Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes

I 0 flashcards i 4 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOQUÍMICA I BIOLOGIA MOLECULAR Grau en Odontologia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts de Bioquímica sobre aminoàcids, estructura proteica, desnaturalització, trànsit cel·lular, xaperones i malalties per mal plegament.

APREN.AI Índex 1 Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica Estructura química i propietats dels aminoàcids Classificació dels aminoàcids segons el grup R L'enllaç peptídic i l'esquelet covalent Jerarquia estructural de les proteïnes 2 Desnaturalització, Renaturalització i Nutrició Proteica Procés de desnaturalització proteica i modificacions fisicoquímiques Aminoàcids en nutrició humana i valor biològic 3 Cicle Biològic, Trànsit i Biosíntesi Proteica El cicle vital de les proteïnes en la cèl·lula Mecanisme pas a pas de la via secretora 4 Plegament Assistit, Proteòlisi i Malalties Conformacionals Sistemes auxiliars de plegament: xaperones i xaperonines Degradació cel·lular: proteasoma i autofàgia lisosomal Envelliment i malalties del plegament incorrecte 5 Resum per repassar Aminoàcids i Nivells Estructurals Desnaturalització i Nutrició Proteica Trànsit Intracel·lular i Síntesi Proteica Plegament Assistit, Degradació i Patologia Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 1 1 Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica EN ACABAR SABRÀS Identificar els grups químics comuns dels aminoàcids i explicar l'origen de la seva quiralitat. Distingir les característiques i enllaços que mantenen cadascun dels quatre nivells estructurals de les proteïnes. Descriure la geometria, polaritat i característiques de l'enllaç peptídic. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què un canvi d'un sol aminoàcid pot arribar a alterar completament la funció biològica de tota una proteïna?

Estructura química i propietats dels aminoàcids Les proteïnes són macromolècules polimèriques constituïdes per la unió de 20 tipus diferents d'unitats fonamentals anomenades aminoàcids (Aac). Es tracta d'estructures químiques formades principalment per carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i, en alguns casos, sofre. Esquema de l'estructura química general d'un aminoàcid amb el carboni alfa central. La configuració general d'un aminoàcid s'organitza al voltant d'un àtom central anomenat carboni alfa ( ). Aquest àtom enllaça covalentment quatre grups funcionals: un grup carboxil (-COOH), un grup amino ( ), un àtom d'hidrogen ( ) i una cadena lateral variable anomenada radical ( ).

La disposició geomètrica és de tipus tetraèdric o piramidal, amb el carboni alfa al centre i els quatre radicals orientats cap als vèrtexs de l'espai tridimensional. DEFINICIÓ Un carboni asimètric o quiral és un àtom de carboni unit covalentment a quatre grups o substitueSnapshot diferents. Aquesta quiralitat confereix activitat òptica a la molècula i permet l'existència d'isòmers òptics o enantiòmers. C α NH 2 H R Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 2 A excepció de la glicina, on el radical R és simplement un altre àtom d'hidrogen, tots els aminoàcids proteics presenten un asimètric.

Per aquest motiu, són substàncies òpticament actives que poden existir en dues configuracions enantiomèriques: la sèrie D i la sèrie L. Les proteïnes sintetitzades en els éssers vius estan constituïdes exclusivament per aminoàcids de la sèrie L. Els aminoàcids de la sèrie D es troben restringits a estructures biològiques molt concretes com el peptidoglicà de la paret bacteriana, determinats pèptids amb propietats antibiòtiques i pèptids opioides aïllats en amfibis i rèptils. En dissolució aquosa, el comportament d'aquests compostos depèn directament del pH del medi biològic.

Tant el grup alfa-carboxil com l'alfa-amino i els radicals ionitzables de determinades cadenes laterals modifiquen el seu estat de càrrega elèctrica segons les condicions d'acidesa de la solució. COMPROVA-HO 2 Per quina raó estructural la glicina és l'únic aminoàcid estàndard que manca d'activitat òptica? Classificació dels aminoàcids segons el grup R Les cadenes laterals o radicals R defineixen la identitat, la mida, la càrrega i el caràcter químic de cadascun dels vint aminoàcids proteics. Aquestes diferències estructurals determinen directament la solubilitat tant en aigua com en ambients apolars o lipídics.

En bioquímica s'utilitzen habitualment abreviatures universals de tres lletres o d'una sola lletra per identificar cada residu en una cadena polipeptídica.

Classificació de la cadena lateral Característiques fisicoquímiques Propietats en medi aquós Apolars Cadenes hidrofòbiques formades per hidrocarburs o anells aromàtics apolars Baixa afinitat per l'aigua; solen situar- se a l'interior hidrofòbic proteic Polars sense càrrega Grups funcionals capaços de formar ponts d'hidrogen però neutres a pH fisiològic Hidrofílics; interaccionen favorablement amb l'aigua mitjançant enllaços d'hidrogen Polars amb càrrega negativa Cadenes laterals amb caràcter àcid que cedeixen protons a pH fisiològic Alta solubilitat; càrrega neta negativa que permet enllaços iònics Polars amb càrrega positiva Cadenes laterals amb caràcter bàsic que accepten protons a pH fisiològic Alta solubilitat; càrrega neta positiva que afavoreix interaccions electroestàtiques C α Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 3 Diagrama de classificació dels vint aminoàcids segons la seva cadena lateral.

L'enllaç peptídic i l'esquelet covalent La polimerització dels aminoàcids es produeix mitjançant una reacció de condensació que dona lloc a un enllaç peptídic. Aquesta unió covalent de tipus amida s'estableix entre el grup alfa-carboxil d'un aminoàcid i el grup alfa-amino de l'aminoàcid següent, alliberant una molècula d'aigua durant el procés de síntesi. La formació d'aquests enllaços a la cèl·lula la catalitzen associacions macromoleculars formades per proteïnes i ARN ribosòmic denominades ribosomes, que es localitzen tant al citoplasma com a la matriu dels mitocondris.

Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 4 Esquema del procés de formació de l'enllaç peptídic i l'esquelet covalent. Quan un aminoàcid s'integra en un polímer perd els elements d'una molècula d'aigua, raó per la qual s'anomena residu d'aminoàcid. La cadena polipeptídica té una polaritat química definida per dos extrems diferenciats: Extrem N-terminal: correspon al primer residu de la cadena i presenta el grup alfa-amino lliure. Extrem C-terminal: correspon a l'últim aminoàcid sintetitzat i conté el grup alfa-carboxil lliure. L'esquelet covalent d'un pèptid està format per la repetició metòdica d'àtoms .

Els enllaços peptídics es disposen de manera natural en una conformació estereoquímica trans, fet que redueix l'impediment estèric entre les cadenes laterals contigües. Des d'aquest eix central invariable projecten a l'espai els distints grups R. Una cadena curta formada per aproximadament una desena de residus s'anomena oligopèptid. En canvi, les proteïnes madures solen presentar masses moleculars de 10.000 Daltons o més, estructurades en una o múltiples cadenes de centenars de residus associades de vegades a fraccions no peptídiques. COMPROVA-HO 3 Quina direccionalitat segueix una cadena polipeptídica en la seva escriptura i biosíntesi?

Jerarquia estructural de les proteïnes La funció biològica d'una proteïna requereix l'adquisició d'un plegament espacial precís conegut com a conformació nativa. Aquesta arquitectura tridimensional s'organitza en quatre nivells jeràrquics d'organització creixent: NH C α CO Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 5 Esquema dels quatre nivells d'organització estructural de les proteïnes. Estructura primària: és la seqüència lineal ordenada de residus d'aminoàcids que componen la cadena polipeptídica des de l'extrem N-terminal fins al C-terminal. Està mantinguda exclusivament per enllaços peptídics covalents.

És el nivell fonamental perquè la seva informació dicta com s'adoptaran tots els nivells superiors de plegament. 1 Estructura secundària: consisteix en el replegament espacial periòdic d'alguns segments de la cadena sobre un eix o un pla. Els dos patrons geomètrics principals són l'hèlix alfa (disposició helicoïdal regular al voltant d'un eix) i la làmina beta (disposició estesa en forma de full plegat sobre un pla). Aquests elements regulars estan estabilitzats exclusivament per ponts d'hidrogen que s'estableixen entre els grups i els grups de l'esquelet peptídic entre residus no consecutius.

En les proteïnes de conformació filamentosa, aquest replegament regular s'estén per gairebé tota la molècula. 2 N H C = O Estructura terciària: representa la conformació globular o compacta de la totalitat d'una cadena polipeptídica individual a l'espai. Inclou tant regions regulars d'hèlix alfa i làmina beta com segments irregulars de connexió. S'estabilitza majoritàriament mitjançant enllaços febles no covalents: interaccions hidrofòbiques entre residus apolars, forces de Van der Waals, enllaços iònics entre grups de càrrega oposada i ponts d'hidrogen.

A més, es pot estabilitzar covalentment mitjançant ponts disulfur, que són enllaços covalents formats per l'oxidació de dos grups tiol ( ) pertanyents a dues cisteïnes distants en la seqüència. 3 SH Estructura quaternària: màxim nivell de complexitat estructural que resulta de l'associació funcional de dues o més cadenes polipeptídiques (subunitats) independents per constituir una proteïna oligomèrica. L'acoblament es manté gràcies a les mateixes forces no covalents que estabilitzen l'estructura terciària. Pot incloure components moleculars no proteics units fortament denominats grups prostètics.

4 Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 6 ERROR FREQÜENT Un error molt habitual d'examen és creure que l'estructura secundària s'estabilitza per interaccions entre les cadenes laterals (grups R). Recorda que els ponts d'hidrogen de l'estructura secundària s'estableixen exclusivament entre els grups carbonil ( ) i amino ( ) de l'esquelet covalent peptídic. IDEES CLAU Els aminoàcids proteics són 20 monòmers de la sèrie L amb un carboni alfa quiral, excepte la glicina. L'enllaç peptídic és una unió covalent de tipus amida en conformació estereoquímica trans. L'estructura primària defineix la seqüència ordenada de residus i conté tota la informació del plegament.

L'estructura secundària s'estabilitza per ponts d'hidrogen entre els grups de l'esquelet peptídic, mentre que la terciària i quaternària impliquen interaccions entre cadenes laterals. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Quin tipus d'enllaços covalents poden contribuir a estabilitzar l'estructura terciària d'una cadena polipeptídica? 5. Què diferencia una proteïna amb estructura terciària d'una amb estructura quaternària? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 6. Quin aminoàcid no té activitat òptica per no presentar carboni asimètric? 7. Com s'estabilitza l'estructura secundària de les proteïnes (hèlix alfa i làmina beta)? 8.

En quina orientació espacial relativa es troben naturalment els enllaços peptídics? C = O N H Cisteïna a) Glicina b) Alanina c) Serina d) Interaccions hidrofòbiques dels grups R a) Ponts disulfur entre cisteïnes b) Ponts d'hidrogen de l'esquelet covalent c) Enllaços iònics entre radicals d) Conformació cis a) Configuració D-enantiomèrica b) Rotació lliure a 360 graus c) Conformació trans d) Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 7 9. Com s'anomena la fracció no peptídica unida a una proteïna oligomèrica? 2 Desnaturalització, Renaturalització i Nutrició Proteica EN ACABAR SABRÀS Definir el concepte de desnaturalització i analitzar els canvis fisicoquímics associats.

