Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims

I 0 flashcards i 7 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOQUÍMICA Grau en Fisioteràpia Universitat de Girona AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Bioquímica per a Fisioteràpia a la UdG: estructura de proteïnes, mioglobina, hemoglobina, cinètica enzimàtica i mecanismes de regulació.

APREN.AI Índex 1 Introducció a les biomolècules i lògica molecular Principis fonamentals de la lògica molecular L'esquelet carbonat i l'estereoquímica de les biomolècules Macromolècules, medi aquós i jerarquia estructural 2 Estructura primària de les proteïnes i enllaç peptídic Relació seqüència-estructura-funció i estabilització proteica Propietats dels L-aminoàcids i corba d'ionització L'enllaç peptídic: geometria coplanar i isomeria Angles de torsió de l'esquelet i mida dels pèptids 3 Estructures secundària, terciària i quaternària de les proteïnes Estructura secundària: patrons de plegament local regulars Estructures supersecundàries i dominis proteics Estructura terciària: disposició tridimensional global Proteïnes fibroses vs proteïnes globulars Estructura quaternària i propietats fisicoquímiques Desnaturalització i termodinàmica del replegament Diversitat funcional de les proteïnes 4 Modificacions post-traduccionals de les proteïnes 1.

Modificacions químiques senzilles 2. Addició de macromolècules 3.

Precursors proteics i maduració per processament proteolític 5 Proteïnes transportadores d'oxigen: Mioglobina i Hemoglobina Transport d'oxigen i el grup prostètic hemo Mioglobina versus hemoglobina: arquitectura i corbes d'unió Mecanisme de cooperativitat i transició al·lostèrica T R Moduladors al·lostèrics heterotròpics: Efecte Bohr i 2,3-bisfosfoglicerat 6 Enzims: Propietats, cofactors i centre actiu Naturalesa i propietats dels catalitzadors biològics Components de l'holoenzim: cofactors, coenzims i vitamines Classificació internacional dels enzims (Codi EC) El centre actiu i la complementarietat amb l'estat de transició 7 Cinètica enzimàtica, inhibició i mecanismes de regulació Cinètica enzimàtica i el model de Michaelis-Menten Linealització de Lineweaver-Burk Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 1 Factors ambientals que condicionen l'activitat Inhibició enzimàtica: irreversible i reversible Mecanismes biològics de regulació enzimàtica Modificació covalent, isoenzims i complexos multienzimàtics 8 Resum per repassar Biomolècules i estructura de proteïnes Modificacions post-traduccionals i transport d'oxigen Catàlisi, cinètica i regulació enzimàtica 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. Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 2 1 Introducció a les biomolècules i lògica molecular EN ACABAR SABRÀS Distingir els tres principis fonamentals de la lògica molecular biològica. Diferenciar entre un estat estacionari dinàmic i un equilibri termodinàmic. Identificar la relació entre centres quirals, enantiòmers i especificitat biològica. Classificar les principals macromolècules associant cadascuna a les seves unitats monomèriques bàsiques. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què una cèl·lula viva mai pot assolir el veritable equilibri químic amb el seu entorn?

La bioquímica estudia la base química i molecular que fa possible la vida, desxifrant les regles físico- químiques comunes a tots els éssers vius. ESQUEMA Bioquímica: Biomolècules, Proteïnes i Catàlisi Enzimàtica Principis fonamentals de la lògica molecular L'organització viva s'articula al voltant de tres axiomes essencials: Construcció modular: les biomolècules complexes es formen a partir de peces unitàries simples enllaçades covalentment. Tots els éssers vius comparteixen els mateixos tipus d'unitats bàsiques; la identitat biològica prové de la combinació concreta de proteïnes i àcids nucleics.

Bases moleculars Biomolècules i lògica cel·lular Estructura de proteïnes Nivells primari a quaternari Funció i regulació Modificacions post- traduccionals Transport d'oxigen Mioglobina i hemoglobina Catàlisi enzimàtica Propietats, cofactors i centres actius Cinètica i inhibició Michaelis-Menten i regulació al·lostèrica Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 3 Metabolisme i bescanvi energètic: els éssers vius operen com a sistemes oberts que intercanvien matèria i energia amb l'exterior.

L'energia solar (captada directament o de manera indirecta) i els compostos químics permeten generar el treball cel·lular necessari per preservar un estat estacionari dinàmic, allunyat de l'equilibri termodinàmic. Replicació fidel de la informació: la capacitat de duplicar i transferir instruccions biològiques de generació en generació mitjançant el DNA, construït a partir de 4 nucleòtids. Aquesta arquitectura permet una riquesa química immensa: mentre que una roca inanimada conté només entre 10 i 20 espècies moleculars diferents, un bacteri com Escherichia coli en posseeix unes 5.000, i la cèl·lula humana assoleix l'ordre de 50.000 biomolècules diferents.

DEFINICIÓ L'estat estacionari dinàmic és la condició pròpia dels organismes vius en la qual les concentracions dels components cel·lulars es mantenen constants gràcies a un flux continu de matèria i consum d'energia, sense arribar mai a l'equilibri de mort de la matèria inerta. COMPROVA-HO 2 En què es diferencia l'estat estacionari cel·lular de l'equilibri químic inanimat? L'esquelet carbonat i l'estereoquímica de les biomolècules La química cel·lular té el carboni com a eix central gràcies a la seva capacitat d'unir-se covalentment a altres àtoms de carboni i formar cadenes lineals, ramificades o anells estables.

Sobre aquesta base s'ancoren diversos grups funcionals, conferint caràcter polifuncional a les biomolècules i determinant- ne la reactivitat. La disposició tetraèdrica dels enllaços del carboni produeix asimetria espacial sempre que un carboni s'uneixi a quatre substituents diferents (carboni quiral o asimètric). Aquests compostos generen estereoisòmers, i concretament enantiòmers: estructures que són imatges especulars no superposables. Aquesta geometria tridimensional és determinant: generalment només un dels enantiòmers té activitat biològica reconeguda pels receptors, enzims o anticossos corresponents.

ERROR FREQÜENT No confongueu dos enantiòmers amb dues conformacions d'una mateixa molècula. Els enantiòmers tenen una connectivitat espacial fixa que només es pot interconvertir trencant enllaços covalents. Canviar la conformació d'una biomolècula no trenca enllaços covalents, sinó que consisteix en el gir sobre enllaços simples. COMPROVA-HO 3 Quina condició estructural és indispensable perquè un àtom de carboni generi enantiòmers? Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 4 Macromolècules, medi aquós i jerarquia estructural La major part dels constituents sòlids d'una cèl·lula són macromolècules, polímers amb una massa molecular típicament superior a (Daltons).

Totes elles s'originen a partir d'unitats elementals senzilles: Macromolècula (polímer) Unitat bàsica (monòmer) Exemples d'unitats canòniques Proteïnes Aminoàcids 20 L-aminoàcids canònics Polisacàrids Monosacàrids Glucosa, galactosa, etc. Àcids nucleics (DNA/RNA) Nucleòtids 4 nucleòtids fonamentals L'aigua és el constituent més nombrós en massa de qualsevol cèl·lula. El medi aquós condiciona absolutament com interactuen aquestes macromolècules i com s'organitzen les estructures cel·lulars. Diagrama de la jerarquia estructural des d'unitats bàsiques fins a cèl·lules.

La construcció biològica segueix nivells d'escala successius: les unitats bàsiques formen macromolècules mitjançant enllaços covalents; aquestes s'acoblen mitjançant interaccions febles en complexos supramoleculars (membranes, ribosomes, cromatina), que al seu torn donen lloc a orgànuls (nucli, mitocondris, complex de Golgi), a la cèl·lula sencera i, progressivament, a teixits, òrgans, organismes, poblacions i comunitats. COMPROVA-HO 4 Quin tipus d'unions químiques sustenten el pas de macromolècules a organitzacions supramoleculars com membranes o ribosomes?

