Estructura de ProteínasEstructura de Proteínas

Dr. Mauricio Baezmauricio baez@ciq uchile clmauricio.baez@ciq.uchile.cl

Laboratorio de BioquímicaFacultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas

Universidad de Chile

Proteínas.Co-polímeros constituidos por 20 tipos de bloques de construcción (aminoácidos)construcción (aminoácidos)

Ot lí bi ló iOtros co-polímeros biológicos:-ADN, cuatro tipos de bloques (G, A, C, T).

-Polisacáridos, diferentes bloques de construcción (monosacáridos)( )

KEVLAR

Cual es la gracia?

Lo que distingue a las proteínas de otrosLo que distingue a las proteínas de otrospolímeros biológicos es su versatilidad paraformar una gran variedad estructuras conformar una gran variedad estructuras confunciones especializadas.

Proteínas son las macromoléculas másProteínas son las macromoléculas más abundantes y versátiles de la célulay

-Catálisis: EnzimasCatálisis: Enzimas

-Transporte: Proteínas de membranas, canales

-Movimiento: Motores

-EtcEtc………

Estructura FunciónEstructura Función

glucosa + ATP glucosa-6-P + ADP Hexoquinasa

Posicionar átomos con características químicas claves para crean unambiente físico y químico adecuado para la unión y la catálisis deambiente físico y químico adecuado para la unión y la catálisis desustratos: sitio activo

Proteínas de membrana

Acuaporina

membrana

aquaporin.mpg

PDBPDB(protein data bank, 80000 estructuras)

http://www.rcsb.org

Hasta el momento, lahumanidad a determinadocasi 80000 estructuras deproteínas, de las cuales nomas de 20 han sido

t d i i i ti daportadas por iniciativas decientíficos chilenos (encolaboración con centros dein estigación e tranjeros)investigación extranjeros).

http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

Programas de visualización de estructuras

http://spdbv.vital-it.ch/

Descripción jerárquica de la estructura deDescripción jerárquica de la estructura deproteínas

Aminoácidos:

Los 20 aminoácidos comparten una estructura común

Aminoácidos:

-Los 20 aminoácidos comparten una estructura común

-19 de los 20 aminoácidos presentan actividad optica

-Los aminoácidos son anfolitos: A pH fisiológico los aminoácidos están como zwitterions

-Las diferentes propiedades químicas de los-Las diferentes propiedades químicas de losaminoácidos son debidas a las diferentespropiedades de sus cadenas laterales (20 enp p (total)

Estructura común de los aminoácidos

Carbono alfa (C )Carbono alfa (C )(quiral)

El grupo R de cada aminoácido es diferenteEl grupo R de cada aminoácido es diferente

Actividad óptica: Proteínas L-aminoácidos

R=metilo

L-Alanina D-Alanina

C l i á id ti id d ó ti ?¿Cual aminoácido no posee actividad óptica?.

Propiedades acido base.p

+ pKa= 9,6

-NH2-NH3 + H+

-COOHpKa = 2,34

-COO- H+ +

Cual es la carga neta a pH 2?, a pH 7? a pH 12?7?, a pH 12?

A H 7 i á id tá f d itt ió (d l l á " itt " "híb id "A pH 7 aminoácidos están en forma de zwitterión (del alemán "zwitter" "híbrido", "hermafrodita").

+1+1 0 -1

General protein pK’ valuesp p

Approximate pK'Group In a “Typical” Protein -carboxyl (free) 3 (C-terminal only)y ( ) ( y)!-carboxyl (Asp) 4"-carboxyl (Glu) 4imidazole (His) 6

lfh d l (C ) 8sulfhydryl (Cys) 81û -amino (free) 8 (N-terminal only)#-amino (Lys) 10hydroxyl (Tyr) 10hydroxyl (Tyr) 102û -amino (Pro)(free) 9 (N-terminal only)guanido (Arg) 12

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

HAKa

HA H+ + A-

Cual es la fracción de ácido y su base conjugada

d l l d H i l l K d l á idcuando el valor de pH es igual al pKa del ácido.

CH COOH CH COO-CH COOH CH COO-CH3COOH CH3COO-CH3COOH CH3COO-

eci

es

de

esp

e

= 1

Fra

cció

n

H

2 4 6 8 10 12pKaConcentraciones iguales pHpConcentraciones iguales

-Cual es la carga neta a cuando el pH esta por sobre el pKa delCual es la carga neta a cuando el pH esta por sobre el pKa del acido.

