AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS & PROTEÍNAS

Transcripción

1 APUNTES DE BIOQUÍMICA 2 AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS & PROTEÍNAS Julián A. Chamucero Millares 1 1 L as proteínas son polímeros de aminoácidos; es decir, son macromoléculas que se forman por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros; en este caso los aminoácidos. Dichas macromoléculas se consideran los principales constituyentes estructurales y funcionales de los organismos vivos de la naturaleza, por lo que existen millones de proteínas con funciones muy diversas, entre las cuales tenemos: Catálisis de reacciones químicas Transporte de sustancias [vitaminas, oxígeno] Proveer la estructura de compartimentos celulares [membrana plasmática] Transmisión neuronal [neurotransmisores] Contracción muscular Componentes de la cascada de la coagulación Componentes de los mecanismos inmunes. Moléculas de señalización intracelular Un átomo de hidrógeno [H] Un carbono alfa [Cα], que tiene las siguientes particularidades 1) Es un carbono central y asimétrico [quiral] dado que se une a 4 grupos químicos diferentes [excepto el aminoácido glicina] 2) Tiene dos posibles configuraciones [isómeros ópticos] 3) Por dicha configuración óptica, los aminoácidos son enantiómeros; es decir, moléculas con imágenes especulares no superponibles. 4) Son capaces de desviar el plano de la luz polarizada Los aminoácidos son entonces los monómeros de las proteínas. Se caracterizan por tener la siguiente estructura general: 1 Médico Interno. Internado énfasis en investigación. Laboratorio de Biomiméticos Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional de Colombia

2 Un grupo amino protonado [NH3+] Un grupo carboxilo desprotonado [COO-] La existencia de una molécula neutra, por la presencia de dos grupos con cargas opuestas, recibe el nombre de zwitterion. La cadena lateral R es la que determina la identidad del aminoácido: 1) Complementa la estructura del aminoácido 2) Es determinante en la función de la proteína 3) Otorga la carga eléctrica a la molécula 4) Permite el análisis, purificación e identificación de las proteínas. Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar los aminoácidos, según las características de su cadena lateral R: 1) Alifáticos, no polares intervienen en la estabilidad de las proteínas. Met: su átomo de azufre permite la formación de puentes disulfuro. Pro: Tiene una estructura cíclica rígida que reduce la flexibilidad de las cadenas proteícas. 2) Aromáticos Constituido por la fenilalanina, la tirosina y el triptófano. Los 3 participan en interacciones hidrofóbicas Tyr tiene un grupo hidroxilo [OH] que le permite forman puentes de hidrógeno [-H-] Absorben la luz ultravioleta [UV] 2 Este grupo lo constituyen la glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina y metionina. Presentan como grupo lateral una cadena de hidrocarburos alifáticos. Ala, Val, Leu, Ile: favorecen las interacciones hidrofóbicas, de modo que,

3 3) Polares no cargados o neutros Lys: posee un grupo amino primario Arg: presenta un grupo guanidium protonado His: su grupo R es un anillo imidazólico. Los 3 aminoácidos favorecen las reacciones enzimáticas, ya que actúan como donadores o aceptores de protones. 5) Ácidos o con carga negativa 3 Pertenecen a este grupo la serina, treonina, cisteína, asparagina y glutamina. Tienen grupos hidroxilo o amida La fosforilación en residuos de serina o treonina tienen grandes implicaciones en la señalización intracelular y el metabolismo. La asparagina actúa como sitio de anclaje para los carbohidratos y la conformación de las glucoproteínas. 4) Básicos o con carga positiva Son la lisina, la arginina y la histidina. Los aminoácidos ácidos son el aspartato y el glutamato. Se caracterizan por presentar un segundo grupo carboxilo. Una de sus funciones importantes es la de participar en la biosíntesis de los aminoácidos. Ácidos o bases? C omo hemos visto, los aminoácidos presentan en su estructura dos grupos ionizables como lo son el grupo carboxilo y el grupo amino; además, tienen la posibilidad de incluir en su estructura grupos adicionales según la cadena lateral R que les pertenezca. Estos grupos tienen la capacidad de disociarse en disoluciones acuosas y determinar la carga neta de la molécula. Para el caso de los aminoácidos, la mayoría de ellos se encuentran en su forma zwitterion a ph neutro o fisiológico pero pueden comportarse tanto como ácidos o como bases según la variación de la concentración de hidrogeniones de la disolución. A esta

