Procesos Biologicos - 04 - Estructura Y Funcion De Proteinas.27.03.09

Proteínas Estructura y Función Dr. Giuliano Bernal Dossetto Departamento de Ciencias Biomédicas Facultad de Medicina Universidad Católica del Norte

Estructura Primaria de las Proteínas  La estructura tridimensional de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos (Estructura primaria).  La función de una proteína depende de su estructura.  Insulina es un buen ejemplo para la comprensión de la estructura y la función de una proteína, y su evolución en distintas especies.  Es producida en las células β del páncreas a partir de un precursor inactivo, proinsulina.  Proinsulina posee 86 aa y 3 puentes disulfuro entre las cadenas.

Diferencias en insulinas usadas en el tratamiento de la Diabetes Mellitus 

Tanto las insulinas porcina y bovina fueron usadas exitosamente en el tratamiento de la diabetes.



Sin embargo pequeñas diferencias en su secuencia, respecto de la insulina humana, inducía una respuesta inmunológica en algunos pacientes.



La insulina porcina es más aceptable en el tratamiento de la diabetes debido a que presenta mayor similitud en su secuencia con la humana.



La insulina humana es producida mediante ingeniería genética o mediante modificación de la insulina de cerdo.

Variations in positions A8, A9, A10, and B30 of Insulin Species

A8

A9

A10

B30

Human

Thr

Ser

Ile

Thr

Cow

Ala

Ser

Val

Ala

Pig

Thr

Ser

Ile

Ala

Sheep

Ala

Gly

Val

Ala

Horse

Thr

Gly

Ile

Ala

Dog

Thr

Ser

Ile

Ala

Chicken*

His

Asn

Thr

Ala

Duck*

Glu

Asn

Pro

Thr

Anemia falsiforme (Sickle Cell Anemia) 

Ocurre por una mutación en la 6º posición de la cadena β de la hemoglobina.



Es una sustitución de Glu por Val, lo que da origen a la Hemoglobina S (HbS).



HbS en su conformación “deoxi” polimeriza con otras HbS, lo que lleva a una formación fibrilar y precipitación de estos complejos.



Esto induce una característica forma de hoz en los glóbulos rojos y solo los homocigotos para para HbS desarrollan la enfermedad.

Niveles estructurales de las proteínas 

Estructura primaria: Corresponde a la estructura covalente, lo cual incluye la secuencia de aminoácidos y la posición de los puentes disulfuro.



Estructura secundaria: Se refiere al empaquetamiento local del esqueleto polipeptídico en forma de hélice, hoja plegada u otra conformación al azar.



Estructura terciaria: Corresponde a la estructura tridimensional del polipéptido.



Estructura cuaternaria: Se refiere a la asociación nocovalente de subunidades polipeptídicas discretas en una proteína oligomérica.

Estructura secundaria 

La conformación de un polipéptido depende de los ángulos rotacionales de los enlaces covalentes que contribuyen a la cadena.



Los enlaces phi (φ) y psi (ψ) entre el N y el carbono α, y entre este y el carbonilo respectivamente, contribuyen a estos ángulos rotacionales.



Una estructura secundaria regular se forma en segmentos donde todos los ángulos φ y ψ son iguales.



Las conformaciones α-hélice y hoja-β son las estructuras secundarias termodinámicamente más estables.

Polypeptide chain showing φ, ψ, and peptide bonds for residue Ri within a polypeptide chain.

Estructura α-hélice 

Es la conformación mas común en las proteínas.



El esqueleto polipeptídico gira en forma dextrógira sobre un eje imaginario.



Los grupos R de los aminoácidos se orientan fuera de este esqueleto.



Se estabiliza por puentes de H internos entre el H unido al N del enlace peptídico y el O del carbonilo posicionado 4 residuos más adelante en la cadena.



Esto genera un giro cada 3.6 residuos de aminoácidos

α-hélice

Factores que afectan la estabilidad de la α-hélice  Repulsión electroestática entre residuos sucesivos de aminoácidos con grupos R cargados (Glu, Asp, Lys, Arg).  Residuos adyacentes con grupos R voluminosos  Presencia de residuos de prolina o glicina  Interacción entre los aminoácidos de los extremos de la cadena y el dipolo eléctrico inherente a la αhélice.

Estructura β 

Una cadena polipeptídica en una estructura β se encuentra unida mediante puentes de H a otra región polipeptídica alineada en forma paralela o antiparalela.



Los grupos R se proyectan sobre o bajo el plano de la estructura β.



Las cadenas polipeptídicas están extendidas en zigzag y se posicionan lado por lado, formando una estructura similar a hojas de papel plegadas.



Para que dos o más hojas β están cercanas, los grupos R deben ser relativamente pequeños.



Fibroína de la seda y de la telaraña poseen un alto contenido en Gly y Ala.

Estructura terciaria 

Este tipo de estructura define la posición de cada átomo del polipéptido en el espacio.



Aminoácidos ubicados muy lejanos entre sí dentro de una cadena polipeptídica y que pueden pertenecer a diferentes estructuras secundarias pueden interaccionar en la estructura terciaria.



Un polipéptido de mayor tamaño generalmente presenta diferentes regiones semi-independientes denominadas dominios.



En proteínas multifuncionales cada dominio puede realizar una tarea diferente.

Tertiary structure of sperm whale myoglobin

Estructura cuaternaria  Algunas

proteínas contienen dos o más cadenas polipeptídicas, las cuales pueden ser idénticas o completamente diferentes.

 El

arreglo de estas subunidades en complejos tridimensionales constituye una estructura cuaternaria.

 Las

subunidades en este tipo de arreglo se encuentran por lo general unidas de forma no covalente.

