha una selecció de motius.
Classificació de motius: - Motius seqüencials: Són motius que estan definits a la seqüència. Veig la seqüència i sé que aquell motiu fa alguna cosa, per exemple un motiu seqüencial és el centre actiu d’un enzim.
- Motius estructurals: Motiu que té un o mes tipus d’estructura secundaria, contigus, i això em dona una estructura definida, o en alguns casos una estructura definida + una funció.
(exemple) Aquest motiu seqüencial, amb aquesta distància em diu que això està coordinant un metall, aquesta distància entre les Cys i Hist, que són el que coordinen els metalls, em diu que aquesta seqüència és un lloc de coordinació de metalls. No em fa falta veure la estructura. És un motiu que òbviament desprès a l’espai s’ha de plegar per fer la seva funció.
Motius estructurals, Exemple: aquestes dues .
-loop- (molt comú a les proteïnes) És un motiu molt senzill però molt important. Aquest motiu el que fa es unir DNA i és molt freqüent en factors de transcripció, DNA-polimerases. Una de les hèlix mira cap en fora i aquesta es col·loca en els solcs de DNA, normalment la trobem en estructures de tipus allargat, de manera que es van col·locant 1,2,3,4,5... La hèlix- tindrà un caràcter amfipàtic. Un costat apolar, i la part mirant al DNA tindrà glicines habitualment.
EF-Hand : Motiu que s’assembla molt a l’anterior, però el loop fa com una mena de gir més complex. El loop no està així perquè sí, té una funció: que fa falta per estabilitzar aquest tipus d’estructura? Ca2+ Motiu d’unió a Ca2+. Això permet que les dues hèlix 2 siguin Química i Enginyeria de les Proteïnes molt estables perquè el loop ja no es mou. Quins residus tinc al loop? Aspàrtic. Motiu molt senzill amb el que puc tenir funcions ja més complexes.
Motiu més senzill que es pot formar amb cadenes : B-hairpin: cadena – loop – cadena . Aquesta estructura mai la trobarem aïllada. Mai trobarem un B-hairpin una proteïna que tingui una estructura així  П i prou (molt poc estable). Sempre el trobarem empaquetant-se amb un altre motiu estructural. El loop que connecta les dues cadenes B pot ser mínim de 2 residus (mes petit possible, normalment un d’ells es una glicina) o 5 residus.
Clau grega: Motiu estructural - més comú. Per dues coses: - les cadenes són antiparal·leles - el seu mecanisme de formació es molt fàcil. Perquè els intermediaris de la formació ja són molt estables.
Com es forma? Inicialment quan s’ha de formar, la cadena 1 s’alinea amb 4, cadena 2 s’alinea amb 3. Aquesta estructura que encara no es la clau grega ja és molt estable. Forma ponts d’hidrogen i contactes ja en actiu. L’únic que haig de fer ara per formar-la és plegar-la sobre si mateixa. Molt important tipologia: ordre de les cadenes en seqüència, dues cadenes contigües no necessàriament han de ser contigües en seqüència.
Barril : En aquest cas d’aquí és un barril de 8 cadenes, formades per dos claus gregues. Són dos motius molt senzills idèntics que quan es disposen a l’espai em donen estructura tridimensional. El barril B és molt típic d’enzims.
Em deixa tenir grups que defineixen centre actiu. Les cadenes no formen fulles b, estan col·locades amb un gir que permeten fer el barril.
Motiu més senzill que combina els tres tipus d’estructures que em vist: connectades per una - - . Dues betes . Ja no tenim un B-hairpin, encara que siguin dues cadenes , de totes maneres l’estructura resultant és la mateixa. És absolutament estable. Això té un nom: dormint sobre un llit de betes. Aquest motiu em permet tenir fulles paral·leles. La majora de fulles B que trobarem a estructures terciàries venen de la divisió d’aquest motiu.
3 Química i Enginyeria de les Proteïnes Com ha de ser el caràcter per que s’empaquetin: apolar per sota. Hèlix- per sota es apolar, perquè empaqueta les fulles b. Per tant apolars per dintre. Les fulles b apolars per fora i la hèlix amfipàtica. apolar per sobre, per l’altre banda polar. (no quadra) 2. Dominis estructurals Les proteïnes globulars estan formades per dominis. Més d’un domini. Un domini no és un motiu. Domini És una regió de la proteïna que és globular, compacte i sobretot que es pot plegar per si mateix. 1 Domini està format per la posició? de dominis estructurals. Hi ha proteïnes que són un únic domini globular. Hi ha proteïnes que estan formades per més d’un domini globular.
Puc agafar una proteïna formada per dos dominis, separar-los i obtenir les dues estructures globulars independents. Puc trobar proteïnes que tenen centenars de dominis. Aquests dominis poden ser consecutius en seqüència o no. Els dominis em donen modularitat: jo puc combinar. Puc combinar dominis amb diferents funcions per fer diferents coses.
Una cosa molt típica. Domini SH3 (domini d’unió a proteïnes). Hi és en moltes proteïnes, el pots tallar i enganxar a qualsevol proteïna. El domini SH3 s’encarrega de reconèixer el que faci falta, fosforila, talla, modifica, acetila.. no has d’inventar proteïna. Molt útil si vols tallar DNA o lloc concret. Adquireixo noves propietats, no inventant nous plegaments (que ja vam veure que són limitats) sinó que el que faig es combinar-los per generar noves funcions. Es molt difícil de dissenyar una proteïna nova, que faci una funció nova. Es molt fàcil combinar mòduls que ja existeixen per fer funcions noves.
N i C de la estructura surten junts funcionen com un raïm. Estan dissenyats per acoblar-se (pengen) No tinc disjuncions estèriques. Per lo tan les proteïnes grans es formen per dominis petits, formats per motius petits que a la vegada estan formats per estructures secundaries.