Distingir els aminoàcids essencials, no essencials i semiessencials en nutrició humana. Explicar el concepte d'aminoàcid limitant i la complementació proteica en la dieta. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Com pot una proteïna tornar a funcionar correctament després d'haver estat completament desplegada? Procés de desnaturalització proteica i modificacions fisicoquímiques La desnaturalització és la pèrdua de les estructures tridimensionals d'ordre superior (secundària, terciària i quaternària) d'una proteïna, mantenint intacta la seva estructura primària. Quan es produeix aquest desplegament, la molècula perd la seva conformació nativa i, per tant, queda biològicament inactiva.

Diagrama del procés de desnaturalització i renaturalització reversible d'una proteïna. Residu polipeptídic a) Cadena lateral apolar b) Enantiòmer D c) Grup prostètic d) Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 8 La integritat funcional dels éssers vius depèn d'un control estricte de les condicions internes. Petites desviacions poden desestabilitzar les forces febles no covalents que sostenen el plegament nativo. Per exemple, en humans, una elevació tèrmica de 6 °C en el cos pot resultar fatal, igual que un canvi en el pH de la sang fora de l'estret rang de seguretat comprès entre 7,0 i 7,7. Per aquesta raó biològica, els organismes han desenvolupat sistemes homeostàtics molt precisos.

Quan una proteïna es desnaturalitza, experimenta alteracions evidents en el seu comportament hidrodinàmic i en les seves propietats biològiques: Augment de la viscositat: la molècula desplegada adopta un major radi efectiu i una forma desordenada a la solució. Disminució del coeficient de difusió: la resistència friccional augmenta pel volum hidrodinàmic superior de la cadena desplegada. Disminució dràstica de la solubilitat: els residus hidrofòbics d'aminoàcids, que abans estaven amagats a l'interior del nucli de la proteïna nativa, queden exposats directament al solvent aquós circumdant. Els factors que desencadenen aquest desplegament s'anomenen agents desnaturalitzants.

Aquests es divideixen en agents físics (com l'augment de temperatura) i agents químics (com detergents, dissolvents orgànics, modificacions de pH causades per àcids o bases i variacions en la concentració de sals que alteren la força iònica del medi). DEFINICIÓ La renaturalització és el procés reversible mitjançant el qual una proteïna desnaturalitzada aconsegueix recuperar la seva conformació tridimensional nativa i la seva funció biològica quan s'eliminen els agents desnaturalitzants de manera suau. Atès que l'estructura primària no s'ha destruït, conté tota la informació necessària per restablir el plegament actiu.

Aquesta propietat és essencial en mètodes de laboratori per a l'aïllament i la purificació selectiva de proteïnes. No obstant això, en nombrosos casos la desnaturalització esdevé un fenomen irreversible: els aminoàcids hidrofòbics exposats interactuen entre ells i formen agregats insolubles que precipiten a la dissolució. COMPROVA-HO 11 Quina és la raó fisicoquímica principal per la qual una proteïna desplegada sol precipitar ràpidament en aigua? Aminoàcids en nutrició humana i valor biològic Mentre que els organismes vegetals sintetitzen la totalitat dels seus aminoàcids proteics a partir de molècules inorgàniques simples, els animals no posseeixen aquesta capacitat metabòlica.

L'espècie humana ha d'incorporar mitjançant la dieta un grup d'aminoàcids que el seu organisme és incapaç de produir per si mateix. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 9 Taula de classificació nutricional dels aminoàcids essencials i no essencials. Grup nutricional Aminoàcids integrants Consideracions fisiològiques Aminoàcids essencials Fenilalanina (Phe, F), Histidina (His, H), Isoleucina (Ile, I), Leucina (Leu, L), Lisina (Lys, K), Metionina (Met, M), Treonina (Thr, T), Triptòfan (Trp, W), Valina (Val, V) Han d'ingerir-se necessàriament amb els aliments diaris perquè l'organisme animal no els pot sintetitzar.

Absolutament no essencials Alanina (Ala, A), Aspartat (Asp, D), Asparagina (Asn, N), Glutamat (Glu, E), Serina (Ser, S) La maquinària metabòlica cel·lular els sintetitza eficaçment en quantitats suficients. Semiessencials o condicionals Arginina (Arg, R), Cisteïna (Cys, C), Glicina (Gly, G), Glutamina (Gln, Q), Prolina (Pro, P), Tirosina (Tyr, Y) Deriven d'altres precursors (Gln prové de Glu; Tyr de Phe), els requeriments es disparen en estrès físic o requereixen cooperació tissular com l'Arginina. A més, la disponibilitat d'aquests aminoàcids depèn de l'estat funcional de l'aparell digestiu i del fetge.

En certes etapes inicials de la vida els enzims biosintètics són immadurs, tal com s'observa amb la histidina en el cas dels nounats. Els aliments d'origen animal (aus, carn, peix, ous i productes lactis) presenten una proporció proteica mitjana aproximada del 22 %, superior a la mitjana general dels vegetals, que se situa al voltant del 2,5 % (fruits secs, xampinyons, germen de blat o soia). Tot i que determinats llegums aconsegueixen concentracions del 20 % de proteïna o més, les proteïnes vegetals tenen en general menor valor biològic a causa del seu perfil d'aminoàcids.

Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 10 DEFINICIÓ L'aminoàcid limitant és aquell aminoàcid essencial que es troba en una proporció deficitària o insuficient en un determinat aliment proteic, condicionant o limitant per si sol la capacitat de síntesi proteica global de l'organisme. Per avaluar la qualitat biològica d'una proteïna alimentària s'utilitzen paràmetres com la presència d'aminoàcids limitants, el percentatge de digestibilitat i la relació neta establerta entre el nitrogen ingerit i el retingut pels teixits.

