Tema 3 (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 13
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 19
Subido por

Vista previa del texto

3. NIVELLS D’ESTRUCTURA DE LES PROTEINES NIVELLS D’ESTRUCTURA DE LES PROTEÏNES Les proteïnes tenen 4 nivells d’estructura. En el tema anterior s’ha parlat de l’estructura primària, però les cadenes polipeptídiques es poden unir entre elles mitjançant ponts disulfur o d’hidrogen tot formant ordenaments estables de les cadenes laterals dels aminoàcids. L’estructura resultant conté centenars d’enllaços.
La màxima estabilitat s’aconsegueix amb el màxim d’unions no covalents entre la proteïna. Això dóna lloc a la conformació més estable de la proteïna; una proteïna només té una funció, per tant només té una conformació estable amb la qual és funcional que rep el nom d’estructura nativa.
La conformació d’una proteïna és l’ordenació espacial de tots els seus àtoms sempre que no es trenqui cap enllaç covalent. Aquesta conformació nativa és la conformació predominant i termodinàmicament més estable.
GRUP PEPTÍDIC La longitud de l’enllaç peptídic és de 0,132 Armstrong (un enllaç simple és de 0,154).
ESTRUCTURA PRIMÀRIA En l’estructura primària, el grup peptídic està en un pla. L’O i l’H sempre estan en posició trans. Aquesta estrucutra és com una sèrie de plans rígids on només gira el Cα.
ESTRUCTURA SECUNDÀRIA – Hèlix-α L’estructura secundària és un ordenament estable on trobem dos conformacions. La més important és l’hèlix-α (descoberta per Pauling i Corey l’any 1951). Consisteix en una hèlix que s’enrotlla al voltant d’un eix imaginari. Els residus de cada aminoàcid miren cap enfora. Cada 3,6 aminoàcids, l’hèlix-α dóna una volta – una volta mesura 5,4 Armstrong (la unitat que es repeteix són 36 residus).
Com s’estabilitza? Per ponts d’hidrogen entre l’oxigen que està unit al carboni que forma l’enllaç peptídic i l’hidrogen que està unit al grup amino que forma un altre enllaç peptídic; no són aminoàcids adjacents.
Cada 4 aminoàcids es forma un pont d’hidrogen perquè és l’aminoàcid que té just a dalt (cada volta son 3,6) – es forma entre l’O del grup carboxílic i l’H del grup amino de 4 aminoàcids més enllà (no de l’aminoàcid contigu). Tots els H del grup amino i els O del grup carboxílic participen en els ponts excepte els 3 primers i últims aminoàcids que no tenen parella per formar-ne cap.
L’hèlix-α gira cap a la dreta; dextrogira.
Com són els residus que surten cap enfora? Si són aminoàcids que tenen càrrega poden desestabilitzar-la; de fet, normalment no hi ha prolines por ahí perquè la desestabilitzen.
Característiques: - Els L-aminoàcids formen una cadena d’hèlix-α dextrogira Aminoàcids que desestabilitzen l’estructura si estan junts: o Aminoàcids carregats o Asn, Ser, Thr, Cys (polars sense càrrega) - o Prolina, per si sola (el seu residu és cíclic i molt gran i impedeix la bona compactació de l’hèlix-α.
o Glicina, per si sola (és un aminoàcid molt petit i per tant molt flexible).
A la proteïna hi ha un dipol (extrem Cter mes càrrega negativa que el Nter); en Nter tenim una certa càrrega positiva. Llavors, els aminoàcids carregats + estabilitzaran la zona C ter i els carregats negativament estabilitzaran la zona N ter. No convindrà doncs que hi hagin aminoàcids carregats al mig de l’hèlix-α.
19/02/14 ESTRUCTURA SECUNDÀRIA – Fulla plegada-β Una altra estructura característica de l’estructura secundària és la fulla plegada-β.
Està formada per cadenes que s’alineen una al costat de l’altre de manera paral·lela (de carboxílic a carboxílic) o antiparal·lela (de carboxil a amino).
L’estabilització també es dóna per ponts d’hidrogen però es formen de manera diferent; entre el O del carboni carboxílic i l’H del grup amino però entre una de les cadenes i la següent; quan queden enfrontats és quan es formen (els residus s’intercalen entre ells). Cada pla és rígid.
Els residus se situen per sobre o per sota d’aquesta fulla; hi ha menys interaccions entre ells. Els residus han de ser petits per evitar interaccions estèriques (formació d’èsters).
Els diferents plans que formen l’enllaç peptídic formen la característica ziga-zaga.
Poden ser seqüències adjacents en la mateixa proteïna o poden estar allunyades d’ella; també poden estar combinades tot formant hèlix-α.
