proteínas: plegamiento y conformación proteínas: plegamiento y
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Proteínas: Plegamiento y conformaciónProteínas: Plegamiento y conformación
➢ Macromoléculas proteicas Principios generales Tipos y clasificación
Estructura general
➢ Aminoácidos: sillares Estructura y tipos
Propiedades ácido-base
Características químicas Aa y péptidos no proteicos
➢ Plegamiento Niveles de organización
Desnaturalización y renaturalización
Dogma central del plegamiento
Enlaces débiles y estabilidad
➢ Estructuras secundarias Rigidez del enlace peptídico Restricciones Cβ: Ramachandran
Estructuras secundarias
Estructuras supersecundarias
➢ Conformación tridimensional Estructura micelar: Interac. Terciarias
Modularidad: motivos y dominios Complejos: interacciones cuaternarias
Plegamiento asistido
Amiloides y priones
Para © Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original
Enrique Castro, 2003
2© 2010 Enrique Castro
Principios generalesPrincipios generales
Polímeros lineales de aa• Lineales, no ramificados ni “anudados”• Autoplegado: secuencia determina forma y función
Surtido de grupos funcionales• Reactividad química variada
Modularidad• Dominios funcionales
Interacciones macromoleculares• Construcción de estructuras • Máquinas moleculares• Unión a ligandos
Flexibilidad• Dinámicas
Enlace peptídicoDireccional
Dogma central proteínastraducción 1D 3D
Enzimas
N C
Calmodulina libreCalmodulina
unida a su diana
Orgánulos, citoesqueleto
Módulos repetidos en proteínas diversas
Enrique Castro, 2003
3© 2010 Enrique Castro
Tipos y ClasificaciónTipos y Clasificación
Nº de cadenas• Monoméricas• Oligoméricas: Subunidades/protómeros/oligómeros
Composición no-aa • Simples: sólo aa• Conjugadas: grupo no proteico
Holoproteína = apo-proteína + grupo prostético
Estructura• Fibrosas• De membrana• Globulares
Enrique Castro, 2003
4© 2010 Enrique Castro
Estructura general de una proteínaEstructura general de una proteína
Superficie● interacciones● polar● Carga y Forma
Bucles● superficiales● móvilesCentro activo
● pocos aa● posicionados por el resto
Corazón● enterrado● hidrofóbico
Enrique Castro, 2003
5© 2010 Enrique Castro
Tamaños de proteínasTamaños de proteínas
Proteínas extracelulares
Insulina5.7 kD
Lisozima
IgG151 kD
Proteínas intracelulares
Mioglobina16.7 kD
Hemoglobina65 kD
Citocromo c Ribonucleasa
Glutamina sintetasa
Enrique Castro, 2003
6© 2010 Enrique Castro
Proteínas: Plegamiento y conformaciónProteínas: Plegamiento y conformación
➢ Macromoléculas proteicas
Principios generales
Tipos y clasificación
Estructura general
➢ Aminoácidos: sillares Estructura y tipos
Propiedades ácido-base
Características químicas
Aa y péptidos no proteicos
➢ Plegamiento
Niveles de organización
Desnaturalización y renaturalización
Dogma central del plegamiento
Enlaces débiles y estabilidad
➢ Conformación tridimensional
Rigidez del enlace peptídico
Restricciones Cβ: Ramachandran
Estructuras secundarias
Estructuras supersecundarias
Interacciones terciarias y cuaternarias
➢ Problemas de plegamiento
Plegamiento asistido
Amiloides y priones
Enrique Castro, 2003
7© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: estructura generalAminoácidos: estructura general
Grupo -amino• Ionizable• Básico• pKa 9,4
Grupo -carboxilo• Ionizable• Ácido. • pKa 2,2
Carbono • Soporta cadena lateral• Quiral
Cadena lateral• variable• propiedades químicas numeración de cadena lateral
• letras griegas: sin COOH• num. romanos: desde COOH
aminoácido Lisina
Clasificables:• Tamaño• Forma• Carga• Formación pdH• Polaridad/Hidrofobicidad• Reactividad química