En dietes basades exclusivament en aliments d'origen vegetal, el risc de dèficit es corregeix amb el mètode de la complementació proteica: combinar dues fonts amb mancances complementàries. Per exemple, els cereals (deficitaris en lisina) es combinen amb llegums (deficitaris en metionina i cisteïna) per assolir un contingut complet d'alt valor biològic. ERROR FREQÜENT Un error greu és afirmar que la desnaturalització trenca els enllaços peptídics. La desnaturalització mai trenca els enllaços peptídics de l'estructura primària; només desorganitza les interaccions febles i ponts disulfur de les estructures secundària, terciària o quaternària.

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Temperatura extrema Desestabilització per agitació tèrmica Canvis de pH Alteració de càrregues en grups ionitzables Desnaturalització Pèrdua de funció Inactivació de les propietats biològiques natives Agregació hidrofòbica Precipitació per exposició de cadenes apolars IDEES CLAU La desnaturalització altera les estructures secundària, terciària i quaternària sense destruir l'estructura primària covalent. El desplegament exposa els residus hidrofòbics i pot induir agregació irreversible o renaturalització funcional. Existeixen nou aminoàcids essencials en la dieta humana adulta que l'organisme és incapaç de produir.

La complementació entre cereals i llegums permet obtenir tots els aminoàcids essencials en combinar els seus aminoàcids limitants. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 11 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 12. Quina diferència molecular existeix entre un procés de desnaturalització i una hidròlisi proteica? 13. Per què els cereals i els llegums s'associen en dietes vegetarianes? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 14. Quina propietat no es modifica com a conseqüència de la desnaturalització d'una proteïna? 15. Quin dels següents aminoàcids és absolutament no essencial en l'ésser humà? 16. Quin és l'aminoàcid limitant principal que presenten els cereals? 17.

Quin d'aquests aminoàcids es considera semiessencial per immaduresa enzimàtica en nounats? 3 Cicle Biològic, Trànsit i Biosíntesi Proteica EN ACABAR SABRÀS Distingir les característiques i destinacions cel·lulars de la via citosòlica i de la via secretora. Descriure la funció de la partícula de reconeixement de senyal (SRP) en l'adreçament co- traduccional. Ordenar cronològicament els passos de la translocació de proteïnes a través de la membrana del reticle endoplasmàtic. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 18 Com sap un ribosoma que una proteïna concreta ha d'anar a l'exterior de la cèl·lula o quedar- se al citoplasma?

La viscositat de la solució a) L'activitat biològica nativa b) La solubilitat en dissolvent aquós c) L'estructura primària covalent d) Fenilalanina a) Triptòfan b) Lisina c) Aspartat d) Lisina a) Cisteïna b) Metionina c) Tirosina d) Histidina a) Serina b) Glutamat c) Alanina d) Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 12 El cicle vital de les proteïnes en la cèl·lula Durant la interfase del cicle cel·lular, la cèl·lula opera com un centre coordinat de producció proteica. Pràcticament tots els compartiments subcel·lulars intervenen en aquest flux continu amb un cost energètic molt elevat.

El cicle biològic de les proteïnes integra les etapes de biosíntesi ribosomal, plegament conformacional, maduració, trànsit fins a la destinació operativa, exercici funcional i degradació final. Esquema del cicle biològic complet de les proteïnes dins la cèl·lula. Amb el terme trànsit de proteïnes es designa el recorregut cel·lular que segueixen les cadenes polipeptídiques fins a arribar a la seva ubicació definitiva dins o fora de la cèl·lula. Segons la presència de seqüències específiques en l'estructura primària, es distingeixen dues rutes de destinació: Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 13 Diagrama de les dues rutes principals de trànsit proteic: via citosòlica i secretora.

Via citosòlica: seguida per aquelles proteïnes que no posseeixen pèptid senyal d'adreçament al reticle endoplasmàtic. Se sintetitzen en ribosomes lliures del citosol organitzats en poliribosomes. Les seves destinacions finals són el citosol, els mitocondris, els cloroplasts vegetals, els peroxisomes i el nucli cel·lular. Via secretora: utilitzada per proteïnes que presenten una seqüència líder o pèptid senyal de reconeixement. Aquesta ruta canalitza el producte a través del sistema d'endomembranes format pel reticle endoplasmàtic rugós (RER), reticle endoplasmàtic llis (REL), l'aparell de Golgi i les vesícules de transport.

Les proteïnes adreçades per la via secretora comprenen tres grups funcionals principals: 1. Proteïnes integrals que formen part de les membranes del sistema d'endomembranes. 2. Proteïnes solubles destinades a la secreció a l'espai o matriu extracel·lular. 3. Proteïnes residents de la membrana plasmàtica, dels lisosomes i dels endosomes. COMPROVA-HO 19 Cap a quins compartiments cel·lulars es dirigeixen les proteïnes traduïdes per ribosomes lliures sense pèptid senyal del RER?

Mecanisme pas a pas de la via secretora La translocació de les proteïnes de secreció a través de la membrana del reticle endoplasmàtic rugós és un procés co-traduccional coordinat per complexos ribonucleoproteics i receptors de membrana: Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 14 Esquema detallat de les etapes moleculars de translocació per la via secretora. A l'interior de les cisternes del RER, les proteïnes s'infiltren, inicien el seu plegament adquirit, s'incorporen glúcids mitjançant glicosilació i experimenten altres modificacions post-traduccionals.