10 Da 3 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 5 IDEES CLAU La bioquímica descriu la lògica molecular mitjançant tres pilars: construcció modular, metabolisme en estat estacionari dinàmic i transmissió genètica de la informació. El carboni actua com a bastida estructural clau gràcies a la seva capacitat d'enllaç i a la polifuncionalitat derivada dels grups funcionals associats. L'asimetria del carboni quiral genera enantiòmers; normalment només un d'ells és reconegut activament pels sistemes biològics. Les macromolècules tenen masses habitualment superiors a i sorgeixen de la polimerització d'unitats senzilles (com els 20 L-aminoàcids canònics o els 4 nucleòtids del DNA).

L'aigua és el medi dominant de la cèl·lula en el qual s'organitzen els nivells jeràrquics des d'unitats bàsiques fins a orgànuls cel·lulars. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Quina diferència fonamental hi ha en el tipus d'enllaç que uneix els monòmers d'una macromolècula respecte del que manté units els complexos supramoleculars? 6. Què significa que els organismes vius siguin sistemes oberts en estat estacionari dinàmic? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Quin és l'ordre de magnitud típic de la massa molecular de les macromolècules biològiques? 8. Què caracteritza principalment un carboni quiral en una biomolècula? 9.

Com es manté un ésser viu en estat estacionari dinàmic? 10 Da 3 Entre 1 i 10 Da a) Superior a 10³ Da b) Inferior a 100 Da c) Exactament 10² Da d) Estar unit a quatre substituents diferents a) Formar exclusivament enllaços dobles b) Unir-se únicament a àtoms d'hidrogen c) Tenir una estructura estrictament plana d) Aïllant-se de tot intercanvi extern a) Eliminant el consum d'energia metabòlica b) Intercanviant matèria i energia constantment c) Aconseguint l'equilibri químic complet d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 6 10. Quantes unitats monomèriques fonamentals componen el DNA per emmagatzemar la informació cel·lular?

2 Estructura primària de les proteïnes i enllaç peptídic EN ACABAR SABRÀS Distingir els diferents estats d'ionització d'un aminoàcid en funció del pH del medi i identificar la forma zwitteriònica. Explicar les característiques geomètriques, el caràcter de ressonància i la rigidesa del pla de l'enllaç peptídic. Diferenciar els enllaços que presenten rotació lliure a l'esquelet peptídic (angles phi i psi) respecte a l'enllaç peptídic amídic. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Per què les proteïnes no poden plegar-se girant qualsevol dels enllaços que formen el seu esquelet covalent continu?

Relació seqüència-estructura-funció i estabilització proteica Les proteïnes són macromolècules polimèriques formades per unitats bàsiques que es repeteixen de manera lineal. La informació biològica rau en la seqüència exacta d'aquests blocs constructors, coneguda com a estructura primària. Aquesta successió unidimensional determina de manera directa la disposició espacial tridimensional que adoptarà la cadena. Al seu torn, la funció bioquímica d'una proteïna depèn estrictament de la seva arquitectura tridimensional.

CONFORMACIÓ NATIVA S'anomena conformació a l'ordenació espacial dels grups substituents que poden assolir diferents posicions en l'espai sense trencar enllaços químics, només mitjançant la rotació al voltant d'enllaços senzills. La conformació nativa és l'estat tridimensional funcional que assoleix la proteïna en condicions fisiològiques de pH i temperatura, permetent el desenvolupament de la seva activitat biològica.

L'estabilitat de l'arquitectura proteica s'aconsegueix mitjançant una combinació coordinada d'interaccions no covalents i covalents: Forces febles: enllaços per pont d'hidrogen, forces de Van der Waals i interaccions electroestàtiques que estabilitzen els replegaments i permeten la unió entre subunitats o la interacció amb altres lligands. 20 aminoàcids a) 2 monosacàrids b) 50.000 lípids c) 4 nucleòtids d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 7 Forces fortes (covalents): els enllaços peptídics que vertebren la cadena polipeptídica i els ponts disulfur que fixen segments concrets de l'estructura.

Tot i la rigidesa que requereixen moltes estructures, no totes les cadenes estan completament plegades de manera fixa. Existeixen les regions intrínsecament desordenades (IDRs), segments sense orientació tridimensional única i fixa. Aquestes zones solen ser polars, presenten càrrega neta i sovint estan subjectes a modificacions post-traduccionals (vegeu «Modificacions post-traduccionals de les proteïnes»). La cooperació dinàmica entre regions desordenades i dominis estructurals ben definits atorga una notable versatilitat i capacitat adaptativa per interactuar amb dianes diverses, com succeeix en histones i factors de transcripció.

A escala evolutiva, les seqüències d'aminoàcids presenten una clara homologia: proteïnes que duen a terme una funció equivalent en espècies diferents conserven un percentatge elevat d'identitat. Per exemple, la mioglobina humana i la de balena comparteixen un 85 % d'identitat en la seva seqüència primària, mentre que la ribonucleasa de ratolí i la humana mostren un 70 % de coincidència. Com més estreta és la proximitat filogenètica entre dos organismes, major és la semblança entre les seves cadenes polipeptídiques homòlogues. COMPROVA-HO 12 Quina diferència fonamental hi ha entre un canvi de conformació i una reacció química a la cadena polipeptídica?

Propietats dels L-aminoàcids i corba d'ionització Les proteïnes estan constituïdes per 20 L-aminoàcids canònics. Tots ells comparteixen una estructura bàsica articulada al voltant d'un carboni central asimètric anomenat carboni alfa ( ). Unit a aquest hi trobem un àtom d'hidrogen, una cadena lateral o radical (R) distintiu de cada aminoàcid, un grup amino ( ) i un grup carboxil (-COOH). Aquests dos darrers grups funcionals presenten propietats àcid-base febles i el seu estat de protonació varia directament segons el pH del medi aquós circumdant: C α C α NH 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 8 Gràfica de les formes d'ionització d'un aminoàcid segons el pH.

El comportament d'ionització es regeix per les constants de dissociació de cada grup funcional: pH molt àcid ( ): tant el grup carboxil ( ) com el grup amino ( ) retenen els seus protons. L'aminoàcid adopta l'estat amb càrrega neta positiva. pH neutre o fisiològic ( ): el grup carboxil cedeix el seu protó passant a , mentre que el grup amino roman protonat com a . Aquesta espècie dipolar elèctricament neutra s'anomena forma zwitteriònica. pH molt bàsic ( ): el grup amino cedeix el seu protó formant , mentre el carboxil es manté com a . L'aminoàcid assoleix així una càrrega neta negativa.

Interval de pH Grup carboxil ( ) Grup amino ( ) Càrrega neta de l'esquelet Protonat (-COOH) Protonat ( ) Positiva (+1) Desprotonat ( ) Protonat ( ) Neutra (0, zwitterió) Desprotonat ( ) Desprotonat ( ) Negativa (-1) COMPROVA-HO 13 Per què a pH 7 un aminoàcid lliure amb cadena lateral neutra no té càrrega neta malgrat posseir càrregues elèctriques a la seva molècula?

pH < 2 pK al voltant de 2 a pK al voltant de 9 a H N 3 + CH(R) COOH pH al voltant de 7 COO NH 3 + pH > 9 NH 2 COO pK al voltant de 2 a pK al voltant de 9 a pH < 2 NH 3 + pH fisiol gic (7) o ˋ COO NH 3 + pH > 9 COO NH 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 9 L'enllaç peptídic: geometria coplanar i isomeria La polimerització dels aminoàcids s'efectua mitjançant la formació de l'enllaç peptídic, una unió covalent de tipus amida que s'estableix entre el grup carboxil d'un aminoàcid i el grup amino del següent, alliberant una molècula d'aigua. Un cop integrat a la cadena, cadascun d'aquests blocs s'anomena residu d'aminoàcid.

