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Estructura de las Proteínas

Tema 2

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Esquema del Tema

• Aminoácidos– Aminoácidos estándar– Aminoácidos no

estandard– Aminoácidos proteicos

modificados

• Propiedades ácido-basede los aminoácidos– pKa de aminoácidos– Punto isoeléctrico

• Polimerización deaminoácidos: El enlacepeptídico– Propiedades del enlace

peptídico– Péptidos– Proteínas

• Estructura de proteínas– Estructura primaria,

secundaria, terciaria ycuaternaria.

– Proteínas fibrosas yproteínas globulares

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Aminoácidos

• Un α-aminoácido es unácido carboxílico conun grupo amino y ungrupo R en el carbonoα

• R --> cadena lateral• Dos estereoisómeros

posibles– Enantiómeros L y D– Sólo la forma L se

encuentra en proteínas

L-Alanina D-Alanina

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AminoácidosEstándar

• Se representanormalmente elestado deprotonación a pH 7,0

• Los aminoácidos seclasifican según laspropiedades de suscadenas laterales (apH 7,0)

–¡Atención a loscasos de His, Tyr yCys!

Aminoácidos neutros no polares

Aminoácidos neutros polares

Aminoácidos ácidos Aminoácidos básicos

Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina

Fenilalanina Triptófano Metionina Cisteina Prolina

Serina Treonina Tirosina Asparagina Glutamina

Aspartato Glutamato Lisina Arginina Histidina

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Aminoácidos Alifáticos No Polares

GlicinaGly, G

AlaninaAla, A

ValinaVal, V

LeucinaLeu, L Metionina

Met, M

IsoleucinaIle, I

ProlinaPro, P

Cadena lateralciclada. Implicarestriccionesconformacionales(Iminoácido)

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Aminoácidos Aromáticos

FenilalaninaPhe, F

TirosinaTyr, Y

TriptófanoTrp, W

No polar(Hidrofóbico) Polar

No polar(Hidrofóbico)

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Aminoácidos Neutros Polares

SerinaSer, S

TreoninaThr, T

CisteinaCys, C

AsparaginaAsn, N

GlutaminaGln, Q

•Puedeencontrarsecargado apH>8,5•Grupo -SH esmuy reactivo.Dos moléculasde Cys se oxidanformado cistinamediante unpuente disulfuro(-S-S-).

Puedeencontrarsecargado apH>9

TirosinaTyr, Y

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Aminoácidos Básicos con Carga Positiva

ArgininaArg, R

HistidinaHis, H

LisinaLys, K

H+

Se encuentracargado apH<7

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Aminoácidos Ácidos con Carga Negativa

AspartatoAsp, D

GlutamatoGlu, E

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Aminoácidos no Estándar

• Aminoácidos distintos de los 20 estándar yderivados de éstos realizan funcionesbiológicas importantes como mensajeros oprecursores– Neurotransmisores

• γ-aminobutírico (GABA), derivado de la Gln

• serotonina, derivado del Trp

– Hormonas• tiroxina, derivado de la tirosina• ácido indol acético, derivado del triptófano

– Precursores e intermediarios metabólicos• citrulina• ornitina

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Aminoácidos Proteicos Modificados

• Cadenas laterales de aminoácidos se modificandespués de la síntesis proteica

• Proporcionan propiedades funcionales específicas

γ-carboxiglutamato 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina o-fosfoserina

Importante para launión de calcio enproteasas de lacascada decoagulación

Posibilitan laformación de la

estructura reticulardel colágeno

La fosforilación enresiduos con gruposhidroxilo (Ser, Tyr, Thr)regula la actividad demuchas proteínas

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Propiedades Ácido-Base de los Aminoácidos

Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1

Forma aniónicaForma zwitteriónica(neutra)

Forma catiónica

K2; pK2K1; pK1

• Los aminoácidos son anfóteros– se comportan a la vez como ácidos y como bases

• A pH 7 Los aminoácidos sin cadena lateral cargada sonzwitteriones

– presentan simultáneamente una carga positiva y una negativa

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α-carboxilopK1=2-3

Asp y GlupKR≈4> pK1

Lys y ArgpKR> pK2

α-aminopK2=9-11

HispKR< pK2

Cys, pKR< pK2 Tyr, pKR> pK2

carga - en estadodesprotonado

Valores de pKa de Aminoácidos

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Punto Isoeléctrico (pI)

