CAPITULO 8

PROTEÓMICA

Si piensas en células de Bioingeniería para producir proteínas extrañas, hay aspectos de la producción de proteínas y el metabolismo que usted necesita saber. Esto incluye lo siguiente:

A diferencia de con el dicho tan familiar para los genetistas de hace unas décadas, "un gen, una proteína", un determinado gen va a producir más de una proteína. Esto explica por qué el genoma humano contiene sólo de 25,000 a 30,000 genes y puede producir 100,000 proteínas.

Las funciones de las proteínas son dependientes de la forma asumida por estas moléculas complejas. La forma final de una proteína puede depender de la formación de enlaces disulfuro de entre dos

moléculas de azufre. Este tipo de enlace no puede ser formado por células bacterianas. La forma de una proteína no sólo depende de la estructura química de la proteína, sino también en la

acción de otras moléculas presentes en la célula. Estas moléculas ayudar a plegarse a la proteína. La forma de una determinada proteína puede cambiar. En otras palabras, una proteína puede ser

plegada y luego replegada en función de las necesidades de la célula. Los tipos y cantidades de las proteínas presentes en una célula dada están en flujo enorme,

dependiendo de las exigencias del entorno.

El campo de estudio dedicado a la producción y el metabolismo de las proteínas se denomina proteómica. El inventario de proteínas dentro de una determinada célula se conoce como el fenómeno celular. Muchas condiciones de enfermedad son el resultado de anormalidades en la forma en que las proteínas son manipuladas por la célula. El estudio de las proteínas y su metabolismo después de la transcripción del gen puede producir un progreso aún más drástico en la salud humana que el estudio de los genes mismos.

UN GEN, MÁS DE UNA PROTEÍNA

Cuando el Proyecto Genoma Humano comenzó, los investigadores creyeron que implicaría al menos la secuencia de 100,000 genes. Ellos pensaron que cada uno de las 100,000 proteínas producidas por las células humanas tendría un gen correlacionado. Cuando se encontró que el genoma que contenía solamente 25,000 a 30,000 genes, comenzó a ser obvio que cada gen puede producir más de una proteína.

Recordemos que una secuencia de un determinado gen en la cadena de DNA contiene algunas zonas que no codifican para los aminoácidos. Estas áreas son llamadas intros. Las áreas no codificantes se transcriben en el RNAm con el resto de la secuencia y tienen que ser eliminados del RNAm, o bien se interrumpirá la producción de la proteína cuando el RNAm se traduce. Algunas de las enzimas que actúan en el proceso de edición son en sí mismas moléculas de RNA. RNAs con actividad enzimática se llaman ribozimas .

Además de eliminar de las áreas sin sentido, las enzimas celulares modificar el RNA mensajero mediante la eliminación de base orgánica específica en el código y cambiando así el código. La proteína producida depende de cómo se lleva a cabo la edición. Una determinada molécula de RNAm puede ser editado una manera de producir una proteína y otra forma de producir otra proteína. Este proceso de edición de RNAm se utiliza para producir proteínas diferentes del mismo gen.

Estructura de Proteínas

Antes de lanzarse a una discusión de la proteómica, es conveniente revisar algunos de los conceptos relacionados con las proteínas en el capítulo 1. Las proteínas se componen de aminoácidos. Los aminoácidos son cadenas de carbono, a veces se forman en un anillo, a veces no. Las cadenas laterales sobresalen fuera de estas cadenas de carbono. Por lo menos una de las cadenas laterales es una amina-NH3 y otra cadena lateral es un grupo carboxilo-COOH. Los aminoácidos forman polímeros mediante la vinculación a través de un enlace característico, el enlace peptídico. El enlace peptídico se forma cuando el grupo carboxilo y la amina una comparten un hidrogeno (véase la Figura 8-1).

La clave para el buen funcionamiento de muchas proteínas es la forma. Las proteínas con exactamente los mismos aminoácidos, aunque en orden diferente, puede tener una forma distinta y realizar una función diferente. Y, como veremos más próximos, proteínas idénticas pueden o no compartir la misma función, dependiendo de cómo se pliegan.

La forma de una proteína se desarrolla en etapas. La estructura de la proteína original, ya que se crea en el ribosoma se conoce como estructura primaria, que se muestra en la Figura 8-2. La estructura primaria es una larga cadena de aminoácidos que forman cadenas de polipéptidos individuales.

Los enlace se forman entre las cadenas laterales, causando que la proteína se pliegue alrededor de sí mismo. La forma resultante se llama la estructura secundaria (ver Figura 8-3 ). Enlaces adicionales apoyan una tercera capa de pliegues, llamados estructura terciaria (ver Figura 8-4).

