Aminoácidos, Péptidos y Proteínas

Transcripción

1 OBJETIVOS. Definir el concepto de aminoácidos sobre la base de su estructura. Enunciar la fórmula general de un aminoácido. Nombrar y formular los diferentes tipos de aminoácidos. Clasificación de los aminoácidos de acuerdo al tipo de cadena lateral que posean, a las propiedades de su cadena y a su obtención. Identificar los aminoácidos mas importantes, representar su fórmula general, nombrarlo según su clasificación y composición, además de la importancia en el área de medicina. Describir las propiedades que presentan los aminoácidos. INTRODUCCION. Un aminoácido es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH 2 ) y un grupo carboxílico (-COOH; ácido). La estructura general de un aminoácido se establece por la presencia de un carbono central alfa (Cα) unido a: un grupo carboxilo, un grupo amino, un hidrógeno y la cadena lateral: R representa la cadena lateral, específica para cada aminoácido. Técnicamente hablando, se los denomina alfa-aminoácidos, debido a que el grupo amino ( NH 2 ) se encuentra a un átomo de distancia del grupo carboxilo ( COOH). Como dichos grupos funcionales poseen H en sus estructuras químicas, son grupos susceptibles a los cambios de ph; prácticamente los aminoácidos en la célula se encuentran ionizados (en forma de un ión dipolar, o Zwitterion del alemán zwitter, híbrido) la mayoría de los Aa presentes en la Naturaleza se encuentran formando parte de las proteínas, hay algunos que pueden desempeñar otras funciones. Se distinguen por tanto los Aa proteicos y los Aa no proteicos. 1

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3 AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS Se conocen más de un centenar, sobre todo en plantas superiores, aunque su función no siempre es conocida. Se pueden dividir en tres grupos: 1.- D-AMINOÁCIDOS: La D-Ala y el D-Glu forman parte del peptidoglicano de la pared celular de las bacterias. La gramicidina S es un péptido con acción antibiótica que contiene D-Phe. En ciertos péptidos opioides de anfibios y reptiles también aparecen D-aminoácidos. 2.- α-aminoácidos NO PROTEICOS: La L-ornitina y la L-citrulina son importantes intermediarios en el metabolismo de la eliminación del nitrógeno y la creatina (un derivado de la G) juega un papel importante como reserva de energía metabólica. También pertenecen a este grupo la homoserina y la homocisteína. 3.- ω-aminoácidos: En estos AA, el grupo amino sustituye al último carbono (carbono ω), no al carbono α. La β-alanina forma parte de algunas coenzimas, y el ácido γ-aminobutírico es un imporante neurotransmisor CLASIFICACIÓN. Dado que los diferentes aminoácidos difieren unos de otros por su cadena lateral, podemos clasificarlos según: el tipo de cadena lateral que posean. 1. Aminoácidos alifáticos: En esta grupo se encuadran los aminoácidos cuya cadena lateral es alifática, es decir una cadena hidrocarbonada 2. Aminoácidos aromáticos: En esta grupo se encuadran los aminoácidos cuya cadena lateral posee un anillo aromático. 3. Aminoácidos azufrados: Hay dos aminoácidos cuyas cadenas laterales poseen átomos de azufre. 4. Aminoácidos hidroxilados: Otros dos aminoácidos tienen cadenas alifáticas hidroxiladas, la serina y la treonina. El grupo hidroxilo hace de estos aminoácidos mucha más hidrofílicos y reactivos 5. Aminoácidos básicos: Dentro de los aminoácidos con cadenas laterales muy polares encontramos tres aminoácidos básicos: lisina, arginina e histidina 6. Aminoácidos ácidos y sus amidas: En este grupo encontramos dos aminoácidos con cadenas laterales de naturaleza ácida y sus amidas correspondientes. Estos son el ácido aspártico y el 3

4 ácido glutámico (a estos aminoácidos se les denomina normalmente aspartato y glutamato par resaltar que sus cadenas laterales están cargadas negativamente a ph fisiológico). Aminoácidos según la posición del grupo amino, en la cadena de carbonos que contiene la función acido carboxílico, estos se clasifican en α, β, γ, δ, etc. Estructura nombre NH 3 CO 2 Acido 1-aminociclopropanocarboxilico (es un α-aminoácido) NH 3 O Acido 3-aminopropanoico (es un β aminoácido o β alanina) NH 3 O Acido 4-aminopropanoico (es un γ-aminoácido o GABA) Los aminoácidos también se clasifican según las propiedades de su cadena lateral: a) Neutros polares, polares o hidrófilos : S, T, C, N, Gln, Y b) Neutros no polares, apolares o hidrófobos: G, A, V, L, I, M, P, F, W c) Con carga negativa, o ácidos: Ácido aspártico (D) y Ácido glutámico (E). d) Con carga positiva, o básicos: K, R e H. 4

