Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y
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Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y conformación ➢ Macromoléculas proteicas ➢ Estructuras secundarias Principios generales Tipos y clasificación Rigidez del enlace peptídico Restricciones Cβ: Ramachandran Estructura general Estructuras secundarias Estructuras supersecundarias ➢ Aminoácidos: sillares ➢ Conformación tridimensional Estructura y tipos Propiedades ácido-base Estructura micelar: Interac. Terciarias Modularidad: motivos y dominios Características químicas Aa y péptidos no proteicos Complejos: interacciones cuaternarias Plegamiento asistido ➢ Plegamiento Amiloides y priones Niveles de organización Desnaturalización y renaturalización Dogma central del plegamiento Enlaces débiles y estabilidad Para © Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original Principios generales Principios generales Enlace peptídico Direccional Polímeros lineales de aa • Lineales, no ramificados ni “anudados” • Autoplegado: secuencia determina forma y función N C Dogma central proteínas traducción 1D 3D Surtido de grupos funcionales • Reactividad química variada Enzimas Modularidad Módulos repetidos en proteínas diversas • Dominios funcionales Interacciones macromoleculares • Construcción de estructuras • Máquinas moleculares • Unión a ligandos Flexibilidad • Dinámicas © 2010 Enrique Castro Calmodulina libre Orgánulos, citoesqueleto Calmodulina unida a su diana 2 Tipos y Clasificación Tipos y Clasificación Nº de cadenas • Monoméricas • Oligoméricas: Subunidades/protómeros/oligómeros Estructura • Fibrosas • De membrana • Globulares Composición no-aa • Simples: sólo aa • Conjugadas: grupo no proteico Holoproteína = apo-proteína + grupo prostético 3 © 2010 Enrique Castro Estructura general de una proteína Estructura general de una proteína Superficie ● interacciones ● polar ● Carga y Forma Enrique Castro, 2003 Centro activo ● pocos aa ● posicionados por el resto Bucles ● superficiales ● móviles Corazón ● enterrado ● hidrofóbico © 2010 Enrique Castro 4 Tamaños de proteínas Tamaños de proteínas Proteínas extracelulares IgG 151 kD Lisozima Insulina 5.7 kD Mioglobina Hemoglobina 16.7 kD 65 kD Proteínas intracelulares Glutamina sintetasa Citocromo c Ribonucleasa 5 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y conformación ➢ Macromoléculas proteicas ➢ Plegamiento Principios generales Niveles de organización Tipos y clasificación Desnaturalización y renaturalización Estructura general Dogma central del plegamiento Enrique Castro, 2003 ➢ Aminoácidos: sillares Estructura y tipos Propiedades ácido-base Características químicas Aa y péptidos no proteicos Enlaces débiles y estabilidad ➢ Conformación tridimensional Rigidez del enlace peptídico Restricciones Cβ: Ramachandran Estructuras secundarias Estructuras supersecundarias Interacciones terciarias y cuaternarias ➢ Problemas de plegamiento Plegamiento asistido Amiloides y priones © 2010 Enrique Castro 6 Aminoácidos: estructura general Aminoácidos: estructura general Grupo -carboxilo • Ionizable • Ácido. • pKa 2,2 Grupo -amino • Ionizable • Básico • pKa 9,4 Carbono • Soporta cadena lateral • Quiral Clasificables: • Tamaño • Forma • Carga • Formación pdH • Polaridad/Hidrofobicidad • Reactividad química Cadena lateral • variable • propiedades químicas numeración de cadena lateral • letras griegas: sin COOH • num. romanos: desde COOH Múltiples clasificaciones aminoácido Lisina © 2010 Enrique Castro 7 Aminoácidos: quiralidad Aminoácidos: quiralidad Carbono : L-aa (S-aa) • Proteínas