Bioquímica Estructural y Metabólica. TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4.

Author: Juan Luis Villanueva Blanco

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Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

TEMA 4. Proteínas: estructurales y globulares. Clasiﬁcación de las proteínas según su estructura. El colágeno como paradigma de las proteínas estructurales. Enfermedades del colágeno. Dos proteínas globulares: mioglobina y hemoglobina. Estudio de su estructura y función. La hemoglobina como ejemplo de proteína alostérica. Factores que regulan la union del oxígeno a la hemoglobina. Tipos de hemoglobina. Anemia falciforme. Otras hemoglobinopaHas.

Jesús Navas Méndez

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•  Fibrosas o escleroproteínas: constan de un solo Ipo de estructura secundaria. Función estructural. Insolubles en agua. Alfa-‐queraInas, colágeno y elasIna. •  Globulares: constan de varios Ipos de estructura secundaria. Solubles en agua. Enzimas y proteínas reguladoras. •  Proteínas de membrana. •  Proteínas que se unen a ácidos nucleicos.

Jesús Navas Méndez

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LA MATRIZ EXTRACELULAR

Jesús Navas Méndez

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

LA MATRIZ EXTRACELULAR: COLÁGENO

Los colágenos son componentes fundamentales de la MEC en los tejidos conecIvos, por lo que juegan un papel importante en la arquitectura e integridad Isulares y en las interacciones entre células. Jesús Navas Méndez

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

COLÁGENO •  Proteína más abundante de los vertebrados (30% masa proteica total). •  Se encuentra en el tejido conjunIvo de tendones, carHlagos, matriz orgánica de huesos, piel y córnea del ojo. •  Hélice levógira más compacta que la alfa hélice. Superhélice dextrógira formada por enrollamiento de 3 hélices (tropocolágeno). •  Gli, Ala, 4-‐0H-‐Pro, 5-‐0H-‐Lys muy abundantes. •  El tripépIdo Gly-‐X-‐Pro aparece repeIdo numerosas veces a lo largo de la cadena del colágeno. •  Ha evolucionado para proporcionar fuerza.

Jesús Navas Méndez

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TRIPLE HÉLICE DE COLÁGENO Colágeno Ipo I: [α1(I)]2 α2(I): tendones, huesos y piel. Colágeno Ipo II: [α1(II)]3 : carHlago. Colágeno Ipo III: [α1(III)]3 vasos, piel recién nacido, pared intesInal.

Garre`, R.H. and Grisham, C.M. Biochemistry. 2ª ed. Saunders College Publishing. 1999. Jesús Navas Méndez

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Hélice de colágeno levógira, 3 aacs/vuelta

Triple hélice del colágeno: enrollamiento dextrógiro

Triple hélice del colágeno (corte sagital)

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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Jesús Navas Méndez

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Hélice alfa

Cadena de colágeno

Hélice de colágeno

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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TIPOS DE COLÁGENOS •  Formadores de ﬁbrillas: Ipos I, II, III, V y XI. •  No ﬁbrilares: colágenos de las membranas basales (Ipo IV), asociados con ﬁbrillas (FACIT) y mulIplexinas.

Jesús Navas Méndez

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FIBRAS DE COLÁGENO

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES DE AMINOÁCIDOS DEL COLÁGENO

4-‐Hidroxi-‐Pro 3-‐Hidroxi-‐Pro 5-‐Hidroxi-‐Lys (glicosiladas)

Lys

Lys

Puentes de Lys entre cadenas de colágeno. Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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Alberts et el. Garland. Molecular Biology of the Cell. 1994. Jesús Navas Méndez

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ENFERMEDADES DEL COLÁGENO •  Escorbuto: fragilidad capilar, lesiones cutáneas y hemorragias subcutáneas. Déﬁcit de Vitamina C. •  Síndrome de osteogénesis imperfecta. Mutación Gly988/Cys en el colágeno Ipo I. Huesos quebradizos, deformaciones en el esqueleto (niños de cristal). •  Síndrome de Ehler-‐Danlos. Piel hiperextensible, exceso de movilidad en las arIculaciones. Rotura de arterias y vejiga (más graves). •  La^rismo. Inhibición de la lisil oxidasa por un componente del guisante dulce (Lathyrus odoratus). Deformación de la columna vertebral, luxación de arIculaciones, desmineralización de huesos, hemorragias arIculares.