Esquema de la reacció de condensació que forma l'enllaç peptídic. Aquest enllaç covalent posseeix propietats electròniques singulars derivades de la deslocalització del parell d'electrons no compartits del nitrogen cap a l'oxigen carbonílic. Aquest fenomen de ressonància estableix un caràcter parcial de doble enllaç entre O-C-N, el qual impedeix la rotació lliure al voltant de l'eix . Diagrama de la geometria coplanar i orbitals de l'enllaç peptídic. Aquesta restricció cinètica i electrònica comporta que manté 6 àtoms en un mateix pla rígid: l'oxigen carbonílic, el carboni carbonílic, el nitrogen amídic, l'hidrogen amídic i els dos carbonis alfa adjacents ( ).

Pel que fa a la disposició espacial dels radicals contigus respecte a l'enllaç : C N C , C, O, N, H, C α 1 α 2 C N Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 10 Configuració trans: els dos carbonis alfa i les seves respectives cadenes laterals es troben en costats oposats del pla de l'enllaç. És la disposició clarament afavorida energèticament perquè minimitza els impediments estèrics entre els grups R. Configuració cis: els carbonis alfa se situen al mateix costat del pla. És generalment descoratjada per repulsió estèrica, amb una excepció notable: la prolina, que degut a la seva estructura cíclica pot adoptar una configuració cis aproximadament en 1 de cada 4 unions amídiques.

PROCÉS Flux des de la seqüència primària fins a la funció biològica 1 Seqüència primària Ordre lineal d'aminoàcids units per enllaços covalents peptídics 2 Rotació d'angles phi i psi Girs permesos al voltant del carboni alfa de l'esquelet 3 Conformació nativa Plegament tridimensional estabilitzat per enllaços febles i forts 4 Activitat funcional Execució biològica de la proteïna en condicions fisiològiques ERROR FREQÜENT Un error greu a l'examen és afirmar que l'enllaç peptídic pot rotar lliurement per permetre el plegament tridimensional de la proteïna. L'enllaç peptídic ( ) és rígid i no permet la rotació a causa de la seva naturalesa parcial de doble enllaç.

Els únics enllaços de l'esquelet polipeptídic que gaudeixen de llibertat de gir són aquells que uneixen el carboni alfa: l'enllaç (angle phi) i l'enllaç (angle psi). Angles de torsió de l'esquelet i mida dels pèptids Atès que l'enllaç amídic és rígid i pla, la flexibilitat conformacional que permet a una cadena polipeptídica plegar-se en estructures secundàries i terciàries recau exclusivament en els angles de rotació al voltant dels enllaços simples que connecten el carboni alfa asimètric: Angle phi ( ): defineix la rotació possible al voltant de l'enllaç covalent entre el nitrogen amídic i el carboni alfa ( ).

Angle psi ( ): defineix la rotació possible al voltant de l'enllaç covalent entre el carboni alfa i el carboni carbonílic ( ). Només determinades combinacions de valors dels angles i estan permeses termodinàmicament, ja que la majoria generen xocs estèrics entre els àtoms de l'esquelet o les cadenes laterals. La distribució regular i periòdica d'aquests angles de torsió al llarg de la cadena és el factor que dona lloc als patrons repetitius de l'estructura secundària (com l'hèlix alfa o la fulla beta; vegeu «Estructures secundària, terciària i quaternària de les proteïnes»).

Segons la llargada de la cadena lineal no ramificada, els polímers d'aminoàcids es classifiquen en funció del nombre de residus: C N N C α C α C β N C β β C β C ϕ ψ Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 11 Pèptids: cadenes formades per un nombre igual o inferior a 40 aminoàcids ( ). Polipèptids i proteïnes: cadenes que contenen més de 40 residus d'aminoàcids ( ). COMPROVA-HO 14 Quins enllaços químics defineixen respectivament els angles de torsió de l'esquelet polipeptídic phi (φ) i psi (ψ)? IDEES CLAU La conformació nativa és la disposició tridimensional en què la proteïna és funcionalment activa sota condicions fisiològiques.

A pH fisiològic ( ), els aminoàcids lliures adopten una forma zwitteriònica neutra amb el grup carboxil desprotonat ( ) i l'amino protonat ( ). L'enllaç peptídic presenta un caràcter parcial de doble enllaç que manté 6 àtoms en un pla rígid i impedeix la lliure rotació de l'enllaç . La conformació trans és l'habitual a l'enllaç peptídic per evitar xocs estèrics, llevat de la prolina, on l'estat cis apareix en una de cada quatre unions. La mobilitat conformacional de l'esquelet recau en els angles de torsió del : l'angle phi ( ) i l'angle psi ( ). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15.

Quina és la geometria fonamental que adquireix la unitat d'enllaç peptídic i quants àtoms queden immobilitzats en aquesta disposició? 16. Quin és l'estat de càrrega neta d'un aminoàcid estàndard quan es troba dissolt en un medi aquós amb ? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Per quina raó l'enllaç peptídic C-N no pot rotar lliurement en l'espai? 18. Quin angle de torsió correspon a la rotació al voltant de l'enllaç Cα-C a l'esquelet?

mida 40 amino cids a ˋ mida > 40 amino cids a ˋ pH al voltant de 7 COO NH 3 + C N C α N C α C α C pH < 2 Està bloquejat per la càrrega zwitteriònica a) Conté exclusivament àtoms de carboni alfa b) Presenta enllaços disulfur en la unió c) Té caràcter parcial de doble enllaç d) Angle omega a) Angle d'enllaç peptídic b) Angle psi c) Angle phi d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 12 19. Quin aminoàcid pot adoptar una conformació cis de l'enllaç peptídic en 1 de cada 4 unions? 20. Com es defineix el límit de mida convencional entre un pèptid i un polipèptid?

3 Estructures secundària, terciària i quaternària de les proteïnes EN ACABAR SABRÀS Distingir els paràmetres geomètrics i patrons d'enllaç de l'hèlix alfa, les fulles beta i els girs inversos. Comparar les característiques estructurals i la solubilitat de les proteïnes globulars i fibroses. Explicar les forces que mantenen l'estructura terciària i l'estabilització termodinàmica per efecte hidrofòbic. Diferenciar la pèrdua de conformació nativa en la desnaturalització respecte a la hidròlisi peptídica. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Com pot ser que una proteïna adopti espontàniament una forma plegada i molt ordenada si les lleis de la física tendeixen al màxim desordre?

Estructura secundària: patrons de plegament local regulars L'estructura secundària correspon a la conformació espacial local i regular d'un segment d'una cadena polipeptídica. Aquesta disposició repetitiva s'origina per les restriccions geomètriques de l'enllaç peptídic i les rotacions limitades dels i (vegeu «Estructura primària de les proteïnes i enllaç peptídic»). L'estabilització d'aquests patrons depèn exclusivament d'enllaços febles, principalment ponts d'hidrogen entre el grup carbonil i l'amida de l'esquelet polipeptídic, sense participació directa de les cadenes laterals.