5 Tabla resumen de las clasificaciones con algunos ejemplos: Clasificación de acuerdo a su obtención. 1. Esenciales. A los aminoácidos que necesitan ser ingeridos por el cuerpo se los llama esenciales; la carencia de estos aminoácidos en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Para el ser humano, los aminoácidos esenciales son: Valina (Val), Leucina (Leu), Treonina (Thr), Lisina (Lys), Triptófano (Trp), Histidina (His) * Fenilalanina (Phe), Isoleucina (Ile), Arginina (Arg) *, Metionina (Met) Valina: Forma parte integral del tejido muscular, puede ser usado para conseguir energía por los músculos en ejercitación, posibilita un balance de nitrógeno positivo e interviene en el metabolismo muscular y en la reparación de tejidos). La Valina es la responsable de una enfermedad genética conocida como Anemia falciforme, la persona que la padece tiene un tipo de hemoglobina especial llamada Hemoglobina S, que hace que los glóbulos rojos tengan una forma de hoz en vez de tener la tradicional forma de plato, y que tengan una vida media entre 6 y 10 veces menor, causando anemia y otras complicaciones. Leucina: Como un suplemento en la dieta, se ha descubierto que leucina reduce la degradación del tejido muscular incrementando la síntesis de proteínas musculares en ratas viejas.leucina se usa en el hígado, tejido adiposo, y tejido muscular. En tejido adiposo y muscular, se usa para la formación de esteroles, y solo el uso en estos dos tejidos, es cerca de siete veces mayor que el uso en el hígado La toxicidad de la leucina, como es visto en la enfermedad de la orina de jarabe de arce, causa delirio y compromete el sistema nervioso, pudiendo amenazar la vida. La L-lisina. es un elemento necesario para la construcción de todas las proteínas del organismo. Desempeña un papel central en la absorción del calcio; en la 5

6 construcción de las proteínas musculares; en la recuperación de las intervenciones quirúrgicas o de las lesiones deportivas, y en la producción de hormonas, enzimas y anticuerpos. Se ha sugerido que la lisina puede ser benéfica para aquellas personas que presentan infecciones con herpes simple. 4 Sin embargo, hacen falta más estudios para corroborar esta afirmación. Véase Herpes simplex - Lysine. Existen conjugados de lisina que resultan prometedoras para el tratamiento del cáncer, pues al parecer provocan que las células cancerosas se autodestruyan cuando el fármaco se utiliza en combinación con el uso de fototerapia, sin dañar a las células no cancerosas. 5 La lisina, ingerida con L-carnitina, ayuda a que la carnitina disminuya notablemente los niveles de colesterol en la sangre. Se dice también que la lisina ayuda al desarrollo mental, por lo que es bueno comenzar desde niño a consumir lisina. Por supuesto, a través de una prescripción médica. La lisina estimula la liberación de la hormona del crecimiento. Esto ha hecho que se utilice, sola o combinada con otros aminoácidos, en niños para estimular el crecimiento y en ancianos para retrasar el envejecimiento. Triptófano. Como aminoácido esencial ayuda a que el organismo elabore sus propias proteínas, es esencial para que el cerebro segregue la serotonina que es un neurotransmisor cerebral. Favorece el sueño, ya que la serotonina es precursora de la hormona melatonina, vital para regular el ciclo diario de sueño-vigilia. En algunos casos se observa un efecto antidepresivo debido a la serotonina. El efecto tranquilizante de la serotonina actúa con un ansiolítico. El triptófano es muy útil en problemas de obesidad donde el componente ansioso sea muy importante (por ejemplo en bulimias). El triptófano ayuda a que la serotonina controle el apetito evitando así la típica ansiedad por la comida, sobre todo en aquellas personas que no pueden dejar de comer todo el día. Al actuar sobre el estrés nos puede ayudar "de rebote" a controlar los niveles de insulina, ya que esta hormona acusa, en gran manera, el estado de nuestro sistema nervioso. En casos de agresividad debido a tensión nerviosa por ansiedad. Histidina. Este aminoácido es vital para nuestro organismo ya que su descarboxilación permite su transformación en histamina, por lo que es utilizada en el tratamiento de la artritis reumatoide (inflamación y falta de movilidad), enfermedades alérgicas, úlceras y anemia. En combinación con la hormona de crecimiento y otros aminoácidos, contribuye a la reparación de los tejidos, especialmente en el sistema cardiovascular. En el sistema nervioso central es sintetizada y liberada por las neuronas y utilizada como neuromodulador. Fuera del sistema nervioso es un mediador de medios fisiológicos. La deficiencia de histidina puede causar problemas en la audición. También se sabe que la histidina ayuda en la desintoxicación de metales pesados, ayuda en el tratamiento de la impotencia y la frigidez, mejora la respuesta inmunitaria, ayuda a evitar los vómitos en el embarazo. Es importante también en el mantenimiento de las vainas de mielina que rodean los axones neuronales. Es necesaria también tanto para la producción de glóbulos rojos como blancos en la sangre, protege al organismo de los daños por radiación y reduce la presión arterial. Fenilalanina. La enfermedad genética fenilcetonuria se debe a la carencia de la enzima fenilalanina hidroxilasa o de la dihidropterina reductasa (DPHR), y esta deficiencia hace que la fenilalanina se degrade en una ruta metabólica alterna hacia fenilpiruvato, un neurotóxico que afecta gravemente al cerebro durante el crecimiento y el desarrollo. Los efectos de la acumulación de este neurotóxico causan oligofrenia fenilpirúvica, caracterizada por un cociente intelectual inferior a 20.También influye bastante al metabolismo. Una deficiencia en el metabolismo de la fenilalanina puede producir alcaptonuria, una enfermedad hereditaria que causa orinas negruzcas y frecuentes cálculos renales. 1 6

