UT1. BIOMOLÉCULAS PRESENTES EN LOS SERES VIVOS. RELACIÓN ESTRUCTURA/FUNCIÓN

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1 UT1. BIOMOLÉCULAS PRESENTES EN LOS SERES VIVOS. RELACIÓN ESTRUCTURA/FUNCIÓN Tema 1: Introducción a la Bioquímica. Composición del cuerpo humano. Tema 2: Proteínas, Glúcidos, Lípidos y Ácidos Nucleicos. Estructura y función. Tema 3: Enzimas. Cinética y regulación

2 Proteínas Contenidos Proteínas: concepto, funciones y clasificación Niveles de organización estructural Características estructurales y función de las principales proteínas fibrosas y globulares

3 Proteínas: concepto, función y clasificación 1. Concepto, generalidades Polímeros formados por monómeros (aminoácidos) Macromoléculas más versátiles de los seres vivos Poseen una estructura funcional lógica y propia Presentan ciertas características comunes al resto de proteínas. Continuar

4 Estructura de los α-aminoácidos Grupo carboxilo Grupo amino Carbono central (α) Átomo de hidrógeno Cadena lateral (R)

5 Ionización de los α-aminoácidos

6 Cadenas laterales de los aminoácidos ALIFÁTICOS (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro) AROMÁTICOS (Phe, Tyr, Trp) GRUPOS OH, S (Ser, Thr, Cys, Met) DIBÁSICOS (Lys, Arg, His) DICARBOXÍLICOS Y SUS AMIDAS (Asp, Glu, Asn, Gln)

7 Clasificación de L-α-aminoácidos Volver

8 Proteínas: concepto, función y clasificación 2. Diversidad de funciones biológicas Catalítica (enzimas) Reguladora (hormonas) Transporte (albúmina, hemoglobina, etc.) Estructural (colágeno, queratina, etc.) Defensa (immunoglobulinas, fibrinógeno, etc.) Reserva (ferritina, mioglobina, etc.) Transducción de señales

9 Proteínas: concepto, función y clasificación 3. Clasificación Diversa: Elevado número y diversidad de propiedades Basada en cuatro criterios: Físico (solubilidad) Químico (composición): Simples y Conjugadas (holoproteína = apoproteína + grupo prostético) Glico-, lipo-, fosfo-, metalo-, hemo-, flavo- Estructural (forma): Globulares y Fibrosas Presencia de subunidades: Monoméricas y Oligoméricas

10 Niveles de organización estructural en las proteínas

11 Estructura primaria Estructura primaria: secuencia de aminoácidos en la cadena peptídica definida genéticamente. Representa el nivel fundamental de estructura en el que se basan los niveles más avanzados. No se presentan ramificaciones Posibilidad de establecer: enlaces amídicos con otra cadenas puentes disulfuro uniones con restos no proteicos

12 Estructuras secundarias regulares Enrollamiento parcial de la cadena de aminoácidos en regiones de estructura Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 regular. Diferentes tipos de hélices (Hélice α) Dos tipos de lámina plegada (Lámina β)

13 Estructuras secundarias: disposición en hélice α El esqueleto polipeptídico se encuentra enrollado alrededor del eje longitudinal de la molécula. 3,6 residuos/vuelta 1,5 Å (0,15 nm) por vuelta Los grupos R de los aminoácidos sobresalen hacia el exterior Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

14 Estructuras secundarias: disposición en hélice α Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A Patrón de enlaces de hidrógeno Enlaces hidrógeno: i e i+4 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) 3,613

15 Estructuras secundarias: estabilización en hélice α 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 BioRoM 2007 Prolina (es rara)

16 Estructuras secundarias: disposición en hélice α Ferritina Mioglobina Bacteriorodopsina Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

17 Estructuras secundarias: disposición en hoja β Esqueleto de la cadena polipeptídica extendido Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 y dispuesto en zig-zag. 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. Láminas β paralelas (cadenas orientadas en la misma dirección) y antiparalelas (orientadas en direcciones opuestas)

18 Estructuras secundarias: estabilización de la hoja β 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. Aminoácidos que favorecen la estructura: restos poco voluminosos (Gly, Ala). BioRoM 2007

19 Modelos: página de actividades en Aula Virtual, Biomodel-1 y otros en BioROM Estructuras secundarias: Tipos de hoja β PARALELAS: las cadenas están en el mismo sentido ANTIPARALELAS: las cadenas están en sentido inverso

20 Estructuras secundarias irregulares, no repetitivas: codos o giros β Son elementos de conexión entre hélices α y/o láminas β. Determinan un cambio de dirección de las cadenas polipeptídicas. Suelen contener Gly y Pro. Suelen encontrarse en la superficie de las proteínas Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

21 Estructuras secundarias: codos o giros β Involucra a 4 aa sucesivos: puente de hidrógeno entre un residuo (n) y el situado tres aminoácidos despues (n+3).

22 Estructuras secundarias

23 Estructura terciaria Disposición espacial de la cadena peptídica mediante la formación de enlaces entre los grupos de cadenas laterales de los aa.

24 Otros niveles estructurales: dominios Las cadenas polipeptídicas grandes (> 200) se pueden plegar en dos agrupaciones globulares Separadas por trozos peptídicos no organizados Dominios con función específica (p.e. unión de moléculas pequeñas, NAD+) Provienen de la codificación de exones distintos

25 Clasificación según criterio estructural: Proteínas Fibrosas Moléculas alargadas Motivos estructurales dominantes: estructura secundaria Insolubles en agua Queratina y colágeno Materiales estructurales: Piel, tendones, huesos Protección, conexión o sostén Movimiento: Músculo Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

26 Proteínas fibrosas: características Estructura primaria. aminoácidos (Ala y Gly) Repetición ordenada de algunos Predominio de residuos hidrofóbicos

27 Proteínas fibrosas: características estructurales Estructura secundaria. Base fundamental estructura de las proteínas fibrosas. de la Hélices-α (α-queratina) Hoja β (β-queratina) Triple hélice del colágeno Estructura terciaria. Es muy simple, no influyen las cadenas laterales. Estructura cuaternaria. Importante, alcanzan un gran tamaño molecular. Común las uniones covalentes entre monómeros.