Posteriorment, s'empaqueten en vesícules de transport cap a zones del reticle mancades de Emergència del pèptid senyal: a mesura que comença la traducció de l'ARNm en el ribosoma citoplasmàtic, els primers residus d'aminoàcids formats a l'extrem N-terminal constitueixen la seqüència senyal. 1 Reconeixement per la SRP: la seqüència senyal exposada és reconeguda immediatament al citosol per la partícula de reconeixement del senyal (SRP, per les seves sigles en anglès), un complex format per proteïnes i ARN.

2 Aturada temporal de la traducció: l'acoblament de la SRP al pèptid senyal i al ribosoma bloqueja transitòriament l'elongació de la cadena i apropa el complex cap a la cara citosòlica del RER. 3 Fixació al receptor de membrana: la SRP s'uneix de forma selectiva a una proteïna receptora de SRP situada a la cara citoplasmàtica de la membrana del RER, ancorant-hi el ribosoma. 4 Alliberament de la SRP i represa de la síntesi: la SRP es desprèn del complex, s'allibera el lloc P a la subunitat menor del ribosoma i es reprèn la traducció mentre el ribosoma roman fixat a la superfície de la membrana.

5 Translocació al lumen: la cadena naixent en elongació continua el seu creixement i és canalitzada directament cap a l'interior de la cisterna del reticle endoplasmàtic rugós. 6 Escissió del pèptid senyal: un enzim de la cara interna del RER, la peptidasa del senyal, talla i retira la seqüència líder, la qual és posteriorment degradada. 7 Finalització de la síntesi i dissociació: quan la maquinària de traducció ateny el codó d'aturada o STOP, s'acaba la polimerització i les subunitats ribosòmiques petita i gran es dissocien de la membrana. 8 Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 15 ribosomes (reticle endoplasmàtic llis) i cap a l'aparell de Golgi per continuar la seva via.

ERROR FREQÜENT Un error habitual consisteix a considerar que els ribosomes del RER són intrínsecament diferents dels ribosomes citosòlics. Són idèntics; la seva fixació temporal a la membrana depèn exclusivament de si la cadena polipeptídica que estan sintetitzant conté o no la seqüència del pèptid senyal. PROCÉS Fases de translocació per la via secretora IDEES CLAU El cicle biològic de les proteïnes comprèn síntesi, modificacions, trànsit vesicular i recanvi degradatiu. Les cadenes sense seqüència senyal es tradueixen en ribosomes lliures amb destinació al citosol, mitocondris o nucli.

La partícula de reconeixement del senyal (SRP) detecta el pèptid senyal N-terminal i deté temporalment la traducció. La peptidasa del senyal allibera la cadena naixent dins el lumen del RER abans del transport vesicular. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 20. Quina funció té la partícula de reconeixement del senyal (SRP) durant la síntesi proteica? 21. Quin enzim elimina el pèptid senyal a l'interior de la cisterna del reticle?

Traducció N-terminal Emergència del pèptid senyal des del ribosoma citosòlic 1 Unió de la SRP Reconeixement del senyal i aturada temporal de la síntesi 2 Ancoratge al RER Interacció específica amb el receptor de la SRP a la membrana 3 Translocació i escissió Elongació cap a la cisterna i tall per la peptidasa del senyal 4 Dissociació ribosomal Arribada al codó d'aturada i alliberament de subunitats 5 Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 16 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 22. Cap a quin d'aquests destins es canalitza una proteïna sense pèptid senyal del reticle? 23.

Què succeeix immediatament després de la unió de la SRP al pèptid senyal i al ribosoma? 24. Quin orgànul forma part del sistema endomembranós en la via secretora? 25. A quin extrem de la cadena naixent es troba ubicat habitualment el pèptid senyal? 4 Plegament Assistit, Proteòlisi i Malalties Conformacionals EN ACABAR SABRÀS Descriure el paper funcional i els requeriments de les xaperones i xaperonines GroEL/HSP. Comparar els sistemes de degradació cel·lular per ubiquitina-proteasoma i autofàgia lisosomal. Explicar les bases moleculars de les malalties neurodegeneratives i priòniques associades al mal plegament.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 26 Com pot un agent infecciós transmetre una malaltia mortal sense contenir gens ni àcids nucleics? Sistemes auxiliars de plegament: xaperones i xaperonines Una proteïna mal plegada no només manca d'activitat biològica, sinó que esdevé potencialment citotòxica. Quan no adquireix la conformació adequada tendeix a exposar sectors hidrofòbics, agregar-se i precipitar. S'estima que aproximadament el 33 % de les proteïnes de nova síntesi no assoleixen el plegament correcte i han de ser degradades precoçment per la maquinària cel·lular.

Aparell de Golgi a) Lisosoma b) Mitocondri c) Matriu extracel·lular d) L'adició de residus glucídics a) La degradació al proteasoma b) La hidròlisi de l'enllaç peptídic c) L'aturada temporal de la traducció d) Mitocondri a) Cloroplast b) Peroxisoma c) Aparell de Golgi d) En un bucle R a) Extrem N-terminal b) Centre de la cadena c) Extrem C-terminal d) Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 17 Esquema del plegament proteic assistit per xaperones i xaperonines com GroEL. Tot i que moltes cadenes curtes assoleixen el seu estat natiu de manera espontània, les proteïnes grans o oligomèriques requereixen sistemes especialitzats d'assistència denominats xaperones moleculars.

Aquestes proteïnes auxiliars no aporten informació addicional per al plegament (la qual resideix en l'estructura primària), sinó que utilitzen energia derivada de la hidròlisi d'ATP per unir-se i dissociar-se de manera reiterada a segments hidrofòbics exposats, evitant agregacions no desitjades fins a assolir l'estat energèticament més favorable. Les xaperones principals es designen amb la sigla HSP (Heat Shock Proteins) acompanyada del seu pes molecular en quilodaltons (HSP60, HSP70 i HSP90). En condicions fisiològiques estàndard representen fins a un 2 % de les proteïnes cel·lulars, però la seva expressió s'incrementa fins al 5 % davant d'estressos tèrmics o agressions físiques.

