Estructura i dinámica de las proteïnas (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Química - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 62
Fecha de subida 07/12/2014
Descargas 8
Subido por

Vista previa del texto

Tema 2 ESTRUCTURA DE PROTEÏNES Bioquímica Índex • Generalitats sobre les proteïnes • Estructura de les proteïnes: estructura primària, terciaria i quaternaria • Tipus de proteïnes segons la seva estructura tridimensional • Desnaturalització i renaturalització • Grups prostètics • Modificació de proteïnes • Dinàmica de proteïnes: unió reversible de lligand Generalitats sobre les proteïnes Berzelius va proposar aquest nom l’any 1838 per destacar la importància d’aquestes molècules: PROTEIOS (grec) = de primera classe • Les proteïnes són polímers linials formats per monòmers d’aminoàcids • Les proteïnes es pleguen en estructures tridimensionals, determinades per la seva seqüència d’aminoàcids, i aquesta estructura determina la seva funció.
• Les proteïnes tenen una gran diversitat de funcions.
• Les proteïnes poden interaccionar entre sí i amb altres molècules i macromolècules, realitzant així les seves funcions, creant complexos, etc...
• Algunes proteïnes mostren certa rigidesa, en canvi altres tenen flexibilitat; aquesta dinàmica de les proteïnes és important en la seva funcionalitat.
Generalitats sobre les proteïnes Les proteïnes són polímers linials formats per monòmers d’aminoàcids Nomenclatura: de N terminal (esquerra) a C terminal (dreta) Generalitats sobre les proteïnes Les proteïnes tenen una gran diversitat de funcions - Catàlisi enzimàtica (2000 enzims diferents) - Transport (albúmina, lipoproteïnes, hemoglobina, transferrina) - Reserva (ovoalbumina, caseïna, gliadina, ferritina) - Moviment (miosina, actina) - Suport mecànic (col·lagen, elastina, queratina) - Protecció (trombina i fibrinogen, anticossos) - Creixement i diferenciació (factors de creixement) - Missatgers (insulina) - Comunicació (receptors, rodopsina) - Altres (toxina de la diftèria, verins) Funcions molt específiques i diverses Les proteïnes són molt específiques Nivells Nivellsestructurals estructuralsen enproteïnes proteïnes 1° estructura primària estructura supersecundària domini 2° estructura secundària 3° estructura terciària 4° estructura quaternària Estructura Estructura primària primària en en proteïnes proteïnes • defineix la seqüència LINEAL d’aminoàcids més la localització dels ponts dissulfur Lys-Glu-Thr-Ala-Ala-Lys-Phe-Tyr-Cys-Ala-Tyr N-terminal (-amino lliure) C-terminal (-carboxil lliure) Cisteïna R = CH2 S H RCH2 S H + RCH2 S H RCH2 S - S CH2R Els ponts disulfur són covalents Estructura primària Enllaços Enllaços disulfur disulfur • Intramolecular S-S Lys-Glu-Thr-Cys-Ala-Lys-Phe-Tyr-Cys-Ala-Tyr N-terminal (-amino lliure) C-terminal (-carboxil lliure) • Intermolecular Lys-Glu-Thr-Ala-Ala-Lys-Phe-Tyr-Cys-Ala-Tyr S N-terminal C-terminal S Ile-Ala-Tyr-Cys-Phe-Val-Glu-Lys Estructura primària Cada Cadaproteïna proteïnaté téuna unaÚNICA ÚNICAseqüència seqüènciad’aminoàcids d’aminoàcidsque que està determinada genèticament està determinada genèticament • En 1953, Watson i Crick van deduir l’estructura en doble hèlix del DNA i van proposar la base estructural per a la replicació del DNA.
• En 1953, Frederick Sanger va determinar la seqüència d’aminoàcids de l’insulina, una hormona proteica.
fites importants en Bioquímica, perquè van ser descobriments clau per establir que una proteïna té una seqüència d’aminoàcids definida amb precisió, que està relacionada directament amb el codi genètic Estructura primària La La seqüència seqüència d’aminoàcids d’aminoàcids determina determina l’estructura l’estructura 3D 3D • els 20 aminoàcids estan units en combinacions específiques per a una proteïna determinada • llargues cadenes d’aminoàcids es pleguen seguint una pauta que depèn de l’ordre exacte dels aminoàcids Una mutació genètica que porti a una substitució per un aminoàcid incorrecte, en una proteïna de milers d’aminoàcids, pot provocar que aquesta proteïna tingui una forma diferent i poca o gens activitat biològica Estructura Estructurasecundària secundàriaen en proteïnes proteïnes 3 exemples importants d’estructura secundària: hèlix -  tires -  gir -  Estructura secundària L’hèlix L’hèlix-- Vista lateral Vista superior Presenta un patró de ponts d'hidrogen: Cadenes laterals cap a l’exterior del cilindre L’estabilitat depèn dels residus que la formen.