Múltiples clasificaciones
Enrique Castro, 2003
8© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: quiralidadAminoácidos: quiralidad
Carbono : L-aa (S-aa)• Proteínas siempre L (S)• D-aa sólo en péptidos no proteicos
Configuración absoluta: S
L-Alanina D-Alanina
L-Gliceraldehído D-Gliceraldehído
Enrique Castro, 2003
9© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: R alifáticos apolaresAminoácidos: R alifáticos apolares
•Hidrófobos: núcleo interno• Ramachandran estándard
•No hidrófobo•Muy Flexible (Ramachandran)
• Iminoácido• pKa2 elevado• Muy rígido (Ramachandran)
Orden de hidrofobicidad•Gly• Pro• Ala•Met• Val• Leu• Ile
hidrófobo
polar
Enrique Castro, 2003
10© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: R aromáticosAminoácidos: R aromáticos
•Hidrófobos: núcleo interno• Ramachandran estándard
• Anillo hidrófobo / grupos polares• Absorbancia UV• Tyr: pdH / ionizable carga ⊖• Trp : pdH
Nelson & Cox, 4ª Ed, p. 80
Trp: max 280 nm
Tyr: max 275 nm
Phe: max
260 nm
Reconocimiento de proteínasR. xantoproteica (cualitativa)R. de Folin (cuantitativa)
Zona de absorciónde proteínas
Zona de absorciónde Á. nucleicos
+ His
Enrique Castro, 2003
11© 2010 Enrique Castro
• N-glicosilación
Aminoácidos: R polar sin cargaAminoácidos: R polar sin carga•Hidrófilos: superficie•Ramachandran estándard•Dadores-aceptores pdH•Reactividad química • SH ionizable carga ⊖
• puentes disulfuro• SH reactivo• Cisteín-enzimas
•OH fosforilable•OH reactivo• Serín-enzimas
Enrique Castro, 2003
12© 2010 Enrique Castro
Cys y puentes disulfuroCys y puentes disulfuro
2 Cys-SH Cistina
oxidación
reducción
• Cys polar• SH ionizable carga ⊖• SH reactivo
•Hidrófobo•No reactivo
grupos tiollibres
puente disulfuro(covalente, estable)
Enrique Castro, 2003
13© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: R polares cargadosAminoácidos: R polares cargados
•Hidrófilos: superficie• Ramachandran estándard• Carga eléctrica
• Básicos• Carga ⊕
•Ácidos•Carga ⊖
His: (aromático)• pKa ≈ neutro • Carga variable• Catálisis ácido-base
Enrique Castro, 2003
14© 2010 Enrique Castro
Clasificaciones de aminoácidosClasificaciones de aminoácidos
Taylor (1986) J.Theor. Biol. 119:205-218.
AA esenciales• Leu His• Ile Arg• Lys• Met• Phe• Thr• Trp• Val
(en jóvenes)
AA no esenciales• Ala• Asp• Asn• Cys• Glu• Gln• Gly• Pro• Ser• Tyr
Enrique Castro, 2003
15© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos: propiedades químicasAminoácidos: propiedades químicas
Nelson & Cox, 4ª Ed, p.78
Enrique Castro, 2003
16© 2010 Enrique Castro
Hidrofobicidad de aminoácidosHidrofobicidad de aminoácidos
Devlin 7e Fig. 3.22
Criterio• ΔG transferencia agua:orgánico • aa individual (no resto)• Escala Gly = 0 (referencia)
• Distinto a hidropatía• No aplicable al comportamiento en proteínas
Enrique Castro, 2003
17© 2010 Enrique Castro
Propiedades ácido basePropiedades ácido base
Zwitteriones• anfóteros• carga dependiente del pH: pI
No ionizado<0,1%
Zwitterion>99,9%
pH
% f
orm
a
100%
forma zwitteriónicacompletamentedesprotonado
completamenteprotonado
Enrique Castro, 2003
18© 2010 Enrique Castro
Titulación de un aa R no ionizable. pITitulación de un aa R no ionizable. pIcarga -1carga 0carga +1
pI
pI =12⋅pKa1pKa2
2 zonas tampón• 2 pKa
punto isoeléctrico• pH al cual carga=0
pH < pI carga ⊕
pH > pI carga ⊖
Enrique Castro, 2003
19© 2010 Enrique Castro
Titulación de un aa ácidoTitulación de un aa ácido
pI =12⋅pKa1pKa−1
3 zonas tampón• 3 pKa
punto isoeléctrico• pH al cual carga=0• pI ácido
pH < pI carga ⊕
pH > pI carga ⊖
carga +1 carga 0 carga -1 carga -2
pI
Enrique Castro, 2003
20© 2010 Enrique Castro
