Tema 5: Relació Estructura – Funció i Evolució de proteïnes (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Estructura i funció de biomolècules
Año del apunte 2016
Páginas 6
Fecha de subida 20/04/2016 (Actualizado: 24/04/2016)
Descargas 3
Subido por

Vista previa del texto

Anna Jiménez Pouget Tema 5: Estructura i funció de biomolècules TEMA 5: Relació Estructura – Funció i Evolució de proteïnes 1. Emmagatzematge i transport d’oxigen: mioglobina i hemoglobina 2. La mioglobina i l’hemoglobina com exemples d’evolució proteica 3. Al·losterisme i cooperativitat a l’hemoglobina 4. Ús de les seqüències de proteïnes per a l’anàlisi de relacions evolutives Les cèl·lules aeròbies necessiten oxigen. L’oxigen és poc soluble en aigua. Un cop dins de l’organisme, la difusió d’Oxigen a través dels teixits és ineficient. Afortunadament, les proteïnes ens poden ajudar. Les necessitats de l’oxigen són cobertes per proteïnes que emmagatzemen i transporten oxigen:  Mioglobina: 1 cadena polipeptídica. Té aproximadament uns 153 residus (aminoàcids) que s’estructuren en unes 8 hèlix alfa. És una proteïna globular. La seva funció és fixar i emmagatzemar O2.
 Hemoglobina: esta composada per 4 cadenes polipeptídiques. Té una estructura quaternària i la seva funció és fixar i transportar O2.
Tant la mioglobina com la hemoglobina formen part de la família de les globines.
Molts organismes necessiten oxigen per viure, necessitem uns 6 milions de litres d’oxigen.
L’oxigen es difon de manera insuficient de les quantitats que nosaltres requerim, aquí tenen lloc l’hemoglobina i la mioglobina, que s’encarreguen de transportar i emmagatzemar l’oxigen.
Són les primeres proteïnes de les quals es va resoldre la seva estructura tridimensional, intentant mirar com funcionaven. No podem intentar esbrinar la funció d’una proteïna sense esbrinar la seva estructura.
- Resulta que l’oxigen no és soluble a la sang ni és fàcil de portar als teixits. Però si mirem les cadenes laterals, veiem que no hi ha cap cadena lateral amb afinitat per l’oxigen, ja que les cadenes laterals dels aminoàcids no en tenen (a).
- Alguns metalls de transició com el ferro uneixen O2 però lliure en solució genera radicals lliures. El ferro +2 pot formar enllaços amb l’oxigen. L’anell hemo, del grup hemo, de la protoporfilina, porta unit al centre un àtom de ferro +2 (b). Dos grups hemo tenen capacitat per interaccionar i el ferro +2 fa ferro +3 i ja no és capaç d’interaccionar amb l’oxigen.
L’estructura tridimensional forma un entorn adequat per la localització de l’hemo, l’hemo captura el ferro +2, i el ferro +2 agafarà l’oxigen. L’assemblatge dels 3 (grup hemo + proteïnes + ferro), fa que es pugui agafar l’oxigen.
- Els compostos organometàl·lics (com els grups hemo) units a proteïnes, són la solució que usen les cèl·lules per capturar oxigen, perquè no un hemo sol? - El grup hemo es un grup prostètic de la mioglobina i és el responsable de que el ferro estigui en ferro +2 i aquest pugui unir oxigen.
Anna Jiménez Pouget Tema 5: Estructura i funció de biomolècules - Mioglobina: Exemple de plegament de les globines i d’unió al grup hemo.
Observem l’entorn altament hidrofòbic de la mioglobina serà on s’inclourà el grup hemo.
El grup hemo en solució té afinitat per l’oxigen , però té unes 100 vegades més afinitat pel CO (b). És a dir, tendirà a alliberar massa ràpid l’oxigen, i no podrem regular de manera molt fidel on agafa i on deixa oxigen. Però com que en solució tenim més oxigen que CO i quan forma part de l’estructura tridimensional, per un tema d’impediments estèrics, el grup hemo perd una mica l’afinitat pel CO, la difusió i la unió per aquest es veurà una mica més dificultada per la forma d’arranjament final de la proteïna, respecte la de l’oxigen (a). Si aquesta estructura fos molt rígida no es podrien donar aquestes unions.