7 Arginina. La arginina es un aminoácido esencial, y puede estimular la función inmunológica al aumentar el número de leucocitos. La arginina está involucrada en la síntesis de creatina, poliaminas y en el ADN. Puede disminuir el colesterol para mejorar la capacidad del aparato circulatorio, 2 así como estimular la liberación de hormona de crecimiento (somatropina), reducir los niveles de grasa corporal y facilitar la recuperación de los deportistas debido a los efectos que tiene de retirar amoníaco (residuo muscular resultante del ejercicio anaeróbico) de los músculos y convertirlo en urea que se excreta por la orina. 4 Se emplea en la biosíntesis de la creatina. Se suele encontrar en ciertos productos ergogénicos que contienen Óxido Nítrico (NO) ya que potencia los efectos vasodilatadores. La arginina es un aminoácido que se incluye en las dietas equilibradas de los gatos, su ausencia puede provocar serios trastornos relacionados con exceso de amoníaco en sus tejidos. Metionina. la metionina es uno de los dos aminoácidos proteinogénicos que contienen azufre. Este deriva del adenosil metionina (SAM) sirviendo como donante de metiles. La metionina es un intermediario en la biosíntesis de la cisteína, la carnitina, la taurina, la lecitina, la fosfatidilcolina y otros fosfolípidos. Fallos en la conversión de metionina pueden desembocar en ateroesclerosis 2. No esenciales. A los aminoácidos que pueden ser sintetizados por el cuerpo se los conoce como no esenciales y son: Alanina (Ala), Prolina (Pro), Glicina (Gly), Serina (Ser), Cisteína (Cys) **, Asparagina (Asn), Glutamina (Gln), Tirosina (Tyr) **, Ácido aspártico (Asp), Ácido glutámico (Glu) PROPIEDADES Aa. Ácido-básicas. Comportamiento de cualquier aminoácido cuando se ioniza. Cualquier aminoácido puede comportarse como ácido y como base, se denominan sustancias anfóteras. Todos los Aa a ph 7.0 tienen sus grupos amino y carboxilo de las cadenas laterales ionizados, exceptuando la histidina en el que el grupo imidazol ioniza a ph 6.0. Los aminoácidos y las proteínas se comportan como sustancias tampón. 7