4 clase de compuestos de comportamiento ácido-base se les llama anfóteros o anfolitos y 9.60, para los estadios catiónico y aniónico respectivamente. El pka 2.34 nos indica que en una solución de ph = 2.34 el aminoácido tiene un 50% de su fracción catiónica ionizada y el 50% restante no ionizado. De igual manera sucede con el otro valor de pka para la fase aniónica. Ambos valores de pka indican que a iguales 4 La cualidad anfolítica de los aminoácidos nos permite realizar las llamadas curvas de titulación, en ellas: Se realiza una adición o remoción gradual de hidrogeniones [H + ] A ph ácido todos los grupos se encuentran protonados A ph básico todos los grupos están desprotonados El punto intermedio de cada estadio [anión o catión] corresponde al pka. El diagrama de una curva de titulación nos permite obtener los siguientes datos: Una medida cuantitativa del pka Calcular los rangos de buffer del aminoácido. Se obtiene la capacidad amortiguadora máxima cuando se encuentran concentraciones equimolares de grupos ácidos y básicos en cada uno de los estadios tanto catiónico como aniónico] Los rangos de buffer son los puntos de corte del pka Finalmente permite calcular el punto isoeléctrico, que se define como el ph en el cual el aminoácido tiene carga neta de cero. En esta gráfica observamos la curva de titulación para la glicina. Encontramos dos valores de pka: valores de ph la glicina actúa como un buen amortiguador. Como podemos observar, ninguno de los pka es cercano al ph Encefalopatía espongiforme transmisible Son enfermedades neuronales degenerativas mortales de etiología idiopática o infecciosa, caracterizada por la acumulación en el tejido cerebral de una proteína patógena. Dentro del cromosoma 20 se encuentra el gen que codifica para la proteína Prpc, una proteína no patógena cuya función no se conoce muy bien; y que presenta dentro de su estructura terciaria 4 dominios de α-hélice. La mutación post-transduccional de la proteína altera su estructura terciaria y cambia el plegamiento hacia hojas β. Estas proteínas anómalas o PrpSc reciben el nombre de priones, dado que actúan como entidades proteícas infectantes. Los priones, independientemente del mecanismo de contagio o mutación espontánea son resistentes a la degradación y forman conglomerados que destruyen el tejido nervioso.

5 fisiológico, por lo que este aminoácido no sería un buen amortiguador en las soluciones fisiológicas. Finalmente el PI nos dice que la glicina se encuentra en su forma zwitterion en una disolución acuosa a ph de aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido. El péptido se orienta de izquierda a derecha desde el extremo carboxi terminal al extremo amino terminal. Como hemos mencionado en un comienzo, las proteínas son polímeros de aminoácidos, eso incluye la formación de enlaces entre uno y otro aminoácido para formar cadenas de diferente longitud, las cuales a su vez adoptan diferentes configuraciones espaciales. De este modo, encontramos que las proteínas presentan unos niveles de complejidad, a saber, 5 El estudio del enlace peptídico permite apreciar los siguientes detalles: 1) Estructura primaria Hace referencia a la secuencia lineal de los aminoácidos. La particularidad más importante de la estructura primaria radica en el enlace peptídico: Es un enlace tipo amida Ocurre por una reacción de deshidratación. Dado que se pierden átomos de los aminoácidos originales, dentro de un péptido pasan a llamarse residuos de aminoácidos. La reacción involucra el grupo amino de un Existen 3 enlaces covalentes que separan los Cα Se presenta resonancia entre la carga parcial negativa del O [del grupo carboxilo] y la carga positiva del N [del grupo amino] formándose un dipolo eléctrico transitorio. La existencia del dipolo favorece a que el enlace C-N actúe como doble enlace e imposibilite su libre rotación. Se forma un plano entre los 6 átomos que hacen parte del enlace, donde el O del grupo carbonil está en la posición trans respecto al H del grupo amida. Los únicos puntos de rotación del enlace peptídico se encuentran entre Cα-C y Cα-N.

