¡Descarga Enginyeria de proteïnes y más Apuntes en PDF de Química solo en Docsity!
TEMA 1: Propietats fonamentals dels
aminoàcids i les proteïnes
INTRODUCCIÓ
Les proteïnes són les màquines moleculars més importants amb varies funcions: molècules estructurals (miosina, col·lagen…), de transport, regulació metabòlica, catàlisi i de reconeixement/protecció. Hem de tenir en compte que el estudi de les proteïnes es pot fer de forma individual però actualment es produeix de forma integrat per saber amb qui interaccionen i com ho fan. A més, quan parlem de genòmica, de les seqüències de les proteïnes en sí, aquesta ens serveix per a fer genòmica estructural, és a dir, saber l’estructura tridimensional de les proteïnes. Destacar que aquest estudi ens porta cap a la proteòmica, el complement proteic.
Els éssers humans tindrem uns 26.000 gens i, aproximadament, unes 78.000 proteïnes, però la majoria amb estructures similars. I és que un cop saben la seva estructura podem modificar-les per l’ús que nosaltres vulguem. destacar que la majoria d’estudi de proteïnes es fa per raigs X i per RNA. Per una altra banda, dir que saber la seva estructura ens serveix per: entendre els mecanismes que hi ha lligats a la seva funció, conèixer l’evolució molecular, predir l’estructura en 3D de les proteïnes homòlogues, resoldre el problema del plegament, modificar-les mitjançant la enginyeria de proteïnes, i dissenyar drogues. Destacar que cada any es descobreixen moltes més proteïnes, però les noves estructures que es descobreixen es produeix de forma constant al llarg del temps.
Hem de tenir en compte que una proteïna és un conjunt d’unitats covalentment unides per enllaços peptídics amb una conformació estructuralment definida, és a dir, que a partir de la seva estructura realitza una funció. Aleshores, un oligopèptid té un nombre discret de pèptids; mentre que un polipèptid que és on tenim les proteïnes trobem un nombre més elevat de pèptids. A més, destacar que escrivim les proteïnes del N-terminal al C-terminal. Per últim, dir que un aminoàcid té un grup amino y un grup carboxil sencer, mentre que un residu li falta una molècula d’aigua perquè al formar l’enllaç peptídic s’ha perdut.
ESTRUCTURA I PROPIETATS
Hem de tenir en compte que tenim 20 aminoàcids proteinogènics – α-aminoàcids – L- aminoàcids, que són els que generen les proteïnes. Tot i això, durant la maduració de les proteïnes trobem que es produeixen canvis estructurals a on els residus d’aminoàcids són
modificats i se’n creen de nous aminoàcids diferents. Destacar que l’aminoàcid més abundant en les proteïnes és la alanina, mentre que els menys abundants son el triptòfan i la histidina. Això ens indica que els aminoàcids s’han anat incorporant amb el temps degut a l’evolució d’aquests. A més, dir que l’estructura bàsica de l’aminoàcid és un carboni α asimètric unit a 4 substituents diferents a on 3 són constants (amino, carboxil i protó) mentre que el grup R és el que distingeix els aminoàcids entre ells. Per últim, tenim que els grups ionitzables estan marcats a nivell fisiològic humà.
Quan representem un carboni tetraèdric tenim que els horitzontals surten del pla cap enfora, mentre que els verticals van cap a dins del pla. Destacar que el carboni quiral pot definir dues possibles configuracions diferents a on hauríem de trencar els enllaços i tornar-los a unir per a què les dues molècules fossin iguals. A més, dir que hi ha una estereoquímica específica dels aminoàcids i que el carboni α és el que està unit al carboni oxidat (COO-). Per altra banda, tenim que la configuració dels α- aminoàcids és sempre la de L per a la formació de proteïnes; tot i que els D- aminoàcids els podem trobar a la natura com per exemple a les parets dels bacteris grampositius. Per últim, destacar que els enzims son heteroespecífics que reconeixen només els L, els quals tenen la configuració absoluta de S.
