Estructura de proteínas, fuerzas que gobiernan el plegamiento
1. De la estructura unidimensional a la
estructura tridimensional
● proteínas nativas y proteínas
desnaturalizadas
● relaciones estructura-actividad
2. La información para el plegamiento
está contenida en la estructura
primaria. Las proteínas nativas son
estables?
● Christian Anfinsen y la
ribonucleasa A
3. Fuerzas que determinan el
plegamiento (desde adentro), con
una quimotripsina
● enlaces disulfuro
● enlaces iónicos
● enlaces de hidrógeno
● fuerzas de van der Waals
4.
Fuerzas que determinan el
plegamiento (desde afuera)
● el agua y otros detalles
5. El problema de decidir la
estructura correcta
● ¿cuántos disulfuros puedes
formar?
● la corta vida de una proteína
6. Para ganar la carrera
● los pequeños motivos de una
proteína
● un poco de ayuda: enzimas y
chaperonas moleculares
7. Resumen
1
Bibliografía
•
•
•
•
•
•
•
•
Anfinsen, C and Scheraga, H. Experimental and theoretical aspects of
protein folding. Adv. Prot. Chem 29, 205.
Edelhoch, H. and Osborne, J. Thermodynamic Stability of
Macromolecules. Adv. Prot. Chem.; 30; 200.
Rossmann, M. and Argos, P. Protein Folding. Ann Rev. Biochem. 50; 497.
Dressler, D. And Potter, H.; Discovering Enzymes; Scientific American
Library, Vol 34. Chap 4.
Kolata, G. Trying to crack the second half of the genetic code; Science,
233; 1039.
Dobson, C. Evans, P, Radford, S, Understanding how proteins Fold: The
Lysozyme Story so far, TIBS, 19, 31
Hartl, F. Hlodan, R. and Langer, T., Molecular Chaperones in protein
folding: The art of avoiding Sticky situations., TIBS 19, 20
Hartl, F. and Hayer-Hartl, M. Converging concepts of protein folding in vitro
and in vivo. Nature Structural & Molecular Biology 16: 574
2
Las proteínas se pliegan en forma específica y rápida
in vivo apenas son sintetizadas
3
¿Son estables las Proteínas nativas?
?
Plegamiento proteico
Actividad biológica
Estado energético
Formación de
enlaces
Plegamiento proteico
4
¿Son estables las proteínas nativas?
?
ESTADO
ESTABLE
ESTADO
METAESTABLE
ENERGÍA
ESTADO
METAESTABLE
¿qué quiere
decir
estable?
¿Qué
quiere
decir
estable?
¿Qué consecuencias
tendría una u otra
hipótesis?
Coordenada de conformación
5
2. La información para el plegamiento está
contenida en la estructura primaria
Christian Anfinsen y la ribonucleasa A
6
3.- Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde adentro)
Con una quimotripsina
Péptido modelo:
Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-Lys-Lys-AsnGly-Ala-Trp-Thr-Leu-Val-Gly-Ile-Val-Ser Trp
7
Aminoácidos 193-216
8
9
10
Interacciones covalentes
Enlace disulfuro
• Es un enlace covalente
• Involucra a dos residuos de cisteína
• Implica el intercambio de dos electrones
(es decir, su formación o ruptura es una
reacción redox)
2 RSH + Oxidante
RS—SR + Reductor
RS—SR + Producto
2 RSH + Producto
11
12
Interacciones de carga
Ion-Ion; Enlace iónico; puente salino
+
-
Lisina
Arginina
Amino terminal
(Histidina)
Aspartato
Glutamato
Carboxilo terminal
(Cisteína)
E k
q1 q 2
r
 = constante dieléctrica
- vacío:
=1
- medio apolar:
 = 3-5
- agua:
 = 78
13
14
15
Interacciones con dipolos
1. Ion dipolo
d- O
+
NH3
d+
NH
el dipolo se orienta y se atrae con una energía:
E k
q1 
r
2
16
17
18
Interacciones con dipolos
2. Dipolo dipolo
d- O
d- N
H d+
d+
NH
Los dipolos se ORIENTAN y se atraen con una energía:
E  k
1 2
r
3
pero además los dipolos se SUMAN
19
d-
d+
20
Interacciones con dipolos
3. Enlace de hidrógeno. Básicamente es una
interacción dipolo-dipolo con un átomo de
hidrógeno en el medio
d-
d+
N
H
d-
d+
Altamente
DIRECCIONAL
O
NH
donador
receptor
2.7 Å
E = 1-3 kcal/mol
21
Interacciones con dipolos
3. Enlace de hidrógeno. Un enlace de hidrógeno
entre un receptor y un donador tiene múltiples
configuraciones posibles, por ejemplo
HC
Serina
HC
CH2
CH2
O
O
H
H
CH CH2
C
O
H
O
N
H
Asparagina
HC
C
CH2
N
H
H
… y todas tienen
prácticamente la
misma energía
22
23
Interacciones de van der Waals
• Son interacciones sumamente DÉBILES entre
moléculas.
