Tema 5: Relació, estructura-funció, i evolució de les 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 9
Fecha de subida 21/04/2016
Descargas 23
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 5: RELACIÓ, ESTRUCTURA-FUNCIÓ I EVOLUCIÓ DE PROTEINES Les cèl·lules aeròbies necessiten oxigen i l’O2 és molt poc soluble en aigua, nosaltres transportem al dia uns 600 litres d’oxigen. Aleshores aquest oxigen un cop arriba dins l’organisme, la simple difusió a través del teixits és molt insuficient respecte al que requerim, i aquí és quan les proteïnes emmagatzemadores i les transportades d’O2 entren en joc: la hemoglobina i la mioglobina, que cobreixen les necessitats d’oxigen de l’organisme.
Són les proteïnes de les quals es va obtenir informació estructural per primer cop, la seva estructura tridimensional. Són de les primeres de les quals es va resoldre la seva estructura i per tant la seva funció.
- - La mioglobina està formada per una única cadena polipeptídica, amb aproximadament uns 153 residus, aa que s’estructuren en unes 8 hèlix alfa. És una proteïna globular. Aquesta i l’altra formen part de les globines, molt compactes que a nivell seqüencial tenen bastanta homologia. La funció de la mioglobina és fixar i emmagatzemar l’oxigen.
En canvi, en la hemoglobina, la seva estructura funcional requereix de 4 subunitats, és una estructura quaternària, i la seva funció és fixar i transportar l’oxigen, igual que la mioglobina.
Però les cadenes laterals dels aminoàcids, les que teòricament ajudarien a realitzar la funció de transport de l’O2, no tenen afinitat per l’oxigen, per tant com la fan? - Alguns metalls de transició com el ferro tenen la capacitat d’unir oxigen, però si ho fa sol, lliure, en solució de manera que genera radicals lliures, i un altre element que entra en joc, és el grup hemo (compostos organometàl·lics) que es podrà unir a una proteïna, sent la solució que utilitzen les cèl·lules per capturar O2.
Aquest grup hemo, és com un anell complex, anomenat protocorpirina que porta unida en el centre un àtom de Fe+2. I en aquestes condicions el ferro podrà unir l’oxigen. Però aleshores, si el grup hemo esta sol, 2 grups hemo tenen afinitat i el ferro +2 passa a ferro +3 i aquest ja no uneix l’oxigen.
- L’estructura tridimensional confereix un entorn adequat per la localització de l’hemo amb el ferro +2 que és qui captura l’oxigen, per tant, ni els aa sols, ni el ferro sol, ni l’anell sol són els que generen que les proteïnes amb aquest grup prostètic (grup hemo unit covalentment a la proteïna) s’uneixin a l’oxigen, sinó la unió dels 3.
Unió de l’O2 al grup hemo És l’entorn altament hidrofòbic en el cas de la mioglobina, d’unes hèlix on s’encabirà el grup hemo (entre les hèlix E i F).
El grup hemo en solució té afinitat per l’oxigen, però té molta més afinitat pel CO2, generalment unes 100 vegades + afinitat. De manera que això pot ser un problema en determinades condicions, perquè tendirà a alliberar l’oxigen per agafar CO2, i això no ho podem regular. Però el grup hemo quan forma part del conjunt, la diferència d’afinitat es veu disminuïda, degut a impediments estèrics, i perquè nosaltres en solució tenim molt més oxigen que CO2. L’element que s’hagi d’unir al grup hemo ha de viatjar cap a l’interior de l’estructura, de manera que l’oxigen és qui es veu més afavorit.
La unió a la mioglobina del grup hemo redueix fins a 102 vegades la diferència d’afinitats.
Si les proteïnes fossin altament estables, la difusió i canvi de reordenament estructural puntual no seria possible, per això és important que el seu plegament sigui estable i favorable termodinàmicament, però no molt, perquè necessita de reajustos per la nova unió d’un elements extra en el grup hemo (oxigen).
Hemoglobina: la seva estructura quaternària fa possible una transició tenen una identitat seqüencial que no és molt alta, però la identitat estructural, del plegament, si que és molt alta i semblant a la mioglobina. Però en aquest cas, no totes les subunitats de la hemoglobina són 2 a 2, té 2 subunitats β i 2 α (amb un grup hemo per cada subunitat) per això és un tetràmer α2β2.
La seva corba de saturació té un comportament sigmoïdal, en canvi la de la mioglobina és una corba hiperbòlica.
