1

Luis Martinez Gil

Tema 1. Resumen

O, H and C represent 98% of atoms in all life forms

The special molecular properties of water allow the presence of life

Water is a polar molecule. Partial + charge near H and close to O

Interacciones no covalentes en medio acuoso Propiedades trmicas del agua El agua como disolvente

2

Luis Martinez Gil

Tema 2. Aminocidos. Enlace peptdico. Estructura primaria y secundaria de las

protenas

Aminocidos Aminocidos estndar

Propiedades de los aminocidos

Aminocidos no estndar

El enlace peptdico

Propiedades

Pptidos y protenas

Estructura de las protenas

Niveles de estructura

Estructura primaria

Estructura secundaria Diagrama de Ramachandran

Hlice

Hoja

Giros

3

Luis Martinez Gil

-aminocidos

Constituyen las unidades bsicas de las protenas.

Precursores de hormonas, lpidos y cidos nucleicos

Algunos aminocidos pueden actuar como transmisores de seales (neurotransmisores)

Un -aminocido esta constituido por un carbono central (C unido a un cido carboxilo, un grupo amino, un H y una cadena lateral

Se diferencian por su cadena lateral (R)

4

Luis Martinez Gil

Los aminocidos son quirales

Dos estereoismeros posibles

Enantimeros L y D

Slo la forma L se encuentra en las protenas naturales

5

Luis Martinez Gil

Propiedades cido-Base de los aminocidos

Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1

Forma aninicaForma (neutra)

Forma catinica

K2; pK2K1; pK1

A pH 7 los aminocidos sin cadena lateral son zwitteriones/iones dipolares presentan simultneamente carga positiva y negativa

6

Luis Martinez Gil

Aminocidos estndar

Se diferencian por su cadena lateral (R)Todas las protenas de todas las especies se

constituyen de estos 20 amino cidosSe representa normalmente el estado de protonacin

a pH 7,0Los aminocidos se clasifican (generalmente) segn las

propiedades de sus cadenas laterales (a pH 7,0) Neutros no polares (hidrofbicos) Neutros polares (distribucin asimtrica de la carga en R) cidos a pH 7 Bsicos a pH 7

7

Luis Martinez Gil

Aminocidos estndar

Aminocidos neutros no polares

Aminocidos neutros polares

Aminocidos cidos Aminocidos bsicos

Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina

Fenilalanina Triptfano Metionina Cisteina Prolina

Serina Treonina Tirosina Asparagina Glutamina

Aspartato Glutamato Lisina Arginina Histidina

8

Luis Martinez Gil

Aminocidos estndar

Isoleucine

9

Luis Martinez Gil

Aminocidos no polares (hidrofbicos)

GlicinaGly, G

AlaninaAla, A Valina

Val, V

LeucinaLeu, L Metionina

Met, M

IsoleucinaIle, I

ProlinaPro, P

Cadena latera forma un anillo. Implica restricciones conformacionales(iminoacido)

Aminocidos no polares contienen fundamentalmente R alifticas

Aquiral

10

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Aminocidos aromticos

FenilalaninaPhe, F

TirosinaTyr, Y

TriptofanoTrp, W

No polar (hidrofbico) Polar

No polar (hidrofbico)

Fenilo

Ind

ol

11

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Fluorescencia del Trp

Abs/Ex 280 nm Em 300 to 350 nm dependiendo del entorno de la protena

Figure 1. Structural changes in erythroid, nonerythroid spectrin in presence of increasing concentrations of urea and GuHCl monitored by fluorescence spectroscopy at pH 8.0 and 25C.

Published: January 24, 2015

12

Luis Martinez Gil

Aminocidos bsicos con carga + (hidrfilos)

ArgininaArg, R

HistidinaHis, H

LisinaLys, K

Tiene carga positiva a pH

13

Luis Martinez Gil

Aminocidos cidos con carga - (hidrfilos)

AspartatoAsp, D

GlutamatoGlu, E

14

Luis Martinez Gil

Aminocidos neutros polares

SerinaSer, S

TreoninaThr, T

CistenaCys, C

AsparaginaAsn, N

GlutaminaGln, Q

TirosinaTyr, Y

Puede encontrarse cargado a pH>9.5

Puede encontrarse cargado a pH>8,5

El grupo -SH es muy reactivo. Dos molculas de Cys se oxidan formado cistina mediante un puente disulfuro (-S-S-)

15

Luis Martinez Gil

Aminocidos no estndar

Aminocidos distintos de los 20 estndar y derivados de stos realizan funciones biolgicas importantes como mensajeros o precursores