CLASSIFICACIÓ DELS AMINOÀCIDS
D’entre els 20 aminoàcids proteinogènics, hem de posar èmfasi a tres que tenen cadena lateral amb càrrega positiva, dos de cadena lateral amb càrrega negativa i uns altres dos que són neutres. I és que l’únic que té importància dintre de les proteïnes són la càrrega de les cadenes laterals perquè els grups amino i carboxil desapareixen quan s’uneixen degut a l’enllaç peptídic.
Els aminoàcids els classifiquem en els següents grups: els no-polars i alifàtics que són la glicina (és el més petit, amb un protó com a cadena lateral i l’únic que no és quiral), l’alanina, la valina, la leucina, la metionina i la isoleucina, i tots es caracteritzen perquè tenen com a cadenes laterals una cadena alifàtica, és a dir, molècules hidrofòbiques i molt poc reactives; els polars no carregats són la serina (amb un grup alcohol), la treonina (amb un grup alcohol secundari), la cisteïna (amb un grup diol), la prolina (amb una estructura de pentàgon que li ofereix poca mobilitat), l’asparagina i la glutamina (amb
com més gran aquest valor més hidrofòbic hauria de ser. I és que veiem una linealitat dels aminoàcids a la cadena de baix; mentre que a la cadena de dalt tenim els aminoàcids polars o que tenen grups que poden formar ponts d’hidrogen. Per exemple, tenim a la treonina i a la valina que són igual de grans, però la valina té més tendència a ser més hidrofòbic que la valina. Així que la hidrofobicitat depèn de l’àrea superficial i del seu moment dipolar.
Pel que fa a la corba de titulació d’un aminoàcid tenim que aquest es comporta com un doble àcid feble amb un pK de 2 i un altre de 11. A més, tenim una zona d’amortiguació en cadascun dels pK i definim un punt isoelèctric entre la mitjana dels dos pK. Però en el cas dels aminoàcids amb cadena lateral ionitzable, com el glutamat, veiem que en la segona forma tenim el punt isoelèctric a on tenim la càrrega neta 0. Així que el punt isoelèctric és la mitjana dels dos grups que tenen la mateixa naturalesa química, és a dir, els dos àcids o els dos bàsics.
REACTIVITAT
Els grups electròfils són unes estructures químiques que tendeixen a captar electrons i ataquen a àtoms amb deficiència d’electrons, així que reaccionen a un pH per sota del seu pK. En aquest cas trobem els grups carboxil, que només són presentes al aspàrtic i al glutàmic. Així que el seu pH seria de 3 o inferior, però no es troba fisiològicament. En quan al grup dels nucleòfils, aquests tendeixen a cedir electrons i són atacats, així que reaccionen quan estan descarregats i el pH és superior al seu pK. En aquest grup tenim l’imidazol, el grup tiol, el amino-terminal, el grup amino de cadenes laterals, el guanidino i el fenol. Destacar que, com en el cas anterior, això no succeeix a les cèl·lules.
En quan als grups nucleòfils de cadena lateral, hem de tenir en compte que el pH aparent d’una part de la proteïna pot variar molt, així que això pot succeir en estat fisiològic. Destacar que la histidina és l’únic que té una cadena lateral amb un pK molt proper a la neutralitat, així que es dels pocs que pot reaccionar en l’estat fisiològic.
Per a fer l’anàlisi d’aminoàcids s’utilitza la seva reactivitat en un tub d’assaig. I és que utilitzem uns reactius que es caracteritzen per reaccionar còmodament amb els grups amino/carboxils i a la vegada tenen color degut al doble anell aromàtic. Així que tenim el reactiu i un polipèptid, i volem que reaccioni amb el grup amino de manera que necessitem un pH molt bàsic. D’aquesta manera ens queda un enllaç covalent nou i, en aquest moment, canviem de medi a àcid per a hidrolitzar la proteïna, així que cada enllaç peptídic serà hidrolitzat i tindrem tota la proteïna amb aminoàcids lliures i el N-terminal marcat. Així que podrem identificar el residu N-terminal gràcies a la comparació amb una cromatografia on els hidrofílics surten molt abans que els hidrofòbics. Tot i això, actualment, enlloc de fer aquesta operació, tenim tots els aminoàcids lliures i el fem reaccionar amb el reactiu fins que tinguem una barreja d’aminoàcids units al reactiu, i així podrem quantificar els aminoàcids que tenia la proteïna.