Prolina a) Histidina b) Glicina c) Alanina d) Fins a 40 aminoàcids és pèptid a) A partir de 10 aminoàcids és polipèptid b) Fins a 100 aminoàcids és pèptid c) Fins a 20 aminoàcids és pèptid d) ϕ ψ Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 13 Esquema dels patrons donador-acceptor d'enllaços d'hidrogen biològics. Aquestes interaccions febles es formen entre l'oxigen carbonílic (acceptor) i l'hidrogen amídic (donador), permetent que la cadena adopti conformacions termodinàmicament estables mantenint les cadenes laterals projectades cap a l'exterior per evitar impediments estèrics. Diagrama d'enllaços d'hidrogen entre grups de l'esquelet peptídic.

L'hèlix alfa L'hèlix alfa és una estructura helicoïdal compacta i molt estable que adopta una sola cadena polipeptídica. Presenta una geometria estricta: És una hèlix dextrògira (gira cap a la dreta en el sentit d'avanç). Té exactament 3,6 residus per volta completa. El pas de rosca és de 0,54 nm. Els ponts d'hidrogen s'orienten longitudinalment, paral·lels a l'eix de l'hèlix ( ), entre residus separats en la seqüència. En una proteïna globular, una hèlix alfa presenta una mitjana d'uns 11 residus d'aminoàcid. Els grups o cadenes laterals (R) es projecten radialment cap a l'exterior de l'hèlix, la qual cosa redueix al mínim qualsevol repulsió o interacció estèrica entre ells.

La fulla plegada beta La fulla plegada beta (o làmina beta) està formada per segments estesos de la cadena associats lateralment mitjançant enllaços d'hidrogen intercatenaris o intracatenaris entre components peptídics de l'esquelet. Les cadenes laterals s'alternen per sobre i per sota del pla plegat. Mostren una marcada tendència a contenir aminoàcids hidrofòbics i de mida moderada com Ala, Met, Val, Ile i Ser.

C -C=O H-N-C α α Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 14 Característica Fulla beta antiparal·lela Fulla beta paral·lela Orientació de les cadenes Sentits oposats (alternança N- terminal i C-terminal) Mateix sentit de recorregut (tots N- terminal cap a C-terminal) Geometria dels ponts d'H Alineats linealment i perpendiculars a l'eix de la cadena Distorsionats, oblics i no alineats Estabilitat relativa Major estabilitat geomètrica i energètica Menor estabilitat Composició típica Sovint 3-4 segments curts amb girs Segments més llargs (sovint 6 segments de ~9 residus) Girs inversos (girs beta) Els girs inversos són bucles formats per 4 residus d'aminoàcid que produeixen un canvi brusc de direcció de a la cadena polipeptídica.

Aquests elements resulten indispensables per connectar estructures regulars secundàries en les proteïnes globulars i es localitzen de manera predominant a la superfície de la molècula. S'estabilitzen per un pont d'hidrogen entre el grup carbonil del primer residu i el grup amida del quart residu del gir. En la seva composició destaquen freqüentment la glicina (residència 3, gràcies a la seva flexibilitat i carència de cadena lateral) i la prolina (per la seva conformació cíclica que indueix el revolt). COMPROVA-HO 22 Per què la làmina beta antiparal·lela és més estable que la paral·lela?

Estructures supersecundàries i dominis proteics Determinats aminoàcids tenen propensions clares a afavorir l'hèlix alfa, la fulla beta o els girs. Quan aquests elements secundaris bàsics s'associen entre si, donen lloc a estructures supersecundàries o motius, que combinen hèlixs, làmines i girs amb una geometria concreta. Un nivell organitzatiu superior dins de la cadena és el domini proteic: es defineix com una agrupació globular de 100 a 200 aminoàcids que adquireix una unitat estructural autònoma plegada en l'espai tridimensional.

Cada domini sol exercir un paper funcional específic; per exemple, una immunoglobulina posseeix tres dominis clarament diferenciats amb funcions pròpies cadascun. 180 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 15 ESQUEMA Nivells d'organització estructural de les proteïnes Estructura terciària: disposició tridimensional global L'estructura terciària és el plegament tridimensional global de tota la cadena polipeptídica, resultant de la disposició espacial de tots els elements secundaris i les conformacions de les seves respectives cadenes laterals. Aquest plegament defineix la conformació nativa funcional d'una proteïna monomèrica.

Aquest nivell organitzatiu presenta una sèrie de propietats característiques: Regionalitat: el nucli interior és apolar i compacte, ocupat per aminoàcids hidrofòbics empaquetats densament per evitar l'aigua, mentre que la superfície exterior està formada per aminoàcids hidrofílics solubles. Solubilitat: les proteïnes globulars envoltades d'aigua mantenen solvatada la perifèria, aïllant completament el centre hidrofòbic del contacte aquós. Estructura irregular combinada: en les proteïnes globulars s'entrellacen zones regulars (hèlixs alfa d'uns 11 aminoàcids o làmines beta formades típicament per una mitjana de 6 segments de 6 residus) amb segments no repetitius i girs situats a l'exterior.

Estabilització: el plegament es manté gràcies a forces febles entre els radicals dels residus (interaccions hidrofòbiques, forces de van der Waals, ponts d'hidrogen i enllaços electrostàtics o ponts salins), reforçades en certs casos per enllaços covalents com els ponts disulfur entre cisteïnes. Flexibilitat: l'estructura tridimensional nativa no és totalment rígida sinó flexible, fet que en permet l'activitat biològica.

Estructura secundària Patrons locals regulars per ponts d'hidrogen Hèlix alfa 3,6 residus/volta, pas de 0,54 nm Fulla beta Segments estesos paral·lels o antiparal·lels Gir beta Canvi de 180 graus en 4 residus Domini proteic Unitat globular autònoma de 100- 200 aminoàcids Estructura terciària Plegament global 3D amb nucli hidrofòbic Estructura quaternària Associació oligomèrica de múltiples subunitats Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 16 COMPROVA-HO 23 Quina regla d'empaquetament regeix la distribució de cadenes laterals a l'estructura terciària globular en medi aquós?

Proteïnes fibroses vs proteïnes globulars Segons la seva conformació global i funció biològica, les proteïnes es divideixen fonamentalment en dues grans categories morfològiques: Propietat Proteïnes globulars Proteïnes fibroses Morfologia Esfèrica o globular, compacta Filamentosa, allargada, feixos o làmines Elements secundaris Múltiples estructures combinades (hèlixs, fulles, girs) Repetició d'un sol tipus d'estructura secundària simple Solubilitat en aigua Gairebé sempre solubles (sòlids blancs) Completament insolubles en aigua Funció principal Dinàmica (enzims, transport, regulació) Estructural mecànica i de protecció de teixits Principals proteïnes fibroses Estructura quaternària i propietats fisicoquímiques L'estructura quaternària s'origina quan dues o més cadenes polipeptídiques independents (anomenades subunitats o monòmers), cadascuna amb la seva respectiva estructura terciària, s'associen mitjançant interaccions no covalents per constituir un complex oligomèric funcional.

Alfa-queratina: component primordial de pèl, ungles, banyes i capa externa epidèrmica de mamífers. Formada majoritàriament per hèlix alfa rica en residus hidrofòbics i cisteïnes. Dues hèlixs alfa s'enrotllen formant dímers, els quals s'associen en paral·lel formant fibres mitjançant ponts disulfur intercatenaris. A major quantitat de ponts disulfur, major serà la seva rigidesa; si n'hi ha menys, els dímers poden lliscar atorgant flexibilitat al teixit. 1 Fibroïna (beta-queratina): component dels fils de seda d'erugues i teranyines. Formada per làmines beta antiparal·leles riques en seqüències alternades de Gly-Ala (o Ser).

