CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Facultad de Agronomía Curso de Bioquímica

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1 CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Facultad de Agronomía Curso de Bioquímica

2 INTRODUCCIÓN El término proteína fue utilizado por primera vez por el químico Gerardus Mulder en Vocablo griego proteicos = primordial o de nivel primario. Las proteínas son un grupo de biopolímeros construidos por aminoácidos y que poseen numerosas estructuras y funciones.

3 INTRODUCCIÓN La composición y secuencia de aminoácidos en cada proteína es lo que le permite plegarse en un arreglo tridimensional. Desempeñan variedad de funciones: soporte estructural, otras transportan y almacenan moléculas pequeñas, otras son moléculas que sirven como protección (anticuerpos), otras son catalizadores biológicos (enzimas) y algunas son hormonas.

4 4.1 PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS

5 LOS AMINOÁCIDOS Un aminoácido es una molécula orgánica que posee por lo menos un grupo carboxilo (un ácido orgánico) y un grupo amino (una base orgánica).

6 Alfa-aminoácidos

7 Alfa aminoácidos Por esta distribución de los grupos funcionales alrededor del carbono central alfa, a estos aminoácidos se les llama con frecuencia alfa-aminoácidos.

8 Isomería óptica de los aminoácidos El carbono alfa tetraédrico de cada aminoácido lleva unido cuatro átomos o grupos químicos distintos, a excepción de la glicina (R=H), por consiguiente es un centro de quiralidad. Como resultado de este tipo de arreglo, existen dos estereoisómeros o imágenes especulares que no se pueden superponer enantiómeros (L y D)

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10 ISOMERÍA ÓPTICA DE LOS Existen moléculas que coinciden en todas sus propiedades excepto en su capacidad de desviar el plano de luz polarizada. Uno de ellos desvía la luz hacia la derecha: (+), o dextrógiro Otro la desvía en igual magnitud pero hacia la izquierda: (-) o levógiro. AMINOÁCIDOS

11 ISOMERÍA ÓPTICA DE LOS Su comportamiento frente a la luz polarizada se debe a que la molécula carece de plano de simetría Exsiten dos isómeros que son cada uno la imagen especular del otro, como la mano derecha lo es de la izquierda (Ambas manos no son iguales-el guante de una no encaja en la otra-) AMINOÁCIDOS

12 ISOMERÍA ÓPTICA DE LOS AMINOÁCIDOS Los isómeros ópticos también sellaman enantiómeros, enantiomorfos o isómeros quirales. El caso más frecuente de ausencia de plano de simetría se debe a que algún carbono tetraédrico está unido a cuatro radicales distintos. Este carbono recibe el nombre de carbono asimétrico.

13 NOMENCLATURA L-D

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16 Racemización Es el paso de una unión químicamente activa a un racemato (mezcla equimolecular de los estereoisómeros D- y L-, por lo que no es desviado el plano de luz polarizada. Los alfa-aminoácidos aislados de las proteínas se transforman, por calentamiento o por valores de ph extremo, en racematos, es decir, en una mezcla equimolecular de L- y D- alfa-aminoácidos.

17 ph y Cargas de los aminoácidos

18 ph y cargas de aminoácidos

19 100% ión negativo 50% ión negativo 50% dipolo 50% ión positivo 50% dipolo 100% dipolo 100% ión positivo

20 Ecuación de Henderson- Hasselbalch

21 Curva de titulación ácido-base del aminoácido glicina Las especies iónicas predominantes están en función de los distintos valores de ph. Solo existe una especie al principio de la titulación (especie positiva), al final (especie negativa) y cuando el ph = phi (dipolo neutro o especie isoeléctrica). Entre estos puntos, existen dos especies en igual concentración, cuando los valores de ph = pka

22 PUNTO ISOELÉCTRICO El punto isoeléctrico es el ph al que una sustancia anfótera tiene carga neta cero.

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24 RESUMEN Un aminoácido es una molécula orgánica que posee por lo menos un grupo carboxilo (un ácido orgánico) y un grupo amino (una base orgánica). El carbono alfa es tetraédrico El carbono alfa tetraédrico de cada aminoácido (con excepción de la glicina) es un centro de quiralidad. Para cada aminoácido (excepto la glicina) existen dos estereoisómeros o imágenes especulares que no se pueden superponer.

25 RESUMEN Características de los 20 alfa amioácidos: sólidos blancos, cristalinos y con alto punto de fusión; solubles en agua e insolubles en solventes orgánicos como acetona, cloroformo y éter. Las soluciones acuosas de aminoácidos son conductoras de la electricidad. En el ph fisiológico (ph = 7.4) los aminoácidos existen como especies iónicas dipolares (zwitteriones). El grupo carboxilo con un pka de 2.3 disocia un protón, al igual que el grupo NH3+ con un pka de 9.7.