Les xaperonines són complexos macromoleculars estables formats per múltiples subunitats d'HSP60 (vuit en cadascun dels dos anells en eucariotes). Funcionen com a grans cambres enzimàtiques que disminueixen la barrera energètica per al plegament correcte: En bacteris, el model conegut és el complex GroEL, una estructura en forma de barril cilíndric integrada per 14 subunitats idèntiques. La cadena polipeptídica immadura s'allotja a l'interior d'una cavitat central hidrofòbica. La hidròlisi d'ATP modifica les propietats interiors de la cavitat, convertint la seva superfície en hidrofílica.

Aquest canvi afavoreix el replegament aïllat de la cadena sense risc d'interaccions intermoleculars desordenades. COMPROVA-HO 27 Quina és la funció de la despesa d'ATP en el mecanisme de les xaperonines com GroEL? Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 18 Degradació cel·lular: proteasoma i autofàgia lisosomal Quan el plegament assistit fracassa o la molècula s'ha deteriorat per envelliment, oxidació o desamidació, s'activen les vies de proteòlisi. Existeixen dos mecanismes principals per eliminar proteïnes: Diagrama de les dues rutes de proteòlisi cel·lular: proteasoma i lisosomes. Balanç dinàmic entre els sistemes de plegament per xaperones i la via ubiquitina-proteasoma.

Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 19 Característica Via Ubiquitina-Proteasoma Via Autofàgica Lisosomal Substrats principals Proteïnes de vida mitjana curta, defectuoses, envellides o mal plegades que no formen grans agregats Proteïnes de vida mitjana llarga, grans agregats insolubles, orgànuls cel·lulars danyats, bacteris i virus Senyalització prèvia Marcatge covalent per poliubiquitinització (proteïna petita i molt conservada) Adreçament selectiu a l'autofagosoma o marcatge amb manosa-6-fosfat per als enzims Estructura degradativa Proteasoma: cilindre multiproteic amb taps reguladors; present al citosol, nucli i mitocondris (1 % proteic cel·lular) Lisosoma: orgànul delimitat per membrana amb enzims hidrolítics àcids (proteases, glicosidases, sulfatases) Requeriment d'ATP Requereix ATP tant per al marcatge d'ubiquitina com per al procés de proteòlisi al cilindre Requereix consum d'ATP per a la biogènesi de vesícules i manteniment de la digestió Dins de la degradació lisosomal s'observen dos mecanismes essencials: 1.

Macro-autofàgia: una porció del citoplasma o un agregat s'aïlla en una vesícula de doble membrana anomenada autofagosoma, que posteriorment es fusiona amb el lisosoma primari generant un autofagolisosoma. S'activa intensament durant el dejuni o en restricció calòrica per reutilitzar recursos. 2. Micro-autofàgia: no requereix vesícules lliures intermèdies; la membrana del mateix lisosoma s'invagina directament engolint i degradant fraccions del citosol veí. COMPROVA-HO 28 Quin sistema de degradació s'encarrega d'eliminar els agregats proteics massa voluminosos per entrar al proteasoma?

Envelliment i malalties del plegament incorrecte Amb l'envelliment cel·lular, l'estrès oxidatiu i l'acumulació de danys provoquen una pèrdua d'eficiència en els proteasomes, impedint l'aclariment de deixalles metabòliques. En canvi, en models d'individus centenaris s'ha observat que l'activitat proteolítica del proteasoma es manté tan funcional com la de subjectes joves. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 20 Taula de patologies humanes causades per mal plegament i dipòsits amiloides. Quan una mutació o condició fisiològica desplaça l'equilibri cel·lular cap a la conformació defectuosa, apareixen les malalties del mal plegament proteic.

Aquestes patologies operen per dos mecanismes patogènics conjunts: la pèrdua de funció de la proteïna i el guany de propietats citotòxiques degut a la formació d'estructures fibril·lars: Malaltia d'Alzheimer (MA): es produeix degeneració del còrtex cerebral amb dipòsits extracel·lulars de beta-amiloide i cabdells intracel·lulars de proteïna Tau, provocant alteracions conductuals i cognitives. Malaltia de Parkinson (EP): dipòsits anòmals de l'alfa-sinucleïna que originen els cossos de Lewy a les neurones dopaminèrgiques de la substància negra, alterant els circuits cortico-subcorticals i desencadenant dèficits motors.

Malaltia de Huntington: provocada per agregats i dipòsits de huntingtina mutada. Fibrosi quística: mutació en el gen del canal de clorur CFTR que condueix a un mal plegament del canal i a la seva degradació massiva. Emfisema hereditari: plegament defectuós de l'enzim alfa-1-antitripsina, el qual no inactiva l'elastasa neutrofílica i acaba degradant l'arquitectura del teixit pulmonar. DEFINICIÓ Un prió és un agent infecciós constituït exclusivament per una proteïna amb una conformació patològica alterada, amb capacitat de transmetre's sense la participació d'àcids nucleics (ADN o ARN).

En les malalties priòniques (com les encefalopaties espongiformes o malaltia de Creutzfeldt-Jakob), la isoforma fisiològica cel·lular soluble conté 3 hèlixs alfa i 2 làmines beta. En la variant patològica, una de les hèlixs alfa es transforma anòmalament en làmina beta. Aquest contacte anòmal indueix un canvi Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 21 conformacional en cadena a les proteïnes sanes veïnes. Les noves cadenes riques en conformació beta interactuen entre si constituint agregats insolubles de fibres amiloides altament resistents, induint la mort neuronal massiva.

