Tema 5: Relacióestructura-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 9
Fecha de subida 21/04/2016
Descargas 40
Subido por

Vista previa del texto

Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes TEMA 5: RELACIÓ ESTRUCTURA-FUNCIÓ I EVOLUCIÓ DE PROTEÏNES En aquest tema veurem:  Emmagatzematge i transport d’oxigen: mioglobina i hemoglobina  La mioglobina i l’hemoglobina com exemples d’evolució proteica  Al·losterisme i cooperativitat a l’hemoglobina  Ús de les seqüències de proteïnes per a l’anàlisi de relacions evolutives Les cèl·lules aeròbies necessiten oxigen, i aquest és poc soluble en aigua, com passen a les cèl·lules? Afortunadament, les proteïnes ens poden ajudar.
L’oxigen per simple difusió difon de manera molt insuficient respecte les quantitats que nosaltres requerim. Entren en joc les proteïnes emmagatzemadores i les transportadores d’oxigen que són l’hemoglobina i la mioglobina. Van ser les primeres proteïnes de les quals es va resoldre la seva estructura tridimensional intentant mirar com funcionava.
No podem intentar esbrinar la funció d’una proteïna sense intentar relacionar-lo amb la seva estructura.
La mioglobina és una única cadena polipeptídica a nivell funcional. Té aproximadament uns 153 residus o aminoàcids que s’estructuren fora d’hèlix alfa. És una proteïna globular.
La seva funció és fixar i emmagatzemar oxigen.
L’hemoglobina té estructura quaternària, per ser funcional necessita 4 subunitats, la seva funció és transportar i fixar oxigen a la sang.
La mioglobina i hemoglobina formen part de la família de les globulines.
No hi ha cap cadena lateral de cap aminoàcid que tingui afinitat per l’oxigen, per tant, com fan les proteïnes la seva funció? 1 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes  Alguns metalls de transició com els àtoms com el ferro en forma Fe2+ poden unir oxígens però generen radicals lliures si ho fan sols en solució. Un altre element que entra en el joc és el grup hemo, un anell força complex que és una protoporfirina que pot unir un àtom de ferro al seu interior formant el grup hemo: (Compostos organometàl·lics com el grup hemo, units a proteïnes tenen capacitat d’unir Fe2+ i per tant són la solució que usen les cèl·lules per capturar O2).
Si el grup hemo el tenim sol en solució, dos grups hemo tenen afinitat per interaccionar i el Fe2+ passa a Fe3+, aquest ja no uneix oxigen. Per tant, cadascun dels elements per separat aporta quelcom de positiu però per ells sols no són suficients. El grup protoporfirina amb un ferro unit en forma de Fe 2+ (és a dir, el grup hemo) estan dintre de l’estructura de les proteïnes (en la mioglobina o l’hemoglobina) les quals reconeixen un grup alcohol que normalment interacciona amb els grups hemo.
2 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes El grup hemo un cop està unit a la proteïna passa a ser un grup prostètic responsable de que el ferro estigui en forma de Fe2+ i que aquest pugui unir oxigen.
El grup hemo en solució té afinitat per l’oxigen però té molta més afinitat pel CO 2(unes 100 vegades més afinitat), aleshores això pot ser un problema en determinades condicions, perquè tendiran a alliberar oxigen molt fàcilment, etc. Quan el grup hemo es troba formant part d’aquestes proteïnes, la diferència d’afinitat entre el CO 2 i l’O2 es veu disminuïda. Quan el grup hemo forma part de l’estructura tridimensional de les proteïnes, fa impediments estèrics que disminueixen la diferència d’afinitats.
Si les proteïnes fossin altament estables pel que fa a la seva estructura nativa, aquesta difusió i per tant canvi de reordenament estructural no seria possible.
Si l’hemoglobina Hemoglobina: la seva estructura quaternària fa possible una transició Si comparem les estructures de cadascuna de les subunitats de l’hemoglobina amb la unitat estructural de l’hemoglobina, s’assemblen molt; tenen una identitat seqüencial no molt alta, però la identitat de plegament sí que és molt alta per tant, és un plegament que te bastant tendència a donar-se. Però, no totes les subunitats són 2 a 2 les quals estructuralment s’assemblen molt a la de la mioglobina, té 2 subunitats α i 2 β per tant parlem d’un tetràmer α2β2.
Una corba de saturació d’unió sigmoïdal indica cooperativitat, la de l’hemoglobina és sigmoïdal.