Titulación de un aa básicoTitulación de un aa básico
pI =12⋅pKa1pKa−1
3 zonas tampón• 3 pKa
punto isoeléctrico• pH al cual carga=0• pI básico
pH < pI carga ⊕
pH > pI carga ⊖
carga +2 carga 0 carga -1
pI
carga +1
Enrique Castro, 2003
21© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos proteicos modificadosAminoácidos proteicos modificados
Modificación pre-traduccional• Seleno-Cys
Modificación post-traduccional• HO-Pro• HO-Lys• P-Ser, P-Ther• P-Tyr• γ-carboxi-Glu
Hidroxi-Pro
Fosfo-Ser
γ-carboxi-Glu Asn-N-glicosilado
Desmosina
Enrique Castro, 2003
22© 2010 Enrique Castro
Aminoácidos noproteicosAminoácidos noproteicos
Estructura• D-aminoácidos• β-aminoácidos
Función• Metabolismo• Péptidos
β-Alanina
D-Alanina
-aminobutírico, GABA(neurotransmisor)
Ornitina
Citrulina
Ciclo de la urea
Enrique Castro, 2003
23© 2010 Enrique Castro
Enlace Peptídico: péptidosEnlace Peptídico: péptidos
condensación
H2O
Enlace peptídicocovalenteestableasimétrico: direccional
N CPolímero direccional
esqueleto hidrocarbonado
cadenaslaterales
Restos o residuos
Restos o residuos
Mr(aa) ≈ 128 Da (%frecuencia)-1 H2O
Mr (restos) ≈ 110 Da
Enrique Castro, 2003
24© 2010 Enrique Castro
Péptidos y proteínasPéptidos y proteínas
Péptidos• n < 50• Mr < 6 kD (Insulina)
Proteínas• mínimo: ≈40 aa (autoplegado, unión ligando)• máximo: errores de traducción• promedio: 200-350 aa
POMC: pro-opiomelanocortina
MSH ACTH (39) -LPH
CLIP MSH
MSH LPH Endorfina
Ribosomales: por proteolisis• TRF (3)• Oxitocina (9)• Vasopresina (ADH) (9)• Bradiquinina (9)• Glucagón (29)• ACTH (39)No ribosomales: enzimático
●D-aa●ciclados●fuertemente modificados • Glutation (Glu-Cys-Gly)
antioxidante• Antibióticos:
VancomicinaCiclosporinaActinomicinaGramicidina
• Toxinas: -amanitinaGlutation: Glu-Cys-Gly
oxitocita
Enrique Castro, 2003
25© 2010 Enrique Castro
Proteínas: Plegamiento y conformaciónProteínas: Plegamiento y conformación
➢ Macromoléculas proteicas
Principios generales
Tipos y clasificación
Estructura general
➢ Aminoácidos: sillares
Estructura y tipos
Propiedades ácido-base
Características químicas
Aa y péptidos no proteicos
➢ Plegamiento Niveles de organización Desnaturalización y renaturalización
Dogma central del plegamiento
Enlaces débiles y estabilidad
➢ Conformación tridimensional
Rigidez del enlace peptídico
Restricciones Cβ: Ramachandran
Estructuras secundarias
Estructuras supersecundarias
Interacciones terciarias y cuaternarias
➢ Problemas de plegamiento
Plegamiento asistido
Amiloides y priones
Enrique Castro, 2003
26© 2010 Enrique Castro
Proteínas: Niveles de organizaciónProteínas: Niveles de organización
EstructuraPrimaria
EstructuraSecundaria
EstructuraTerciaria
EstructuraCuaternaria
La secuencia lineal de aa de la cadena polipeptídica, incluyendo las modificaciones post traduccionales‑
La estructura local del esqueleto peptídico, sin considerar la conformación de las cadenas laterales
La estructura tridimensional de una cadena polipeptídica, enfatizando las interacciones NO locales (en secuencia) y entre cadenas laterales que determinan el plegamiento 3D
La disposición espacial e interacciones entre cadenas individuales de una proteína oligomérica
Enrique Castro, 2003
27© 2010 Enrique Castro
Estructura primariaEstructura primaria
Secuencia es Informativa• Secuencia determina plegamiento: Estructura 3D
• Secuencias repetidas: modularidad
• Secuencia como señal• secuencias de localización• secuencias de ubiquitinación• secuencias de reconocimiento• secuencias de glicosilación
Co-linearidad gen-proteína• Misma direccionalidad
Calmodulina: estructura a partir de 4 repeticiones internas degeneradas
