CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyN-INTI

Materia de Articulación CEBI_A4 QUÍMICA BIOLÓGICA

Docente a cargo: Dra. Laura Matković

CEBI_A1_1 : Proteínas

QUÍMICA BIOLÓGICA • La Química Biológica es, literalmente, el estudio de la

química de la vida. Profundiza en: • Cuales son las estructuras químicas y tridimensionales

de las moléculas biológicas. • Cómo interactúan las moléculas biológicas entre si. • Cómo sintetiza y degrada la célula a las moléculas

biológicas. • Cómo se conserva y utiliza la energía en la célula. • Cuáles son los mecanismos por los cuales se organizan

las moléculas biológicas y coordinan sus actividades. • Cómo se almacena, transmite y expresa la información

genética

“Dogma Central” del flujo de información • El ADN fabrica ARN y este a su vez, fabrica proteínas. • Enfatiza la unidireccionalidad del flujo, pero limitado ya que falla en

especificar para que sirven las proteínas y no menciona que, en la regulación de ese flujo, es necesaria la interacción de proteínas con el ADN.

• El ADN sólo no alcanza.

• Pero es a nivel de las proteínas donde falla la simple lógica, dado que el hilo lineal de información (cadena de aminoácidos) se convierte en una estructura tridimensional, según reglas complejas y aun no entendidas.

• Estas estructuras poseen funciones que no pueden ser predichas

por la simple observación de las mismas.

• Es un verdadero desafío el predecir la estructura de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, pero además es imposible predecir la función de esa proteína en la célula, aun cuando cada átomo en esa estructura hubiese sido ubicado en el mapa con precisión completa.

• Podría sugerirse la función, basado en analogías con otras proteínas conocidas pero no basta especificar la estructura de la misma, también debe especificarse la cantidad y el momento de su síntesis.

• Esta especificación no reside en el simple código digital basado en la secuencia de bases en el ADN; el ADN debe ser reconocido por proteínas capaces de controlar la expresión de la información contenida en la secuencia de bases.

• Las proteínas son macromoléculas biológicas

compuestas fundamentalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.

• Las mismas están formadas por la unión de

varios aminoácidos, unidos mediante enlaces peptídicos.

• Son esenciales para el crecimiento. • Proporcionan los aminoácidos esenciales fundamentales

para la síntesis de los tejidos. • Son materia prima para la formación de: hormonas,

proteínas plasmáticas, hemoglobina, vitaminas y enzimas. • Funcionan como amortiguadores, ayudando a mantener la

reacción de diversos medios como el plasma. • Actúan como enzimas. • Actúan como transportador de oxígeno y dióxido de carbono

en sangre. (hemoglobina). • Actúan como defensa del organismo, los anticuerpos . • Actúan en el movimiento celular a través de la miosina y

actina (proteínas contráctiles musculares).

• Resistencia. El colágeno es la principal proteína integrante de los tejidos de sostén.

• El conocimiento de las estructuras atómicas de las proteinas permite abarcar nuevos estudios:

• Interpretación de los mecanismos de la función de proteínas individuales.

• Aproximación al problema del plegamiento proteico. • Patrones de evolución molecular. • Predicción de estructuras de proteínas relacionadas: • modelado por homología. • Ingeniería de proteínas. • Diseño de drogas.

AMINOÁCIDOS

SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS

SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS

ÁTOMO DE CARBONO

SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS

IDENTIFICACION R N-TERMINAL

CUADRO DE PROTEASAS ESPECIFICAS

REDUCCIÓN DE –S-S-

DETERMINACIÓN DE LA SECUENCIA DE AA DE UNA PROTEINA

• Conocer la estructura primaria de una proteína es importante para entender su función (ya que ésta depende de la secuencia de AA y de la forma que adopte espacialmente).

• Sirve para el estudio de enfermedades genéticas ya que esta implique una secuencia anormal en los AA. Esta anomalía, si es severa, podría hacer que la función de la proteína no se ejecute de manera adecuada o, que no se ejecute en lo absoluto.

• Conformaciones estéticamente prohibidas, son aquellas en las que cualquier distancia interatómica, fuera de la unión, es menor que su correspondiente distancia de van der Waals.