Neurotransmisores

Hormonas

Precursores e intermediarios metablicos

16

Luis Martinez Gil

Aminocidos esenciales y no esenciales

No esenciales Esenciales

Alanina Histidina

Arginina isoleucina

Asparagina Leucina

Aspartato Lisina

Cistena Metionina

Glutamato Fenilalanina

Glutamina Treonina

Glicina Triptfano

Prolina Valina

Serina

Tirosina

Aminocidos no esenciales son aquellos que el ser humano es capaz de sintetizar

Aminocidos esenciales deben ser suministrados por la dieta

17

Luis Martinez Gil

Valores de pKa de los aminocidos

-carboxilo terminal

-amino terminal

Cadena lateral ionizable

pKRpK

2

18

Luis Martinez Gil

Valores de pK de la Histidina

pK1=1.82 pK

R=6.0 pK

2=9.17

Carga neta +2 Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1

19

Luis Martinez Gil

pI= (2.19+4.25)/2 = 3.22

El punto isoelctrico (pI)

El pI es el pH para el cual la carga neta del aminocido es 0

Es el valor medio de los pKa de las especies que flanquean la estructura isoelctrica

Para aminocidos neutros: Valor medio de pK1 y pK2Para aminocidos cidos o bsicos: Depende de cada caso

Cuando pH= pILa solubilidad en agua disminuye

Carga +1

Carga 0

Carga -1

Carga -2

20

Luis Martinez Gil

Polmeros de aminocidos : el enlace petdico

Enlace peptdico es un enlace amida formado por la unin del grupo -carboxilo y el grupo -amino de dos aminocidos

La biosntesis del enlace peptdico requiere aporte de energa

Un polipptido es un polmero de aminocidos unidos mediante enlaces peptdicos

Cada unidad de un polipptido se llama residuo de aminocido

La cadena polipeptdica tiene direccionalidad

Tyr-Gly-Phe-Leu = Leu-Phe-Gly-Tyr

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Luis Martinez Gil

Propiedades del enlace peptdico

Carcter parcial de doble enlace

No tiene libertad de giro

Ms corto que enlaces sencillos CN

Aparece normalmente en conformacin trans

Los grupos C=O y N-H peptdicos son polares

Participan en la formacin de enlaces de hidrgeno

CNC

O

H

C

CNC

O

H

C

Estructuras resonantes del enlace peptdico

Equilibrio cis-trans. Slo en los enlaces XPro aparece la conformacin cis en una proporcin significativa

CNC

O H

C

C=NC

O- C

+H

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Luis Martinez Gil

Distancias y ngulos del enlace peptdico

El enlace peptdico es rgido y planar

Los enlaces C-C y N-C son enlaces sencillos puros

Una gran variacin de ngulos son permitidos

Trans Cis

Impedimentos estricos

Distances in

23

Luis Martinez Gil

Tema 2-1: Resumen I Constituyen las unidades bsicas de las protenas Un -aminocido es un cido carboxlico con un grupo amino

en el carbono . Se diferencian por su cadena lateral (R). Los aminocidos son quirales. Dos estereoismeros son

posibles. Enantimeros L y D Aminocidos estandar: 20. Constituyen todas las protenas.

Se representa normalmente el estado de protonacin a pH 7,0. Se clasifican por su cadena lateral

Aminocidos no polares contienen (fundamentalmente) R alifticas. Gly, Ala, Val, Leu, Met, Iso, Prolina

Aminocidos aromticos: Phe y Trp hidrofbicos. Tyr polar

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Luis Martinez Gil

Tema 2-1: Resumen II

Lys, Arg e His se consideran aminocidos bsicos Asp y Glu son aminocidos con carga neta a pH fisiolgico Ser, Thr, Cys Tyr Asn y Gln son aminocidos neutros polares La carga neta de los aminocidos cambia con el pH El pI es el pH para el cual la carga neta del aminocido es 0.

En el pI la solubilidad de la protena en medio acuoso disminuye

Enlace peptdico esta formado por la unin del grupo -carboxilo y el grupo -amino de dos aminocidos

El enlace peptdico es rgido y planar

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Luis Martinez Gil

Esqueleto peptdico

...