Sec. “Señal”Exportación RE
Sec. Ubiquitinaciónvida media
Sec. glicosilaciónSec. localización
NLS
Sec. fosforilación
Sec. reconocimiento
Enrique Castro, 2003
28© 2010 Enrique Castro
Proteínas : estabilidad y desnaturalizaciónProteínas : estabilidad y desnaturalización
Desnaturalizantes• Calor (todos, pdh)• Extremos de pH (ionización, salinos, pdh)• solventes orgánicos• detergentes• caotrópicos (urea, guanidinio·Cl) (pdh)
efecto hidrofóbico
Tm
Transición rápida:Cooperatividad
Desnaturalización• Pérdida de estructura 3D nativa = desplegamiento• Sin rotura de Enlaces covalentes (no 1ª)• Cooperativa• Irreversible (salvo condiciones controladas)
Proteína desnaturalizada:Cadenas desplegadas y entrelazadas
Proteína nativa:Red de enlaces débiles mantieneestructura tridimensional plegada
Enrique Castro, 2003
29© 2010 Enrique Castro
Plegamiento de proteínas: interaccionesPlegamiento de proteínas: interacciones
Efecto hidrófóbico
van der Waals (miles)
puentes de hidrógeno
puentes salinos
puentes disulfuro -
+Interacciones débiles determinan plegamiento
Estabilidad termodinámica• Entropía E. hidrófobo• Interacciones intracadena• Interacciones con agua
Efecto hidrófobo: Agua repele apolares
Solvatación de cargas y dipolos
Energía de interacción:• Intracatenaria• con solvente
Int. intracadena:pdH, van der Waals
Balance energético● ≈ 42 kJ/100 aa● 0,42 kJ/resto (<kT)
• Estabilidad marginal: fácil desnaturalización • Fusión local: movilidad y flexibilidad
Enrique Castro, 2003
30© 2010 Enrique Castro
Plegamiento de proteínas: Dogma CentralPlegamiento de proteínas: Dogma Central
El Dogma Central del plegamiento• Secuencia determina unívocamente el plegamiento• Estructura determina función
Evidencias● Secuencias similares adoptan estructuras análogas● Renaturalización espontánea (Anfinsen)
Estados metaestables: varias conformacionesChaperonas: enzimas de plegamiento
ribonucleasa nativa ribonucleasadesnaturalizada
desplegada
ribonucleasa desnaturalizadare-plegada, scrambled
ribonucleasa nativa
Urea 8M-mercaptoetanol
Renaturalización espontánea:Nativo es máximo de estabilidad
mal plegadaforma metaestable
Trazas -ME(catálisis S-S)
1º diálisis2º oxidación
1º oxidación2º diálisis
desnaturalización
Enrique Castro, 2003
31© 2010 Enrique Castro
Plegamiento de proteínas: mecanismoPlegamiento de proteínas: mecanismo
Cinética del plegado• Cooperativo• Secuencial, por etapas• Modelos complementarios
• nucleación-condensación• colapso hidrofóbico (glóbulo fundido)
• Efecto hidrofóbico domina el proceso• Est. secundaria por interacciones locales• Estabilizadores internos:
• puentes de H• puentes salinos• puentes disulfuro
Estructura Nativa
Ener
gía
libre
,
G
Entropía, TS
% r
esto
s bi
en p
lega
dos
Glóbulo fundido
plegamiento secuencial porretención de intermediarios correctos
Determinantes del plegamiento• Rigidez del esqueleto peptídico• Interacción de los aa con agua (E. Hidrofóbico)• Impedimentos estéricos• Interacciones entre cadenas laterales de aa
• electrostáticas• pdH• van der Waals
Dill et al. Nature Structural Biol. 4:10-19 (1997)
Fersh & Daggett Cell 108:573-82 (2002)
Enrique Castro, 2003
32© 2010 Enrique Castro
El embudo energético de plegamientoEl embudo energético de plegamiento
Proteins fold into their correct minimal-energy configuration because of the physicochemical properties of their amino acid sequence. Proteins fold rapidly because amino acids interact locally, thus limiting the conformational space that the protein has to explore and forcing the protein to follow a funnel-like energy landscape that allows it to fold quickly.
