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Estructura de proteínas
● Entender cuales son las fuerzas involucradas en mantener la estructura tridimensional de las proteínas
● Comprender como la estructura tridimensional afecta la función proteíca. Estructura-función.
De la secuencia a la estructura
Los cuatro niveles de la estructura proteíca
La propiedades del enlace peptídico afectan la estabilidad y flexibilidad de las proteínas
Los enlaces tipo amida son muy estables
Resonancia de los enlaces tiene dos efectos: incremento de la estabilidad y momento dipolar
Resonancia de los enlaces péptidicos
Caracter de doble enlace parcial afecta la rotación de la cadena polipeptídica
Ángulos dihedros
Phi: Cβ-1
-N-Cα-C
β
Psi: N-Cα-C
β-N
+1
Estructura secundaria: Alfa hélices
DistanciasDipolo
Puentes de hidrógeno y cadenas laterales
Vista superior
Las cadenas laterales determinan el carácter hidrofílico, hidrofóbico o anfipático de una alfa hélice
Variantes poco frecuentesde alfa hélices
Propiedades de las alfa hélices
- Puentes de hidrógeno entre el C=O del residuo n y el NH del residuo n+4- 3.6 residuos por vuelta- 1.5 A de incremento por cada residuo- 100º de vuelta por cada residuo- 5 A de ancho sin considerar las cadenas laterales
3.6 residuos/vuelta1.5 A
Restricciones estéricas para la alfa hélices left-handed
Estructura secundaria: Hojas beta
Polipéptido en conformación beta
Zig-zag pronunciado
Los enlaces péptidos de aminoácidos adyacentes apuntan en direcciones opuestas: adelante y atrás de la pantalla
Las cadenas laterales de aminoácidos adyacentes apuntan en direcciones opuestas
ParalelaAntiparalela
Hojas beta paralelas y antiparalelas
Las hojas beta antiparalelas forman puentes de hidrógeno más estables
Las cadenas laterales de las antiparalelas se alternan disminuyendo las interacciones estéricas
Estructura secundaria: Hojas beta
Barril betaRetinol-binding protein
Estructura hoja beta
Hojas beta anfipáticas
El gráfico de Ramachandran
En gral cada aminoácido tiene una región preferencial en gráfico de Ramachandran debido a interacciones estéricas.Hay algunos muy particulares: Gly, Pro, Ile, Val
Gráfico de Ramachandran
Más de 1.000.000 de datos de alta calidad
Hoja beta
Alfa héliceMano derecha
Alfa héliceMano izquierda
Beta turn
http://proteopedia.org/wiki/index.php/Ramachandran_Plots
Predicción de estructura secundaria
Prefencia por ciertos aminoácidos de acuerdo a la estructura
Predicción de estructura secundaria
Phyre server www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/
Plegamiento de proteínas (Julio Caramelo)
Intermediarios de plegamiento(barnase)
La competencia entre las interacciones internas y el agua controlan el plegamiento
La estructura primaria determina el plegamiento
TIM DHFR
Estructura terciariaLa condensación de múltiples elementos de estructura secundaria conduce a la estructura terciaria
Ambas tienen 8 hebras beta conectadas por alfa hélices
Barril alfa/beta paraleloDominio alfa/beta con hojas mixtas
Las moléculas de agua unidas a la superficie son una parte importante de la estructura y se consideran parte de la estructura terciaria
La estructura terciaria es estabilizada por el empaquetamiento de los átomos
Corte del interior de una proteínaPrimera capa de hidratación de la elastasa pancreatica porcina.
Estructura terciaria
La proteínas plegadas son estabilizadas mediante interacciones débiles no covalentes
Déb
iles
Estructura terciaria
El plegamiento proteíco es un compromiso termodinámicoEntalpía: calor liberado por la formación de las interaccionesEntropía: contribuído por el agua. El plegamiento incrementa la entropía del sistema.El efecto hidrofóbico contribuye a la entropía
Las aguas que rodean residuos hidrofóbicos están más ordenadas que las aguas líquidas. Cuando los residuos condesan, expulsan el agua incrementando la entropía
La estabilidad es definida con la energía libre, una función que combina tanto la entalpía como la entropía
La energía liberada por la formación de los enlaces débiles es contrabalanceada por la enorme pérdida de estabilidad conformacional que ocurre cuando un polipéptido se pliega.
