Hay 20 aminoácidos diferentes, implicados en la formación de las proteínas, conocidos como los aminoácidos id estándares.

Transcripción

1 Aminoácidos 1

2 Introducción a proteínas Las proteínas están constituidas básicamente por unidades elementales (monómeros) denominadas aminoácidos. Hay 20 aminoácidos diferentes, implicados en la formación de las proteínas, conocidos como los aminoácidos id estándares. d 2

3 Los α-aminoacidos ESQUELETO DIFERENCIAL O ESQUELETO COMUN CADENA LATERAL R CH C OH GRUPO α-carboxilo CARBONO α NH 2 GRUPO α-amino 3

4 O H 2 N CH OH H 2 C H 2 H N CH O C OH H Glicina (Gly) CH 2 CH 2 Prolina (Pro) Como se ha indicado, estos aspectos estructurales son comunes a todos los aminoácidos, id con la excepción de la glicina, que tiene un hidrógeno unido al carbono α, y de la prolina, que es propiamente un iminoácido, no un aminoácido. 4

5 Estereoquímica de los aminoácidos CHO COOH HO H H 2 N H CH 2 OH CH 2 OH L-Gliceraldehido (monosacárido) L-Serina (α-aminoácido) Todos los aminoácidos, con la excepción de la glicina, que tienen un carbono α asimétrico (quiral), pueden existir en principio en dos formas estereoquímicas, la forma L y la forma D. 5

6 Salvo contadas excepciones, todos los aminoácidos constituyentes de las proteínas presentan configuración L. (α-l-aminoacidos.) De aquí que omitiremos la designación de isómero óptico en nuestra discusión de las proteínas, puesto que siempre se supondrá que se trata del isómero L a menos que indique lo contrario. 6

7 Clasificación de los aminoácidos Desde el punto de vista nutricional: Aminoácidos esenciales, aquellos aminoácidos que no pueden ser sintetizados por el organismo a la velocidad y en la cantidad requerida y deben ser suministrados por la dieta. Aminoácidos no esenciales, aquellos aminoácidos que son sintetizados por el organismo 7

8 Los aminoácidos se pueden clasificar de acuerdo a su cadena lateral en: polar o no polar. A su vez los aminoácidos polares pueden subdividirse de acuerdo a los grupos funcionales que presentan en su cadena lateral polar como: Acidos, Básicos y Neutros. APOLAR Aminoácidos Según cadena lateral HIDRÓFOBOS POLAR HIDROFÍLICOS ÁCIDOS BASICOS NEUTROS 8

9 A. -Aminoácidos cadena lateral apolar Serán aquellos que contienen en su grupo R: 1.- Hidrógeno 2.- Cadena hidrocarbonada ciclada con el grupo α-amino 3.- Cadena hidrocarbonada 4. Cadena aromática 9

10 CH 3 O O C H 3 CH CH C OH H 2 N CH OH NH 2 H Valina (Val) Glicina (Gly) H 2 C H N CH O C OH CH 2 O OH CH 2 CH 2 HO NH 2 Prolina (Pro) Tirosina (Tyr) 10

11 B.-Aminoácidos cadena lateral polar básica Serán aquellos que contienen en su grupo R: 1. Otro grupo amino O H 2 N CH 2 CH 2 CH 2 CH2 OH NH 2 Lisina (Lys) 11

12 C.- Aminoácidos cadena lateral polar ácida Serán aquellos que contienen en su grupo R: 1. Otro grupo carboxilo O O HO C CH 2 CH 2 OH NH 2 Acido Glutámico (Glu) 12

13 D.- Aminoácidos cadena lateral polar neutra Serán aquellos que contienen en su grupo R: 1. Cadena con grupo amida 2. Cadena con grupo hidroxilo 3. Cadena con grupo sulfhidrilo 4. Cadena con grupo tioéter 13

14 CH 3 O NH 2 O HO CH OH O C CH 2 CH 2 OH NH 2 Treonina (Thr) O NH 2 Glutamina (Gln) O C H 3 S CH 2 CH 2 CH OH HS CH 2 OH NH 2 NH 2 Metionina (Met) Cisteína (Cys) 14

15 PROPIEDADES ÁCIDO-BASE DE LOS AMINOÁCIDOS El grupo ácido carboxílico (COOH) es un ácido, presenta dos formas las cuales dependen del ph de la solución donde se encuentran. R COOH H + R COO - + Forma ácida Forma básica 15