6 6 2) Estructura secundaria H élice alfa Se considera estructura secundaria el arreglo espacial de los residuos de aminoácidos uno respecto del otro. Es importante entender que el plegamiento de la secuencia está determinado principalmente por la formación de puentes de hidrógeno entre el O del grupo carbonilo de un aminoácido y el H del grupo amida de otro aminoácido. Se consideran 2 estructuras secundarias clásicas: La estructura de la hélice alfa fue propuesta por Pauling y Corey teniendo en cuenta los estudios de refracción de rayos X de la proteína queratina del cabello realizados por William Astbury en el año Estos estudios demostraban la existencia de una estructura regular que se repetía cada 5.2 Å. Realizando un análisis de los estudios de refracción y con base en los conocimientos sobre la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace peptídico, Pauling y Corey predijeron que la formación más simple posible era la de una estructura helicoidal. Existen diferentes clases de hélices alfa; sin embargo, la más común y tal vez la más estable se caracteriza por: Un esqueleto polipeptídico [secuencia de aminoácidos] Un eje imaginario sobre el cual gira el esqueleto. Los grupos R o cadenas laterales de los residuos se disponen hacia el exterior de la cadena. Cada giro sobre el eje imaginario incluye 3.6 residuos de aminoácidos. Dicha unidad de repetición se extiende longitudinalmente o paralela al eje unos 5.4 Å. Se estabiliza por puentes de hidrógeno.

7 Si bien es cierto que la estabilidad de una hélice alfa está dada por la existencia de interacciones de hidrógeno; es importante recalcar que para que una secuencia de aminoácidos determinada se pliegue helicoidalmente, debe contener residuos de aminoácidos con tendencia a la formación de dicha estructura. Por ejemplo, la alanina es el residuo que favorece en mayor medida el plegamiento de las hélices, mientras que, la prolina, por presentar un anillo rígido, es el residuo que menos favorece la formación de la estructura helicoidal. Hoja B eta plegada La segunda estructura de configuración secundaria también fue predicha por Pauling y colaboradores hacia el año de En este caso, la existencia de la hoja plegada depende de la presencia de 2 o más cadenas o esqueletos polipeptídicos [a diferencia de la hélice alfa donde sólo se necesita una cadena] los cuales se unen mediante puentes de hidrógeno entre los átomos de oxígeno e hidrógeno de las dos cadenas diferentes. Dado que los grupos R alternan su posición arriba abajo entre un residuo y otro, la hoja adquiere un plegamiento característico en forma de zig- zag. Giros beta Un giro beta hace referencia al segmento en el que el polipétido gira. La importancia de los giros beta es que permite el cambio de dirección de la cadena y por ende su plegamiento. La mayoría de ellos se encuentran como elementos enlazantes entre hélices alfa y hojas beta plegadas en la conformación de las estructuras terciaria y cuaternaria. Como se puede observar en la siguiente gráfica, ocurre un giro de 180 el cual requiere la presencia de 4 residuos de aminoácidos, entre los que debe estar presente la glicina o la prolina, y donde se forma un puente de hidrógeno entre el primer y cuarto residuo. 7