Els fulls s'apilen mitjançant forces febles de van der Waals intercatenàries, la qual cosa permet una notable elasticitat i flexibilitat sense deformació mecànica. 2 Col·lagen: la proteïna més abundant de mamífers, present en tendons, cartílags, còrnia i matriu òssia. Posseeix una composició peculiar (aprox. 35 % Gly, 11 % Ala, 21 % Pro i hidroxiprolina) organitzada en repeticions Gly-X-Pro d'uns 1000 aminoàcids. Forma una hèlix levògira estreta de 3 residus per volta. Tres d'aquestes cadenes s'associen formant la triple hèlix de tropocol·lagen (dextrògira).

Les molècules s'agrupen en fibril·les amb un patró periòdic separat per 64 nm, estabilitzades covalentment per enllaços creuats entre residus de lisina. Amb l'envelliment augmenta el nombre d'enllaços entre lisines, fent que el col·lagen i els ossos es tornin més rígids. 3 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 17 Les proteïnes presenten característiques àcid-base determinades pels grups ionitzables de les cadenes laterals (Arg, Lys i His aporten càrrega positiva a pH fisiològic; Asp i Glu aporten càrrega negativa). Es defineix el punt isoelèctric (pI) com el valor de pH en què la càrrega elèctrica neta global de la proteïna és exactament nul·la.

ERROR FREQÜENT Confondre la desnaturalització amb la hidròlisi peptídica. La desnaturalització trenca exclusivament les forces febles no covalents (i eventualment ponts disulfur) responsables del plegament secundari, terciari i quaternari; no trenca cap enllaç peptídic covalent. La seqüència lineal o estructura primària resta sempre intacta. Desnaturalització i termodinàmica del replegament La desnaturalització és la pèrdua de la conformació nativa tridimensional (i per tant de la seva funcionalitat biològica) provocada per canvis de temperatura, alteracions de pH, dissolvents orgànics o detergents.

Quan s'eliminen aquests agents desnaturalitzants, la proteïna pot experimentar un procés espontani de renaturalització cap al seu mínim d'energia lliure. La termodinàmica del plegament s'explica mitjançant l'equació de Gibbs: Per tal que el procés sigui espontani, cal un balanç amb : Entropia conformacional desfavorable: Plegar una cadena lliure i desordenada en un estat tridimensional definit implica una disminució de l'entropia del polipèptid ( ), un factor que va en contra del plegament.

Efecte hidrofòbic favorable: Quan els residus apolars s'amaguen a l'interior, les molècules d'aigua que estaven altament ordenades formant gàbies de solvatació s'alliberen, produint un fort guany net d'entropia en el solvent ( ). Aquest augment entròpic impulsa de manera dominant la reacció. Entalpia favorable: La formació de ponts d'hidrogen i interaccions electrostàtiques a l'interior contribueix amb un valor negatiu d' ( ). Tota la informació necessària per assolir l'estructura 3D nativa es troba programada a la seva seqüència lineal d'aminoàcids (l'estructura primària).

Diversitat funcional de les proteïnes Gràcies a la diversitat de conformacions terciàries i quaternàries, les proteïnes acompleixen pràcticament totes les activitats cel·lulars: Catàlisi enzimàtica: acceleració de reaccions bioquímiques mitjançant enzims. Transport: transferència de molècules a través de membranes biològiques o fluids circulants per part de proteïnes globulars. Suport estructural: manteniment de la forma cel·lular (tubulina intracel·lular) i reforç dels teixits mecànics (col·lagen i queratina extracel·lular).

ΔG = ΔH TΔS ΔG < 0 ΔS < cadena 0 ΔS > aigua 0 ΔH ΔH < 0 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 18 Funció mòbil i contràctil: desplaçament cel·lular mitjançant tubulina i contracció muscular impulsada per actina i miosina. Defensa immunitària: anticossos i factors de coagulació en animals, o toxines protectores en microorganismes i determinats animals. Regulació i senyalització: modulació fisiològica i metabòlica a través d'hormones proteiques. Nutrició i reserva: emmagatzematge d'aminoàcids, com la caseïna de la llet, l'ovoalbúmina de l'ou i les proteïnes de reserva en llavors (com la soia).

IDEES CLAU L'estructura secundària regular s'estabilitza per ponts d'hidrogen de l'esquelet peptídic, destacant l'hèlix alfa (dextrògira, 3,6 residus/volta) i les làmines beta. Els girs beta canvien la direcció de la cadena 180 graus en 4 residus i abunden en glicina i prolina. L'estructura terciària compacta concentra els aminoàcids hidrofòbics al nucli interior i els polars a la perifèria aquosa. Les proteïnes fibroses com queratina, fibroïna i col·lagen són insolubles i especialitzades en suport estructural mecànic. La renaturalització està afavorida termodinàmicament per l'efecte hidrofòbic, el qual aporta un increment d'entropia en desorganitzar l'aigua circumdant.

La desnaturalització destrueix els nivells quaternari, terciari i secundari sense alterar els enllaços peptídics de l'estructura primària. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. Quines diferències geomètriques presenten les làmines beta paral·leles i antiparal·leles quant als ponts d'hidrogen? 25. Com s'estabilitza la triple hèlix de tropocol·lagen entre les fibril·les veïnes? 26. Quin paper juga l'efecte hidrofòbic en el valor de canvi d'entropia durant el plegament proteic? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 27. Quina és la geometria característica de l'hèlix alfa clàssica?

Levògira, 3 residus per volta i pas de 0,54 nm a) Dextrògira, 3,6 residus per volta i pas de 0,54 nm b) Dextrògira, 4 residus per volta i pas de 0,64 nm c) Levògira, 3,6 residus per volta i pas de 0,50 nm d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 19 28. Quins dos aminoàcids són habituals en els girs beta a causa de les seves característiques conformacionals? 29. Quin tipus d'enllaç covalent estabilitza les fibril·les madures de col·lagen? 30. Què passa exactament durant la desnaturalització d'una proteïna? 4 Modificacions post-traduccionals de les proteïnes EN ACABAR SABRÀS Classificar les modificacions post-traduccionals segons la seva naturalesa química i funcionalitat.

Identificar els residus aminoacídics específics diana de fosforilació i ubiquitinació. Distingir el paper biològic de la maduració proteolítica irreversible en zimògens i prohormones. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 31 Com pot una cèl·lula activar o desactivar una proteïna a l'instant sense haver de sintetitzar-la des de zero? La síntesi ribosomal no sempre culmina en una proteïna madura i operativa. Les modificacions post- traduccionals (PTM) són canvis químics o proteolítics que pateixen els aminoàcids després de la traducció. Aquestes alteracions modulen l'activitat biològica, defineixen el plegament final i determinen la localització subcel·lular de la molècula.

Cisteïna i glutamat a) Metionina i triptòfan b) Prolina i glicina c) Lisina i arginina d) Enllaços èster entre serines a) Ponts disulfur entre cisteïnes b) Enllaços fosfodièster c) Enllaços creuats entre residus de lisina d) Es modifiquen els carbonis alfa de la cadena a) Es perd la conformació tridimensional nativa mantenint l'estructura primària b) S'alliberen aminoàcids lliures al medi c) Es trenquen els enllaços peptídics covalents d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 20 ESQUEMA Classificació de les modificacions post- traduccionals 1.

Modificacions químiques senzilles Aquest grup consisteix en l'addició o l'eliminació de grups funcionals de mida reduïda sobre residus específics, ja sigui als extrems de la cadena o en posicions internes. Segons la naturalesa de l'enllaç, poden actuar com a interruptors reversibles o com a canvis irreversibles. Modificació Grups o molècules afegides Aminoàcids diana principals Reversibilitat Funcions i exemples clau Fosforilació Grup fosfat ( ) Ser, Thr, Tyr (posicions internes amb grup ) Reversible Transducció de senyals, regulació enzimàtica i reserva (com a la caseïna de la llet). Acetilació Grup acetil ( ) Lys Reversible Regulació d'histones, tubulina i factors de transcripció.