4 Química i Enginyeria de les Proteïnes 14/10/13 (fent referència als dominis d’aquesta imatge) Aquests dominis d’aquí són dominis proteïnes implicades en transmissió de senyals, moltes proteïnes quinases: (regulen cicle cell..), cada mòdul defineix una especificitat d’unió a un tipus de proteïna o una altre.
Aquest tipus de mòduls son petits i surten com si fossin raïm., penjants de la cadena principal, el centre actiu està a la quinasa.
Ens permeten reconèixer.
Casos més dràstics: Tihoesterasa i Thioesterheyidrassa: S’assemblen moltíssim, en un cas té dues subunitats, mentre que en altre cas són dos dominis, que formen part de la mateixa cadena polipeptídica. Això s’ha originat per fusió gènica, s’han fusionat els dos gens de manera que les dues subunitats ara queden unides i passen a ser dos dominis, això es molt freqüent.
Mioglobina: proteïna tot , adopta un plegament molt comú, el plegament típic de les lubines.
Les lubines 8 cadena plegades per donar domini globular.
3. Estructura terciària La conformació terciària és la conformació que adopta la proteïna en el seu estat natiu, i això es quan la proteïna es totalment funcional.
Fixem-nos que en la mioglobina per què això sigui així necessito tenir un grup prostètic. El grup hemo, perquè sinó això no té estructura terciària, de fet si no tinc el grup hemo, aquesta proteïna no es manté plegada. Ni té el grup funcional ni té l’estructura terciària.
Depenent de si la proteïnes és petita o gran, quan diem estructura terciària podem considerar o un monodomini (1 domini), o varis dominis, si per fer la funció fan falta varis dominis. Com la funció depèn de dominis, quan nosaltres veurem la classificació de les proteïnes en les diferents fases estructurals, parlarem de dominis, en la majoria dels casos el domini correspondrà a la proteïna. Però no 5 Química i Enginyeria de les Proteïnes puc classificar les proteïnes en funció de la seva estructura terciària global perquè això vol dir que tenim una tot o una tot . Si defineixo estructura terciària, com la conformació de l’estat natiu funcional, sempre requereixo tenir d’un grup prostètic. Aquest pot ser molt gran o pot ser molt petit, com es precisament un àtom metàl·lic, un àtom de zenc. La estructura terciària d’aquesta proteïna és l’estructura global i la localització de l’àtom. Els grups prostètics són fonamentals. Hi ha moltes malalties que son resultats de deficiència entre aliments.. (no s’entén la paraula), i en molts casos això és perquè la proteïna no pot formar la seva estructura terciària, exemple: eficiències de zenc.
Mioglobina amb grup prostètic El nombre de plegaments o dominis estructurals és molt gran però és limitat. No existeix un nombre infinit de plegaments, això fa que ara la gent que fem disseny d’estructura sigui molt difícil trobar plegaments nous, sempre s’assemblen estructuralment a alguna altra. Són modulars, inserint i deleccionant coses jo puc generar una nova funció. El que si que puc trobar es una proteïna amb una nova combinació de plegament, si la combinació és nova, jo no la he vist abans, això em defineix una nova afinitat, i una nova funció.
4. Proteïnes ; proteïnes i ; proteïnes Tipus de dominis estructurals, o tipus de plegaments Hi ha quatre tipus (aprendre a veure’ls, probablement aquesta part a l’examen seran fotos).
- Tot : Format per tot hèlix- - Tot : format tot per fulla (la gran majoria) (la gran majoria) Rarament trobarem una proteïna Tot amb una fulla , perquè normalment el que trobaré és un element estructural diferent, amb una cadena solució) el que si que trobaré és Tot - - / i les hèlix - cadena ...
estan en continuïtat seqüencial. Normalment trobem hèlix - cadena - ( plus ) Tenen - amb alguna hèlix .
( slash ) Les + (com ja sabem no existeixen en i , però no estan seguits en seqüència, no estan intercalats.
Intraconnected (cross-linked) Una sèrie de proteïnes, que veurem més endavant, que tenen estructura terciària però no tenen ni alfes ni betes. Són proteïnes molt petites en general i que nomes tenen estructura globular (50-60 aminoàcids), perquè tenen ponts disulfur. Aquests ponts estan interconnectats, el primer amb l’últim, el segon amb el quart.. fan que tinguin 6 Química i Enginyeria de les Proteïnes estructura globular a l’espai. N’hi ha moltes i molt interessants, moltes hormones d’aquest tipus. Quan mirem l’estructura casi no veiem res.
La longitud dels dominis, és variable. Probablement el domini serà inferior a 250 aminoàcids. Si haig de formar una proteïna de 500 aminoàcids probablement faré dos dominis de 250 i els ajuntaré. El 50 % dels dominis estan entre 51 i 150 residus. 51 perquè menys de 51 és difícil que tingui estructura secundària, i entre 51 i 150 es perfecte per formar la majoria d’estructures que volem.
Hi ha moltes raons, una de les principals raons és la relació entre superfície i volum. Què augmenta més la (paraula que no s’entén mireu si surt als vostres apunts) la superfície o el volum? El volum. Això vol dir que fer proteïnes més grans jo cada vegada haig de tenir més residus hidrofòbics, si ens ho imaginem això en algun moment no es viable, no pots arribar al centre i això ha d’estar empaquetat. Per lo tan a 250 220 puc tenir una estructura adequada, estabilitat adequada, puc omplir en nucli hidrofòbic sense que entri aigua.
