ProteínasProteínasEstructura y FunciónEstructura y Función

Dr. Giuliano Bernal DossettoDr. Giuliano Bernal DossettoDepartamento de Ciencias BiomédicasDepartamento de Ciencias Biomédicas

Facultad de MedicinaFacultad de MedicinaUniversidad Católica del NorteUniversidad Católica del Norte

Estructura Primaria de las Proteínas

La estructura tridimensional de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos (Estructura primaria).

La función de una proteína depende de su estructura.

Insulina es un buen ejemplo para la comprensión de la estructura y la función de una proteína, y su evolución en distintas especies.

Es producida en las células del páncreas a partir de un precursor inactivo, proinsulina.

Proinsulina posee 86 aa y 3 puentes disulfuro entre las cadenas.

Diferencias en insulinas usadas en el Diferencias en insulinas usadas en el tratamiento de la Diabetes Mellitustratamiento de la Diabetes Mellitus

Tanto las Tanto las insulinas porcina y bovinainsulinas porcina y bovina fueron usadas fueron usadas exitosamente en el tratamiento de la diabetes.exitosamente en el tratamiento de la diabetes.

Sin embargo pequeñas Sin embargo pequeñas diferencias en su secuenciadiferencias en su secuencia, , respecto de la insulina humana, inducía una respecto de la insulina humana, inducía una respuesta respuesta inmunológicainmunológica en algunos pacientes. en algunos pacientes.

La insulina porcina es más aceptable en el tratamiento de La insulina porcina es más aceptable en el tratamiento de la diabetes debido a que presenta mayor la diabetes debido a que presenta mayor similitud en su similitud en su secuenciasecuencia con la humana. con la humana.

La insulina humana es producida mediante La insulina humana es producida mediante ingeniería ingeniería genéticagenética o mediante modificación de la insulina de cerdo. o mediante modificación de la insulina de cerdo.

Variations in positions A8, A9, A10, and B30 Variations in positions A8, A9, A10, and B30 of Insulinof Insulin

SpeciesSpecies A8A8 A9A9 A10A10 B30B30

HumanHuman ThrThr SerSer IleIle ThrThr

CowCow AlaAla SerSer ValVal AlaAla

PigPig ThrThr SerSer IleIle AlaAla

SheepSheep AlaAla GlyGly ValVal AlaAla

HorseHorse ThrThr GlyGly IleIle AlaAla

DogDog ThrThr SerSer IleIle AlaAla

Chicken*Chicken* HisHis AsnAsn ThrThr AlaAla

Duck*Duck* GluGlu AsnAsn ProPro ThrThr

Anemia falsiforme Anemia falsiforme (Sickle Cell Anemia)(Sickle Cell Anemia)

Ocurre por una mutación en la 6º posición de la cadena Ocurre por una mutación en la 6º posición de la cadena de la hemoglobina. de la hemoglobina.

Es una sustitución de Glu por Val, lo que da origen a la Es una sustitución de Glu por Val, lo que da origen a la Hemoglobina S (HbS).Hemoglobina S (HbS).

HbS en su conformación “deoxi” polimeriza con otras HbS en su conformación “deoxi” polimeriza con otras HbS, lo que lleva a una formación fibrilar y precipitación HbS, lo que lleva a una formación fibrilar y precipitación de estos complejos.de estos complejos.

Esto induce una característica forma de hoz en los Esto induce una característica forma de hoz en los glóbulos rojos y solo los homocigotos para para HbS glóbulos rojos y solo los homocigotos para para HbS desarrollan la enfermedad.desarrollan la enfermedad.

Niveles estructurales de las proteínas

Estructura primaria:Estructura primaria: Corresponde a la estructura Corresponde a la estructura covalente, lo cual incluye la secuencia de aminoácidos y covalente, lo cual incluye la secuencia de aminoácidos y la posición de los puentes disulfuro.la posición de los puentes disulfuro.

