Tema 5 - Estructura de las proteínas (II)

Reordenación de apartados:
Estructura terciaria. Fuerzas que estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas. Plegamiento, desnaturalización y renaturalización.
Estructuras supersecundarias.
Estructura cuaternaria de las proteínas.
Proteínas fibrosas: colágeno, elastina y queratinas. Proteínas globulares. Proteínas plasmáticas e inmunoglobulinas.

+ Introducción a técnicas de estudio de las biomoléculas: electroforesis y cromatografía

Estructura terciaria. Fuerzas que estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas. Plegamiento, desnaturalización y renaturalización.

Cap. 7: pp. 101, 104, 106, 114-116. y Biomodel-1 > Proteínas > Terciaria (apartados esenciales: Estructura terciaria | Estructuras supersecundarias | Efecto hidrófobo)

Concepto de estructura terciaria.

¿Qué estabiliza la estructura 3D?

• Afecta a la secundaria, terciaria y cuaternaria
• Fuerzas débiles, “enlaces débiles”, no covalentes (casi todos), débiles pero muy numerosos Descripción más detallada en cap. 3.2, pp.64-66
• Enlaces de hidrógeno o “puentes” de hidrógeno
• Fuerzas electrostáticas = enlaces iónicos = “puentes salinos”
• Fuerzas de Van der Waals (contacto)
• Hidrofobia (polaridad) = aislamiento o “exclusión” del agua, falta de interacción - animación en Biomodel
  • El efecto hidrófobo es la fuerza principal que determina el plegamiento de las proteínas.
    • Los residuos aminoácidos menos polares (hidrófobos) se colocan preferentemente al interior.
      Los polares (hidrófilos) al exterior, en contacto con el agua.
    • Esto permite aumentar la entropía del agua, lo que favorece termodinámicamente el sistema
    • Ilustración del efecto hidrófobo, sobre la lisozima, en Biomodel-1.
    • Explicación en Universidad de La Laguna
• Enlaces o “puentes” disulfuro (*covalentes)

Complemento para profundizar en las interacciones no covalentes: (páginas de la Universidad de La Laguna)

Ejemplos de estructura terciaria (y cuaternaria)

• proteínas solubles
• proteínas de membrana

Estructuras supersecundarias, motivos estructurales y dominios

Biomodel-1 > Proteínas > Estructuras supersecundarias (Opcional: refuerzo en Cap. 5, pp.131-133)

(Son componentes de la estructura terciaria.)

Estructura supersecundaria: agrupación en el espacio de varios tramos de estructura secundaria, habitualmente correlativos en la primaria, dispuestos siempre de una misma forma en el espacio debido a interacciones débiles entre ellos. Aparecen recurrentemente en proteínas diferentes. Se pueden considerar un nivel de organización intermedio entre la secundaria y la terciaria.

Motivo estructural: plegamiento de una parte de la proteína que se repite en otras muchas, relacionado con una función común; típicamente coincide con una estructura supersecundaria.

Dominio: plegamiento tridimensional de una parte importante de una proteína, que adquiere su estructura compacta y globular de modo independiente del resto de la proteína. Normalmente una proteína tendrá 2 o 3 dominios como máximo, cada uno con su estructura terciaria y con una conexión flexible con el resto. Sin cumplir este requisito, se habla a veces de dominios para regiones asociadas a una función o una interacción con otra molécula.

