Tema 5 Proteinas

Question 1

Niveles estructurales de las proteínas

Answer 1

• La estructura primaria viene determinada por el orden de los aminoácidos en la cadena polipeptídica.
• La estructura secundaria viene determinada por la estructura primaria, ya que es el resultado de plegar la estructura primaria. Existen dos tipos de conformaciones que puede adoptar la proteína: a−hélices o láminas−β.
• La estructura terciaria depende de la forma que ha adoptado la proteína tras plegarse en uno o más dominios.
• La estructura cuaternaria surge cuando se produce la asociación de varias cadenas polipeptídicas para formar una proteína.

En la conformación nativa de una proteína, es la estructura en la que la proteína tiene la menor energía posible.

En esta conformación, la estructura tiene muchas interacciones entre los átomos. Adquirir la conformación requiere un coste entrópico.

Los dominios son regiones globulares claramente diferenciables en una proteína. Son las unidades básicas de plegamiento de la cadena polipeptídica. Los dominios, además, son la unidad de evolución proteica.

Question 2

Como es la estructura secundaria

Answer 2

La estructura secundaria se refiere a la distribución espacial de la estructura primaria, es decir, de la secuencia de aminoácido unidos por enlaces peptídicos, en la que todos los ángulos adoptan unos valores repetitivos.

Las dos estructuras secundarias más comunes son las α−hélices y las láminas−β, las cuales se encuentran estabilizadas por puentes de hidrógeno. También tienen gran importancia los acodamientos.
Cuando una proteína toma un plegamiento irregular, se denomina random coil.

La estructura secundaria se denomina estructura nativa. Puede formar α-hélices (puentes de H entre residuos próximos) o láminas β (puentes de H entre segmentos adyacentes que no tienen por qué estar cerca en la secuencia). Si no se aprecian estas estructuras, sino unas irregulares, se denomina random coil.

Question 3

Alfa helices

Answer 3

• En la estructura de α−hélice, la cadena helicoidal se mantiene gracias a puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son paralelos al eje de la hélice y se producen entre el grupo carbonilo que ocupa la posición n con las amidas en posición n+4. Las cadenas laterales de los aminoácidos quedan perpendiculares al eje de la hélice sobresaliendo de ésta. En el interior de la hélice, se encuentran los radios de Van der Waals estabilizando la hélice.
• En cada vuelta de la α−hélice hay aproximadamente 4 puentes de hidrógeno, 3,6 aminoácidos.
• No todas las secuencias de polipéptidos adquieren estructura de α−hélices. Residuos pequeños como la alaninao la leucina son muy propensos a formar α−hélices, mientras que la prolina o la glicina rompen las α−hélices.
• Dentro de la α−hélice se producen interaccione de atracción y repulsión entre las cadenas laterales de aminoácidos que se encuentran distanciados 3 o 4 posiciones.
• La α−hélice tiene un gran momento dipolar debido a que los dipolos que se forman debido a los enlaces peptídicos tienen toda la misma orientación. Los residuos cargados negativamente, normalmente se encuentran cerca del extremo de la hélice cargado positivamente.
• En las bicapas lipídicas, todos los residuos que se encuentran hacia el exterior en contacto con la bicapa tienen que ser hidrofóbicos.

Todas las alfa hélices de proteínas son a derechas. Se estabiliza por la formación de puentes de H entre amida y carbonilo prácticamente paralelos al eje de la hélice cada 4 posiciones. Es decir, en una vuelta de hélice tienes casi 4 puentes de H (hay 3,6 residuos cada vuelta de hélice). Los restos de los aminoácidos se proyectan prácticamente
perpendiculares al eje de la hélice hacia el exterior. Los enlaces peptídicos se disponen paralelos al eje de la hélice. El centro de la hélice está ocupado por los radios de Van der Waals de los átomos (estas fuerzas también mantienen la hélice rígida). Las hélices son anfipáticas (una cara hidrofóbica y otra hidrofílica).

El diámetro interno de la hélice es de unos 4 a 5 Å y el diámetro externo (teniendo en cuenta los residuos) es de unos 10 a 12 Å. Los residuos 1 y 8 se alinean perfectamente el uno sobre el otro.

La secuencia de aminoácidos afecta a la estabilidad de la hélice, por lo que no todas las secuencias polipeptídicas adoptan esta estructura. Los aas pequeños hidrofóbicos cono Ala y Leu son formadores de alfa-hélices. La prolina rompe hélices (no perite rotación alrededor del enlace N-Cα) al igual que la glicina. Se producen interacciones de
tipo electrostático entre los restos que se proyectan hacia el exterior si se encuentran a una distancia de unos 3 a 4 aminoácidos (distinta carga, contribuyen a la estabilidad). Estas interacciones pueden ser atractivas o repulsivas.

La hélice tiene un gran momento dipolar (carga negativa en el carboxilo terminal y positiva en el amino terminal) porque todos los enlaces peptídicos tienen la misma orientación. Es decir, el dipolo del enlace peptídico se magnifica.

Question 4

Tipos de alfa hélices

Answer 4

Existen dos tipos de α−hélices en función del giro:

○ α−hélices dextrógiras: son el tipo de α−hélices que se pueden encontrar en la naturaleza. El giro se produce hacia la izquierda.

○ α−hélices levógiras: el giro se produce hacia la derecha.