APORTACIÓ DIFERENCIAL
- La glicina no té cap grup lateral i, al ser el més petit, és que el aporta més flexibilitat, així que es podria classificar dins dels polars perquè es pot situar en qualsevol lloc.
- La cisteïna és polar però pot ser completament apolar ja que quan dues cisteïnes es troben, s’oxiden formant un pont disulfur i es troben principalment a l’interior.
- La valina i la isoleucina estan ramificats al carboni β en dos grups voluminosos, mentre que en els altres aminoàcids el que ramifica és el carboni α. Així que tenen els grups voluminosos més a prop i fa que hi hagi molta rigidesa i ordre. I és que el cost antròpic d’enterrar-los és més petit que el cost antròpic d’enterrar aminoàcids més llargs.
- La prolina té una estructura apolar però al ser un residu amb molta rigidesa fa que moltes vegades es trobi a la superfície de les proteïnes.
- La fenilalanina i els altres aromàtics són molt voluminosos, així que tenen un espaiador per a què no siguin tan rígids.
- La histidina té un pK de cadena lateral prop al fisiològic i pot reaccionar més fàcilment. En conclusió, el que importa és el context en el que es troba l’aminoàcid.
RELACIONS EVOLUTIVES
TEMA 2: L’enllaç peptídic i la seqüència
polipeptídica
ESTEREOQUÍMICA
L’enllaç peptídic es produeix després d’una reacció de condensació a on es perd una molècula d’aigua entre el grup carboxil i el grup amino; mentre que, per altra banda, la reacció d’hidròlisi incorpora una molècula d’aigua i se separen els residus. Hem de tenir en compte que l’enllaç peptídic és una estructura plana perquè té un caràcter parcial de doble enllaç ja que està en ressonància entre les dues molècules. Dir que el procés de ressonància és parcial en el temps i en l’espai perquè hi ha una densitat parcial negativa al oxigen i una densitat parcial positiva al nitrogen. Però, tot i que hi hagi un enllaç doble parcial, aquest té estructura d’enllaç doble de manera que no pot girar com si fos un enllaç simple, el que produeix que sigui totalment pla. Per últim, dir que aquest és un enllaç molt estable, així que el temps de degradació natural és de 500 anys.
Quan parlem de polipèptid, tenim que dins de l’enllaç peptídic els aminoàcids són plans a on el punt de rotació és el carboni α. Destacar que l’enllaç simple C-N té 1,45 àngstroms; l’enllaç doble C-N té 1,25 àngstroms; i l’enllaç C-N del pèptid té 1,33 àngstroms. De manera que podem entendre la seva estructura en funció de la situació de l’espai dels àtoms, però també ho poden saber en funció dels angles diedres (angle entre dos plans lligats per un àtom) dels àtoms que formen la cadena principal. Per una banda, l’angle φ es l’angle entre l’àtom de nitrogen i el carboni α; mentre que l’angle ψ és l’angle entre el carboni α i el carboni del grup carboxílic. Així que si tenim els dos carbonis α situats en el mateix pla, el φ i el ψ són de 180 graus quan el carboni α té el grup carboxílic i el nitrogen en cis. A més, també podem definir els angles diedres addicionals, és a dir, aquells angles que no formen part de la cadena principal i són marcats amb la lletra χ1,2....
Per una altra banda, tenim que l’enllaç peptídic normalment és trans de manera que els grups voluminosos estan en grups contraris per a què la molècula sigui més estable. I és que si estiguessin en cis tindríem un xoc estèric entre els grups R que surten dels carbonis α. Així és que trobem un enllaç cis per cada 1. enllaços trans; a excepció de la prolina a on el xoc estèric és més o menys similar i troben un cis per cada 4 trans.