La mioglobina té més afinitat per l’oxigen que la hemo, aleshores a nivell de proteïna de transport pot ser un problema si necessito que aquella unió sigui reversible, no és una bona molècula per transportar l’oxigen perquè uneix amb molta eficiència però no l’alliberarà allà on necessiti (veiem en el gràfic, en la primera línia hiperbòlica, que hi ha la mateixa concentració, molt alta, tant en pulmons com en teixits). A diferència de la hemoglobina, que fa una transició de 2 estats com té 4 llocs d’unió, pels 4 hemos de cada cadena, això implica que la unió d’un element a un hemo afecti a la unió dels altres elements (oxígens) a les altres cadenes, perquè la proteïna té més duna subunitat, no és un monòmer com la mioglobina, sinó un tetràmer. I això, és el que fa que tingui comportaments sigmoïdals, és a dir, que a base del temps hi ha un canvi de comportament de la proteïna, ja que en el cas de la hemo com que té menys afinitat per unir que la mioglobina, la primera unió del primer element al primer grup hemo costarà molt, però un cop s’uneixi al primer grup hemo, patirà un petit canvi conformacional en la primera subunitat. L’hemo tensionarà la hèlix i provocarà un canvi conformacional que es transmetrà a la subunitat del costat afavorint que aquesta tingui una mica més d’afinitat per el segon oxigen, que la que tenia la inicial. I un cop s’uneix al segon grup hemo, torna a passar aquesta tensió i afinitat pel següent.
De manera que en la hemo trobem l’estat T (tensionat) en absència d’oxigen, on cap de les subunitats té unit oxigen, i a mesura que cadascuna de les subunitats van adquirint el seu àtom d’oxigen, es dóna la transició cap a l’estat R (relaxat), que es dóna quan té la màxima afinitat amb l’oxigen.
Per tant, en el seu cas el transport és possible gràcies a la transició d’aquests dos estats. És el cicle que permet que la unió de l’oxigen sigui reversible i estigui adequada a la funció. Tot i que la transició comença amb canvis estructurals molt subtils, que acaben desencadenant el canvi conformacional global.
Esquema arriba als pulmons en estat T, on hi ha un canvi conformacional en R, on hi ha totes les subunitats plenes amb oxigen perquè els pulmons estan plens, i un cop fet el canvi, l’oxigen és transportat i alliberat en els teixits on torna a quedar amb la forma T. Quan menys oxigen hi hagi en un teixit la pressió serà més baixa, i més oxigen alliberarà la hemoglobina en aquest teixit.
I com la unió d’un àtom d’oxigen afavoreix la unió d’un altre oxigen en una altra cadena, es diu que la proteïna hemoglobina té un caràcter cooperatiu, que no té la mioglobina o qualsevol altre proteïna amb una sola subunitat. La cooperació que es dona amb l’oxigen en la hemoglobina és cooperació positiva.
Aleshores aquest efecte cooperatiu treballa en ambdues direccions: - - L’O2 incrementa l’afinitat d’unió de les següents molècules d’oxigen de manera cooperativa (positiva).
En canvi, si hi ha CO2 és perquè hi ha disminució del Ph, de manera que aquests 2 factors disminueixen l’afinitat de manera cooperativa, o parlem de cooperació negativa, ja que fomenten l’alliberament d’oxigen.
I el tercer element, el BPG és un compost que genera un fenomen de cooperativitat de tipus negatiu també.
De manera que en conjunt, l’oxigen, el diòxid de carboni, els protons i el BPG són moduladors de tipus al·lostèric, que generen cooperativitat positiva o bé negativa, és a dir que afecten la afinitat de la proteïna amb determinats elements, perquè la hemoglobina és una proteïna al·lostèrica en la que la unió d’uns d’aquests lligands a un lloc de la proteïna, afectarà la unió a altres llocs de la mateixa proteïna.
Una corba sigmoïdal sempre implica una cooperació de diferents subunitats.
Moduladors al·lostèrics oxigen, modulador positiu, afavoreix la unió de noves molècules d’oxigen, en canvi, CO2 i Ph (protons) són moduladors negatius, que disminueixen l’afinitat de manera cooperativa, provoquen l’alliberament d’oxigen, però ho fan en un entorn en que, afavoreixen l’estat T.
Efecte del Co2 i H+ el CO2, mou la corba de saturació cap a la dreta de manera que alliberarem oxigen a pressions parcials no tant altes, per tant els moduladors al·lostèrics fan variar aquesta corba en funció de si són positius o negatius. Veient el moviment de la corba sigmoide.