En función de los aminoácidos que se encuentren en el exterior de la hélice, se distinguen tres tipos:

○ Hélices hidrofóbicas o apolares:
en el exterior hay residuos hidrofóbicos. Por ejemplo, las de las proteínas que se insertan en la bicapa lipídica de unos 22 a 25 aminoácidos con naturaleza hidrofóbica que forman el segmento transmembrana de la proteína

○ Hélices anfifílicas o anfipáticas:
tienen una cara polar y otra apolar. En las estructuras globulares, la parte hidrofóbica queda hacia fuera, mientras que la cara polar queda hacia el interior de la estructura.

o Hélices hidrofílicas o polares:
en el exterior hay residuos polares. Este tipo de hélices se encuentran expuestas a medios polares (la mayoría de los aas son polares y la proteína está expuesta al medio polar).

Question 5

Coiled coli

Answer 5

Las coiled−coli son el resultado de la asociación de hélices anfipáticas por las caras hidrofóbicas para formar una estructura superhelicoidal con giro levógiro. Se estabilizan debido a que los residuos de la cara polar de una hélice tienen aminoácidos cargados positivamente, mientras que los residuos de la cara apolar de la otra hélice, tienen
aminoácidos cargados negativamente.

Hay una estructura supersecundaria que resulta de la asociación de dos hélices anfifílicas, la coiled coil. Las hélices se asocian por las caras hidrofóbicas y llevan a cabo un enrollamiento en sentido contrario al que llevan (es decir, hacia la izquierda). Se estabilizan porque los residuos hidrofóbicos de ambas interaccionan en el interior de la estructura. Aparece en proteínas estructurales y sirven como factores de transcripción que dimerizan. La hidrofobicidad determina la interacción.

Question 6

Láminas beta

Answer 6

Las láminas−β son cadenas polipeptídicas muy estiradas planas donde se proyectan hacia arriba y hacia debajo de forma alternativa las cadenas laterales de los aminoácidos. Son como líneas quebradas. (el esqueleto polipeptídico está muy estirado). Arriba y debajo de la lámina se proyectan los restos de los aminoácidos.

Las láminas se asocian entre sí. Estas láminas pueden ser paralelas o antiparalelas. Los puentes de hidrógeno se forman entre betas adyacentes. En la lámina antiparalela (las láminas que la forman discurren en sentido contrario) estos puentes de H tienen mucha energía porque se disponen perpendicularmente a la estructura. En la paralela (las láminas que la forman discurren en el mismo sentido) los puentes de H no están enfrentados y tienen menos energía.

Las láminas no suelen ser planas, sino que están torcidas ya que el esqueleto polipeptídico gira un poco
según avanza la estructura.

Question 7

Tipos de láminas beta

Answer 7

Por sí sola una lámina no puede formar enlaces de hidrógeno, pero sí cuando se asocia a otra generando dos tipos de láminas:

○ Láminas−β antiparalelas: los grupos β se encuentran en distinto sentido, los residuos disponen arriba y abajo en direcciones opuestas. Los puentes de hidrogeno se establecen entre secuencias espacialmente cercanas y son más fuertes porque son lineales, es decir, forman un ángulo de 180ºlo que provoca que tengan mucha energía.
Para atravesar la membrana biológica necesita la mitad de los residuos que en el caso de la α−hélice, debido a que están más espaciados los aminoácidos. El grupo amida queda enfrentado con el carbonilo que viene por el otro lado.

○ Láminas−β paralelas: los grupos β se encuentran en el mismo sentido. Se establecen puentes de hidrógeno entre las dos hélices, en la misma dirección, sin embargo, estos tienen menos energía que los de las láminas antiparalelas debido a que los átomos entre los que se forman los puentes de hidrógeno no están perfectamente alineados, por lo que son más débiles.

Question 8

Acodamientos y tipos

Answer 8

Los acodamientos en las láminas− β sirven para conectar las láminas que cambian de dirección entre sí. Se forma cuando un grupo carbonilo del enlace peptídico genera un puente de hidrógeno con una amina que se localiza 3 posiciones por delante.
Estos acodamientos pueden ser de dos tipos:
○ Acodamientos de tipo I: tiene prolina en la posición 2.
○ Acodamientos de tipo II: tiene glicina en la posición 3.

ACODAMIENTOS
El giro se consigue con 4 aminoácidos y un puente de hidrógeno entre el oxígeno del - COOH del primer residuo con el H del grupo amino del cuarto residuo. En general nos encontramos prolina en posición dos (tipo 1) o glicina en posición tres (tipo 2).

Question 9

Ejemplos de proteínas fibrosas

Answer 9

Queratina
Colágeno
Seda

Question 10

Queratina

Answer 10

• Queratina
  La queratina se encuentra en el pelo, cuernos, pezuñas…
  La queratina está formada por una estructura α−helicoidal que se asocia con otras hélices en sentido levógiro, formando protofilamentos de 20−30 A, que se asocian para formar protofibrillas.

Las queratinas poseen cisteína, lo que provoca que se formen puentes disulfuro que le dan rigidez a la queratina.

Cuantos más puentes disulfuro contiene, más fuerte será.
Estructura de la queratina en el pelo: Sólo tiene estructura de alfa hélice que genera un coiled coil en sentido levógiro. Esta coiled coil se asocia en protofilamentos hasta formar las fibras del pelo. Las queratinas tienen una gran cantidad de cisteínas y, por tanto, puentes disulfuro (cuantos más, más rígida).

Cuando se hacen permanentes en la peluquería, se rompen los puentes disulfuro por calor y se ondula la estructura formando unos nuevos puentes S-S.

Question 11

Colágeno

Answer 11

El colágeno es la proteína más abundante del cuerpo, localizándose en la matriz extracelular, tendones, cartílago, huesos y en la córnea.