Jesús Navas Méndez

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Jesús Navas Méndez

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PROTEÍNAS GLOBULARES •  La mayoría de las proteínas cuya función no es estructural son proteínas globulares. •  Una proteína globular Hpica está consItuida por un conjunto de segmentos polipepHdicos en conformaciones de hélice alfa y hojas beta unidas por elementos conectores. •  Son estructuras muy compactas, con los residuos hidrofóbicos orientados al interior y los residuos polares al exterior.

Jesús Navas Méndez

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ALGUNAS PROTEÍNAS GLOBULARES CARECEN DE ESTRUCTURA SECUNDARIA DEFINIDA

Quimotripsina Garre`, R.H. and Grisham, C.M. Biochemistry. 2ª ed. Saunders College Publishing. 1999. Jesús Navas Méndez

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GLOBINAS

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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LA MIOGLOBINA Y LA HEMOGLOBINA SON PARÁLOGOS

(Garret & Grisham, 1999) Jesús Navas Méndez

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Jesús Navas Méndez

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GRUPO HEMO: GRUPO PROSTÉTICO DE LA MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA

Anillo plano, hidrófobo. Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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MIOGLOBINA: 153 aac, 17200 Da

Pro

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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DETERMINACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UNA PROTEÍNA POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Jesús Navas Méndez

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LA PRIMERA ESTRUCTURA PROTEICA QUE SE DETERMINÓ FUE LA DE LA MIOGLOBINA

Patrón de difracción de RX de la mioglobina (Wikipedia).

Modelo estructural de la mioglobina (Wikipedia).

Jesús Navas Méndez

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FUERZAS QUE ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA TERCIARIA Cys

S Cys

Tyr

CO O-‐

COO –

S 1

Glu

Asp

2

Val

OH CH3

3

4

+ NH3

HO

Lys

Ser

CH3

Phe

1. Puentes di-‐sulfuro. 2. Atracción electrostáIca. 3. Puentes de hidrógeno. 4. Interacción hidrofóbica. Jesús Navas Méndez

CH3 CH3

Ile

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ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA MIOGLOBINA •  Las interacciones hidrofóbicas de los residuos apolares internos proporcionan estabilidad. •  Todos los residuos polares (excepto dos), están en la superﬁcie externa, y están hidratados. •  Todos los enlaces pepHdicos están en conﬁguración plana trans. •  Posee 4 residuos Pro, de ellos 3 se encuentran en giros de la cadena. El otro en una hélice alfa, formando una curvatura. •  El grupo hemo (plano) se sitúa en una hendidura de la molécula. •  El átomo de Fe del hemo está coordinado con la cadena lateral de la His-‐93 y con el oxígeno. Jesús Navas Méndez

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LOS AMINOÁCIDOS HIDROFÓBICOS ESTÁN EN EL INTERIOR DE LA GLOBINA Y LOS HIDROFÍLICOS ORIENTADOS HACIA EL EXTERIOR

Hidrofóbicos en rojo

Hidroolicos en verde

Jesús Navas Méndez

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Puente de H entre el O2 y el H de la His.

Mathews & Van Holde. Bioquímica. McGraw-‐Hill, 1998. Jesús Navas Méndez

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Mathews & Van Holde. Jesús Navas Méndez

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Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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THE TETRAMERIC STRUCTURE OF HEMOGLOBIN

Jesús Navas Méndez

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

LA UNIÓN DEL OXÍGENO PROVOCA UN CAMBIO CONFORMACIONAL EN AMINOÁCIDOS CERCANOS AL GRUPO HEMO...