siempre L (S) • D-aa sólo en péptidos no proteicos Enrique Castro, 2003 L-Alanina D-Alanina L-Gliceraldehído D-Gliceraldehído Configuración absoluta: S © 2010 Enrique Castro 8 Aminoácidos: R alifáticos apolares Aminoácidos: R alifáticos apolares • Hidrófobos: núcleo interno • Ramachandran estándard • No hidrófobo • Muy Flexible (Ramachandran) Orden de hidrofobicidad • Gly polar • Pro • Ala • Met • Val • Leu • Ile • Iminoácido • pKa2 elevado • Muy rígido (Ramachandran) hidrófobo 9 © 2010 Enrique Castro Aminoácidos: R aromáticos Aminoácidos: R aromáticos • Hidrófobos: núcleo interno • Ramachandran estándard Reconocimiento de proteínas R. xantoproteica (cualitativa) R. de Folin (cuantitativa) Enrique Castro, 2003 Zona de absorción de Á. nucleicos Zona de absorción de proteínas + His • Anillo hidrófobo / grupos polares • Absorbancia UV • Tyr: pdH / ionizable carga ⊖ • Trp : pdH Trp: max 280 nm Tyr: max 275 nm Phe: max 260 nm © 2010 Enrique Castro Nelson & Cox, 4ª Ed, p. 80 10 Aminoácidos: R polar sin carga Aminoácidos: R polar sin carga • Hidrófilos: superficie • Ramachandran estándard • Dadores-aceptores pdH • Reactividad química • SH ionizable carga ⊖ • puentes disulfuro • SH reactivo • Cisteín-enzimas • OH fosforilable • OH reactivo • Serín-enzimas • N-glicosilación 11 © 2010 Enrique Castro Cys y puentes disulfuro Cys y puentes disulfuro 2 Cys-SH Cistina oxidación Enrique Castro, 2003 puente disulfuro grupos tiol libres (covalente, estable) reducción • Cys polar • SH ionizable carga ⊖ • SH reactivo © 2010 Enrique Castro • Hidrófobo • No reactivo 12 Aminoácidos: R polares cargados Aminoácidos: R polares cargados • Básicos • Carga ⊕ • Hidrófilos: superficie • Ramachandran estándard • Carga eléctrica His: (aromático) • pKa ≈ neutro • Carga variable • Catálisis ácido-base • Ácidos • Carga ⊖ 13 © 2010 Enrique Castro Clasificaciones de aminoácidos Clasificaciones de aminoácidos Enrique Castro, 2003 AA esenciales • • • • • • • • Leu Ile Lys Met Phe Thr Trp Val His Arg (en jóvenes) © 2010 Enrique Castro AA no esenciales • • • • • • • • • • Ala Asp Asn Cys Glu Gln Gly Pro Ser Tyr Taylor (1986) J.Theor. Biol. 119:205-218. 14 Aminoácidos: propiedades químicas Aminoácidos: propiedades químicas Nelson & Cox, 4ª Ed, p.78 © 2010 Enrique Castro 15 Hidrofobicidad de aminoácidos Hidrofobicidad de aminoácidos Criterio • ΔG transferencia agua:orgánico • aa individual (no resto) • Escala Gly = 0 (referencia) Enrique Castro, 2003 • Distinto a hidropatía • No aplicable al comportamiento en proteínas © 2010 Enrique Castro Devlin 7e Fig. 3.22 16 Propiedades ácido base Propiedades ácido base Zwitteriones • anfóteros • carga dependiente del pH: pI Zwitterion >99,9% No ionizado <0,1% 100% completamente desprotonado % forma forma zwitteriónica completamente protonado pH 17 © 2010 Enrique Castro Titulación de un aa R no ionizable. pI Titulación de un aa R no ionizable. pI carga +1 carga 0 carga -1 2 zonas tampón • 2 pKa Enrique Castro, 2003 punto isoeléctrico • pH al cual carga=0 pH < pI carga ⊕ pH > pI carga ⊖ pI 1 pI = ⋅pKa 1pKa 2 2 © 2010 Enrique Castro 18 Titulación de un aa ácido Titulación de un aa ácido carga +1 carga 0 carga -1 carga -2 3 zonas tampón • 3 pKa punto isoeléctrico • pH al cual carga=0 • pI ácido pH < pI carga ⊕ pH > pI carga ⊖ 1 pI = ⋅pKa1pKa−1 2 pI 19 © 2010 Enrique Castro Titulación de un aa básico Titulación de un aa básico carga +2 carga +1 carga 0 carga -1 3 zonas tampón • 3 pKa Enrique Castro, 2003 punto isoeléctrico • pH al cual carga=0 • pI básico pH < pI carga ⊕ pI pH > pI carga ⊖ 1 pI = ⋅pKa1pKa−1 2 © 2010 Enrique Castro 20 