¡Descarga Proteínas globulares: estructura, función y plegamiento y más Apuntes en PDF de Bioquímica solo en Docsity!
TEMA 3B: ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE PROTEÏNES.
Proteïnes globulars Les proteïnes globulars tenen formes compactes i la cadena polipeptídica canvia moltes vegades de direcció, plegant-se els diferents elements d’estructura secundària uns sobre els altres. Una proteïna globular com l’albúmina del sèrum, que conté 585 residus en una única cadena polipeptídica, té unes dimensions d’aproximadament 100x60 Å; les dimensions d’una proteïna amb el mateix nombre d’aminoàcids (585) serien de 900x11 Å si només tingués una estructura única en hélix α i de 2000x5 Å si només tingués estructura única en fulla β. Aquestes dades il.lustren clarament el grau d’empaquetament (plegament) que suposa la formació d’estructures globulars a partir de cadenes lineals. Aquest plegament, a banda de suposar un avantatge energètic per la formació d’un nucli hidrofòbic, permet que quedin propers residus distants en la seqüència de manera que l’estructura plegada possibilita des de la creació de regions adequades per a la interacció amb altres molècules fins a la formació de centres actius en els que es produeixi eficientment una determinada catàlisi enzimàtica. Les proteïnes globulars presenten múltiples formes i grandàries com mostra la figura següent en la que, a títol comparatiu, s’hi ha afegit el col.lagen, exemple de proteïna fibrosa. El coneixement i determinació (principalment per difracció de raigs X) de cada cop més estructures de proteïnes ha permés observar que, malgrat l’estructura tridimensional completa sigui “nova”, aquesta pot dividir-se en una sèrie de dominis (regions compactes resultants usualment del plegament d’un segment contigu d’aminoàcids i que sovint poden adoptar aquesta estructura plegada fins i tot separats de la resta de la proteïna). Alguns d’aquests dominis són similars o fins i tot pràcticament iguals als que es troben en proteïnes diferents. Sembla, doncs, que el nombre de dominis proteics existents a la Natura és limitat (s’estima que són aproximadament uns 2000, dels quals ja se’n coneixen uns 1000), però són utilitzats repetidament en diferents combinacions donant lloc a la gran diversitat de proteïnes que es troben en els éssers vius.
Així, moltes proteïnes estan formades per una sèrie de dominis proteics, que s’han originat quan les seqüències de DNA que els codifiquen, s’han ajuntat “accidentalment” creant un nou gen. En aquest procés s’han creat noves combinacions o juxtaposicions de dominis. La figura de sota mostra com la barreja de dominis (indicats amb formes i colors diferents) genera proteïnes més complexes: la quimotripsina està formada per dos dominis, però en canvi en les altres proteases (uroquinasa i factor IX, més especialitzades i regulades que la quimotripsina), els dos dominis de la quimotripsina estan connectats a un o més dominis homòlegs, com per exemple el que presenta l’EGF (factor de creixement epidèrmic). El coneixement de cada cop més estructures tridimensionals permet classificar les proteïnes d’acord a la seva estructura. Una de les classificacions les agrupa en:
- Tot α : formades únicament per hèlix α
- Tot β : formades únicament per fulles β
- α / β : les regions en hèlix α i les regions en fulla β estan intercalades
- α + β: les regions en hèlix α estan separades de les regions en fulla β La figura següent mostra un exemple de cada classe: Tot α Tot β α/β α+ β Les estructures tridimensionals poden representar-se de diferents maneres. La figura de sota mostra diferents models de la molècula de mioglobina de catxalot: (a) representació de cintes que destaca les regions d’estructura secundària (hèlix α); (b) i (c) imatge del contorn de la superfície de la proteïna que resulta útil per a visualitzar les cavitats on poden unir-se altres molècules; (d)
