Biologia

1. Estudiaremos el panorama general de cómo se llevan a
cabo los procesos químicos que transcurren en una célula viva.
Dado que la inmensa mayoría de los procesos que
ocurren en la célula son ejecutados por las proteínas,
empezaremos con el estudio de estas moléculas, iniciándolo con
las unidades que las forman, los aminoácidos.
Proteínas

2. Diversidad estructural de las proteínas

3. Diversidad funcional de las proteínas

4. LOS AMINOÁCIDOS
Un aminoácido, como su nombre lo indica, es una molécula orgánica
pequeña que contiene un grupo amino y un grupo carboxilo. Todos
los aminoácidos presentes en las proteínas tienen ambos grupos
unidos al mismo átomo de C y, con una excepción, todos presentan
isomería óptica y pertenecen a la serie L.
Son L--aminoácidos.

10. Formas ionicas de la L-
alanina.
Los aminoacidos se
encuentran realmente en
la forma de zwitterion
(Bjerrum, 1923)

11. Formas iónicas y
curva de
titulación de la
glicina.

13. LAS PROTEÍNAS:
ESTRUCTURA
Y
PLEGAMIENTO

15. interacciones de residuos aminoacídicos

16. ESTRUCTURA Y FUNCION DE LAS PROTEÍNAS
Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por
uniones amida, llamadas uniones peptídicas.
La cadena polipéptídica constituye la estructura primaria
de la proteína, dada por la secuencia de los residuos de
aminoácidos.
Para ser funcional, la proteína requiere niveles
superiores de estructura, que la llevan a su forma
tridimensional, esencial para su función. Esos
niveles estructurales son las estructuras secundaria,
terciaria y, eventualmente, cuaternaria (si se trata de un
oligómero con subunidades iguales o diferentes).

18. NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS
1) Estructura primaria: Secuencia de
aminoácidos. Unión peptídica
exclusivamente.
N-terminal C-terminal

20. Angulos de rotacion del
carbono alfa.

21. 2) Estructura secundaria: Disposición
espacial de residuos de aminoácidos
cercanos en la secuencia. Unión hidrógeno
involucrando el N y el O de las uniones
peptídicas exclusivamente. Tres elementos
principales de estructura secundaria: -
hélice, estructura  (hoja plegada) y giros .

22. 1 residuo: 1.5 Ǻ, rotación 100º. 3.6 residuos por vuelta de la hélice. Paso de la hélice: 1.5 x
3.6 = 5.4 Ǻ. La hélice forma un cilindro compacto, y los R se disponen hacia afuera.
Modelos de una hélice dextrógira a) solo se muestran átomos de carbono  en una cinta
helicoidal b) solo se muestran los átomos del esqueleto: nitrógeno (N),  carbono (C) y
carbonilo (C) c) toda la hélice, los enlaces de hidrógeno (indicados por puntos rojos) entre los
grupos NH y CO estabilizan la hélice

23. Lámina plegada 
antiparalela.
Las cadenas adyacentes
corren en direcciones
opuestas. Los enlaces de
hidrógeno entre los
grupos NH y CO de las
cadenas adyacentes
estabilizan la estructura.
Las cadenas laterales (que
se muestran en verde)
están por encima y por
debajo del plano de la
hoja.

24. Hojas  paralela y antiparalela

25. Estructura de un  doblez. Los grupos NH y CO del residuo 1 de un
tetrapéptido que se muestra aquí, están unidos por enlaces de
hidrógeno, respectivamente, a los grupos CO y NH del residuo 4, lo
que da como resultado un giro en horquilla.

26. 3) Estructuras supersecundarias:
motivos y dominios
Dibujo esquemático de la columna vertebral de una unidad ,
un motivo recurrente de proteína. Las láminas  se muestran en
azul y verde, y la hélice entre ellos se muestra en rojo.

30. 4)Estructura terciaria: Disposición espacial de residuos
de aminoácidos lejanos en la secuencia. Interacciones
hidrofóbicas, puentes de hidrógeno entre restos
laterales o entre ellos y la cadena peptídica, uniones
salinas, puentes disulfuro.

31. 5) Estructura cuaternaria: Disposición espacial de
las subunidades en proteínas oligoméricas.
Interacciones hidrofóbicas, uniones puente
hidrógeno y salinas.

33. PUENTE DISULFURO:SOLO EN ESTRUCTURA
TERCIARIA

34. Cadenas laterales de
aminoácidos que
pueden formar
puentes de hidrógeno
y participan en la
estructura terciaria de
las proteínas.

36. DISTRIBUCION DE LOS RESIDUOS DEAMINOACIDOS EN LAMIOGLOBINA.
Residuos hidrofobicos en amarillo, cargados en azul y el resto en blanco. (B): corte de la
molecula, mostrando que los residuos hidrofobicos se encuentran en buen parte en su interior

41. MODIFICACION POST-TRADUCCIONAL DE PROTEINAS
Muchas proteínas no están “terminadas” cuando se completa la
traducción, y requieren “madurar”, a través de modificaciones post-
traduccionales.
Estas modificaciones pueden consistir en:
Modificación covalente de residuos de aminoácidos (más de 200).
Proteólisis parcial.
Las modificaciones pueden ser:
Reversibles o irreversibles.
Presentes en todas las moléculas o sólo en algunas.
Enzimáticas o no enzimáticas.
Co-traduccionales, post-traduccionales inmediatas, o post-traduccionales
tardías.

