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Proteínas: Relación Estructura - Función Proteínas
Proteínas: Proteínas: Relación Relación Estructura Estructura -- Función Función ➢ Macromoléculas proteicas Funciones genéricas ➢ Proteínas fibrosas Estructura general: fibras Queratinas ➢ Propiedades fisico-químicas Ácido-base Solubilidad Colágeno ➢ Proteínas de membrana Unión Reactividad química Estructura general Topología de membrana Inserción en la membrana ➢ Proteínas globulares: Hemoglobina Estructura de Mioglobina y Hemoglobina Curvas de unión de O2: transporte Cambio conformacional y cooperatividad Hemoglobinas mutadas: A. falciforme Para © Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original Proteínas: funciones generales Proteínas: funciones generales Fosforilasa Prot. Quinasas DNA-, RNA-polimerasas Enzimas • Metabolismo • Señalización • Expresión génica Actina, Queratinas,Tubulina Distrofinas Colágeno Estructural • Citoesqueleto • Orgánulos, membranas • Matriz extracelular Transporte • Intracelular • Extracelular Importinas/ exportinas Hemoglobina Albúmina sérica Almacenamiento • Ligandos unidos • Proteína Ferritina Ovoalbúmina Catálisis Cinesinas Dinamina Miosinas interacciones macromoleculares Motores moleculares • Transporte intracelular • Movimiento celular Regulación • Señalización • control génico Defensa • Sistema inmune © 2010 Enrique Castro unión de ligandos Receptores GPCR Factores de transcripción Factores MHC Inmunoglobulinas 2 Propiedades de las proteínas Propiedades de las proteínas Propiedades: Espectroscópicas: absorción a 280 nm (W,Y) (W es fluorescente) 212 nm (peptídico) Ácido-base: anfóteras carga neta depende del pH Solubilidad: solubles en agua Precipitan por: • tricloroacético • HClO4 insolubles en solventes orgánicos dependencia de pH e I Estabilidad: desnaturalización por calor hidrólisis Etanol, cloroformo Nelson & Cox, 4ª Ed, p. 80 Reconocimiento: Reacción del Biuret Reacción xantoproteica © 2010 Enrique Castro 3 Dadores y aceptores de pdH en proteínas Dadores y aceptores de pdH en proteínas Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 4 Proteínas: propiedades ácidobase Proteínas: propiedades ácidobase Anfóteras • Grupos ácidos y grupos básicos Carga depende del pH Punto isoeléctrico Curva de titulación de hemoglobina + 75 Equivalentes añadidos • pH al cual carga=0 ++ + + + + + positiva ácido 50 pI=6.8 25 +− 0 0 Carga − neta − 25 – 50 −− 75 base Negativa 2 pH 4 6 <pI Carga neta ⊕ 8 pH 10 + − + 12 − − − − − >pI pH Carga neta ⊖ 5 © 2010 Enrique Castro Proteínas: grupos ionizables Proteínas: grupos ionizables Enrique Castro, 2003 - pH = pK a log [A ] [ HA] © 2010 Enrique Castro Berg, Tymoczko, Stryer 6ª Ed. p. 33 6 Proteínas: Solubilidad y pH Proteínas: Solubilidad y pH Solubilidad (mg/ml) de la β-lactoglobulina ++ + + + + + ++ + + + + + − − − − − −− repulsión + + + + + + + −− − − − − − repulsión + + + − − − − − − − + +++ pH<pI carga neta + − −− − − − − pH>pI carga neta - pH Precipitación isoeléctrica: − − + − − + + Solubilidad mínima a pH=pI +− − − pH=pI − + + − + carga neta 0 − − + − + − + − + + − − ++ − − − −+ No repulsión de largo alcance posibilita interacciones locales Puentes salinos e interacciones hidrófobas (van der Waals) © 2010 Enrique Castro 7 Salting-in − + − − Enrique Castro, 2003 + + − Aumento de solubilidad con I − + − − − + + I, adición de sal Fuerza iónica, I − − +− + + − Salting-out Disminución de solubilidad con I I, adición de sal • • • no desnaturalizante reversible fácil y barata © 2010 Enrique Castro − + − − − + + Precipitación por salado: − + − − + + − + − − + + − − Atmósfera iónica impide interacciones macromoleculares directas Log(solubilidad) +− − − − + + Proteínas: Solubilidad y fuerza iónica Proteínas: Solubilidad y fuerza iónica Exceso de sal “secuestra” agua de hidratación de las macromoléculas 8 Proteínas : estabilidad y desnaturalización Proteínas : estabilidad y desnaturalización Desnaturalización • • • • Pérdida de estructura 3D nativa = desplegamiento Sin rotura de Enlaces covalentes Cooperativa Irreversible (salvo condiciones controladas) Proteínas