8 Ópticas. Todos los aminoácidos excepto la glicina tienen el carbono alfa asimétrico, lo que les confiere actividad óptica; esto es, sus disoluciones desvían el plano de polarización cuando un rayo de luz polarizada las atraviesa. Si el desvío del plano de polarización es hacia la derecha (en sentido horario), el compuesto se denomina dextrógiro, mientras que si se desvía a la izquierda (sentido antihorario) se denomina levógiro. Un aminoácido puede en principio existir en sus dos formas enantioméricas (una dextrógira y otra levógira), pero en la naturaleza lo habitual es encontrar sólo una de ellas. Estructuralmente, las dos posibles formas enantioméricas de cada aminoácido se denominan configuración D o L dependiendo de la orientación relativa en el espacio de los 4 grupos distintos unidos al carbono alfa. El hecho de que sea dextrógiro no quiere decir que tenga configuración D. Todos los aminoacidos proteicos son L-aminoacidos. Punto Isoeléctrico (PI). Llamado también punto isoiónico,es el ph en el cual el aminoácido no tiene carga neta. Es el ph en el cual la concentración del ion dipolar es máxima. En un ph menor al pi el aminoácido tiene carga negativa, a un ph mayor que el pi el Aa tiene carga negativa. El punto isoeléctrico (PI) de un aminoácido depende de su estructura; y es el promedio de las dos constantes de disociación ácida que incluyen el zwitterion neutro. En cuanto a los aminoácidos con una cadena lateral que sea un ácido fuerte o un ácido débil, el PI es el promedio de los dos valores de pka más bajos. En el caso de los aminoácidos con una cadena lateral básica, el PI es el promedio de los dos valores de pka más altos. 8

9 Así como los aminoácidos tienen sus PI, las proteínas también tienen un PI global debido a los numerosos residuos ácidos o básicos que pueden contener. Químicas. Las que afectan al grupo carboxilo, como la descarboxilación, etc Las que afectan al grupo amino, como la desaminación. Las que afectan al grupo R. PROBLEMAS DE DISCUSION.. 1. Cuántos de los aminoácidos esenciales contienen anillos aromáticos? Cuántos contienen azufre? Cuántos contienen alcoholes? Cuántos contienen cadenas laterales hidrocarbonadas? 2. Investigue el nombre común de los siguientes Aa : A,V,L,I,F,G,S,T,N,D,E. 3. Investigue cual es el aminoácido: acido pirrolidin 2-carboxilico y el acido α-amino, β-3-indol propionico. 4. Cuál es el aminoácido en el cual su formula molecular es C 6 H 15 O 2 N 4 5. Determinar el pi y el aminoacido en el cual su pk es 2.2, 9.1 y

10 Los aminoácidos se encuentran unidos en los péptidos. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación formando un enlace peptídico. Características de este enlace: Se trata de un enlace tipo amida covalente Se trata de un enlace que se establece entre el extremo α - carboxilo de un aminoácido y el extremo α - amida del siguiente. Tiene lugar conjuntamente con la formación de una molécula de agua. Estos dos "residuos" aminoacídicos forman un dipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así, sucesivamente, para formar un polipéptido. Esta reacción ocurre de manera natural en los ribosomas, tanto los que están libres en el citosol como los asociados al retículo endoplasmático. La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos o simplemente péptidos, que se denominan proteínas (estructura primaria) cuando la cadena polipeptídica supera los 50 aminoácidos Por convención siempre se escriben los péptidos con el aminoácido N-terminal a la izquierda y el aminoácido C-terminal a la derecha. Secuenciación de un péptido La posición que ocupa cada aminoácido dentro de la cadena polipeptídica, esto es la secuencia, constituye el primer nivel estructural de las proteínas, su estructura primaria. La secuencia de un péptido tiene gran importancia porque condiciona los siguientes niveles estructurales de la proteína. Nomenclatura de los péptidos. El nombre del péptido se indica utilizando las abreviaturas para cada aminoácido Los péptidos reciben el nombre de manera que se va del amino terminal al carboxilo terminal. 10

11 Los nombre de los distintos residuos se van acabando en -il, con excepción del último, donde se nombra totalmente el resto. - Ejemplo: Gly Ala Ser Glicil alanil serina PROBLEMAS DE DISCUSION. 1. La tripsina es una enzima proteolítica que hidroliza los enlaces peptídicos en los que el grupo carboxilo lo aporta la lisina o la arginina. Indique en el polipéptido formulado a continuación: a. Con un círculo, el grupo amino terminal y el grupo carboxilo terminal. b. Con un recuadro, los enlaces peptídicos. c. Cuántos aminoácidos forman el polipéptido? 3. De los seis posibles tripéptidos isoméricos con valina, tirosina y glicina. Realice las posibles estructuras y utilice la notación corta de tres letras para cada aminoácido. 4. Trace la estructura completa de H-Met-Pro-Val-Gli-His-OH 11