La mioglobina té més afinitat per l’oxigen que la hemoglobina (per això les corbes són diferents), per tant la corba de la mioglobina té forma hiperbòlica, com té molta afinitat, en els pulmons de seguida s’ompliran d’oxigen, però pel fet de tenir molta 3 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes facilitat de captar oxigen de forma precisa pot ser un problema si necessitem que la unió de l’oxigen sigui reversible, per tant, la mioglobina no és una bona molècula de transport d’oxigen, el capta amb molta eficiència però no el deixa anar, és més aviat com un magatzem, no com a alliberador o transportador.
Si ens fixem en la corba de l’hemoglobina, és sigmoide, fa com dos estats, aquest fet vol dir que com tenim 4 llocs d’unió (4 cadenes hemos), quan l’oxigen s’uneixi a una subunitat, una altra es veu alterada. Cada cop que veiem una corba sigmoide vol dir que la proteïna NO és un monòmer i per tant, en una de les cadenes està afectant la unió dels altres elements que s’hagin d’unir a les altres cadenes. Quan una proteïna té més d’una subunitat, com en l’hemoglobina, pot donar-se el cas que la unió d’una molècula en una subunitat alteri l’afinitat d’una subunitat per un altre producte. Com té menys afinitat d’unir l’oxigen, la unió de la primera molècula li costa més, però el grup hemo al qual s’uneix, tensiona la hèlix en el qual està confinat i provoca un canvi conformacional lleuger i que es transmet a la subunitat del costat afavorint la unió d’oxigen a questa subunitat (tindrà més afinitat que la subunitat que li ha transmès la informació), i en unirse a la subunitat, aquesta pateix un petit canvi conformacional i li passa la informació a la següent subunitat, i així successivament. De manera que podem parlar de dos estats:  Estat T en absència d’oxigen on cap de les subunitats té unit oxigen. Es diu T de tensionat, és un estat que té poca activitat. A mesura que cadascuna de les subunitats que té van adquirint cadascuna el seu àtom d’oxigen, es va donant la transició cap a un estat R. Parlem de deoxihemoglobina.
4 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes  Estat R, de relaxat. Es dóna quan té les màximes molècules unides, està en presència d’oxigen. Alta afinitat per aquest. Parlem de oxihemoglobina.
En el cas de l’hemoglobina, el transport d’oxigen és possible gràcies a la transició d’aquests dos estats. La transició s’inicia amb canvis estructures subtils que desencadenen un canvi conformacional global: Recordem, una corba sigmoide representa una proteïna amb més d’un monòmer. La unió d’una unitat d’alguna molècula a una subunitat altera l’afinitat de molècules iguals d’alguna de les altres subunitats. Amb corba hiperbòlica, no s’allibera oxigen als teixits, (corba de la mioglobina), necessitem una molècula versàtil. Al teixits l’hemoglobina estarà en forma T i anirà cap als pulmons, on hi ha una pressió parcial d’oxigen, hi ha un canvi conformacional que fa l’estat R on ja tinc totes les unitats plenes cadascuna amb el seu àtom d’oxigen, viatja als teixits i on una part important de l’oxigen s’allibera i es torna a quedar en forma T.
5 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes Quan menys oxigen hi hagi en un teixit, la pressió parcial serà més baixa, per tant, més oxigen alliberarà l’hemoglobina en aquelles condicions.
De tot aquest fenomen direm que la unió de l’oxigen és cooperativa. En aquest cas com una molècula d’oxigen afavoreix un canvi conformacional de manera que afavoreix la unió de posteriors molècules d’oxigen, es diu efecte cooperatiu positiu.
L’hemoglobina no només té cooperació positiva, tot i que en el cas de l’oxigen sí que ho és.
En el centre actiu de l’hemoglobina es pot unir CO 2. Si tenim CO2 és perquè el pH de la sang és baix, aquests disminueixen l’afinitat de l’hemoglobina per l’oxigen de manera cooperativa, per tant fomenten l’alliberament d’oxigen fent un tipus de cooperació negativa.
El BPG o 2-3 bisfosfoglicerat, és un compost que genera un fenomen de cooperativitat negativa perquè també disminueix l’afinitat per l’O2.
En conjunt, O2, CO2, H+ i el BPG són moduladors al·lostèrics, canvien les propietats de la meva proteïna, el fet de que un component s’uneixi a la meva cadena afecta les propietats de la cadena per unir molècules, generen cooperativitat.