Cada cadena de colágeno es una hélice A cuya base estructural tiene glicina y prolina, y tiene una estructura helicoidal de hélice levógira que se asocia con otras dos hélices para formar una triple hélicedextrógira. Esta triple hélice hace que tenga una gran fuerza ténsil.

El colágeno tiene alrededor de un 35% de glicina, un 21% de prolina o hidroxiprolina, y un 11% de aminoácidos pequeños como la alanina.
La glicina le confiere una flexibilidad conformacional enorme. Además, es la que permite la aproximación de las 3 hélices, ya que cada 3 residuos, las tres hélices convergen.

La hélice A de colágeno se encuentra estabilizada por puentes de hidrógeno que se forman entre el grupo amina de la glicina, y el grupo carbonilo de la prolina. La 4−hidroxiprolina y la 5−hidroxilisina tienen grupos hidroxilo adicionales que le permiten a la molécula formar más puentes de hidrógeno, y, por lo tanto, formar estructuras más
fuertes.

La hidroxilación de la prolina requiere α−cetoglutarato, oxígeno molecular y vitamina C (ácido ascórbico), que se encarga de mantener el hierro con oxidación +2 (Fe2+). La carencia de vitamina C provoca escorbuto debido a que no se pueden hidrolizar las lisinas y las prolinas.
Algunas enfermedades asociadas al colágeno son:

○ Osteogénesis imperfecta: formación anormal de colágeno en la matriz de los huesos en bebés.

○ Síndrome de Ehlers−Danlos: mutación de glutamato por serina o cisteína.

Estructura del colágeno:

Está en el tejido conectivo (tendones, cartílago, huesos, córnea). Es una estructura muy especial. Su estructura general es G-X-Y (abundancia de glicina y prolina) que forma una hélice levógira y al asociarse forma una triple hélice dextrógira.

Tiene un 21% de prolina e hidroxiprolina. La hidroxilación de Prolina y lisina es muy importante porque añade grupos -OH que permite la formación de puentes de H adicionales para estabilizar la estructura de la triple hélice. La prolilhidroxilasa a partir de alfaketoglutarato y oxígeno molecular hidroxila la prolina en posición 4, produce succinato y CO2. También es necesaria la vitamina C. En el escorbuto no hay hidroxilación del colágeno y la triple hélice se desestabiliza. La glicina permite la aproximación de las 3 hélices porque su resto es pequeño.

Hay patologías asociadas al colágeno, normalmente asociadas a la glicina, que muta por S o C. Entre ellas encontramos la osteogénesis imperfecta (formación anormal de colágeno en la matriz de los huesos en bebés) o el Síndrome de Ehlers- Danlos en articulaciones de adulto.

Question 12

Enfermedades asociadas al colágeno

Answer 12

○ Osteogénesis imperfecta: formación anormal de colágeno en la matriz de los huesos en bebés.
○ Síndrome de Ehlers−Danlos: mutación de glutamato por serina o cisteína.

Question 13

Seda

Answer 13

La seda es una estructura de láminas−β antiparalelas que proyectan sus residuos hacia arriba y hacia abajo.
El empaquetamiento se produce debido a que los residuos son aminoácidos muy pequeños (arginina y glicina) intercalados con otros más voluminosos (alanina). La estructura se encuentra estabilizada por puentes de hidrógeno que se forman entre los residuos que se proyectar desde las láminas−β, con mucha energía de enlace, y a las interacciones Van der Waals.

○ Fibroína de la seda: Está formada por láminas beta antiparalelas, se puede doblar, no se rompe. La estructura se estabiliza mediante puentes de H entre láminas y dispersiones de London. Tiene una
composición de aas muy pequeños como alanina y glicina que permite que las láminas se empaqueten muy cerca unas de otras. La elastina es una proteína que no tiene conformación, por lo que es elástica.

○ Elastina: La elastina es una proteína fibrosa que carece de conformación, lo que le permite ser elástica.

Question 14

Proteínas globulares

Answer 14

Las proteínas globulares se representan como estructura plegadas de forma globular que presentan los residuos polares hacia el exterior para permitir la solubilidad en agua, y los residuos hidrofóbicos en el centro de la molécula.
Tiene huecos donde se pueden localizar los grupos prostéticos. También hay zonas hidrofóbicas para interaccionar en el centro.

Question 15

Motivos o estructuras supersecundarias

Answer 15

Los motivos hacen referencia a agregados físicos preferenciales de estructura secundaria (agregados alfa, beta, o alfa y beta).

Las proteínas están formadas por varios motivos. Algunos tienen funciones específicas, pero otros no tienen funciones. Los motivos pueden ser encontrados como estructuras recurrentes en muchas proteínas.
Existen varios tipos de agregados:
○ Agregados de α−hélices.
○ Agregados de láminas− β.
○ Agregados de α−hélices y láminas− β

Question 16

Agregados alfa t alfa

Answer 16

t simboliza el acodamiento. El t es un acodamiento entre las dos hélices. Si este acodamiento es más largo, unión de Calcio, si es más corto, unión de DNA.

Toda la función proteica está ligada a los acodamientos, que aportan los residuos que determinan la función; la parte alfa y beta son fundamentalmente estructurales.

Este tipo de estructuras aparecen en factores de transcripción que interaccionan con el ADN, y en proteínas que tienen uniones a calcio. En el caso de la unión a calcio, éste se inserta en el acodamiento formado por residuos con carga como el aspártico y el glutamato.

La función de la proteína una vez más viene determinada por los acodamientos, que portan los residuos que marcan la función de la proteína.