The quaternary structure of deoxyhemoglobin

Proteínas fibrosas  Contienen

grandes regiones de estructura secundaria regular y forma cilíndrica

 Poseen

baja solubilidad en agua y un rol mas estructural que dinámico.

 Otorgan

fuerza y/o flexibilidad a las estructuras que forman.

 Colágeno,

elastina, keratina y tropomiosina son todas proteínas fibrosas.

α-queratina 

Presente en la piel, pelo y uñas.



Posee estructura cuaternaria



Está estabilizada por puentes disulfuro.



Posee repeticiones en tándem de siete residuos aminoacídicos.



Estas repeticiones generan dos vueltas de hélice que exponen una cara hidrofóbica que a su vez interactúa con residuos hidrofóbicos de otras queratinas



Forman una estructura superenrollada de dos o tres cadenas polipeptídicas.

Structure of hair

Colágeno • Compone el tejido conectivo como tendones, cartílago, matriz orgánica de huesos y córnea del ojo. • La hélice del colágeno es diferente de la α-hélice, es levógira, posee 3 residuos por cada giro y se denomina cadena α. • Aminoácidos presentes en el colágeno: Glicina 35%, Alanina 11%, Prolina 21% • La gelatina deriva del colágeno y tiene poco valor nutricional porque no contiene aa esenciales para la dieta humana. • La fibrilla del colágeno consiste de tres cadenas enrolladas de forma dextrógira que se pueden asociar entre si de más de 30 formas distintas en mamíferos.

Structure of collagen fibrils

Major Collagen Molecules

Enfermedades de la síntesis de colágeno 

El colágeno es la proteínas más abundante de los tejidos, por ende muchos órganos dependen de él.



La síntesis de colágeno anormal induce alteraciones a nivel cardiaco, óseo, cutáneo, articulaciones y visión.



Síndrome de Ehlers-Danlos se presenta con una osteogénesis imperfecta y escorbuto.



El síndrome se produce por mutación en los genes que codifican colágeno, o modificacióones posttraduccionales alteradas de este, mediadas tal vez por ausencia de los cofactores enzimáticos necesarios para estas modificaciones.

Proteínas globulares •Presentan diversidad estructural y funcional. •Proteínas de este tipo son: enzimas, proteínas de transporte, proteínas motoras, proteínas reguladoras, inmunoglobulinas, entre otras.

Lipoproteínas 

Complejos de proteínas y lípidos que se encuentran en el plasma.



Los cambios en su concentraciones relativas son predictivos de aterosclerosis.



Su función es transportar lípidos entre los tejidos y participar en el metabolismo lipídico.



En humanos se distinguen 5 tipos: Quilomicrones, VLDL, IDL, LDL y HDL, las cuales se distinguen por su densidad.



El componente proteico se denomina apolipoproteína y cada lipoproteína posee una composición característica de estas, las cuales varían entre 6 kDa (ApoC-1) a 550 kDa (ApoB100).

Lipoprotein

Hiperlipidemias 

Corresponden a desórdenes en las tasas de síntesis o clearance de lipoproteínas de la sangre.



Se detectan de acuerdo al nivel plasmático de triacilgliceroles y colesterol, y se clasifican de acuerdo al tipo de lipoproteína elevada.



Tipo I: Se debe a la acumulación de quilomicrones.



Tipo II: Caracterizada por niveles elevados de LDL.



Tipo III: Debida a anormalidades de ApoE.



Tipo IV: Niveles de VLDL aumentados, generalmente debido a obesidad, abuso de alcohol o diabetes.



Tipo V: Asociada con altos niveles de quilomicrones y pancreatitis

Hipolipoproteinemias 

La abetalipoproteinemia se caracteriza por ausencia de quilomicrones, VLDLs y LDLs debido a la incapacidad de sintetizar ApoB-100 y ApoB-48.



Hay acumulación de lípidos en las células del intestino delgado, mal absorción de grasas, acantocitosis y retardo mental.



La enfermedad de Tangier es autosómica recesiva en la cual el nivel de HDL es 1-5% del valor normal.



Acumulan colesterol pudiendo desarrollar hepatomegalia.

Glicoproteínas 

Frecuentes en la membrana plasmática, matriz extracelular y plasma sanguíneo.



Proveen información para la identificación entre células y distintos ligandos.



Otorgan los determinantes antigénicos de los grupos sanguíneos sobre los eritrocitos.



El contenido puede variar de un 4% en IgG a 82% en glicoproteínas gástricas.



Los residuos pueden unirse a lo largo de toda una cadena polipetídica o estar concentrados en un domunio particular.



Los enlaces covalentes mas frecuentes son N-glicosídico y O-glicosídico.

Hemoglobina glicosilada 

HbA1c se forma no-enzimáticamente en los glóbulos rojos uniendo glucosa con el NH2-terminal de la cadena β de la hemoglobina.



La concentración de HbA1c depende de la concentración de glucosa en la sangre y la duración de la hiperglicemia.



Durante una hiperglicemia prolongada HbA1c puede llegar al 12% o más de la hemoglobina total.



Pacientes con diabetes mellitus tienen niveles elevados de glucosa sanguínea y por ende de HbA1c.

Priones y encefalopatías espongiformes 

Los priones son proteínas que actúan como agentes infecciosos en ausencia de DNA o RNA.



Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob es la más común de las enfermedades priónicas.



La enfermedad puede generarse por mutación heredada, espontánea o un proceso infeccioso.



La proteína normal PrPc cambia a una conformación tóxica PrPSc por una mutación de lisina a prolina.



PrPSc polimeriza en fibras amiloides insolubles lo cual causa los efectos neurotóxicos.

The Prion Diseases

A stained section of the cerebral cortex from a patient with CreutzfeldtJacob disease shows spongiform degeneration.

Cromatografía

Cromatografía de afinidad

Electrophoresis