Una base de dades de classificació estructural : SCOP ( Structural classification of proteins): tenim el nombre de plegaments. Hi ha moltes diferents . Menys de . Són número de plegaments diferents, no el nombre de proteïnes que tenen aquests plegaments. Hi ha moltes + (perquè al tenir estructures diferents es forma cadascú d’una forma diferent) metre que els altres utilitzen models comuns. Però la més abundant són / . Segueixen un patró molt definit. (mirar quadre).
All domains - Coiled coil: ( la trobem per exemple en les proteïnes fibroses) La hèlix en solució pràcticament no existeix, ella sola no existeix, la majoria de hèlix per mantenir-se necessiten empaquetar-se de forma hidrofòbica. La majoria de les hèlix són amfipàtiques, per empaquetar-se de manera hidrofòbica en necessito com a mínim dos. Aquesta és la forma més senzilla amb la qual jo puc tenir una estructura terciària en forma de hèlix . Aquesta es l’estructura de Watson i Crick.
7 Química i Enginyeria de les Proteïnes El que passa amb aquesta estructura, és que la immensa majoria giren capa l’esquerra ( hi ha excepcions) i aquest gir fa que aquesta volta que puc definir com a 3,6 residus per volta, passa a ser de 3,5 residus per volta. Això vol dir que cada 7 aminoàcids estem a la mateixa posició.
Hi ha repeticions de 7 aminoàcids. Ens trobem en una posició equivalent a l’espai. d-d estan exactament a la mateixa posició i amb el mateix angle. Això no es possible si tinc 3,6 residus per volta (les cadenes mai coincidien a l’espai). Això es denomina “heptad repeat”. El residu en posició central és sempre hidrofòbic. Sempre en posició d tinc un residu hidrofòbic que sol ser Isoleucina o Leucina. Això nomes es possible perquè el gir fa que passi de 3,6 a 3,5. Llavors d es hidrofòbic, d es hidrofòbic d es hidrofòbic , a normalment sempre és hidrofòbic de manera que tinc un cor hidrofòbic que està dintre i manté aquestes dues hèlix lligades molt íntimament, són unes estructures molt resistents, molt fortes.
A banda de d i a, hi ha altres posicions que normalment tenen un determinat caràcter.
Com encaro les dues hèlix? g i e  residus carregats. Amb carregues oposades, que permeten alinear les dues hèlix. Glutàmic-Lisina, Aspàrtic- Arginina, Glutàmic-Lisina. Com faig que encaixin perfectament? Hi ha d’haver alguna cosa que em digui que encaixa amb que. G i e estan carregats de manera que en les repeticions el que passi es que el residu que jo tinc en front estigui carregat amb càrrega oposada, forma un pont salí i oriento la cadena, amb menys impediments estèrics. Giren per aconseguir el màxim empaquetament possible. Les has de tenir una en front de l’altre però solapades (per poder tenir distància d’enllaç). Això es un motiu pel qual giren. Si jo les tinc una en front de l’altre, d-d g i e estan molt separades. Watson i cric van definir que formen un gir de 18º i giren 18 º perquè això permet fer una estructura que aquest home va anomenar (no se’n recorda el professor, diu alguna cosa en angles que no sap traduir) es com enganxar un botó dins d’un forat. d s’enterra a l’altre hèlix. Per enterrar-se necessita que els que l’envolten siguin hidrofòbics. Això passa cada d, cada d estan enterrats en l’altre cadena. Estan empaquetats a màxima densitat. Això permet el gir. Estic al teu costat però a més a més m’hi fico a dins. Són estructures molt estables.
Es l’estructura més senzilla, però hi ha molta feina. És molt difícil dissenyar un coiled coil millor que el natural.
8 Química i Enginyeria de les Proteïnes Això no permet fer estructures globulars, permet fer fibres.
Molts factors de transcripció són estructures coiled coil. (dibuix pissarra). Interaccionen amb DNA. Fan servir el domini coiled coild per tenir estructura, 10-15 residus, normalment leucines a la posició d, i llavors formen cremalleres de leucines. A partir d’un punt el coiled coil es desfà, són com una mena de tisores, que s’encarreguen de reconèixer el DNA. Les hèlix encaixen perfectes en els solcs del DNA. Enganxo fosfats i a més a més reconec seqüències.
Això ara mateix té una aplicació brutal. Tinc estructures fàcils de dissenyar per reconèixer qualsevol part del DNA, puc fer proteïna que fosforili, talli, metili.. em permet modificar DNA.
- 4-helix bunde: Domini més senzill tot que pot adoptar una estructura globular.
4 hèlix continues en la seqüència amb disposició antiparal·lela (pujo, baixo, baixo, N-C-N-C.
Hi ha 4-helix pujo, bunde paral·leles? Sí, però molt poques. Per fer-ho haig de fer una volta.
Aquesta estructura és també molt estable. Els residus de color verd són hidrofòbics, dintre les hèlix són amfipàtiques, aquesta amfipacicitat no és perfecte en el sentit de que els residus de l’interior són els hidrofòbics i els que hi ha cap a fora són polars.
Són hèlix normals i corrents, amb 3,6 residus per volta.
Es mantenen els residus hidrofòbics dintre però com els aconsegueixo empaquetar? De la mateixa manera que empaqueto qualsevol estructura (que no sigui el coiled coil).
Cadenes laterals cap en fora. Certa continuïtat (formen línies imaginaries). Línies i en mig buit. Esquema anomenat: cadenes de muntanyes entre valls. Les línies que formen les cadenes laterals són les muntanyes mentre que els espais en buit formen les valls.
9 Química i Enginyeria de les Proteïnes Connecten cadenes laterals la 1 amb la 4, i l’altre cadenes laterals la 1 amb la 3. Els angles són diferents: 25º i 45º. Com enganxo les estructures? Encarar de manera que muntanyes encaixin amb les valls de l’altre, i així de forma consecutiva.