Plegamiento de las proteínas

Cap.7: pp.114-116

• Concepto fundamental en bioquímica / biología estructural:
  Una proteína tiene una sola estructura más estable, siempre la misma: estructura nativa. Una secuencia determina una estructura terciaria.
• 1D => 3D una secuencia ==> una estructura nativa
• Interesante su predicción, pero muy difícil
• Polaridad y plegamiento
• Espontáneo, si son pequeñas
• En general, asistido por otras proteínas especializadas (carabinas moleculares)
• Se suele estudiar a la inversa, desplegando (desnaturalización)
• Condiciones desnaturalizantes: ¿qué provoca la desnaturalización? (en el laboratorio, principalmente)
  • Todo aquello que altere las fuerzas estabilizantes:
  • Cambios de pH. Nota: precipitación en el pI
  • Disolventes menos polares. Nota: desnaturalización por etanol
  • Detergentes: SDS (dodecilsulfato sódico, laurilsulfato sódico), Triton-X100, Tween-20...
  • Urea, guanidinio
  • Cambios de fuerza iónica (concentración de sales)
  • Cambios de temperatura
  • Acción mecánica (agitación, trituración)

Estructura cuaternaria (asociación)

Cap.7: pp. 107-108 y Biomodel-1 > Proteínas

• Asociación de varias cadenas, varias “subunidades”, multimolecular no covalente, en general
  • espontánea
  • asociada a la función
  • a veces covalentes (“entrecruzamientos”): disulfuro o de otros tipos (ejemplos específicos)
• Homo- o heterómeros
  • homodímero, heterodímero, heterotetrámero
• Ejemplos
  • hemoglobina α₂β₂
  • inmunoglobulina IgG: H₂L₂
  • fosforilasa del glucógeno: A₂
  • proteínas G: αβγ
  • RNA polimerasa (E. coli): α^Iβ’βα^IIωσ
  • tropocolágeno: A₃
  • fibrinógeno: (αβγ)₂

Proteínas fibrosas: colágeno, elastina y queratinas

• Estructuras alargadas
• Estructura secundaria: sí, repetitiva
• Estructura terciaria: no se considera
• Estructura cuaternaria: sí
• Se agregan formando fibras
• Generalmente poco solubles
• Función estructural: resistencia mecánica
  • Queratinas: pelo, lana, uñas, piel
  • Colágeno: tejido conectivo / conjuntivo; matriz extracelular; soporte de órganos; piel, hueso, tendones, córnea
  • Elastina: tejido conectivo
  • Fibrinógeno y fibrina: soporte de los coágulos
  • Tropomiosina: músculo

Queratinas

Fig. 10.18 en p.179 .

• Queratinas α en pelo, lana, uñas, piel
• Sucesivas agrupaciones de proteína en hélice alfa forman fibras.

Colágeno

Cap. 49: pp. 939-941 .

Proteína mayoritaria (en masa) en vertebrados

• Estructura secundaria propia: “hélice del colágeno”; 3 residuos / vuelta, hacia la izquierda
• Composición singular Gly, Pro, Hyp mayoritarios
• Aminoácidos modificados: hidroxiprolina, hidroxilisina. La hidroxilación requiere ascorbato (vit.C)
• Estructura cuaternaria: triple hélice, hacia la derecha
• Porción central fibrilar, extremos más globulares
• Enlaces covalentes que entrecruzan cadenas
• El grado de entrecruzamiento va aumentando con la edad

Estructura del tropocolágeno: Biomodel-1 > Proteínas > Secundaria y Cuaternaria

Formación de fibrillas y fibras

Suplemento opcional ilustrativo: cuadro de "Aplicación clínica 3.4": Síntomas de las enfermedades relacionadas con una síntesis anormal de colágeno

Elastina

Cap. 49: pp. 943-944 .

• Abunda en ligamentos, pulmón, paredes arteriales, piel
• Resistencia mecánica pero con elasticidad
• Sin estructura secundaria regular; estructura 3D aleatoria, variable
• Alto grado de entrecruzamiento entre cadenas aporta la elasticidad
• Enlaces cruzados:
  lisina + al-lisina -> lisinonorleucina
  lisina + 3 al-lisinas -> desmosina

Proteínas globulares: proteínas plasmáticas, inmunoglobulinas

Proteínas globulares

• Forma elipsoidal, compacta generalmente
• Solubles
• Estructura terciaria, algunas cuaternaria
• Interior predominantemente hidrófobo, apolar; exterior polar