• Implican dipolos instantáneos y dipolos inducidos.
• Dependen (entre otras cosas) del número de
electrones de la molécula (P.M.), por ejemplo:
CH4
Metano
(gas)
C8H18
Nafta
(líquido)
C40H82
Parafina
(sólido)
• Son interacciones de contacto (E α r-6).
• Están presentes en TODOS LOS CASOS.
24
25
Resumen de interacciones
Tipo de enlace
Energía (kcal/mol)
Distancia (Å)
En el vacío En agua
Covalente
1.5
90 -200
90
Iónico
2.5
80-200
~3
Hidrógeno
3.0
4
1–3
van der Waals
3.5
0.1
0.1
Por supuesto que estos son valores promedio y
aproximados.
Pero destacan la importancia del AGUA
26
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
El agua y otros detalles (efecto hidrofóbico)
¿Quién odia al agua?
Describamos el fenómeno:
Un soluto no polar en agua tiende a precipitar,
agruparse, huir, etc.
Versión 1
Los solutos no
polares odian al
agua por eso se van
Versión 2
El agua expulsa a los
solutos no polares porque
prefiere estar sola
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4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
¿Hay simpatías entre moléculas?
DG = DH -TDS
El agua y los solutos van a hacer todo lo posible para que:
DH < 0
DS > 0
DG < 0
El efecto hidrofóbico puede entenderse en términos de la
energía de Gibbs del sistema
28
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
H
H
O
H
O
H
O
H
H
H
O
H
H
H
O
H
O
H
H
O
H
O
H
H
H
c a d e n a p e p tíd ic a
H
O
O
H
H
O
H disminuye (se forman enlaces)
S aumenta (se liberan moléculas)
DG < 0
H
H
H
O
H
O
H
O
H
H
H
H
+
O
H
H
O
H
29
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
Simpatías entre moléculas
Escalas de hidropatías para cadenas laterales de aminoácidos
Kyte y Doolittle (1982)
Arg Lys Asn Asp Gln Glu His Pro Tyr Trp
-4.5 -3.9 -3.5 -3.5 -3.5 -3.5 -3.2 -1.6 -1.3 -0.9
Ser
Thr
Gly
Ala Met Cys Phe Leu Val
-0.8 -0.7 -0.4 1.8
1.9
2.5
2.8
3.8
4.2
Ile
4.5
30
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales
pero da indicios de algunas características mediante mapas
de hidropatía
Albúmina
http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1
31
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales
pero da indicios de algunas características mediante mapas
de hidropatía
Hemoglobina
http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1
32
4. Fuerzas que determinan el plegamiento
(desde afuera)
Esta escala no permite predecir estructuras tridimensionales
pero da indicios de algunas características mediante mapas
de hidropatía
Citocromo oxidasa
http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1
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5. El problema de decidir la estructura
correcta
¿Cuántos disulfuros se pueden formar?