Dobson, C. M. Protein folding and misfolding. Nature 426, 884–890 (2003) doi:10.1038/nature02261
Protein Misfolding and Degenerative DiseasesBy: Enrique Reynaud, Ph.D. (Instituto de Biotecnologia, Universidad Nacional Autonoma de Mexico) © 2010 Nature Education Citation: Reynaud, E. (2010) Protein Misfolding and Degenerative Diseases. Nature Education 3(9):28
Enrique Castro, 2003
33© 2010 Enrique Castro
Proteínas: Plegamiento y conformaciónProteínas: Plegamiento y conformación
➢ Macromoléculas proteicas
Principios generales
Tipos y clasificación
Estructura general
➢ Aminoácidos: sillares
Estructura y tipos
Propiedades ácido-base
Características químicas
Aa y péptidos no proteicos
➢ Plegamiento
Niveles de organización
Desnaturalización y renaturalización
Dogma central del plegamiento
Enlaces débiles y estabilidad
➢ Conformación tridimensional Rigidez del enlace peptídico
Restricciones Cβ: Ramachandran
Estructuras secundarias
Estructuras supersecundarias
Interacciones terciarias y cuaternarias
➢ Problemas de plegamiento
Plegamiento asistido
Amiloides y priones
Enrique Castro, 2003
34© 2010 Enrique Castro
Enlace peptídico: restricciones estéricasEnlace peptídico: restricciones estéricas
Estructura plana• 6 átomos en el mismo plano• N, CO: hibridación sp2 (triangular)• Doble enlace parcial: rígido (ángulo ) • Dipolo permanente• trans (=180º) > cis (=0º)
CA
CA
H
O
C N121º
114º
125º
114º
123º
123º
1.24Å
1.51Å
1.08Å
1.46Å1.32Å
Distancias y ángulos de enlace en el plano peptídico
formas resonantes
• doble enlace deslocalizado• dipolo permanente
+
estabilización por resonanciaGres= -88 kJ·mol-1
Enrique Castro, 2003
35© 2010 Enrique Castro
=180º
E. peptídico: formas cistrans y ángulo E. peptídico: formas cistrans y ángulo
=0º
impedimento estéricocon cadena lateral aa-1
imino: no existe en aa normal
forma transsin impedimentoestable
forma cisimpedimento estérico C menos estable
peptidil-Pro
peptidil-Proambas formas poco estables:interconvertible cis-trans
Enrique Castro, 2003
36© 2010 Enrique Castro
Impedimentos estéricos Cβ: ángulos y Impedimentos estéricos Cβ: ángulos y
C
HR
C
H R
C
H R
N CO
Muchas combinaciones causan colisiones entre átomos: repulsión estérica
radio de vdW radio de vdW
=0º, =0º =0º, =180º =180º, =0º
colisiónO-O
colisiónNH-HN
colisiónO-HN
=-60º, =180º
sin colisióngiro 120º aleja CO de R
Esqueleto limita conformación• Restos emparedados entre planos• Rotación C-N: ángulo • Rotación C-CO: ángulo • Rotámeros por esqueleto
ángulo fijo, rígido. ángulos , muy variables interacciones intra-esqueleto limitan , Interacciones con R (C) limitan aún más
Rotámeros con ciertos valores de , son más estables que otros
Enrique Castro, 2003
37© 2010 Enrique Castro
Ángulos y : Diagrama de RamachandranÁngulos y : Diagrama de Ramachandran
ángulo
ángu
lo
energía conformacional esqueleto-C
G = (,)
G > 0 Impedimentos estéricos CZona prohibida
Conformación permitidaG < 0
La presencia de R limita la flexibilidad conformacional
Gly no tiene CR: Sin impedimento.En cualquier lugar de Ramachandran
Sin repulsiones CR-esqueleto
Choque estéricoCR-esqueleto: Energía de repulsión
Enrique Castro, 2003
38© 2010 Enrique Castro
Estructuras secundariasEstructuras secundarias
Características Est. Secundaria • Interacciones locales, corta distancia• Interacciones intra-esqueleto (no laterales)• Repetitivo, regular• Puentes de Hidrógeno
Elementos secundarios• Hélices• -Hélice • Colágeno• , 310, 610
• Láminas• Hojas
(paralelas, antiparalelas, mixtas)• Giros• Giros (tipo I, tipo II)• Giros
lecture-03-sep09.pdf p.23
Estructuras secundarias se hallan en las regiones más estables de Ramachandran: Autoplegado espontáneo
levo
dextro
Estructuras reales levemente distorsionadas: más estables
ángulo
ángu
lo
Enrique Castro, 2003
39© 2010 Enrique Castro
Estructuras secundarias: Hélice Estructuras secundarias: Hélice
Garret & Grisham (1999)