16 El grupo amino (NH 2 2) es una base, por lo tanto, presenta dos formas las cuales dependen del ph de la solución donde se encuentran. R NH 3 + H + + R NH 2 Forma ácida Forma básica 16

17 Si analizamos a los aminoácidos observamos que: a) Cuando un aminoácido está en una solución cuyo ph es inferior a 2, el grupo α-carboxilo está en su forma áid ácida (i (sin carga) yel grupo α-aminoi está en su forma ácida (con carga +1). El aminoácido se encuentra principalmente como la especie Protonada (carga neta positiva) O R CH C OH NH

18 b) Cuando un aminoácido está en una solución cuyo ph es superior a 9, el grupo α-carboxilob está en su forma básica (con carga -1) y el grupo α-amino está en su forma básica (sin carga). El aminoácido se encuentra preferentemente como la especie No-Protonada (carga neta negativa) O R CH C O - NH 2 18

19 c) Hay un valor de ph, característico para cada aminoácido, en el cual la disociación de cargas positivas y negativas se iguala y, por lo tanto, la carga total del aminoácido es nula, el aminoácido se encuentra como la especie Zwitterion. Aeste valor de ph se le denomina punto isoeléctrico (pi). 19

20 SISTEMAS DE EQUILIBRIO Caso 1: Aminoácido con cadena lateral Apolar o Polar Neutra (cadena lateral no ionizable) + H 3 N O OH + H N pka 3 O - 1 =2,34 pka 2 =9,69 O H 2 N O O - CH 3 CH 3 CH 3 Carga +1 Carga 0 Carga -1 ph<pka ph=pi 1 ph>pka 2 20

21 Caso 2: Aminoácido con cadena lateral Polar Ácida (cadena lateral ionizable) HO + H 3 N O OH + H 3 N O + H 3 N O - O - pka 1 =1,88 pka R =3,65 - pka 2 =9.60 HO O O O - H 2 N O O - O O O O Carga +1 Carga 0 Carga -1 Carga -2 ph<pka 1 ph=pi pka R <ph<pka 2 ph>pka 2 21

22 Caso 3: Aminoácido con cadena lateral Polar Básica (cadena lateral ionizable) + H 3 N O O O O OH + H 3 N H 2 N H 2 N O - O - O - pka 1 =2,18 pka 2 =8,95 pka R =10,53 NH 3 + NH 3 + NH 3 + NH 2 Carga +2 Carga +1 Carga 0 Carga -1 ph<pka 1 pka 1 <ph<pka 2 ph=pi ph<pka R 22

23 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS AMINOÁCIDOS Son insolubles en disolventes no polares, y su moderada solubilidad en agua depende del ph en el que se encuentren. Siendo menos soluble en agua cuando se encuentra como Zwitterion, es decir, cuando el ph = pi y más soluble a ph extremos, es decir, muy ácidos o muy básicos. A ph fisiológico (ph 7,4) el grupo α-carboxilo se encuentra desprotonado y el grupo α-amino protonado. 23

24 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS AMINOÁCIDOS Dos moléculas de aminoácidos pueden establecer enlaces covalentes entre el carbono carboxilo del grupo α-carboxilo de un aminoácido y el nitrógeno del grupo α-amino de otro. Esta unión, denominada enlace peptídico, corresponde al grupo funcional amida y se produce con pérdida de agua. H H H O R H 2 N C COOH H + 2 N C COOH H 2 N C C N C COOH + H 2 O R R R H H 24

25 Enlace peptídico pp 25

26 Es posible seguir agregando unidades aminoacídicas con el mismo tipo de unión para formar tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, etc. Cada vez que se añade un aminoácido a la cadena, debe eliminarse una molécula de agua. Así la porción de cada aminoácido que permanece en la cadena se denomina residuo de aminoácido. 26

27 Cadena Peptídica Toda cadena peptídica p tiene un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo α-amino libre; por convención, se considera a éste como el comienzo de la cadena (se escribe en el extremo izquierdo) y se le llama extremo amino o residuo N- terminal. Toda cadena polipeptídica tiene un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo α- carboxilo libre; por convención, se considera a éste como el final de la cadena (se escribe en el extremo derecho) y se le llama extremo carboxilo o residuo C-terminal. 27

28 28

29 Cuando la cadena polipeptídica p p tiene 50 unidades de aminoácidos, lo cual corresponde a una masa molecular aproximadamente mayor a 6000, la molécula es considerada una proteína. Por debajo de esa masa, se acostumbra a designarlos simplemente como péptidos. No hay un límite preciso entre péptidos y proteínas; el valor de 6000 como masa molecular es arbitrario y se ha elegido porque es la masa aproximada de insulina, hormona producida en el páncreas y primera proteína cuya estructura completa fue conocida con exactitud. 29

