FUNCIONES. Gran parte de la información genética de las células se expresa en forma de proteínas, las cuales desempeñan muy diversas funciones:

Transcripción

1 Bioquímica

2 CONCEPTO Son polímeros formados por monómeros llamados aminoácidos. Hay 20 aminoácidos en la naturaleza, que se combinan para formar miles de proteínas (muchos grupos funcionales: alcoholes, tioles, carboxiamidas, etc.) Son las macromoléculas más versátiles de los seres vivos. Cada proteína tiene: Una estructura funcional lógica y propia Ciertas características comunes a las demás proteínas

3 FUNCIONES Gran parte de la información genética de las células se expresa en forma de proteínas, las cuales desempeñan muy diversas funciones: Enzimática Hormonal Reconocimiento de señales Transporte Estructural Defensa Movimiento Reserva Transducción de señales Reguladora

4 CLASIFICACIÓN Diversa: Elevado número y diversidad de propiedades Se basa en cuatro criterios: Químico (composición) Simples Conjugadas (holoproteína = apoproteína + grupo prostético) - Glico-, lipo-, nucleoproteínas - Metalo-, hemo-, flavo-proteínas Estructural (forma) Globulares Fibrosas Físico (solubilidad) Función

5 CLASIFICACIÓN EN BASE A LA SOLUBILIDAD ALBÚMINAS: solubles en agua o en disoluciones salinas diluídas. GLOBULINAS: requieren concentraciones salinas más elevadas para permanecer en disolución. PROLAMINAS: solubles en alcohol. GLUTELINAS: solubles en ácidos o bases diluidos. ESCLEROPROTEÍNAS: son insolubles en la gran mayoría de los disolventes.

6 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas poseen 4 niveles de organización estructural: PRIMARIA: Secuencia de aminoácidos. Enlaces covalentes (enlaces peptídicos y localización de puentes disulfuro). SECUNDARIA: Plegado local (no incluye cadenas laterales). TERCIARIA: Plegado global. CUATERNARIA: Asociación de cadena. También 2 niveles estructurales adicionales: DOMINIO PROTEICO ESTRUCTURA SUPERSECUNDARIA

7 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

8 CONFORMACIÓN PROTEICA DISPOSICIÓN ESPACIAL DE LOS ÁTOMOS DE UNA PROTEÍNA La cadena de aminoácidos se encuentra parcialmente enrollada en regiones de estructura regular. A este plegado regular local se denomina ESTRUCTURA SECUNDARIA. Estas regiones se pliegan a su vez formando una estructura compacta específica. Este nivel superior de plegado es la ESTRUCTURA TERCIARIA.

9 ESTRUCTURAS SECUNDARIAS REGULARES Diferentes tipos de hélices (Hélice α) Fi (Ф) C-N = - 57º Psi (ψ) C-C = - 47º Dos tipos de lámina plegada (Lámina β) Fi (Ф) C-N = º Psi (ψ) C-C = º Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

10 DISPOSICIÓN EN HÉLICE-α El esqueleto polipeptídico se encuentra enrollado alrededor del eje longitudinal de la molécula Los grupos R de los aminoácidos sobresalen hacia el exterior Es dextrógira Tiene 3,6 residuos/vuelta Tiene 1,5 Amstrong (0,15 nm) entre vuelta y vuelta Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

11 ESTABILIZACIÓN DE LA HÉLICE-α Enlaces de hidrógeno paralelos al eje: entre el O del carbonilo (C=O) y el H de la amida (NH) del 4º residuo hacia adelante de la hélice (n y n + 4) 3,6 13 Interacciones entre cadenas laterales Estabilizan: Q + próximas (3 residuos) a Q - Aminoácidos aromáticos próximos (3-4) Aminoácidos pequeños ó sin carga (Ala, Leu) Desestabilizan: Grupos R voluminosos Secuencias con densidad de carga del mismo signo Prolina (es rara)

12 PUENTES DE HIDRÓGENO PARA UNA HÉLICE - α Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A PATRONES DE ENLACES DE HIDRÓGENO PARA 4 HÉLICES Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

13 PROTEÍNA PRINCIPALMENTE EN HÉLICE - α Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

14 DISPOSICIÓN EN LÁMINA PLEGADA β U HOJA β El esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra extendido y dispuesto en zig-zag. FUERZAS QUE LA ESTABILIZAN: Puentes de hidrógeno intercatenarios entre cadenas distintas o regiones alejadas de una misma cadena que se pliega. Se establecen de forma perpendicular al eje de la cadena. Las cadenas implicadas forman una hoja o plano plegado como un acordeón Los grupos R de los aminoácidos sobresalen de la estructura en direcciones opuestas, alternando arriba y abajo Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

15 AMINOÁCIDOS QUE FAVORECEN LAS ESTRUCTURAS β Secuencias con restos poco voluminosos (Gly, Ala). TIPOS DE LÁMINA β PARALELAS: las cadenas están en el mismo sentido. ANTIPARALELAS: las cadenas están en sentido inverso.