ERROR FREQÜENT En els exàmens de biologia molecular és típic atribuir la capacitat infectiva dels prions a microARN o fragments d'ADN críptic. Recorda: els prions són exclusivament estructures proteiques sense cap tipus de material genètic associat.

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Mutacions genètiques Alteracions en la seqüència primària d'aminoàcids Dany oxidatiu i edat Acumulació de radicals lliures i pèrdua de proteasomes Propagació priònica Transformació d'hèlix alfa en làmina beta amiloide Patogènia de les malalties per mal plegament Pèrdua de funció Degradació precoç del polipèptid no funcional Toxicitat amiloide Formació de fibres insolubles i mort neuronal IDEES CLAU Les xaperones i xaperonines empren ATP per assistir el plegament sense afegir informació estructural. La via ubiquitina-proteasoma degrada proteïnes solubles de vida curta marcades covalentment.

La macro-autofàgia utilitza autofagosomes de doble membrana per degradar grans agregats i orgànuls en lisosomes. Les malalties priòniques es produeixen per la conversió d'hèlix alfa en làmina beta, formant fibres amiloides sense participació d'àcids nucleics. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 29. Quina alteració de l'estructura secundària caracteritza la conversió del prió normal en la seva forma patògena? 30. Quin marcatge molecular previ requereix una proteïna cel·lular per ser degradada pel proteasoma? Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 22 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 31.

Quina fracció aproximada de proteïnes sintetitzades no aconsegueix plegar-se bé a la cèl·lula? 32. Quantes subunitats idèntiques formen el barril bacterià de la xaperonina GroEL? 33. Quin tipus de vesícula s'encarrega d'englobar els agregats en la macro-autofàgia? 34. Com actuen els prions patògens sobre les proteïnes priòniques cel·lulars normals? 5 Resum per repassar Aminoàcids i Nivells Estructurals Concepte Definició i funció clau Aminoàcid proteic Monòmer bàsic amb un carboni central unit a -COOH, , i una cadena lateral ; pertanyen exclusivament a la sèrie L. Glicina Únic aminoàcid proteic sense carboni asimètric ni activitat òptica en tenir un hidrogen com a radical R.

Enllaç peptídic Enllaç covalent tipus amida format entre el grup -COOH i el contigus amb disposició espacial preferentment trans. Estructura primària Seqüència lineal de residus d'aminoàcids units per enllaços peptídics que determina els nivells superiors de plegament. Estructura secundària Disposicions regulars (hèlix alfa i làmina beta) estabilitzades exclusivament per ponts d'hidrogen de l'esquelet peptídic.

El 50 % a) El 33 % b) El 5 % c) El 10 % d) 8 subunitats a) 4 subunitats b) 14 subunitats c) 10 subunitats d) Cisterna del Golgi a) Vesícula de clatrina b) Autofagosoma de doble membrana c) Proteasoma citosòlic d) Canvien una hèlix alfa a làmina beta a) Indueixen la seva transcripció b) Les hidrolitzen completament c) Afegeixen àcids nucleics virals d) C α NH 2 H R NH 2 Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 23 Concepte Definició i funció clau Estructura terciària Plegament tridimensional complet d'una cadena mantingut per interaccions febles i enllaços covalents tipus pont disulfur.

Estructura quaternària Associació funcional de dues o més cadenes polipeptídiques mitjançant interaccions no covalents amb possibles grups prostètics. Desnaturalització i Nutrició Proteica Concepte Definició i funció clau Desnaturalització Pèrdua de les estructures secundària, terciària i quaternària sense ruptura de l'estructura primària, provocant pèrdua de funció i insolubilitat. Renaturalització Procés reversible mitjançant el qual una proteïna desplegada recupera l'estructura nativa en retirar l'agent desnaturalitzant. Aminoàcids essencials Nou aminoàcids (Phe, His, Ile, Leu, Lys, Met, Thr, Trp, Val) que l'organisme animal no sintetitza i s'han d'ingerir en la dieta.

Aminoàcid limitant Aminoàcid essencial deficitari en un aliment que condiciona la síntesi proteica global de l'organisme. Complementació proteica Combinació d'aliments vegetals amb carències oposades (com cereals deficients en Lys i llegums deficients en Met) per aconseguir alt valor biològic. Trànsit Intracel·lular i Síntesi Proteica Concepte Definició i funció clau Via citosòlica Traducció en ribosomes lliures sense pèptid senyal amb destí al citosol, mitocondris, cloroplasts, peroxisomes o nucli. Via secretora Ruta pel sistema d'endomembranes (RER, Golgi, vesícules) per a proteïnes de membrana, de secreció o lisosomals.

Pèptid senyal Seqüència hidrofòbica inicial a l'extrem N-terminal que dirigeix el ribosoma cap a la membrana del RER. Partícula SRP Complex ribonucleoproteic citosòlic que reconeix el pèptid senyal, atura la traducció i ancora el ribosoma al receptor del RER. Peptidasa del senyal Enzim del lumen del RER encarregat d'escindir el pèptid senyal un cop translocada la cadena naixent. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 24 Plegament Assistit, Degradació i Patologia Concepte Definició i funció clau Xaperones (HSP) Proteïnes auxiliars que consumeixen ATP per prevenir agregacions i afavorir el plegament actiu sense donar informació de conformació.