Això em dona un angle de 20º, que es la diferència entre els dos angles d’abans. Hi ha estructura que et dona més angle (50º), l’utilitzes quan vulguis cobrir amb més cadenes. Fas encaixar les valls amb les muntanyes amb un angle o altre depenent del nombre de cadenes que tingui.
/ domains - barrel: 8 cadenes - - - ..
, estructura canònica del barril de barril). Es repeteix el motiu dorm a sobre de betes) - - . (forma (llit en el qual queda a fora i a dintre. És la estructura més freqüent en la natura, la tenen molts enzims perquè permet tenir una entrada, que es on tenen lloc les catàlisis.
Només canviant els residus que tinc aquí puc canviar el tipus de catàlisi. Exemple d’evolució convergent.
Tipus d’estructura comú que s’utilitza per fer funcions molt diferents. És una estructura molt estable. Plega molt bé, és molt resistent, sintetitza molt bé.
10 Química i Enginyeria de les Proteïnes 16/10/13 1. TIM barrel , el nom ve perquè va ser descobert per l’enzim (triosephosphate isomerase), rossmnd Fold (el nom ve del seu descobridor) o barril   lligament molt estable i abundant a la natura.
Format per 8 cadenes beta, paral·leles i amb repetició de motius  de forma contínua. Aquests motius, normalment tenen una hèlix addicional al final que permet el tancament i formar el barril. Les vuit cadenes  formen un barril unint les cadenes 1 i 8 a partir de ponts d’hidrogen. L’estructura globular s’aconsegueix gràcies el twist de les . Per formar aquest domini calen uns 200 aminoàcids, per tant, no tenim proteïnes de 100 aminoàcids (petites) que puguin formar aquest barril.
Ex. Piruvat quinasa té tres dominis, un catalític (vermell) amb funció enzimàtica, i dos dominis reguladors. El barril sempre té activitat amb funció enzimàtica.
Hi ha molt enzims amb aquest plegament, però seqüencialment són molt diferents.
Tot i així, es poden alinear en funció l’estructura un sobre l’altre. Hi ha 160 residus idèntics estructuralment que són els que formen les  i , la resta són diferents. Molt estable perquè està molt ben empaquetat.
Disposició: Les  sempre queden al mateix costat (sota), i les  a l’altre (sobre).
Per tant, les hèlix  són amfipàtiques amb la cara hidrofílica exposada a l’exterior proteic.
En canvi, els que es troben a l’interior, són les fulleshidrofòbiquesD’aquesta manera l’hèlix alfa estabilitza la cadena. És el tipus de domini més corrent a la naturalesa.
La repetició és, cada dos residus hidrofòbics, miren els dos cap endins o cap enfora. Un cap enfora, un dins, un fora... per tant, cada dos residus, hi haurà la mateixa disposició.
Hi ha dues superfícies : 1. Shell o coverta on s’uneixen les alfa amb les beta.
2. Nucli hidrofòbic només i contribueixen les cadenes laterals de les fulles beta. Composta per valines, isoleucines i leucines, molt freqüents i representen el 40 % de tots els residus de les fulles beta, formen com una escala que permet empaquetar bé. Al final de la cadena beta podem trobar argenines, lisines i glutàmic ( a l’extrem C terminal). Això és perquè necessites carreges perquè vols formar ponts d’hidrogen però també vols mantenir l’estructura, això 11 Química i Enginyeria de les Proteïnes permet que la part alifàtica de la cadena encara estigui formant part del nucli i la carregada ja mira cap enfora. Cas molt especial, perquè aquests residus acostumen a estar exposats.
El centre actiu sempre està a l’extrem C terminal de les beta. L’extrem N terminal NO és funcional! Els grups connecten el C terminal de la  amb N termianl de l’alfa. Trobem al centre actiu en als loops.
Topologia molt freqüent en enzims. Ex RUBISCO: enzims d’evolució convergent. Tenim funcions molt diferen ts que s’han originat a partir d’un plegament molt estable i regulat comú. Si canviem els grups, no importants per l’estabilitat de la proteïna, pots canviar la funció ja que el loop no contribueix en la estabilitat.
Altres enzims: TIM i piruvat quinasa 2. Barril  twisted open sheet Fulla oberta, no pot formar un barril, estructura més plana. Això és perquè les hèlix alfa en aquest cas queden en dos costats de les beta, dalt i baix.
-podríem formar un barril o què passaria? Per poder formar un barril hauríem d’encerclar les hèlix alfa, necessitaríem masses residus. MAI, s’ha vist una beta rodejant una alfa. Per això mai es forma un barril.
El domini estructural és el mateix, ... però la seva connectivitat és diferent. Abans estaven connectades amb seqüència consecutiva (1-2 2-3 3-4...) . En aquest cas, la beta 1 connecta amb beta 3. Perquè això passi cal que hi hagi un gir per part de les fulles beta. Hi ha alfes als dos costats, per dalt i baix.
Caràcter: les alfa tenen caràcter amfipàtic i les beta també (parcialment), ja que també tenen algunes parts exposades al solvent. En la majoria de casos, les hèlix alfa envolten gran par de les hèlix beta. Per tant, l’exposició al solvent és baixa El centre actiu es troba entre 1 i 3. En aquest punt els loops miren cap a llocs oposats. Els del 1-2 connecten les alfa cap a l’esquerra (dalt) i 4-5 els loops connecten cap a la dreta (baix). Ens queda un espai, com un canal, on es col·loquen els residus que són importants per 12 Química i Enginyeria de les Proteïnes l’estructura. Els residus importants per la funció NO estan distribuïts de forma homogènia per l’estructura sinó que es troben a un punt més definit per la distribució dels loops. (crevice) Aquest tipus sempre està ple per dins, en canvi el barril  està buit pel centre.