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17 CLASES DE PROTEÍNAS EN FUNCIÓN DE SU ESTRUCTURA FIBROSAS: Forman largos filamentos u hojas. Poseen un solo tipo de estructura secundaria (laminar ó helicoidal). GLOBULARES: Se pliegan en forma esférica o globular. Poseen varios tipos de estructura secundaria. Suelen presentar otro tipo de estructura secundaria (codos o giros β).

18 CODOS O GIROS β Se encuentran en lugares en que la cadena polipeptídica cambia bruscamente de dirección. Suelen conectar segmentos de hoja plegada β antiparalela, permitiendo la formación de hojas mediante inversión repetida de la cadena polipeptídica. Forma un giro cerrado (180º). Participan 4 aminoácidos (el 1º y el 4º unidos por enlaces de hidrógeno). Suelen contener Gly y Pro. Suelen encontrarse en la superficie de las proteínas.

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20 ESTRUCTURA TERCIARIA Se debe a la formación de enlaces débiles entre grupos de las cadenas laterales de los aminoácidos.

21 PROTEÍNAS FIBROSAS Tienen forma filamentosa o alargada. Su función es estructural: Mantienen unidos diferentes elementos celulares o de tejidos animales. Son las principales proteínas de la piel, tejido conjuntivo y de las fibras animales (pelo, seda). Confieren fuerza y/o elasticidad. Son insolubles en agua (predominan aa hidrofobos).

22 PROTEÍNAS FIBROSAS CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES ESTRUCTURA PRIMARIA: Se caracteriza por la repetición, más o menos ordenada, de algunos aminoácidos (principalmente Ala y Gly) ESTRUCTURA SECUNDARIA: es la base fundamental de la estructura de las proteínas fibrosas. Aparecen: Hélices α. Ejemplo, α queratina. Hojas β. Ejemplo: β queratina y fibroína de la seda. La triple hélice del colágeno

23 EJEMPLOS DE PROTEÍNAS FIBROSAS α-queratina (pelo y uñas) (20% aa hidrófobos) Hélice α (300 aa) 1 de 4 hidrófobos. Enlaces cruzados -S-S Dureza y flexibilidad Variable.

24 SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN PELO

25 FIBROÍNA Constituye las fibras tejidas por gusanos de seda y arañas. Ha evolucionado hasta una fibra resistente pero flexible SECUENCIA PRIMARIA: Un residuo si y otro no es Gly. El otro es Ala o Ser. ESTRUCTURA SECUNDARIA: predomina la lámina β antiparalela y conduce al empaquetamiento de las láminas unas sobre otras. Los enlaces (débiles) entre láminas son interacciones (fuerzas) de Van der Waals entre cadenas laterales (fibras flexibles).

26 COLÁGENO Principal constituyente del tejido conjuntivo. Principal proteína estructural del reino animal (presente en tendones, cartílagos, matriz orgánica de los huesos y córnea del ojo). Forma aprox. un 30% de la proteína total del cuerpo. Poco valor alimenticio. ESTRUCTURA: Hélice simple y única Es levógira Tiene 3,3 residuos/vuelta (muy extendida): Gly 33% Ala 11% Pro e Hyp (hidroxiprolina) 21% Hidroxi-Lys en menor proporción (lugar de unión a polisacáridos). Fragmentos comunes: Gly-X-Pro, Gly-X-Hyp y Gly-Pro-Hyp.

27 ESTRUCTURA DE LAS FIBRAS DE COLÁGENO Tropocolágeno. ESTABILIZADA POR: Puentes de H intercatenares. Repulsiones entre Pro e OH- Pro. Enlaces cruzados (Lys- OHLys)(Lys-Lys) Dan dureza.