Perquè necessito a vegades una cadena i a vegades un tetràmer? - La hemoglobina i la mioglobina tenen una identitat seqüencial que no és molt alta, però la identitat del plegament si que és molt alta, tenen un plegament molt semblant. Cada subunitat de l’hemoglobina és molt semblant a la mioglobina.
- En l’hemoglobina no totes les subunitats són 2 a dos, sinó que té dues subunitats alfa i dues beta. α2β2 tetràmer.
- Quan mirem la corba de saturació de l’hemoglobina té un comportament sigmoïdal, això indica cooperativitat. En canvi, la corba de saturació de la mioglobina és una corba hiperbòlica.
- La mioglobina té més afinitat per l’oxigen que l’hemoglobina. Llavors, la corba de saturació de la mioglobina és una corba hiperbòlica. Com que té molta afinitat en els pulmons de seguida es saturarà d’oxigen, però com que té tanta afinitat quan arribi als teixits no la deixarà anar, per tant, serà un problema si necessito que la unió sigui reversible, per tant, no és una bona molècula per transportar oxigen, uneix amb molta eficiència però no deixarà l’oxigen allà on calgui. I això seria l’idea d’un magatzem. Si jo vull un magatzem això si que em farà feina de magatzem, o de transport dins del teixit, però no d’alliberar-lo.
- La corba de l’hemoglobina fa com dos estats, es una sigmoide, aquest fet vol dir que com que tinc 4 llocs d’unió (4 cadenes - 4 hemos), (implica que la proteïna no és un monòmer  corba sigmoide). La unió d’oxigen en una subunitat altera l’afinitat d’una de les altres subunitats per un àtom d’oxigen, i això pot ser que alteri l’afinitat per unir un àtom d’oxigen d’una altra subunitat. És una corba híbrida entre una molècula que té molta afinitat i una molècula que no té afinitat. Una molècula amb una sola subunitat no tindrà mai un comportament amb aquestes característiques.
Anna Jiménez Pouget Tema 5: Estructura i funció de biomolècules En el cas de l’hemoglobina, el que passa és que la unió de la primera molècula li costa més, però aleshores quan s’hi uneix presenta el grup hemo un petit canvi conformacional lleuger, el qual es transmet a la subunitat del costat, afavorint que la del costat tingui una mica més d’afinitat per unir l’oxigen de la que tenia. I així successivament.
En el cas de l’hemoglobina podem parlar de dos estats radicals: Estat T: de “tensionat”, estat de baixa afinitat, quan no hi ha cap oxigen unit, és estable en absència d’O2. Desoxihemoglobina.
Estat R: estat relaxat, allà és estable en presència d’oxigen. És on totes les subunitats estan unides a oxigen, estat d’alta afinitat. Oxihemoglobina.
El transport d’oxigen és possible gràcies a aquesta transició d’aquests dos estats. És un cicle que permet fer la funció de transport, permet una unió reversible i adaptada a l’entorn en que es troba. La transició s’inicia amb canvis estructurals subtils que desencadenen un canvi conformacional global.
Mioglobina: La mioglobina no alliberarà Oxigen als teixits. És necessària una altra molècula més versàtil, capaç de canviar d’un estat de baixa afinitat a un estat d’alta afinitat.
Quantitat d’ O2 que porta unit Hemoglobina: En els teixits estarà en forma T, se’n va als pulmons i hi arriba en l’estat T, i com que allà hi ha una alta pressió d’oxigen, totes les subunitats agafaran oxigen, estat R, aleshores se’n va als teixits, s’allibera l’oxigen i es queda en forma T, això tornarà als pulmons, s’oxigenarà, tornarà a estat R… Quan menys oxigen hi ha en un teixit la pressió parcial serà més baixa, per tant, més oxigen alliberarà la hemoglobina al teixit.