La fulla plegada-β paral·lela és una mica menys ampla que l’antiparal·lela ja que la paral·lela té el pont d’H inclinat en un cert angle, i això dóna més energia (és una mica més compacta la paral·lela ja que l’enllaç té més energia).
ESTRUCTURA SECUNDÀRIA – Girs-β Un tercer tipus d’estructura que trobem a les proteïnes són els girsβ – són una manera d’enllaçar les diferents cadenes de fulla plegada-β (serien com els “colzes”, connecten dos segments adjacents amb una fulla plegada- β antiparal·lela). Els trobem en les proteïnes globulars.
Estan formats per 4 aminoàcids, el primer dels quals forma un pont d’H entre l’O del carboxílic del 1r aminoàcid amb l’H de l’amino del quart aminoàcid.
Podem trobar totes les estructures en una mateixa proteïna.
Els residus exteriors dels aminoàcids 2 i 3 dels girs-β poden formar atraccions amb l’aigua si són polars.
La prolina juntament amb la glicina forma part dels girs-β ja que una és molt gran i l’altra és molt petita i poden fer girs molt compactes.
PROBABILITAT RELATIVA DE TROBAR UN AMINOÀCID EN ALGUNA DE LES TRES ESTRUCTURES SECUNDÀRIES ESTRUCTURA TERCIÀRIA I QUATERNÀRIA L’estructura terciària de les proteïnes és l’orientació 3D dels àtoms d’una proteïna (s'estabilitza per interaccions no covalents com ara forces de Van der Waals i ponts disulfur). Trobem dos tipus de proteïnes segons la seva estructura terciària: - - Proteïnes fibroses: les cadenes polipeptídiques s’estructuren en forma de fibra i normalment trobem un sol tipus d’estructura secundària en aquestes proteïnes. Es tracta de proteïnes estructurals o de suport, com ara queratines.
Proteïnes globulars: les cadenes polipeptídiques es pleguen esfèricament, i trobem en aquestes proteïnes diferents estructures secundàries combinades.
Solen ser proteïnes amb funció enzimàtica.
L’estructura quaternària és aquella que prenen les proteïnes formades per diverses cadenes polipeptídiques (no totes la tenen).
PROTEÏNES FIBROSES α-QUERATINES.
Les α-queratines són un exemple de proteïna amb estructura terciària fibrosa.
- Són cadenes polipeptídiques ordenades en llargues fibres Proteïnes estructurals Donen resistència o flexibilitat a les estructures que les formen Estan formades per un sol tipus d’estructura secundària Totes són insolubles en aigua (molts aminoàcids hidrofòbics) És una estructura d’hèlix-α dexotrgira que s’estructura een dues cadenes – s’enrotllen dos a dos, s’agrupa seguint la disposició de filaments intermedis. Una cadena s’uneix amb una altra cadena polipeptídica formant un superenrotllament entre elles (les dues cadenes paral·leles es superenrotllen).
S’estabilitzen per molts ponts disulfur; com més n’hi ha, més resistents són. Un exemple seria la banya de rinoceront. La unió de vàries cadenes superenrotllades donarà lloc a protofilaments, i la unió d’aquests, a protofibrilles, estructures supramoleculars.
COL·LAGEN Un altre tipus de proteïna fibrosa és el col·lagen. Forma part de molts teixits del cos. Té estructura d’hèlix-α també però la cadena és levogira (gira cap a l’esquerra). Té només 3 aminoàcids per volta; és més compacta que la dextrogira. Tres cadenes α del col·lagen s’estructuren entre sí formant una estructura quaternària que formarà el tropocol·lagen. Els aminoàcids que es troben en aquests cadenes són principalment glicina, alanina i prolina. A part de la prolina també trobem hidroxiprolina, una modificació postraduccional de la prolina.
Aquesta estructura terciària del col·lagen s’estabilitza per interaccions apolars.
La formen principalment Glicina i Alanina, aminoàcids petits que permeten una compactació forta. També trobem en menor proporció Prolina i 4-Hyp que permetran fer els girs.
Les cadenes de col·lagen amb el temps poden formar enllaços covalents entre fibres de col·lagen (entre els aminoàcids bàsics), cosa que fa que perdi la flexibilitat característica (problema en la gent gran, però no en mi precioso joven y esbelto rostro carente de arrugas e imperfecciones).