Estructura secundària Tires- Tires- -strand en anglès Estructura secundària Làmines- Làmines- L’esquelet polipeptídic queda en forma estesa, que no és estable en forma aïllada i només s’observa formant agregats de diverses cadenes ENLLAÇOS D’HIDROGEN entre els grups CO i NH dels enllaços peptídics d’aminoàcids que queden enfrontats Les cadenes laterals queden pel damunt i per sota de la làmina Estructura secundària Làmina -antiparal·lela Làmina -paral·lela Estructura secundària GirsGirs-  - o reverse-turn en anglès GIRS FORMATS PER 4 RESIDUS GIRS FORMATS PER 3 RESIDUS Estructura secundària Els Elsresidus residustenen tenentendències tendènciesdiferents diferentsper performar formarhèliceshèlices, làmines- o girs- , làmines- o girs- Estructures Estructures supersecundàries supersecundàries oo motius motius Són combinacions senzilles d’elements d’estructures secundàries amb una geometria específica 2 tipus diferents, un específic per a la unió al DNA i l’altre per unir calci (per ex., en la calmodulina) Motiu Dits de zinc S’ha trobat en factors de transcripció. Són estructures que els permeten reconeixer seqüències específiques de DNA Estructura Estructura terciària terciària ii dominis dominis en en proteïnes proteïnes Definició DOMINI ESTRUCTURA TERCIÀRIA Segment o segments de la cadena polipeptídica amb un plegament estable i independent de la resta de la cadena polipeptídica Estructura tridimensional que adopta la totalitat d’una única cadena polipeptídica 1-254 Exemples 255-452 1TIM 1PII Unió per interaccions electrostàtiques, interaccions hidròfobes, forces van der Waals, ponts d’hidrogen i ponts disulfur.
Interaccions que mantenen l’estructura terciaria Les proteïnes també es poden classificar segons el nº de cadenes polipeptídiques que les formen - Monomèriques: una sola cadena - Oligomèriques: dues o més cadenes – Cada cadena polipeptídica es coneix com subunitat o protòmer – Ex: hemoglobina: 4 cadenes.
» Les cadenes no estan unides per enllaços covalents, però l’estructura sencera es comporta en dissolució com una sola molècula » A més, per tenir funció biològica han d’estar agrupades ESTRUCTURA QUATERNÀRIA Una proteïna té estructura quaternària si està constituïda per dues o més cadenes polipetídiques (no totes les proteïnes tenen estructura quaternària) Definició Interaccions que la mantenen Una proteïna amb estructura quaternària és diu que és un oligòmer. Les cadenes polipeptídiques individuals dels oligòmers s’anomenen monòmers o subunitats COVALENTS NO COVALENTS Ponts disulfurs Interaccions hidrofòbiques, ponts d’hidrogen, forces iòniques Estructura quaternària NOMENCLATURA EMPRADA EN LA SEVA DESCRIPCIÓ (1) NOMBRE DE SUBUNITATS IDENTITAT DE LES CADENES POLIPEPTÍDIQUES TOTES LES SUBUNITATS TENEN LA MATEIXA SEQÜÈNCIA: NO TOTES LES SUBUNITATS TENEN LA MATEIXA SEQÜÈNCIA: PREFIX HOMO- PREFIX HETERO- Estructura quaternària NOMENCLATURA EMPRADA EN LA SEVA DESCRIPCIÓ (2) IDENTITAT DE LES CADENES POLIPEPTÍDIQUES NOMBRE DE SUBUNITATS Dues subunitats: sufix DÍMER Tres subunitats: sufix TRÍMER Quatre subunitats: sufix TETRÀMER Cinc subunitats: sufix PENTÀMER Sis subunitats: sufix HEXÀMER Set subunitats: sufix HEPTÀMER Vuit subunitats: sufix OCTÀMER Estructura quaternària NOMENCLATURA EMPRADA EN LA SEVA DESCRIPCIÓ (3) NOMBRE DE SUBUNITATS IDENTITAT DE LES CADENES POLIPEPTÍDIQUES Plegament de una proteïna: - factors que hi intervenen Plegament: Energia lliure Factors Factorsque queintervenen intervenenen enel elplegament plegament d’una d’una proteïna: proteïna:Energia Energialliure lliure • Entropia conformacional: desfavorable al plegament • L’entalpia per les interaccions de les cadenes laterals intramoleculars: favorable al plegament – Forces iòniques,d’hidrogen, i Van der Waals (no-covalents) i ponts dissulfur (covalents) són totes importants en definir l’estructura terciària • El canvi d’entropia per l’internalització dels grups hidrofòbics a l’interior de la molècula (efecte