Domini  Tenen alfa i beta però no es poden construir com una repetició de motius estructurals. Tota la beta està un costat i l’alfa separada. No hi ha número equivalent d’alfa i beta. Aquests dominis es troben a poques proteïnes i no es pot determinar el seu motiu perquè és molt variable. Sempre que veiem que hi ha menys alfa que beta o al revés, això ens indica que és aquest tipus d’estructura. Ex: Papain i TATAbinding protein Dominis  Les fulles beta són inestables perquè a banda i banda, tenen molts punts febles per falta de formació de ponts d'hidrogen. S'han d'estabilitzar i poden fer-ho de varies maneres, en forma de dominis. Això sí, en els dominis tot beta només hi poden haver fulles beta antiparal·leles. Les fulles beta no són planes, sempre adquireixen un cert gir i és aquest gir el que permet formar els dominis.
Els podem agrupar en dues grans categories: el barril β i el sandwich β. I podem parlar de connectivitats entre fulles β o topologies: l'up and down, la clau grega, el jolley roll.
En el barril beta, cadenes antiparal·leles es tanquen sobre sí mateixes, formant un nucli hidrofòbic i una part externa hidrofílica. En el sandwich beta es superposen les cadenes β de manera semblant al barril però queden enllaços d'hidrogen sense formar, l'estructura no està tancada.
El barril beta està format per vuit fulles beta, i com que tot són beta permet que sigui més petit.
Un exemple és el barril up and down, el barril es tanca connectant les cadenes 1-8 amb ponts d’hidrogen. Tot i que encara que les dues cadenes no estiguin covalentment unides hi ha la mateixa estabilitat.
Proteïnes amb aquest domini molt diferents, i permet funcions molt diferents.
-Com saps si una proteïna forma un barril beta llegint la seqüència? Si s’alternen residus hidrofòbics i hidrofílics.
13 Química i Enginyeria de les Proteïnes Molt fàcil de llegir en seqüència i modular.
RETINOL-BINDING proteïnes  s’encarrega de transportar el retinol en sang.
Retinol és molt hidrofòbic amb un cap polar. Les proteïnes estan tancades per dalt, i oberta per sota. Els residus hidrofòbics estan exposats una mica a l’exterior, a solvent, cosa que no és favorable. Tu busques la màxima estabilitat, quan l’aconseguiràs? Quan els residus no estiguin exposats. Això s’aconsegueix quan s’uneix el Retinol, ho tapa i ho estabilitza.
Hi ha dos fulles mirar al dibuix) Fulla beta 1: 1-8-7-6 Fulla beta 2 : 1-2-3-4-5-6 Per tant, 1-6-5 es troben a les dos.
5-6-1, giren molt, això permet la unió de 1-2-3-4 . La visió s’ha de veure com dues que estan tancades.
21/10/13 Com ja vam veure en el barril 5, 6 i 1 giren i permeten que s’empaquetin les dues fulles beta que el formen. Trobem diferents tipus de topologia de barrils β: - El β Sandwich que té la mateixa topologia que el barril però s’empaqueten les fulles β de manera que queden amb forma plana. És com si agaféssim un barril β i l’aixaféssim.
- Clau Grega: ja no és up and down, és a dir, que no s’uneix cada seqüència amb la següent sinó que 1 la trobem connectada amb la 4. Això requereix un plegament diferent.
Un exemple és γ-Crystallin ( el cristalí el trobem a l’ull que diferents dominis (cadascun barrils β amb 170 aa i 8 cadenes): - El domini de l’esquerra - El domini de la dreta 14 Química i Enginyeria de les Proteïnes Si mirem la seva topologia veiem els diferents ponts d’hidrogen (veiem les seqüències adjacents, tot i no ser consecutives): 1 contacta amb dos i quatre, 2 contacte amb 1 però 3 no contacte ni amb 4 ni amb 2.
6 tampoc contacte amb 7 i són consecutius en seqüència.
Entre totes aquestes seqüències que no són adjacents no tindrà ponts d’hidrogen perquè són massa llunyanes.
Si no tenim en compte els ponts d’hidrogen tenim una topologia més simplificada: En aquest esquema veiem els mateixos colors del primer. S’ha mogut la 3 sense tenir en compte els p d’H i podem veure per separat dues claus gregues.
Aquests dos barrils tenen funció estructural i no catalítica.
Veiem que sempre són antiparal·leles (tenint o no en compte els p d’H).
Estudiant les Claus Gregues es va veure que entre les dues fulles β hi havia homologia seqüencial. És a dir, que són iguals i es superposen estructuralment. Per tant, entre els dos dominis només hi ha una diferència de 1,4 A. I es va postular que s’havien format per duplicació gènica. Això suposa que inicialment es va formar un barril de 8 a partir d’una fulla β de 4 i desprès dos barrils de 8 un en front de l’altre. De fet, quan es va seqüenciar el DNA d’aquesta proteïna es va veure que cada part està codificada per un exó diferent i que en mig un intró, per tant, és un exemple de duplicació gènica. Això no sempre passa, sinó que al llarg de l’evolució els introns segueixen treballant i van sortint dominis encara que la proteïna sigui finalment d’una única seqüència hi ha dominis que corresponen als introns.
- Braç de gitano, Remolino o Jelly Roll: També té 8 cadenes β antiparal·leles però amb complicada topologia, cal desmontar-lo per veure. És com si tinguessim: 15 Química i Enginyeria de les Proteïnes I ho pleguèssim de manera que 1 queda al costat de 2 i 5 al costat de sis. Fent que no tots els loops siguin igual de llargs (4-5 curt, i de 2-3 llarg): Obtenint dos grups per sobre i dos per sota. I cal tenir en compte que l’aigua no pot travessar els loops ja que són cadenes hidrofòbiques. Quedaria una estructura com aquesta: I si mirem les connectivitats i no veiem els colors no se sap si és aquest, Up and Down o Clau Grega. La diferència és la connectivitat.