Estructura secundaria:Estructura secundaria: Se refiere al empaquetamiento Se refiere al empaquetamiento local del esqueleto polipeptídico en forma de hélice, hoja local del esqueleto polipeptídico en forma de hélice, hoja plegada u otra conformación al azar.plegada u otra conformación al azar.

Estructura terciaria:Estructura terciaria: Corresponde a la estructura Corresponde a la estructura tridimensional del polipéptido.tridimensional del polipéptido.

Estructura cuaternaria:Estructura cuaternaria: Se refiere a la asociación no- Se refiere a la asociación no-covalente de subunidades polipeptídicas discretas en covalente de subunidades polipeptídicas discretas en una proteína oligomérica.una proteína oligomérica.

Estructura secundariaEstructura secundaria La conformación de un polipéptido depende de los La conformación de un polipéptido depende de los

ángulos rotacionales de los enlaces covalentes que ángulos rotacionales de los enlaces covalentes que contribuyen a la cadena.contribuyen a la cadena.

Los enlaces Los enlaces phi (phi ()) y y psi (psi () ) entre el N y el carbono entre el N y el carbono , y , y entre este y el carbonilo respectivamente, contribuyen a entre este y el carbonilo respectivamente, contribuyen a estos ángulos rotacionales.estos ángulos rotacionales.

Una estructura secundaria regular se forma en Una estructura secundaria regular se forma en segmentos donde todos los ángulos segmentos donde todos los ángulos y y son iguales.son iguales.

Las conformaciones Las conformaciones -hélice-hélice y y hoja-hoja- son las son las estructuras secundarias termodinámicamente más estructuras secundarias termodinámicamente más estables.estables.

Polypeptide chain showing , , and peptide bonds for residue Ri within a polypeptide chain.

Estructura Estructura -hélice-hélice Es la conformación mas común en las proteínas.Es la conformación mas común en las proteínas.

El esqueleto polipeptídico gira en forma dextrógira sobre El esqueleto polipeptídico gira en forma dextrógira sobre un eje imaginario.un eje imaginario.

Los grupos R de los aminoácidos se orientan fuera de Los grupos R de los aminoácidos se orientan fuera de este esqueleto.este esqueleto.

Se estabiliza por puentes de H internos entre el H unido Se estabiliza por puentes de H internos entre el H unido al N del enlace peptídico y el O del carbonilo al N del enlace peptídico y el O del carbonilo posicionado 4 residuos más adelante en la cadena.posicionado 4 residuos más adelante en la cadena.

Esto genera un giro cada 3.6 residuos de aminoácidosEsto genera un giro cada 3.6 residuos de aminoácidos

-hélice

Repulsión electroestática entre residuos sucesivos de aminoácidos con grupos R cargados (Glu, Asp, Lys, Arg).

Residuos adyacentes con grupos R voluminosos

Presencia de residuos de prolina o glicina

Interacción entre los aminoácidos de los extremos de la cadena y el dipolo eléctrico inherente a la -hélice.

Factores que afectan la estabilidad de la -hélice

Estructura Estructura Una cadena polipeptídica en una estructura Una cadena polipeptídica en una estructura se se

encuentra unida mediante puentes de H a otra región encuentra unida mediante puentes de H a otra región polipeptídica alineada en forma paralela o antiparalela.polipeptídica alineada en forma paralela o antiparalela.

Los grupos R se proyectan sobre o bajo el plano de la Los grupos R se proyectan sobre o bajo el plano de la estructura estructura ..

Las cadenas polipeptídicas están extendidas en zigzag y Las cadenas polipeptídicas están extendidas en zigzag y se posicionan lado por lado, formando una estructura se posicionan lado por lado, formando una estructura similar a hojas de papel plegadas.similar a hojas de papel plegadas.

Para que dos o más hojas Para que dos o más hojas están cercanas, los grupos están cercanas, los grupos R deben ser relativamente pequeños.R deben ser relativamente pequeños.

Fibroína de la sedaFibroína de la seda y y de la telarañade la telaraña poseen un alto poseen un alto contenido en Gly y Ala.contenido en Gly y Ala.