La diferencia de energía libre entre los estados desplegado y plegado es de entre 21-42 Kj/mol
Consecuencia: Flexibilidad
Dominios proteícos
Los dominios proteícos son una región compacta de la proteína que, generalmente, esta formada por segmento continuo de amino ácidos y puede plegarse de manera estable por si misma en solución
Represor Lac
Dominio de tetramerización
Dominio de unión a DNA
Generalmente tienen menos de 200 aa.El 49% tiene entre 50 y 150 aa.
Tioesterasa
Tioesterasa dehidratasa
Dos dominios casi idénticos Dos subunidades
Las proteínas multidominio evolucionaron por fusión de genes que codifican para proteínas separadas
Tryptophan synthase Galactonate dehydratase
Los dominios de color amarillo son similares aunque no tienen similitud de secuencia o relación funcional
La mayoría de las estructuras nuevas pueden dividirse en dominios previamente conocidos.
La proteínas son modulares, es decir, estan formadas por dominios que se intercambian (LEGO proteins)
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios alfa: compuestos solamente por alfa hélices
Four-helix bundleGlobina
Myohemierythrin Mioglobina
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios beta: compuestos solamente por hojas beta
Cadena liviana de la inmunoglobulina
Proteína de la sedaSandwich beta
NeuraminidasaPropulsor beta
Bacterioclorrofila AJelly roll
Clasificación de dominios de proteínas
Clasificación de dominios de proteínas
Dominio alfa/beta: cada hebra de una hoja beta se conecta a la otra por una alfa hélice
Cruce mano derecha
Cruce mano izquierda
Barriles
Twists
Dos grandes familiasTIM
Aspartate semi-aldehyde dehydrogenaseLa hoja beta es hidrofóbica y se encuentra aislada del solvente por la alfa hélices
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios alfa+beta
Compuestos de alfa hélices y hojas beta pero tienen ningún tipo de arreglo espacial.
TATA binding protein
Esta clase presenta una gran diversidad de dominios
Clasificación de dominios de proteínas
Dominios cross-linked
Dominios tan pequeños que carecen de centro hidrofóbico o un gran número de elementos de estructura secundaria. La solución es conectar (cross-link) las diferentes regiones del dominio mediante enlaces covalentes
Hay dos soluciones: puentes disulfuro y unión de metales
Toxina de escorpiónCuatro puentes disulfuro Zinc finger de un factor de transcrición
Coordina un zinc mediante dos His y dos Cys
Estructura cuaternaria
Las proteínas se asocian formando ensamblados de dos o más proteínas
La asociación con proteínas idénticas lleva a la formación de homo-oligómeros. De acuerdo a número de monómeros se llaman homodímeros, homotrímeros, etc.Si las proteínas que se asocian son diferentes se llaman hetero oligómeros.
Las interacciones son específicas y complementarias. Involucran uniones débiles
Estructura cuaternaria
Interacciones cuaternarias inadecuadas pueden tener efectos funcionales graves.
La anemia faciforme se produce por una mutación de Glu a Val en la superficie de la subunidad beta de la hemoglobina creando una región hidrofóbica que induce la formación de largas fibrilas
Estructura cuaternaria
Cuando las subunidades son idénticas se produceninteracciones simétricas mediante las superficies complementarias
De acuerdo a la localización de estas superficies complementarias se obtienen diferentes tipo de oligómeros
Si el monómero tiene una segunda superficie de interacción se producen asociaciones de dímeros formando tetrámeros,hexámeros, etc
Flexibilidad de proteínas
Los cambios estructurales grandes (por ejemplo alfa hélice a hoja beta) nunca ocurren en condiciones normales. Se presentan en casos patológicos como amieloides o priones.Algunos cambios pueden inducirse por la unión de un ligando y otros son cambios conformacionales entre dos estados que coexisten en condiciones fisiológicas. Uno de los más comunes es el movimiento de un loop particular que cierra un sitio activo
Inhibidor
Se mueve 10A
Se puede residuos, loops o dominios
De la estructura a la función
Cuatro funciones fundamentales en la bioquímica de las proteínas
Unión (binding)
Catálisis
Switching (control)
Estructural
La función más elemental que subyace en todas ellas es el binding
Reconocimiento y complementariedad
La unión de ligandos ocurre en sitios específicos que proveen complementariedad geométrica y química y se llaman sitios de unión a ligandos. Si en el sitio de unión a ligando ocurre una reacción con el sustrato se llama sitio activo.