12 Las proteínas son biomóleculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido; si el numero de aa. que forma la molécula no es mayor de 10, se denomina oligopéptido, si es superior a 10 se llama polipéptido y si el numero es superior a 50 Aa. se habla ya de proteína. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio. a) Estructura primaria La estructura primaria viene determinada por la secuencia de aminoácidos en la cadena proteica, es decir, el número de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados Las posibilidades de estructuración a nivel primario son prácticamente ilimitadas. Como en casi todas las proteínas existen 20 aminoácidos diferentes, el número de estructuras posibles viene dado por las variaciones con repetición de 20 elementos tomados de n en n, siendo n el número de aminoácidos que componen la molécula proteica. b) Estructura secundaria La estructura secundaria de las proteínas es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta (disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio) gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico. Los puentes de hidrógeno se establecen entre los grupos -CO- y -NH- del enlace peptídico (el primero como aceptor de H, y el segundo como donador de H). De esta forma, la cadena polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por tanto, más estables. 12

13 Existen dos tipos de estructura secundaria: 1. la a(alfa)-hélice 2. la conformación beta Esta estructura se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el -C=O de un aminoácido y el -NH- del cuarto aminoácido que le sigue. En esta disposición los Aa. no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag, denominada disposición en lámina plegada. c) Estructura terciaria Se llama estructura terciaria a la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína, concepto equiparable al de conformación absoluta en otras moléculas. La estructura terciaria de una proteína es la responsable directa de sus propiedades biológicas, ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales determina su interacción con los diversos ligandos. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica (carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se puede obtener. Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces: 1. el puente disulfuro entre los radicales de aminoácidos que tiene azufre. 2. los puentes de hidrógeno 3. los puentes eléctricos 4. las interacciones hifrófobas 13

14 d) ESTRUCTURA CUATERNARIA Esta estructura informa de la unión, mediante enlaces débiles ( no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. PROPIEDADES DE PROTEINAS. 1. Especificidad. La especificidad se refiere a su función; cada una lleva a cabo una determinada función y lo realiza porque posee una determinada estructura primaria y una conformación espacial propia; por lo que un cambio en la estructura de la proteína puede significar una pérdida de la función. Además, no todas las proteínas son iguales en todos los organismos, cada individuo posee proteínas específicas suyas que se ponen de manifiesto en los procesos de rechazo de órganos transplantados. La semejanza entre proteínas son un grado de parentesco entre individuos, por lo que sirve para la construcción de "árboles filogenéticos" 2. Desnaturalización. Consiste en la pérdida de la estructura terciaria, por romperse los puentes que forman dicha estructura. Todas las proteínas desnaturalizadas tienen la misma conformación, muy abierta y con una interacción máxima con el disolvente, por lo que una proteína soluble en agua cuando se desnaturaliza se hace insoluble en agua y precipita. La desnaturalización se puede producir por cambios de temperatura, ( huevo cocido o frito ), variaciones del ph. En algunos casos, si las condiciones se restablecen, una proteína desnaturalizada puede volver a su anterior plegamiento o conformación, proceso que se denomina renaturalización CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS. Las proteínas se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios: su composición química, su estructura y sensibilidad, su solubilidad una clasificación que engloba dichos criterios es: Holoproteínas o proteínas simples. Son proteínas formadas únicamente por aminoácidos. Pueden ser globulares o fibrosas. a) Globulares Las proteínas globulares se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína y grupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventes polares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares. Algunos tipos son: Prolaminas: zeína (maíza),gliadina (trigo), hordeína (cebada) 14