Estructura terciariaEstructura terciaria Este tipo de estructura define la posición de cada átomo Este tipo de estructura define la posición de cada átomo

del polipéptido en el espacio.del polipéptido en el espacio.

Aminoácidos ubicados muy lejanos entre sí dentro de Aminoácidos ubicados muy lejanos entre sí dentro de una cadena polipeptídica y que pueden pertenecer a una cadena polipeptídica y que pueden pertenecer a diferentes estructuras secundarias pueden interaccionar diferentes estructuras secundarias pueden interaccionar en la estructura terciaria.en la estructura terciaria.

Un polipéptido de mayor tamaño generalmente presenta Un polipéptido de mayor tamaño generalmente presenta diferentes regiones semi-independientes denominadas diferentes regiones semi-independientes denominadas dominios.dominios.

En proteínas multifuncionales cada dominio puede En proteínas multifuncionales cada dominio puede realizar una tarea diferente.realizar una tarea diferente.

Tertiary structure of sperm whale myoglobin

Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria

Algunas proteínas contienen dos o más cadenas Algunas proteínas contienen dos o más cadenas polipeptídicas, las cuales pueden ser idénticas o polipeptídicas, las cuales pueden ser idénticas o completamente diferentes.completamente diferentes.

El arreglo de estas subunidades en complejos El arreglo de estas subunidades en complejos tridimensionales constituye una estructura tridimensionales constituye una estructura cuaternaria.cuaternaria.

Las subunidades en este tipo de arreglo se Las subunidades en este tipo de arreglo se encuentran por lo general unidas de forma no encuentran por lo general unidas de forma no covalente.covalente.

The quaternary structure of deoxyhemoglobin

Proteínas fibrosasProteínas fibrosas

Contienen grandes regiones de estructura Contienen grandes regiones de estructura secundaria regular y forma cilíndricasecundaria regular y forma cilíndrica

Poseen baja solubilidad en agua y un rol Poseen baja solubilidad en agua y un rol mas estructural que dinámico.mas estructural que dinámico.

Otorgan fuerza y/o flexibilidad a las Otorgan fuerza y/o flexibilidad a las estructuras que forman.estructuras que forman.

Colágeno, elastina, keratina y Colágeno, elastina, keratina y tropomiosina son todas proteínas fibrosas.tropomiosina son todas proteínas fibrosas.

-queratina

Presente en la piel, pelo y uñas.

Posee estructura cuaternaria

Está estabilizada por puentes disulfuro.

Posee repeticiones en tándem de siete residuos Posee repeticiones en tándem de siete residuos aminoacídicos.aminoacídicos.

Estas repeticiones generan dos vueltas de hélice que Estas repeticiones generan dos vueltas de hélice que exponen una cara hidrofóbica que a su vez interactúa exponen una cara hidrofóbica que a su vez interactúa con residuos hidrofóbicos de otras queratinascon residuos hidrofóbicos de otras queratinas

Forman una estructura superenrollada de dos o tres Forman una estructura superenrollada de dos o tres cadenas polipeptídicas.cadenas polipeptídicas.

Structure of hair

• Compone el tejido conectivo como tendones, cartílago, matriz orgánica de huesos y córnea del ojo.

• La hélice del colágeno es diferente de la -hélice, es levógira, posee 3 residuos por cada giro y se denomina cadena .

• Aminoácidos presentes en el colágeno: Glicina 35%, Alanina 11%, Prolina 21%

• La gelatina deriva del colágeno y tiene poco valor nutricional porque no contiene aa esenciales para la dieta humana.

• La fibrilla del colágeno consiste de tres cadenas enrolladas de forma dextrógira que se pueden asociar entre si de más de 30 formas distintas en mamíferos.

Colágeno

Structure of collagen fibrils

Major Collagen Molecules

Enfermedades de la síntesis de Enfermedades de la síntesis de colágenocolágeno

El colágeno es la proteínas más abundante de los El colágeno es la proteínas más abundante de los tejidos, por ende muchos órganos dependen de él.tejidos, por ende muchos órganos dependen de él.