Un exemple és el Bacteriochlorophyll A - Hèlix β: És una hèlix helicoidal formada per fulles β. Es tracta de cadenes molt curtes normalment i que es disposen en l’espai de manera paral·lela sense formar ponts d’hidrogen, absolutament encarades i encaixen perfectament.
Normalment hi ha 7 voltes mínim de beta. Aquesta hèlix té un problema, com ja hem dit tenen cadenes curtes i això fa que no hi hagi gaires ponts d’hidrogen. El que necessita és: - Fa falta loops llargs i que girin bé (per tant, falta Gly, els loops tenen: Gly-Gly-XGly-X-Aspartic així no hi ha gaires cadenes laterals.) - Sense cadenes laterals (en Gly)no hi ha interaccions, i en necessitem per estabilitzar-lo i a més tenim Asp (sempre un sobre l’altre, que com que té càrrega negativa si no tenim càrregues positives en la seqüència cal CALCI). Per tant, necessitarem Ca.
16 Química i Enginyeria de les Proteïnes N’hi ha de 2 cadenes β però també de 3. Les últimes tenen més espai dins. Això permet formar un coil (nucli) hidrofòbic i és molt estable. I les cadenes laterals hidrofòbiques es col·locaran allà i una sobre de l’altre encaixant perfectament amb la de sota. Sempre les que es posen una sobre l’altre són del mateix tipus (com veiem al dibuix les tenim diferenciades per colors).
L’únic problema que té és que si tenim molts residus hidrofòbics i no tenim estructura secundaria com col·loquem les cadenes beta en l’espai? Pensem que no es globular! Farem servir un disseny negatiu: posem càrregues dins el nucli. Es formaran ponts d’hidrogen entre els residus hidrofòbics i carregats i així quedaran orientades les cadenes (evitem un enllaç iònic en un nucli hidrofòbic).
La pectase lyase és una proteïna exemple d’hèlix β de 3 cadenes.
Existeix un prió de fong que no se sap ben be la seva estructura. Les fibres amiloids són un dels problemes pels quals no podem eliminar els prions.
Quan agrega forma 2 voltes de β hèlix (molt poc estable) però resulta que al cadena de dalt (primera volta) i la de baix són complementaries. De manera que les voltes s’ajunten amb les altres i en comptes de tenir 6 cadenes en tenim moltíssimes, això li dóna estabilitat.
Aquesta estructura doncs, està estabilitzada pels ponts hidrofòbics que li permeten orientar-se.
Aquest tipus d’estructura tan estable són les que fan servir el virus per penetrar en la cèl·lula.
Els bacteriòfags s’ingecten com una xeringa.
Resum dels dominis β: - - Dos tipus de connectivitat: - Up and Down - Clau grega Dos tipus d’empaquetament: 17 Química i Enginyeria de les Proteïnes - Barril - Sandwich Hi ha altres proteïnes molt petites que no tenen estructura secundària (si en tenen és poca) i que treuen l’estabilitat dels ponts disulfur. Són extraordinariament estables.
Per exemple aquesta toxina: La contribució del pont disulfur és que fa que l’energia lliure de Gibbs sigui petita, per tant, quan es plega serà negatiu, quan estigui positiva desplegada i a 0 voltarà entre els dos estats.
- Desplegat: Entropia màxima i entalpia baixa.
Per tant, Gibbs en quan pleguem serà molt petita, serà favorable tenir-lo plegat.
Si tenim Cys i es forma un pont disulfur disminueix molt l’Entropia de l’estat desplegat, això provoca que Gibbs sigui negativa. Aquest seguirà estan en l’estat desplegat.
Nots (nus): 1 s’uneix amb 6 x exemple. Hi ha la màxima restricció d’Entropia possible.
5. Mètodes de classificació Classificació de proteïnes a) CATH : classifica en funció de la Classe, Arquitectura, Topologia, família Homologa.
No diferencies entre alfa + beta o alfa / beta.
b) SCOP: podem veure les proteïnes en base a la seva estructura.
18 Química i Enginyeria de les Proteïnes Resum: 19 Química i Enginyeria de les Proteïnes 28/10/13 6. Conformació i funció a proteïnes fibroses Havíem vist les proteïnes globulars, anem a veure una mica les proteïnes fibroses. Això, per exemple, és una proteïna fibrosa, una cadena del col·lagen. Hi ha una cosa que es veu ràpidament, la composició d’aminoàcids en proteïnes fibroses comparades amb les altres, és molt reduïda, molt monòtona, hi ha molts pocs tipus d’aminoàcids. És per això que menjar proteïnes fibroses no és gaire nutricional perquè porten pocs aminoàcids. A més a més, hi ha patrons de seqüència que es repeteixen, en aquest cas, per exemple, és molt evident que es repeteixen P-G-P-G-P-G...: Això us diu d’entrada que aquesta proteïna no pot adoptar una estructura globular, no es pot plegar sobre sí mateixa, sinó que ha de tenir una estructura repetitiva. Fixeu-vos a sota com en aquest cas només hi ha dues glicines i prolines. Les glicines i prolines ocupen llocs molt especials, una cosa que té moltes glicines i prolines no podrà adoptar una estructura globular clàssica. Per tant, mirant la seqüència podem dir si aquesta estructura serà d’una proteïna fibrosa o no.
Tipus de proteïnes fibroses 1) Coiled coils Els tenim, per exemple, en factors d’unió de DNA, però també els tenim en proteïnes fibroses com la queratina i la miosina.
2) sheets Com les fibroïnes.