Factor letal de la toxina antrax unida a un peptido de MAPKK2
Sitio activo de madelato racemasa
Los sitios de unión tienen un ambiente químico que es diferente del solvente y favorece la unión del sustrato o ligando.
Catálisis ácido-base
Dos Lys juntas baja la afinidad por el protónProduciendo un ácido fuerte
En general, son situaciones desfavorables desde el punto de vista energético que son compensadas por interacciones favorables en otra parte de la proteína.
Sitios de unión
Los sitios de unión para macromoléculas pueden ser cóncavos, convexos o planos. Por su parte los sitios de unión a pequeños ligandos pueden ser cavidades, bosillos o ranuras.
Hormona de crecimiento
Unión de un represor al ADN
Factor de transcripción Gal4
Generalmente estan en la superficie o son accesibles al solvente
Los sitios catalíticos estan presentes en interfaces entre dominios o subunidades
Los sitios de unión pueden estar enterrados dentro de la proteína
Sitios de unión
La afinidad entre el ligando y la proteína se debe mayormente a interacciones hidrofóbicas, mientras que la especificidad se debe a interacciones anisotrópicas del tipo puente de H. El desplazamiento de las moleculas de agua favorece la unión de sustratos y ligandos
Proteínas estructurales
El ribosoma contiene más de cien componentes proteícos que estabilizan el plegamiento del ARN ribosomal.
La proteínas estructurales pueden estar involucradas en procesos dinámicos. Por ejemplo actina, fibrinógeno, etc.
Colágeno.
Otras proteínas estructurales están diseñadas para permancer toda la vida del organismo. P.e. Seda, elastina, queratina, la cubierta de un virus, etc
Step5 de levadura
Las proteínas scaffold (andamio) sirven como soporte donde otras proteínas se ensamblan formando un complejo funcional.
Catálisis
Las enzimas aceleran las tasas de la reacciones químicas pero no cambian el equilibrio bajando la barrera de activación de la reacción. Lo hacen de tres maneras: incrementando la energía libre de los reactivos, bajando la energía del estado de transición o tomado un camino diferente que tenga intermediarios de reacción
Catálisis
Los sitios activos posicionan de manera óptima a los sustratos para que la reacción ocurra.
Potencial electrostático de la Cu, Zn superóxido dismutasa
Sitio activo
Sitio activo
Fuerzas electrostáticas orientan al sustrato hacia el sitio activo
Algunos sitios se encuentran cerrados al solvente y solo el sustrato adecuado puede abrirlos
Las interacciones electrostáticas contribuyen a la afinidad y especificidad
Catálisis
Subsitio de especificidad
Subsitio de reacciónPiridoxal-P
Aspartato aminotransferasa de E. coli
Catálisis
QuimiotripsinaSitio activo de la citrato sintasa que estabiliza el estado de transición
Switching Unión de moléculas regulatorias
Inhibición competitiva por producto final de la vía metabólica
Unión cooperativa de ligandos. Puede ser positiva o negativa. Es un efecto a distancia donde la flexibilidad proteíca es importante.
DtxRFe+2
Switching
GTPasa
ATPasa
Tienen una estructura similar
Diagrama del mecanismo de switch universal de GTPasas
Pi gama del GTP Relajación después de la hidrólisis
Switching
GEF (guanine-nucleotide exchange factors)
GAP (GTAase-activating protein)
GDP
GTP
Switching
Sistemas de dos componentes bacterianos
Dominio regulatorioCambia la superficie
Azul: no fosforiladoMagenta: fosforilado
Una estructura con diversas funciones
Madelato racemase Muconate lactonizing enzyme
Diversas estructuras: una función
L-aspartate aminotransferase.Presente en todos los organismos
D-amino acid aminotransferasa.Presente solo en bacterias
Moonlighting: proteínas con más de una función
Secuencias camaleón: una secuencia con más de un plegamiento
De gran importancia en enfermedades neurodegenerativas
Proteína de unión a ADN MATalpha2 de levadura