hidrofòbic): favorable al plegament Plegament: solvent Recorda: El solvent juga un paper crític en el plegament d’una proteïna • • l’entorn d’una proteïna afecta molt la seva estructura 3D i, per tant, la seva funció l’aigua és el solvent universal per a molècules proteiques en la natura. Les proteïnes tendeixen a plegar-se d’acord amb l'establiment d'interaccions favorables amb l'aigua (i a amagar tot allò que incrementaria l'ordre de l'aigua) No-polar DINS regla general Polar FÓRA Ex: mioglobina Plegament: solvent Recorda: El solvent juga un paper crític en el plegament d’una proteïna • • l’entorn d’una proteïna afecta molt la seva estructura 3D i, per tant, la seva funció l’aigua és el solvent universal per a molècules proteiques en la natura. Les proteïnes tendeixen a plegar-se d’acord amb l'establiment d'interaccions favorables amb l'aigua (i a amagar tot allò que incrementaria l'ordre de l'aigua) No-polar DINS regla general Polar FÓRA Excepcions?? Ex: mioglobina Plegament: Energia lliure Factors Factorsque queintervenen intervenenen enelelplegament plegamentd’una d’unaproteïna: proteïna: Energia lliure Energia lliure • El canvi d’entropia per l’internalització dels grups hidrofòbics a l’interior de la molècula (efecte hidrofòbic): favorable al plegament Plegament: Enzims En el plegat de proteïnes in vivo hi intervenen enzims - Les isomerases ajuden en l’aparellament correcte pels ponts disulfur - les chaperones ajuden en el transport de proteïnes als seus llocs de destinació i inhibeixen els plegaments inadequats Plegament de una proteïna: -factors que hi intervenen Tipus de proteïnes segons la seva estructura Funció funció Les proteïnes per fer la seva han de tenir una estructura tridimensional característica FIBROSES - Les cadenes polipeptídiques estan ordenades paral·lelament al llarg d’un eix, formant fibres o làmines - Són materials molt resistents, no solubles - Són els elements estructurals bàsics en el teixit conjuntiu: col·lagen, elastina, queratina GLOBULARS - Les cadenes polipeptídiques estan estretament plegades, agafant formes esfèriques.
- Normalment són solubles en medis aquosos - Tenen una funció mòbil o dinàmica en la cèl·lula: enzims, anticossos, hormones, transportadors Plegament de una proteïna: -factors que hi intervenen Tipus de proteïnes segons la seva estructura Funció La funció també pot dependre de: - Grups prostètics - Modificacions Grups Grupsprostètics prostèticsen enles lesproteïnes proteïnes components no-proteics que estan associats estretament amb proteïnes i són essencials per a la seva funció biològica Exemples: Cu, Fe, Zn i altres hemo en la miglobina i l’hemoglobina CH3 CH=CH2 N CH3 N 2+ Fe OOC-CH2-CH2 CH3 N CH=CH2 N OOC-CH2-CH2 CH3 Modificació Modificacióde deproteïnes proteïnes -Les proteïnes poden ser modificades covalentment i canviar així les seves propietats o funció: - acetilacions, hidroxilacions - addició de sucres - fosforilar/desfosforilar - Les proteïnes també poden sofrir modificacions com escurçament Desnaturalització Pèrdua de l’estructura nativa de la proteïna i de les seves propietats biològiques específiques Plegament de una proteïna: factors que hi intervenen Tipus de proteïnes segons la seva estructura Desnaturalització: Desnaturalització: Agents Agentsdesnaturalitzants desnaturalitzants Al laboratori… -L’urea competeix amb l’aigua pels ponts d’hidrogen en una proteïna i així tendeix a desmuntar l’estructura UREA - El mercaptoetanol redueix els ponts dissulfur -Els detergents iònics també desnaturalitzen proteïnes perquè competeixen per les interaccions iòniques de proteïnes i s’intercalen per l’estructura i “solubilitzen”el nucli no-polar interior - Escalfar, variar el pH La informació pel plegament de la proteïna està codificada en la seqüència DINÀMICA DE PROTEÏNES El funcionament de un gran nombre de proteïnes exigeix la interacció específica amb altres molècules, cosa que pot modular la seva activitat biològica.