• pI es el valor de pH parael cual la carga neta delaminoácido es 0– Valor medio de los pKa que

flanquean la estructuraisoeléctrica

• Para aminoácidos neutroses el valor medio de lospK1 y pK2

• Para aminoácidos ácidos obásicos depende de cadacaso

– Cuando pH= pI disminuyela solubilidad en agua

pK1=2.2

pKR=4.3

pK2=9.9

Equivalentes de OH-

Ácidoglutámico

pI= (2.2+4.3)/2 = 3.22

Carga +1

Carga -1

Carga -2

Carga 0

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Polimerización de Aminoácidos: El enlace Peptídico

• Los aminoácidospolimerizan formandopolipéptidos medianteenlaces peptídicos– El enlace peptídico es un

enlace amida formadopor unión del grupo α-carboxilo y el grupo α-amino de dosaminoácidos

– Los aminoácidos unidosse llaman residuos deaminoácido

– Los residuos se nombrancon la terminación “il”comenzando por elextremo N-terminal

Formación de un Dipéptido

Enlace peptídico

N-terminal C-terminal

Dos aminoácidos

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Propiedades del Enlace Peptídico

• El enlace peptídico esrígido y planar– Tiene carácter parcial de

doble enlace (~40%)• Equilibrio de estructuras

resonantes• No tiene libertad de giro

– Es más corto que otrosenlace C—N

– Se presentanormalmente enconformación trans

• Los grupos C=O y N-Hpeptídicos son polares– Participan en la

formación de enlaces dehidrógeno

C—N—Cα

O

H

Cα—

C—N—Cα

O

H

Cα—

Estructuras de resonanciadel enlace peptídico

Equilibrio cis-trans. Sólo enlos enlaces X–Pro aparece laconformación cis en unaproporción significativa

C—N—Cα

O H

Cα—

C=N—Cα

O- Cα—

+H

trans cis

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Péptidos

• Son polímeros de unos pocos aminoácidos• Ejemplos de algunos péptidos importantes

– Glutatión (γ-glutamil-L-cisteinilglicina)• Agente reductor. Protege a las células de productos

oxidantes derivados del metabolismo del O2

– Vasopresina (Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2)• Hormona antidiurética. Interviene en la regulación del

equilibrio hídrico

– Oxitocina (Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2)• Hormona sexual. Estimula la secreción de la leche y la

contracción muscular uterina durante el parto

– Péptidos opiáceos (leu- y met-encefalinas)• Pentapéptidos que intervienen en el alivio del dolor

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Proteínas

• Largas cadenas de aminoácidos quese pliegan con una estructura definida

• Son responsables de la mayoría delas funciones bioquímicas:–Catálisis – Transporte–Estructura – Almacenamiento–Movimiento – Detoxificación–Defensa–Regulación

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Tipos de Proteínas

• Según su forma– Fibrilares– Globulares

• Según su composición– Simples– Conjugadas

• Constan de una cadena polipeptídica y un grupo prostético– apoproteína --> sólo la cadena polipeptídica– holoproteína --> polipéptido + grupo prostético

• Según sea el grupo prostético:– glucoproteínas– lipoproteínas– metaloproteínas– hemoproteínas– fosfoproteínas

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Estructura de las Proteínas

• Surge del plegamiento de lacadena polipeptídica

• Depende de su secuencia yde las características deldisolvente

• Se distinguen cuatroniveles estructurales:– Estructura primaria

• Secuencia de aminoácidos– Estructura secundaria

• Plegamiento local– Estructura terciaria

• Plegamiento global– Estructura cuaternaria

• Organización multimérica devarias cadenas

Conformación de la cadenapolipeptídica

Planoamida-

peptídico

Cadenalateral

Carbono α

Carbono αφ

ψ

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Estructura Primaria• Se define por la secuencia de

aminoácidos– Específica de cada proteína

• Las proteínas homólogas tienensecuencias y funciones semejantes

• La comparación de secuenciaspermite establecer relacionesevolutivas

– Mutaciones -->variaciones en lasecuencia

• Los aminoácidos invariables sonimportantes para la función

• Las mutaciones conservadoras soncambios entre aminoácidosquímicamente semejantes