Cisteínas
Disulfuros posibles Combinaciones posibles
N
n
2n

(2n)!
n
2 n!
2
1
1
4
2
3
6
3
15
8
4
105
10
5
945
12
6
10395
14
7
135135
16
8
2027025
34
17
6332659870762850000
46
23
25373791335626300000000000000 ← Inmunoglobulina
Edad del universo (s) 
← RNAsa A
← Quimotripsina
← Albúmina sérica
432043200000000000
34
5. El problema de decidir la estructura
correcta
El plegamiento no puede ser un proceso de búsqueda
aleatoria. Debe existir un camino secuencial y ordenado
para llegar al estado nativo.
El “camino” debe proporcionar una ruta RÁPIDA e
INEQUÍVOCA hacia el estado nativo.
Además, la ruta debe estar codificada en la secuencia
de aminoácidos ya que muchas proteínas se pliegan
espontáneamente in vitro
Secuencia de
aminoácidos
?
alguna ayudita
Estructura 3D
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6. Para ganar la carrera
Los pequeños motivos de una proteína
IN VITRO: Muchas proteínas se pliegan a su estado nativo en
una secuencia ordenada de pequeños “colapsos”
que forman “motivos” de la estructura 3D.
1. El plegamiento de un polipéptido enrollado al azar
comienza con la formación de pequeñas secciones de
estructura secundaria, como hélices a, giros b, etc., que
pueden funcionar como núcleos desde donde el
plegamiento se extiende.
2. Los núcleos que tienen la estructura adecuada pueden
crecer por la difusión, colisión o adhesión de dos o más
núcleos, hasta formar los dominios de la proteína
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6. Para ganar la carrera
3. En proteínas con más
de un dominio, estos se
pueden juntar para
formar un “glóbulo
fundido” que tiene la
estructura secundaria
correcta pero tiene una
estructura terciaria
desordenada, por
ejemplo, puede haber
residuos hidrofóbicos
expuestos al
disolvente.
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6. Para ganar la carrera
Un poco de ayuda
Isomerasas de disulfuros proteicos
Isomerasas de prolinas peptídicas cis-trans
El plegamiento de las proteínas tiene algunos pasos
más lentos como la formación de enlaces disulfuro o
la isomerización cis-trans de los enlaces peptídicos de
prolina
Para acelerar estos procesos hay, por supuesto,
enzimas
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6. Para ganar la carrera
Un poco de ayuda
Chaperonas moleculares
Proteínas de shock térmico
Las chaperonas moleculares inhiben interacciones
inapropiadas entre superficies potencialmente
complementarias y rompen uniones inadecuadas para
facilitar asociaciones más funcionales
Las Hsp se unen a cadenas polipeptídicas nacientes
cuando van emergiendo del ribosoma. Revierten la
desnaturalización y la agregación de proteínas
39
40
41
42
Netzer, WJ and Hartl, FU; TIBS, (1998) 23: 68
Estructura de proteínas, fuerzas que gobiernan el plegamiento
1. De la estructura unidimensional a la
estructura tridimensional
● proteínas nativas y proteínas
desnaturalizadas
● relaciones estructura-actividad
2. La información para el plegamiento
está contenida en la estructura
primaria. Las proteínas nativas son
estables?
● Christian Anfinsen y la
ribonucleasa A
3. Fuerzas que determinan el
plegamiento (desde adentro), con
una quimotripsina
● enlaces disulfuro
● enlaces iónicos
● enlaces de hidrógeno
● fuerzas de van der Waals
4.
Fuerzas que determinan el
plegamiento (desde afuera)
● el agua y otros detalles
5. El problema de decidir la
estructura correcta
● ¿cuántos disulfuros puedes
formar?
● la corta vida de una proteína
6. Para ganar la carrera
● los pequeños motivos de una
proteína
● un poco de ayuda: enzimas y
chaperonas moleculares
7. Resumen
43
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