Una cadena polipeptdica consta de: Cadena principal o esqueleto. Parte que se repite regularmente Cadenas laterales de los aminocidos

26

Luis Martinez Gil

Pptidos

Son polmeros de unos pocos aminocidos La cadena polipeptdica tiene direccionalidad

Ejemplos de pptidos importantes Glutatin (tripptido)

Agente reductor. Protege a las clulas de productos oxidantes derivados del metabolismo del O2

Vasopresina (Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2) Hormona antidiurtica. Interviene en la regulacin del

equilibrio hdrico

Oxitocina (Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2) Hormona sexual. Estimula la secrecin de la leche y la

contraccin muscular uterina durante el parto Pptidos opiceos (Ej: Endorfina Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-

Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-Thr) Pentapptidos que intervienen en el alivio del dolor Endgenos y exgenos

27

Luis Martinez Gil

Protenas

Largas cadenas polipeptdicas (>50 residuos) que se pliegan con una estructura definida

Responsables de la mayora de las funciones bioqumicas: Catlisis Transporte

Estructura Almacenamiento

Movimiento Detoxificacin

Defensa

Regulacin

28

Luis Martinez Gil

Tipos de protenas

Segn su forma Fibrilares / Fibrosas Globulares

Segn su composicin Simples/Holoprotenas

Formadas nicamente por aminocidos Conjugadas/Heteroprotenas

Formadas por una cadena polipeptdica (apoproteina) + Grupo prosttico

Se agrupan segn sea el grupo prosttico: glucoprotenas lipoprotenas metaloprotenas hemoprotenas fosfoprotenas

29

Luis Martinez Gil

Estructura de las protenas

Surge del plegamiento de la cadena polipeptdica

Depende de la secuencia y de las caractersticas del medio solvente

Se distinguen cuatro niveles estructurales: Estructura primaria

Secuencia de aminocidos No surge del plegamiento No depende del medio

Estructura secundaria Plegamiento local

Estructura terciaria Plegamiento global

Estructura cuaternaria Organizacin multimrica de

varias cadenas

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Luis Martinez Gil

Estructura primaria

Secuencia de aminocidos Especfica de cada protena

Permite establecer relaciones evolutivas

Las protenas homlogas tienen secuencias semejantes

Identity vs Similarity

HistoneH1Human KKLAATPKKAKKPKTWKAKPVKASKPKKAKPVKMouse KKPAATPKKAKKPKVWKVKPVKASKPKKAKTVKRat KKPAATPKKAKKPKIWKVKPVKASKPKKAKPVKCow KKPAATPKKTKKPKTWKAKPVKASKPKKTKPVKChimp KKLAATPKKAKKPKTWKAKPVKASKPKKAKPVK

31

Luis Martinez Gil

Estructura primaria

Secuencia de aminocidos

Mutaciones --> Variaciones en la secuencia Residuos poco variables

Importantes para la funcin Mutaciones conservadoras

Entre residuos qumicamente semejante

Existen mutaciones asociadas a enfermedades

Eliminacin de la Phe508 en la protena CFTR causa Fibrosis Cstica.

H275Y/ N295S en la protena M2 de la gripe causa resistencia a Tamiflu

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Luis Martinez Gil

Estructura secundaria

Plano amida-

peptdico

Cadena lateral

Carbono Phi psi

Patrones repetitivos de conformacin local de la cadena polipeptdica Dependen de los valores de los

rotmeros y Hay un nmero limitado de

conformaciones posibles debido a impedimentos estricos entre los grupos -NH, -CO y -R

La conformacin ms favorable depende de la secuencia de aminocidos

Las conformaciones posibles (helices alpha, hojas beta) se estabilizan por un nmero elevado de enlaces de hidrgeno

Enlace peptdico

33

Luis Martinez Gil

ngulos de torsin: Phi - psi

34

Luis Martinez Gil

Conformaciones posibles y prohibidas

Choque de los grupos

-CO

Choque de los grupos

-NHGrupos -CO lejos

entre ellos y lejos de la cadena lateral R

Choque -NH con

-CO

Conformacin Posible

=0o, =180o =180o, =0o

=-60o, =180o

=0o, = 0o

El choque estrico (solapamiento de los radios de van der Waals) al girar los rotmeros y impide gran nmero de conformaciones. Las conformaciones posibles se representan en el diagrama de Ramachandran

35

Luis Martinez Gil

Diagrama de Ramachandran

Distribucin de ngulos y en un polipptido de poli-alanina

En blanco: Valores prohibidos

En azul: Valores posibles

Tipos principales de estructura secundaria

Hlices

Cadenas

G.N Ramachandran

(g

rado

s)

(grados)

Hlice (a derechas)

Cadenas

Hlice (a izquierdas)

36

Luis Martinez Gil

Diagrama de Ramachandran

Distribucin de ngulos y en un polipptido de poli-alanina

Hlice (a derechas)

Cadenas

Hlice (a izquierdas)

37

Luis Martinez Gil

Hlice (3,6)

Conformacin helicoidal a derechas

=-60o, =-40o -50o 3,6 residuos por vuelta (paso

de vuelta) avance de 5,4 por vuelta

Los grupos peptdicos participan en enlaces de H

Entre residuos i e i+4 Excepto en los extremos

Las cadenas laterales se dirigen hacia fuera

Mnima repulsin Posibles interacciones entre

ellas

3,6 residuos5,4 (1,5 por residuo)