La estructura final de la proteína es la estructura terciaria, que se forma cuando las cadenas de proteínas terciarias se asocian a través de enlaces a las cadenas laterales. La molécula resultante puede formar una bola enorme (una forma globular) o puede formar hojas plegadas. Las proteínas que actúan como enzimas tienden a ser globular (ver Figura 8-5). La estructura de proteínas, tales como aquellas que forman el cabello o la celulosa, asumen la forma de hoja plegada.

Las cadenas laterales se pueden vincular de varias maneras. Puede que simplemente se atraen entre sí por su carga eléctrica o pueden formar enlaces de hidrógeno, donde en el polo electronegativo creado por un átomo de hidrógeno en una molécula atrae un polo electropositivo en otra molécula. Un enlace prevalente es un enlace disulfuro. El enlace disulfuro es un enlace covalente entre dos átomos de azufre. Las proteínas con frecuencia contienen grupos sulfuro como parte de sus cadenas laterales. Recuerde que un enlace covalente se forma cuando los átomos comparten un electrón. Los enlaces disulfuro se forman en el citoplasma de la célula eucariótica. Sin embargo, las condiciones dentro de las células procariotas normalmente no permiten que estos enlaces se formen. Si usted es una bacteria de ingeniería para producir una proteína que requiere el desarrollo de los enlaces disulfuro, Tú debes ser consciente de que esta proteína no se formará la estructura cuaternaria. Bioingenieros pueden utilizar bacterias mutantes, con diferentes condiciones intracelulares, o puede tomar la proteína parcialmente formado y inducir la formación de los enlaces cuaternario fuera de la célula.

PLEGAMIENTO Y MAL-PLEGAMIENTO DE PROTEÍNAS

La secuencia de los aminoácidos no es el único factor en la determinación de la forma que una proteína asumirá. Hay moléculas dentro del entorno celular que participan activamente en el plegamiento de una proteína.

La colección de moléculas que influyen en el plegamiento de proteínas se denomina moderador plegable, de los cuales hay varios tipos. Algunas moléculas acelerar la velocidad de plegado y se denominan catalizadores plegables. Algunos realmente sirven para cambiar la forma de la proteína y se denominan acompañantes plegables. Hay cuatro tipos de moléculas que actúan como acompañantes: (1) moléculas que permiten el plegamiento adecuado (acompañantes plegables), (2) las moléculas que están diseñados para contener parcialmente plegada moléculas hasta que el sistema tiene la capacidad de terminar la actividad de plegado (acompañante de sostenimiento ), (3) acompañantes que las proteínas de plegarse nuevamente en que se han deformado (acompañantes de desagregacion), y (4) Acompañantes que escoltan proteínas para ser secretadas por la membrana celular(acompañantes de secreción).

Los acompañantes plegables ayudan a la proteína a doblarse correctamente. Muchos de éstos son azúcares pequeñas o tramos cortos de aminoácidos. Imagine una línea de montaje de fabricación. Como un elemento en movimiento a través de la línea de montaje se produce, es posible insertar algunos dispositivos temporales, tales como clips o grapas, para mantener en una configuración determinada a través de unos pasos del montaje. Después de completar estos pasos, es posible eliminar estos dispositivos de sujeción. Más abajo de la línea, otros dispositivos de sujeción puede ser necesario, sólo para ser eliminado antes de que el producto final se libere. Los acompañantes plegables pequeños actúan como sus clips o grapas en su proceso de línea de montaje, sostiene el dispositivo en la configuración adecuada para completar el paso siguiente. Si se pliega mal, las proteínas pueden dejar de funcionar o se puede acumular en agregados insolubles conocidas como cuerpos de inclusión.

El interior de la célula es acuoso. Las moléculas en el líquido celular, por lo general llevan una carga eléctrica que son hidrófilas o que aman el agua. Las moléculas sin carga eléctrica son hidrofóbicas, o que odian el agua.

Se llaman hidrobicas porque evitan asociación con las moléculas de agua. En la larga secuencia lineal de una proteína, hay áreas que están cargadas, hidrófilas, y las áreas que no tienen carga. Hidrófobo. En el ambiente acuoso de la célula, las superficies hidrófobas de la proteína quieren doblar hacia adentro, dejando las áreas hidrófilas para proyectar hacia afuera en asociación con las moléculas de agua de la célula. Una función típica de las moléculas pequeñas plegables es cubrir las superficies hidrófobas de la proteína, dando estas superficies una carga o cubriendo una superficie cargada, lo que permite que se pliegue hacia adentro. Mediante la adición y la eliminación de estas moléculas, la célula determina si y cuando una determinada superficie hidrófoba de la proteína se pliega hacia dentro, lo que afecta la forma de la proteína (véase la Figura 8-6).

