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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA
TEMA 3. PROTEÍNAS II
Propiedades del enlace peptídico:
El enlace peptídico es un híbrido de resonancia.
El oxígeno y el nitrógeno son átomos electronegativos que compiten por un par de electrones deslocalizado, pudiendo existir en dos formas, a y b. Pauling demostró que ambas formas coexisten donde el par de electrones se encuentra deslocalizado entre el grupo C=O y el N. El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace.
Al ser el oxígeno más electronegativo que el nitrógeno, los electrones deslocalizados están más desplazados hacia el oxígeno, quedando este con carga parcial negativa y el nitrógeno con carga parcial positiva. Por lo tanto el enlace peptídico es polar.
Como consecuencia, el oxígeno es aceptor de hidrógeno y el nitrógeno es dador de hidrógeno en los puentes de hidrógeno.
El enlace peptídico es plano. Configuración trans.
El carácter parcial de doble enlace es suficiente para impedir la rotación libre del enlace C-N y los 6 átomos que participan están obligados a permanecer en el mismo plano.
Son posibles dos configuraciones, cis y trans.
Cis: Los átomos de C de los aa adyacentes se encuentran más próximos y salen por las dos esquinas del mismo lado, de ahí que esta configuración sea más inestable ya que se provocan repulsiones estéricas y espaciales. Trans : En la segunda la cadena polipeptídica entra y sale del rectángulo, formada por átomos del enlace peptídico, por las esquinas opuestas.
- Conformación : Disposición espacial de los grupos sustituyentes de las moléculas orgánicas que son capaces de adoptar diferentes posiciones en el espacio, sin rotura de ningún enlace, debido a la libertad de giro alrededor de sus enlaces C-C.
- Configuración: Disposición en el espacio de una molécula orgánica derivada de la presencia de dobles enlaces , que no permiten libertad de giro ó a la existencia de centros quirales alrededor de los cuales se disponen los grupos sustituyentes de una forma específica.
Isómeros geométricos: difieren de la ordenación de sus grupos en torno a un doble enlace rígido. Pueden ser cis o trans. Cada uno de estos compuestos son bien definidos y pueden aislarse de forma pura.
Isómeros ópticos: son los que poseen un centro quiral; se pueden presentar en dos formas: imágenes especulares no superponibles y que se diferencian en el sentido al que desvían el plano de luz polarizada (D y L). No pueden interconvertirse sin romper enlaces covalentes.
Niveles estructurales de las proteínas:
Estructura secundaria: conformación que se repite de forma regular en la cadena que a su vez podrá plegarse y adoptar estructura tridimensional en la terciaria. La estructura cuaternaria es la asociación de distintos monómeros con estructura terciaria.
Las cadenas peptídicas, según el medio y la composición de aa van a adoptar una postura en el espacio: Hélice alfa, conformación al azar y lámina beta.
Hélice alfa : En esta conformación la cadena de aa apa rece enrollada en torno a un eje imaginario central. Pue den ser tanto levógiras (izq) como dextrógiras (der), sin embargo en las proteínas siempre son dextrógiras for madas por L-aminoácidos. En esta estructura todos los oxí genos de los grupos carbonilo que forman el enlace pep tídico están unidos mediante enlaces de hidrógeno a los átomos de hidrógeno de los grupos amídicos que se enc uentran separados tres residuos en la cadena. Todos los ele mentos de cada enlace peptídico se encuentran for mando enlaces de hidrógeno paralelos al eje lon gitudinal de la hélice. Estos enlaces son los que ma ntienen la estructura de la hélice alfa. Cuando vol
vemos a encontrar posiciones equivalentes (cada 3,6 resi duos) tenemos un paso de hélice. Las cadenas laterales de los aa se proyectan hacia el exterior de la hélice. (la forma de hélice se debe a que solo los carbonos pueden girar.)
No todos los aminoácidos se pueden adaptar a la configuración de hélice alfa, lo harán los aminoácidos con cadenas pequeñas no cargadas.
- Conformación al azar : La forman aquellos aminoácidos que no se adaptan a ninguna de las otras dos como son los aa cargados o con grandes cadenas. Esta proporciona los codos gracias a los cuales una proteínas se puede plegar.
Dominio extracelular
- Dominio transmembrana
- Dominio citosólico
Estructura supersecundaria o motivos: en las proteínas globulares pequeñas, segmentos de hélice- y lámina- se pueden asociar formando estructuras complejas con formas de lazos. Estas estructuras se denominan motivos o estructuras supersecundarias. Estos motivos suelen tener una función particular dentro de la proteína, así por ejemplo la estructura de hélice-lazo-hélice es típica de proteínas que se unen a calcio. En la estructura del lazo existen aa como asp ó glu, cargados negativamente que representan el sitio donde se une el Ca2+.