26 CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

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33 REACTIVIDAD DE LOS AMINOÁCIDOS Los grupos carboxílicos se pueden trasforman en ésteres o amidas. Los grupos amino se pueden transforman en amidas. Los grupos hidroxilo de cadena lateral reaccionan con ácidos para formar ésteres. El grupo carboxilo de un aminoácido pueden enlazarse con el grupo amino de otro aminoácido y formar un enlace peptídico o amido. La composición de aminoácidos de una proteína se puede determinar por: a) degradación de la proteína en sus aminoácidos individuales; b) separación de los aminoácidos y c) identificación y cuantificación de los aminoácidos.

34 4.2 Polipéptidos y proteínas

35 Enlace peptídico o amido Se pueden unir dos alfa-aminoácidos mediante la formación de un enlace amido o peptídico. Esta reacción se define como una reacción de condensación, con pérdida de una molécula de agua. A cada aminoácido incorporado en el polipéptido se le denomina residuo.

36 Enlace peptídico

37 Polipéptidos Sin importar cuántos aminoácidos estén unidos por enlaces peptídicos se distinguen dos extremos: un amino terminal y un carboxilo terminal. Los péptidos se escriben y se enumeran desde el extremo amino (a la izquierda) hacia el carboxilo terminal (a la derecha).

38 Reacciones químicas de los péptidos Las reacciones químicas de los péptidos son características de sus grupos. Las cadenas R muestran reactividad química semejante a los aminoácidos libres. Los grupos hidroxilo de los residuos de tirosina y serina se transforman en ésteres al reaccionar con ácido fosfórico. La ruptura de los enlaces peptídicos se pueden llevar a cabo mediante hidrólisis ácida, básica o catalizada por enzimas (peptidasas).

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40 4.3 Función de las proteínas

41 Clasificación de las proteínas de acuerdo a sus funciones biológicas Cada tipo de proteína, con su secuencia particular de residuos de aminoácidos, tiene forma, tamaño y función biológica característica. Estructurales Enzimas Transporte y almacenamiento Contracción muscular y movimiento Del sistema inmunológico Reguladoras y receptoras

42 4.4 Tamaño, composición y propiedades de la proteína

43 Peso molecular, tamaño y composición Cada tipo de proteína está codificado por un gen. El peso molecular es una propiedad que puede encontrarse al sumar los pesos moleculares de los residuos aminoácidos. Se puede hacer una estimación del peso molecular de una proteína al multiplicar el número de residuos de aminoácidos por el PM promedio de un residuo, que es 110.

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45 Composición Las proteínas que constan de una sola cadena se denominan monoméricas. Las proteínas que constan de dos o más cadenas de polipéptidos son oligoméricas. Muchas de éstas se mantienen unidas por interacciones no covalentes. También se dice que una proteìna tiene múltiples subunidades cuando cada péptido se toma como una subunidad. Las subunidades pueden ser idénticas o distintas.

46 Clasificación de las proteínas según su composición Proteínas simples: Las que se forman sólo de residuos de aminoácido y no tienen otras biomoléculas. Proteínas conjugadas: Son las que además de residuos contienen otro grupo químico (grupo prostético) que puede ser una moléculas orgánica o un átomo metálico. El par grupo prostético-proteína tiene más efectividad biológica que la proteína simple.

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49 Propiedades fisiológicas de una proteína en base a sus cargas Las propiedades fisiológicas de una proteína también depende de la naturaleza de las cadenas laterales R de los residuos (ph=7). La carga eléctrica de una proteína en el ph fisiológico está determinada por la suma de todas las cargas de la cadenas laterales R. La carga positiva en el N-terminal y la carga negativa del C-terminal se cancelan mutuamente

50 Clasificación de las proteínas en base a la solubilidad en agua Proteínas globulares: son solubles en agua y desempeñan un papel dinámico en el transporte, protección inmunológica, la catálisis; éstas proteínas se disuelven en los fluidos biológicos por lo que se espera que tengan un contenidos alto de residuos de aminoácidos con grupos polares y grupos R con carga.