15 Gluteninas: glutenina (trigo), orizanina (arroz). Albúminas: seroalbúmina (sangre), ovoalbúmina (huevo), lactoalbúmina (leche) Hormonas: insulina, hormona del crecimiento, prolactina, tirotropina Enzimas: hidrolasas, oxidasas, ligasas, liasas, transferasas...etc. b) Fibrosas Las proteínas fibrosas presentan cadenas polipeptídicas largas y una estructura secundaria atípica. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas. Algunas proteínas fibrosas son: Colágenos: en tejidos conjuntivos, cartilaginosos Queratinas: en formaciones epidérmicas: pelos, uñas, plumas, cuernos. Elastinas: en tendones y vasos sanguíneos Fibroínas: en hilos de seda, (arañas, insectos) Heteroproteínas o proteínas conjugadas Las heteroproteínas están formadas por una fracción proteínica y por un grupo no proteínico, que se denomina grupo prostético. Dependiendo del grupo prosteico existen varios tipos: a) Glucoproteínas Son moléculas formadas por una fracción glucídica (del 5 al 40%) y una fracción proteica unidas por enlaces covalentes. Las principales son las mucinas de secreción como las salivales, Glucoproteinas de la sangre, y Glucoproteinas de las membranas celulares. Algunas de ellas son: Ribonucleasa Mucoproteínas Anticuerpos Hormona luteinizante b) Lipoproteínas Son complejos macromoleculares esféricos formados por un núcleo que contiene lípidos apolares (colesterol esterificado y triglicéridos) y una capa externa polar formada por fosfolípidos, colesterol libre y proteínas (apolipoproteínas). Su función principal es el transporte de triglicéridos, colesterol y otros lípidos entre los tejidos a través de la sangre. Las lipoproteínas se clasifican según su densidad: Lipoproteínas de alta densidad Lipoproteínas de baja densidad Lipoproteínas de muy baja densidad c) Nucleoproteínas Son proteínas estructuralmente asociadas con un ácido nucleico (que puede ser ARN o ADN). El ejemplo prototípico sería cualquiera de las histonas, que son identificables en las hebras de cromatina. Otros ejemplos serían la Telomerasa, una ribonucleoproteína (complejo de ARN/proteína) y la Protamina. Su característica fundamental es que forman complejos estables con los ácidos nucleicos, a diferencia de otras proteínas que sólo se unen a éstos de manera transitoria, como las que intervienen en la regulación, síntesis y degradación del ADN. d) Cromoproteínas Las cromoproteínas poseen como grupo prostético una sustancia coloreada, por lo que reciben también el nombre de pigmentos. Según la naturaleza del grupo prostético, pueden ser pigmentos porfirínicos como la 15

16 hemoglobina encargada de transportar el oxígeno en la sangre o no porfirínicos como la hemocianina, un pigmento respiratorio que contiene cobre y aparece en crustáceos y moluscos por ejemplo. También los citocromos, que transportan electrones FUNCIONES Y EJEMPLOS DE LAS PROTEINAS. Las funciones de las proteínas son de gran importancia, son varias y bien diferenciadas. Las proteínas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada tipo de proteína y permiten a las células defenderse de agentes externos, mantener su integridad, controlar y regular funciones, reparar daños Todos los tipos de proteínas realizan su función de la misma forma: por unión selectiva a moléculas. Las proteínas estructurales se unen a moléculas de otras proteínas y las funciones que realizan incluyen la creación de una estructura mayor mientras que otras proteínas se unen a moléculas diferentes: hemoglobina a oxígeno, enzimas a sus sustratos, anticuerpos a los antígenos específicos, hormonas a sus receptores específicos, reguladores de la expresión génica al ADN Las funciones principales de las proteínas son las siguientes: a) Estructural La función de resistencia o función estructural de las proteínas también es de gran importancia ya que las proteínas forman tejidos de sostén y relleno que confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos. Ejemplo de ello es el colágeno del tejido conjuntivo fibroso, reticulina y elastina del tejido conjuntivo elástico. Con este tipo de proteínas se forma la estructura del organismo. Algunas proteínas forman estructuras celulares como las histonas, que forman parte de los cromosomas que regulan la expresión genética. Las glucoproteínas actúan como receptores formando parte de las membranas celulares o facilitan el transporte de sustancias. También es una proteína con función estructural la queratina de la epidermis b) Enzimatica Las proteínas cuya función es enzimática son las más especializadas y numerosas. Actúan como biocatalizadores acelerando las reacciones químicas del metabolismo. En su función como enzimas, las proteínas hacen uso de su propiedad de poder interaccionar, en forma específica, con muy diversas moléculas. A las substancias que se transforman por medio de una reacción enzimática se les llama substratos. Los substratos reconocen un sitio específico en la superficie de la proteína que se denomina sitio activo. Al ligarse los sustrato a sus sitios activos en la proteína, quedan orientados de tal manera que se favorece la ruptura y/o formación de determinadas uniones químicas, se estabilizan los estados de transición al mismo tiempo que se reduce la energía de activación. Esto facilita la reacción e incrementa su velocidad varios órdenes de magnitud. Las enzimas tienen una gran especificidad, por ejemplo catalizan la transformación de sólo un substrato o grupo funcional, pudiendo discriminar entre dos enantiomorfos (grupos funcionales donde los radicales de sus carbonos asimétricos se disponen al contrario) Normalmente el nombre de una enzima se forma con el nombre de la reacción que cataliza o el nombre del sustrato que transforman, terminando el nombre en "asa". Por ejemplo: a las enzimas que transfieren un átomo de oxígeno a un metabolito se les denomina oxigenasas, a las que transfieren un residuo de ácido glucurónico del ácido UDP glucurónico a un metabolito o xenobiótico, se le conoce como UDP glucuronil transferasa, a las enzimas que catalizan la adición de una de las cuatro bases a una molécula de ADN en formación se le denomina ADN sintetasa o ADN polimerasa, las que hidrolizan el ADN se le llama ADNasa, etc 16