Los motivos no es lo mismo que dominios, en un dominio puede haber varios motivos. Un dominio es un plegamiento, mientras que un motivo son combinaciones concretas y específicas de estructuras secundarias con funciones concretas.
Motivos de una proteínas terciaria. Ejemplos de proteínas con estructura terciaria.
Estructura cuaternaria: Consiste en el ensamblaje de dos ó más cadenas polipeptídicas independientes, que se unen mediante interacciones no covalentes o covalentes. El conjunto se llama oligómero y sus cadenas polipeptídicas monómeros o subunidades. Los monómeros de una proteína oligomérica pueden ser idénticos o distintos en sus estructuras primarias, secundarias y terciarias.
Principales fuerzas que mantienen unidas las estructuras terciarias.
- Efecto hidrofóbico. Las moléculas de agua del medio tienden a interaccionar con los grupos polares R de los aa, obligando a los grupos R apolares a quedarse en el interior de la proteína plegada, alejados del medio acuoso y juntos en el interior de la proteína haciendo que ésta se pliegue en el sentido apropiado. Este tipo de fuerzas son las responsables del plegamiento compacto de la proteína.
- Enlaces de hidrógeno. Estabilizan las proteínas globulares. La conformación de la proteína globular depende de gran número de enlaces de hidrógeno. Además
de los enlaces que se forman para mantener la hélice- ó lámina-, se pueden formar enlaces de hidrógeno entre las cadenas laterales de los aa ó entre éstas y las moléculas de agua circundantes.
- Pares iónicos. Las cadenas laterales ionizadas de aa como glutámico (COO -^ ) ó lisina (NH3+) pueden interaccionar formando un par iónico que estabiliza la estructura compacta de la proteína globular.
- Fuerzas de Van der Waals. Una vez que la proteína se ha plegado, los distintos átomos pueden entrar en contacto de Van der Waals, estableciéndose multitud de fuerzas de este tipo en el seno de una proteína.
- Interacciones covalentes. En algunas ocasiones la proteína alcanza su estructura definitiva después de establecer enlaces covalentes, bien entre aa distintos dentro de la misma cadena o entre cadenas distintas en una proteína oligomérica. La mayoría de estos enlaces son puentes disulfuro entre dos cisteínas. Suelen establecerse puentes disulfuro entre cadenas laterales de cisteína.
Todas estas interacciones se darán tanto dentro de una proteína con estructura terciaria como entre las distintas subunidades de una proteína oligomérica con estructura cuaternaria. La conformación final de una proteína con actividad biológica se llama nativa.
Factores que afectan al plegamiento de las proteínas:
Toda la información requerida para que una proteína se pliegue para dar su conformación nativa, está contenida en la estructura primaria. El plegamiento de una proteína no transcurre al azar, sino que está dirigido por la composición de aa y sus interacciones con el medio. Se van formando los dominios hasta adquirir su configuración terciaria. En algunas ocasiones, la conformación final de muchas proteínas globulares requiere la formación de puentes disulfuros intramoleculares.
A veces el plegamiento es incorrecto, en este caso este tipo de errores van a ser corregidos por un tipo de proteínas llamado chaperoninas que ayudan a la proteína a adquirir su configuración tridimensional con consumo de ATP. Las proteínas mal plegadas tienen dos caminos: o se pliegan correctamente por el proceso anterior o se degradan.
Conformación final: nativa
pH óptimo: aquel valor de pH en el que una proteína presenta la estructura tridimensional adecuada y los grupos en el estado iónico necesario para llevar a cabo su función.
pH isoeléctrico: aquel pH en el cual la proteína tiene carga neta O, el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas. Por debajo del pI la proteína tiene carga positiva y por enzima del pI la proteína tiene carga negativa.
Desnaturalización- Renaturalización: Como la estructura tridimensional se mantiene mediante interacciones electroestáticas débiles, si se alteran las condiciones que mantienen esta estructura tridimensional se produce la desnaturalización de la proteína. Ésta es la modificación estructural que conlleva a la pérdida de función. La desnaturalización puede ocurrir por:
- Aumento de la T.
- Detergentes: la cola hidrofóbica se introduce en el núcleo hidrofóbico de la proteína y origina su desnaturalización por pérdida del efecto hidrofóbico.
- Variaciones en el pH: ya que al variar el pH afectamos al estado iónico de las cadenas laterales implicadas en interacciones.