CH COOH CH COO-CH COOH CH COO-CH3COOH CH3COO-CH3COOH CH3COO-

eci

es

de

esp

eF

racc

ión

9 = 4.7

H

2 4 6 8 10 12pKa

pHp

pH=9

= 19900

-Cuál es la carga neta del acido a un pH menor que el pKa delCuál es la carga neta del acido a un pH menor que el pKa del acido.

CH COOH CH COO-CH COOH CH COO-CH3COOH CH3COO-CH3COOH CH3COO-

eci

es

de

esp

eF

racc

ión

1 = 4.7

H

2 4 6 8 10 12pKa

pHp

pH=1= 1.99 x 10-4

Estructura primariap

-El orden de residuos de aminoácidos de unaEl orden de residuos de aminoácidos de una cadena polipeptídica (secuencia).

-Determinada por la información contenida en el ADN

-Mantenida por enlaces covalentes (enlace tídi )peptídico)

-Se rompe por hidrólisis (química ó-Se rompe por hidrólisis (química ó enzimática)

Importancia de la secuenciaImportancia de la secuencia (estructura primaria).

-Determina la estructura tridimensional de una proteína

Cual es código?

Formación de la estructura primariaFormación de la estructura primaria

(Enlace peptídico)

Dos aminoácidosD id d i á idDos residuos de aminoácidos

Estr ct ra sec ndariaEstructura secundaria

¿Cuales son los grados de libertad espacial dela cadena principal?

Enlace peptídicoEnlace peptídico

En la mayor parte de las estructuras el enlace tídi t l f ió “t ”peptídico esta en la conformación “trans”

Carácter resonante del enlace pepitico impiden queCarácter resonante del enlace pepitico impiden que rote libremente.

En la practica la cadena principal tiene dos gradosd lib t d it bi f ióde libertada que permiten cambiar su conformaciónespacial:rotación de los enlaces: C ---NH y C ----C=O

psi(!)phi(") p (!)phi(")

psi(!)phi(")

http://tertuliadeamigos.webcindario.com/biocou03.html

Definición de Angulo Diedro

Definición de Angulo Diedro

180 °

Ángulos diedros deÁngulos diedros de la cadena principalp p

La conformación de la cadena principalpuede ser definida por la rotación de dos

l d l b (C ) d denlaces del carbono (C ) de cadaresiduo. A su vez, la rotación de estosenlaces esta definida por dos ángulosenlaces esta definida por dos ángulosdiedros: phi(") y psi(!).

Los ángulos phi(!) y psi(") noLos ángulos phi(!) y psi(") nopueden rotar libremente

Recuerde: Los átomos se pueden tratar como esperas cuyo volumen no puede ser ocupado por otro átomo. El volumen de cada átomo esta definido por su radio de “Van der Waals”.

Grafico de Ramachandran (1963)

GlicinaProlina

Grafico de Ramachandran (1963)

psi(!)##

ZonasImpedidaso no permitidasp

hi(")phi(")

$$

#

hélice -hélice

$

E t t d iEstructura secundaria se forma cuandoforma cuando…….

.....cada ángulo diedro (que no generacada á gu o d ed o (que o ge e aimpedimento estérico) de un segmento de lacadena polipeptídica permanece igual o casicadena polipeptídica permanece igual o casiigual a través del segmento.

Causas de la formación de estructura secundaria

Restricciones estéricas

Optimización de la formación de puentes de hidrógeno

Restricciones estéricas

Periodicidad de ángulosPhi y Psi en un segmentode cadena polipeptídicap p p

Ángulos phi y psi para héliceÁngulos phi y psi para -hélicephi(")~ -60 y psi(!). ~ -50

$

Formación de puentes de hidrógenoFormación de puentes de hidrógeno en -hélice

O

NN

H

Ángulos phi y psi para hojas tipo #

phi(") ~ -140 y psi(!). ~ +130,

Ángulos phi y psi para hojas tipo # Estructura Estructura !!!!

Las cadenas laterales,(verde) se encuentran(verde) se encuentran alternadamente por encima y por debajo del plano de la cadenadel plano de la cadena principal

paralelas Antiparalelas

Hoja Hoja !! paralela paralela jj !! pp

Hoja Hoja !! AntiparalelaAntiparalelajj !! pp

Estructura secundaria

-Cuando los ángulos phi y psi de la cadena

Estructura secundaria

Cua do os á gu os p y ps de a cade aprincipal no ocasionan impedimentos estéricos

-Cuando los carbono “alfa” contiguos en un segmento de cadena polipeptídica presentan ángulos phi y psi similares. p p p p g p y pBeta: phi(") ~ -140 y psi(!). ~ +130,

Alfa: phi(")~ -60 y psi(!). ~ -50

Formación optimizada de puentes de hidrogeno

Alfa: phi(") 60 y psi(!). 50

-Formación optimizada de puentes de hidrogeno entre los átomos NH y el C=O de la cadena principal.