8 3) Estructura terciaria El tercer nivel de complejidad es el arreglo tridimensional [3D] de todos los átomos de la proteína. Este arreglo está determinado entre otras cosas por la existencia de giros [diferentes al giro beta] que incluyen residuos de prolina, tirosina, serina y glicina y entre los cuales se forman interacciones débiles como los puentes de hidrógeno o enlaces covalentes fuertes como los puentes disulfuro. En general encontramos 2 configuraciones de complejidad terciaria básicas: Proteínas fibrosas Son proteínas de forma elongada cuya función es la de dar fuerza y estabilidad a las estructuras orgánicas de las que hace parte. Se conforma por unidades repetitivas de la misma proteína en su conformación secundaria. Dado que su secuencia está formada por residuos de aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas, son insolubles en agua. Entre este tipo de proteínas encontramos el colágeno y la queratina. El colágeno es la proteína más abundante en la mayoría de los organismos vertebrados y se encuentran presente en las matrices extracelulares de todos los tejidos, por lo que, básicamente actúa como un pegamento de las células y los tejidos. Como podemos observar en la siguiente gráfica, el colágeno funcional es una proteína fibrosa cuya estructura terciaria está conformada por la presencia de 3 α-hélices de colágeno. Proteínas globulares Como su nombre lo indica tienen forma globular o esférica y su función es de señalización y transporte. De igual manera que las proteínas fibrosas, está constituida por unidades repetitivas de la proteína en su conformación secundaria o por una estructura única con plegamientos diversos Ya que son macromoléculas especializadas en el transporte y la comunicación, es necesario que sean solubles en las soluciones fisiológicas, por lo que, las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos se encuentran orientadas hacia el interior de la proteína. Un ejemplo de este tipo de proteínas es la mioglobina, una proteína similar a la hemoglobina, encargada de transporta oxígeno al músculo esquelético y al músculo cardiaco. Se puede entender como una hélice alfa que se dobla y se pliega para adoptar una configuración más compacta. 8

9 La mioglobina tiene dentro de su estructura un bolsillo constituido por el grupo hemo el cual actúa como fijador de las moléculas de oxígeno. Dado que el grupo hemo es un constituyente no aminoacídico de la proteína recibe el nombre de grupo prostético. Como se puede observar en la gráfica, pareciera ser que la mioglobina estuviera conformada por varias hélices alfa; sin embargo, es una única cadena que se corta en los giros y continúa. Empero, cada segmento de hélice alfa y su correspondiente giro representan una región compacta dentro de la estructura terciaria. A dicha región la llamamos dominio. En el caso de la mioglobina, la estructura primaria está formada por una secuencia de 153 residuos de aminoácidos que se pliegan en una hélice alfa, la cual a su vez se compacta en una estructura terciaria de 8 dominios. 4) Estructura cuaternaria El cuarto nivel de complejidad es el último que puede conseguir una proteína. Esta conformación representa la unión de 2 o más proteínas iguales o diferentes. En este caso, cada proteína dentro de la estructura cuaternaria actúa como una subunidad. Cuando esta súper macromolécula está formada por las mismas subunidades recibe el nombre de organización homotípica, en caso contrario, una organización heterotípica es aquella en la que las subunidades son diferentes. Un ejemplo claro de este nivel de organización es el de la proteína actina. La actina es una proteína globular de 374 residuos de aminoácidos que adoptan conformaciones secundarias tanto de α-hélice como de hoja β interconectados que forman dos dominios: una grande y uno pequeño, los cuales se dividen a su vez en subdominios. Cada proteína globular de actina actúa como una unidad monomérica de la estructura cuaternaria de la actina fibrilar. 9

10 Bibliografía Mathews, C.K.; Van Holde, K.E.; Ahern K.G.(2002). Introducción a las proteínas:nivel primario de la estructura proteíca. Estructura tridimensional de las proteínas. Bioquímica. Pearson Education, S.A., Madrid. Nelson, D.L & Cox, M.M. (2008) Amino Acids, Peptides and Proteins. The Threedimensional Structure of Proteins. Lehninger. Principles of Bichemistry. (pp ). W.H. Freeman and Compañy, New York. 10