17 Frecuentemente en la literatura se refieren en forma genérica a las enzimas que catalizan un tipo de reacción, por ejemplo a las que catalizan la oxidación de los metabolitos vía la transferencia de un átomo de hidrógeno a un determinado receptor, se les conoce como deshidrogenasas. En ocasiones se dice alcohol deshidrogenasa, o aldehído deshidrogenasa, cuando el compuesto que sede el hidrógeno es un alcohol o un aldehído. Sin embargo, en realidad las enzimas son más específicas que eso y actúan sobre un alcohol determinado y no en todos. De hecho, el nombre debería ser más específico y referirlo al nombre del substrato, por ejemplo; si el substrato es etanol la enzima debe de llamarse etanol deshidrogenasa. Hay otro tipo de reacciones en las que las enzimas que las catalizan reciben un nombre genérico, como las quinasas que catalizan la transferencia a un substrato de un ión fosfato del ATP. La glucoquinasa cataliza la fosforilación de glucosa en el carbón 6 para formar glucosa 6 fosfato. c) Hormonal Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón que regulan los niveles de glucosa en sangre. También hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento directamente involucrada en el crecimiento de los tejidos y músculos y en el mantenimiento y reparación del sistema inmunológico, o la calcitonina que regula el metabolismo del calcio. d) Defensiva Las proteínas crean anticuerpos y regulan factores contra agentes extraños o infecciones. Toxinas bacterianas, como venenos de serpientes o la del botulismo son proteínas generadas con funciones defensivas. Las mucinas protegen las mucosas y tienen efecto germicida. El fibrinógeno y la trombina contribuyen a la formación coágulos de sangre para evitar las hemorragias. Las inmunoglobulinas actúan como anticuerpos ante posibles antígenos. e) Transporte Las proteínas realizan funciones de transporte. Ejemplos de ello son la hemoglobina y la mioglobina, proteínas transportadoras del oxígeno en la sangre en los organismos vertebrados y en los músculos respectivamente. En los invertebrados, la función de proteínas como la hemoglobina que transporta el oxígeno la realizas la hemocianina. Otros ejemplos de proteínas cuya función es el transporte son citocromos que transportan electrones e lipoproteínas que transportan lípidos por la sangre. f) Reserva Si fuera necesario, las proteínas cumplen también una función energética para el organismo pudiendo aportar hasta 4 Kcal. de energía por gramo. Ejemplos de la función de reserva de las proteínas son la lactoalbúmina de la leche o a ovoalbúmina de la clara de huevo, la hordeina de la cebada y la gliadina del grano de trigo constituyendo estos últimos la reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión. g) Reguladoras Las proteínas tienen otras funciones reguladoras puesto que de ellas están formados los siguientes compuestos: Hemoglobina, proteínas plasmáticas, hormonas, jugos digestivos, enzimas y vitaminas que son causantes de las reacciones químicas que suceden en el organismo. Algunas proteínas como la ciclina sirven para regular la división celular y otras regulan la expresión de ciertos genes. h) Contracción muscular La contracción de los músculos través de la miosina y actina es una función de las proteínas contráctiles que facilitan el movimiento de las células constituyendo las miofibrillas que son responsables de la contracción de los músculos. En la función contráctil de las proteínas también está implicada la dineina que está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos. i) Función homeostática Las proteínas funcionan como amortiguadores, manteniendo en diversos medios tanto el ph interno como el equilibrio osmótico. Es la conocida como función homeostática de las proteínas. 17