30 Proteínas 30

31 Conceptos generales Las proteínas desempeñan papeles cruciales en prácticamente todos los procesos biológicos. El alcance de sus funciones es enorme, por un lado, forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, uñas, etc.) y, por otro, desempeñan funciones metabólicas y reguladoras (asimilación de nutrientes, transporte de oxígeno y de grasas en la sangre, inactivación de materiales tóxicos o peligrosos, etc.). 31

32 Clasificación de las proteínas Según su forma: Fibrosas: presentan cadenas polipeptídicas largas y una atípica estructura secundaria. Son insolubles en agua. Algunos ejemplos de estas son la queratina y colágeno. Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta. Son solubles en agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas, proteínas de transporte, ta spote,son ejemplo de proteínas pote asglobulares. 32

33 Según su composición química: Simples o holoproteínas, su hidrólisis sólo produce aminoácidos. Ejemplos de estas son la insulina y el colágeno. Conjugadas o heteroproteínas, su hidrólisis produce aminoácidos y otras sustancias no proteicas llamado grupo prostético. 33

34 El grupo prostético puede ser un ion metálico o moléculas orgánicas pequeñas, el cuál clasifica a las proteínas conjugadas, por ejemplo: Glucoproteínas, contiene glúcidos, un oligosacarido unido covalentemente a la proteína (inmunoglobulina G) Lipoproteínas, contiene lípidos, generalmente un ácido graso (LDL y HDL) Fosfoproteínas, contiene al ácido fosfórico (Caseína) Nucleoproteínas, contiene un ácido nucleico (Histona) 34

35 Estructura de una proteína La estructura de una proteína es muy compleja, razón por la cual resulta conveniente describirla en distintos niveles de organización. 35

36 1.- Estructura primaria La estructura primaria corresponde a la secuencia definida de los residuos de aminoácidos presentes en la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos id se encuentran. El orden de aminoácidos influye en la conformación final y, en consecuencia, en la función y especificidad de la proteína. 36

37 Para mayor comprensión de la estructura primaria, se debe tener en cuenta los siguientes hechos. a) Los cuatro átomos directamente vinculados al enlace peptídico (O, C, N e H) se encuentran en el mismo plano, al igual que los carbono α unidos al carbono y al nitrógeno del enlace amida. El enlace peptídico es coplanar. 37

38 b) Cada enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace y no puede rotar libremente. c) El oxígeno carbonilo (C=O) tiene carga parcial negativa y el nitrógeno amidico (N-H) carga parcial positiva, lo que da lugar a un pequeño dipolo eléctrico. C H 3 O CH 3 O - CH 3 C N C N + H H 3 C H 38

39 d) Los átomos de oxígeno e hidrógeno de cada enlace peptídico se encuentran en disposición trans. 39

40 e) La rotación es libre en los enlaces C α -CyN-C α. Los ángulos de rotación de los enlaces se denominan por convención ψ (psi) para el enlace C α -C y φ (phi) para el enlace N-C α. 40

41 f) Cada enlace peptídico en relación con el siguiente guardan una suerte de disposición preferentemente trans. g) Las cadenas laterales ( R) de cada aminoácido, guardan una disposición preferentemente trans una con la otra. 41

42 h) Toda proteína posee un extremo amino terminal y un extremo carboxilo terminal. 42

43 2.- Estructura secundaria Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro, adquieren una disposición espacial estable y regular, la estructura secundaria. La estructura secundaria corresponde a un plegamiento regular local de la proteína. Existen unas pocas clases básicas de estructuras secundarias, siendo las más comunes: a) La forma α-hélice b) La forma β-plegada 43

44 a) Estructura α -hélice Se produce cuando la cadena polipeptídica gira sobre si misma originando un cilindro donde los enlaces peptídicos se unen por fuerzas de atracción del tipo puente de hidrogeno a otro enlace peptídico. De esta forma se producen enrollamiento helicoidales en los que la cadena lateral de los aminoácidos se proyectan hacia el exterior de la hélice. α -hélice 44

45 45

46 Restricciones a la estabilidad de la α-hélice: Repulsión o atracción electrostática entre cadenas laterales próximas. Efecto estérico de tamaño. Efecto Prolina Interacciones entre los aminoácidos de los extremos de la hélice y el dipolo eléctrico inherente a esta estructura 46