La unió d’un àtom d’oxigen afavoreix la unió d’un altre àtom d’oxigen en una altre subunitat, d’això se’n diu efecte cooperatiu, en el cas de l’oxigen, la cooperació és positiva.
Anna Jiménez Pouget Tema 5: Estructura i funció de biomolècules L’efecte cooperatiu treballa en ambdues direccions: - L’Oxigen incrementa l’afinitat d’unió de les següents molècules d’O2 de manera cooperativa.
- El CO2 i el pH àcid disminueixen l’afinitat de manera cooperativa. El pH i el C O2 fan un tipus de cooperació negativa. Això fomenta l’alliberament d’oxigen.
- El BPG (2,3 – bisfosfoglicerat) també disminueixen l’afinitat per l’oxigen.
L’O2, el CO2, els H+ i el BPG són moduladors al·lostèrics, afecta a les propietats de la meva cadena, generen cooperativitat (oxigen l’única positiva). Són moduladors negatius, però ho fan en un entorn en què ja ens afavoreix la reacció. La hemoglobina és una proteïna al·lostèrica, en la que la unió d’un lligand en un lloc de la proteïna afecta la unió a altres llocs de la mateixa proteïna.
(16.3.16) La respiració pot modular l’equilibri movent el pH i el CO2. Quan inspirem agafem oxigen, quan expirem expulsem CO2.
Efecte del CO2 i H+. Efecte Bohr Quan l’hemoglobina arriba als teixits carregada d’oxigen, aquest CO2 i el pH àcid generen una estabilització de l’estat T i fa que l’hemoglobina tendeixi a alliberar l’oxigen, en les pressions parcials baixes que es donen en els teixits, de manera que en els teixits el CO2 i els protons interaccionen amb l’hemoglobina, i l’hemoglobina entra en el torrent de sang venosa que retorna cap als alvèols pulmonars. En aquelles condicions, com que la pressió parcial d’oxigen torna a ser molt alta, l’oxigen competeix provoca per tant un alliberament del CO2 i els protons, els quals desplaçaran l’equilibri i generaran més CO2, i la diferència de pH per la respiració es veurà modificada. Tot i ser moduladors negatius, provoquen l’alliberament de l’oxigen, però ho fan en l’entorn on passa ja ens va bé.
Als teixits: CO2 + H2O  H+ + HCO3A elevades [CO2] i [H+], l’Hb allibera O2 i transporta CO2 i H+.
Als pulmons, la Hb protonada i unida a CO2 allibera protons i uneix O2 : HHb+ + O2  HbO2 + H+ Si jo tingués molt de CO2 en sang, com que és un modulador negatiu la corba saturació es mouria cap a la dreta, de manera que alliberarem oxigen a pressions parcials no tant altes. Veient el gràfic em de saber distingir si hi ha moduladors negatius o positius.
Efecte del 2,3 BisPhosfoGlicerat Els eritròcits són bàsicament sacs d’hemoglobina, a part d’hemoglobina en els eritròcits hi ha molt 2,3 bisfosfoglicerat, és un producte del metabolisme de la glucosa. El 2,3 BPG com que és un modulador al·lostèric negatiu també genera una migració de la corba cap a la dreta. I de fet és el responsable en el fons de que l’hemoglobina tingui un comportament sigmoide. Quan no hi ha gens de BPG fixem-nos en la gràfica que té un comportament molt semblant al de la mioglobina. És molt important la seva presència perquè estabilitza l’estat T, de manera que fa difícil les primeres unions de molècules d’oxigen, però després ja es veuen afavorides.
Anna Jiménez Pouget Tema 5: Estructura i funció de biomolècules El 2,3 bisfosfoglicerat canvia amb la pressió atmosfèrica. I permet una ràpida adaptació a canvis d’altitud.