Algunes malalties associades a mutacions a les cadenes de col·lagen són la osteogènesi imperfecta (mutació en un dels gens que codifica per les cadenes de col·lagen – si una de les cadenes dóna problemes, l’estructura compacta que es formava del tropocol·lagen no té les propietat necessàries; es caracteritza per una fragilitat d'os excessiva, ja que qui porten el defecte tenen menys col·lagen del normal i causa una fragilitat i feblesa poc usual dels ossos [és una malaltia autosòmica dominant, la qual cosa vol dir que la persona la patirà si té una còpia del gen mutada]) o l’escorbut (la síntesi normal del col·lagen depèn de la hidroxilació correcta de la lisina i la prolina en el RE, la qual és duta a terme per enzims que necessiten l'àcid ascòrbic (vitamina C) com a coenzim; per tant, la deficiència d'àcid ascòrbic impedeix la correcta hidroxilació i s'obtenen cadenes defectuoses i la síntesi no pot finalitzar-se correctament).
FIBROÏNA Un últim exemple de proteïna fibrosa és la fibroïna de la seda. Té estructura secundària de fulla plegada-β. És produïda per les aranyes entre d’altres.
Són estructures més flexibles; contenen aminoàcids petits, sobretot alanina i glicina, que augmenten el grau d’empaquetament. S’estabilitzen per molts ponts de H i interaccions de Van der Waals. És flexible degut a les interaccions febles i a que no hi ha enllaços covalents. No s’estira perquè la seva estructura ja està prou estirada.
MÚLTIPLES FORMES I GRANDÀRIES DE LES PROTEÏNES Hi ha diferents formes de proteïnes, i gairebé totes són globulars, ja que són molt compactes.
El fet que tinguin aquesta diversitat en formes ens indica la seva diversitat de funcions.
No totes les proteïnes tenen funció enzimàtica, però sí que tots els enzims són proteïnes.
PROTEÏNES GLOBULARS Les proteïnes globulars poden combinar vàries estructures secundàries en una mateixa proteïna. N’hi ha des de molt petites fins a molt grans sovint formades per subunitats diferents (cosa que fa que tinguin estructura quaternària).
MIOGLOBINA Una de les primeres que es va identificar va ser la mioglobina. És petita, de 153 aminoàcids, i conté un grup hemo unit covalentment. Conté un alt percentatge de hèlix-α (70%), en concret 8 segments. El grup hemo està situat en una fenedura molt hidrofòbica. La trobem principalment en el múscul esquelètic emmagatzemant oxigen.
La figura (a) mostra l’estructura terciària de la mioglobina. La figura (b) és la superfície 3D. En la figura (e) es veuen representades les forces de Van der Waals. Els aminoàcids hidrofòbics (en blau) estan per dintre la proteïna, amagats de l’aigua.
CITOCROM C Un altre exemple de proteïna globular és el citocrom C. Aquest capta o cedeix electrons al llarg de la cadena d’electrons del mitocondri. Té també hèlix-α (en menor proporció que la mioglobina, un 40%), amb un grup hemo unit covalentment. Té més girs-β i altres estructures no definides.
LYSOZYME El lisozim és un bactericida capaç de degradar polisacàrids. Els polisacàrids se situen en les invaginacions que té el lisozim i està estabilitzada per ponts disulfur (barres grogues a la foto). Hi distingim estructures secundàries d’hèlix-α i de fulla plegada-β.
RIBONUCLEASA Per acabar, un altre exemple és la ribonucleasa, de 124 aminoàcids. És fabricada pel pàncrees, hidrolitza els RNAs que ingerim. Té ponts disulfur (4 en concret) i presenta estructures d’hèlix-α i fulla plegada-β.
Com aquestes proteïnes són petites, tenen pocs residus i no poden formar gaires interaccions no covalents, de manera que necessiten de ponts disulfur i altres interaccions covalents per estabilitzar-se.
DOMINIS DE PROTEÏNES Les proteïnes globulars més grans sovint tenen estructures/unitats estables amb un caràcter particular anomenades dominis, i normalment van associats a una funció determinada (per exemple, una proteïna globular pot contenir un domini immunoglobulina associat a una funció determinada de defensa de l'organisme contra antígens; o per exemple, dominis quinasa que fosforilen proteïnes, que tenen una estructura amb una fulla plegada- β a l'interior i una hèlix-α per fora; o barrils-β, que estan formats per fulles plegades-β amb una orientació concreta, etc.).
Quan trobem hèlix-α i fulla plegada-β en una mateixa proteïna, acostumen a estar orientades a diferents nivells per no interferir en els ponts de H que realitzen unes i les altres per estabilitzar-se.
Quan tenim aminoàcids molts junts (adjacents), interaccionen per estabilitzar i formar una mateixa estructura secundària; en canvi, aminoàcids molt llunyans interaccionen a nivell d’estructura terciària (a excepció de la fulla plegada-β) ja que l’estructura terciària permet que aminoàcids que estan molt lluny de la seqüència lineal de la proteïna puguin interaccionar entre ells.
Aquests motius estructurals ens permeten definir un cert tipus de famílies de proteïnes – les famílies de proteïnes es defineixen en funció de la seqüència d'aminoàcids, de la seva funció i de la seva estructura.