• Algunas mutaciones se relacionan conenfermedades --> enfermedadesmoleculares (patología molecular)

Estructura primariade la ribonucleasa

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Estructura Secundaria

Fragmento de cadenapolipeptídica en conformaciónextendida: φ =180o, ψ =180o

Planoamida

Plano amida

Cadenalateral

Carbono α

• Patrones repetitivos deconformación local de lacadena polipeptídica– Dependen de los valores de los

rotámeros φ y Ψ• Hay un número limitado de

conformaciones posibles debidoa impedimentos estéricos entrelos grupos -NH, -CO y -R

• La conformación más favorabledepende de la secuencia deaminoácidos

– Las conformaciones posibles seestabilizan por un númeroelevado de enlaces dehidrógeno

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Conformaciones Prohibidas

Choquede losgrupos

-CO

Choquede losgrupos

-NH

Grupos -CO lejosentre ellos y lejos dela cadena lateral R

Choque-NH con

-CO

Conformación Posible

φ =0o, ψ =180o φ =180o, ψ =0o

φ =-60o, ψ =180o

φ =0o, ψ =0o

El choque estérico (solapamiento de los radios de van der Waals) algirar los rotámeros φ y ψ impide gran número de conformaciones. Lasconformaciones posibles se representan en el diagrama deRamachandran

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Diagrama de Ramachandran

• Distribución deángulos φ y ψ en unpolipéptido depolialanina– En blanco, valores

prohibidos– En azul, valores

posibles.• Tipos principales de

estructura secundaria– hélice α– láminas β

ψ (g

rados)

φ (grados)

Hélice α(a derechas)

Cadenas β

Hélice α(a izquierdas)

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Hélice α (3,613)

• Conformación helicoidal “αderechas”

– φ =-60o, ψ=-40o - -50o

– 3,6 residuos por vuelta• avance de 5,4 Å por vuelta

– 13 átomos por bucle (hélice3,613)

– Casi todos los grupospeptídicos participan enenlaces de H

• Entre residuos i e (i+4)• Excepto en los extremos

– Las cadenas laterales sedirigen hacia fuera

• Mínima repulsión• Posibles interacciones entre

ellas

•3,6 residuos•5,4 Å•(1,5 Å por residuo)

Residuo “i”

Residuo “i+4”

Cadenaslateraleshacia afuera

Vista desde arriba

12

34

13 átomos por cada buclecerrado por un enlace de H

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Estabilidad de la Hélice α

• Contribución principal: enlaces de hidrógeno entregrupos -CO y -NH peptídicos (cada residuo i con i+4)

–No es posible en los tres primeros residuos de los extremos•Se estabilizan por enlaces de H con grupos de cadenas laterales

• Interacciones entre cadenas laterales–Residuo i con i+3 e i+4 (por encima) y con i-3 e i-4 (por

debajo)•Electrostáticas

–Atractivas (estabilizadoras, entre residuos de distinta carga)–Repulsivas --> desestabilizadoras (entre residuos con la misma carga)

•Hidrofóbicas

• Algunos residuos desestabilizan la hélice α–Glicina (no tiene R --> otorga demasiada flexibilidad)–Prolina (restringe el giro de φ; no tiene -NH para formar enlace

de H)–Residuos voluminosos (Trp) y ramificados en el carbono β (Val,

Thr)

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Hoja β

Hoja βParalela

Hoja βAntiparalela

Enlaces de H mejororientados (más fuertes)

Peor orientación deenlaces de H (más

débiles)

• Alineamiento de segmentospolipeptídicos en confor-mación extendida (cadenas β)