Estructura en -Hélice • ángulos :-59º; ángulo :-47º (dextro)• direccional: dipolos orientados• Enlace pdH axial, n n+4
Estabilidad estructural• Ángulos , en pozo de potencial
• Dipolos de pdH alienados• Radio de la hélice permite interacciones de
van der Waals tranversales• Cadenas laterales hacia fuera y escalonadas:
reduce impedimentos estéricos
Parámetros de la hélice● dextrógira● paso de rosca: 0,54 nm● aa por vuelta: 3,6● giro por aa: 100º● avance por aa : 0,15 nm
Estructura muy estable: plegado espontáneo
0,54 nm3,6 aa
0,15 nm
i i+4
i i+4
pdH alineados
N-terminal
C-terminal
Enrique Castro, 2003
40© 2010 Enrique Castro
Hélice : cadenas lateralesHélice : cadenas laterales
Compacta.Interacciones trans-axiales
Cadenas laterales hacia afuera
Cadenas laterales escalonadas
Hélice dextrógira
3,6 planos por vuelta
Enrique Castro, 2003
41© 2010 Enrique Castro
Hélice : secuencia y estabilidadHélice : secuencia y estabilidad
Restricciones a la estabilidad• Int. electrostática entre aa i, i+1
• Impedimento estérico R aa i, i+1ramificación en C: Val, Ile, Thr
• Competición de R por pdHpolares sin carga: Ser, Asn
• Interacciones R aa i, i+3(4)
• Presencia Pro, Gly
• Estabilización dipolo terminal
⊖
⊕
aa R ⊕ estabilizantesR ⊖ desestabilizantes
aa R ⊕ desestabilizantesR ⊖ estabilizantes
Cadenas laterales adyacentes: poco espacio para ramificación
Enrique Castro, 2003
42© 2010 Enrique Castro
Otras estructuras secundarias en héliceOtras estructuras secundarias en hélice
Hélice 310Hélice (4,416)
Patrón de conexión de puentes de Hidrógeno
n+4 n+5n+2cinta
Hélice de colágeno● =-54º =+155º● levógira● aa por vuelta: 3,3● avance por aa : 0,29 nm
Sin phH
Enrique Castro, 2003
43© 2010 Enrique Castro
Estructuras secundarias: hojas Estructuras secundarias: hojas
Estructura en Hoja • ángulos : -120º -140º; ángulo :+113º - +135º • esqueleto extendido• Múltiples hebras • Enlace pdH intercatenario, transversal
Parámetros de la hélice● aa por vuelta: 2● giro por aa: 180º● avance por aa : 0,35 nm
Estabilidad estructural• Ángulos , en pozo de potencial amplio:
distorsiones, entropía• Cadenas laterales opuestas: mínimo
impedimento estérico
Hebra Conformación
0,35 nm
cadenas laterales opuestas
Enrique Castro, 2003
44© 2010 Enrique Castro
Tipos de láminas Tipos de láminas
N
N
C
C
C
C
N
N
Parámetros ● =-139º =+135º● avance por aa : 0,35 nm
Parámetros ● =-119º =+113º● avance por aa : 0,32 nm
0,65 nm
0,70 nm
Puentes H intercatenarios
Antiparalelas
Paralelas
Mixtas en cualquier disposición
Enrique Castro, 2003
45© 2010 Enrique Castro
Alabeo de láminas Alabeo de láminas
Vista de frente
-25º
Vista lateral
Torsión de la hebra● CO gira alejándose del R● Torsión levógira
Barril betaen la proteína ligadora de ácidos grasos
Zona amplia. Láminas admiten muchas distorsionesPleiotrópicas
Hexoquinasa, dominio I
Enrique Castro, 2003
46© 2010 Enrique Castro
Estructura secundaria: Giros Estructura secundaria: Giros
Giros • 4 aa; C < 7Å• pdH, i i+3• 8 tipos según conformación
Tipos II, II':i+2 sólo Gly
Giros • 3 aa; • pdH, i i+2• i+1: Pro
i i+3
Tipo I
Tipo II
● acodamientos de cadena● enlazan hebras ● bucles superficiales
i+1, sólo Pro
i i+2
Enrique Castro, 2003
47© 2010 Enrique Castro
Probabilidad de estructura secundariaProbabilidad de estructura secundaria
pro-hélice● pequeños (A)● alifáticos sin carga (L, F)
anti-hélice; pro-lámina● polares (S)● ramificados (V, I, T)
Gly: flexible, lugares prohibidosgiros
Pro: rígidocis: giros
Enrique Castro, 2003
48© 2010 Enrique Castro
Estructura modular de proteínasEstructura modular de proteínas
Est. Supersecundarias / Motivos • combinaciones de elementos secundarios• autoplegado• pequeños, • no estables por si mismos
Dominios• Autoplegado independiente• Estables por si mismos
Estructura modular de la Calmodulina
Mano EFMotivo: 3. m. En arte, rasgo característico que se repite en una obra o en un conjunto de ellas.