• Las conformaciones permitidas para los polipéptidos, están indicadas por el gráfico de Sasisekharan-Ramakrishnan- Ramachandran…

• Los valores de ángulos permitidos pueden determinarse calculando las distancias entre los átomos de un tripéptido para todos los valores de ángulos para la unidad peptídica central.

Diagrama de Ramachandran

MOLÉCULA DE AGUA

INTERACCIÓN ENTRE LAS BIOMOLÉCULAS EN AGUA

• Existen cuatro tipos de interacciones NO

covalentes (débiles). • Hay además muchos puntos de interacción que

generan un efecto acumulativo. • Estas interacciones son cruciales para

estructura macromolecular y función. • Se genera una estructura más estable (NATIVA)

que maximiza interacciones.

Factores que afectan la estabilidad de la α hélice

• Tamaño R vecinos. • Repulsión electrostática R sucesivos. • Interacción electrostática entre residuos

espaciados (3/4). • Presencia Gly o Pro. • Interacción residuos extremos hélice con

dipolo hélice

INTERACCIONES DÉBILES NO COVALENTES

PROPIEDADES a/b DEL AGUA

• H2O + B HO- + BH+

• H2O + AH A- + H3O+

ISOMEROS DE PROLINA

CADENA β PARALELLA Y ANTIPARALELA

GIRO β

• Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura α o β a menudo están conectadas entre sí por medio de los llamados giros β (color blanco). Son secuencias cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180oa la cadena principal de un polipéptido.

• AA como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo α o β) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura

ÁNGULOS DE TORSIÓN

• Las conformaciones de los esqueletos polipeptidicos pueden ser descriptos por sus ángulos de torsión.

• El esqueleto de una proteína es una secuencia de grupos peptídicos planares y rígidos.

• Los valores de los ángulos permitidos pueden determinarse calculando las distancias entre los átomos de un tripéptido para todos los valores de ángulos para la unidad pepitica central.

Parámetros estructurales más comunes: • Estructura Phi Psi n d p

• Alfa hélice -57 -47 3.6 1.5 5.5 • Beta paral. -119 +113 2.0 3.2 6.4 • Beta anti. -139 +135 2.0 3.4 6.8 Phi y Psi son los ángulos conformacionales de la cadena principal, con

Omega ~180° (conformación trans). • n= número de residuos por vuelta • d= desplazamiento entre los residuos sucesivos a lo largo del eje de la

hélice • p= distancia a lo largo del eje de la hélice para una vuelta completa • p= n x d

ALGUNOS AA SE ACOMODAN MEJOR QUE OTROS EN LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS SECUNDARIAS

FRECUENCIA RELATIVA DE APARICIÓN DE AA EN ESTRUCTURAS SECUNDARIAS • AÁ alfa-H lamina beta giro beta

• Ala 1.29 0.90 0.78 • Cys 1.11 0.74 0.80 • Leu 1.30 1.02 0.59 • Met 1.47 0.97 0.39 • Glu 1.44 0.75 1.00 • Gln 1.27 0.80 0.97 • His 1.22 1.08 0.69 • Lys 1.23 0.77 0.96 • Val 0.91 1.49 0.47 • Ile 0.97 1.45 0.51 • Phe 1.07 1.32 0.58

• AA alfa-H lámina beta giro beta • Tyr 0.72 1.25 1.05 • Trp 0.99 1.14 0.75 • Thr 0.82 1.21 1.03 • Gly 0.56 0.92 1.64 • Ser 0.82 0.95 1.33 • Asp 1.04 0.72 1.41 • Asn 0.90 0.76 1.28 • Pro 0.52 0.64 1.91 • Arg 0.96 0.99 0.88

PROTEINAS FIBROSAS

• Estructuras más sencillas , generalmente

formadas por un solo tipo de estructura secundaria.

• Cadenas organizadas en largos filamentos o laminas

• Insolubles en agua (alto contenido R hidrofóbicos)

• FUNCION ESTRUCTURAL

α QUERATINA

FIBROÍNA

COLÁGENO

PROTEINAS GLOBULARES

• Varios tipos de estructura secundaria en la molécula.

• Cadenas plegadas adoptando forma esférica o globular.