Question 17

Agregados beta alfa beta

Answer 17

La torsión del esqueleto polipeptídico a derechas se resuelve con un bucle a derechas que libera la torsión del esqueleto polipeptídico. Esta estructura genera dos capas una encima de la otra, donde una está formada por las láminas−β antiparalelas, y la otra por las α−hélices.
La torsión del esqueleto polipeptídico se resuelve con un bucle dextrógiro. Se generan 2 capas de estructura proteica, por un lado, una lámina beta y por otro una alfa hélice.

Question 18

Dominios

Answer 18

Las proteínas pueden tener un número variable de dominios. Los dominios son unidades independientes de plegamiento de una proteína, y de evolución.

Una proteína puede tener uno o varios dominios, o ser una asociación de varias proteínas. Un dominio es la unidad básica de plegamiento proteico y de evolución proteica. Cada dominio se pliega de forma individual y aislada.

Hay dominios de tipo 1, 2 y 3

Question 19

Dominios de tipo 1 o alfa antiparalelos

Answer 19

Los dominios de tipo I están formados por α−hélices asociadas antiparalelamente. Forman estructuras anfipáticas donde los residuos polares se localizan en el exterior y los hidrofóbicos se encuentran en el núcleo hidrofóbico de la proteína. El centro activo es difícil de localizar (en el centro, entre hélices…).

Las mioglobinas, las hemoglobinas y los citocromos tienen este tipo de dominios

Question 20

Dominios de tipo 2 o alfa beta paralelos

Answer 20

Los dominios de tipo II están formado por la asociación de unidades β−α−β donde todas las láminas β se encuentran en un plano.

 Enrollamiento simple:
las α−hélices quedan todas en un plano. La lámina− β es tan extensa que terminacerrándose por puentes de hidrógeno y formando un barril denominado barril de tipo II α/ β −paralelo, que contiene hacia el interior del barril aminoácidos hidrofóbicos, y con aminoácidos polares en la boca del barril, que es donde se encuentra el centro activo. Encontramos aminoácidos que definen el centro activo de la proteína en los acodamientos que unen alfa con beta. La doble hélice es anfifílica.

 Enrollamiento doble:
las unidades β−α−β se colocan con las α−hélices cada una en una dirección, de manera que se genera una estructura donde la lámina−β tiene α−hélices a ambos lados del plano que forma. El centro activo se localiza en los acodamientos entre el final de la lámina−β con el acodamiento que va en sentido contrario, que posee aminoácidos catalíticamente activos. Los acodamientos que unen el final de
una beta con la que va hacia el lado contrario, contienen los residuos activos.

Question 21

Dominios de tipo 3 o beta antiparalelos

Answer 21

Los dominios de tipo III se forman por repetición de láminas−β antiparalelas que generan barriles−β antiparalelos, donde todos los grupos β discurren antiparalelos. Este tipo de dominios exponen los restos hidrofóbicos hacia el interior y los residuos polares hacia el exterior.

El centro activo se encuentra en el interior hidrofóbico de la estructura tridimensional.

Hablamos de una repetición beta-beta que se unen mediante horquillas. Generan estructuras muy grandes en forma de barril. Son anfiílicas (restos hidrofóbicos hacia dentro y polares hacia fuera).

Question 22

Estructura terciaria

Answer 22

Muchas veces la estructura terciaria de las proteínas coincida con la estructura del dominio. Esto ocurre en proteínas que sólo tienen un dominio. En el resto de las proteínas, los dominios, que son las unidades básicas de plegamiento no constituyen la estructura terciaria.
La agregación de distintos dominios para formar la estructura terciaria pretende ocluir las coanas hidrofóbicas de los distintos residuos, y forman el máximo número posible de puentes de hidrógeno. El sito activo se encuentra la interfase entre dominios.

El plegamiento de cada dominio es independiente, de manera que cada dominio puede tener su tiempo de plegamiento, además, no siempre las zonas próximas en la estructura primaria van a formar parte del mismo dominio. Además, pueden incorporarse grupos prostéticos que confieren la función a la proteína.

Proteínas muy grandes formadas por varios dominios (cada uno se pliega de forma independiente). Es la forma de diversificar proteínas. Cada uno de estos dominios se pliega según su hidrofobicidad y forma el máximo de puentes de hidrógenos. En general cada dominio tiene su función. El sitio activo suele ser en la interfase entre dominios (cuando entran en contacto). La agregación de los dominios se basa en ocluir las zonas hidrofóbicas de los distintos dominios. Los dominios tienden a formarse con regiones próximas de la cadena polipeptídica.

• El dominio rojo se pliega una vez se hayan plegado los otros (limitado por el azul).
• Se pueden incorporar grupos prostéticos.

Question 23

Estructura cuaternaria

Answer 23

La estructura cuaternaria de proteínas implica la asociación de varias cadenas polipeptídicas para formar estructuras mayores. Aporta una funcionalidad distinta al agregarse dominios de proteínas iguales o con distinta función.

Los centros activos se suelen encontrar en las zonas de unión de dominios. La estructura se encontrará muy próxima en el espacio, lo que permite una mayor facilidad de actividad enzimática, por lo que aumenta la velocidad catalítica al disminuir el tiempo de búsqueda del sustrato.
- Asociación de cadenas polipeptídicas. La asociación de proteínas incluye peculiaridades cinéticas. Pueden ser o no simétricas.

Question 24

Proteínas intrínsecamente desordenadas

Answer 24

Las proteínas intrínsecamente desordenadas son proteínas que o bien tienen segmentos desordenados, o están completamente desordenadas. Tienen en su estructura lisina, arginina, glutamato y prolina, su concentración fuerza que la estructura esté indefinida. Van a estar implicadas en señalización o regulación.