L’hemoglobina fetal no és idèntica a l’hemoglobina adulta, de fet, uns mesos després de néixer encara segueixen tenint part d’hemoglobina fetal, i amb els anys gairebé tota l’hemoglobina és l’adulta. La funció important de l’hemoglobina fetal és perquè els nadons per obtenir oxigen han de fer-ho ha través del torrent circulatori la mare, quan les pressions parcials no són del 100%, no són les mateixes que té la mare als pulmons, hi ha un requeriment que és: o l’hemoglobina del fetus s’adapta a una situació de manca d’oxigen, i pateix canvis per ser més eficient en captar oxigen, o sinó l’hemoglobina mai estaria en nivells de saturació que permetessin l’alliberament d’oxigen als teixits del fetus. Per tant, l’hemoglobina té un parell de subunitats diferents de la hemoglobina adulta. De manera que si ens fixem en la corba de saturació de l’hemoglobina fetal està desplaçada cap a l’esquerra, de manera que la fa molt eficient, és una hemoglobina que té molta afinitat per l’oxigen. La corba de saturació de l’hemoglobina fetal recorda més a la mioglobina, perquè té més afinitat, que no a l’hemoglobina adulta. Això li permet captar amb més eficiència l’oxigen en condicions on hi ha manca d’oxigen. Després l’hemoglobina s’alliberarà en els teixits degut a que allà les pressions d’oxígens són molt més baixes que en adults. El moviment de la corba sigmoide té moltes implicacions en com agafen i alliberen l’oxigen les molècules d’hemoglobina.
Exemples d’evolució proteica: Hb i Mb La conformació (plegament, estructura nativa, estructura 3D) de la mioglobina i de cada una de les cadenes de la hemoglobina són molts similars. Les seves seqüències són homòlogues però, no són idèntiques. Com és que es dóna que dues seqüències diferents tenen conformacions semblants? El que passa és que al llarg de l’evolució pots anar introduint una sèrie de mutacions que si no alteren la funcionalitat de la molècula la mutació s’estabilitza i es consolida al llarg del temps.
Els responsables d’aquestes alteracions són reordenaments genètics. Si tenim dues proteïnes que fan funcions semblants i tenen estructures semblants però seqüències diferents, si es fa un anàlisi evolutiu d’aquestes proteïnes et poden donar molta informació de com aquests organismes que estàs comparant han evolucionat. Si les comparem podem veure quin organisme ve abans que un altre, es poden fer arbres evolutius.
Tipus d’esdeveniments que es poden donar a nivell de seqüències: - Mutacions intragèniques: un gen es pot modificar per canvis en la seva seqüència a través de diferents errors que poden donar-se principalment durant la replicació.
L’enzim encarregat de fer la còpia té “x” ràtio de succés i a vegades comet errors, i si no es repara, pot generar una mutació i aquella mutació es passarà.
- Duplicació gènica: un gen existent pot duplicar-se fent-se un parell de gens idèntics en la mateixa cèl·lula, però després aquests dos gens podran divergir en el transcurs de l’evolució.
- Reordenaments gènics: 2 o més gens poden trencar-se i re-unir-se formant gens híbrids. A vegades hi ha cadenes que tenen en una regió molta similitud i en altres no.
També ho anomenem translocacions.
Anna Jiménez Pouget - Tema 5: Estructura i funció de biomolècules Transferència horitzontal intercel·lular: una peça de DNA es pot transferir del genoma d’una cèl·lula al d’una altre, inclús entre espècies diferents. Exemple: fenòmens de simbiosi amb intercanvi de gens. Entre més de dos organismes hi ha intercanvi de material gènic.
S’utilitzen per fer arbres genealògics: Alineament de la mioglobina humana i de la cadena α de la hemoglobina humana. Alguns residus estan estrictament conservats. Alguns residus conserven el seu caràcter químic.
Alguns són canviats per residus molt diferents, per exemple millorants. Alguns inclús estan absents en una de les seqüències, si aquella funció es devastadora per la supervivència  fenòmens de delecció.
Totes les globines provenen d’un ancestre comú, després va haver-h una duplicació gènica que va separar l’hemoglobina de la mioglobina, la mioglobina pràcticament no té canvis entre organismes molt primitius com les lambrees fins a primats. En canvi l’hemoglobina si que ha patit moltes modificacions.
...