Bioquímica Exemples de processos biològics que requereixen la interacció específica amb molècules petites (lligands): -Enzim-substrat -Hormona-receptor -Antigen- anticòs -Transport de molècules -Transport de molècules a través de membranes -Contracció muscular -...
Nomenclatura i conceptes: - L = lligand: molècula que s’uneix específicament a una proteïna, en el seu lloc d’unió - Un L pot unir-se a més d’un lloc de la mateixa proteïna - Una proteïna pot unir diferents L L1 lligand L L lloc de unió L2 L2 L Ex mioglobina L1 Ex hemoglobina Nomenclatura i conceptes: -Proteïnes al·lostèriques: tenen diversos lloc d’unió per a L, i l’ocupació d’un d’ells afecta l’afinitat de les altres -Efectes homotròpics o cooperativitat: el mateix L -Si l’ocupació d’aquest lloc altera la unió de un lligand diferent a un lloc diferent, apareix un efecte heterotròpic.
-En aquest darrer cas, l’efecte al·lostèric pot ser positiu (i la molècula que l’indueix s’anomena activador) o negatiu (inhibidor).
L L L L L Al·lostèrica No al·lostèrica L L L L1 L1 Positius Efectes al·lostèrics heterotròpics L L L2 L2 (L1 activador) L1 Negatius L2 (L1 inhibidor) L2 L2 L2 L1 L1 L1 Nomenclatura i conceptes: Proteïnes no al·lostèriques Equilibri proteïna lligand Constant de dissociació Funció de saturació: Equació: Nomenclatura i conceptes: Proteïnes no al·lostèriques Equilibri proteïna lligand Constant de dissociació Funció de saturació: Equació: L L L L Nomenclatura i conceptes: L1 Proteïnes al·lostèriques L2 L2 L1 c c C = coeficient de Hill [ L] Quina corba mostra una proteïna amb més afinitat pel lligand? [ L] Perquè la unió de un lligand canvia la afinitat de la proteïna per al mateix o per a un altre lligand? Models de cooperativitat i al·losterisme Model concertat MWC (Monod, Wyman i Changeaux) Assumeix que la proteïna existeix en dos estats conformacionals: Tens (baixa afinitat) Relaxat (elevada afinitat) Models de cooperativitat i al·losterisme Model seqüencial (Koshland, Némethy, Filmer) La unió de un lligand pot induir un canvi de conformació en una subunitat individual Exemple: la hemoglobina CH3 CH=CH2 N CH3 N Fe OOC-CH2-CH2 1 2 2+ CH3 N CH=CH2 N OOC-CH2-CH2 CH3 HÈLIX F 1 2 His proximal 1.8 Å CO 2.7 Å His NE2 distal COMPLEX AMB CO HÈLIX E CH3 Exemple: la hemoglobina CH=CH2 N CH3 N 2+ Fe OOC-CH2-CH2 OOC-CH2-CH2 CH=CH2 CH3 8º 8º His F8 Val FG5 His F8 His F8 Hemo Fe N CH3 N N N Fe N O2 La unió de molècules a una proteïna pot canviar les interaccions que en mantenen l’estructura, per tant pot donar lloc a canvis d’estructura, i si canvia l’estructura, pot canvir la funció Val FG5 Val FG5 Hemo N N Fe O2 Hemo N Perquè la unió de un lligand canvia la funció biològica de la proteïna? Exemple: la hemoglobina Malaties genètiques que causen un canvi de aminoàcid en alguna cadena de la hemoglobina (drepanocitosis) Exemple: la hemoglobina Drepanocitosis Exemple: les immunoglobulines Els humans en podem produir més de 108 !!! Exemple: les immunoglobulines epitop Virus, paret celular bacteriana, proteïna, altres macromolècules… Exemple: les immunoglobulines Canvis conformacionals a l’apropar-se antigen i anticos permeten la completa interacció de grups complementaris La interacció promou la fagocitosis Exemple: transport de molècules a través de la membrana Exemple: cicle actina-miosina en el múscul esquelètic Energia moviment Miosina de múscul esquelètic Hidròlisi NTP canvi de conformació de la proteïna canvi de conformació de les subunitats adjacents Fixa’t que es tracta de canvis reversibles!!! ...