47 b) Estructura β -plegada Hoja β -plegada Corresponde a un pliegue en forma de zigzag de manera que se establecen fuerzas de atracción del tipo puente de hidrógeno entre los enlaces peptídicos de forma transversal, que pueden ser intracatenarios, es decir, entre residuos de la misma cadena polipeptídica, o bien intercatenarios, es decir, entre residuos de cadenas polipeptídicas distintas. 47

48 48

49 Las interacciones adicionales que se producen entre las cadenas laterales de los aminoácidos pueden estabilizar o desestabilizar la estructura β-plegada. Cuando dos o más hojas plegadas paralela o antiparalelas se encuentran densamente empaquetadas en una proteína, los grupos R de las superficies de contacto deben ser relativamente pequeños para permitir el empaquetamiento. 49

50 Características de las dos formas de estructuras secundarias más comunes α-hélice La hélice es de tipo 3,6 r13 y dextrogira. El esqueleto es compacto. Se estabiliza por una interacción intermolecular puente de hidrógeno entre los enlaces peptídicos, de tal manera que cada oxigeno carbonilo del residuo n, esta unido por puente de hidrogeno al nitrógeno amida del residuo n+4, en dirección N C terminal. Por lo tanto, hay un puente de hidrogeno cada 4 enlaces peptídicos Los puentes de hidrógeno intrahelicoidales son casi paralelos al eje de la hélice con los grupos carbonilo apuntando hacia el extremo carboxilo-terminal. Todos los grupos R quedan proyectados hacia fuera de la hélice. El interior de la hélice es hidrofóbica hoja β-plegada El esqueleto se encuentra extendida en zig-zag. Se estabiliza por una interacción intermolecular puente de hidrógeno entre los enlaces peptídicos de forma transversal, que pueden ser intracatenarios, es decir, entre residuos de la misma cadena polipeptídica, o bien intercatenarios, es decir, entre residuos de cadenas polipeptídicas distintas. Los grupos R de las cadenas laterales por lo general son pequeños (glicina y alanina) para favorecer el empaquetamiento denso. Los grupos R de las cadenas laterales de residuos de aminoácidos adyacentes sobresalen de la estructura en direcciones opuestas. Las cadenas polipeptídicas pueden ser paralelas (con la misma orientación amino-carboxilo en el polipeptido) o antiparalelas (con orientaciones opuestas). 50

51 3.- Estructura terciaria La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular. Razón por la cual, algunos autores, a menudo, las denominan proteínas globulares. 51

52 A diferencia de la estructura secundaria, la estructura terciaria de la mayor parte de las proteínas es específica de cada molécula y es determinante en su función. Muchas proteínas globulares llevan un grupo prostético, moléculas pequeñas que pueden estar enlazadas de modo covalente o no covalente a la proteína y capacitarla para que cumpla funciones especiales. 52

53 El plegamiento para formar la estructura terciaria no es inmediato, primero se agrupan o combinan conformaciones α-hélice y β-plegada conformando lo que se denomina dominio, que luego se articulan para formar laestructura t terciaria i definitiva. iti Dominio es una región compacta plegada localmente Los dominios están unidos entre sí mediante una hebra de seguimiento La mayoría de las proteínas globulares pequeñas tienden a presentar un dominio, mientras que las más grandes presentan más de un dominio. 53

54 54

55 Los residuos hidrófobos se sitúan principalmente en el interior, mientras que los residuos hidrófilos están en la superficie i exterior, en contacto t con el agua. Estructura terciaria de la proteína triosa fosfato isomerasa (TPI) No todas las partes de las proteínas globulares pueden clasificarse convenientemente como hélice, lamina plegada o giros, a estas regiones se les denomina ovillos aleatorios 55

56 4.- Estructura cuaternaria Este nivel de organización es propio de aquellas proteínas formadas por más de una cadena polipeptídica. La estructura cuaternaria corresponde a agregados específicos de dos o más cadenas polipeptídicas plegadas. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero o subunidad. 56

57 Las subunidades pueden ser idénticas o muy diferentes entre si. El número de subunidades varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápside del virus de la poliomielitis, que consta de 60 subunidades proteicas. La proteína más grandes, es la piruvato deshidrogenasa, que se localiza en las mitocondrias, contiene 72 cadenas polipeptídicas. 57

58 La fosfatasa alcalina totalmente funcional, mostrada abajo, contiene dos cadenas polipeptídicas, cada una con un sitio activo capaz de hidrolizar el fosfato. Este es un ejemplo de un homomultímero, donde ambas subunidades son idénticas. 58