42. Modificacion post-traduccional de las proteínas
Algunos ejemplos:

43. PROTEINAS INTRINSECAMENTE DESORDENADAS
(PROTEINAS INTRINSECAMENTE NO ESTRUCTURADAS)
• Desde comienzos del Siglo XXI se han descripto numerosas
proteínas que presentan una estructura flexible o un
plegamiento azaroso en la mayor parte de su extensión.
• De acuerdo al concepto clásico, estas proteínas no serían
funcionales; sin embargo, se ha demostrado que proteínas
con este tipo de plegamiento están involucradas en
diferentes vías de señalización, algunas son factores
transcripcionales, receptores de membrana, o bien son
proteínas abundantes en algunos tejidos de diferentes
organismos.
• Los proyectos genoma de eucariotes permiten predecir que
alrededor de un 30 % de las proteínas codificadas serían
proteínas parcial o totalmente desordenadas.
• Es posible que la flexibilidad estructural no se dé o se dé
mucho menos en el ambiente intracelular, comparado con
lo que se observa en solución acuosa.

44. • A: Ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa de espinaca, proteína
globular
• B: Factor de inicio de la traducción (eIF1A) humano, la mayor parte de
cuya estructura es desordenada.

45. En general estas proteínas presentan una composición de
aminoácidos particular. Son proteínas de baja complejidad que
tienen una baja abundancia o carecen de aminoácidos
hidrofóbicos y/o voluminosos (Val, Ile, Met, Phe, Trp, Tyr), que
promueven
globulares,
el plegamiento espontáneo de las proteínas
y poseen una alta proporción de aminoácidos
cargados o polares (Gln, Ser, Pro, Glu, Lys, Arg) y en algunos
casos tienen una alta abundancia de aminoácidos pequeños (Gly,
Ala).
Se sabe que estas proteínas tienen la capacidad de fluctuar
entre diferentes estados conformacionales en una escala de nano
a micro-segundos. Esta alta flexibilidad por unidad de tiempo les
da la habilidad de interaccionar con distintas moléculas, o de
modos diferentes con la misma molécula. Por ejemplo, las
proteínas p21 y p27 actuando sobre quinasas dependientes de
ciclinas (CDKs), pueden actuar como activadoras o inhibidoras
de las mismas.

46. • A: La proteína puede unir un ligando con una conformación
dada y realizar una función específica.
• B: La misma proteína puede interaccionar con el mismo ligando (o
con otro distinto) a través de una conformación diferente, y así
realizar una función completamente distinta.

47. • A: La interacción con el ligando induce en la proteína una
conformación mas estable.
• B: Modificaciones post-traduccionales en la proteína influyen en su
plegamiento, además de la interacción con su ligando.
• C: La disponibilidad de agua puede modificar la estructura de la
proteína;
el cambio en su interacción con el agua llevaría a un cambio en su
conformación.

48. PROTEINAS FIBROSAS
Las proteínas fibrosas se dividen en general en tres grupos, dependiendo
de la estructura secundaria de las moléculas individuales: las -hélices
super-enrrolladas, la triple hélice del colágeno, y las hojas en las fibras
amiloides y las sedas.
Las fibras en -hélice de la lana son flexibles, pueden ser estiradas hasta
el doble de su longitud, y son elásticas, retornando a su longitud inicial
cuando se libera la tensión. Las fibras del colágeno son fuertes,
resistentes al alargamiento y relativamente rígidas. Las fibras con hojas
son fuertes y muy flexibles. Las fibras de la seda de araña son mas
resistentes que un hilo de acero de las mismas dimensiones, pero son
muy flexibles.

49. Dos o mas -helices pueden enrrollarse sobre si mismas para formar
“superhélices” muy estables de hasta 1000 Ǻ de longitud. Estas
estructuras se encuentran en proteínas fibrosas como la miosina y la
tropomiosina del músculo, la fibrina de los coágulos sanguíneos y la
keratina del pelo. La interacción entre las -hélices se hace habitualmente
por interacciones hidrofóbicas, a menudo mediadas por Leu o Ileu.