Aminoácidos proteicos modificados Aminoácidos proteicos modificados Modificación pre-traduccional • Seleno-Cys Modificación post-traduccional • • • • • HO-Pro HO-Lys P-Ser, P-Ther P-Tyr γ-carboxi-Glu Hidroxi-Pro Desmosina Fosfo-Ser Asn-N-glicosilado γ-carboxi-Glu 21 © 2010 Enrique Castro Aminoácidos no­proteicos Aminoácidos no­proteicos D-Alanina Estructura • D-aminoácidos • β-aminoácidos Enrique Castro, 2003 β-Alanina Función • Metabolismo • Péptidos -aminobutírico, GABA (neurotransmisor) Ornitina Ciclo de la urea Citrulina © 2010 Enrique Castro 22 Enlace Peptídico: péptidos Enlace Peptídico: péptidos H2O condensación Enlace peptídico covalente estable asimétrico: direccional Mr(aa) ≈ 128 Da (%frecuencia) -1 H2O Mr (restos) ≈ 110 Da Restos o residuos Restos o residuos cadenas laterales esqueleto hidrocarbonado N C Polímero direccional 23 © 2010 Enrique Castro Péptidos y proteínas Péptidos y proteínas • TRF (3) • Oxitocina (9) • Vasopresina (ADH) (9) • Bradiquinina (9) • Glucagón (29) • ACTH (39) • n < 50 • Mr < 6 kD (Insulina) No ribosomales: Enrique Castro, 2003 enzimático D-aa ●ciclados ●fuertemente modificados ● POMC: pro-opiomelanocortina • Glutation (Glu-Cys-Gly) antioxidante • Antibióticos: Glutation: Glu-Cys-Gly oxitocita Ribosomales: por proteolisis Péptidos Vancomicina Ciclosporina Actinomicina Gramicidina • Toxinas: -amanitina CLIP MSH ACTH (39) MSH MSH -LPH LPH Endorfina Proteínas • mínimo: ≈40 aa (autoplegado, unión ligando) • máximo: errores de traducción • promedio: 200-350 aa © 2010 Enrique Castro 24 Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y conformación ➢ Plegamiento ➢ Macromoléculas proteicas Principios generales Niveles de organización Desnaturalización y renaturalización Tipos y clasificación Estructura general Dogma central del plegamiento Enlaces débiles y estabilidad ➢ Aminoácidos: sillares Estructura y tipos ➢ Conformación tridimensional Propiedades ácido-base Características químicas Rigidez del enlace peptídico Aa y péptidos no proteicos Restricciones Cβ: Ramachandran Estructuras secundarias Estructuras supersecundarias Interacciones terciarias y cuaternarias ➢ Problemas de plegamiento Plegamiento asistido Amiloides y priones 25 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Niveles de organización Proteínas: Niveles de organización Estructura Primaria Estructura Secundaria Estructura Terciaria Estructura Cuaternaria Enrique Castro, 2003 La secuencia lineal de aa de la cadena polipeptídica, incluyendo las modificaciones post‑ traduccionales © 2010 Enrique Castro La estructura local del esqueleto peptídico, sin considerar la conformación de las cadenas laterales La estructura tridimensional de una cadena polipeptídica, enfatizando las interacciones NO locales (en secuencia) y entre cadenas laterales que determinan el plegamiento 3D La disposición espacial e interacciones entre cadenas individuales de una proteína oligomérica 26 Estructura primaria Estructura primaria Co-linearidad gen-proteína • Misma direccionalidad Secuencia es Informativa • Secuencia determina plegamiento: Estructura 3D • Secuencias repetidas: modularidad • Secuencia como señal • • • • secuencias secuencias secuencias secuencias Calmodulina: estructura a partir de 4 repeticiones internas degeneradas de localización de ubiquitinación de reconocimiento de glicosilación Sec. glicosilación Sec. localización NLS Sec. reconocimiento Sec. “Señal” Exportación RE © 2010 Enrique Castro Sec. Ubiquitinación vida media Sec. fosforilación 27 Proteínas : estabilidad y desnaturalización Proteínas : estabilidad y desnaturalización