desnaturalizadas Cadenas desplegadas y entrelazadas Transición rápida: Cooperatividad Tm Desnaturalizantes • • • • • Calor (todos, pdh) Extremos de pH (ionización, salinos, pdh) solventes orgánicos efecto hidrofóbico detergentes caotrópicos (urea, guanidinio·Cl) (pdh) 9 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Unión y reactividad Proteínas: Unión y reactividad Ligando Unión estereospecífica • Unión a ligandos • Unión proteína-proteína • Unión a otras macromoléculas Enrique Castro, enlaces 2003 débiles: superficies complementarias • Por Superficies complementarias + Proteína de unión interacción superficial estereospecífica péptido HIV Inmunoglobulina Interacción antígeno-anticuerpo Interacción macromolecular: actina-misosina muscular Reactividad química • Catálisis: Enzimas © 2010 Enrique Castro 10 Proteínas: Relación Estructura Función Proteínas: Relación Estructura Función ➢ Macromoléculas proteicas Funciones genéricas ➢ Proteínas fibrosas Estructura general: fibras Queratinas ➢ Propiedades fisico-químicas Ácido-base Solubilidad Colágeno ➢ Proteínas de membrana Unión Reactividad química Estructura general Topología de membrana Inserción en la membrana ➢ Proteínas globulares: Hemoglobina Estructura de Mioglobina y Hemoglobina Curvas de unión de O2: transporte Cambio conformacional y cooperatividad Hemoglobinas mutadas: A. falciforme 11 © 2010 Enrique Castro Estructura tridimensional: prot. de membrana Estructura tridimensional: prot. de membrana Glicosilación ● secuencias específicas ● extracelular Extracelular ● Globular ● Uno o varios dominios Enrique Castro, 2003 Glicoforina de eritrocitos Proteína integral de membrana Blucle insertado ● ida y vuelta ● aa cargados apareados ~5.0 nm Hélice transmembrana ● aa apolares ● 20-25 aa (3-4 nm) Intracelular ● Globular ● Uno o varios dominios © 2010 Enrique Castro Terminador ● aa básicos (carga ⊕) ● Unión a fosfolípidos (⊖) 12 Identificación transmembrana: Perfil de hidropatía Identificación transmembrana: Perfil de hidropatía N C Ventana 20 aa Ventana 20 aa 30 Å 20-25 aa 6-7 vueltas α-hélice 13 © 2010 Enrique Castro Topología de proteínas transmembrana Topología de proteínas transmembrana Un único segmento TM; N extracelular Un único segmento TM; C extracelular Enrique Castro, 2003 Múltiples segmentos TM Múltiples segmentos TM En diferentes cadenas Canal único Sin segmentos TM; Anclajes covalentes Ambos Con segmentos TM y Anclajes covalentes © 2010 Enrique Castro 14 Inserción de proteínas de membrana Inserción de proteínas de membrana Señales topogénicas • secuencia señal N-terminal • secuencia señal interna • secuencia de parada de transferencia secuencia señal: parada de transferencia: Básico + 10-15 hidrófobos 20-25 hidrófobos (transmembrana) 15 © 2010 Enrique Castro Topología transmembrana y señales de inserción Topología transmembrana y señales de inserción Enrique Castro, 2003 6 señal internas 6 stop internos señal N-terminal 1 stop interno © 2010 Enrique Castro 1 señal N-terminal 3 señal internas 3 stop internos señal interna 1 stop interno 16 Prot. Periféricas: Anclajes lipídicos a la membrana Prot. Periféricas: Anclajes lipídicos a la membrana 17 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Relación Estructura Función Proteínas: Relación Estructura Función ➢ Macromoléculas proteicas Funciones genéricas Enrique Castro, 2003 ➢ Propiedades fisico-químicas Ácido-base Solubilidad Unión Reactividad química ➢ Proteínas fibrosas Estructura general: fibras Queratinas Colágeno ➢ Proteínas de membrana Estructura general Topología de membrana Inserción en la membrana ➢ Proteínas globulares: Hemoglobina Estructura de Mioglobina y Hemoglobina Curvas de unión de O2: transporte Cambio conformacional y cooperatividad Hemoglobinas mutadas: A. falciforme © 2010 Enrique Castro 18 Estructura tridimensional: Prot. Fibrosas Estructura tridimensional: Prot. Fibrosas Características estructurales • • • • • • Cadena polipetídica extendida en un eje axial Secuencias cortas repetitivas Interacciones laterales: asociación en fibras Resistencia mecánica a tensión/contracción axial