Per exemple, la mioglobina i l’ hemoglobina són molt semblants a nivell d'estructura, de seqüència i de funció.
HEMOGLOBINA L’hemoglobina està formada per 4 subunitats (de fet, en l’estructura quaternària, cada subunitat pot tenir funcions diferents a una mateixa proteïna, ja que cada subunitat podria ser una proteïna independent.
Són subunitats de globina iguals dos a dos (dues cadenes α i dues cadenes β).
Cadascuna d’aquestes subunitats uneixen un grup hemo en el seu interior.
Aquestes 4 subunitats que formen l’estructura quaternària s'estabilitzen per interaccions no covalents, i cada una de les subunitats s'assembla molt a la cadena de mioglobina, i cada una uneix un grup hemo (pintat en vermell). El grup hemo, que conté un àtom de ferro, serà el capaç d'unir oxigen.
Les cadenes de globina pel seu compte no poden fàcilment unir l’oxigen. Però totes quatre juntes col·laboren i un cop la primera ha unit la primera molècula d’oxigen les altres 3 ho fan molt més ràpid. Perquè? Perquè entrar la primera molècula causa un canvi conformacional en la resta i així per la resta és més fàcil.
Quan les 4 subunitats són iguals, parlem d’una proteïna oligomèrica.
A vegades les subunitats tenen funcions diferents, com ara la piruvatquinasa en què una és reguladora i l’altra és catalítica – només permet que la subunitat catalítica faci la seva funció quan la subunitat reguladora li ho permet. Les interaccions no covalents de la subunitat reguladora amb la catalítica fan que sigui inactiva. Per exemple, l’estructura que fa que el centre actiu estigui tancat.
Mitjançant la unió d'un lligam extern, la subunitat reguladora canvia de conformació i, com que està junt amb l'altra, la catalítica també canvia de conformació, i és llavors quan podrà funcionar.
DESNATURALTIZACIÓ REVERSIBLE D’UNA PROTEINA L’estructura terciària d’una proteïna és la que li permet tenir la seva funció. En el cas del citocrom C, la funció serà unir electrons. Si no tingués el grup hemo, no podria unir electrons, per tant és molt important que hi hagi l'espai dins el citocrom C que permeti contenir el grup hemo.
Si les proteïnes perden la seva conformació nativa, deixaran de ser actives.
L’estructura es perd per desnaturalització. Els agents desnaturalitzadors són entre d’altres calor, pH, solvents orgànics, detergents, urea... Què tenen en comú? Que són capaços de trencar interaccions no covalents en la proteïna. Els enllaços covalents els deixen en pau de manera que es va desnaturalitzant la proteïna fins que pot arribar a ser una seqüència d’aminoàcids lineal (la que teníem en l’estructura primària).
Al principi, quan l'estructura és terciària o quaternària, té moltes unions, costa més de desnaturalitzar, però a mida que es van desfent les interaccions, cada cop és més ràpid, és un procés progressiu.
Aquesta acció és reversible, ja que la seqüència lineal que condiciona l’estructura secundària i terciària, es manté.
Quan desapareix l’agent desnaturalitzant la proteïna es podrà renaturalizar.
TERMODINÀMICA DEL PLEGAMENT DE PROTEÏNES Sabem que només hi ha una estructura nativa, però les conformacions que pot adoptar, en realitat, són moltes, ja que van en funció de la seqüència d’aminoàcids d’una proteïna. Al principi, quan tenim la proteïna lineal, ens trobaríem en un estat de màxima entropia i mínima energia, ja que la conformació nativa és aquella que aconsegueix el màxim d’interaccions no covalents entre els seus residus, i la suma de totes les interaccions (cada una té una energia petita).
L’energia va del 0 al 100%; a mida que la cèl·lula va plegant la proteïna, aquesta adquireix una certa energia (les diferents unions no covalents porten una petita energia i la suma fa que la proteïna tingui una certa energia i pugui estar plegada d’una manera); anem plegant i anem eliminant possibles plegaments (a mida que la seqüència lineal es comença a plegar comença a formar interaccions no covalents entre els seus residus). Si en algun moment es plega de manera que no té màxima energia i mínima entropia, actuen les xaperones.
A mida que es plega, van girant els residus i els Carbonis α; anem eliminant diferents plegaments a mida que adopta un plegament concret fins que al final només tindrà una sola conformació possible, que serà la de màxima energia.
ESTRUCTURA QUATERNÀRIA - Deoxihemoglobina No totes la tenen, només les multimèriques, formades per diferents monòmers (cadenes) que s’uneixen a través d’interaccions.
Exemple: l’hemoglobina, formada per 4 monòmers.
...