Xaperonines (GroEL) Complexos cilíndrics multimèrics que canvien la seva cavitat d'hidrofòbica a hidrofílica mitjançant ATP per permetre el replegament aïllat. Sistema Ubiquitina- Proteasoma Mecanisme citosòlic i nuclear dependent d'ATP que degrada proteïnes de vida mitjana curta prèviament marcades amb ubiquitina. Autofàgia lisosomal Degradació hidrolítica en lisosomes d'agregats insolubles, proteïnes de vida mitjana llarga i orgànuls mitjançant autofagosomes. Prió patològic Proteïna infecciosa sense àcids nucleics en què una hèlix alfa canvia a conformació làmina beta amiloide, induint agregació i mort neuronal.

Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 25 Solucions de les preguntes de repàs 1. Perquè l'estructura primària conté tota la informació química necessària per guiar el plegament de les estructures secundària, terciària i quaternària. 2. La glicina té un àtom d'hidrogen com a grup R. En tenir dos grups idèntics units al carboni alfa, no és un carboni asimètric i no té quiralitat ni enantiòmers. 3. Es llegeix i se sintetitza des de l'extrem N-terminal (grup amino lliure inicial) fins a l'extrem C-terminal (grup carboxil lliure final). 4. Els ponts disulfur, que s'estableixen covalentment entre els grups tiol (-SH) de dues cisteïnes distants de la mateixa cadena. 5.

L'estructura terciària és el plegament d'una única cadena polipeptídica, mentre que la quaternària requereix l'associació de dues o més cadenes polipeptídiques diferents (subunitats). 6. b) Glicina. La glicina conté un àtom d'hidrogen com a grup R, de manera que el seu carboni alfa no té quatre substitueSnapshot diferents. 7. c) Ponts d'hidrogen de l'esquelet covalent. L'estructura secundària depèn dels ponts d'hidrogen formats entre els grups N-H i C=O de l'esquelet peptídic. 8. d) Conformació trans. L'esquelet polipeptídic adopta de manera natural la conformació trans per minimitzar les interferències estèriques entre els radicals. 9. d) Grup prostètic.

Els components de naturalesa no proteica associats a una proteïna s'anomenen grups prostètics. 10. Mitjançant la renaturalització, ja que la seva seqüència primària d'aminoàcids es conserva intacta i conté les instruccions per al plegament. 11. En desplegar-se, els residus d'aminoàcids hidrofòbics que estaven protegits a l'interior queden exposats a l'aigua i formen agregats insolubles entre molècules adjacents. 12. La desnaturalització desplega les estructures superiors mantenint intacta la cadena d'aminoàcids, mentre que la hidròlisi trenca els enllaços peptídics de l'estructura primària. 13.

Perquè són deficitàries de forma complementària: els cereals manquen de lisina i els llegums són pobres en metionina i cisteïna; junts aporten tots els aminoàcids essencials. 14. d) L'estructura primària covalent. L'estructura primària es conserva intacta durant la desnaturalització; només es desorganitzen els nivells superiors. 15. d) Aspartat. L'aspartat (juntament amb Ala, Asn, Glu i Ser) és un aminoàcid que l'organisme pot sintetitzar completament. 16. a) Lisina. Els cereals tenen un contingut insuficient de lisina, el qual es compensa en combinar-los amb llegums. 17. a) Histidina.

Els enzims que sintetitzen histidina són immadurs en les primeres etapes neonatals, fent-la essencial en nounats. 18. Mitjançant la seqüència d'aminoàcids inicials (pèptid senyal), que serveix d'adreça postal i és reconeguda per la partícula SRP. 19. Es destinen al propi citosol, als mitocondris, als peroxisomes, al nucli cel·lular i als cloroplasts en el cas de les cèl·lules vegetals. 20. Reconeix el pèptid senyal emergent, atura de forma transitòria la traducció i guia el ribosoma cap al seu receptor a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 26 21.

La peptidasa del senyal, situada al RER, que talla la seqüència hidrofòbica un cop translocada la cadena. 22. c) Mitocondri. Les proteïnes sintetitzades en ribosomes lliures sense senyal de reticle es dirigeixen al citosol, nucli, peroxisomes o mitocondris. 23. d) L'aturada temporal de la traducció. La unió de la SRP atura temporalment la síntesi proteica fins que el conjunt s'acobla al receptor de membrana del RER. 24. d) Aparell de Golgi. L'aparell de Golgi rep les vesícules provinents del RER com a part integral de la via secretora. 25. b) Extrem N-terminal. El pèptid senyal està format pels primers aminoàcids sintetitzats, que corresponen a l'extrem N-terminal. 26.

Mitjançant una conformació espacial aberrant (prió) que s'acobla a proteïnes normals i les obliga a canviar el seu propi plegament. 27. La hidròlisi d'ATP aporta l'energia per canviar la cavitat interior de naturalesa hidrofòbica a hidrofílica, permetent el plegament proteic aïllat. 28. La macro-autofàgia lisosomal, mitjançant la formació d'un autofagosoma de doble membrana que es fusiona amb el lisosoma. 29. La pèrdua d'una hèlix alfa que es reconverteix en conformació de làmina beta, afavorint la formació d'agregats amiloides insolubles. 30. La unió covalent de cadenes de la proteïna ubiquitina (procés anomenat ubiquitinització). 31. b) El 33 %.

S'estima que al voltant del 33 % de les proteïnes no assoleixen el plegament natiu i són degradades. 32. c) 14 subunitats. La xaperonina GroEL bacteriana està constituïda per catorze subunitats idèntiques que formen la cavitat cilíndrica. 33. c) Autofagosoma de doble membrana. La macro-autofàgia comença amb la formació d'una vesícula de doble membrana anomenada autofagosoma. 34. a) Canvien una hèlix alfa a làmina beta. El prió patològic indueix que una de les hèlixs alfa de la proteïna normal es transformi en conformació de làmina beta. Estructura, Propietats i Cicle de les Proteïnes 27