Bucle - -
Esquina -
4 esquinas - , Manos EF
Enrique Castro, 2003
49© 2010 Enrique Castro
Estructura terciaria: conformación tridimensionalEstructura terciaria: conformación tridimensional
Definición:La estructura tridimensional de una cadena polipeptídica, enfatizando las interacciones NO locales (en secuencia) y entre cadenas laterales que determinan el plegamiento 3D
Plegamiento• organización de estructuras secundarias• colapso hidrofóbico• optimización de interacciones entre cadenas
laterales• resulta una estructura 3D• estabilidad marginal; 0,4 kJ/mol/aa
Muchos elementos secundariosMúltiples motivosUno o más dominios
Estructuras 3D surgen de interacciones de larga distancia (no locales)● Int. Electrostáticas● puentes de H● Int. van der Waals
Estructura terciaria mejor conservada que la secuencia● mutaciones conservativas
Hemoglobina humana(cadena ), sangre
Mioglobina humanamúsculo
leghemoglobina altramuz
100% 17%Homología de secuencia
16%
Estructura micelar de proteínas solubles● Plegamiento dominado por AGUA
(efecto hidrofóbico)● Núcleo hidrofóbico● aa distribuidos asimétricamente● Unas interacciones en núcleo,
otras en superficie
Enrique Castro, 2003
50© 2010 Enrique Castro
Estructura micelar de proteínasEstructura micelar de proteínas
Mioglobina muscular de cachalote
Vista de superficie(van der Waals)
Vista Est. secundaria(transparente, aa internos)
Vista en corte(van der Waals)
aa apolares enterrados
Empaquetamiento compacto● fracción de volumen 0,72-0,75● van der Waals
aa polares en superficie
pocos aa apolares expuestos al solvente
Resultado del Efecto hidrófóbico
Enrique Castro, 2003
51© 2010 Enrique Castro
Interacciones terciariasInteracciones terciariasInt. Iónicas (puentes salinos)● grupos cargados● omnidireccionales● dependiente del pH
(pKa cambia en interior)● En superficie
Puentes de H● esqueleto/cadenas laterales● baja energía (estabilidad)● direccionales● En superficie, en el interior
y con agua
Int. Hidrofóbicas● cadenas laterales apolares● omnidireccionales● ver der Waals● no depende del pH● En el interior
Puentes disulfuro● Cys● limita flexibilidad● Catalizado enzimáticamente
(redox)● Proteínas extracelulares
Fragmento de lámina de la Lisozima
interacciones secundarias:locales, esqueleto
interacciones terciarias● cadenas laterales● no locales
Enrique Castro, 2003
52© 2010 Enrique Castro
Plegamiento: DominiosPlegamiento: Dominios
Dominio"Within a single subunit [polypeptide chain], contiguous portions of the polypeptide chain frequently fold into compact, local, semiindependent units called domains." (Richardson, 1981)
Inmunoglobulina G (IgG)● 4 cadenas (2H+2L)● repeticiones internas
no idénticas: dominios● Unión por p. disulfuro
Dominio tipo Ig:Unidad independiente de plegado
Variable:unión a antígeno
Constante:estructural
puentes disulfuro
Estructura conservadaSecuencia degenerada
Enrique Castro, 2003
53© 2010 Enrique Castro
Dominios: funciones modularizadasDominios: funciones modularizadas
Unión proteína-proteína• Dominios SH2: unión fosfo-Tyr• Dominios PTB: unión fosfo-Tyr• Dominios SH3: unión poli-Pro• Dominios Death (DD): unión homotrópica
Unión a membrana• Dominios PH: unión a PIP (membrana)• Dominios C2: unión a PS (membrana)
Unión a DNA• Dom. en dedos de Zn• Dom. cremalleras de Leucina• Homeodominios
Catalíticos (u. al sustrato)• Dom. quinasa (S/T, Y)• Dom. GTPasa
Función de proteína =Suma de funciones de sus dominios
Enrique Castro, 2003
54© 2010 Enrique Castro
Dominios proteicos: ejemplosDominios proteicos: ejemplos