Metilació Grups metil ( , mono-, di- o tri-) Lys, Arg, Glu, His Reversible Histones, miosina i proteïnes ribosomals. Carboxilació Grup carboxil addicional (- COOH) Glu, Asp, Arg Reversible Coagulació sanguínia (protrombina). Hidroxilació Grup hidroxil ( ) Pro, Lys Irreversible Paper estructural en el col·lagen i protecció davant proteases.

Modificacions químiques senzilles Addició o eliminació de grups petits Fosforilació i acetilació Interruptors reversibles d'activitat Addició de macromolècules Conjugació de lípids, glúcids o pèptids Ubiquitinació Marcatge per destrucció proteasòmica Glicosilació i lípids Trànsit, ancoratge i reconeixement Processament proteolític Maduració irreversible per tall peptídic Zimògens Precursors digestius i coagulació PO 4 2 OH CO-CH 3 CH 3 OH Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 21 Modificació Grups o molècules afegides Aminoàcids diana principals Reversibilitat Funcions i exemples clau Amidació Grup amino ( ) Extrem C-terminal Irreversible Protecció davant la degradació per carboxipeptidases.

Ciclació Formació d'anells interns Extrem N-terminal (Glu de manera enzimàtica, Gln espontàniament) Irreversible Estructura i estabilitat d'hormones peptídiques. Esquema de regulació mitjançant fosforilació en la cascada d'adrenalina. PER RECORDAR-HO La fosforilació requereix sempre un grup hidroxil lliure. Recorda el trio d'aminoàcids diana com STY: Serina, Treonina i Tirosina. COMPROVA-HO 32 Per què la hidroxilació és imprescindible en proteïnes com el col·lagen? 2. Addició de macromolècules Les proteïnes també poden conjugar-se amb estructures moleculars complexes per adquirir ancoratges hidrofòbics, dianes de reconeixement o marques d'eliminació cel·lular.

NH 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 22 Ancoratge lipídic: unió d'àcids grassos o isoprenoides a residus concrets. Permet fixar la proteïna a membranes biològiques determinades. Glicosilació: transferència enzimàtica de cadenes de carbohidrats que té lloc al reticle endoplasmàtic i a l'aparell de Golgi. Es divideix en N-glicosilació (unió a Asn) i O-glicosilació (unió a Ser o Thr). Participa en el reconeixement cel·lular, la senyalització, la localització i la funció estructural. ADP-ribosilació: addició d'adenosina difosfat procedent de nucleòtids sobre residus d'Arg, Lys o His, modulant l'activitat enzimàtica.

Ubiquitinació: conjugació covalent d'un pèptid regulador amb objectiu degradatiu. En el procés d'ubiquitinació, una proteïna globular de 76 aminoàcids anomenada ubiquitina s'uneix als residus interns de lisina mitjançant un enllaç isopeptídic entre el carboxil terminal de la ubiquitina i el grup -amino de la cadena lateral de la lisina. Aquest marcatge destina les proteïnes diana a la seva degradació controlada en el complex del proteasoma 26S, procés durant el qual les ubiquitines es reciclen. Diagrama del marcatge per ubiquitinació i degradació al proteasoma. ERROR FREQÜENT Confondre un enllaç peptídic estàndard amb un enllaç isopeptídic fa perdre punts a l'examen.

L'enllaç peptídic comú s'estableix entre els grups alfa-amino i alfa-carboxil de l'esquelet principal (vegeu «Estructura primària de les proteïnes i enllaç peptídic»). La ubiquitinació empra la cadena lateral ( -amino) del residu de Lys. ε ε Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 23 COMPROVA-HO 33 Quina diferència funcional existeix entre l'ancoratge lipídic i la ubiquitinació? 3. Precursors proteics i maduració per processament proteolític Diverses proteïnes es sintetitzen inicialment en una forma precursora inactiva, anomenada pro- proteïna, pro-enzim o zimogen.

Aquests precursors presenten una seqüència addicional o segment d'emmascarament que bloqueja l'accés al centre actiu o n'impedeix la funció biològica. Per assolir la conformació activa, cal un tall proteolític específic i irreversible que alliberi el segment inhibidor: Enzims digestius: el pàncrees sintetitza formes inactives com tripsinogen, proelastasa, procarboxipeptidases i prolipases. Aquest mecanisme evita la degradació contínua dels propis teixits secretors. Cascada de coagulació sanguínia: activació en cadena de factors circulants com la protrombina i el fibrinogen. Activació d'hormones: conversió de la proinsulina en la seva forma madura activa mitjançant escissió.

Seqüències senyal: pèptids directrius que guien la síntesi i el transport cap al reticle endoplasmàtic rugós i s'eliminen en entrar-hi. Proteïnes estructurals i desenvolupament: maduració del procol·lagen o activació de la col·lagenasa en la remodelació tissular. Apoptosi o mort cel·lular programada: activació d'enzims de destrucció controlada mitjançant el processament de procaspases. Tall i unió de proteïnes: mecanisme conegut com a protein splicing, on fragments interns s'escindeixen i els extrems es tornen a lligar.

DEFINICIÓ Un zimogen és un precursor enzimàtic inactiu que requereix una proteòlisi limitada i irreversible per retirar el domini inhibidor i exposar el seu centre catalític operatiu. COMPROVA-HO 34 Per què la cèl·lula sintetitza zimògens en lloc de proteïnes directament actives en el cas dels enzims digestius? Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 24 IDEES CLAU Les PTM modifiquen químicament o proteolíticament la cadena polipeptídica després de la traducció. La fosforilació és una modificació reversible que té lloc exclusivament en els residus amb grup hidroxil: Ser, Thr i Tyr.

La ubiquitinació consisteix en la unió covalent d'una proteïna de 76 residus a cadenes de Lys mitjançant enllaços isopeptídics per marcar la degradació al proteasoma. El processament proteolític de zimògens és irreversible i protegeix les cèl·lules de l'activitat destructiva prematura d'enzims com els digestius. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 35. Quins tres aminoàcids poden ser diana de fosforilació i quin grup químic comparteixen? 36. Com s'uneix la ubiquitina a la proteïna diana? 37. Per què el processament d'un zimogen és un procés irreversible? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 38. En quins residus aminoacídics es produeix la fosforilació post-traduccional? 39.

Quina funció biològica té la ubiquitinació d'una proteïna cel·lular? 40. Quin tipus d'enllaç connecta la ubiquitina amb la lisina diana? 41. Quin avantatge té sintetitzar els enzims digestius en forma de zimògens?

Aspartat, glutamat i prolina a) Lisina, arginina i histidina b) Cisteïna, metionina i glicina c) Serina, treonina i tirosina d) Facilitar el seu plegament al reticle a) Bloquejar la seva activació per proteòlisi b) Fixar-la irreversiblement a la membrana plasmàtica c) Marcar-la per a la degradació proteasòmica d) Enllaç disulfur covalent a) Enllaç fosfodièster b) Enllaç glucosídic O-terminal c) Enllaç isopeptídic d) Evita la degradació dels teixits productors a) Assegura la seva desactivació irreversible a l'intestí b) Permet la seva secreció directa sense energia c) Impedeix que siguin reconeguts per anticossos d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 25 5 Proteïnes transportadores d'oxigen: Mioglobina i Hemoglobina EN ACABAR SABRÀS Distingir l'arquitectura del grup hemo i la coordinació del ferro en estat ferrós Fe(II) Comparar les corbes d'unió hiperbòlica i sigmoidea de la mioglobina i l'hemoglobina Explicar la transició al·lostèrica cooperativa entre els estats T i R de l'hemoglobina Descriure la regulació per l'efecte Bohr i el paper del 2,3-BPG en el transport d'oxigen PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 42 Per què un transportador amb una unió extremadament forta a l'oxigen seria incapaç d'oxigenar correctament els teixits?