La síntesis de colágeno anormal induce alteraciones a La síntesis de colágeno anormal induce alteraciones a nivel cardiaco, óseo, cutáneo, articulaciones y visión.nivel cardiaco, óseo, cutáneo, articulaciones y visión.

Síndrome de Ehlers-DanlosSíndrome de Ehlers-Danlos se presenta con una se presenta con una osteogénesis imperfecta y escorbuto.osteogénesis imperfecta y escorbuto.

El síndrome se produce por mutación en los genes que El síndrome se produce por mutación en los genes que codifican colágeno, o modificacióones post-codifican colágeno, o modificacióones post-traduccionales alteradas de este, mediadas tal vez por traduccionales alteradas de este, mediadas tal vez por ausencia de los cofactores enzimáticos necesarios para ausencia de los cofactores enzimáticos necesarios para estas modificaciones.estas modificaciones.

Proteínas globulares•Presentan diversidad estructural y funcional. •Proteínas de este tipo son: enzimas, proteínas de transporte, proteínas motoras, proteínas reguladoras, inmunoglobulinas, entre otras.

LipoproteínasLipoproteínas Complejos de proteínas y lípidos que se encuentran en el Complejos de proteínas y lípidos que se encuentran en el

plasma.plasma.

Los cambios en su concentraciones relativas son predictivos Los cambios en su concentraciones relativas son predictivos de aterosclerosis.de aterosclerosis.

Su función es transportar lípidos entre los tejidos y participar Su función es transportar lípidos entre los tejidos y participar en el metabolismo lipídico.en el metabolismo lipídico.

En humanos se distinguen 5 tipos: Quilomicrones, VLDL, IDL, En humanos se distinguen 5 tipos: Quilomicrones, VLDL, IDL, LDL y HDL, las cuales se distinguen por su densidad.LDL y HDL, las cuales se distinguen por su densidad.

El componente proteico se denomina apolipoproteína y cada El componente proteico se denomina apolipoproteína y cada lipoproteína posee una composición característica de estas, lipoproteína posee una composición característica de estas, las cuales varían entre 6 kDa (ApoC-1) a 550 kDa (ApoB-las cuales varían entre 6 kDa (ApoC-1) a 550 kDa (ApoB-100).100).

LipoproteinLipoprotein

HiperlipidemiasHiperlipidemias Corresponden a desórdenes en las tasas de síntesis o clearance Corresponden a desórdenes en las tasas de síntesis o clearance

de lipoproteínas de la sangre.de lipoproteínas de la sangre.

Se detectan de acuerdo al nivel plasmático de triacilgliceroles y Se detectan de acuerdo al nivel plasmático de triacilgliceroles y colesterol, y se clasifican de acuerdo al tipo de lipoproteína colesterol, y se clasifican de acuerdo al tipo de lipoproteína elevada.elevada.

Tipo I: Se debe a la acumulación de quilomicrones.Tipo I: Se debe a la acumulación de quilomicrones.

Tipo II: Caracterizada por niveles elevados de LDL.Tipo II: Caracterizada por niveles elevados de LDL.

Tipo III: Debida a anormalidades de ApoE.Tipo III: Debida a anormalidades de ApoE.

Tipo IV: Niveles de VLDL aumentados, generalmente debido a Tipo IV: Niveles de VLDL aumentados, generalmente debido a obesidad, abuso de alcohol o diabetes.obesidad, abuso de alcohol o diabetes.

Tipo V: Asociada con altos niveles de quilomicrones y Tipo V: Asociada con altos niveles de quilomicrones y pancreatitispancreatitis

HipolipoproteinemiasHipolipoproteinemias La La abetalipoproteinemiaabetalipoproteinemia se caracteriza por ausencia de se caracteriza por ausencia de

quilomicrones, VLDLs y LDLs debido a la incapacidad de quilomicrones, VLDLs y LDLs debido a la incapacidad de sintetizar ApoB-100 y ApoB-48.sintetizar ApoB-100 y ApoB-48.