Son esenciales en mecanismos de señalización o de regulación de funciones debido a que pueden interaccionar conproteínas muy diversas debido a que son muy promiscuas. Algunas proteínas así son:

• p53: el guardián del genoma, que es un factor de transcripción. Tiene desordenado el extremo C−terminal
• p27: inhibidor de quinasas dependientes de ciclinas.
• IF2: inhibidor ATPasa. Tiene desordenado el extremo N−terminal

Question 25

Funciones de las proteínas globulares

Answer 25

Funciones que no implican la transformación del sustrato:

• Almacenamiento de iones y moléculas (mioglobina y ferritina).
• Transporte de iones y moléculas (hemoglobina y transportadores de serotonina).
• Defensa contra agentes patógenos (inmunoglobulinas: anticuerpos, citoquinas).
• Contracción muscular (actina y miosina). Funciones que implican la transformación del sustrato:
• Catálisis biológica.

Question 26

Interacciones de proteínas con otras moléculas

Answer 26

La unión reversible de la proteína con el ligando es esencial, es por ello por lo que las interacciones de reconocimiento molecular son interacciones débiles no covalentes. El proceso de reconocimiento molecular tiene que ser reversible.

• Alosterismo: proteínas que cooperan entre sí y se regulan entre ellas.
• Anclaje inducido: cuando se une le ligando se produce un cambio conformacional en la proteína que facilita el reconocimiento.
• Cooperatividad: en proteínas con varias subunidades, los cambios conformacionales que sufre una subunidadpueden afectar a las otras.

El ligando es una molécula que se une al centro activo de la proteína mediante interacciones no covalentes débiles transitorias. El ligando (L) se une a la proteína (P) con una constante de asociación, mientras que la constante de disociación indica la separación del ligando y la proteína.
En la unión se forma el complejo Proteína−Ligando cuya constante cinética es ka.

Tras un tiempo la reacción alcanza un equilibrio, donde la proporción de formación y disociación es equivalente. La composición del equilibrio está caracterizada por la constante de equilibrio Ka.

La fracción de ocupación (θ) de los centros activos depende únicamente de la concentración de ligando y de la constante de disociación. La fracción de ocupación resulta ser una ecuación hiperbólica rectangular. Indicaproporción de proteína ligada y proteína libre, es decir, te indica el nº de centros ocupados.

La constante de disociación Kd es un parámetro que indica que el 50% de los centros están ocupados.
La constante de disociación es inversamente proporcional a la afinidad por lo tanto cuanto menor es la Constante de disociación mayor es la afinidad.

La función de saturación de las proteínas que ligan oxígeno se expresa con la presión parcial de oxígeno en vez de con su concentración. La función de saturación es una ecuación de una hipérbola y nos permite obtener la afinidad de la proteína por su ligando (constante de asociación). Cuando el 50% de los centros esté ocupado (la función de saturación mide 0,5), obtenemos Kd o P50. *Cuando el ligando es un gas se pone presión parcial en lugar de concentraciones.

Question 27

Modelos de union

Answer 27

Las proteínas normalmente tienen una alta especificidad por lo que solo ciertos ligando se pueden unir. Para que una proteína se una a su ligando debe ser complementarias en tamaño forma carga y carácter hidrofóbico.

Existen varios modelos que explican la complementariedad entre proteínas y ligandos:

• Llave y cerradura (Fisher): en procesos de reconocimiento molecular, está aceptado el modelo de la llave y la cerradura. Hay especificidad proteína−ligando si tienen complementariedad en el espacio, determinada por su tamaño, forma, carga, e interacciones hidrofílicas e hidrofóbicas.
• Encaje inducido (Koshland): Es el modelo que más se acerca a la realidad. Propone que la máxima complementariedad se alcanza cuando las dos moléculas están unidas debido a que cambia la conformación de ambas, y de esa forma se alcanza la máxima complementariedad.

Question 28

Globinas

Answer 28

Normalmente las proteínas no tienen afinidad por el oxígeno sin embargo algunos metales de transición, como el hierro se unen muy bien oxígeno. Es el caso los compuestos organometálicos como grupo hemo que son capaces de tener afinidad con el oxígeno cuando el hierro se encuentra como Fe2+, pero cuando se encuentra como Fe3+ no tienen afinidad.

Dos proteínas que son capaces de llegar oxigeno son la mioglobina y hemoglobina. La mioglobina se usa como almacén de oxígeno la hemoglobina se encarga de transportar el oxígeno por la sangre hasta los tejidos metabólicamente activos.

La mioglobina (estructura Terciaria) y la hemoglobina (estructura cuaternaria) no ligan oxígeno por sí mismas. Los metales de transición sí ligan oxígeno.

Question 29

El grupo hemo

Answer 29

El grupo hemo es un grupo prostético, que es un anillo de tetrapirrólico qué contiene dos grupos propiónico, 4 grupos metilo y dos grupos vinilo.

Además, tiene un átomo de hierro en el centro con estado de oxidación +2 (si se oxida y pasa a tener un estado de oxidación +3, entonces se une a agua y la proteína debe degradarse) en el centro
del anillo tetrapirrólico. Compuesto organo-metálico que es el grupo Hemo, cuyo átomo fundamental es un átomo de hierro ferroso (+2). El átomo de hierro se combina con:

○ 4 nitrógenos pirrólicos mediante 4 enlaces de coordinación, quedándole dos posibles uniones.

○ En la quinta posición se une a histidina que se encuentra por debajo del plano mediante un enlace de coordinación. A esta histidina se le denomina histidina distal (histidina E7) y es la encargada de dificultar la unión del CO (que sin la histidina distal tiene 20000 veces más afinidad que el oxígeno) disminuyendo su afinidad por el grupo hemo, pero sin afectar a la entrada de oxígeno, es más, hace que cuando se une oxígeno se forme una estructura más estable debido a la formación de puentes de hidrógeno.

