SERIE Nº 4. Aminoácidos, Péptidos y Proteínas

Transcripción

1 SERIE Nº 4. Aminoácidos Son sustancias que poseen por lo menos un grupo funcional amino (básico) y un grupo funcional carboxilo (ácido) unidos a un mismo átomo de carbono (carbono α), al que también se une una cadena lateral (cadena R) y un átomo de hidrógeno. Difieren en las cadenas laterales (cadenas R), que son las que determinan sus propiedades, así como la polaridad o el carácter ácido o básico. Son compuestos sólidos, incoloros, cristalizables, de elevado punto de fusión (habitualmente por encima de los 200 C), solubles en agua, con actividad óptica y con un comportamiento anfótero. La actividad óptica es debida a la asimetría del carbono α, ya que se halla unido (excepto en la glicina) a cuatro radicales diferentes. Esta propiedad hace clasificar a los aminoácidos en enantiómeros D, si el grupo amino está hacia la derecha, y enantiómeros L si se encuentra hacia la izquierda. Normalmente en los seres vivos sólo encontramos uno de los isómeros ópticos. Se considera que la mayoría de los aminoácidos presentes en los seres vivos pertenecen todos ellos a la serie L. No obstante, en los microorganismos (paredes bacterianas, antibióticos generados por bacterias) existen aminoácidos no proteicos pertenecientes a la serie D. En disolución acuosa, los aminoácidos muestran un comportamiento anfótero, es decir pueden ionizarse, dependiendo del ph, como un ácido liberando protones los grupos carboxilos y quedando (-COO - ), o como base, los grupos -NH 2 captan protones, quedando como (-NH 3 + ), o pueden aparecer como ácido y base a la vez. En este caso los aminoácidos se ionizan doblemente, apareciendo una forma dipolar iónica llamada zwitterion. El ph en el cual un aminoácido tiende a adoptar una forma neutra (igual número de cargas positivas que negativas) se denomina Punto Isoeléctrico. La solubilidad en agua de un aminoácido es mínima en su punto isoeléctrico. Química Biológica 18

2 La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse en el organismo (se encuentran codificados en el ADN), pero existen otros, aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados (no se encuentran codificados en el ADN) y deben obtenerse en la dieta habitual. Las rutas para la obtención de estos aminoácidos esenciales suelen ser largas y energéticamente costosas. Cuando un alimento contiene proteínas con todos los aminoácidos esenciales, se dice que son de alta o de buena calidad. Algunos de estos alimentos son: la carne, los huevos, los lácteos y algunos vegetales como la espelta, la soja y la quínoa. Solo ocho aminoácidos son esenciales para todos los organismos, algunos se pueden sintetizar, por ejemplo, los humanos podemos sintetizar arginina e histidina pero no en la cantidad que el organismo necesita. Por esto se considera en forma general que en la especie humana, por ejemplo, los aminoácidos esenciales son diez: Thr, Lys, Arg, His, Val, Leu, Ileu, Met, Phe y Trp. Los aminoácidos se pueden clasificar por su cadena R. Se han definido 5 grupos principales: No polares o Apolares (alifáticos): el grupo R es apolar e hidrófobo. En las proteínas, permanecen en el interior. Estos aminoácidos, si están en gran abundancia en una proteína, la hacen insoluble en agua. La glicina es el aminoácido más simple de este grupo. Polares: son hidrófilos (solubles en agua). Contrariamente al grupo anterior si una proteína los tiene en abundancia será soluble en agua. Aromáticos: son relativamente apolares (hidrófobos). Su cadena R es aromática (grupo fenilo). Básicos: son aquellos aminoácidos que tienen otro u otros grupos aminos. En las proteínas, estos grupos amino, si el ph es ácido o neutro, están cargados positivamente. Ácidos: pertenecen a este grupo aquellos aminoácidos que tienen más de un grupo carboxilo. En las proteínas, si el ph es básico o neutro, estos grupos se encuentran cargados negativamente. Péptidos Pueden considerarse polímeros de unas pequeñas moléculas que reciben el nombre de aminoácidos y serían, por tanto, los monómeros unidad. Los aminoácidos están unidos mediante enlaces peptídicos. La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido; si el número de aminoácidos que forma la molécula no es mayor de 10, se denomina oligopéptido, y si es superior a 10 se llama polipéptido. Las uniones peptídicas se forman por la reacción de síntesis (vía deshidratación) entre el grupo carboxilo del primer aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido. Dos moléculas se unen mediante un enlace de tipo covalente amida (CO- NH), con la pérdida de una molécula de agua y el producto de esta unión es un dipéptido. El grupo carboxilo libre del dipéptido reacciona de modo similar con el grupo amino de un tercer aminoácido, y así sucesivamente hasta formar una larga cadena. Podemos seguir añadiendo aminoácidos al péptido, porque siempre hay un extremo NH 2 terminal y un COOH terminal. Química Biológica 19

3 Por otra parte, el carácter parcial de doble enlace del enlace peptídico determina la disposición espacial de éste en un mismo plano, con distancias y ángulos fijos. Como consecuencia, el enlace peptídico presenta cierta rigidez e inmoviliza en el plano a los átomos que lo forman, quedando el enlace en conformación Trans. Toda cadena polipeptídica tendrá en uno de sus extremos un aminoácido con el grupo amino libre. Este será el aminoácido amino terminal (-NH 2 ). En el otro extremo quedará libre el grupo carboxilo del último aminoácido, aminoácido carboxilo terminal (-COOH). Por convención siempre se escriben los péptidos con el aminoácido N- terminal a la izquierda y el aminoácido C-terminal a la derecha. 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 entre otras cosas condiciona los siguientes niveles estructurales. Química Biológica 20