PÈPTIDS NATURALS
Els pèptids es caracteritzen perquè no es poden definir completament en l’espai com per exemple la oxitocina, la vasopressina o la TRH. Destacar que la proporció de modificació respecte les proteïnes es més elevat. Així és que trobem a l’aspartame que és un dipèptid amb una metilació que se li ha afegit sintèticament; o sinó la α-amanitina que és un pèptid amb D-aminoàcids i altres elements que inhibeixen la RNA polimerasa II.
REACTIVITAT DELS PÈPTIDS
El pK té una eleva influencia en la reactivitat dels pèptids. A més, hem de tenir en compte que aquest varia en funció de si tenim els aminoàcids lliures, un grup terminal o quan són presents en una cadena lateral. Això vol dir que COOH és més estable en la cadena lateral, així que és més reactiu perquè té més tendència a atacar. Per altra banda, el grup amino predomina més en el grup terminal, així que perd l’electró abans i és més reactiu abans.
Una altra propietat molt important és la constant dielèctrica a on la de l’aigua és de 80, mentre que la de l’interior de la proteïna és -6. Aquesta és la capacitat d’apantallar càrregues que aquest compost pot tenir. De manera que un medi molt dielèctric afavoreix les formes ionitzades, és a dir, permet que hi hagi càrregues a la superfície; mentre que al interior s’afavoreixen les càrregues no-ionitzades, tot i que podem trobar ponts salins dins de la proteïna i també alguna càrrega si forma part per exemple del centre actiu. Així que, generalment, al interior troben les formes no reactives com – SH y tirosina, y les reactives com COOH, NH2 i histidina; mentre que al exterior és al revés. En conclusió, l’entorn proteic modula i modifica la reactivitat dels aminoàcids.
mateixa velocitat. Destacar que u.e.p. són unitats de període evolutiu, és a dir, quan temps fa falta en milions d’anys perquè la seqüència de la proteïna canviï un 1%. Aleshores, tenim que qualsevol de les proteïnes ens serveix per a fer l’arbre evolutiu independentment de les u.e.p.
Per exemple:
- El citocrom C actua de forma monomèrica, es trobar situat al costat extern de la membrana mitocondrial i s’encarrega de rebre electrons i transferir-los. Però s’uneix de manera transitòria a la membrana, rep els electrons del complex III i els passa al complex IV, així que ha de treballar amb altres proteïnes i trobem un compromís estructural. De manera que la capacitat per acceptar mutacions depèn de la seva funció (relació amb altres molècules ja que si s’ha d’unir amb altres tendirà menys a mutar) i la seva situació en la cèl·lula.
- La histona H4 s’encarrega de formar el nucleosoma i forma part d’un nucli d’histones que tenen una estructura molt ben definida, de manera que qualsevol mutació pot desmuntar aquesta estructura i per això accepta menys canvis que les altres proteïnes. A més, la presència de més o menys mutacions també té relació amb la importància de la proteïna en la cèl·lula.
- La hemoglobina accepta mutacions més ràpidament que les altres dues proteïnes, ja que només es veu amb ella mateixa com a estructura quaternària sense relacionar-se amb ningú menys. Així és que la seva estructura és capaç de tolerar més canvis, és a dir, pot acceptar canvis en la superfície.
- Els fibrinopèptids formen part de la cua del fibrinogen que, un cop es trenca per formar la fibrina, és degradada perquè la seva importància funcional és pràcticament nul·la.
Així que la variació en les proteïnes va de menys a més important: tercera posició del codó, la seqüència de l’aminoàcid, la llargada de l’aminoàcid i la conformació. De manera que la conformació és conserva més que la seqüència, així que moltes seqüències diferents poden generar la mateixa conformació.
SEQÜÈNCIACIÓ
Tenim dues tècniques de seqüenciació en el laboratori, però a vegades a partir de les formes genòmiques poden tenir una idea de com és la proteïna tot i que moltes tenen canvis post- traduccionals que ens ho fan més difícil.