○ La sexta posición es el sitio de unión del oxígeno mediante otro enlace de coordinación.

Question 30

Mioglobina

Answer 30

La mioglobina está formada por dos α−hélices unidas por segmentos de conexión (dominio de tipo I). En la estructura globular tienen un hueco donde se sitúa el grupo hemo. Sólo tiene estructura terciaria. Esta proteína tiene una afinidad de 0,2kPa por el oxígeno. A muy poca presión parcial de oxígeno se satura la proteína.

La mioglobina tiene una altísima afinada al oxígeno, es decir, a muy baja presión parcial de oxígeno, la proteína se encuentra saturada, es por ello por lo que no sirve para transportar oxígeno, ya que es muy difícil que lo suelte, pero es muy útil a la hora de almacenar oxígeno.
La mioglobina no cede el oxígeno, por su elevada afinidad, por lo que no puede servir para el transporte.

Si disminuyésemos la afinidad de la mioglobina, sí serviría. Para ello se diseña la estructura cuaternaria. *También hay una histidina proximal.

Question 31

Hemoglobina

Answer 31

La hemoglobina tiene estructura cuaternaria, y está formada por cuatro subunidades, dos α y dos β que se comunican entre ellas.

Dos de las subunidades de la hemoglobina son iguales a las de la mioglobina.

La estructura primaria de la mioglobina y de la hemoglobina son muy diferentes, sin embargo, esto no implica que el Plegamiento sea muy diferente (las subunidades tridimensionales de la hemoglobina son muy similares a la mioglobina), ya que cuando la naturaleza encuentra un plegamiento que realiza una función eficazmente, lo repite.

Algunas regiones se repiten en la estructura primaria de estas proteínas, son las regiones fundamentales para desempeñar su función. Es decir, no necesariamente estructuras primarias distintas tienen estructuras distintas (se preserva el plegamiento).

Question 32

Capacidad transoxigenante de la hemoglobina

Answer 32

La capacidad transoxigenante en la hemoglobina se consigue mediante su estructura cuaternaria. La hemoglobina es un tetrámero de subunidades interconectadas entre sí. Los contactos α1-β1 y α2-β2 son iguales, los que varían son los contactos α1-β2 y α2-β1.

La capacidad transoxigenante de la hemoglobina se consigue mediante su estructura cuaternaria que permite la comunicación entre las subunidades:

○ La comunicación entre las subunidades α1−β1 y α2− β2 son muy rígidas.

○ La comunicación entre las subunidades α2− β1 y α1− β2 pueden variar, confiriéndole a la proteína dos estados:

Estado T (tenso): en este estado, existen más interacciones en la proteína, por lo que es más estable, y la proteína
tiene baja afinidad por el oxígeno.
Estado R (relajado): en este estado, existen menos interacciones en la proteína, por lo que es más flexible, y la proteína tiene alta afinidad por el oxígeno.

Cuando una de las subunidades liga oxígeno la proteína pasa un estado relajado (R) y rompe las interacciones que existían entre las subunidades. Además, se producen otros cambios cambios conformacionales.

La histidina en la hélice H en la posición 3 que está ligada con aspártico cambia de posición y pasa de estar fuera a estar dentro, cerrando de esa forma el hueco interno que posee la desoxihemoglobina. Son estos cambiosconformacionales los que producen los cambios de afinidad en la hemoglobina.

Cuando el átomo de hierro liga oxígeno, entonces éste se mueve hacia el interior del núcleo y tira de la héliceprovocando que se cierre la estructura.

La hemoglobina tiene una curva sigmoide, típica de proteínas alostéricas, que son un tipo de proteínas con estructura cuaternaria donde la interacción del ligando con su centro de unión modifica la afinidad de otras subunidades.

Todos estos contactos hacen que la proteína tenga un estado tenso (de baja afinidad por el oxígeno). En el momento que una subunidad ligue oxígeno, la proteína pasa a un estado relajado debido a la ruptura de estas conexiones.

El hueco del centro del tetrámero se cierra cuando se produce la oxigenación y la histidina HC pasa al interior. El átomo de hierro en la sexta posición de coordinación, liga oxígeno, el hierro se dirige al centro del tetrapirrol, tira de la histidina y cierra la proteína.

Question 33

Reguladores de la unión del oxigeno

Answer 33

El oxígeno es un regulador homotrópico positivo, es decir, es un modulador de la unión de oxígeno que regula la afinidad de las distintas subunidades por oxígeno por un cambio de conformación. Es homotrópico porque es el mismo oxígeno el que se une y regula la afinidad por él mismo.

El 2,3−bisfosfoglicerato (BPG) es un regulador negativo de la afinidad de la hemoglobina por oxígeno. Tiene muchas cargas negativas, que interaccionan con las cadenas β de la desoxihemoglobina, ya que le aporta 6 cargas positivas (3 por cada subunidad þ): una la histidina−2, otra la histidina−143, y otra la lisina. Es un regulador heterotrópico
negativo de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, debido a que estabiliza el estado tenso desplazando el equilibrio al estado tenso de la hemoglobina, porque se une en el hueco entre las dos hélices β que son las que se cierran en la transición de T a R.

Se sitúa en el hueco de la estructura cristalográfica de la hemoglobina estabilizando el estado tenso.

Cuando una de las subunidades de la hemoglobina liga oxígeno, desplaza el BPG, y rompe el estado tenso, lo que provoca que les sea más fácil al resto de subunidades ligar oxígeno.