L’hemoglobina és una proteïna al·lostèrica, en la que la unió d’un lligand en un lloc d ela proteïna afecta la unió a altres llocs de la mateixa proteïna.
Efecte del CO2 i H+ Als teixits, el diòxid de carboni i els protons (pH àcid) generen una estabilització de l’estat T que fan que l’hemoglobina alliberi oxigen en aquestes pressions parcials baixes que es donen. El CO2 i els H+ interaccionen amb l’hemoglobina, i aquesta entra en el torrent de sang venosa i retorna fins als alvèols pulmonars. En aquelles condicions com que la pressió parcial torna a ser molt alta, l’oxigen competeix, provoca un alliberament de CO2 i els H+ (que desplaçaran l’equilibri i generaran més CO2) , de manera que la diferència de pH per la respiració es veurà normalitzada.
En aquest cicle que hem vist de l’hemoglobina:  El CO2 i els H+ funcionen com a moduladors al·lostèrics negatius, mouen la corba cap a la dreta de manera que alliberarem oxigen a pressions parcials més baixes.
Estabilitzen l’estat T facilitant l’alliberament d’oxigen.
6 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes  L’oxigen fa de modulador al·lostèric positiu, mou la corba cap a l’esquerra.
Si haguéssim de plantejar la corba de l’hemoglobina: Els moduladors al·lostèrics fan variar la corba en funció de si són negatius o positius.
Modulador al·lostèric 2-3 Bisfosfoglicerat També participa en l’estabilització de l’estat T.
L’hemoglobina és la proteïna principal dels eritròcits. A més en aquests hi ha molt 2,3 BPG que és un modulador al·lostèric negatiu, genera un desplaçament de la corba cap a la dreta. És el responsable de que l’hemoglobina tingui un comportament sigmoide, si no hi ha BPG l’hemoglobina es comporta com a mioglobina.
L’hemoglobina s’adapta a les condicions de l’ambient, per exemple, l’hemoglobina fetal, que és diferent a l’adulta.
Els fetus quan han de aconseguir oxigen ho fan a través del torrent circulatori de la mare on no hi ha la mateixa pressió que als pulmons de la mare, són més baixes, el requeriment és que o l’hemoglobina del fetus s’adapta a una situació de manca d’oxigen i per tant adopta canvis estructurals per millorar la seva eficiència o si el fetus tingués la mateixa hemoglobina que tenim nosaltres, pràcticament estaria en un nivell de saturació constant. Té un parell de subunitats diferent de l’adulta de tal manera que en la corba de saturació de l’hemoglobina fetal està desplaçat a l’esquerra de tal manera que té més afinitat per l’oxigen per captar-lo amb més eficiència en condicions de maca d’oxigen.
7 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes Exemples d’evolució proteica: Hemoglobina i Mioglobina La conformació (plegament, estructura nativa, estructura 3D) de la mioglobina i de cada una de les cadenes de l’hemoglobina són molt similars. Les seves seqüències són homòlogues però, no són idèntiques.
A nivell estructural són idèntiques, però en tenen menys identitat seqüencial. Això de que dos seqüències diferents acaben adoptant estructures iguals es dóna perquè al llarg de l’evolució s’han anat introduint una sèrie de mutacions que si no alteren la funcionalitat de la molècula, s’estabilitzen, com només les que alteren les seqüències no donen lloc a una bona descendència no acaben estabilitzant-se, no es consideren com a mutacions o reordenaments genètics.
Els tipus d’esdeveniments que es poden donar a nivell 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 durant la replicació. Es cometen errors que si no es reparen es generen mutacions en la proteïna.
 Duplicació gènica. Un gen existent pot duplicar-se fent-se un parell de gens idèntics en la mateixa cèl·lula; aquests dos gens podran divergir en el transcurs de l’evolució. Si la cadena α i la β són molt semblants, i l’hemoglobina té 4 i la mioglobina 1, pot ser que tinguessin un ancestre comú que per duplicació gènica una cadena hagués evolucionat molt i una altra no. Les duplicacions gèniques donen lloc a famílies de gens relacionats.
8 8 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 5: Relació- Funció i Evolució de Proteïnes  Reordenaments gènics o translocacions. 2 ó més gens poden trencar-se i reunir-se formant gens híbrids. Poden haver canvis, insercions, delecions…  Transferència horitzontal intercel·lular. Un tros de DNA es transfereix del genoma d’una cèl·lula a una altra cèl·lula, inclús entre espècies diferents.
9 ...