Bioquímica 4: Características del plegamiento proteico.

En la entrada anterior vimos los principios sobre las principales estructuras que pueden adquirir los péptidos y las proteínas. 

El plegamiento proteico se ve determinado por la secuencia, es espontáneo, secuencial y cooperativo. Realizado con la colaboración de otras proteínas.

DETERMINADO POR LA ESTRUCTURA PRIMARIA:
Casos extremos:

  1. Que una misma secuencia tenga distintos plegamientos. Ocurre por el entorno, si la misma secuencia está inmersa en una secuencia de aminoácidos favorecedora de alfa-hélice, entonces se plegará en alfa-hélice (excepto si tiene Pro). Una cosa es la tendencia intrínseca de cada secuencia y otra el entorno.
    Distintas secuencias se pueden plegar igual como ocurriría en el caso que dos secuencias distintas tengan el mismo patrón de hidrofobicidad.
  2. Que dos secuencias distintas tengan el mismo plegamiento.

EL PLEGAMIENTO ES ESPONTÁNEO:
Un determinado plegamiento es favorecido por el hecho que la variación de energía libre sea igual a cero. En un sistema abierto, es la entropía total (sistema + entorno) y la entalpía.

Cuando se aproxima una molécula polar a las moléculas de agua, forman caltratos que consisten en n moléculas de agua agrupadas y muy contraídas producidas por interacciones desfavorables.
Cuando la proteína se pliega, los residuos apolares quedarán hacia adentro y los polares hacia fuera (efecto hidrófobo). Las moléculas apolares crearán interacciones favorables entre ellas y las polares crearán interacciones favorables con las moléculas de agua.
Durante el plegamiento de la proteína, se experimenta una variación de entropía hasta llegar al mínimo una vez se encuentre completamente plegada.
Aunque la entropía de la proteína haya bajado, la del agua ha aumentado y se podría decir que el balance (la variación de entropía del plegamiento) es positivo.

Tema04-plegamientos
Plegamientos estables en las proteínas. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

EL EFECTO HIDRÓFOBO: La presencia del agua será determinante para que se presenten una serie de estructuras determinadas, favoreciendo el internamiento de las regiones apolares.

ENTALPÍA: La variación total de entalpía dependerá de cada proteína en concreto. Si la proteína tiene pocos residuos polares, debe romper menos.

FUERZA DIRECTRIZ: está relacionada con la variación de entropía total. Cuando la proteína se pliega, aparecen enlaces que la estabilizan.

FUERZAS ESTABILIZADORAS Y EN ALGUNOS CASOS, DIRECTRICES.

  1. Fuerza directriz → Variación de entropía (Efecto hidrófobo)
    Fuerzas estabilizadoras (y/o directriz)

    1. No covalentes
      1. Puentes de H
    2. Intracatenarios: entre átomos de la cadena peptídica
      1. —C=O …H-N— (alfa-hélice y colágeno)
      2. Interacciones R-R (como la Ser y la Gln)
      3. Cadena-agua
  2. Electrostáticas
    1. Intracatenarias:
      1. Entre un residuo ácido y uno básico
    2. Cadena-agua
      1. Glu o Asp y H2O
      2. Lys o Arg y H2O
  3. Interacciones Van der Waals: interacciones entre aminoácidos apolares que quedan más próximos.
  4. Covalente: fuerzas estabilizadoras que se forman después plegamiento: puentes disulfuro –S-S- Entre dos Cys.

EL PLEGAMIENTO ES SECUENCIAL Y COOPERATIVO:
Secuencial porque a medida que la cadena va saliendo del ribosoma, se va plegando.
Cooperativo: La probabilidad en general que ocurra un fenómeno viene condicionado porque haya ocurrido uno precedente. Si este evento impide que ocurra el siguiente, se definiría como cooperativo negativo.

REALIZADO EN COLABORACIÓN CON PROTEÍNAS
Es un proceso que puede ser espontáneo, y lento o rápido.
Hay proteínas que aceleran y protegen ese plegamiento: las Chaperoninas y también las proteínas de shock térmico.
Las proteínas pueden estabilizar, favorecer o revertir cambios en el plegamiento.