Efecte del 2,3 Bifosfoglicerat (BPG) participa en la estabilització de l’estat T. Els eritròcits perden tota la meitat dels seus orgànuls, i queden com a sacs d’hemoglobina i aquest producte, que és un modulador al·lostèric negatiu, genera una migració de la corba cap a la dreta, com el CO2 i els protons, i és el responsable de que la hemoglobina tingui un comportament sigmoide. A més, la seva concentració canvia amb la pressió, de manera que permet una ràpida adaptació a canvis d’altitud.
Quan no hi ha gens d’aquest compost, té un comportament la hemoglobina semblant a la mioglobina.
La placenta és la que participa en el traspàs de gasos entre el fetus i el corrent sanguini de la mare, de manera que la hemoglobina fetal, en el fetus, no és idèntica a la adulta.
Els fetus per tal d’aconseguir oxigen ho han de fer a partir del corrent de la mare, per tant la hemoglobina fetal ha de captar oxigen del corrent de la mare quan les pressions no són tant favorables, hi ha un requeriment que és que la hemoglobina s’adapta a una situació de manca d’oxigen adoptant canvis estructurals que li permetin ser més eficients. La hemoglobina fetal té un parell de subunitats diferents de l’adulta, de manera que en la corba de saturació està desplaçada cap a l’esquerra, a l’inrevés que els moduladors al·lostèrics, de manera que té molta eficiència per l’oxigen, com la mioglobina. És més semblant a la mioglobina que no pas a la hemoglobina adulta.
Per tant, aquesta afinitat extra li permet captar amb més eficiència oxigen en condicions on hi ha falta d’oxigen, i és que la pressió parcial d’oxigen en els teixits dels fetus és molt més petita que la dels adults. Però tot i així, seguirà sent una corba sigmoide.
El moviment de la sigmoide té certes implicacions sobre com els moduladors poden generar moviments en aquesta corba i com alliberen o capten oxigen.
Exemples d’evolució proteica: Hb i Mb A nivell estructural són estructures pràcticament idèntiques però a nivell d’identitat seqüencial, tenen molta menys que del que tenen d’identitat d’estructura 3D.
És a dir, la conformació (plegament, estructura nativa, estructura 3D) de la mioglobina i de cada una de les cadenes de la hemoglobina, són molt similars. I les seves seqüències, són homòlogues, però no són idèntiques.
Són seqüències bastant divergents, però al llarg de l’evolució pots anar introduint mutacions, que si no alteren la funcionalitat de la molècula, aquesta s’estabilitza en la seqüència, i allò no es consolida com a mutació al llarg del temps. Per tant, els responsables d’aquesta divergència en les seves seqüències, són alteraments en la recombinació. Aquesta convergència cap a una funció, implica que hi ha regions més fàcilment absorbibles per mutacions.
Tipus d’esdeveniments que es poden donar a nivells de seqüència: - - - - Mutacions intragèniques: un gen es pot modificar per canvis en la seva seqüència, a través de diferents errors que poden donar-se principalment en la replicació.
Duplicació gènica: un gen existent pot duplicar-se fent-se un parell de gens idèntics en la mateixa cèl·lula, tot i que aquests dos gens podran divergir en el transcurs de l’evolució. Pot ser que es generin després de la duplicació i una cadena adopti una mutació i una altra altres, de manera que hi hagi subunitats alfa en una i subunitats beta en l’altre.
Reordenaments gènics/ translocacions: hi ha vegades que hi ha cadenes que tenen en una regió molta similitud i en altre no, degut a 2 o més gens que poden trencar-se i reordenar-se formant gens híbrids.
Transferència horitzontal intercel·lular: un tros de DNA es pot transferir del genoma d’una cèl·lula al d’una altra, inclús entre espècies diferents. Fenòmens de simbiosi que ajuden que hi hagi transferència de material genètic.
I fent comparacions podem trobar qui ve abans que qui, i en quin moment un gen ha divergit exemple: Alineament de la mioglobina humana i de la cadena alfa de la hemoglobina humana.
Poden passar dues coses amb regions diferents degudes a mutacions:   Regió que no altera, mutació que es manté i genera divergència, però sense canvi estructural o funcional.
Regions que generen evolució, mutacions que milloren la seva funció, la seva estabilitat, proporcionen una avantatge evolutiva, mutació que es consolidarà i l’individu podrà adaptar-se amb més facilitat davant d’un esdeveniment.
 Hi ha insercions (verd) que permeten veure que en el cas de les hemoglobines totes procedeixen d’un ancestre comú. La mioglobina no té pràcticament canvis en organismes, en canvi la hemo si que pateix major nombre de modificacions o variacions dins del fílum que comparem.
...