59 Las proteínas con la estructura cuaternaria pueden también ser heteromultímeros, como en el caso de hemoglobina, cuyas subunidades no son del todo idénticas. La hemoglobina es una proteína con cuatro polipéptidos, dos alfaglobinas (una se muestra en blanco y la otra en verde) y dos beta-globinas (una se muestra en azul oscuro y la otra en tono púrpura). 59

60 Estabilización de la estructura terciaria y cuaternaria La estabilización es responsabilidad de las fuerzas de atracción que se generan entre las cadenas laterales de los aminoácidos que conforman la proteína. No Covalentes Puente de Hidrogeno y/o Van der Walls Covalentes Puente disúlfuro Ionicas Puente Salino 60

61 CARGA CARGA o PUENTE SALINO Principalmente interacciones entre aminoácidos ácidos y básicos ionizados. Dependientes del ph del medio PUENTES DE HIDROGENO FUERZAS DE VAN DER WAALS PUENTES DISULFURO Cadenas laterales dadoras o receptoras de puente -OH de Serina o Treonina -NH 2 de Asparagina no ionizado -COOHde Acido Glutámico no ionizadoi -NR 2 del anillo de Histidina. Cd Cadenas lt lateralesl apolares Enlace covalente que se produce entre residuos de Cisteína. 61

62 Fuerzas de Van der Walls --COO - + NH 3 - Puente Salino ----CH S----S----CH Puente Disúlfuro O H H O Puente de Hidrogeno 62

63 Propiedades de las proteínas Desnaturalización: Al desnaturalizarse una proteína, esta pierde solubilidad en el agua y precipita, se hace menos soluble o insoluble. A la conformación fisiológicamente activa de una proteína se denomina estructura nativa y es muy sensible a los cambios que pueden ocurrir en su entorno. La desnaturalización es un fenómeno que tiene lugar cuando estos cambios del entorno dan lugar a una alteración de la estructura nativa o natural de la proteína que provoca una pérdida de su actividad biológica, es decir, se pierde la conformación tridimensional resultando una estructura no nativa. 63

64 En algunos casos, las proteínas desnaturalizadas pueden volver a su estado original a través de un proceso llamado renaturalización. 64

65 AGENTES DENATURANTES DE PROTEINAS CALOR RADIACION DE MICROONDAS RADIACION ULTRAVIOLETA AGITACION MECANICA VIOLENTA DETERGENTES SOLVENTES ORGÁNICOS (ETANOL, ACETONA, 2-PROPANOL) ACIDOS Y BASES FUERTES SALES DE METALES PESADOS UREA Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes de hidrogeno. Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes de hidrogeno. Idem a las anteriores Provoca debilitamiento de las fuerzas de Interacción, alargando su longitud. Afecta los puentes de hidrogeno y los puentes salinos Interfieren con los puentes de hidrogeno y las interacciones hidrofóbicas Rompen puentes de hidrogeno, puentes salinos y si su efecto es muy prolongado puede provocar hidrólisis del enlace peptídico Interfieren con los puentes salinos y los puentes disulfuro Interfiere y rompe los puentes disulfuro 65

66 Función de la proteínas Función ESTRUCTURAL Algunas proteínas constituyen estructuras t celulares: l Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias. Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la expresión de los genes. Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos: El colágeno del tejido conjuntivo fibroso. La elastina del tejido conjuntivo elástico. La queratina de la epidermis. Las arañas y los gusanos de seda segregan fibroina para fabricar las telas de araña y los capullos de seda, respectivamente. 66

67 Función de TRANSPORTE En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso. Transporta de oxígeno en vertebrados (hemoglobina la sangre de los Transporte de oxígeno en invertebrados (hemocianina) la sangre en los Transporta oxígeno en los músculos (mioglobina). Transportan lípidos por la sangre (lipoproteínas) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas Transporte a través de la membrana plasmática Transportan electrones (citocromos) 67

68 Función ENZIMATICA Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular. Función CONTRACTIL La actina y la miosina i constituyen las miofibrillas responsables de la contracción muscular. La dineina está relacionada con el movimiento de cilios y flagelo 68

69 Función DEFENSIVA Las inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos. La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias. Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas. Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes, son proteinas fabricadas con funciones defensivas. 69

70 Función HORMONAL Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica (que regula la síntesis de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio). Acción hormonal en células adyacentes Acción hormonal en células alejadas 70

71 Función de RESERVA La ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeina de la cebada, constituyen la reserva de aminoácidos. Función REGULADORA Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan la división celular (como la ciclina). 71