Bioquímica · Reconocimiento de señales Transporte ... En el entorno hidrófobo del interior de...
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Bioquímica
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Bioquímica
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
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
FUNCIONES
• 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
CLASIFICACIÓN
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.
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
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
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.
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 = - 119-139º
Psi (ψ) C-C = -113-135º
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern.
Addison Wesley 2002
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
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) 3,613
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)
PUENTES DE HIDRÓGENO PARA UNA HÉLICE - α
PATRONES DE ENLACES DE HIDRÓGENO PARA 4 HÉLICES
“Bioquímica” Stryer, Berg y Tymoczko Ed.
Reverté, S.A. 2003
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern.
Addison Wesley 2002
PROTEÍNA PRINCIPALMENTE EN HÉLICE - α
“Bioquímica” Stryer, Berg y
Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003
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
DISPOSICIÓN EN LÁMINA PLEGADA β U HOJA β
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.
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).
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.
ESTRUCTURA TERCIARIA
Se debe a la formación de enlaces débiles entre grupos de las
cadenas laterales de los aminoácidos.
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).
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
EJEMPLOS DE PROTEÍNAS FIBROSAS
Hélice α (300 aa) 1 de
4 hidrófobos.
Enlaces cruzados -S-S
Dureza y flexibilidad
Variable.
• α-queratina (pelo y uñas) (20% aa hidrófobos)
SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN PELO
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).
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.
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.
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).
DOMINIO PROTEICO
Porción de una proteína con estructura terciaria definida (40-
350 aa). En general asociados a una función particular.
Dominio
Motivos: zonas con la misma función en distintas proteínas.
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.
ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS
ESTRUCTURAS CARACTERÍSTICAS DE LAS
PROTEÍNAS GLOBULARES
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
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
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.
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).
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.
DESNATURALIZACIÓN TÉRMICA DE LA
RIBONUCLEASA
Molécula desnaturalizada Molécula nativa
“Bioquímica” Stryer, Berg y Tymoczko Ed. Reverté, S.A. 2003
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.
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.
MIOGLOBINA
(153 aa)
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern.
Addison Wesley 2002
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
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 (Fe2+) en el centro. (Citocromos,
clorofila).
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
El Fe2+ 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 Fe2+ con mayor afinidad que el O2
COORDINACIÓN DEL HIERRO EN LA OXIMIOGLOBINA
Coordinación octaédrica
del átomo de hierro Bolsillo del hemo
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
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 (PO2 30 mm Hg):
La Mb estaría saturada.
En los tejidos (PO2 baja):
La Mb capta O2 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
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 CO2 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
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
TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA HEMOGLOBINA
La Hb capta oxígeno cuando es abundante (pulmones PO2 100 mm Hg) y lo
cede cuando disminuye (capilares PO2 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 O2.
La unión del primer O2 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
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.
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 O2 es más difícil porque han de romperse
enlaces iónicos entre subunidades. El resto de las moléculas de O2
encuentran los enlaces rotos y la situación espacial es más favorable.
Cuando sale el O2 la Hb vuelve a su conformación desoxi o forma tensa
(T) restableciéndose los puentes salinos).
¿CÓMO SE COMUNICA LA ENERGÍA DE LA UNIÓN DE
O2 AL CAMBIO CONFORMACIONAL?
Existe un reordenamiento de la
estructura terciaria y también
de la cuaternaria
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
EFECTOS ALOSTÉRICOS DE OTROS LIGANDOS SOBRE
LA Hb
La Hb es una proteína alostérica (=otro sitio), es decir, su
afinidad por el O2 se altera por determinados efectores que no
actúan directamente sobre el grupo hemo sino que
interaccionan en otro lugar de la proteína.
EFECTORES ALOSTÉRICOS:
CO2
H+
2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG)
Todos ellos disminuyen la afinidad de la Hb por el O2
(desplazan las curvas de saturación hacia la derecha).
TRANSPORTE DE CO2
La liberación de CO2 por los tejidos que respiran, reduce la
afinidad de la Hb por el O2 de dos formas:
El CO2 se fija en parte a la Hb formando grupos carbamato (N-
terminal) cuyo grupo carboxilo forma puentes salinos entre
cadenas a y b, característicos del estado desoxiHb
-NH-COO-
El CO2 origina bicarbonato y H+, reduciendo el pH, mediante la
reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (localizada en
los eritrocitos).
LA Hb RESPONDE A LOS CAMBIOS DE pH MEDIANTE
EL EFECTO BOHR
Además de la liberación de CO2 por los tejidos que respiran, la falta de O2 (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 O2 y reduce la afinidad de la Hb por el CO2
Hb 4O2 + nH + ↔ Hb nH + + 4O2
En los capilares: hacia la derecha (liberación de O2)
En los pulmones: hacia la izquierda (liberación de H + y, como consecuencia, de CO2)
Este mecanismo puede explicarse porque los sitios de unión de H + presentan más afinidad en la forma desoxiHb que en la oxiHb
LOS EFECTOS DEL CO2 Y H+ SE PUEDEN RESUMIR
MEDIANTE EL CICLO RESPIRATORIO
En los pulmones:
↑O2→ oxiHb → liberación de CO2
En los tejidos:
↑ CO2 → ↑ H+ → desoxiHb → liberación de O2
unión de CO2
Hiperventilación: pérdida de CO2 y menor estimulación de la
liberación de O2 en los tejidos.
BISFOSFOGLICERATO (BPG)
El CO2 y la [H+] actúan de forma rápida para facilitar el intercambio de O2 y
CO2
El BPG es un efector que actúa a más largo plazo, permitiendo la adaptación
a cambios graduales de la disponibilidad de O2.
El BPG reduce la afinidad de la Hb por el O2:
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.
Unión del 2,3-BPG a la desoxihemoglobina
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
CONSECUENCIAS FISIOLÓGICAS
A gran altitud la PO2 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 O2).
La Hb en la sangre de fumadores es mayor. El CO se une a la Hb en el mismo lugar que el O2 formando carboxiHb e impidiendo el transporte de O2.
Durante el periodo fetal, el feto obtiene el O2 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 O2 que la adulta.
