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Bioquímica – L. Stryer, J.M. Berg y J.L. Tymoczko.
Quinta Edición, Editorial Reverté, S.A., Barcelona,
2003.
Página web del IIB: http://www.iib.unsam.edu.ar
Usuario: iib Contraseña: unsam
Clases teóricas: Lunes de 17 a 19 hs. y Martes de 15 a 17
hs., Aula 11, Corona del Tornavías, o en el Auditorio del IIB.
Ejercicios y Problemas: Martes de 17 a 21. 30 hs, Aula 11.
Trabajos Prácticos: Martes de 17 a 21. 30 hs, Salones de
TPs del IIB.
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En esta asignatura les daremos un panorama general de cómo
se llevan a cabo los procesos químicos que transcurren en una célula
viva. Veremos las enzimas, catalizadores biológicos que permiten que
muchas reacciones químicas se lleven a cabo al mismo tiempo, sin
producir productos secundarios. Estudiaremos los carbohidratos y el
metabolismo energético, comenzando por la glucólisis, siguiendo con el
ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la cadena respiratoria. Veremos los
lípidos y su metabolismo, lo mismo que la síntesis y degradación de los
aminoácidos; la fotosíntesis y otros procesos biosintéticos, como la
síntesis y luego la degradación del glucógeno en los animales.
Finalmente, estudiaremos los ácidos nucleicos y su papel fundamental en
la conservación de la información genética y en la traducción de esa
información al nivel de las proteínas.
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.
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LOS AMINOACIDOSUn 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-a-aminoácidos.
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Formas ionicas de la L-
alanina.
Los aminoacidos se
encuentran realmente en
la forma de zwitterion
(Bjerrum, 1923)
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Formas iónicas y
curva de
titulación de la
glicina.
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LAS PROTEINAS:
ESTRUCTURA Y
PLEGAMIENTO
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ESTRUCTURA Y FUNCION DE LAS PROTEINAS.
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).
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NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS.
1) Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos.
Unión peptídica exclusivamente.
N-terminal C-terminal
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Angulos de rotacion del
carbono alfa.
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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: a-
hélice, estructura b (hoja plegada) y giros b.
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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.
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Hojas b paralela y anti-paralela
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3) Estructuras supersecundarias: motivos y
dominios.
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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.
5) Estructura cuaternaria: Disposición espacial de las
subunidades en proteínas oligoméricas. Interacciones
hidrofóbicas, uniones puente hidrógeno y salinas.
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PUENTE DISULFURO: SOLO EN ESTRUCTURA TERCIARIA
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Cadenas laterales de
aminoácidos que
pueden formar
puentes de hidrógeno
y participan en la
estructura terciaria de
las proteínas.
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DISTRIBUCION DE LOS RESIDUOS DE AMINOACIDOS EN LA MIOGLOBINA.
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
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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.
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Modificacion post-traduccional de las proteinas.
Algunos ejemplos:
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PROTEINAS INTRINSECAMENTE DESORDENADAS
(PROTEINAS INTRINSECAMENTE NO ESTRUCTURADAS)
• Desde comienzos del Siglo XXI se han descripto numerosasproteínas que presentan una estructura flexible o un plegamientoazaroso en la mayor parte de su extensión.
• De acuerdo al concepto clásico, estas proteínas no seríanfuncionales; sin embargo, se ha demostrado que proteínas coneste tipo de plegamiento están involucradas en diferentes vías deseñalización, algunas son factores transcripcionales, receptores demembrana, o bien son proteínas abundantes en algunos tejidos dediferentes organismos.
• Los proyectos genoma de eucariotes permiten predecir quealrededor de un 30 % de las proteínas codificadas serían proteínasparcial o totalmente desordenadas.
• Es posible que la flexibilidad estructural no se dé o se dé muchomenos en el ambiente intracelular, comparado con lo que seobserva en solución acuosa.
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• A: Ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa de espinaca, proteínaglobular
• B: Factor de inicio de la traducción (eIF1A) humano, la mayor parte decuya estructura es desordenada.
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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 el plegamiento espontáneo de las proteínas
globulares, 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.
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• A: La proteína puede unir un ligando con una conformación dada yrealizar una función específica.
• B: La misma proteína puede interaccionar con el mismo ligando (o conotro distinto) a través de una conformación diferente, y así realizar unafunción completamente distinta.
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• A: La interacción con el ligando induce en la proteína una conformación masestable.
• B: Modificaciones post-traduccionales en la proteína influyen en suplegamiento, además de la interacción con su ligando.
• C: La disponibilidad de agua puede modificar la estructura de la proteína; elcambio en su interacción con el agua llevaría a un cambio en su conformación.
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PROTEINAS FIBROSAS
Las proteínas fibrosas se dividen en general en tres grupos, dependiendo
de la estructura secundaria de las moléculas individuales: las a-hélices
super-enrrolladas, la triple hélice del colágeno, y las hojas b en las fibras
amiloides y las sedas.
Las fibras en a-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 b
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.
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PROTEINAS FIBROSAS
Dos o mas a-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 a-hélices se hace habitualmente
por interacciones hidrofóbicas, a menudo mediadas por Leu o Ileu.
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El colágeno es muy rico en prolina, hidroxiprolina y glicina. Uno de cada
tres residuos es Gly.
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 a-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 COLAGENO
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LA TRIPLE
HELICE DEL
COLAGENOEn el interior de la triple
hélice no queda espacio
para un aminoácido de
mayor tamaño que la gly.
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PROTEINAS 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.
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PROTEINAS DE MEMBRANA.
Proteínas integrales y Proteínas periféricas
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Prostaglandina H2 sintasa-1. Sintetiza la prostaglandina H2 a
partir de ácido araquidónico proveniente de lípidos de la
membrana, en dos etapas.
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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.
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Es posible predecir, con buena
probabilidad, la presencia de
a-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.
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PLEGAMIENTO DE LAS
PROTEINAS.
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LA RIBONUCLEASA: EL EXPERIMENTO DE ANFINSEN.
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REDUCCION DE LOS PUENTES DISULFURO
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La urea desnaturaliza a la ribonucleasa (es decir, deja solo su
estructura primaria) y el b-mercaptoetanol reduce los puentes
disulfuro.
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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 esta
recupera su actividad en presencia
de trazas de b-mercapto-etanol.
Hay 105 modos diferentes de
aparear 8 Cys para formar 4
puentes disulfuro, y sólo 1 es el
correcto.
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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)
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El plegamiento puede
pasar a traves de un
intermediario que ya
tiene practicamente
completa la estructura
secundaria (el globulo
fundido). Puede tener un
camino unico o tener
caminos alternativos.
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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:
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DESNATURALIZACION DE UNA PROTEINA.
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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.