Interacciona con las cadenas beta de la hemoglobina. Cuando esta se oxigena, se desplaza el BPG por el cambio conformacional. Desplaza la hélice hacia el tetrapirrol. El BPG es un factor heterotrópico (es distinto al ligando, regula la afinidad de las subunidades y la transición de tenso a relajado).

La oxigenación del feto se da mediante la hemoglobina fetal, que presenta algunos cambios frente a la hemoglobinaadulta. Está formada por cuatro subunidades, dos subunidades a y dos subunidades y, además, en vez de tener histidina−143 tienen serina−143, que crea un entorno menos propicio para la unión de BPG, por lo que son más
efectivas y oxigenen mejor.

La hemoglobina fetal tiene una cadena gamma con S143 (serina 143) y tiene mayor afinidad por O2 que la hemoglobina materna.

Question 34

Regulación alosterica

Answer 34

Las proteínas alostéricas son un tipo de proteínas que cuando el ligando se une a un sitio de unión, se altera la capacidad de ligar de otros sitios de unión en la proteína. Puede ser positivo o negativo, y homotrópico, si el ligando normar de la proteína es el regulador alostérico, o heterotrópico, si el ligando que afecta a la proteína no es el ligando normal.

Hay dos modelos para explicar el comportamiento alostérico (concertada y secuencial).

La cooperatividad es un caso especial de alosterismo. El coeficiente de Hill o índice de cooperatividad de Hill (n) mide
el alosterismo de una proteína:

○ n = 1: la proteína no es alostérica; aquellas proteínas que solo alcanzan estructura terciaria, como la mioglobina.

○ n > 1: proteínas con cooperatividad positiva, como la hemoglobina.

○ n < 1: proteínas con cooperatividad negativa.

El BPG es alostérico, se une a la hemoglobina y modula su afinidad (efector heterotrópico). El O2 es un efector homotrópico, induce cooperatividad e induce la unión de más O2 cuanto más O2 se ha unido.

Question 35

Influencia del ph en la hemoglobina

Answer 35

Todos los tejidos metabólicamente activos generan lactato, que es un ácido, por lo que también desprendenprotones, que disminuyen el pH de la sangre de los tejidos. Los protones influyen en la afinidad de la proteína.

Los protones favorecen la protonación de la histidina−146, que cuando se encuentra protonada pierde afinidad por el oxígeno debido a que se une con el aspártico−94 mediante un puente salino estabilizando el estado tenso de la hemoglobina, provocando la oxigenación del tejido.

Esto es lo que se denomina el efecto Bohr.

Es decir, valores de pH más bajos (más ácidos) favorecen el desprendimiento de oxígeno de la hemoglobina, y valores de pH más altos, favorecen que el oxígeno se ligue a la hemoglobina.

Question 36

Transporte de co2 por la hemoglobina

Answer 36

los tejidos metabólicamente activos, además de lactato, también se produce CO2 que debe ser retirado.

De ello se encarga la hemoglobina cuando se produce la carbamilación de las cadenas α y β en el extremo amino terminal.

Este proceso libera un protón que puede contribuir al efecto Bohr, de manera que se ibera oxígeno al tejido, y hace que se formen enlaces salinos que estabilizan aún más el estado tenso de la hemoglobina.
El resto del CO2 se transporta en forma de bicarbonato disuelto formado por la anhidrasacarbónica que tambiénlibera un protón.

La carbamilación de las cadenas alfa y beta de la globina también afecta. El CO2 producido en el metabolismo suele pasar a formar parte del tampón bicarbonato, pero hay un 20% que carbamila los grupos
aminoterminales de las cadenas de la hemoglobina, disminuyendo la afinidad de la hemoglobina por O2.

Question 37

Patologías asociadas a la hemoglobina

Answer 37

La hemoglobina es la causante de múltiples patologías, como es el caso de la anemia falciforme que causa la distorsión de los eritrocitos debido a una mutación puntual en la estructura primaria de la hemoglobina: se cambia un glutámico, que es un aminoácido polar por una valina, que es un aminoácido hidrofóbico, que queda en la superficie de la proteína, por lo que cuando la desoxihemoglobina se encuentra en contacto con el medio, genera interacciones hidrofóbicas que causan la distorsión del eritrocito por la deposición de fibras de hemoglobina desoxigenada.

La anemia falciforme consiste en una mutación puntual en un Glu de la cadena beta que muta a Val. Es decir, un aminoácido cargado negativamente por un aminoácido hidrofóbico. Entonces la Val queda en la superficie hidrofóbica y cuando la Hemoglobina se desoxigena puede interaccionar y unirse a otra Hemoglobina desoxigenada con la misma mutación. Las fibras de Hemoglobina desoxigenada que van precipitando cambian la forma del eritrocito.

Además de la anemia falciforme existen otras patologías debidas a las hemoglobinas denominadas talasemias, que son causadas por mutaciones en el gen de la hemoglobina. Otras relacionadas con alteraciones en el centro activo (histidina), con estructura terciaria modificada, etc.

Question 38

Análisis comparativo de proteínas en estudios evolutivos

Answer 38

EI anáIisis comparativo de proteínas permite, entre otros, comparar Ia estructura primaria de Ias gIobinas de Todos Ios organismos, Io que reveIa que soIo existe 7 secuencias de aminoácidos presentes en todas Ias gIobinas.

Éstas son Ias encargadas de definir Ia actividad de Ias gIobinas, es decir, Iigar oxígeno. Comparando globinas de varios organismos, solo coinciden 7 aas en todos. Estos 7 aas definen la actividad de la proteína.