– -CO y -NH peptídicos formanenlaces de H entre cadenasadyacentes

– Apariencia de lámina plegada– Cadenas laterales dispuestas

perpendicularmente a amboslados de la hoja

– Frecuentes aminoácidos concadena lateral voluminosa

• Según la dirección de lascadenas β

– Paralela– Antiparalela

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Esquemas de Hojas β

Paralela

Antiparalela

Cadenaslaterales

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Giros β

• Cambian la dirección dela cadena 180o

– Conectan entre sí cadenasβ antiparalelas

• Son giros cortos ycerrados– Implican cuatro residuos

• Con frecuencia Gly y Pro

– Enlace de H entre i e i+3

• Varios tipos– Tipo I– Tipo II (Gly en 3a

posición)

Tipo I Tipo II

Glicina

12

34

34

12

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Meandro β Unidad αα Barril β Llave griegaUnidades βαβ

Estructuras Supersecundarias

• Son combinaciones de elementos de estructurasecundaria que forman patrones definidos

• Son la base para la clasificación estructural de lasproteínas

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Motivos Estructurales

Son secuencias de aminoácidos que presentancaracterísticas y funciones definidas

Mano EFConfiguraciónhélice-vuelta-hélice que se uneespecíficamente aiones Ca2+

Dedo de ZnHabitual enproteínas queunen DNA

Cremallerade leucinas

Hélice F

Hélice ECa2+

Activacióntranscripción(longitud y secuencia variable)

Unión DNA66-68 residuosconservados

Unión hormona(longitud y secuencia variable)

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Estructura Terciaria• Estructura tridimensional

global que asume una proteínaal plegarse

– Residuos lejanos en la secuenciaquedan cerca en el espacio

– Estructura compacta que excluyelas moléculas de agua de suinterior

• La ausencia de agua facilita lasinteracciones iónicas y los enlacesde hidrógeno

• En el interior se agrupan residuoshidrofóbicos (efecto hidrofóbico).Los polares se exponen al exterior

– Las proteínas grandes suelenpresentar dominios estructurales

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Mantenimiento de la Estructura Terciaria

Puentesalino

Interaccioneshidrofóbicas

Puentesdisulfuro

Enlaces dehidrógeno

InteraccionescovalentesPresentes sóloen algunoscasos

Interacciones débiles (nocovalentes)•Iónicas (puentes salinos)•Hidrofóbicas•Enlaces de hidrógeno•Fuerzas de van der Waals

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Proteínas Hidrosolubles y Proteínas de Membrana

Entornoacuoso

Polar

HidrofóbicoHidrofóbico

ArgArgAspAspLysLysGluGluAsnAsnGlnGlnHisHisTyrTyrProProSerSerGlyGlyThrThrAlaAlaTrpTrpCysCysValValLeuLeuIleIleMetMetPhePhe

Escala dehidrofobicidadde Engelman

Entornolipídico

membrana

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Plegamiento de las Proteínas

• El plegamientodepende de lascondiciones del medio– Factores físicos

• Temperatura• Presión

– Factores químicos• pH• Disolventes orgánicos• Agentes caotrópicos

(urea, cloruro deguanidinio)

• Suele ser reversible ycooperativo

Temperatura (ºC)

Fracción desnaturalizada

RenaturalizaciónD

esna

tura

lizac

ión

N

DDdesnaturalizada

Nnativa

Experimento de Anfinsen

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Proteína desnaturalizada <-> Proteína Nativa

• “Ovillo estadístico”• Irregular, variable, abierta• Ausencia de estructura 2ria

• Pocos enlaces intramoleculares• Residuos hidrofóbicos

expuestos– Efecto hidrofóbico– Contribución entrópica al

plegamiento

• Regular, compacta• Estructura 2ria

• Abundancia de enlacesintramoleculares

– Puentes de H– Enlaces iónicos– Interacciones de van

der Waals• Residuos hidrofóbicos no

expuestos

D Ndesnaturalización

renaturalización

Clatratos:Capas de H2O ordenadas

Residuoshidrofóbicos

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Plegamiento “in vivo”

• Problema del plegamiento “in vivo”– Plegamiento acoplado a la síntesis

de proteínas

– ¿Cómo selecciona la célula lascondiciones de plegamiento?