Transport d'oxigen i el grup prostètic hemo La respiració cel·lular aeròbica constitueix la via més eficient per a l'obtenció d'energia metabòlica en forma d'ATP mitjançant l'oxidació de nutrients orgànics. Atès que l'oxigen molecular ( ) presenta una baixa solubilitat en solucions aquoses com el plasma sanguini, els organismes pluricel·lulars han desenvolupat proteïnes especialitzades per a la seva distribució circulatòria i el seu emmagatzematge cel·lular. Dins d'aquest dispositiu, cada eritròcit conté aproximadament 300 × 10^6 molècules d'hemoglobina.

Ni les cadenes polipeptídiques per si soles ni els aminoàcids ordinaris tenen la capacitat de fixar oxigen reversiblement sense sofrir oxidació. Aquesta funció la duu a terme el grup hemo, un grup prostètic unit de forma no covalent a l'interior d'una cavitat hidrofòbica de la globina. La seva estructura consta d'una part orgànica, anomenada protoporfirina IX (un anell tetrapirròlic que aporta la característica pigmentació vermella), la qual quela un àtom central de ferro en estat d'oxidació ferrós o Fe(II).

DEFINICIÓ Grup hemo: grup prostètic pla format per un anell tetrapirròlic de protoporfirina IX coordinat amb un ió , encarregat d'unir de manera reversible una molècula d'oxigen en les globines. L'ió central de Fe(II) té una coordinació octaèdrica amb 6 lligands: Quatre de les posicions de coordinació es troben al pla de la porfirina, enllaçades amb els respectius nitrògens dels anells pirròlics. Dues posicions de coordinació se situen perpendiculars al pla de l'anell: una està ocupada pel nitrogen d'una histidina proximal de la cadena de globina i l'altra resta lliure per unir reversiblement una molècula d' .

L'entorn apolar i hidrofòbic del replà proteic protegeix el ferro de l'oxidació irreversible a Fe(III). En contacte inadequat amb solucions aquoses o l'aire lliure, el ferro s'oxida a Fe(III), originant metahemoglobina (on es coordina una molècula d' ) d'una tonalitat marronosa, la qual és incapaç O 2 F e(II) O 2 H O 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 26 de transportar oxigen actiu. COMPROVA-HO 43 Quina funció té l'entorn hidrofòbic de la proteïna que allotja el grup hemo?

Mioglobina versus hemoglobina: arquitectura i corbes d'unió Tot i compartir un plegament terciari similar basat en diversos segments d'hèlix alfa (vegeu «Estructures secundària, terciària i quaternària de les proteïnes»), la mioglobina i l'hemoglobina divergeixen en la seva organització oligomèrica i en la seva funció fisiològica. Esquema comparatiu de la mioglobina monomèrica i l'hemoglobina tetramèrica.

Característica Mioglobina (Mb) Hemoglobina adulta (HbA) Estructura Monòmer (1 cadena polipeptídica + 1 hemo) Tetràmer (4 subunitats + 4 hemos) Nivell estructural Estructura terciària Estructura quaternària Funció principal Emmagatzematge d' al teixit muscular Transport d' de pulmons als teixits Corba de saturació Hiperbòlica (sense cooperativitat) Sigmoidea (unió cooperativa) Afinitat per l'oxigen Molt alta a pressions baixes de teixit Modulada per la pressió parcial teixicular Aquesta discrepància estructural condiciona el perfil gràfic de fixació de l'oxigen mesurat enfront de la pressió parcial d'oxigen ( ).

α β 2 2 O 2 O 2 pO 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 27 Gràfica de les corbes de saturació d'oxigen hiperbòlica i sigmoidea. La mioglobina es troba pràcticament saturada fins i tot a les baixes pressions parcials que imperen al múscul en repòs i en contracció activa, retenint l'oxigen fermament fins que les concentracions cauen a nivells crítics. En canvi, l'hemoglobina exhibeix un comportament de corba sigmoidea: s'omple quasi al 95-100 % d' en els capil·lars pulmonars (pressió arterial elevada) i descarrega eficaçment el gas als teixits perifèrics on la és baixa, veient disminuïda la seva saturació al 60 % o inferior per alliberar-lo a les cèl·lules demandants.

PROCÉS Mecanisme molecular de la transició cooperativa T cap a R O 2 pO 2 Estat T desoxigenat Fe(II) situat fora del pla de la porfirina bombada 1 Unió del primer O Oxigen es coordina a la sisena posició del ferro 2 Aplanament de l'hemo El ferro entra al pla arrossegant la histidina proximal 3 Desplaçament de l'hèlix Reordenament mecànic transmès a través de la cadena polipeptídica 4 Rotació de subunitats cap a R Trencament de parells iònics i augment d'afinitat per l'O 5 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 28 COMPROVA-HO 44 Per què la mioglobina seria inútil com a transportador circulatori d'oxigen cap als teixits corporals?

Mecanisme de cooperativitat i transició al·lostèrica T R La sigmoïtat de la corba de l'hemoglobina s'origina per la cooperativitat entre les seves quatre subunitats ( i ), les quals es mantenen unides per interaccions no covalents hidrofòbiques, enllaços electroestàtics i ponts d'hidrogen. L'oxigen actua com un modulador al·lostèric homotròpic positiu: la fixació d'una primera molècula augmenta l'afinitat de les subunitats restants. Aquest procés respon a un equilibri reversible entre dos estats estructurals fonamentals: Estat T (tens): correspon a la desoxihemoglobina. Presenta nombrosos enllaços iònics intercatenaris i una cavitat central ampla; la seva afinitat per l'oxigen és baixa.

Estat R (relaxat): correspon a l'oxihemoglobina. En unir-se l' , es trenquen diversos parells iònics, les subunitats roten aproximadament 15 graus entre si, compactant l'estructura i reduint el volum de la cavitat central; la seva afinitat per l'oxigen és elevada. A escala molecular, a la forma desoxigenada l'anell de porfirina té una forma lleugerament bombada en cúpula cap a la histidina proximal. Quan l' es coordina al sisè vèrtex del Fe(II), atreu el ferro cap al pla de l'anell tetrapirròlic. Aquest desplaçament estira la histidina proximal, mobilitza l'hèlix F de la globina i altera els contactes de la interfície entre subunitats, afavorint la transició col·lectiva cap a l'estat R.

PER RECORDAR-HO Estat T = Tens = Teixits: afinitat baixa, cavitat gran, allibera oxigen. Estat R = Relaxat = Respiració (pulmons): afinitat alta, cavitat estreta, capta oxigen. COMPROVA-HO 45 Quin canvi geomètric pateix el grup hemo quan s'hi enllaça l'oxigen molecular? Moduladors al·lostèrics heterotròpics: Efecte Bohr i 2,3-bisfosfoglicerat L'alliberament perifèric d'oxigen es troba finament regulat per efectors al·lostèrics heterotròpics que estabilitzen selectivament l'estat T. Esquema de l'equilibri al·lostèric entre desoxihemoglobina i oxihemoglobina.

α β 1 1 α β 2 2 O 2 O 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 29 Efecte Bohr ( i ) En els teixits metabòlicament molt actius es generen quantitats substancials de i protons ( ), provocant una acidificació del medi cel·lular perifèric (descens de pH). Aquest entorn afavoreix la descàrrega d'oxigen de l'hemoglobina, fenomen descrit com a efecte Bohr. A escala molecular, la protonació de la His146 terminal de les cadenes beta forma un pont salí amb l'Asp94. Aquest enllaç electroestàtic estabilitza la conformació de l'estat T (desoxihemoglobina), reduint de forma dràstica l'afinitat pel gas i forçant la cessió d'oxigen als teixits.