50. El colágeno es una molécula en forma de bastón, de hasta 3000 Ǻ de largo
y sólo 15 Ǻ de diámetro. Es la proteína mas abundante en los mamíferos,
siendo el componente fibroso principal de la piel, los huesos, los cartílagos
los tendones y los dientes. Está formado por una triple hélice, diferente de
la -hélice (no se mantiene cada hebra por puentes de hidrógeno internos,
sino por la repulsión estérica de Pro y HyPro). Cada hebra de procolágeno
tiene dos “cabezas” globulares, una en cada extremo, necesaria para el
ensamblado de la fibra, que luego se elimina. Por eso al desnaturalizarlo,
no se renaturaliza, y forma gelatina.
El colágeno es muy rico en prolina, hidroxiprolina y glicina. Uno de cada
tres residuos es Gly.
EL COLAGENO

51. LA TRIPLE
HELICE DEL
COLAGENO
En el interior de la triple
hélice no queda espacio
para un aminoácido de
mayor tamaño que la gly.

52. PROTEÍNAS DE
MEMBRANA
A diferencia de las proteínas globulares solubles, que concentran
sus residuos hidrofóbicos en su interior, resguardándolos del
agua, las proteínas integrales de membrana tienen la mayoría de
sus residuos hidrofóbicos en su superficie, interaccionando con
los lípidos de la membrana.

53. Proteínas integrales y Proteínas periféricas

56. Prostaglandina H2 sintasa-1. Sintetiza la prostaglandina
H2 a partir de ácido araquidónico proveniente de lípidos
de la membrana, en dos etapas.

57. La aspirina inhibe la síntesis de la prostaglandina H2,
acetilando la Ser 530, lo que bloquea el conducto
hidrofóbico e inhibe la actividad de ciclooxigenasa.

58. Es posible predecir, con buena
probabilidad, la presencia de
-hélices transmembrana. El
gráfico muestra el índice de
hidropatía, que indica la
energía libre de transferencia
de una hélice de 20 residuos
desde la membrana al agua, en
función del primer residuo de
cada uno de esos segmentos.
Picos con valores mayores de
+20 kcal/mol indican posibles
hélices trans-membrana.
PREDICCION IN SILICO DE
SEGMENTOS
TRANSMEMBRANA

59. PLEGAMIENTO
DE LAS
PROTEÍNAS

60. LA RIBONUCLEASA: EL EXPERIMENTO DE ANFINSEN

61. REDUCCION DE LOS PUENTES DISULFURO

62. La urea desnaturaliza a la ribonucleasa (es decir, deja
solo su estructura primaria) y el -mercaptoetanol
reduce los puentes disulfuro.

63. Si se elimina la urea y luego se
deja que los puentes disulfuro
vuelvan a formarse por
oxidacion con el aire, se
recupera la estructura nativa. Si
se oxida en presencia de
urea, se obtiene una
“ribonucleasa revuelta”,
inactiva, pero ésta recupera su
actividad en presencia de trazas
de -mercapto-etanol.
Hay 105 modos diferentes de
aparear 8 Cys para formar 4
puentes disulfuro, y sólo 1 es el
correcto.

64. LA PARADOJA DE LEVINTHAL
Para una proteína pequeña, de 100 residuos de
amino ácidos:
Si cada residuo puede asumir 3 posiciones, el
número total de estructuras posibles será igual a 3100,
lo que es igual a 5 x 1047
Si toma 10-13 seg para convertir una estructura
en otra el tiempo total requerido para el plegamiento
correcto será
5 x 1047 x 10-13 seg = 5 x 1034 seg = 1.6 x 1027
años.
(Paradoja de Levinthal)

65. El plegamiento
puede pasar a
través de un
intermediario que
ya tiene
prácticamente
completa la
estructura
secundaria (el
glóbulo fundido).
Puede tener un
camino único o
caminos
alternativos.

67. AGENTES DESNATURALIZANTES
1) Extremos de pH. Muchas proteínas se desnaturalizan a
valores de pH < 5 o > 10. Esto puede deberse a la ionización
de grupos en el interior de la proteína (His a pH ácido, Tyr a pH
alcalino); a repulsión electrostática entre grupos de la
superficie de la proteína; a la destrucción de puentes salinos
importantes en la estabilización de la estructura nativa.
2)Agentes desnaturalizantes. Los más usados son la urea y el
clorhidrato de guanidina:

68. DESNATURALIZACION DE UNA PROTEÍNA

69. PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS IN VITRO E IN VIVO
In vitro: Plegamiento espontáneo, a muy bajas concentraciones de proteína
para evitar agregados. Buffer redox (GSH/GSSG) para inducir la formación
correcta de puentes disulfuro.
In vivo: Plegamiento a altas concentraciones proteicas, asistido por otras
proteínas.
1) Puentes disulfuro: proteína disulfuro isomerasa. Contiene secuencias
–Cys-Gly-His-Cys- y acelera unas 6000 veces el intercambio de puentes
disulfuro.
2) Uniones peptídicas X-Pro: Peptidil prolil isomerasa. En vez de ser
todas uniones en trans, como para los demás aminoácidos, un 6 % de las con
Pro es cis. La PPI acelera 300 veces la isomerización cis-trans.
3) Prevención de la formación de agregados moleculares: chaperonas
moleculares. Se unen reversiblemente a zonas desplegadas del polipéptido
naciente, evitan su agregación y facilitan su plegamiento correcto, con
consumo de ATP.