28 Proteínas fibrosas: a-queratina Mamíferos: capa córnea epidermis, pelo, huesos, uñas. Proteína durable no reactiva. Hélice α (300 aa) 20% de aa hidrófobos 1 aa de 4 hidrófobo Alto contenido en Cys Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

29 Proteínas fibrosas: a-queratina Cables enrollados elásticos y flexibles La α-queratina se endurece en distintos tejidos introduciendo enlaces disulfuro (uñas >> pelo). Corte transversal de un pelo

30 Proteínas fibrosas: colágeno Proteína más abundante vertebrados Primer componente resistente a tensión de tejidos conectivos Hueso, diente, cartílago, tendón, ligamento, matrices fibrosas de piel y vasos sanguíneos Proteína extracelular organizada en fibras == gran fuerza tensil 1 molécula colágeno = 3 hebras Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

31 Proteínas fibrosas: colágeno Estructura Hélice simple y única Es levógira Tiene 3,3 res./v. (hélice muy extendida) La unidad es el tropocolágeno Las tres hélices levógiras se enrollan formando una superhélice dextrogira: colágeno Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

32 Proteínas fibrosas: colágeno Composición Hyp, 15-30% Hyl, en menor proporción Tripletes repetidos: Gly-X-Y X = Pro Y = Hyp (Hyl) Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

33 Proteínas fibrosas: colágeno

34 Proteínas fibrosas: colágeno Estabilización Puentes de H intercatenarios Repulsiones entre Pro e Hyp Enlaces cruzados (DUREZA): Lys-Hyl Lys Lys Grado de entrecruzamiento del colágeno aumenta con la edad Menos elástico y más quebradizo Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

35 Proteínas fibrosas: colágeno Microfotografía electrónica de las fibrillas del colágeno Empaquetamiento de las moléculas Molécula del colágeno

36 Proteínas fibrosas: elastina Constituyente de ligamentos y vasos sanguíneos arteriales. Fibras muy elásticas. Cadena polipeptídica rica en : Gly, Ala, Val. Enlaces cruzados (Lys) Mantienen juntas varias cadenas (gran extensión) Enlace cruzado de desmosina: 4 cadenas laterales de lisina Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

37 Clasificación según criterio estructural: Proteínas Globulares Se pliegan en forma esférica o globular. Presentan: - varios tipos de estructura secundaria (hélice α, lámina β) - otro tipo de estructuras, codos o giros β - huecos internos donde se sitúan grupos prostéticos Solubles en agua. Participan en procesos de síntesis, transporte y metabolismo

38 Reglas de plegamiento en las proteínas globulares 1. La cadena polipeptídica puede doblarse de diferentes maneras para ir de un segmento a otro (giros). 2. Existen regiones estructuradas irregularmente

39 Reglas de plegamiento en las proteínas globulares 3. Todas las proteínas poseen un exterior e interior definido Citocromo c de corazón de caballo Residuos hidrófobos Residuos no polares (Val, Leu, Ile, Met y Phe) Interior proteína Residuos hidrófilos Residuos polares cargados (Arg, His, Lys, Asp, Glu) En contacto con el solvente acuoso Residuos polares no cargados (Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp) En la superficie proteica.

40 Ruta de plegamiento de proteínas La secuencia de aa de una proteína determina su estructura tridimensional nativa o natural. Una proteína debe plegarse correctamente en una forma única. Está favorecido energéticamente en condiciones fisiológicas ( G<0) Obedece a un modo cooperativo, mediante interacciones que se forman o rompen de manera concertada.

41 Tipos de plegamiento 1. Autoensamblamiento: proteína se pliega sin ninguna otra ayuda. 2. Ensamblamiento dirigido: proteína se pliega gracias a la acción de otras proteínas (chaperoninas) Proteínas que facilitan el plegamiento adecuado de las proteínas e impiden que se plieguen o se asocien de forma prematura HSP (proteínas de choque térmico) Chaperoninas: sistema GroEL/ES (E. coli)

42 Desnaturalización Desnaturalización Ribonucleasa nativa Renaturalización Ribonucleasa reducida desnaturalizada Bioquímica Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003

43 Estructura cuaternaria (subunidades ó monómeros) Especialmente enlaces débiles La proteína completa se llama oligomérica ó polimérica Posibilita los fenómenos de cooperatividad y alosterismo Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Disposición espacial de varias cadenas polipeptídicas

44 Proteínas globulares que unen oxígeno MIOGLOBINA HEMOGLOBINA Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley

45 Función de Hb y Mb Hemoglobina Transporte de O2 desde los pulmones hasta sus capilares para usarlo en la respiración. La solubilidad del O2 en plasma es muy baja (~10-4M) Mioglobina Mamíferos acuáticos: almacenaje de O2 Mamíferos terrestres: transporte de O2 en músculo. destoxificación de moléculas reactivas (NO) Bioquímica Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

46 Oxigenación y Desoxigenación de Hb y Mb Hb o Mb = Proteína Globinas Clorofilas Citocromos Oxigenación OxiHb OxiMb + Grupo prostético Grupo hemo Protoporfirina IX + Fe(II) Hb o Mb Desoxigenación DesoxiHb DesoxiMb