Proteínas plasmáticas

• Cap. 45: pp.859-860
• myEndoConsult.com : Plasma proteins – A comprehensive review ( Overview of plasma proteins | Types of Plasma Proteins | Measurement of Plasma Proteins )
• BioNinja.com : Plasma Proteins

Conceptos clave:

• Componentes mayoritarios del plasma sanguíneo
• Generalmente aniónicas al pH de la sangre (7,4)
• Muy diversas
• Se agrupan según su comportamiento en electroforesis (su carga, su pI)
  • prealbúmina
  • albúmina: mayoritaria; función: presión oncótica, tamponamiento, transporte de ácidos grasos
  • globulinas alfa₁ , alfa₂ , beta, gamma₁ , gamma₂. fig.3.20
• Electroforesis sobre acetato de celulosa o en geles de agarosa, típicamente con un tampón de pH=8,6
• Utilidad diagnóstica a través de los cambios en la abundancia de cada tipo de proteína plasmática: figura 3.21
  Suplemento opcional ilustrativo: cuadro de "Aplicación clínica 3.1": Las proteínas plasmáticas en el diagnóstico médico

Simulador de perfiles electroforéticos normlaes y patológicos

Gamma-globulinas: anticuerpos

Cap. 7: pp.111-113 y Biomodel-1 > Proteínas > Cuaternaria

• Función de los anticuerpos
• Gran diversidad en su especificidad por un antígeno, pero estructura común en su mayor parte
• Estructura de las IgG
  • 4 cadenas: 2 pesadas (H) y 2 ligeras (L)
  • enlaces disulfuro
  • región constante y región variable
  • oligosacáridos unidos covalentemente: es una glicoproteína
  • 3 brazos, cada uno con 4 motivos estructurales similares: "plegamiento de inmunoglobulina" (2 láminas beta apìladas)
  • dominios F_ab y F_c
  • interacción con antígeno: dominios F_ab , región variable, ambas cadenas H y L
• Comparación de estructura IgA, IgD, IgE, IgG, IgM Encyclopædia Britannica
• Suplemento opcional ilustrativo: cuadro de "Aplicación clínica 9.2": Funciones de las diferentes clase de anticuerpos

Técnicas de estudio de las biomoléculas: técnicas de separación

p. 158-160

Opcional como refuerzo o ampliación:
Roca, Oliver, Rodríguez - Bioquimica: técnicas y métodos (2004) Hélice. Acceso al texto completo para UAH (eLibro) Cap.9: pp. 118-121, 122-123, 133.

Electroforesis

Basada en la diferente movilidad en un campo eléctrico.

• Variable determinante: carga eléctrica de la molécula. En algunos casos: tamaño de la molécula.
• Electrodos:
  • ánodo: hacia donde se mueven los aniones
  • cátodo: hacia donde se mueven los cationes
• Soporte de la electroforesis (medio en el que se moverán las moléculas)
  • Papel, acetato de celulosa: superficial, baja fricción
  • Gel: malla tridimensional, fricción, retarda el avance -- almidón, agarosa, poliacrilamida

Fundamentos (basta con los apartados "Definición" y "Medios de soporte")

Cromatografía

• Basada en la diferente movilidad entre dos medios:
  • Fase estacionaria (frecuentemente sólida)
  • Fase móvil (frecuentemente líquida)
• Variable determinante: interacción, afinidad, por cada fase.
• Tipos:
  • de reparto
  • de adsorción
  • de intercambio iónico
  • de afinidad
  • de exclusión molecular (cap.2)
• Formato:
  • plana (en capa fina)
  • en columna

Fundamentos (basta con los apartados 1 a 3.5)

Separación de moléculas sobre una capa fina (CanalDivulgación, Instituto de Química Orgánica General, CSIC)

Separación de moléculas en una columna (Biomodel)

Cromatografía de exclusión molecular, o filtración en gel (Cytiva)

Cromatografía de exclusión molecular, o filtración en gel (Biomodel)

-fin-