51 Clasificación de las proteínas en base a la solubilidad en agua Proteínas fibrosas: son insolubles en agua y están representadas por proteínas estructurales. Se puede decir que las proteínas fibrosas tienen un contenidos relativamente alto de residuos aminoácidos con grupos hidrofóbicos o grupos R neutros. Las proteínas fibrosas adoptan en los organismos una conformación ordenada y algo rígida, además tiene una elevada fuerza de tensión

52 4.5 Los cuatro niveles de la estructura proteica

53 Conformación nativa La actividad funcional de una proteína en las condiciones celulares depende de su plegamiento en una estructura tridimensional particular denominada conformación nativa. Esta conformación y organización de proteínas se puede establecer en cuatro niveles: Estructura primaria Estructura secundaria Estructura terciaria Estructura cuaternaria

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55 Estructura primaria Se define como la secuencia de residuos de aminoácidos de una proteína. Los residuos se unen mediante enlaces peptídicos. La secuencia de aminoácidos de una proteína tiene importancia genética porque procede de la secuencia de bases de nucleótidos del ARNm, el cual se transcribe a su vez de una secuencia de nucleótidos (gen) que reside en el ADN. La estructura primaria prepara a la proteína para los otros tres niveles de organización.

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57 Estructura secundaria Determinadas regiones de la secuencia primaria se pliegan en una estructura regular repetida o estructura secundaria. Estas estructuras pueden ser de dos tipos principales: Una hélice alfa Una lámina o conformación beta

58 Estructura secundaria Cuando una proteína se pliega de forma que oculta en su interior los residuos hidrófobos de los aminoácidos, también envuelve parte del esqueleto polipéptido polar hacia un ambiente no polar. Las unidades N C y C=O polares del interior de la cadena proteína se neutralizan mediante puentes de hidrógeno.

59 La hélice alfa Estructura en forma de barra formada por un esqueleto polipéptido enrollado. Las cadenas laterales R se extienden hacia afuera de la cadena principal. Las principales interacciones que mantienen a la unidad polipéptida en esta posición, son los puentes de hidrógeno que se forman entre el N H de un residuo de aminoácido y el grupo C=O del cuarto residuo más adelante en la cadena.

60 La hélice alfa Los puentes de hidrógeno están paralelos al eje principal por lo que permiten el estiramiento. La hélice tiene 3.6 residuos por vuelta. Los enlaces de hidrógeno no se forman entre las cadenas laterales R. Una hélice alfa puede enrollarse girando hacia la derecha o hacia la izquierda. Los L- aminoácidos favorecen la conformación de hélice alfa hacia la derecha.

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63 Por qué la estable hélice alfa no predomina en todas la proteínas? La estructura primaria determina la estructura tridimensional de las proteínas. La presencia de algunos aminoácidos favorece la formación de hélice alfa. El principal factor que impone la estructura de hélice alfa es la magnitud de las interacciones entre las cadenas R adyacentes.

64 Por qué la estable hélice alfa no predomina en todas la proteínas? Las cadenas laterales grandes como las de la aparagina, tirosina, serina, treonina, isoleucina y cisteína desestabilizan la hélice alfa. Un contenido alto de residuos de glicina tampoco es muy favorable para la hélice alfa. Las cadenas laterales R adyacentes con cargas semejantes se repelen y desestabilizan la hélice alfa.

65 Láminas beta En la configuración beta, la cadena de polipéptido está casi totalmente extendida, los puentes de hidrógeno pueden formarse entre varias cadenas o dentro de una misma cadena y la lámina beta se construye por la combinación de dos o más regiones del mismo polipéptido.

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68 Cuestionamiento Se ha aislado una proteína de insecto desconocida. Su composición de aminoácidos es la siguiente: 45% de glicina, 30% de alanina, 12% de serina, 5% de tirosina, 2% de valina y 6% de otros aminoácidos. Responder las siguientes preguntas acerca de la proteína desconocida. Cuál es la estructura secundaria esperada? La proteína es fibrosa o globular? Se esperaría que la proteína fuese soluble en agua?

69 Cuestionamiento Cuál es la estructura secundaria esperada? Lámina β La proteína es fibrosa o globular? Fibrosa. Se esperaría que la proteína fuese soluble en agua? Insoluble en agua.

70 Estructura Terciaria Los elementos de la estructura secundaria pueden interactuar y replegarse como una unidad globular compacta denominada estructura terciaria.

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72 Estructura cuaternaria El cuarto nivel o estructura cuaternaria define la asociación de dos o más cadenas polipéptidas para formar una proteína de varias subunidades.

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75 5.1 Principios generales del diseño de proteínas

76 Influencia de la estructura primaria Primer principio: la estructura primaria tiene una gran influencia en la estructura tridimensional de una proteína. El primer paso en el análisis de una proteína es la determinación de la secuencia de nucleótidos que la conforman.

77 Influencia de la estructura primaria Cierto tipo de aminoácidos y secuencias favorecen determinadas estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias.

78 CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Facultad de Agronomía Curso de Bioquímica