Insolubles: estructuras sólidos Función estructural (citoesqueleto, matriz extracelular) Familia de Filamentos intermedios ● intracelulares Tipos • Familia de Colágeno ● Matriz extracelular 19 © 2010 Enrique Castro Proteínas fibrosas: Composición en aa Proteínas fibrosas: Composición en aa Enrique Castro, 2003 -queratina: alifáticos>20% © 2010 Enrique Castro Mattews, vanHolde & Ahern 3ªEd (2002). Tabla 6.2 20 Proteínas Fibrosas: queratinas Proteínas Fibrosas: queratinas -queratinas • • • • Unidad básica: hélice enrollada (coiled coil) Rica aa alifáticos y Cys Interacciones laterales: asociación en fibras Entrecruzamiento por HSP (ricas en S) Secuencias espaciadoras (8-18aa) D. N-Terminal ● variable ● globular D. C-Terminal ● variable ● globular Interacciones hidrofóbicas entre heptadas unen las hélices D. Central ● conservado ≈314 aa ● helicoidal (coiled coil levógiro) ● repetición (a-b-c-d-e-f-g-) n a,d hidrófobos) -hélice aa apolares cada 4, 7 Arrollamiento levógiro de dos -hélices (coiled coil, hélice enrollada) 21 © 2010 Enrique Castro Familia de Filamentos Intermedios Familia de Filamentos Intermedios Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro Lodish et al. (2000) 4ª Ed 22 queratinas: ensamblaje de IF queratinas: ensamblaje de IF Dom. N-terminal y espaciadores esenciales en dimerización Dímero coiled-coil paralelo Tetrámero antiparalelo (simétrico) asociación cabeza-cola de tetrámeros 2-3 nm asociación lateral de protofilamentos asociación helicoidal (levógira) de 4 de protofibrillas 10 nm 23 © 2010 Enrique Castro queratinas queratinas Fibroína de seda • Secuencia repetitiva (Gly-Ala)n • Unidad básica: láminas apiladas Enrique • Resistente Castro, 2003 axial, flexible lateral Puentes de hidrógeno interhebra Ala gran resistencia tensil Gly flexible (vdW) interacciones de van der Waals Seda de araña ● Mezcla zonas amorfas/cristalinas © 2010 Enrique Castro 24 Proteínas Fibrosas: Colágeno Proteínas Fibrosas: Colágeno Características • Tres cadenas similares (21:12) • ≈1050 aa cada una • Composición aa especial 35% Gly, ≈20-25% Pro/Hyp aa modificados (Hyp, HO-Lys) • Secuencia repetitiva (Gly-X-Y)n -(G-X-Y)n- X: usualmente Pro Y: frecuente Hyp Tropocolágeno ● 3 cadenas/triple hélice ● Mr 285 kDa ● 300 nm largo ● 1,4 nm diámetro 25 © 2010 Enrique Castro Colágeno: aa modificados Colágeno: aa modificados Enrique Castro, 2003 4-HO-Pro (Hyp) ● fuerza C-endo ● posición Y 3-HO-Pro / 5-HO-Pro ● PdH vía agua © 2010 Enrique Castro 5-HO-Lys (Hyp) ● Glicosilación (ensamblaje triple hélice) ● Enlaces cruzados (aldol): Fibras 26 Triple hélice de colágeno: estructura y estabilidad Triple hélice de colágeno: estructura y estabilidad Hélice de colágeno ● =-54º =+155º ● levógira ● aa por vuelta: 3,2 ● avance por aa : 0,29 nm Gly en rojo 3er aa hacia el interior ● sólo Gly (no R) ● mutado en OI, EDS Restricciones estéricas ● ángulo prefijado Pro ● pirrolidina hacia fuera (repulsión estérica) ● Y: C-endo 3,3 aa 0,95 nm Arrollamiento no separable hélice levógira superhélice dextrógira triple hélice dextrógira Secuencia Gly-X-Y ● No compatible -hélice ● No compatible -lamina pdH intercatenarios ● Gly-NH O=C (otra cadena) ● trans-axiales 27 © 2010 Enrique Castro Función de 4hidroxiPro (Hyp) Función de 4hidroxiPro (Hyp) Enrique Castro, 2003 Prolil-4-hidroxilasa O2 ● tetrámero 2 2 ● = PDI ● Fe(II) como cofactor ● consume ascorbato CO2 ● Escorbuto Ascorbato (Vitamina C) • Hyp “congelada” en conformación hélice (efecto estereoelectrónico) • Hyp estabiliza triple hélice Deshidroascorbato © 2010 Enrique Castro 28 Tipos de colágeno Tipos de colágeno 29 © 2010 Enrique Castro Fibras de colágeno Fibras de colágeno Ensamblaje ● alineamiento cabeza-cola ● Hueco 64-67 nm (1/4-1/5) ● >50 nm diámetro Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro Puentes cruzados HO-Lys N-terminal C-terminal tridimensional 30 Hyl: Puentes cruzados Hyl: Puentes cruzados 31 © 2010 Enrique Castro Biosíntesis de colágeno Biosíntesis de colágeno Enrique Castro, 2003 HO-Lys: esencial para ensamblaje de triple hélice HO-Lys: esencial para ensamblaje de fibras © 2010 Enrique Castro 