Los acompañantes de sostenimiento se unen las proteínas parcialmente plegadas en su superficie, que sirve como un reservorio de estas proteínas hasta que los acompañantes plegables comiencen a ser disponibles. Se llevará a cabo estas proteínas en condiciones de estrés térmico o químico, hasta que el ambiente dentro de la célula sea más favorable para el plegamiento correcto de la proteína. Este es un mecanismo de la célula utiliza para evitar mal plegamiento y para conservar las proteínas. El otro método es a través de la acción de los acompañantes de desagregación. Los acompañantes desagregación logran el repliegue de las proteínas mal plegadas. Llevan a cabo una función de control de calidad importante para la célula por recuperación, en la medida de lo posible, las proteínas que han salido mal. A pesar de estas operaciones recuperación, un cierto porcentaje de las proteínas celulares termina en el montón de basura, en los cuerpos de inclusión insolubles. Los cuerpos de inclusión se manifiestan en la célula como acumulaciones pequeñas y densas, que representan grupos de proteínas de desecho.

Una de las características de las acompañantes que usted, como un bioingeniero encontrara particularmente útil es que se prestan a ser relativamente inespecíficos. En otras palabras, una molécula acompañante funcionará para ayudar el plegado en más de una proteína. Los investigadores que investigaban las condiciones causadas por el mal plegamiento de las proteínas al azar se han introducido en las moléculas de las células enfermas orgánicos que tienen las estructuras que puedan funcionar como acompañantes. Se han encontrado, por este método azar, moléculas que corrigen algunos malos plegamientos de las proteína. Debido a la naturaleza general de las acompañantes, se pueden introducir varios acompañantes en su sistema de bioingeniería y plegado de proteínas efecto adecuado en entornos en los que de otro modo no ocurrirían. El desarrollo de acompañantes especializados para doblar con precisión recombinantes (bioingeniería) las proteínas es un área muy activa de investigación de bioingeniería.

Una proteína puede ser doblada más de una vez. Considérese una proteína que está destinado a residir en la membrana celular. La proteína puede ser fabricadas en el citoplasma de la célula y la necesidad de pasar a la zona de la membrana celular. A continuación, dichas proteínas se introduce la membrana celular, flotar hacia arriba a través de la membrana, y se adhieren sus cabezas hacia fuera para formar un receptor. La proteína puede requerir plegado en una forma por un conjunto de moléculas para su transporte a la membrana celular, sólo para ser replegada antes de entrar realmente en la membrana.

El periplasma, un área justo debajo de la membrana celular, de bacterias contiene acompañantes que ayudan a la inserción de plegado y la membrana de proteínas de membrana externa. En las células eucariotas, la mayor parte de la modificación post-traduccion al de las proteínas destinadas a la exportación o para la inserción en la membrana celular se produce en el lumen del retículo endoplasmático o en el aparato de Golgi. Estos orgánulos están dedicados a la captura y manipulación de las proteínas.

Para secretar una proteína he aquí la parte exterior de la célula, otro sistema de control se requiere que implica acompañantes secretoras. Estas acompáñantes secretoras reconocen una señal en la proteína llamado apropiadamente la secuencia de secreción. Esta secuencia está obligada por la acompañante de secreción, que puede manejar en la membrana celular, la proteína que transporta a lo largo de las exportaciones.

La proteólisis - Desglose de proteínas

El sistema celular que controla el metabolismo de proteínas incluye la capacidad para destruir las proteínas y reciclar los aminoácidos. La destrucción de las proteínas se denomina proteólisis. La mayoría de las proteínas que son degradadas han sido objeto de múltiples ciclos de plegamiento y desplegamiento. Las enzimas que desmantelan polipéptidos de proteínas son enzimas proteolíticas o proteosomas. Por lo general son estructuras en forma de barril que cortar con tijeras las proteínas en pequeños trozos, como si la proteína se había metido en un triturador de basura.

Las enzimas proteolíticas evitan la acumulación de polipéptidos anormales dentro de la célula y conservan la energía invertida en la producción de aminoácidos. En sistemas eucarióticos, la destrucción de las proteínas está precedida por la adherencia de los marcadores. Estos marcadores son tan ubicuos en las células eucariotas que se les llama ubiquitina. Una vez que una molécula de ubiquitina se une a la proteína desafortunado, muchos otros adjuntan y atraen el proteosoma destructor . Vea la Figura 8-7.