DEGRADACIÓ QUÍMICA DE PROTEÏNES (MÈTODE D’EDMAN)
Aquest mètode no s’utilitza per a seqüenciar proteïnes completament perquè es triga molt de temps. I és que es basa en un medi alcalí, on el polipèptid reacciona amb reactiu i en medi bàsic, de manera que el reactiu ataca nucleofílicament i es forma una estructura covalent
nova. Aleshores, canviem el medi de bàsic a àcid, i es produeix espontàniament una reacció en la qual una molècula se cicle degut al atac d’un sulfur al carboni (el primer aminoàcid i el residu) i una altra molècula on queda la resta del polipèptid. A continuació, se separa la molècula que s’ha format i s’analitza per a saber quin és l’aminoàcid. Això es repeteix durant alguns cicles, però no molts perquè aquestes són reaccions orgàniques i no enzimàtiques, és a dir, que són absolutes. I és que tenen un rendiment de 99% aproximadament, i aquest 1% es va acumulant poc a poc. Així que com a molt es faria per a uns 40-60 residus. De manera que s’ha de trencar la proteïna de forma específica per a fer fragments, però després no podem saber l’ordre en què son, així que necessitem trencaments molt específics.
Agafem una proteïna i es fa un anàlisi per a saber la quantificació. A continuació es trenca amb la proteasa tripsina que trenca lisines i arginines, i origina una col·lecció de pèptids. A part, tenim una altra soca de la proteïna que trenquem amb una altra proteasa, de manera que tindrem un altra joc de pèptids. Aleshores, entre els dos resultats tindrem una solapació, però necessitarem fer molts més experiments. Destacar que actualment s’utilitza per a identificar les proteïnes, ja que fem un anàlisi dels primers 40 residus del N-terminal i ja podrem saber quina proteïna és.
ESPECTROMETRIA DE MASSES
Aquest mètode va sorgir per a molècules orgàniques perquè durant el procés les molècules havien de poder passar a la fase de gas. De manera simple, les proteïnes se’ls ha de ionitzar i fer-les recórrer un espai de camp magnètic en el buit i fer-les volar com si fossin molècules gasoses, fent-les anar des d’un pol fins a un altre pol i veure quan de temps triguen en arribar. Aleshores, aniran més lentes o més ràpides en funció de la seva massa. Tenim que es pot aplicar de dues formes:
- ESI (“Electrospray ionisation”): en aquest cas posem la mostra en dissolució aquosa amb un pH perquè tingui càrrega, s’expulsa al buit en forma de esprai i es va assecant poc a poc degut al buit, i és la partícula la que acaba arribant fins al detector. Destacar que la proteïna més carregada és la que arriba primer i que el detector el que mesura és la relació entre la massa i la seva càrrega.
- Identificació de seqüències: es tracta d’identificar proteïnes separades per electroforesi de dos dimensions, és a dir, primer per càrrega i després per massa molecular gràcies al SDS. La idea és obtenir una única espectrometria de masses per a tenir la empremta dactilar peptídica, és a dir, quin aspecte té quan la trenquem amb una proteasa i la fem passar per una espectrometria de masses. Després comparem aquesta empremta dactilar espectroscòpica amb altres empremtes del banc de dades. Destacar que en el banc de dades es digereixen totes les proteïnes de forma virtual, es calcula la massa molecular i després es compara amb la nostra proteïna. Així que tenim un espectre real i molts espectres virtuals, i trobarem una correspondència.
SÍNTESI QUÍMICA
Quan fem síntesi de pèptids és més difícil que quan seqüenciem una proteïna, perquè al fer el pèptid el que volem al final es que tingui funció i no és igual que abans on l’anem trencant i no ens importa el que analitzem. I és que el principal problema es que si volem fer reaccionar dos aminoàcids concrets, hem de protegir els grups amino i les cadenes laterals per evitar reaccions creuades i obtenir altres productes no desitjats. Per exemple, algun dels grups que serveixen per protegir els grups laterals son el Boc o el Boc-Glu.