Desnaturalización • • • • Proteína desnaturalizada: Cadenas desplegadas y entrelazadas Pérdida de estructura 3D nativa = desplegamiento Sin rotura de Enlaces covalentes (no 1ª) Cooperativa Irreversible (salvo condiciones controladas) Enrique Castro, 2003 Transición rápida: Cooperatividad Tm Desnaturalizantes • • • • • Calor (todos, pdh) Extremos de pH (ionización, salinos, pdh) solventes orgánicos efecto hidrofóbico detergentes caotrópicos (urea, guanidinio·Cl) (pdh) © 2010 Enrique Castro Proteína nativa: Red de enlaces débiles mantiene estructura tridimensional plegada 28 Plegamiento de proteínas: interacciones Plegamiento de proteínas: interacciones Energía de interacción: • Intracatenaria • con solvente Estabilidad termodinámica • Entropía E. hidrófobo • Interacciones intracadena • Interacciones con agua + Efecto hidrófóbico van der Waals (miles) puentes de hidrógeno puentes salinos puentes disulfuro Int. intracadena: pdH, van der Waals Interacciones débiles determinan plegamiento - Balance energético ● ≈ 42 kJ/100 aa ● 0,42 kJ/resto (<kT) Efecto hidrófobo: Agua repele apolares • Estabilidad marginal: fácil desnaturalización • Fusión local: movilidad y flexibilidad Solvatación de cargas y dipolos 29 © 2010 Enrique Castro Plegamiento de proteínas: Dogma Central Plegamiento de proteínas: Dogma Central El Dogma Central del plegamiento • Secuencia determina unívocamente el plegamiento • Estructura determina función Estados metaestables: varias conformaciones Chaperonas: enzimas de plegamiento Enrique Castro, 2003 Evidencias ● Secuencias similares adoptan estructuras análogas ● Renaturalización espontánea (Anfinsen) ura nat s e d ribonucleasa desnaturalizada re-plegada, scrambled n ció liza 1º oxidación 2º diálisis Urea 8M -mercaptoetanol ribonucleasa nativa © 2010 Enrique Castro mal plegada forma metaestable Trazas -ME (catálisis S-S) ribonucleasa desnaturalizada desplegada 1º diálisis 2º oxidación Renaturalización espontánea: Nativo es máximo de estabilidad ribonucleasa nativa 30 Plegamiento de proteínas: mecanismo Plegamiento de proteínas: mecanismo Fersh & Daggett Cell 108:573-82 (2002) Cinética del plegado • Cooperativo • Secuencial, por etapas • Modelos complementarios • nucleación-condensación • colapso hidrofóbico (glóbulo fundido) plegamiento secuencial por retención de intermediarios correctos Entropía, TS • • • • Rigidez del esqueleto peptídico Interacción de los aa con agua (E. Hidrofóbico) Impedimentos estéricos Interacciones entre cadenas laterales de aa • electrostáticas • pdH • van der Waals Glóbulo fundido Dill et al. Nature Structural Biol. 4:10-19 (1997) © 2010 Enrique Castro Estructura Nativa % restos bien plegados Determinantes del plegamiento Energía libre, G • Efecto hidrofóbico domina el proceso • Est. secundaria por interacciones locales • Estabilizadores internos: • puentes de H • puentes salinos • puentes disulfuro 31 El embudo energético de plegamiento El embudo energético de plegamiento Proteins fold into their correct minimal-energy configuration because of the physicochemical properties of their Enrique Castro, 2003 amino acid sequence. Proteins fold rapidly because amino acids interact locally, thus limiting the conformational space that the protein has to explore and forcing the protein to follow a funnel-like energy landscape that allows it to fold quickly. Dobson, C. M. Protein folding and misfolding. Nature 426, 884–890 (2003) doi:10.1038/nature02261 © 2010 Enrique Castro Protein Misfolding and Degenerative Diseases By: Enrique Reynaud, Ph.D. (Instituto de Biotecnologia, Universidad Nacional Autonoma