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29 ESTRUCTURA TERCIARIA (PROTEÍNAS GLOBULARES) Las proteínas globulares realizan la mayoría del trabajo químico de la célula (síntesis, transporte, metabólico, etc.) Gracias a la técnica de difracción de rayos X se conocen muchos detalles estructurales de estas proteínas: Poseen regiones con estructuras secundarias (hélice α, lámina β) (mioglobina 70% de hélice α). Estas regiones se pliegan unas sobre otras dando una estructura terciaria densamente empaquetada de aspecto globular. Pueden quedar huecos internos en donde se sitúan grupos prostéticos (Ej. Grupo hemo en la mioglobina).

30 DOMINIO PROTEICO Porción de una proteína con estructura terciaria definida ( aa). En general asociados a una función particular. Dominio Motivos: zonas con la misma función en distintas proteínas.

31 CARACTERÍSTICAS DE LAS PROTEÍNAS GLOBULARES 1. Las proteínas pequeñas suelen tener un único dominio, mientras que las grandes poseen múltiples dominios, conectados entre si por trozos de cadena polipeptídica. 2. Dominios distintos suelen realizar funciones diferentes. 3. Entre las variedades de dominio, los principales patrones de plegado son de dos tipos: Los que se producen alrededor de la hélice α Construidos sobre un entramado de láminas β 4. La cadena polipeptídica puede doblarse de diferentes maneras para ir de un segmento a otro. 5. Todas las proteínas poseen un exterior e interior definido. 6. Existen regiones de ovillo aleatorio y regiones irregulares.

32 ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS

33 ESTRUCTURAS CARACTERÍSTICAS DE LAS PROTEÍNAS GLOBULARES

34 PLEGAMIENTO O ENSAMBLAMIENTO DE PROTEÍNAS Una proteína recién sintetizada posee solamente su estructura primaria. Para que sea plenamente funcional ha de plegarse correctamente en una forma tridimensional única. Autoensamblamiento : La proteína se pliega sin ninguna otra ayuda. Ensamblamiento: Es dirigido donde la proteína se pliega gracias a la acción de otras proteínas

35 FACTORES QUE DETERMINAN EL PLEGADO DE LAS PROTEÍNAS GLOBULARES La secuencia de aminoácidos de una proteína determina su estructura tridimensional nativa o natural. El plegado de una proteína está favorecido energéticamente en condiciones fisiológicas ( G<0). Una proteína tiende a plegarse de modo cooperativo, mediante interacciones (enlaces o fuerzas débiles) que se forman o rompen de manera concertada. In vivo, el plegado ocurre a veces con ayuda de otras proteínas denominadas chaperoninas: Ayudan a plegarse Impiden que se plieguen o asocien prematuramente

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37 ESTRUCTURA CUATERNARIA Unión de varias cadenas polipeptídicas (subunidades ó monómeros). Especialmente enlaces débiles. La proteína completa se llama oligomérica ó polimérica. Posibilita la existencia de fenómenos de cooperatividad y alosterismo.

38 DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Consiste en la pérdida de todas las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria) quedando la proteína reducida a un polímero estadístico (numérica). Consecuencias inmediatas son: Disminución drástica de la solubilidad de la proteína, acompañada frecuentemente de precipitación (punto isoeléctrico). Pérdida de todas sus funciones biológicas. Alteración de sus propiedades hidrodinámicas (aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión).

39 DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS GLOBULARES Determinados cambios ambientales producen la desnaturalización ó desplegado de la proteína, con pérdida de sus propiedades específicas. FACTORES QUE INFLUYEN: Calentamiento por encima de su temperatura de desnaturalización térmica. ph fuertemente ácido ó básico. Presencia de alcohol ó urea. RENATURALIZACIÓN: Restaurando las condiciones fisiológicas se revierte el proceso.

40 DESNATURALIZACIÓN TÉRMICA DE LA RIBONUCLEASA Molécula nativa Molécula desnaturalizada Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

41 DINÁMICA DE LAS PROTEÍNAS GLOBULARES Las proteínas globulares son estructuras dinámicas, sufren movimientos que se han agrupado en tres clases: 1. Vibraciones y oscilaciones de átomos ó grupos. 2. Movimientos concertados de elementos estructurales (hélices, por ej.). 3. Movimientos de dominios completos, apertura y cierre de hendiduras. Los dos últimos son bastante más lentos y están implicados en las funciones catalíticas de las enzimas.