Hay acumulación de lípidos en las células del intestino Hay acumulación de lípidos en las células del intestino delgado, mal absorción de grasas, acantocitosis y delgado, mal absorción de grasas, acantocitosis y retardo mental.retardo mental.

La La enfermedad de Tangierenfermedad de Tangier es autosómica recesiva en la es autosómica recesiva en la cual el nivel de HDL es 1-5% del valor normal.cual el nivel de HDL es 1-5% del valor normal.

Acumulan colesterol pudiendo desarrollar Acumulan colesterol pudiendo desarrollar hepatomegalia.hepatomegalia.

GlicoproteínasGlicoproteínas Frecuentes en la membrana plasmática, matriz extracelular y Frecuentes en la membrana plasmática, matriz extracelular y

plasma sanguíneo.plasma sanguíneo.

Proveen información para la identificación entre células y Proveen información para la identificación entre células y distintos ligandos.distintos ligandos.

Otorgan los determinantes antigénicos de los grupos Otorgan los determinantes antigénicos de los grupos sanguíneos sobre los eritrocitos.sanguíneos sobre los eritrocitos.

El contenido puede variar de un 4% en IgG a 82% en El contenido puede variar de un 4% en IgG a 82% en glicoproteínas gástricas.glicoproteínas gástricas.

Los residuos pueden unirse a lo largo de toda una cadena Los residuos pueden unirse a lo largo de toda una cadena polipetídica o estar concentrados en un domunio particular.polipetídica o estar concentrados en un domunio particular.

Los enlaces covalentes mas frecuentes son N-glicosídico y Los enlaces covalentes mas frecuentes son N-glicosídico y O-glicosídico.O-glicosídico.

Hemoglobina glicosiladaHemoglobina glicosilada

HbAHbA1c1c se forma no-enzimáticamente en los glóbulos se forma no-enzimáticamente en los glóbulos rojos uniendo glucosa con el NHrojos uniendo glucosa con el NH22-terminal de la cadena -terminal de la cadena de la hemoglobina. de la hemoglobina.

La concentración de HbALa concentración de HbA1c 1c depende de la concentración depende de la concentración de glucosa en la sangre y la duración de la de glucosa en la sangre y la duración de la hiperglicemia.hiperglicemia.

Durante una hiperglicemia prolongada HbADurante una hiperglicemia prolongada HbA1c 1c puede puede llegar al 12% o más de la hemoglobina total.llegar al 12% o más de la hemoglobina total.

Pacientes con diabetes mellitus tienen niveles elevados Pacientes con diabetes mellitus tienen niveles elevados de glucosa sanguínea y por ende de HbAde glucosa sanguínea y por ende de HbA1c1c..

Priones y encefalopatías Priones y encefalopatías espongiformesespongiformes

Los priones son proteínas que actúan como agentes Los priones son proteínas que actúan como agentes infecciosos en ausencia de DNA o RNA.infecciosos en ausencia de DNA o RNA.

Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob es la más común de Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob es la más común de las enfermedades priónicas.las enfermedades priónicas.

La enfermedad puede generarse por mutación La enfermedad puede generarse por mutación heredada, espontánea o un proceso infeccioso.heredada, espontánea o un proceso infeccioso.

La proteína normal PrPLa proteína normal PrPcc cambia a una conformación cambia a una conformación tóxica PrPtóxica PrPSc Sc por una mutación de lisina a prolina.por una mutación de lisina a prolina.

PrPPrPSc Sc polimeriza en fibras amiloides insolubles lo cual polimeriza en fibras amiloides insolubles lo cual causa los efectos neurotóxicos.causa los efectos neurotóxicos.

The Prion Diseases

A stained section of the cerebral cortex from a patient with Creutzfeldt-Jacob disease shows spongiform degeneration.

Cromatografía

Cromatografía de afinidad

Electrophoresis