• Pueden disolverse en agua. • DIVERSIDAD FUNCIONAL

TÉRMINOS COMUNES UTILIZADOS • -Subunidad

• -Región

• -Residuo

• -Molécula • -Dominio

• Los residuos monoméricos individuales que forman las proteínas son los aminoácidos y poseen una estructura atómica conocida. Puede definirse la identidad de cada átomo.

• La configuración de un residuo monomérico es su estructura atómica, incluyendo la estereoquímica conocida de sus centros asimétricos.

• La conformación es una descripción más completa e incluye lo que se conoce acerca de las orientaciones preferidas de los grupos, capaces de movimiento por rotación interna.

• Región zonas específicas de la cadena polipeptídica

• Dominio pueden presentarse en todas las proteínas, corresponden a subconjuntos de la estructura terciaria. Una estructura terciaria puede estar compuesta por uno o por varios dominios.

• Subunidad Cada cadena de aminoácidos que forma parte de una proteína.

PROTEÍNA NATIVA

• Maximiza la cantidad de uniones puente H. Esconde residuos hidrofóbicos en el interior de la proteína.

• 1. PROTEÍNAS DE TRANSPORTE • Están en la sangre y su función es transportar

moléculas específicas de un órgano a otro. • Ej. la hemoglobina, se combina con el

oxígeno y al pasar la sangre a través de los pulmones, lo transporta a los tejidos periféricos.

• La talasemia, una enfermedad genética, causada por un defecto genético en la estructura de esta proteína.

2. PROTEÍNAS ALIMENTICIAS Y DE RESERVA Ovoalbúmina, la albúmina de huevo sirve para el

desarrollo del embrión de las aves. Caseína está presente en la leche (3% de su

peso) con un gran valor nutritivo para los mamíferos.

3. PROTEÍNAS PARA EL MOVIMIENTO La actina y la miosina son proteínas filamentosas

que están en las células musculares esqueléticas permitiendo su contracción y el movimiento.

4. PROTEÍNAS ESTRUCTURALES Proteínas que sirven de soporte a la estructura

de los organismos. • El colágeno, proteína con una gran

capacidad elástica, presente en tejidos tales como los tendones, los cartílagos y la dermis.

• La elastina, se encuentra en los ligamentos. • Las plumas de las aves, las uñas, las pezuñas

y los cabellos están constituidos en su mayor parte por queratina, una proteína muy resistente e insoluble en agua.

5. PROTEÍNAS DE DEFENSA • Su función consiste en proteger al

organismo de daños eventuales. • Los linfocitos de los vertebrados producen

anticuerpos, proteínas altamente especializadas, capaces de reconocer y destruir los agentes patógenos externos, tales como virus y bacterias.

• El fibrinógeno y la trombina son, en cambio, proteínas que regulan la coagulación e impiden una copiosa pérdida de sangre cuando se lesiona el sistema vascular.

• También las proteínas tóxicas, como la

bungarotoxina del veneno de cobra, tienen una función defensiva.

6. ENZIMAS • Son proteínas muy diversas, su función es de

catalizador de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula.

• Existen miles de enzimas, cada una de las cuales es capaz de catalizar una reacción química distinta.

• Sin las enzimas, las reacciones transcurrirían en tiempos excesivamente largos, incompatibles con la vida celular.

• Hay enzimas que catalizan la síntesis de las proteínas (las sintetasas) y otras que causan su degradación (proteasas).

• 5. PROTEÍNAS DE DEFENSA • Su función consiste en proteger al organismo de

daños eventuales. • Los linfocitos de los vertebrados producen

anticuerpos, proteínas altamente especializadas, capaces de reconocer y destruir los agentes patógenos externos, tales como virus y bacterias.

• El fibrinógeno y la trombina son, en cambio, proteínas que regulan la coagulación e impiden una copiosa pérdida de sangre cuando se lesiona el sistema vascular.

• También existen las proteínas tóxicas,

como la bungarotoxina del veneno de cobra, tienen una función defensiva.

• 6. ENZIMAS • Son proteínas muy diversas, cuya función es

catalizar las reacciones químicas que tienen lugar en el organismo.

• Sin las enzimas, las reacciones se producirían igualmente pero en tiempos excesivamente largos, incompatibles con la vida celular.

• Hay enzimas que por ejemplo, catalizan la síntesis de las proteínas (las sintetasas) y otras que causan su degradación (proteasas).