Per a fer aquesta síntesi utilitzem unes columnes o una suspensió de partícules, com poliestirè, que són unes partícules inerts que tenen un grup concret que poden unir-se covalentment a un aminoàcid al C- terminal. Destacar que en els ribosomes la síntesi va del N- terminal al C-terminal; mentre que en la síntesi química en el laboratori va de C-terminal al N-terminal. Així que tenim a l’aminoàcid amb un protector al N-terminal per a evitar que cap altra regió interaccioni amb la molècula que forma part de la resina. A continuació, desprotegim el grup amoni rentant amb una dissolució amb un pH determinat; i, en paral·lel, en un altre compartiment, el segon aminoàcid té el grup carboxilat lliure i el grup amino protegit per a evitar que es formin dipèptids del mateix aminoàcid. Aleshores, el grup carboxilat s’activa i és molt electròfil gràcies a una altra molècula. Finalment, s’ajunten els dos aminoàcids fent saltar l’activador (carbodiimida) i es forma l’enllaç peptídic entre el C-terminal i el N-terminal. Aquest cicle es va repetint tantes vegades fins que es tingui tota la proteïna completa.
A la pràctica es fa servir la química combinatorial, és a dir, el mètode de barrejar i separar. La idea és que tenim un conjunt de molècules unides, les separem i afegim una partícula a l’aminoàcid A, al B i al C. A continuació, els tornem a juntar i després els tornem a separar, de manera que a cadascuna de les porcions hi haurà 1/3 de cadascun. Després tornem a fer reaccionar cadascun dels tubs amb A, B i C. De manera que en dos cicles tenim 3^2 aminoàcids diferents.
Però per ser més selectius, podem utilitzar la síntesis peptídica en microxips en la qual es pot dissenyar de manera individual. Aquest mètode permet obtenir molècules que puguin fer la funció de desprotecció de forma selectiva. I és que tenim el PGA-P (precursor d’un àcid foto- generat), que en absència de il·luminació es manté estable sense reacció, però quan rep llum passa a ser PGA i desprotegeix els grups amino. Així que podem seleccionar a on es produeix la reacció. Primer unim en un suport (xip) el primer aminoàcid amb la protecció; a continuació es fa una foto-activació cap alguns dels pols de manera que alguns queden protegits i altres no; fem reaccionar aquests amb un altre aminoàcid; i després fem passar el làser cap els altres aminoàcids que estaven protegits i els hi afegim un altre aminoàcid. De manera que tindrem seqüències diferents, conegudes i el lloc. Finalment, podrem veure quina activitat tenen cadascun i seleccionar el que més ens interessa.
- Interaccions electrostàtiques: tenim que l’energia d’enllaç entre dos càrregues és equivalent
a 𝑘∗𝑞 𝜀∗𝑟^1 ∗𝑞 2 ; mentre que l’energia d’enllaç entre dos dipols és aproximadament (^) 𝑟^12 ó (^) 𝑟^13.
En el cas que tinguem dues càrregues com per exemple el NaCl, ens trobem que quan estan soles tenen un enllaç molt fort, però en contacte amb l’aigua es destrueixen aquestes interaccions iòniques. Destacar que en les proteïnes tenim deslocalitzada les càrregues entre els oxígens (negatives) i els nitrògens (positives), tot i que s’assemblen també a dos enllaços de ponts d’hidrogen. A més, dir que la presència de les càrregues afavoreix el pK. Per últim, dir que qualsevol enllaç no-covalent té un caràcter electrostàtic, és a dir, que els electrons juguen un paper molt important.
Pel que fa a les interaccions entre grups polars ens podem trobar amb diverses situacions: dos grups carbonils ordenats de manera que és un dipol permanent sempre; podem tenir un grup carbonil permanent i un grup CH 3 que pot ser afectat pel grup carbonil de manera que es forma un dipol no-permanent (dipol induït); i entre no-polars tenim dos grups metils a prop, així que els números electrònics s’estructuren de forma no permanent i es produeix una polarització que dóna un efecte igual que abans però més feble. Per últim, dir que el moviment dipolar s’interpreta en termes de càrrega per distància i que totes aquestes interaccions són desfavorides en medi aquós.
- Ponts d’hidrogen: aquestes interaccions permeten que la proximitat entre els dos hidrogen sigui menor que si no hi fos aquesta estructura. Destacar que en el cas que hi hagués un enllaç covalent, aquesta distancia seria encara molt més petita. I és que l’àtom d’hidrogen està compartit entre l’àtom donador i l’àtom acceptor. A més, es tracta d’un enllaç entre grups polars i és direccional (a 180 graus és més fort que si es troben en un altre angle més petit).