- Acción de agentes desnaturalizantes, como la urea o el ión de guanidio. La urea establece enlaces de hidrógeno con los elementos del enlace peptídico desestabilizando la estructura secundaria. Mientras que la estructura primaria se mantiene. Para romper la estructura primaria hay que utilizar un ácido fuerte o una enzima.
En algunos casos, si se restablecen las condiciones fisiológicas, la proteína recupera la conformación nativa y su función en un proceso llamado renaturalización. La desnaturalización demuestra que toda la información necesaria para la función de una proteína radica en su estructura tridimensional. Asimismo, la renaturalización demuestra que toda la información necesaria para el plegamiento de una proteína se encuentra es su secuencia de aminoácidos. Es poco frecuente, las únicas proteínas capaces de llevarlo a cabo son proteínas con puentes disulfuro ya que al ser enlaces covalentes fuertes se mantiene parcialmente la estructura.
Mioglobina y Hemoglobina: Relación estructura – función. La mioglobina tienen capacidad de unir el oxígeno y lo almacena en el músculo esquelético y en el liso. La hemoglobina se encuentra en el interior de los eritrocitos (células sanguíneas muy especializadas en almacenar y llevar millones de moléculas de hemoglobina sin orgánulos subcelular que mantienen el citoplasma y la membrana) (saco). Transporta el oxígeno de los pulmones a los tejidos.
Estructura de la mioglobina:
Es una proteína pequeña formada por una cadena peptídica que se organiza en ocho tramos de hélices alfa unidas entre sí por segmentos de conformación al azar. La región que une el oxígeno es una molécula llamada hemo (porfirina 9) de origen NO proteico, es un cofactor (molécula adicional) unido covalentemente a la parte proteica de la mioglobina se llama grupo prostético, es un grupo anular tetrapirrólico plano de la familia de las porfirinas. Forma enlaces de coordinación con hierro en estado ferroso, la estructura de la mioglobina presenta una hendidura en ella están presentes multitud de aa hidrofóbicos que establecen interacciones de Van der Waals. El átomo ferroso forma 6 enlaces de coordinación con 4 átomos de N del anillo, 1 con la cadena lateral de una histidina que le sirve de sujeción a la proteína y otro a la molécula de oxígeno.
La hemoglobina: Está formada por 4 monómeros 2 cadenas alfa (141 aa) y 2 cadenas beta (146 aa) ambas con hélices alfa y sin láminas beta. Cada cadena posee una estructura terciaria característica y presentan en su estructura diversos tramos de hélices alfa conectados por conformación al azar; en cada cadena se encuentra enterrado en una pequeña depresión de la proteína un grupo hemo cuyo hierro establece los mismos enlaces de coordinación que hemos descrito para la mioglobina.
Semejanzas entre la mioglobina (Mb) y hemoglobina (Hb):
- Las cadenas y poseen estructuras terciarias casi idénticas, con giros y curvaturas con los mismos ángulos.
- Hb de muchas especies de vertebrados diferentes poseen aproximadamente la misma estructura terciaria de sus cadenas polipeptídicas y su estructura cuaternaria es casi idéntica.
- La estructura terciaria de las cadenas y de la Hb se parecen mucho a la estructura terciaria de la mioglobina. Esta semejanza estructural está directamente relacionada con su misma función (unir oxígeno). Ambas proteínas tienen un origen evolutivo común. La relación entre Mb y Hb se pone de relieve también al comparar las secuencias de aa de la Mb y la de las cadenas α y β de la Hb de distintas especies. Así, en casi todos los
Christian Bohr, fisiólogo danés y padre del físico Niels Bohr, observó a principios de siglo que el CO2, que es producido por el metabolismo de los tejidos, disminuía la afinidad de la Hb por el O2. En los tejidos se produce como productos finales del metabolismo celular, CO 2 y agua. La enzima Anhidrasa carbónica de los glóbulos rojos cataliza la reacción del CO 2 con
el agua para dar bicarbonato y un H+. Esta reacción disminuye el pH, que pasa de 7. en los pulmones a 7.2 en los tejidos. La disminución del pH más que el CO2, es la causa de la disminución de la afinidad de la Hb por el O 2 y el responsable de que la Hb libere el O 2 en los tejidos.
El efecto del pH en la afinidad de la Hb por el O 2 es sobre el grado de protonación de varios grupos que están implicados en la formación de pares iónicos entre las subunidades. Uno de estos grupos está en la cadena lateral del residuo de His C- terminal de cada lámina beta (His 146), que se encuentra formando un par iónico con un grupo COO- del Asp 94 de la misma cadena en la estructura de deoxi-Hb.