3) Collagen helix (proteïna fibrosa per excel·lència) 20 Química i Enginyeria de les Proteïnes L’estructura bàsica sempre és la mateixa, són repeticions seqüencials que després es repeteixen en l’espai formant protofilaments, protofibril·les, fibril·les... cada vegada coses més grans i més fortes. Molt freqüentment aquestes estructures, aquestes repeticions, aquestes unions tenen lloc per la formació d’enllaços covalents com els ponts disulfur.
Coiled-coil: -keratin La queratina és un coiled-coil, que estan formats per una hèlix . Dues hèlix s’enrotllen i això dóna una repetició de 3,5A exactament i això feia que hi hagués 3 residus que mantenien un cert caràcter??? (minut 4). Aquesta estructura és exactament la mateixa, és un coiled-coil típic, només que en aquest cas hi ha dos petits dominis globulars al N i al C terminal.
L’estructura que té el cabell, la queratina del cabell, és un coiled-coil en el qual cada hèlix té uns 300 aminoàcids (és molt llarga, estructura estirada) amb efectes “repeats” clàssics, si jo tallés i us posés un trosset de 20 aminoàcids passaria per un coiled-coil típic. El què passa és que hi ha una estructuració en la qual dos coiled-coils s’uneixen per formar un dímer i aquests elements s’uneixen entre ells de manera que queden una part en el C terminal no coberta i una part en el N terminal no coberta, estan desplaçats, i aquest desplaçament permet que a aquí a sota vingui una altra d’aquestes parelles, es col·loqui i torna a deixar una espai, està desplaçada, i aquí vindrà una altra parella, i a aquí vindrà una altra parella, i això s’estén al llarg (imatge). A més a més, cadascun d’aquests elements es col·loquen un enfront de l’altre i interaccionen lateralment.
21 Química i Enginyeria de les Proteïnes És una estructura molt bàsica, es doblega, s’uneix, s’encadena perquè hi hagi una estructura supermolecular basada en la repetició de coiled-coils. Perquè el cabell és tan fort? Si això només és així, no hi ha cap motiu perquè el cabell sigui fort, perquè les interaccions fortes només estan al coiled-coil, però després hi ha interaccions laterals que en principi ho podria separar perquè en principi són interaccions no covalents. El què passa és que molts dels residus, que queden mirant enfora, d’aquest coiled-coil són cisteïnes. Aquestes cisteïnes formen ponts disulfurs, que són els que mantenen units aquest tipus d’estructura (imatge).
Exemple: la permanent 1) Reductor (producte agressiu): trenca els ponts disulfur, de manera que aconsegueix que aquestes interaccions que hi ha aquí es trenquin, els enllaços ja no són covalents, sinó que són no covalents.
2) Col·loquen un rul·lo forçant el gir, de manera que les cadenes es desplacen unes respecte a les altres i deixen d’estar tan empaquetades. Rul·lo fixat.
3) Oxidant: forma els ponts disulfur en el cabell quan ja hi ha un “alineament incorrecte”.
Això s’aguanta perquè els ponts disulfur són molt estables. Quan el cabell va creixent, creix alineat i això es perd.
Estructures fibroses normalment hi ha de tipus (estructura helicoïdal), però n’hi ha una de molt important que és de tipus : fibroïna de la seda.
22 Química i Enginyeria de les Proteïnes Fulla- : Fibroïna de la seda (seda de les aranyes, dels cucs de seda) Aquest material és un material que té propietats “al·lucinants”. Tan al·lucinants que hi ha molts diners invertits en intentar produir seda de manera artificial, però no s’ha aconseguit encara amb les propietats que anem a veure. Quina característica té? No se sap ben bé quina és la seva estructura tridimensional, però sí que se sap que hi ha una alternança entre estructures de fulla laxes i fulles molt molt empaquetades.
La seda, com totes les proteïnes fibroses, de nou és molt pobre en quant a composició d’aminoàcids. De fet, fixeuvos que és bàsicament una composició de Gly-X-Gly-XGly-... on normalment la X és alanina o serina. Què tenen en comú alanina, serina i glicina? Són molt petites, són els aminoàcids més petits. La glicina és la més petita i després l’alanina i després la serina. La diferència entre alanina i serina és que la serina té un hidroxil. Si jo tinc aquesta seqüència i formo una fulla , a on estaran les glicines? O a dalt o a baix, però sempre en el mateix costat (estan una sí una no, per tant sempre al mateix costat) i les altres en el costat oposat. El què aconsegueix això és que en aquest lloc on hi ha les glicines hi ha molt forat i encaixen perfectament les alanines i les serines, per tant, estan empaquetades amb forces de Van der Waals casi màximes, estan gairebé en contacte aquestes dues fulles . Aquestes interaccions entre una cadena i la altra es mantenen per ponts d’hidrogen entre el NH i el CO de la cadena contrària. Aquestes fulles són antiparal·leles, de manera que tenen la màxima força. Els NH estan perfectament alineats i aleshores no només tenim una distància, la que sigui (la que marca), entre cadenes, sinó que a més a més aquest empaquetament entre les fulles és màxim. Això fa que la seda es pugui doblegar com vulguem, que sigui molt mal·leable perquè no hi ha cap força covalent que mantingui això, tot són Van der Waals. Els Van der Waals són forts perquè en global sumen molt, però jo els puc anar trencant i formant cada vegada. El què no puc fer amb la seda és estirar-la perquè es trenca. Perquè l’estiro en aquest sentit i la cadena està estirada al màxim possible, no puc estirar més, però sí que la puc modelar. No hi ha cap 23 Química i Enginyeria de les Proteïnes polímer sintètic que tingui aquesta estructura. Cal afegir que és molt llarga, aquestes repeticions poden tenir pesos molecular de 400.000, és un polímer molt gran, el veiem a simple vista.