- Interaccions apolars o hidrofòbiques: en aquest cas tenim dos àtoms no-carregats que s’aproximen a l’espai. Aleshores, la interacció entre aquestes molècules veiem que quan s’apropen es crea una reestructuració electrònica que produeix una atracció dèbil, però si s’acosten més no hi poden haver els electrons dels àtoms tan a prop i es produeix una força de repulsió. De manera que hi ha una situació en què l’energia és mínima i la interacció és òptima, i això és el que s’anomena com a distància de Van der Waals. I és que quan parlem de distància mínima és la distància de l’enllaç covalent més 0,8 àngstroms, però la òptima és la distància de
l’enllaç covalent més 1,2 àngstroms. Per últim, destacar que l’energia d’enllaç en aquest cas és aproximadament (^) 𝑟^16.
Per exemple, si passem metà de l’aigua al benzè tenim que aquesta és una reacció favorable perquè hi ha una energia lliure negativa. Tot i això, l’entalpia sempre és positiva (desfavorable) perquè el solut apolar en un medi aquós i des del punt de vista del calor de reacció (entalpia), estableix una relació amb els àtoms d’aigua. Però la entropia es molt negativa perquè hi ha un augment de la entropia que compensa el problema entàlpic del calor de reacció. Així que les interaccions entre grups apolars no són millors quan no hi ha aigua, sinó que són deguts a l’entropia de l’aigua. I és que quan tenim un solut apolar en l’aigua tenim el cantó més electronegatiu de l’aigua cap al solut i està molt ordenada; però quan se’n va la molècula augmenta molt l’entropia de l’aigua. Així que la força principal que dirigeix la interacció dels grups apolars és l’efecte hidrofòbic.
Per últim, dir que els clatrats són les estructures que es formen quan les molècules d’aigua estan ordenades quan es troben en contacte amb molècules orgàniques. Aleshores, destacar que podem fer un perfil d’hidropatia per a saber més o menys quina part de la proteïna estarà a la superfície i quina estarà al interior. I és que aquest mètode és basa en la hidrofobicitat de cadascun dels aminoàcids que forma la proteïna.
COOPERATIVITAT
Quan parlem del plegament d’una proteïna tenim que les interaccions febles són cooperatives i que gracies a aquestes, sempre es pleguen de la mateixa forma. Així que per exemple tenim una proteïna amb una seqüència i es produeix una de les interaccions entre les centenars que es poden fer. Aleshores, aquesta és una reacció química que té una constant d’equilibri i és el que anomenem K observada. Destacar que aquesta constant no depèn únicament de la reactivitat entre A i B, sinó que hi ha un altre factor que ho modula que és defineix com la concentració efectiva, és a dir, de com estiguin un a la vora de l’altre en funció de l’estructura de la proteïna. A més, en quan als grups reactius tenim que la constant és de 10-1^ i 10-2, mentre que en quan a la concentració efectiva és de 10-2^ i 10-5; així que els valors que acabem observant són entre 10-3^ i 10-7^ i el que hauríem de veure és que hi ha més seqüències sense interacció i desplegades.
Hem de tenir en compte que per arribar a una estructura final podem seguir varis camins i que la constant d’equilibri és més bona quan estan mínimament ordenats que no si ho fem de cop. Així que si dividim la constant entre A-B de la segona molècula entre la constant de la primera ens surt
fan que la proteïna sigui funcional. Això és perquè quantes més interaccions tinguem és millor per a l’estabilització, sobretot l’enllaç d’hidrogen on només tenim que el hidrogen es pot unir amb dues formes diferents. Es pot unir el 1 amb el 7 i tindríem una mena de cinta però això no s’observa; sinó que es veu com s’uneix el 1 amb el 10, amb el 13 o amb el 16. D’aquesta manera es formen les hèlix 3-10 (més prima), les hèlix α i les hèlix pi (més gruixuda). Per exemple, en la primera observem que interactua l’àtom 1 amb el 10 i que tenim 3 residus per volta, per aquest motiu s’anomena d’hèlix 3-10. De la mateixa manera, l’hèlix α té 3,6 residus per volta, així que s’anomenaria 3,6-13.