Priones:
A veces esa proteína o péptido cambia su plegamiento, de tal manera que un hipotético dominio con estructura al azar se pliegue en forma de beta-laminar, provocando que otras proteínas contiguas se pliegan igual. Se produce un agregado de proteínas que contagia ese cambio conformacional. Es lo que sucede con la enfermedad de las vacas locas, el kuru y las placas beta-amiloideas que se observan en las personas con el mal de Alzheimer.

MODIFICACIÓN DEL PLEGAMIENTO PROTEICO
El plegamiento debe dar lugar a la conformación biológicamente activa: conocida como estructura nativa. Puede ser estructura secundaria en forma de proteínas fibrosas, terciaria, o cuaternaria. Es estable, pero no estática.

Esa conformación se puede perder o modificar por:

  1. Desnaturalización: la pérdida de la conformación, que puede ser debido a condiciones extremas que provocan la pérdida de la función. Puede dar cambios nefastos potencialmente deletéreos.
    1. Puede ser reversible
    2. Irreversible
  2. Cambios conformacionales: cambios en la actividad, son cambios permitidos que darán lugar a la REGULACIÓN. Le permite aumentar o disminuir su actividad.
Tema04-termodinamica
Termodinámica del plegamiento proteico representado como un embudo de niveles de energía libre. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

MÉTODOS PARA REALIZAR LA DESNATURALIZACIÓN PROTEICA:
Si analizamos cuáles son las fuerzas estabilizadoras para mantener la conformación nativa de una proteína, podremos emplear esa información para desestructurarla, para desnaturalizarla.
Podemos incidir en una o varias de estas interacciones:

  1. Termal: Al existir interacciones no covalentes, con el calor se aumentaría la energía cinética de los átomos y a medida que se aumenta la temperatura, se provocaría la desnaturalización. También se puede observar un fenómeno de cooperatividad en el que al principio cueste un poco desnaturalizar la proteína, pero una vez se ha conseguido en una parte, las posteriores desestabilizaciones se favorecerían ante tal precedente.
  2. pH: Al variar el, pH cambiará la carga neta de los aminoácidos. Aminoácidos con carga positiva podrían desprotonarse y dejar de interaccionar con los que tienen carga neta negativa.
    1. Polaridad: al cambiar el medio, las cadenas laterales polares tenderán a irse hacia el interior
    2. Fuerza iónica: cambios para los aminoácidos que tienen carga eléctrica
  3. Agentes desnaturalizantes: añadir en el medio agentes que interfieren con las fuerzas estabilizadoras.
    1. Agentes reductores: tendrán grupos tioles que interaccionan con los puentes disulfuro (los enlaces más fuertes ya que son covalentes) pasan del estado –S-S– a un –SH + –SH . El beta mercaptoetanol es un reductor ampliamente utilizado.
    2. Formadores de puentes de hidrógeno: Urea (2(NH2)C=O)
    3. Detergentes: son moléculas anfipáticas. Su parte apolar interacciona con las zonas apolares. SDS (dodecil sulfato sódico). Las colas apolares se introducirán en la proteína como si fueran cuñas y las interacciones entre las cargas negativas se repelerán.

MÉTODOS PARA PROVOCAR CAMBIOS CONFORMACIONALES

  1. Unión de ligandos: Muchas proteínas desempeñan su función uniéndose a moléculas pequeñas. La hemoglobina transporta O2, el O2 es su ligando. La unión proteína-ligando desencadena un cambio conformacional en la proteína.
  2. Por fosforilación: aminoácidos con grupos –OH (hidroxilos), esos OH pueden estar plegados y estabilizarse por las interacciones –OH con otro aminoácido. El OH al fosforilarse, forma un grupo iónico.
    Cuando se fosforila la Ser (o Thr o Tyr), se rompe el puente de H y hace que obtenga una carga negativa y ahora podrá interaccionar con un residuo de carga positiva.
    -Ser-OH, -Thr-OH, -Tyr-OH.
  3. Proteolisis: ruptura hidrolítica (con H2O como mediador) de enlaces peptídicos.

El mantenimiento de la estructura determinará la funcionalidad de las proteínas como veremos en el tema siguiente que trata sobre las enzimas. 

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana.

Enlace: lecciones de Bioquímica.

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