En los tejidos , la disminución del pH (aumento de la concentración de H+) favorece la formación de estos pares iónicos al incrementar el grado de protonación del ión imidazolio de la His 146, como consecuencia la Hb adquiere una conformación más cerrada, quedando los grupos hemo escondidos hacia el interior de la Hb, siendo ahora inestable la unión del O 2 que se ve forzado a abandonar la Hb. A medida que una molécula de O 2 abandona una subunidad de Hb, las interacciones cooperativas favorecen que se libere en la subunidad vecina. Además, esta conformación deoxi-Hb a la vez que esconde los grupos hemo al interior de la estructura impidiendo que el ox que se acaba de liberar se vuelva a unir, deja accesible la cavidad central, lugar de unión del efector alostérico 2, 3-BPG, cuya unión estabiliza la conformación deoxi-Hb.
En los pulmones. De esta forma llega la Hb a los pulmones libre de O2. Aquí la concentración de CO 2 es mucho menor ya que éste es expulsado en el aliento. Por ello la Anhidrasa carbónica llevará a cabo la reacción contraria hacia la formación de CO2,
que será expulsado en el aliento. Como consecuencia disminuye la concentración de H
- y aumenta el pH. El aumento del pH genera la desprotonación de la cadena R de la His 146 por lo que el par iónico se rompe. La Hb adquiere una conformación más abierta, dejando los grupos hemo expuestos al O 2 y modificando el sitio de unión del
BPG que se ve forzado a salir de la Hb. Como consecuencia en los pulmones la Hb se vuelve a cargar de O2, Oxi-Hb, liberándose del 2,3-BPG.
La disminución del pH en los tejidos además tiene otro efecto fisiológico y es el hecho de que la deoxi-Hb va a encargarse del transporte a los pulmones de parte de los H+^ y el CO 2 producidos en los tejidos. Cada molécula de Hb va a transportar a los pulmones 2H +, uno en cada His-146 de cada cadena β. Los extremos NH 3 -terminales de las 4 cadenas que constituyen la Hb también van a
variar su estado de protonación por efecto del pH. Dado que el pK de los grupos N- Terminales es 8, podemos calcular cual es su estado de protonación a pH= 7. (pulmones) y a pH= 7.2 (tejidos), utilizando la fórmula de Hendersson-haselbach que nos relaciona el pK de un ácido débil con el pH el medio. Así calculamos la proporción entre los grupos amino terminales protonados (- NH 3 +^ ) y los neutros (- NH2). Esto significa que en los tejidos por cada extremo N-Terminal que se encuentra en forma neutra, hay 6.3 que se encuentran protonados, mientras que en los pulmones sólo
están protonados 2.5. Así 3.8 grupos - NH 3 +^ por cada - NH 2 ceden su protón contribuyendo así a la eliminación y transporte de H+ de los tejidos a los pulmones.
- Transporte de CO 2 La sangre transporta el bicarbonato disuelto hasta los pulmones, donde se reasocia con los protones liberados por la Hb y es espirado por el aliento como dióxido de carbono. El bicarbonato en la sangre cumple un papel importantísimo ya que va a ser el tampón encargado del mantenimiento del pH sanguíneo. Sin embargo parte del CO 2 (20%) va a ser transportado por la Hb. Antes hemos visto como a pH 7.2 (pH de los tejidos) 1 de cada 6.3 de los grupos N-Terminales de las cadenas de Hb se encontraban desprotonados. Estos grupos amino neutros pueden reaccionar con el CO 2 para dar carbamatos. Es un proceso pasivo que solo depende de la concentración que haya en el medio. La formación de carbamato se revierte con facilidad. Como la pCO 2 en los tejidos metabólicamente activos es grande, la reacción estará desplazada hacia la formación de carbamatos. Sin embargo, la pCO 2 en los pulmones es baja por lo que el equilibrio se desplaza hacia la liberación de CO2.
Hay que comentar que la deoxiHb tiene mucha afinidad por ligar CO 2 a través de su grupo hemo. Por eso el inhalar CO 2 es muy tóxico y puede producir la muerte. Sin embargo, en los tejidos, el CO 2 producido no va a unirse al grupo hemo ya que el descenso del pH provoca la formación de pares iónicos implicados en el cambio conformacional que supone la salida del O 2 del grupo hemo y que éste sea inaccesible al
CO2. A este hecho contribuye también la unión en la sangre del 2,3-BPG. No es así en los pulmones, donde el aumento del pH va a romper los pares iónicos y aquí sí tiene acceso al grupo hemo tanto el O 2 como el CO2, por ello el CO 2 es muy tóxico en la respiración y no lo es en los tejidos.