42 FUNCIÓN Y EVOLUCIÓN DE LAS PROTEÍNAS (MIOGLOBINA Y GRUPO HEMO) MIOGLOBINA: proteína que almacena oxígeno en el músculo rojo en prácticamente todas las especies. ESTRUCTURA: Posee una cadena polipeptídica única. Contiene 8 segmentos con estructura secundaria de hélice α (nombrados de la A a la H), separados por segmentos no helicoidales. Se pliega dando una molécula prácticamente esférica muy compacta con un hueco en el interior donde se sitúa el grupo prostético hemo, lugar de unión al oxígeno El hemo se une de forma no covalente en la hendidura hidrofóbica o bolsillo hemo.

43 MIOGLOBINA (153 aa) La información que contiene la secuencia de Aminoácidos dicta el modo en que la proteína se pliega en su estructura tridimensional, la cual a su vez determina la función de la proteína Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

44 MECANISMO DE UNIÓN DEL OXÍGENO El oxígeno se une al grupo hemo: un anillo tetrapirrólico denominado protoporfirina IX, que pertenece a la familia de porfirinas, con un ión ferroso (Fe 2+ ) en el centro. (Citocromos, clorofila). Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

45 El Fe 2+ del grupo hemo tiene una coordinación octaédrica, establece 6 enlaces de coordinación: 4 con los N del anillo tetrapirrólico (situados en el plano del anillo) 1 con el N de la His 93 (F8) llamada His F8 ó His proximal El 6º enlace: Desoximioglobina: una molécula de agua Oximioglobina: una molécula de oxígeno, junto a la His distal (número 64, E7) En el entorno hidrófobo del interior de la mioglobina, el hierro no es fácilmente oxidado por el oxígeno. Fuera del ambiente celular, el hierro se oxida lentamente, formando la metamioglobina, incapaz de unir oxígeno une en su lugar una molécula de agua. El CO se une al Fe 2+ con mayor afinidad que el O 2

46 COORDINACIÓN DEL HIERRO EN LA OXIMIOGLOBINA Coordinación octaédrica del átomo de hierro Bolsillo del hemo Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

47 ANÁLISIS DE LA UNIÓN DEL OXÍGENO POR LA MIOGLOBINA La curva de unión de oxígeno a la mioglobina es hiperbólica e indica que tiene una elevada afinidad por el oxígeno ya que P50 es muy baja (unos 4 mm de Hg). En los capilares (PO 2 30 mm Hg): La Mb estaría saturada. En los tejidos (PO 2 baja): La Mb capta O 2 de la Hb de la sangre arterial circulante y luego lo cede a los orgánulos celulares que consumen oxígeno (mitocondrias). Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

48 LA HEMOGLOBINA Se encuentra en células especializadas, los eritrocitos. Une oxígeno en los pulmones y lo transporta, vía sangre arterial, a los tejidos donde lo libera. Además, une CO 2 procedente del metabolismo en los tejidos, y lo transporta, vía sangre venosa, a los pulmones para ser eliminado. Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

49 ESTRUCTURA DE LA HEMOGLOBINA (Hb) Tetrámero (α,β) 2 cuyas subunidades son similares a la Mb. Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

50 TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA HEMOGLOBINA La Hb capta oxígeno cuando es abundante (pulmones P O2 100 mm Hg) y lo cede cuando disminuye (capilares P O2 30 mm Hg). La curva de unión del oxígeno a la Hb es SIGMOIDEA: Este comportamiento se debe a fenómenos de COOPERATIVIDAD en la unión de oxígeno. Cada molécula de Hb tiene 4 lugares de unión de O 2. La unión del primer O 2 produce un cambio conformacional en la molécula, lo que facilita la unión de los siguientes y viceversa. Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

51 FENÓMENOS DE COOPERATIVIDAD En el tetrámero de Hb (αβ) 2, las cadenas α/β establecen interacciones fuertes. Al pasar del estado desoxigenado al oxigenado se produce un cambio estructural que afecta, sobre todo, a la interacción entre subunidades (estructura cuaternaria). Un par α/β rota y se desliza respecto al otro. En menor medida cambia la estructura terciaria de cada subunidad.