Dominio SH2:Unión a fosfo-Tyr
Constante:estructural
péptido pY
Dominio PH:Unión a PIP
PIP
D. Cremallera de LeuUnión a DNA
Leu:dimerizaciónUnión a
diana DNA
D. Dedo de ZincUnión a DNA
Zn une la estructura
hélice de reconocimiento de DNA
Enrique Castro, 2003
55© 2010 Enrique Castro
Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria
Ensamblaje de subunidades• vía enlaces no covalentes (raramente -S-S-)• Homo/heterotrópico• proteínas solubles / estructuras macromoleculares
Definición:La disposición espacial e interacciones entre cadenas individuales de una proteína oligomérica
Inmunoglobulina G (IgG)● 4 cadenas (2H+2L)● Unión por p. disulfuro
(HH y LH)
puentes disulfuro
interacciones no covalentes
Interacciones cuaternarias● Kd típicas: 10-8-10-16 M● Gasoc ≈50-100 kJ/mol● Entropía por ordenamiento de cadenas
(desfavorable)● Entropía por ocultamiento de apolares
(muy favorable, y vdW)
Ventajas de la estructura oligomérica● Estabilidad: reducción ratio S/V
(ocultamiento de hidrofóbicos)● Economía y eficiencia genéticas
(síntesis rentable, reusabilidad)● Reunión de sitios catalíticos: eficacia● Cooperatividad: respuestas todo o nada● Alosterismo: regulación
Enrique Castro, 2003
56© 2010 Enrique Castro
Proteínas: Plegamiento y conformaciónProteínas: Plegamiento y conformación
➢ Macromoléculas proteicas
Principios generales
Tipos y clasificación
Estructura general
➢ Aminoácidos: sillares
Estructura y tipos
Propiedades ácido-base
Características químicas
Aa y péptidos no proteicos
➢ Plegamiento
Niveles de organización
Desnaturalización y renaturalización
Dogma central del plegamiento
Enlaces débiles y estabilidad
➢ Conformación tridimensional
Rigidez del enlace peptídico
Restricciones Cβ: Ramachandran
Estructuras secundarias
Estructuras supersecundarias
Interacciones terciarias y cuaternarias
➢ Problemas de plegamiento Plegamiento asistido
Amiloides y priones
Enrique Castro, 2003
57© 2010 Enrique Castro
Plegamiento asistido: chaperonasPlegamiento asistido: chaperonas
Familia Hsp70/Hsp90: chaperonas• Bajo Mr• Unión a zonas hidrofóbicas• Previene agregación/plegamiento prematuro
Familia Hsp60: chaperoninas• Complejo macromolecular: cavidad de plegado• Plegamiento asistido (catálisis)• ATPasas: plegado ATP-dependiente
Enzimas coadyuvantes (RE)• Proteína disulfuro isomerasa (PDI)• Peptido-Prolil cis-tras isomerasa (PPI)
Chaperona Hsp70/Hsp90
Chaperonina Hsp60(exclusivo citosol)
• HSP70 ubicuo (citosol/RE)• HSP 90 (citosólico)
Enrique Castro, 2003
58© 2010 Enrique Castro
Plegamiento catalizado por GroEL/GroESPlegamiento catalizado por GroEL/GroES
Catálisis del plegamiento● plegado en recinto cerrado● restringir la libertad
conformacional
Gasto de ATPinversión de G para aumentar S
Enrique Castro, 2003
59© 2010 Enrique Castro
Estructura y función de GroELGroESEstructura y función de GroELGroES
Enrique Castro, 2003
60© 2010 Enrique Castro
Problemas de plegamiento: amiloidesProblemas de plegamiento: amiloides
Conformación alternativa
Agregación espontánea
Formación de fibras
Enrique Castro, 2003
61© 2010 Enrique Castro
Problemas de plegamiento: prionesProblemas de plegamiento: priones
Sección de cortex cerebralEncefalopatía espongiformeCreutzfeldt-Jakob
Estados metaestables• Conversión• polimerización
PrP PrPsc
conformaciones alternativasinterconvertibes
• asociación• polimerización• fibrilogénesis
irreversible
dañocelular
Conversión inducida de PrP endógena
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