Estructura de proteínas

Transcripción

1 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

2 De la secuencia a la estructura

3 Los cuatro niveles de la estructura proteíca

4 Los amino ácidos: estructura y carácter químico Estructura general de un aminoácido Formando enlace peptídico

5 La propiedades del enlace peptídico afectan la estabilidad y flexibilidad de las proteínas Los enlaces tipo amida son muy estables Caracter de doble enlace parcial afecta la rotación de la cadena polipeptídica Resonancia de los enlaces tiene dos efectos: incremento de la estabilidad y momento dipolar

6 Estructura secundaria: Alfa hélices Vista superior Dipolo Distancias Variantes poco frecuentes de alfa hélices Puentes de hidrógeno y cadenas laterales Las cadenas laterales determinan el carácter hidrofílico, hidrofóbico o anfipático de una alfa hélice

7 Estructura secundaria: Hojas beta Hojas beta anfipáticas Estructura hoja beta Barril beta Retinol-binding protein

8 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

9 Hoja beta Gráfico de Ramachandran Más de de datos de alta calidad Alfa hélice Mano derecha Beta turn Alfa hélice Mano izquierda

10 Predicción de estructura secundaria Prefencia por ciertos aminoácidos de acuerdo a la estructura

11 Predicción de estructura secundaria Phyre server

12 Plegamiento de proteínas (Julio Caramelo) La estructura primaria determina el plegamiento Intermediarios de plegamiento (barnase) La competencia entre las interacciones internas y el agua controlan el plegamiento

13 Estructura terciaria La condensación de múltiples elementos de estructura secundaria conduce a la estructura terciaria Barril alfa/beta paralelo Ambas tienen 8 hebras beta conectadas por alfa hélices TIM Dominio alfa/beta con hojas mixtas DHFR

14 Estructura terciaria Primera capa de hidratación de la elastasa pancreatica porcina. Las moléculas de agua unidas a la superficie son una parte importante de la estructura y se consideran parte de la estructura terciaria Corte del interior de una proteína La estructura terciaria es estabilizada por el empaquetamiento de los átomos

15 Débiles La proteínas plegadas son estabilizadas mediante interacciones débiles no covalentes

16 Estructura terciaria El plegamiento proteíco es un compromiso termodinámico Entalpía: calor liberado por la formación de las interacciones Entropía: 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 diferencia de energía libre entre los estados desplegado y plegado es de entre Kj/mol 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. Consecuencia: Flexibilidad

17 Dominio de tetramerización 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 Generalmente tienen menos de 200 aa. El 49% tiene entre 50 y 150 aa. Represor Lac Dos dominios casi idénticos Dominio de unión a DNA Dos subunidades Tioesterasa dehidratasa Tioesterasa Las proteínas multidominio evolucionaron por fusión de genes que codifican para proteínas separadas

18 Tryptophan synthase Galactonate dehydratase Los dominios de color amarillo son similares aunque no tienen similitud de secuencia o relación funcional La proteínas son modulares, es decir, estan formadas por dominios que se intercambian (LEGO proteins) La mayoría de las estructuras nuevas pueden dividirse en dominios previamente conocidos.

19 Clasificación de dominios de proteínas Dominios alfa: compuestos solamente por alfa hélices Four-helix bundle Myohemierythrin Globina Mioglobina

20 Clasificación de dominios de proteínas Dominios beta: compuestos solamente por hojas beta Cadena liviana de la inmunoglobulina Proteína de la seda Sandwich beta Neuraminidasa Propulsor beta Bacterioclorrofila A Jelly roll

21 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 Barriles Dos grandes familias Cruce mano izquierda La hoja beta es hidrofóbica y se encuentra aislada del solvente por la alfa hélices TIM Twists Aspartate semi-aldehyde dehydrogenase

22 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

23 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 escorpión Cuatro puentes disulfuro Zinc finger de un factor de transcrición Coordina un zinc mediante dos His y dos Cys

24 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

25 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

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27 Estructura cuaternaria Cuando las subunidades son idénticas se producen interacciones 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

28 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 Se mueve 10A Se puede residuos, loops o dominios Inhibidor

29 De la estructura a la función

30 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

31 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. Los sitios de unión tienen un ambiente químico que es diferente del solvente y favorece la unión del sustrato o ligando. Dos Lys juntas baja la afinidad por el protón Produciendo un ácido fuerte Factor letal de la toxina antrax unida a un peptido de MAPKK2 Sitio activo de madelato racemasa Catálisis ácido-base En general, son situaciones desfavorables desde el punto de vista energético que son compensadas por interacciones favorables en otra parte de la proteína.

32 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

33 Sitios de unión Los sitios de unión pueden estar enterrados dentro de la proteína Los sitios catalíticos estan presentes en interfaces entre dominios o subunidades 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

34 Proteínas estructurales Colágeno. Step5 de levadura 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. Otras proteínas estructurales están diseñadas para permancer toda la vida del organismo. P.e. Seda, elastina, queratina, la cubierta de un virus, etc Las proteínas scaffold (andamio) sirven como soporte donde otras proteínas se ensamblan formando un complejo funcional.

35 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

36 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

37 Catálisis Subsitio de especificidad Piridoxal-P Subsitio de reacción Aspartato aminotransferasa de E. coli

38 Catálisis Sitio activo de la citrato sintasa que estabiliza el estado de transición Quimiotripsina

39 Switching Unión de moléculas regulatorias Inhibición competitiva por producto final de la vía metabólica Fe+2 DtxR Unión cooperativa de ligandos. Puede ser positiva o negativa. Es un efecto a distancia donde la flexibilidad proteíca es importante.

40 Switching GTPasa ATPasa Tienen una estructura similar Pi gama del GTP Relajación después de la hidrólisis Diagrama del mecanismo de switch universal de GTPasas

41 Switching GDP GAP (GTAaseactivating protein) GEF (guaninenucleotide exchange factors) GTP

42 Switching Sistemas de dos componentes bacterianos Dominio regulatorio Azul: no fosforilado Magenta: fosforilado Cambia la superficie

43 Una estructura con diversas funciones Madelato racemase Muconate lactonizing enzyme

44 Diversas estructuras: una función L-aspartate aminotransferase. Presente en todos los organismos D-amino acid aminotransferasa. Presente solo en bacterias

45 Moonlighting: proteínas con más de una función

46 Secuencias camaleón: una secuencia con más de un plegamiento Proteína de unión a ADN MATalpha2 de levadura De gran importancia en enfermedades neurodegenerativas