La mayoría de las proteínas que están dirigidos por los enzimas proteolíticos se han degenerado debido al estrés medio ambiental o inicialmente a malos desplegamientos. Algunas proteínas se han construido en la obsolescencia, es decir, están diseñados para tener una vida corta.

El diagrama de flujo mostrado en la Figura 8-8 y los pasos siguientes ilustran el proceso que utiliza la célula para producir proteínas, para asegurar plegamiento correcto de las proteínas, y para destruir las proteínas.

1. La producción de proteínas tal que las proteínas sólo son producidas cuando las condiciones ambientales indican que se necesitan.

2. Muchos genes codifican para más de una proteína. El ARNm transcrito a partir del ADN podría contener código sin sentido o puede necesitar ser editados para producir la proteína correcta.

3. ARNm es editado por enzimas celulares.

4. Después de que la proteína es producida, , puede ser secuestrado manteniendo acompañantes hasta que las condiciones ambientales favorecen plegamiento apropiado.

5. Acompañantes plegables son necesarios para el correcto plegamiento.

6. Si el plegado es hecho incorrectamente, desagregando a las acompañantes, revelando la proteína y permitirá el nuevo plegado.

7. Muchas proteínas deben ser replegada para entrar en la membrana celular.

8. Acompañantes secuestrantes debe enlazar las secuencias de lociones especiales en las proteínas antes de que pueden ser excretados fuera de la célula.

9. Proteínas del envejecimiento o las proteínas mal plegadas que irremediablemente están marcados por la unión de la ubiquitina y son digeridos por los ribosomas.

La reducción de mal plegamiento de proteínas en los sistemas de bioingeniería

Este problema del plegamiento de proteínas y de mal plegamiento va a complicarse la vida, bioingeniero, porque usted no necesariamente puede insertar el gen de la proteína en bacterias, o lo que sea, tomar medidas para asegurarse de que está traducido y transcrito, y seguir su camino alegre. Es necesario preocuparse por la forma en que se pliega la proteína. Hay pasos que usted puede tomar para reducir el mal plegamiento.

Usted, bioingeniero, induce la célula bacterial a hacer una cosa muy poco natural - la producción de proteínas eucariotas. Para ello, como recuerdo allá, se inserta la secuencia de ADN en las bacterias mediante un vector, como un plásmido o un virus, y permitir que los mecanismos celulares transcriban la secuencia de ADN de su proteína. Esta proteína es extraña al entorno celular, y viceversa. Como era de esperar, el mal plegamiento de proteínas es un problema significativo. Hay varias estrategias que se puede emplear para controlar este problema. El primero es el de reducir la tasa de síntesis. Sobreproducción de proteínas es una tensión significativa a la célula y aumentará el desplegamiento. Usted puede retrasar la célula por las cambiantes condiciones ambientales, tales como la reducción de la temperatura de la cultura. Otra estrategia es también insertar los genes para hacer moduladores plegables. Estos genes para los moduladores plegables se expresó junto con los genes objetivos de proteínas. Si la presencia de moduladores de plegamiento en la celda se incrementa, la eficiencia y exactitud de proteína plegamiento de la proteína también puede aumentar.

También puede aumentar la eficiencia de secreción de su molécula mediante la inserción de los genes para los acompañantes implicados en la secreción. Nuevamente, estas acompañantes ayudan a mover la proteína fuera de la célula. Una vez fuera de la célula, que, bioingeniero, puede recoger esta proteína para su propio uso. Recuerda que las proteínas que se excretan tienen secuencias especiales de aminoácidos en ellos. Estas secuencias están sujetas a los acompañantes de secreción. Los acompañantes de la secreción a continuación, tiran la proteína a través de la membrana celular. Al asegurar que las secuencias señal son parte de su gen insertado, se asegura que la proteína puede ser excretada a la parte exterior de la célula.

Mal plegamiento de proteínas aumenta con ciertos factores ambientales, tales como el estrés por calor. Además, como la tasa de aumento de la producción de proteínas, también lo hace la tasa de plegamiento. Como un bioingeniero de las proteínas, que se esfuerzan por establecer sistemas de producción para maximizar la producción. Usted tiene que equilibrar su deseo de una alta tasa de producción con la pérdida que sostendrá con el mal plegamiento mayor de sus proteínas.

Famosos proteínas mal plegadas

Una nueva investigación sobre cómo las proteínas se pliegan, despliegan y repliegan tiene la promesa en el tratamiento de enfermedades humanas asociadas con la acumulación de proteínas desplegables. Una de estas condiciones es el envejecimiento. A medida que envejecemos, nuestras células y los espacios extracelulares se prestan para acumular proteínas insolubles. Estas proteínas han perdido su forma globular y aparecen como fibras insolubles, pegajosa llamada amiloide. La acumulación excesiva de amiloides puede causar enfermedades como el inicio temprano de Alzheimer, Parkinson, cataratas de aparición temprana, la alfa-l-antitripsina, diabetes mellitus tipo II, y la amiloidosis sistémica.