Hem de tenir en compte que l’hèlix α té les següents característiques: és dextrògira; l’estructura està estabilitzada fonamentalment per ponts d’hidrogen que es formen entre el residu 1 i el 4; l’estructura també està estabilitzada per empaquetaments òptims de Van der Waals a l’interior que formen la cadena principal; i també s’estabilitza per la disposició de les cadenes laterals (es poden atraure o repel·lir), i és que entre cada cadena lateral hi ha aproximadament 100 graus de diferencia, així que segons la distancia tindrem atraccions favorables o desfavorables, de manera que és important la relació entre 1-2 i també entre el 2 amb el 5-6; l’espaiament entre les cadenes laterals i la seva estructura química és molt important; l’enllaç d’hidrogen entre acceptor i donador és sempre en la mateixa direcció, així que tenim una estructura de dipol que afecta a la seva situació en el conjunt de la macromolècula. Per últim, dir que l’hèlix α depèn de les interaccions electrostàtiques entre els residus adjacents; de la grandària d’aquests residus; que hi hagi interaccions entre residus que estiguin a una volta de distància; de la presencia de prolina o glicina ja que són desfavorables perquè en a una estructura regular no li va bé la extrema rigidesa o la extrema flexibilitat; i que hi hagi una estabilització del dipol.
Per una altra banda, dir que l’hèlix α té 3,6 residus per volta; cada volta té una extensió de 5,4 àngstroms; té un pas per volta de 1,5 àngstroms; i els angles diedres son constants. Destacar que aquesta és l’expressió màxima de l’empaquetament de la cadena principal; s’estabilitza per ponts d’hidrogen entre el residu i amb el i+4; té un caràcter dipolar; la llargada mitjana és de 12 aminoàcids (unes 3 voltes que corresponen a uns 18 àngstroms), tot i que poden ser molt més llargues; i moltes hèlixs són amfipàtiques.
Per últim, dir que si representem els aminoàcids i els classifiquem en funció del tipus tenim que a una banda trobem aminoàcids polars o carregats positivament/negativament, i a l’altre els apolars. Això és perquè l’hèlix α té una part mirant cap a dins de la proteïna i una altra cap a fora, i és el que s’anomena ser amfipàtic. Destacar que això es veu molt a les proteïnes de membrana, on la més comuna és la que té 7 hèlixs α que van travessant la membrana i formen una espècie de cilindre, tot i que també podem tenir hèlixs α amb una altra estructura.
Fulla β: aquesta és l’altre estructura secundària més abundant. En aquest cas tenim dos trossos de seqüència, no és una estructura local si entenem local per un únic tros però sí que ho és si entenem local com a localitzable en una zona concreta de la proteïna. A més, tenim que el pas de volta és de 7 àngstroms; la mitjana de cadenes que hi participen són com a mínim 2 i màxim unes 15 (la mitjana es de 6 cadenes que corresponen a 25 àngstroms); i la llargada mitjana és d’uns 6 aminoàcids que corresponen a uns 21 àngstroms, similar al que tenim a l’hèlix α.
En aquest cas, la cadena principal està al màxima d’estesa en els àtoms de la cadena principal i la raó per la qual es forma és l’explotació màxima per a formar ponts d’hidrogen. Aquests es formaran entre l’oxigen del carboni carbonílic i el protó del hidrogen del grup amino d’una altra cadena. Destacar que les dues cadenes són antiparal·leles o paral·leles, tot i que també es poden trobar juntes en una mateixa fulla β. A més, trobem una geometria específica per l’enllaç d’hidrogen. També hem de tenir en compte que les paral·leles solen estar enterrades dintre de la proteïna, mentre que les antiparal·leles estan exposades al dissolvent per un cantó. I és que el pont d’hidrogen és més fort si està en un angle de 180 graus que és el que succeeix en