Col·lagen És una proteïna important que es troba només en multicel·lulars, els bacteris i els llevats no tenen col·lagen perquè és extracel·lular, és de la matriu, de fora la cèl·lula, està en el lloc d’unió de cèl·lules.
És la proteïna més abundant en vertebrats en pes, en mamífers és entre el 25-35% de la proteïna total del cos, per tant molt important. Una fibra de col·lagen té molta més resistència que una fibra d’acer trenat del mateix diàmetre, és molt més el sistema de tensió que l’acer trenat. Si tinguéssim col·lagen del mateix diàmetre seria molt més resistent. Quan veieu la seqüència del col·lagen, de nou fixeu-vos que torna a passar el mateix, la puc alinear d’una manera en la qual cada tres residus tinc una glicina. Normalment el motiu és Gly – X – Y, on X normalment és una prolina (abundant) o una hidroxiprolina, per tant una composició molt senzilla.
El col·lagen té moltes formes diferents, hi ha molts tipus diferents, però essencialment té la forma de triple hèlix: un terç de residus són glicina i entre el 15-30% dels residus restants són de prolina o hidroxiprolina. Aquestes hèlix són hèlix de prolines i serien la hèlix de prolina de tipus dos (diapositives anteriors). Ens va explicar l’hèlix 3-10 i la , però hi havia una, la de tipus dos, l’hèlix de poliprolina. Aquí a l’esquerra, amb 3,3 aminoàcids per volta (molt estirada) i puja 9,6 aminoàcids per cada volta. Les tres hèlix giren a l’esquerra, però la superhèlix gira a la dreta, com passa sempre. Aquesta seria l’estructura (imatge).
24 Química i Enginyeria de les Proteïnes Què manté a dintre la interacció entre les tres hèlix del col·lagen? Igual que passa amb la seda, el fet que hi hagi glicina no és casual. La glicina és el residu més petit i és l’únic residu que hi cap dintre de l’espai que deixen les tres cadenes, és a dir, només hi cap una cadena lateral que és un hidrogen. Com s’enllacen? S’enllacen de la següent manera, l’hidrogen de la glicina s’enllaça amb el carbonil de la prolina (recordeu que el NH de la prolina està bloquejat, però el CO no ho està) de l’altra cadena de col·lagen. La cadena lateral de la prolina i el de la resta d’aminoàcids, excepte la glicina, miren fora, la única que mira endins és la glicina. Tan és així, que la mutació d’una glicina per qualsevol altre residu és malaltia segur i molt greu, perquè no hi cap i el col·lagen es desestabilitza. L’estructura bàsica és aquesta, el col·lagen no consta només d’una triple hèlix o un coiled-coil, sinó que aquestes cadenes s’associen entre elles per donar estructures macromoleculars molt compactes i molt fortes.
Síntesi de col·lagen Essencialment el col·lagen el sintetitzem al reticle endoplasmàtic, després de la síntesi és hidroxilat, les prolines són hidroxilades (modificació posttraduccional, no tenim un codó que codifica per hidroxiprolina, sinó que tinc un codó que codifica per prolina que després pot ser modificada o no) i se sintetitza una cadena única que s’envia al citosol (a banda d’això se li posen sucres, però no hi entrarem en detall ara). Aquesta cadena única de col·lagen s’acobla a la triple hèlix de col·lagen, en aquest acoblament hi ha uns propèptids a l’extrem N i C terminal que són molt importants. Aquests propèptids formen ponts disulfur i el què permeten és que les cadenes individuals estiguin en registre amb la triple hèlix, que no s’associïn de qualsevol manera, sinó que estiguin en el mateix registre. Aquests d’aquí el que permeten és que totes comencin en el residu 1 de la hèlix i acabin pel residu 400 (imatge). La interacció es dóna entre dominis propèptids. Això s’anomena tropocol·lagen o procol·lagen. Una vegada a la matriu extracel·lular aquests fragments ja no serveixen, es tallen i llavors té lloc una reacció que és una reacció normalment de desamidació de la glicina. Les glicines tenien forces, en el col·lagen es desamiden.
Aquesta desamidació és una modificació post-traduccional i la veurem millor quan veiem enllaços de modificació post-traduccional. Aquesta desamidació permet la formació d’enllaços 25 Química i Enginyeria de les Proteïnes covalents entre triple hèlix, de manera que abans passava amb ponts disulfur, això són enllaços covalents no canònics. Per tant, aquests enllaços covalents tenen una avantatge i un desavantatge. L’avantatge principal és que no hi ha cap compost conegut que els pugui desmuntar, no és un pont disulfur que el puc desfer amb redox i això està fet a propòsit, el col·lagen ha de ser estable a qualsevol condició. Aquests enllaços i aquestes desamidacions es van donant de forma progressiva al llarg de la vida de l’individu, es van acumulant, i aquest és el problema. El problema és que quan ens fem grans cada vegada tenim més enllaços, el nostre col·lagen és cada vegada més fort, però cada vegada és menys elàstic. Per això el col·lagen de la gent gran, el teixit conjuntiu, es trenca fàcilment i per això els nens són extremadament flexibles, perquè el seu col·lagen té menys interaccions covalents en comparació amb una persona gran. L’avantatge és que els enllaços mantinc per sempre, però els acumulo i després tinc problemes.
Les seqüències d’aquesta repetició són tals que els residus que hi són no es poden substituir per res més, no hi ha una alternativa, no puc substituir una glicina per una valina perquè no hi va. De manera que qualsevol mutació en aquestes proteïnes fibroses dóna lloc, sobretot en el cas del col·lagen, a problemes molt seriosos, com per exemple la osteogènesis imperfecta.
26 ...