18 . Enzimas o Catalizadores son sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan su velocidad. Las enzimas no hacen factibles las reacciones imposibles sino que, sencillamente, aceleran las que tendrían lugar de manera espontánea (aquéllas con un G<0). Gracias a ellas tienen lugar, en condiciones fisiológicas, reacciones que, sin catalizador, requerirían condiciones extremas de p resión, temperatura o de ph. Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. La sustancia sobre la que actúa la enzima se llama sustrato. El sustrato se une a una región concreta de la enzima, denominada centro activo. El centro activo comprende: un sitio de unión, formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción Las enzimas son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción y, casi siempre, utiliza un único sustrato Ecuación general: E + S ES P + E NOMENCLATURA Y CLASIFICACION. Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis de la arginina. Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa cataliza la deshidrogenación (oxidación) del Gliceraldehído-3-fosfato a 3-fosfoglicerato. Incluso algunas se conocen de hace mucho tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción que catalizan (tripsina) - Existen 6 clases principales de enzimas, dentro de las cuales podemos encontrar subclases y clases inferiores, todo esto acompañado por un número de clasificación. - Ejemplo: - EC LPL lipoproteína lipasa. - El nombre sistemático, que se usa en publicaciones, describe la reacción sobre la que actúa el enzima. 18

19 Clasificación. 19

20 PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS. Las propiedades de las enzimas derivan del hecho de ser proteínas y actuar como catalizadores. Como proteínas, poseen una conformación natural más estable y los cambios en esta conformación suelen ir asociados a cambios en la actividad catalítica. Todas las enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH; amino - NH2; hidroxilo -OH; tiol - SH; imidazol, etc.) tanto en sus extremos como en las cadenas laterales de sus aminoácidos. En función del ph del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un ph en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado ph óptimo. Así, la pepsina gástrica tiene un ph óptimo de 2 y la tripsina pancreática lo tiene a ph 7,8. La mayoría de las enzimas son muy sensibles a los cambios de ph. Desviaciones de unas pocas décimas por encima o por debajo del ph óptimo pueden afectar drásticamente la actividad enzimática. Por este motivo, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos complejos para mantener estable el ph intracelular. Los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas. Como regla general, un incremento de 10 ºC en la temperatura duplica la velocidad de la reacción. Las reacciones catalizadas por enzimas también siguen esta pauta. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse. A veces, para que una enzima funcione se requiere la presencia de otras sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis: Los cofactores son iones inorgánicos (como, por ejemplo, el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc.) imprescindibles para la actividad enzimática. Se calcula que casi un tercio de las enzimas conocidas requieren, al menos, de un ión metálico para su actividad. 20

21 Cuando el cofactor es una molécula orgánica se suele llamar coenzima. Muchas de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas. A menudo, las coenzimas actúan como aceptores temporales de un fragmento del sustrato. Cuando el ión inorgánico o la coenzima se encuentran unidos covalentemente a la enzima se denominan grupos prostéticos. La forma activa de una enzima se llama holoenzima. La parte proteica de una holoenzima se llama apoenzima de forma que: apoenzima + cofactor/coenzima/grupo prostético = holoenzima Resumen del Poder catalítico de los enzimas - Como catalizadores: - Aceleran la velocidad de las reacciones. - Son eficaces en pequeñas cantidades. - Su estado inicial es igual a su estado final. - No alteran el equilibrio de las reacciones que catalizan. - No afectan a la G - Como proteínas: - Son termolábiles, es decir, son sensibles a la temperatura - Son más eficientes que los catalizadores químicos. - Son muy específicos. - Su regulación es muy compleja. - La especificidad reside en unos aminoácidos específicos, que conforman 2 centros diferentes: - El centro catalítico y el centro de unión al sustrato, que conjuntamente conforman el centro activo. PROBLEMAS DE DISCUSION. 1. Qué tipo de enzima cataliza cada una de las siguientes reacciones? a) b) c) d) e) 21

22 f) 2. Según la siguiente grafica en la que muestra los valores de ph en el eje de las ordenadas y el porcentaje de máxima actividad enzimática en las abscisas, responda a las siguientes preguntas: Cuál es el ph optimo de cada una de las enzimas mostradas en la figura? A que ph la actividad se reduce a la mitad? A que ph la actividad enzimática se ve reducida al mínimo? 3. La siguiente grafica A muestra la variación de la actividad de dos enzimas a distintos ph. Explique lo que sucede en la relación de la velocidad a diferentes ph de las dos enzimas. 4. La grafica muestra la actividad de la misma enzima a distintas temperaturas, luego de ser sometida a distintos tratamientos. Explique por qué la enzima tiene diferente actividad a 30 o C 22