de Mexico) © 2010 Nature Education Citation: Reynaud, E. (2010) Protein Misfolding and Degenerative Diseases. Nature Education 3(9):28 32 Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y conformación ➢ Macromoléculas proteicas ➢ Plegamiento Principios generales Niveles de organización Tipos y clasificación Desnaturalización y renaturalización Estructura general Dogma central del plegamiento Enlaces débiles y estabilidad ➢ Aminoácidos: sillares ➢ Conformación tridimensional Estructura y tipos Propiedades ácido-base Rigidez del enlace peptídico Restricciones Cβ: Ramachandran Características químicas Aa y péptidos no proteicos Estructuras secundarias Estructuras supersecundarias Interacciones terciarias y cuaternarias ➢ Problemas de plegamiento Plegamiento asistido Amiloides y priones 33 © 2010 Enrique Castro Enlace peptídico: restricciones estéricas Enlace peptídico: restricciones estéricas Estructura plana • 6 átomos en el mismo plano • N, CO: hibridación sp2 (triangular) • Doble enlace parcial: rígido (ángulo ) Enrique Castro, 2003 • Dipolo permanente • trans (=180º) > cis (=0º) CA formas resonantes estabilización por resonancia Gres= -88 kJ·mol-1 O 1.24Å 121º 125º 123º 1.46Å 1.32Å C 114º 1.51Å N 123º 114º • doble enlace deslocalizado • dipolo permanente 1.08Å H CA + Distancias y ángulos de enlace en el plano peptídico © 2010 Enrique Castro 34 E. peptídico: formas cis­trans y ángulo E. peptídico: formas cis­trans y ángulo =180º =0º forma trans sin impedimento estable forma cis impedimento estérico C menos estable imino: no existe en aa normal impedimento estérico con cadena lateral aa-1 peptidil-Pro ambas formas poco estables: interconvertible cis-trans peptidil-Pro 35 © 2010 Enrique Castro Impedimentos estéricos Cβ: ángulos Impedimentos estéricos Cβ: ángulos yy Esqueleto limita conformación • Restos emparedados entre planos • Rotación C-N: ángulo • Rotación C-CO: ángulo Enrique Castro, 2003 por esqueleto • Rotámeros R H ángulo fijo, rígido. ángulos , muy variables interacciones intra-esqueleto limitan , Interacciones con R (C) limitan aún más C N C O C H C R H R Muchas combinaciones causan colisiones entre átomos: repulsión estérica Rotámeros con ciertos valores de , son más estables que otros =0º, =0º =0º, =180º =180º, =0º colisión O-O colisión O-HN colisión NH-HN radio de vdW © 2010 Enrique Castro =-60º, =180º sin colisión giro 120º aleja CO de R radio de vdW 36 Ángulos Ángulos yy :: Diagrama Diagrama de de Ramachandran Ramachandran energía conformacional esqueleto-C G = (,) Conformación permitida G < 0 ángulo Sin repulsiones C R-esqueleto G > 0 Impedimentos estéricos C Zona prohibida Choque estérico CR-esqueleto: Energía de repulsión ángulo La presencia de R limita la flexibilidad conformacional Gly no tiene CR: Sin impedimento. En cualquier lugar de Ramachandran 37 © 2010 Enrique Castro Estructuras secundarias Estructuras secundarias Características Est. Secundaria • Interacciones locales, corta distancia • Interacciones intra-esqueleto (no laterales) • Repetitivo, regular Enrique Castro, 2003 de Hidrógeno • Puentes • Hélices • -Hélice • Colágeno levo ángulo Elementos secundarios Estructuras reales levemente distorsionadas: más estables dextro • , 310, 610 • Láminas • Hojas Estructuras secundarias se hallan en las regiones más estables de Ramachandran: (paralelas, antiparalelas, mixtas) • Giros • Giros (tipo I, tipo II) Autoplegado espontáneo • Giros © 2010 Enrique Castro lecture-03-sep09.pdf p.23 ángulo 38 Estructuras secundarias: Hélice Estructuras secundarias: Hélice Estructura en -Hélice • ángulos :-59º; ángulo :-47º (dextro) • direccional: dipolos orientados • Enlace pdH axial, n n+4 Estructura muy estable: plegado espontáneo Parámetros de la hélice ● dextrógira ● paso de rosca: 0,54 nm ● aa por vuelta: 3,6 ● giro por aa: 100º ● avance por aa : 0,15 nm i i+4 i i+4 C-terminal 0,54 nm 3,6 aa pdH alineados Estabilidad estructural • Ángulos , en pozo de potencial • Dipolos de pdH alienados • Radio de la hélice permite interacciones de van der Waals tranversales • Cadenas laterales hacia fuera y escalonadas: reduce impedimentos estéricos 0,15 nm N-terminal Garret & Grisham (1999) © 2010 Enrique Castro 39 Hélice : cadenas laterales Hélice : cadenas laterales Compacta. Interacciones trans-axiales Enrique Castro, 2003 Cadenas laterales hacia afuera Cadenas laterales escalonadas 3,6 planos por vuelta Hélice dextrógira © 2010 Enrique Castro 40 Hélice : secuencia y estabilidad Hélice : secuencia y estabilidad Restricciones a la estabilidad • Int. electrostática entre aa i, i+1 Cadenas laterales adyacentes: poco espacio para ramificación • Impedimento estérico R aa i, i+1 ramificación en C: Val, Ile, Thr • Competición de R por pdH polares sin carga: Ser, Asn • Interacciones R aa i, i+3(4) • Presencia Pro, Gly • Estabilización dipolo terminal ⊖ ⊕ aa R R ⊕ estabilizantes ⊖ desestabilizantes aa R R ⊕ desestabilizantes ⊖ estabilizantes 41 © 2010 Enrique Castro Otras estructuras secundarias en hélice Otras estructuras secundarias en hélice Hélice (4,416) Hélice2003 310 Enrique Castro, Sin phH cinta n+2 n+4 n+5 Patrón de conexión de puentes de Hidrógeno © 2010 Enrique Castro Hélice de colágeno ● =-54º =+155º ● levógira ● aa por vuelta: 3,3 ● avance por aa : 0,29 nm 42 Estructuras secundarias: hojas Estructuras secundarias: hojas Estructura en Hoja • ángulos : -120º -140º; ángulo :+113º - +135º • esqueleto extendido • Múltiples hebras • Enlace pdH intercatenario, transversal cadenas laterales opuestas 0,35 nm Parámetros de la hélice ● aa por vuelta: 2 ● giro por aa: 180º ● avance por aa : 0,35 nm Hebra Conformación Estabilidad estructural • Ángulos , en pozo de potencial amplio: distorsiones, entropía • Cadenas laterales opuestas: mínimo impedimento estérico 43 © 2010 Enrique Castro Tipos de láminas Tipos de láminas Parámetros ● =-139º =+135º Enrique Castro, 2003 ● avance por aa : 0,35 nm N C Antiparalelas C N 0,70 nm Mixtas en cualquier disposición Puentes H intercatenarios 0,65 nm N C Parámetros ● =-119º =+113º ● avance por aa : 0,32 nm Paralelas N © 2010 Enrique Castro C 44 Alabeo de láminas Alabeo de láminas Torsión de la hebra ● CO gira alejándose del R ● Torsión levógira -25º Vista de frente Zona amplia. Láminas admiten muchas distorsiones Vista lateral Hexoquinasa, dominio I Pleiotrópicas Barril beta en la proteína ligadora de ácidos grasos 45 © 2010 Enrique Castro Estructura secundaria: Giros Estructura secundaria: Giros Giros • 4 aa; C < 7Å • pdH, i i+3 • 8 tipos según conformación Enrique Castro, 2003 Tipo I acodamientos de cadena enlazan hebras ● bucles superficiales ● Tipos II, II': i+2 sólo Gly ● i i+3 Giros i+1, sólo Pro Tipo II • 3 aa; • pdH, i i+2 • i+1: Pro i i+2 © 2010 Enrique Castro 46 Probabilidad de estructura secundaria Probabilidad de estructura secundaria pro-hélice ● pequeños (A) ● alifáticos sin carga (L, F) anti-hélice; pro-lámina ● polares (S) ● ramificados (V, I, T) Gly: flexible, lugares prohibidos giros Pro: rígido cis: giros 47 © 2010 Enrique Castro Estructura modular de proteínas Estructura modular de proteínas Est. Supersecundarias / Motivos • combinaciones de elementos secundarios • autoplegado • pequeños, Enrique Castro, 2003 • no estables por si mismos Bucle -- Esquina - Motivo: 3. m. En arte, rasgo característico que se repite en una obra o en un conjunto de ellas. Mano EF Dominios • Autoplegado independiente • Estables por si mismos Estructura modular de la Calmodulina 4 esquinas -, Manos EF © 2010 Enrique Castro 48 Estructura terciaria: conformación tridimensional Estructura terciaria: conformación tridimensional Plegamiento Definición: La estructura tridimensional de una cadena polipeptídica, enfatizando las interacciones NO locales (en secuencia) y entre cadenas laterales que determinan el plegamiento 3D • organización de estructuras secundarias • colapso hidrofóbico • optimización de interacciones entre cadenas laterales • resulta una estructura 3D • estabilidad marginal; 0,4 kJ/mol/aa Muchos elementos secundarios Múltiples motivos Uno o más dominios Estructura micelar de proteínas solubles ● ● ● ● Estructuras 3D surgen de interacciones de larga distancia (no locales) Plegamiento dominado por AGUA (efecto hidrofóbico) Núcleo hidrofóbico aa distribuidos asimétricamente Unas interacciones en núcleo, otras en superficie ● ● ● 100% Int. Electrostáticas puentes de H Int. van der Waals 17% 16% Homología de secuencia Estructura terciaria mejor conservada que la secuencia ● mutaciones conservativas © 2010 Enrique Castro Hemoglobina humana (cadena ), sangre Mioglobina humana músculo leghemoglobina altramuz 49 Estructura micelar de proteínas Estructura micelar de proteínas Mioglobina muscular de cachalote Vista de superficie (van der Waals) Vista Est. secundaria (transparente, aa internos) Enrique Castro, 2003 pocos aa apolares expuestos al solvente aa apolares enterrados Resultado del Efecto hidrófóbico aa polares en superficie Vista en corte (van der Waals) © 2010 Enrique Castro Empaquetamiento compacto ● fracción de volumen 0,72-0,75 ● van der Waals 50 Interacciones terciarias Interacciones terciarias Int. Iónicas (puentes salinos) ● grupos cargados ● omnidireccionales ● dependiente del pH (pKa cambia en interior) ● En superficie interacciones terciarias ● ● cadenas laterales no locales Puentes de H ● esqueleto/cadenas laterales ● baja energía (estabilidad) ● direccionales ● En superficie, en el interior y con agua interacciones secundarias: locales, esqueleto Puentes disulfuro ● Cys ● limita flexibilidad ● Catalizado enzimáticamente Fragmento de lámina de la Lisozima (redox) ● Proteínas extracelulares Int. Hidrofóbicas ● cadenas laterales apolares ● omnidireccionales ● ver der Waals ● no depende del pH ● En el interior 51 © 2010 Enrique Castro Plegamiento: Dominios Plegamiento: Dominios Dominio "Within a single subunit [polypeptide chain], contiguous portions of the polypeptide chain frequently fold into compact, local, semiindependent units called domains." (Richardson, 1981) Enrique Castro, 2003 Inmunoglobulina G (IgG) ● 4 cadenas (2H+2L) ● repeticiones internas no idénticas: dominios ● Unión por p. disulfuro Dominio tipo Ig: Unidad independiente de plegado Variable: unión a antígeno Constante: estructural © 2010 Enrique Castro puentes disulfuro Estructura conservada Secuencia degenerada 52 Dominios: funciones modularizadas Dominios: funciones modularizadas Unión proteína-proteína • • • • Dominios Dominios Dominios Dominios Unión a DNA SH2: unión fosfo-Tyr PTB: unión fosfo-Tyr SH3: unión poli-Pro Death (DD): unión homotrópica • Dom. en dedos de Zn • Dom. cremalleras de Leucina • Homeodominios Función de proteína = Suma de funciones de sus dominios Unión a membrana • Dominios PH: unión a PIP (membrana) • Dominios C2: unión a PS (membrana) Catalíticos (u. al sustrato) • Dom. quinasa (S/T, Y) • Dom. GTPasa 53 © 2010 Enrique Castro Dominios proteicos: ejemplos Dominios proteicos: ejemplos Constante: estructural Enrique Castro, 2003 péptido pY PIP Dominio SH2: Dominio PH: Unión a fosfo-Tyr Unión a PIP Unión a diana DNA Leu: dimerización D. Cremallera de Leu Unión a DNA © 2010 Enrique Castro Zn une la estructura hélice de reconocimiento de DNA D. Dedo de Zinc Unión a DNA 54 Estructura cuaternaria Estructura cuaternaria Ensamblaje de subunidades • vía enlaces no covalentes (raramente -S-S-) • Homo/heterotrópico • proteínas solubles / estructuras macromoleculares Definición: La disposición espacial e interacciones entre cadenas individuales de una proteína oligomérica Interacciones cuaternarias -8 -16 ● K típicas: 10 -10 M d asoc ● G ≈50-100 kJ/mol ● Entropía por ordenamiento de cadenas (desfavorable) ● (muy favorable, y vdW) interacciones no covalentes puentes disulfuro Entropía por ocultamiento de apolares Ventajas de la estructura oligomérica ● Estabilidad: reducción ratio S/V (ocultamiento de hidrofóbicos) ● Economía y eficiencia genéticas (síntesis rentable, reusabilidad) Inmunoglobulina G (IgG) ● 4 cadenas (2H+2L) ● Unión por p. disulfuro ● ● ● Reunión de sitios catalíticos: eficacia Cooperatividad: respuestas todo o nada Alosterismo: regulación (HH y LH) 55 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Plegamiento y conformación Proteínas: Plegamiento y conformación ➢ Macromoléculas proteicas ➢ Plegamiento Principios generales Niveles de organización Tipos y clasificación Desnaturalización y renaturalización Estructura general Dogma central del plegamiento Enrique Castro, 2003 ➢ Aminoácidos: sillares Estructura y tipos Enlaces débiles y estabilidad ➢ Conformación tridimensional Propiedades ácido-base Rigidez del enlace peptídico Características químicas Restricciones Cβ: Ramachandran Aa y péptidos no proteicos Estructuras secundarias Estructuras supersecundarias Interacciones terciarias y cuaternarias ➢ Problemas de plegamiento Plegamiento asistido Amiloides y priones © 2010 Enrique Castro 56 Plegamiento asistido: chaperonas Plegamiento asistido: chaperonas Familia Hsp70/Hsp90: chaperonas • Bajo Mr • Unión a zonas hidrofóbicas • Previene agregación/plegamiento prematuro • HSP70 ubicuo (citosol/RE) • HSP 90 (citosólico) Chaperona Hsp70/Hsp90 Familia Hsp60: chaperoninas • Complejo macromolecular: cavidad de plegado • Plegamiento asistido (catálisis) • ATPasas: plegado ATP-dependiente Enzimas coadyuvantes (RE) • Proteína disulfuro isomerasa (PDI) • Peptido-Prolil cis-tras isomerasa (PPI) Chaperonina Hsp60 (exclusivo citosol) 57 © 2010 Enrique Castro Plegamiento catalizado por GroEL/GroES Plegamiento catalizado por GroEL/GroES Enrique Castro, 2003 Catálisis del plegamiento ● plegado en recinto cerrado ● restringir la libertad conformacional Gasto de ATP inversión de G para aumentar S © 2010 Enrique Castro 58 Estructura y función de GroEL­GroES Estructura y función de GroEL­GroES 59 © 2010 Enrique Castro Problemas de plegamiento: amiloides Problemas de plegamiento: amiloides Enrique Castro, 2003 Conformación alternativa Agregación espontánea Formación de fibras © 2010 Enrique Castro 60 Problemas de plegamiento: priones Problemas de plegamiento: priones Estados metaestables • Conversión • polimerización conformaciones alternativas interconvertibes irreversible PrP • asociación • polimerización • fibrilogénesis PrPsc daño celular Sección de cortex cerebral Encefalopatía espongiforme Creutzfeldt-Jakob Conversión inducida de PrP endógena © 2010 Enrique Castro Enrique Castro, 2003 61