52 CAMBIOS ESTRUCTURALES QUE ACOMPAÑAN A LA UNIÓN DEL OXÍGENO El paso de la forma desoxigenada a la oxigenada explica la unión cooperativa del oxígeno: 1. Se rompen una serie de puentes salinos y enlaces de hidrógeno que afectan a los C-terminales. 2. Se crean otros enlaces dando lugar a la conformación más laxa llamada forma relajada (R). Por tanto, la entrada del primer O 2 es más difícil porque han de romperse enlaces iónicos entre subunidades. El resto de las moléculas de O 2 encuentran los enlaces rotos y la situación espacial es más favorable. Cuando sale el O 2 la Hb vuelve a su conformación desoxi o forma tensa (T) restableciéndose los puentes salinos).

53 CÓMO SE COMUNICA LA ENERGÍA DE LA UNIÓN DE O 2 AL CAMBIO CONFORMACIONAL? Existe un reordenamiento de la estructura terciaria y también de la cuaternaria Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

54 EFECTOS ALOSTÉRICOS DE OTROS LIGANDOS SOBRE LA Hb La Hb es una proteína alostérica (=otro sitio), es decir, su afinidad por el O 2 se altera por determinados efectores que no actúan directamente sobre el grupo hemo sino que interaccionan en otro lugar de la proteína. EFECTORES ALOSTÉRICOS: CO 2 H + 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) Todos ellos disminuyen la afinidad de la Hb por el O 2 (desplazan las curvas de saturación hacia la derecha).

55 TRANSPORTE DE CO 2 La liberación de CO 2 por los tejidos que respiran, reduce la afinidad de la Hb por el O 2 de dos formas: El CO 2 se fija en parte a la Hb formando grupos carbamato (Nterminal) cuyo grupo carboxilo forma puentes salinos entre cadenas a y b, característicos del estado desoxihb -NH-COO - El CO 2 origina bicarbonato y H +, reduciendo el ph, mediante la reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (localizada en los eritrocitos).

56 LA Hb RESPONDE A LOS CAMBIOS DE ph MEDIANTE EL EFECTO BOHR Además de la liberación de CO 2 por los tejidos que respiran, la falta de O 2 (músculo en ejercicio) puede dar lugar a la formación anaerobia de ácido láctico que también reduce el ph. El aumento de H + ( ph) es una señal de la demanda de O 2 y reduce la afinidad de la Hb por el CO 2 Hb 4O 2 + nh + Hb nh + + 4O 2 En los capilares: hacia la derecha (liberación de O 2 ) En los pulmones: hacia la izquierda (liberación de H + y, como consecuencia, de CO 2 ) Este mecanismo puede explicarse porque los sitios de unión de H + presentan más afinidad en la forma desoxihb que en la oxihb

57 LOS EFECTOS DEL CO 2 Y H + SE PUEDEN RESUMIR MEDIANTE EL CICLO RESPIRATORIO En los pulmones: O 2 oxihb liberación de CO 2 En los tejidos: CO 2 H + desoxihb liberación de O 2 unión de CO 2 Hiperventilación: pérdida de CO 2 y menor estimulación de la liberación de O 2 en los tejidos.

58 BISFOSFOGLICERATO (BPG) El CO 2 y la [H + ] actúan de forma rápida para facilitar el intercambio de O 2 y CO 2 El BPG es un efector que actúa a más largo plazo, permitiendo la adaptación a cambios graduales de la disponibilidad de O 2. El BPG reduce la afinidad de la Hb por el O 2 : Se une a la Hb en una cavidad existente entre las cadenas b, donde establece interacciones con los grupos (+) que rodean esta cavidad. En la forma oxihb la cavidad es pequeña y no puede unirse el BPG. En la forma desoxihb se une estabilizando esta conformación.

59 Unión del 2,3-BPG a la desoxihemoglobina Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

60 CONSECUENCIAS FISIOLÓGICAS A gran altitud la PO 2 es menor y provoca una cierta angustia nos aclimatamos porque se produce un aumento de la síntesis de Hb y de [BPG] (favorece la liberación de O 2 ). La Hb en la sangre de fumadores es mayor. El CO se une a la Hb en el mismo lugar que el O 2 formando carboxihb e impidiendo el transporte de O 2. Durante el periodo fetal, el feto obtiene el O 2 de la sangre de la madre. La Hb fetal tiene cadenas γ en lugar de β y presentan menor afinidad por el BPG, lo que hace que la Hb fetal tenga mayor afinidad por el O 2 que la adulta.