Estructura nativa de las proteínas

Tópicos Especiales en Bioquímica

Examen Tópico 1

Estructura nativa de las proteínas

¿Cómo se alcanza y cuáles son las consecuencias cuando no?

Br. Daniela Rodríguez Carrascal

C.

1. Defina y compare entre sí cada uno de los posibles estados conformacionales encontrados durante la cinética del plegamiento según el modelo de campo energético tipo embudo. (2 Puntos).

Las proteínas según la conformación que adopten tendrán una energía determinada, el grupo de todas las conformaciones posibles se denomina campo/paisaje energético. El modelo de campo energético tipo embudo dice que el estado desnaturalizado está formado por un amplio conjunto de conformaciones de alta energía y entropía, y el espacio conformacional se hace más pequeño conforme la proteína se aproxima a su estado nativo (Figura 1) (Romero-Romero et al., 2018).

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Figura 1. Campo energético tipo embudo, Q: grado de contactos nativos (Q = 1, estado nativo), E: energía interna (Onuchic et al., 1997).

El estado nativo se refiere al estado conformacional que adoptan las proteínas cuando están completamente plegadas (Santos, 2009; Hoefnagels, 2018). La forma de plegamiento se ha explicado por múltiples modelos sin embargo no se conoce exactamente con certeza cómo ocurre tal proceso, pero se sabe que estructura primaria de una secuencia de aminoácidos específica pasa por una serie de estados conformacionales hasta que alcanza el estado nativo en el que se alcanza un estado termodinámicamente estable y una forma tridimensional particular definido para cada proteína, y donde la proteína es funcional y biológicamente activa. En este estado la proteína posee estructura terciaria, y cuaternaria cuando se compone de más de una cadena polipeptídica  (Olivares-Quiroz y García-Colín, 2004; Romero-Romero et al., 2018). Este estado conformacional es el estado final que se alcanza en el modelo de campo energético tipo embudo.

El estado desplegado se refiere a una variedad de conformaciones inactivas que también son denominadas "estado desnaturalizado". Este estado está representado por la cadena de residuos aminoacídicos lineal sin estructura tridimensional (Olivares-Quiroz y García-Colín, 2004; Romero-Romero et al., 2018).

Entre el estado nativo y desplegado se encuentran un conjunto de conformaciones intermedias, en la que se puede el glóbulo fundido. La conformación del glóbulo fundido ha sido vista en condiciones de desnaturalización, y presenta características intermedias entre el estado desplegado y el estado nativo. Este presenta gran cantidad de regiones con estructuras secundarias, y escasa organización de estructura terciaria (Chánez-Cárdenas y Vázquez-Contreras 2003).

A continuación se comparan las principales características de los estados conformacionales antes descritos:

Tabla 1. Características de los estados conformacionales de las proteínas

2. Explique la importancia del correcto plegamiento de las proteínas y el papel de las proteínas Chaperonas en la red de Control Proteico. (2 Puntos).

La principal importancia del plegamiento de las proteínas recae en el hecho de que las proteínas deben estar plegadas correctamente para poder llevar a cabo la función biológica que les corresponda. Por lo tanto el plegado incorrecto de las proteínas conduce a la formación de proteínas inactivas o tóxicas, que funcionan de forma incorrecta y son responsables de múltiples enfermedades, como algunas enfermedades neurodegenerativas, la diabetes mellitus, el cáncer, etc.

En el proceso de síntesis de proteínas, la parte final del plegado es el proceso en el que más se producen errores. Sin embargo, el retículo endoplasmático posee un sistema de control de calidad proteico, donde las chaperonas y otras enzimas distinguen las proteínas en estado desplegado o mal plegadas, y asisten su plegamiento para que estas lleguen a su conformación nativa. El sistema completo se encarga de exportar las proteínas que son funcionalmente activas y enviar a degradación las que no lo son (Naranjo et al., 2021).