Los gaps indican “firmas” de los distintos organismos.
El análisis comparativo de secuencias indica la presencia de secuencias consenso que se conservan entre organismos, por ejemplo, el sitio de unión a ATP, o el de unión a calcio (muchos Asp y Glu).

Además, puede verse que Ios organismos deI reino Bacteria presentan espacios, que Ios organismos de Ios reinos Archaea y Eukarya no presentan, por Io que puede saberse que Ias Archaeas y Ios Eucariotas está más cerca evoIutivamente.

Las secuencias consenso son una serie de aminoácidos críticos para que una proteína desempeñe su función.

Mediante eI anáIisis comparativo pueden encontrarse diferencias en Ia estructura primaria de distintas proteínasque permiten crear árboIes fiIogenéticos. En Ias ramas de estos árboIes pueden verse unos números, que son unidades PAM, que indican eI porcentaje de diferencias en Ia estructura primaria. PAM (porcentaje de diferencia
en la estructura primaria a lo largo de la evolución).

No todas Ias proteínas mutan a Ia misma veIocidad. Las mutaciones son aceptadas dependiendo deI grado de refinamiento de Ia estructura proteica. Por ejempIo, Ias histonas apenas han variado, pero Ios fibropéptidos, cuya función es impedir que Ia proteína a Ia que preceden se pIiegue admiten muchas más mutaciones.

Los fibrinopéptidos son las secuencias N-terminales que están por delante de las preproteínas. (puede variar mucho porque no tiene una función muy relevante). Hay varios tipos de mutaciones.

 Mutaciones silenciosas: no afectan actividad

 Mutaciones ganancia de función: introducen actividad nueva en la proteína

 Mutaciones deletéreas: inactivación y rechazada por la evolución

Question 39

Proteínas de membrana

Answer 39

La membrana plasmática es un mosaico fluido en cuyo interior puede haber proteínas que presentan muchos tipos de interacciones. Las proteínas exponen sus dominios globulares hacia Ia cara interior y exterior de Ia membrana.

Las proteínas integrales soIo pueden sacarse de Ia membrana con detergentes que creen un ambiente parecido aI que tiene Ia proteína en Ia membrana.

Las proteínas periféricas pueden estar ancIadas por diferentes medios (proteínas integrales, isoprenoides, ácidosgrasos…), y pueden sacarse de Ia membrana por cambios de pH, con calcio, con fosofoIipasas o con bicarbonato.

También hay muchas formas de orientar la cadena polipeptídica en la membrana (el carboxilo dentro, la amina dentro, varias hélices atravesando la membrana, ancladas por AG o por isoprenoide, etc. Para poder atravesar Ia membrana se requieren de 22 a 25 aminoácidos, que forman α−héIices que están flanqueadas por aminoácidos cargados que ayudan a posicionar Ia héIice en Ia membrana. El dominio EXTRAcelular puede estar glicosilado.

Hay proteínas como la bacteriorodopsina que atraviesan la membrana con varios segmentos helicoidales unidos mediante segmentos de conexión pequeños.

Cuando existe más de un dominio atravesando Ia membrana, Ias α−héIices se unen por segmentos heIicoidaIes de conexión que pueden encontrarse a ambos Iados de Ia membrana pIasmática. Estos segmentos apoIares contienen aminoácidos poIares.

AIgunas proteínas transmembrana son barriIes β antiparaIeIos, distintos a Ios presentes en proteínas gIobuIares, debido a que en su interior se localizan aminoácidos poIares que dejan pasar moIécuIas cargadas por eIIos.

• Los segmentos transmembrana se pueden predecir, están formados por aas apolares. En las escalas de hidrofobicidad, la hidrofobicidad te dice cuáles son estos segmentos helicoidales. También encontramos
  barriles beta antiparalelos. Los barriles por dentro son polares y permiten el paso de sustancias polares.
• Hay varios sistemas de anclaje de proteínas: cadenas poliisoprénicas, AG, etc. Esos sistemas de anclaje están regulados.

Question 40

Trabajo con proteinas

Answer 40

Vamos a trabajar con una proteína mitocondrial de hígado que se une a ATP. Seleccionas el organismo con el que se va a trabajar y se extrae el hígado.

Se hace un homogeneizado (ultrasonidos u homogeneizador). A veces al homogeneizar con homogeneizador se desnaturalizaban las proteínas por la liberación de calor con el rozamiento (se soluciona con un baño de agua con hielo). El homogeneizado se hace en una solución isotónica.

Entonces, se centrifuga (centrifugación diferencial por trasvase de sobrenadantes o centrifugación por velocidad de sedimentación, pinchas el tubo y lo sangras). De esta manera se sacan las mitocondrias.

Una vez se tienen las mitocondrias, tratamos de purificar proteínas. Primero cromatografía con algo que interacciona con la proteína: hidrofóbica (purificas proteínas hidrofóbicas), con cargas + (purificas proteínas negativas), separación por tamaño, etc.

○ De intercambio iónico (diferencia de carga): La columna se puede rellenar con aniones (se llevará a un intercambiador de cationes) o con cationes (se llevará a un intercambiador de aniones).

○ De exclusión molecular (diferencia de tamaño): Consiste en rellenar la columna de bolas con poros. Las proteínas que no caben por los poros salen primero y las pequeñas tardarán más porque recorren todos los poros.

○ Por afinidad (la mejor): Si buscas una proteína que liga ATP, añades resina con ATP y pasas la mezcla heterogénea. Las proteínas que ligan ATP se quedan pegadas a la resina con ATP mientras que las demás
salen. Se sueltan de la resina añadiendo ATP en solución, la proteína se une a este ATP y sale con la solución.