32 Fibras elásticas Fibras elásticas Elastina • Rica en Gly (30%), Ala, Val • Ovillo aleatorio: extensible • Entrecruzada: desmosina puentes cruzados desmosinas (4 Lys) 33 © 2010 Enrique Castro Proteínas: Proteínas: Relación Relación Estructura Estructura -- Función Función ➢ Macromoléculas proteicas Funciones genéricas Enrique Castro, 2003 ➢ Propiedades fisico-químicas Ácido-base Solubilidad Unión Reactividad química ➢ Proteínas fibrosas Estructura general: fibras Queratinas Colágeno ➢ Proteínas de membrana Estructura general Topología de membrana Inserción en la membrana ➢ Proteínas globulares: Hemoglobina Estructura de Mioglobina y Hemoglobina Curvas de unión de O2: transporte Cambio conformacional y cooperatividad Hemoglobinas mutadas: A. falciforme © 2010 Enrique Castro 34 Equivalencia estructural de las globinas Equivalencia estructural de las globinas 35 © 2010 Enrique Castro Protoporfirinas y Hemo Protoporfirinas y Hemo Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 36 Estructura genérica de la globina Estructura genérica de la globina © 2010 Enrique Castro 37 Homología secuencial en las globinas Homología secuencial en las globinas Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 38 Unión del hemo a la globina Unión del hemo a la globina Impedimento estérico 39 © 2010 Enrique Castro Unión del O Unión del O2 2 (1) (1) Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 40 Unión del O Unión del O2 2 (2) (2) © 2010 Enrique Castro 41 Dinámica molecular de la unión de O Dinámica molecular de la unión de O2 2 Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 42 Curva de unión de O Curva de unión de O22 a Mb y Hb a Mb y Hb 43 © 2010 Enrique Castro Transporte de O Transporte de O22 Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 44 Transporte de O Transporte de O22 a tejidos activos a tejidos activos © 2010 Enrique Castro 45 Propiedades de un buen transportador Propiedades de un buen transportador Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 46 Cooperatividad Cooperatividad 47 © 2010 Enrique Castro Cooperatividad: ecuación de Hill Cooperatividad: ecuación de Hill Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 48 Modelos de cooperatividad Modelos de cooperatividad © 2010 Enrique Castro 49 Cooperatividad: intoxicación por CO Cooperatividad: intoxicación por CO Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 50 © 2010 Enrique Castro Cl − Cl − Estructura cuaternaria de la Hb Estructura cuaternaria de la Hb 51 Cambios cuaternarios en la oxigenación de Hb Cambios cuaternarios en la oxigenación de Hb Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 52 Mecanismo de la cooperatividad Mecanismo de la cooperatividad Estado T Estado R 53 © 2010 Enrique Castro Papel del 2,3BPG Papel del 2,3BPG Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 54 BPG (2): HbF BPG (2): HbF Cadenas His143 (HC) Ser(HC) 55 © 2010 Enrique Castro Efecto Bohr: pH Efecto Bohr: pH Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 56 Equilibrio CO Equilibrio CO22HCO HCO33: Anhidrasa carbónica : Anhidrasa carbónica 57 © 2010 Enrique Castro Efecto Bohr: CO Efecto Bohr: CO22 Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 58 Acoplamiento del transporte de CO Acoplamiento del transporte de CO22/O /O22 © 2010 Enrique Castro 59 Papel del NO en el ciclo respiratorio Papel del NO en el ciclo respiratorio Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 60 Estructura del gen de globina Estructura del gen de globina © 2010 Enrique Castro 61 Evolución de los genes de globina Evolución de los genes de globina Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 62 Expresión de genes de globinas Expresión de genes de globinas © 2010 Enrique Castro 63 Mutaciones en genes de globinas Mutaciones en genes de globinas Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 64 Hemoglobinopatías por mutaciones puntuales Hemoglobinopatías por mutaciones puntuales 65 © 2010 Enrique Castro Anemia falciforme Anemia falciforme Enrique Castro, 2003 © 2010 Enrique Castro 66 Talasemias Talasemias © 2010 Enrique Castro Enrique Castro, 2003 67