• Control celular de las condiciones deplegamiento (chaperonasmoleculares)

– Plegamiento de proteínas nacientes

– Prevención y corrección de erroresde plegamiento en condiciones deestrés (Heat shock proteins, HSP)

• Sistemas enzimáticos que ayudan alplegamiento

– Proteína-disulfuro isomerasas

– Peptidil-prolil isomerasas

mRNA

ribosoma

Síntesis de proteínasSíntesis de proteínas

Cadenanaciente

N

procesoasistido

PlegamientoPlegamiento

Cys

Pro

CysCys

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Estructura Cuaternaria

Estructura cuaternariade la hemoglobinaHetero-oligómero decuatro subunidades(tetrámero 2xαβ)

• Asociación no covalentede varias cadenaspolipeptídicas– Subunidades=monó-

meros=protómeros– Las subunidades se

organizan de manerasimétrica

– Ventajas de la asociación• Mayor estabilidad• Regulación alostérica

– Estabilidad• Mismo tipo de enlaces que

estructura terciaria

α1

β1β2

α2

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Niveles de Estructura de las Proteínas

Estructura primaria

Estructura secundaria

Estructura terciaria

Residuos aminoácidos Hélice α Subunidades unidas

Estructura cuaternaria

Cadena polipeptídica

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Proteínas Fibrosas y Proteínas Globulares

• Fibrosas– Forma alargada– Unidades repetidas de

un solo tipo deestructura secundaria

– Resistentes e insolubles– Función estructural

• Ejemplos– Colágeno (en tejido

conectivo devertebrados)

– Queratina (en piel, peloy uñas)

– Fibroína de la seda

• Globulares– Forma más o menos

esférica– Ricas en estructura

secundaria– Flexibles, y dinámicas– Múltiples funciones

• Ejemplos– Hemoglobina– Inmunoglobulinas

(anticuerpos)– Enzimas

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El Colágeno

• Proteína más abundante devertebrados

• Red fibrosa de tropocolágeno• Tropocolágeno

–Abundancia de Pro y Gly• Secuencia G-X-Y

–X e Y suelen ser Pro e hidroxi-Pro–En Y también abunda hidroxi-Lys

–Triple hélice a derechas formadapor tres hélices a izquierdas

• Enlaces de H interhélice• Gly, uno de cada tres residuos,

en la zona de empaquetamiento

• Entrecruzamiento deunidades de tropocolágeno

–Por derivados aldehído de Lys

Hélice triple detropocolágeno

Tres hélices aizquierdas

42Bioq

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Fibrilogénesis del Colágeno

Cabezas detropocolágeno

Estriaciones640 Å (64

nm)

Estriaciones640 Å (64

nm)

Tropocolágeno

Uniones hidoxilisinonorleucina

Cadenapolipeptídica

Norleucina (residuode Lys sin grupo ε-

amino)

Residuo dehidroxilisina

Cadenapolipeptídica

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Aminoácidos Especiales en el Colágeno

Residuo4-hidroxiprolil

Residuo3-hidroxiprolil

Residuo5-hidroxilisil

• Residuos de Prolina y Lisina hidroxiladas– Proporcionan grupos formadores de enlaces de hidrógeno– Se forman por adición de hidroxilo

• Modificación enzimática post-traduccional• Catalizada por una prolilhidroxilasa (o lisilhidroxilasa) que

requiere ascorbato (vitamina C) como antioxidante

44Bioq

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α-Queratina

Filamentointermedio

Células

HélicesenrolladasHélice α

Hélice α

Dos hélicesenrolladas aizquierdas

Tetrámero antiparalelo

Variostetrámero

Unidadestructural

Dímero

Reduc-ción Rizado

Oxida-ción

Rizado Artificial del cabello

Estructura del Pelo

Asociación tetrámeros

Tetrámero antiparalelo

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Fibroína de la Seda

• Fibras formadas porhojas β antiparalelas

– Aminoácidos concadena lateral pequeña(Gly, Ala, Ser)

– Residuos hidrofóbicos ypolares alternados (encaras opuestas)

– Varias hojasinteraccionan por lascaras hidrofóbicas

• Flexible y resistente alestiramiento

polar

polar

apolar apolar