“Loops” y giros reversos o “Turns”Loops y giros reversos o Turns

helices y hebras # están conectadas por trozos de largos variables y de forma

Son importantes para que la

- -helices y hebras # están conectadas por trozos de largos variables y de forma irregular (loops)

p p qcadena polipeptídica puedadoblarse y formar estructurascompactas.

En general los loops están en la superficie de las proteínas y dado que los grupos de la cadena principalque los grupos de la cadena principal C=O y NH no forman puentes de hidrogeno entre ellos .

Ángulos phi y psi están en regiones permitidas pero no son repetitivos

Giros reversos son un tipo de “loop” pequeños que involucran 3 ($-Turns) o 4 residuos (#-turns). En estos casos los átomos C=0 y NH forman un enlace de hidrogeno para cerrar el giroenlace de hidrogeno para cerrar el giro.

Estructura terciaria.

Se refiere al arreglo tridimensional de todos los átomos deSe refiere al arreglo tridimensional de todos los átomos dela cadena polipeptídica que se produce por elempacamiento tridimensional de los elementos deestructura secundaria de una cadena polipeptídica.estructura secundaria de una cadena polipeptídica.

Origen de la diversidad estructural de las proteínas

http://www.ks.uiuc.edu/Gallery/Science/Structure/

Estructura de las proteínas estabilizada porEstructura de las proteínas estabilizada porinteracciones débiles (excepto en el caso deformación puente disulfuro)formación puente disulfuro).

Tipos de cadenas laterales.

Apolares Polares iónicosApolares Polares iónicosRegla: No puedenformar puentes de Regla: Cadenas

l t l d

Regla: Interacciones iónicas entre residuosp

hidrogeno con elagua. Solo formaninteracciones

laterales puedenformar puentes dehidrogeno entre ellas ócon el agua

iónicas entre residuos con carga negativas y positivas ó con el agua

favorables cuandoestán muy cercaentre si

con el agua.

(interaccionesVW).

Estructura terciaria

Estructura tridimensional que puedenadoptar los átomos de una cadenapolipeptídica.polipeptídica.

Aminoácidos con cadenas laterales apolaresAminoácidos con cadenas laterales apolares

Cadenas laterales aromáticas (3)

Cadenas laterales alifáticas (7)Cadenas laterales alifáticas (7)

Rol de las cadenas apolaresEfecto Hidrofóbico

Efecto hidrofóbico

Formación de membranas y micelas

Como el agua no puede formar enlaces de hidrogeno con compuesto alifáticos o apolares………

……….forma redes de puentes de hidrogeno ordenadas (esfera de……….forma redes de puentes de hidrogeno ordenadas (esfera dehidratación ordenada) en torno a este tipo de compuestos. Esta situaciónes entrópicamente desfavorable debido a que las moléculas de aguaestán mas ordenadas que las moléculas de agua presentes en solución.q g p

Para disminuir la entropía del sistema los compuestos apolares tiendenPara disminuir la entropía del sistema, los compuestos apolares tienden asociarse entre si……..

………esto disminuye la superficie en contacto con el agua y por ende el numero de moléculas ordenadas en la esfera de hidratación………….

Alta entropíaBaja entropía Alta entropíaBaja entropía

Residuos con cadenas laterales hidrofóbicas se ubican principalmente en el centro de las proteínas globulares.

Centro hidrofóbico

Paquete de cuatro hélicesPaquete de cuatro hélices

Cual seria la secuencia que Ud esperanpara esta proteina.

Porina: Proteína integral de membranaPorina: Proteína integral de membrana

Aminoácidos con cadenas laterales polaresAminoácidos con cadenas laterales polares

Cisteína puede formar puentes disulfurospuentes disulfuros

Aminoácidos con cadenas laterales

Carga positiva

ionizables g p

a pH 7

C tiCarga negativa a pH 7

Estructura cuaternaria de la Estructura cuaternaria de la hemoglobinahemoglobina

Subunidades = gris y celeste Subunidades ! = rojo y azul

Estructura cuaternaria de la Estructura cuaternaria de la hemoglobinahemoglobina

Estructura cuaternaria de la enzima Estructura cuaternaria de la enzima aspartato transcarbamilasaaspartato transcarbamilasa

La enzima está compuesta de 2 tipos de subunidades, las catalíticasy las regulatorias. La susbunidades catalíticas se muestran en colorazul y púrpura; las regulatorias en rojo y amarillo.

Si t i d h j ti b tSimetria de hojas tipo beta

Filamentos

FINFIN