Varias enfermedades que son populares entre los medios de comunicación se deben a la acumulación de priones. Estas enfermedades están en una clase de las encefalopatías espongiformes transmisibles (EET), un nombre ganado por el hecho de marcar que se conviertan en una esponja del tejido cerebral. Estos incluyen la encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las vacas locas), la tembladera (que afecta a las ovejas), la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ), y Kuru (factor de riesgo para las personas que consumen el tejido cerebral humano). Los priones son proteínas agregadas que provocan la activación de más priones. La proteína prion cambia su forma de hélice soluble alfa a una estructura de hoja en parte beta cuando esta encuentra otro prion agregado. Las agregaciones forman fibras largas de las células, causando la muerte celular. Para que tengas s una idea de cómo realmente los priones son resistentes, se puede hervirlas o digerilas en ácido, con poco efecto.

La investigación sobre tipo y función de proteínas

El fenómeno es el repertorio de todas las proteínas en una célula. Los intentos para describir el fenómeno de tipos de células dadas ocupan una gran cantidad de investigación. Incluso con la tecnología computarizada moderna, que caracteriza el fenómeno es un proceso laborioso y es poco probable que marcar las proteínas raras. Uno de los objetivos de la proteómica es la producción de micro arrays similares a los que está disponible en los chips de cDNA. Recuerde que el chip de ADN contiene los genes de una célula dada en una matriz bien asignada. Los genes unidos a la matriz se desnaturalizan tal que solamente una cadena del ADN de doble cadena esta en el chip. La hebra se une a una cadena complementaria. Puede enlazar una etiqueta a la cadena complementaria y ver los genes en el chip. Sin embargo, no hay tal cosa como una cadena complementaria a una proteína. La identificación de las diversas proteínas en el chip requeriría anticuerpos monoclonales específicos contra la proteína que todos y cada uno puede estar en el chip.

La determinación de las funciones de la gran cantidad increíble de proteínas en el fenómeno es un gran trabajo, que ocupará los bioingenieros en el futuro previsible. Históricamente, esto ha sido hecho por comparación de fenómenos de células mutantes y normales y las personas, o el análisis de Bioquímica de las proteínas individuales, y comparar la estructura de las proteínas objeto de la investigación he aquí que el de las proteínas con función conocida. La ciencia emergente de la secuenciación del ADN ha sido muy útil porque los genes para las proteínas de función similar tienden a estar situados cerca uno del otro. En algunos casos, los genes se encuentran juntos en los animales más primitivos y se han distanciado de las especies más evolucionadas. La posibilidad de desactivar los genes que utilizan la tecnología anti sentido revelará función que ilustra el efecto de privar a la celda de la función, dijo.

La tecnología antisentido desactiva ARNm proporcionando cadenas de ARN complementando el ARNm. Las hebras complementarias se unen al ARNm de hebra sencilla, evitando que la producción de una proteína. Grandes bases de datos se han desarrollado para ayudar en este tipo de análisis. Entre ellas se encuentra una red de interacciones proteína-proteína en la levadura, desarrollado por Schwikowskict al. (2000). El análisis de este tipo de redes puede descubrir la función de las proteínas no caracterizadas.

Resumen

El inventario de las proteínas celulares se conoce como el fenómeno. Estudio del fenómeno es la ciencia de la proteómica. Este es un campo muy complejo, debido a la gran variedad de proteínas y el paisaje cambia con las condiciones ambientales cambiantes. Un funcionamiento correcto de las proteínas no sólo depende de la transcripción correcta del código, sino también en la correcta ejecución del plegamiento de la proteína. Plegamiento de proteínas ha sido determinado como un proceso activo y bajo el control de las moléculas reguladoras conocidas como moduladores de plegado. Los moduladores plegables tienen una función relativamente inespecífica, que es para cubrir superficies específicas hasta un cierto punto en la secuencia de doblado. Las investigaciones recientes sobre el mecanismo para el correcto plegamiento de las proteínas han puesto de manifiesto que algunas condiciones de enfermedad en humanos no se deben estrictamente a un producto de gen defectuoso, sino debido a impropiedades plegadas este producto después de la producción.

Además, la función de moduladores secretoras se ha estudiado. Mejorar de la secreción de la proteína podría ser importante comercialmente para sistemas de producción donde la secreción de la proteína es un factor limitante.