A continuació, va dialitzar la dissolució que contenia la proteïna per tal d’eliminar el β- mercaptoetanol i la urea i va comprovar que l’enzim tornava a ser actiu i, per tant, havia recuperat el mateix plegament que abans del tractament amb aquests agents. L’enzim havia renaturalitzat (recuperat el seu estat natiu) i els quatre ponts disulfur s’havien reconstituït correctament. En canvi, si a la ribonucleasa desnaturalitzada li treia el β-mercaptoetanol (el que permet la reoxidació - formació- dels ponts disulfur) però li deixava la urea, la proteïna resultant només tenia l’1% de l’activitat inicial: en presència d’urea només l’1% de la proteïna tenia l’estructura correcta, perquè aquesta era la proporció de proteïna amb els ponts disulfur formats correctament. La probabilitat de que es formin els quatre ponts disulfur correctes per atzar és: 1/7 · 1/5 ·1/3 · 1/1 = 1/105. Degut a que l’estructura tridimensional de les proteïnes es manté per interaccions febles hi ha diversos factors que la poden alterar, portant a la seva desnaturalització: el calor afecta principalment als ponts d’hidrogen; el pH, canviant l’estat d’ionització de les cadenes laterals, pot alterar les interaccions electrostàtiques; la presència de sals o determinats agents (p.e., urea, clorur de guanidini) també pot afectar les interaccions electrostàtiques, establint interaccions d’aquest tipus o ponts d’hidrogen en competència amb els aminoàcids de la proteïna; per últim, els detergents o els dissolvents apolars, que trenquen les interaccions hidrofòbiques. Plegament de les proteïnes Un cop la proteïna ha estat sintetitzada pel ribosoma, es requereixen vàries etapes per a que sigui funcional: (1) ha d’adoptar l’estructura 3-D correcta; (2) de vegades requereix la unió de cofactors; i, (3) de vegades ha de formar complexos amb altres subunitats protèiques. També de vegades, alguns aminoàcids han de ser modificats covalentment (glicosilació, fosforilació, etc.). La informació requerida per a totes aquestes etapes de maduració està continguda a la seqüència aminoacídica de la proteïna. Quan la proteïna comença a sortir del ribosoma adquireix en pocs segons una estructura compacta que conté els elements d’estructura secundària alineats correctament (aquesta estructura s’anomena “molten globule”). Aquest és el punt de partida d’un procés lent en el que es produeixen ajustos de les cadenes laterals fins arribar a l’estructura tridimensional final. El plegament de les proteïnes, en condicions fisiològiques, és un procés favorable des del punt de vista termodinàmic, en el que la variació d’energia lliure negativa està determinat per diferents factors: a) l’entropia conformacional, el fet de passar de moltes estructures aleatòries possibles a una estructura nativa, implica una disminució d’entropia (∆S) conformacional i, per tant, aquest factor no és favorable termodinàmicament per al procés de plegament. b) les interaccions internes en l’estructura plegada, en l’estat final de proteïna plegada es donen moltes interaccions febles (interaccions iòniques, ponts d’H, de van der Waals) que no es donen en les estructures aleatòries i, per tant, això implica una disminució en la variació d’entalpia (∆H). c) l’efecte hidrofòbic: aquest és un factor molt important en l’estabilitat termodinàmica de les proteïnes plegades. En les estructures aleatòries desplegades, els aminoàcids hidrofòbics immobilitzen aigua al seu voltant i quan la proteïna es plega, aquestes molècules d’aigua passen a la dissolució, el que comporta un augment important en l’entropia (moltes molècules d’aigua passen a estar més desordenades); a part els residus hidrofòbics interaccionen entre ells, el que també és favorable. La suma global d’aquest factors fa que les proteïnes siguin en la seva estructura nativa (plegada) només lleugerament més estables que en l’estat desnaturalizat. De fet la variació d’energia lliure (ΔG) entre l’estat plegat i l’estat desplegat és molt petita, entre 21-42 kJ/mol.