En arribar als pulmons, les altes pressions d'oxigen afavoreixen la forma oxi (estat R), desprotonant la His146 i descomponent el pont salí.

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Augment de CO tissular Subproducte del metabolisme respiratori cel·lular actiu Descens de pH local Major concentració de protons H+ al medi Pont salí His146-Asp94 Protonació que estabilitza la conformació de l'estat T Alliberament d'oxigen als teixits perifèrics Descàrrega d'oxigen L'hemoglobina allibera oxigen per nodrir les cèl·lules Formació de desoxihemoglobina Retorn sanguini de l'estat T cap als pulmons Paper del 2,3-bisfosfoglicerat (2,3-BPG) El 2,3-bisfosfoglicerat (2,3-BPG) és un anió orgànic altament carregat negativament present en concentracions elevades als eritròcits.

Actua com a modulador al·lostèric negatiu posicionant-se a la cavitat central de la desoxihemoglobina, on interacciona amb les cadenes laterals bàsiques de les dues subunitats beta. La seva presència impedeix la conversió prematura a l'estat R, desplaçant la corba de saturació cap a la dreta per garantir un subministrament òptim als teixits. ERROR FREQÜENT Confondre el motiu pel qual l'hemoglobina fetal rep oxigen de la mare: no és perquè el fetus tingui més hematies o una pressió pulmonar diferent, sinó perquè l'hemoglobina fetal ( ) té subunitats gamma en comptes de beta, les quals perden càrregues positives a la cavitat central.

En conseqüència, l'hemoglobina fetal fixa el 2,3-BPG amb menor afinitat, de manera que roman predominantment en estat R i retira l'oxigen de l'hemoglobina materna ( ). COMPROVA-HO 46 Quina base estructural explica que el fetus pugui captar oxigen de la sang materna a través de la placenta? H+ CO 2 CO 2 H+ α γ 2 2 α β 2 2 Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 30 IDEES CLAU El grup hemo consta d'una protoporfirina IX que coordina octaèdricament un ió amb 6 lligands protegits de l'oxidació en un entorn hidrofòbic. La mioglobina té una estructura monomèrica amb corba hiperbòlica d'alta afinitat per a l'emmagatzematge d'oxigen al teixit muscular.

L'hemoglobina presenta un tetràmer amb cooperativitat positiva i corba sigmoidea per a la càrrega pulmonar i descàrrega tissular d'oxigen. L'equilibri al·lostèric transita entre l'estat T (desoxigenat, baixa afinitat, cavitat central àmplia) i l'estat R (oxigenat, alta afinitat, compacte). L'efecte Bohr disminueix l'afinitat per l'oxigen gràcies a la protonació de la His146 i l'establiment d'un pont salí amb l'Asp94 a l'estat T. El 2,3-BPG estabilitza la cavitat central de la desoxihemoglobina; la menor afinitat de l'hemoglobina fetal pel 2,3-BPG en facilita la transferència materna d'oxigen. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 47.

Com influeix el descens del pH dels teixits actius en la conformació de l'hemoglobina? 48. En què es diferencia la unió d'oxigen a la mioglobina respecte de la de l'hemoglobina a pressions parcials baixes? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 49. Quina geometria de coordinació i quants lligands presenta l'ió de ferro al grup hemo? 50. Quina característica gràfica descriu millor la saturació d'oxigen de l'hemoglobina enfront de la mioglobina? 51. Quin residu s'enllaça amb la His146 en l'estat T durant l'efecte Bohr?

F e(II) α β 2 2 Geometria quadrada plana amb 4 lligands a) Geometria bipiramidal amb 5 lligands proteics b) Geometria octaèdrica amb 6 lligands totals c) Geometria tetraèdrica amb 4 lligands pirròlics d) Hemoglobina hiperbòlica i mioglobina sigmoidea a) Hemoglobina sigmoidea i mioglobina hiperbòlica b) Ambdues corbes tenen traçat hiperbòlic c) Hemoglobina lineal i mioglobina sigmoidea d) Histidina distal a) Aspartat 94 b) Lisina 82 c) Ió ferro(II) d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 31 52. Per què l'hemoglobina fetal capta l'oxigen de la circulació materna?

6 Enzims: Propietats, cofactors i centre actiu EN ACABAR SABRÀS Distingir els components d'un holoenzim (apoenzim, cofactors, coenzims i grups prostètics) Identificar les classes de reaccions bioquímiques a partir del codi numèric de la Comissió Enzimàtica (EC) Explicar per què el centre actiu és complementari a l'estat de transició i no al substrat inicial PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 53 Si un enzim s'unís al seu substrat amb una afinitat perfecta i rígida, augmentaria la velocitat de la reacció? Naturalesa i propietats dels catalitzadors biològics La gran majoria de les transformacions químiques del metabolisme cel·lular requereixen una acceleració dràstica per sostenir la vida.

Els enzims són els catalitzadors biològics encarregats d'aquesta tasca: incrementen la velocitat de reacció entre 10^6 i 10^{12} vegades respecte a la reacció no catalitzada. A diferència dels catalitzadors químics industrials, els enzims operen en condicions fisiològiques suaus: solucions aquoses a pressió atmosfèrica, temperatures moderades i pH neutre. A més, destaquen per dues característiques essencials: Gran especificitat: reconeixen exclusivament el seu substrat químic i donen lloc a un sol tipus de producte sense reaccions secundàries. Capacitat de regulació: la seva eficiència s'ajusta en resposta a senyals cel·lulars i ambientals per coordinar el metabolisme global.

Pel que fa a la seva composició, gairebé tots els enzims són proteïnes globulars amb estructura terciària o quaternària complexa (vegeu «Estructures secundària, terciària i quaternària de les proteïnes»). L'única excepció destacada la constitueixen els ribozims, que són molècules d'ARN dotades d'activitat catalítica. La massa molecular dels enzims oscil·la habitualment entre els 12.000 Da i més d'1.000.000 Da, sent sempre molt més voluminosos que els substrats sobre els quals actuen. Es troben lliures en dissolució als fluids biològics o bé ancorats a membranes.

Perquè uneix covalentment molècules de CO a) Perquè fixa el 2,3-BPG amb menor afinitat b) Perquè té cadenes beta amb afinitat pel ferro c) Perquè no presenta estat conformacional T d) Bioquímica UdG: Biomolècules, Proteïnes i Enzims 32 COMPROVA-HO 54 Quines dues propietats diferencien clarament els enzims dels catalitzadors inorgànics d'ús industrial? Components de l'holoenzim: cofactors, coenzims i vitamines Molts enzims requereixen únicament la seva seqüència d'aminoàcids en conformació nativa (vegeu «Estructura primària de les proteïnes i enllaç peptídic») per exercir la seva funció. Altres, en canvi, necessiten un component químic addicional no proteic anomenat cofactor.

DEFINICIÓ L'apoenzim és la fracció purament proteica i inactiva d'un enzim. Quan s'associa al seu cofactor o coenzim específic forma l'holoenzim, que constitueix el complex catalíticament actiu. Els cofactors poden ser: Ions metàl·lics: com , , o , units sovint mitjançant enllaços de coordinació. Coenzims: molècules orgàniques complexes de baix pes molecular, sovint unides dèbilment per enllaços no covalents. Si el coenzim s'uneix de manera covalent o molt estreta a la proteïna, s'anomena grup prostètic. Diversos enzims poden compartir el mateix coenzim per dur a terme reaccions anàlogues. La majoria dels coenzims deriven de les vitamines, micronutrients orgànics essencials que la majoria de…