Jesús Navas Méndez

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...QUE SE TRANSMITE A TODA LA CADENA Y A LAS CUATRO CADENAS

(+O2) Jesús Navas Méndez

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CURVAS DE SATURACIÓN DE Mb Y Hb CON OXÍGENO Presión parcial de O2 en capilares de tejidos y músculo

Mioglobina

Presión parcial de O2 en sangre arterial de pulmones

Saturación con O2

1,0 -‐ 0,8 -‐

Hemoglobina

0,6 -‐ 0,4 -‐ 0,2 -‐

0 40 80 120 P O2 (mm Hg)

Jesús Navas Méndez

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EFECTO BOHR Y EFECTO DEL BPG Tejidos Pulmones

100 mm Hg Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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EFECTO DEL 2,3-‐BPG

Mathews & Van Holde. Jesús Navas Méndez

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Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

Bioquímica Estructural y Metabólica TEMA 4. Proteínas estructurales y globulares

Hb FETAL (a2g2): His143 / Ser. MENOR AFINIDAD POR EL 2,3-‐BPG Y POR TANTO MAYOR AFINIDAD POR EL O2

Mathews & Van Holde. Jesús Navas Méndez

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FORMACIÓN DE FIBRAS DE HEMOGLOBINAS

Saliente hidrofóbico (Glu6 → Val6 de β-‐globina) Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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ANEMIA FALCIFORME

Mathews & Van Holde. Jesús Navas Méndez

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Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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IDENTIFICACIÓN DE HBS POR ELECTROFORESIS

+

-‐

A.J. Griﬃths et al. Modern Gene:c Analysis. Freeman & Co. 1999. Jesús Navas Méndez

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PATOLOGÍA MOLECULAR DE LA HEMOGLOBINA

Jesús Navas Méndez

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HEMOGLOBINAS MUTANTES •  Mutaciones que afectan a los aminoácidos del exterior (no patológicas). •  Mutaciones que afectan al centro acIvo: no pueden captar O2. Pacientes cianóIcos (heterozigóIcos). •  Mutaciones que afectan a la estructura 3D. •  Mutaciones que afectan a la estructura cuaternaria (zona de contacto subunidades α-‐β): se altera su aﬁnidad por el O2. •  Talasemias: síntesis defectuosa de una o más cadenas de la Hb.

Jesús Navas Méndez

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DESNATURALIZACIÓN DE PROTEÍNAS •  Pérdida de la estructura 3D de una proteína. •  Cambian las propiedades osicas, químicas y biológicas. •  Se produce por tratamiento con agentes osicos y agentes químicos.

Jesús Navas Méndez

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Desnaturalización de la RNasa

Renaturalización de la RNasa

Nelson, DL and Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 3ª ed. Worth Publishers, 2000. Jesús Navas Méndez

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AGENTES DESNATURALIZANTES •  Ácidos y bases fuertes. •  Disolventes orgánicos (alcoholes, cetonas, cloroformo). •  Detergentes (SDS). •  Agentes reductores (mercaptoetanol). •  Compuestos polares neutros (urea, guanidina). •  Sales a elevada concentración. •  Aumento de temperatura. •  Agresión mecánica (agitación, trituración).

Jesús Navas Méndez

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BIBLIOGRAFÍA •  Lehninger Principles of Biochemistry. 5ª ed. Freeman, 2009. Cap 5. •  Mark’s Basic Medical Biochemistry. A clinical approach. 3ª ed. LWW., 2008. Cap 7. •  Devlin. Textbook of Biochemistry with Clinical correla:ons. 7ª ed. Wiley, 2010. Cap 9. •  Feduchi y cols. Bioquímica: conceptos esenciales. Panamericana, 2011. Cap 5. •  Berg, Tymoczko and Stryer. Biochemistry. 7ª ed. WH. Freeman, 2011. Caps 2, 7. •  Voet and Voet. Biochemistry. 4ª ed. Wiley, 2011. Caps 9, 10. •  Baynes and Dominiczak. Bioquímica Médica. 3ª ed. Elsevier, 2011. Caps 2, 5. •  Garre` and Grisham. Biochemistry. 4ª ed. 2009. Caps 5, 6 .

Jesús Navas Méndez