Residuo i+4Residuo i

Cadenas laterales hacia afuera

Vista desde arriba

5

4

3

1

13 tomos por cada bucle cerrado por un enlace de H

C-ter

N-ter

2

38

Luis Martinez Gil

Hlice (3,6)

3,6 residuos5,4

(1,5 por residuo)

Residuo i+4

Residuo i

Cadenas laterales hacia afuera

Vista desde arriba

5

43

1

C-ter

N-ter2

6

39

Luis Martinez Gil

Estabilidad de la hlice

Contribucin principal: enlaces de hidrgeno entre grupos -CO y -NH peptdicos (cada residuo i con i+4)

No es posible en los residuos de los extremos

5

43

1

C-ter

N-ter

2

40

Luis Martinez Gil

Estabilidad de la hlice

Interacciones entre cadenas laterales Residuo i con i+3 e i+4, y con i-3 e i-4

Electrostticas Atractivas (estabilizadoras, entre residuos de distinta carga) Repulsivas --> desestabilizadoras (entre residuos con la misma

carga) Efecto hidrofbico

Algunos residuos desestabilizan la hlice Glicina (no tiene R --> otorga demasiada flexibilidad) Prolina (restringe el giro de ; no tiene -NH para formar

enlace de H) Residuos voluminosos (Trp) y ramificados en el carbono

(Val, Thr) (impedimentos estricos)

Residuo i+4

Residuo i

5

43

1

C-ter

N-ter2

6

41

Luis Martinez Gil

Representaciones de las hlices

Contenido en hlice

Ferritina ~ 75% hlice 25% de las protenas adopta una conformacin en hlice

42

Luis Martinez Gil

Dipolo de la Hlice

3,6residuos

5.4

Momentodipolar

43

Luis Martinez Gil

Cadenas/Hebras y Hojas

Cadenas : Segmentos en conformacin extendida

Hojas : Dos o ms cadenas adyacentes

enlaces de H entre -CO y -NH de cadenas adyacentes

Apariencia de lmina plegada Cadenas paralelas o antiparalelas

Cadenas laterales a ambos lados de la hoja

Son frecuentes los residuos voluminosos Puede haber interacciones entre las cadenas

laterales

7.5

3.5

44

Luis Martinez Gil

Orientaciones de hojas

Hoja Paralela

Hoja Antiparalela

Enlaces de H mejor orientados (ms fuertes)

Peor orientacin de enlaces de H (ms

dbiles)

Existen hojas paralelas y antiparalelas dependiendo de la orientacin de las cadenas peptdicas

Las hojas antiparalelas son mas estables

En una hojas pueden llegar a juntarse hasta 10 hebras

Paralelas AntiparalelasMixtas

Dos hebras de una misma hojas no tienen por que ser adyacentes en la estructura primaria

45

Luis Martinez Gil

Representaciones de hojas

Hoja

Hlice Otras

estructuras Sin estructura

46

Luis Martinez Gil

Giros

Cambian la direccin de la cadena 180o

Conectan entre s cadenas antiparalelas

Son giros cortos y cerrados Implican cuatro residuos

Poco voluminosos Con frecuencia Gly y Pro

Enlace de H entre i e i+3 (1 y 4)

Hasta 9 tipos distintos Segn conformacin de

residuos 2 y 3

Tipos I y II son los ms comunes

Tipo I Tipo II12

34

34

12

47

Luis Martinez Gil

Estructuras supersecundarias y motivos estructurales

Son combinaciones de elementos de estructura secundaria que forman patrones definidos.

Estructuras supersecundarias

Motivos estructurales

Son la base de la clasificacin estructural de las protenas

48

Luis Martinez Gil

Tema 2-1: Resumen I Una cadena polipeptdica consta del esqueleto peptdico y

las cadenas laterales Pptidos: polmeros de unos pocos aminocidos. Tienen

mltiples funciones fisiolgicas Largas cadenas polipeptdicas con una estructura

definida. Responsables de la mayora de las funciones bioqumicas

Las protenas se clasifican (generalmente) segn su forma y su composicin

Hay distinguen cuatro niveles estructurales. Primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura primaria: secuencia de aminocidos

49

Luis Martinez Gil

Tema 2-1: Resumen II Estructura secundaria: Patrones repetitivos de

conformacin local. ngulos de torsin phi y psi determinan la estructura

secundaria El diagrama de Ramachandran indica las combinaciones de

ngulos phi y psi posibles Las estructuras secundarias mas comunes son las hlices

y las hojas Ambas se estabilizan por puentes de hidrgeno

Estructura de las hlices y las hojas Las estructuras supe-secundarias y los motivos

estructurales son combinaciones de hlices y las hojas

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