ΔG = ΔH -TΔS
Cóm es produeix el plegament de les proteïnes? Exploren totes les conformacions possibles a l’atzar fins que troben la correcta? Un càlcul aproximat del temps que tardaria en fer-ho així, ens indica que no pot ser: imaginem una proteïna de n residus, cada residu porta associats 2 angles de torsió (Φ i Ψ ), i imaginem 3 conformacions estables per residu, això ens porta a 3 2n conformacions possibles (aprox. 10 n). Si ara imaginem que la proteïna pot explorar conformacions noves a la velocitat de reorientació d’enllaços covalents simples (10^13 vegades per segon), el temps que trigaria una proteïna en explorar totes les conformacions seria 10 n / 13 segons. Per una proteïna de 100 aminoàcids serien 10 87 segons (més gran que l’edat estimada de l’Univers, que és d’aproximadament 6x10^17 segons). Es creu que hi ha una “conducció” cap a l’estat final, essent crític el pas de “nucleació” (que pot començar a diferents punts de la cadena), havent-hi una conducció mitjançant mínims energètics (que porten a una estabilització progressiva) cap a l’estat final. Es creu que hi ha moltes rutes possibles cap a l’estat plegat final, portant cada ruta a un descens d’energia. La termodinàmica del plegament es pot visualitzar com la caiguda en un embut d’energia lliure que finalment porta a la conformació nativa. Les depressions en els laterals de l’embut representen intermediaris de plegament semiestables que, en alguns casos, poden ralentir el procés de plegament.
Estructura quaternària de les proteïnes Estructura quaternària és la que presenten aquelles proteïnes formades per la unió específica de dues o més cadenes polipeptídiques plegades, que s’anomenen subunitats. Aquestes cadenes polipeptídiques poden ser idèntiques o diferents. L’estructura quaternària es refereix a la disposició a l’espai de les subunitats i a la naturalesa de les interaccions que estableixen entre elles. Les forces que mantenen les subunitats unides son les interaccions febles (ponts d’H, interaccions iòniques -ponts salins-, interaccions hidrofòbiques, forces de van der Waals i de vegades també ponts disulfur -un enllaç covalent-). Els oligòmers molt estables tendeixen a tenir una gran superfície hidrofòbica “enterrada” entre les subunitats, mentre que oligòmers formats per subunitats que s’ensamblen i es desensamblen amb més freqüència, semblen utilitzar preferentment interaccions polars. La densitat de l’empaquetament d’àtoms en la interfase entre les subunitats és semblant a la que hi ha a l’interior de les proteïnes monomèriques. Les subunitats de moltes proteïnes oligomèriques estan només parcialment plegades abans de la oligomerització i només quan entren en contacte amb les seves “companyes” adopten la seva estructura tridimensional final correcta. L’existència de proteïnes molt grans formades per l’ensamblament no-covalent de moltes molècules petites, té com a principals avantatges: a) es redueix la taxa d’errors de seqüència respecte a la síntesi de les proteïnes grans. b) una estructura gran, composada per vàries subunitats petites repetides requereix menys informació genètica. Per exemple, només cal codificar uns pocs gens per construir una càpside viral sencera. c) l’ensamblatge i el desensamblatge poden ser controlats per processos reversibles, donat que les subunitats interaccionen a través d’enllaços febles. Per exemple, les proteïnes amb estructura quaternària sovint mostren capacitat reguladora (al.losterisme). S’anomena protòmer a la unitat de repetició de l’estructura. Per exemple, en el cas de l’hemoglobina (tetràmer format per 2 subunitats α i 2 subunitats β) el protòmer és el conjunt d’una subunitat α i una β. Les estructures quaternàries es classifiquen segons el tipus de simetria. Les més corrents són les cícliques i les diédriques. Els virus presenten simetria icosaèdrica. Hemoglobina: 4 subunitats (2 α + 2 β) Càpside icosaèdrica del rinovirus humà (causant del refredat), amb 60 trímers de les subunitats protèiques VP1, VP2 i VP3.