Las chaperonas reconocen los residuos hidrofóbicos expuestos de las proteínas, y crean interacciones electrostáticas con ellos para ocultarlos de la superficie de exposición y ayudar al plegado. Cuando las proteínas están en su estado nativo las chaperonas ya no pueden unirse a ellas. Estas dos propiedades, le brindan la habilidad a las chaperonas de reconocer cuando una proteína es funcionalmente activa y cuando no, y de esta manera actúan como supervisoras en el control de calidad proteico (Bukau et al., 2006; Fu and Gao, 2014).

3. Con base en la referencia, escogida para su seminario, indique: ¿Cuál o cuáles fueron

las técnicas experimentales que permitieron alcanzar los objetivos planteados? Y explique los fundamentos, alcances y limitaciones de estas. (4 Puntos).

La referencia usada en mi seminario fue:

Chen et al. (2020). Apolipoprotein E: Structural Insights and Links to Alzheimer Disease Pathogenesis, Neuron. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.10.008

Ya que era una revisión, tomé el siguiente artículo, que es uno de los artículos principales usados en la revisión, para responder esta pregunta.

Chen, J., Li, Q., & Wang, J. (2011). Topology of human apolipoprotein E3 uniquely regulates its diverse biological functions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(36), 14813–14818. https://doi.org/10.1073/pnas.1106420108

Para alcanzar los objetivos planteados en este artículo de investigación se llevó a cabo la técnica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), se utiliza para conocer las posiciones de los átomos que constituyen una molécula .

La RMN es una herramienta espectroscópica que se fundamenta en las propiedades mecanocuánticas de los núcleos de los átomos, es decir, el spin nuclear. Los núcleos con espín distinto de cero se comportan como una distribución finita de carga, por lo que poseen un momento magnético proporcional y paralelo al espín nuclear. Es decir que se comportan como pequeños imanes. Entonces, según el medio molecular alrededor de los distintos núcleos, se traza un mapa en el espacio que definirá finalmente el plegamiento, la dinámica y las posibles interacciones intra o intermoleculares a escala atómica (¿Qué es la RMN?, s.f.).

La técnica de RMN que emplearon fue de tipo multidimensional bajo el efecto Nuclear Overhauser (NOE en inglés) el cual se trata de la transmisión de la polarización de espín nuclear de una serie de espines a otra, a través de la relajación nuclear cruzada.

Ventajas

• Es una técnica no destructiva, se preserva la muestra.
• Si se realiza en disolución, el sistema puede estar en su conformación nativa y cercana al sistema in vivo.
• Se obtiene información de la molécula en 3D de su estado plegado, parcialmente plegado o desplegado. Además se pueden dilucidar diferentes conformaciones y encontrar la mayoritaria en el caso de los péptidos.
• Se pueden hacer estudios de cómo afectan las variaciones de temperatura, pH, tipo de disolvente.
• Se pueden hacer comparaciones de una proteína en su estado libre o unida a un ligando a través de titulaciones.

Limitaciones:

• Posee un bajo nivel de sensibilidad.
• Se limita a moléculas, de tamaños entre los 30 y 80 kDa.
• Requiere gran cantidad de material de estudio.
• Es una técnica muy costosa.
• El personal tiene que tener una formación muy especializada.
• Requiere dedicar mucho esfuerzo y tiempo.

4. Explique en detalle lo que se conoce sobre la relación entre la Diabetes tipo II y el

mal plegamiento del péptido amilina (IAPP del inglés: islet amyloid polypeptide). (4

Puntos).

Antes de conocerse la amilina, Opie (1901) describió la presencia de una especie de degeneración hialina de los islotes de Langerhans. Posteriormente Westemark et al. (1986, 1987) identificaron el componente proteico de tales depósitos en un insulinoma de páncreas, este grupo purificó la proteína y realizó su secuenciación parcial. Luego Cooper et al. (1987) encontraron el mismo péptido en extractos de tejido pancreático rico en amiloide en pacientes con Diabetes Mellitus (DM) tipo 2.

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