4 Muchas sustancias naturales de gran importancia son péptidos; por ejemplo: ciertas hormonas, como el glucagon, que actúa cuando las concentraciones de glucosa en la sangre son bajas y que está formado por 29 aminoácido; la encefalina (5 aminoácidos) que se produce en las neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor o las hormonas del lóbulo posterior de la hipófisis: vasopresina y oxitocina (9 aminoácidos) que producen las contracciones del útero durante el parto; también son péptidos algunos antibióticos como la gramicidina. Proteínas La palabra tiene su origen en el término griego proteios, que quiere decir lo principal o lo más importante. Se pueden definir como polímeros lineales con amplia variabilidad estructural y funciones biológicas muy diversas, formados por la unión, mediante enlaces peptídicos, de más de 50 unidades de menor masa molecular llamadas α-aminoácidos. Por tanto, las proteínas son cadenas de aminoácidos que se pliegan adquiriendo una estructura tridimensional que les permite llevar a cabo miles de funciones. Las proteínas están codificadas en el material genético de cada organismo, donde se especifica su secuencia de aminoácidos, y luego son sintetizadas por los ribosomas. Todas las proteínas se construyen a partir de 20 aminoácidos, aunque se conocen muchos más aminoácidos, que no forman parte de las proteínas. En ciertos casos muy raros, por ejemplo en los venenos de algunas serpientes, podemos encontrar otros aminoácidos diferentes de estos 20 e incluso aminoácidos que no siguen la fórmula general. Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, más del 50 % del peso seco de la célula son proteínas. Están constituidas, fundamentalmente, por C, H, O y N y casi todas tienen también azufre. Algunas tienen, además, otros elementos químicos y en particular: P, Fe, Zn o Cu. El elemento más característico de las proteínas es el nitrógeno. Son los compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos. Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas: las proteínas simples u holoproteínas, formadas exclusivamente por α-aminoácidos, y las proteínas conjugadas o heteroproteínas, que contienen además una proporción significativa de otros componentes. La fracción no aminoacídica se llama grupo prostético, y puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o una sustancia inorgánica. La proteína en ausencia de su grupo prostético se llama apoproteína, y en presencia de él se llama holoproteína. Así, holoproteína = apoproteína + grupo prostético. Son proteínas conjugadas la hemoglobina, la mioglobina, los citocromos, etc. En cuanto a su forma molecular, las proteínas son globulares cuando la cadena polipeptídica aparece enrollada sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos esférica y compacta. Cuando hay una dimensión que predomina sobre las demás, se dice que la proteína es fibrosa. Las proteínas fibrosas, por lo general, tienen funciones estructurales. Finalmente, de acuerdo a su función, podemos encontrar proteínas estructurales, catalíticas, de transporte, de protección, hormonales, génicas, contráctiles, etc. Química Biológica 21

5 Niveles Estructurales de las Proteínas 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). En esta estructura es fundamental una síntesis correcta para que la proteína tenga su función y sea activa. Estructura Secundaria: es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta 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 -NHdel enlace peptídico. De esta forma, la cadena polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por tanto, más estables. Cuando la cadena polipeptídica se enrolla en espiral sobre sí misma debido a los giros producidos en torno al carbono alfa de cada aminoácido se adopta una conformación denominada hélice α. Aquí la cadena se mantiene gracias a los enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo -NH de un enlace peptídico y el grupo -C=O del cuarto aminoácido que le siguelos distintos tipos de esteroides se diferencian en la naturaleza y la posición de los sustituyentes. Las cadenas laterales de los aminoácidos se sitúan en la parte externa del helicoide, lo que evita problemas de impedimentos estéricos. En consecuencia, esta estructura puede albergar a cualquier aminoácido, a excepción de la prolina, cuyo Cα no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial en zig-zag denominada estructura β. En esta estructura las cadenas laterales de los aminoácidos se sitúan de forma alternante a la derecha y a la izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica. No obstante, si la molécula presenta próximos entre sí restos muy voluminosos o con las mismas cargas eléctricas se desestabilizará. Las estructuras β de distintas cadenas polipeptídicas o bien las estructuras β de distintas zonas de una misma cadena polipeptídica pueden interaccionar entre sí mediante puentes de hidrógeno, dando lugar a estructuras laminares llamadas por su forma hojas plegadas β o láminas β. Cuando las estructuras β tienen el mismo sentido, la hoja β resultante es paralela, y si las estructuras β tienen sentidos opuestos, la hoja plegada resultante es antiparalela. En la estructura antiparalela los puentes de hidrógeno están perfectamente alineados. En la estructura paralela quedan en diagonal. Química Biológica 22

6 Estructura Terciaria: las proteínas no se disponen linealmente en el espacio sino que normalmente sufren plegamientos que hacen que la molécula adopte una estructura espacial tridimensional llamada estructura terciaria. Los pliegues que originan la estructura terciaria se deben a ciertos aminoácidos, como: la prolina, la serina y la isoleucina, que distorsionan la hélice generando una curvatura. La prostaglandinas, se encuentran en cantidades muy pequeñas en tejidos y fluidos corporales, entre ellos los fluidos menstruales y seminales. Todas las prostaglandinas son derivados de la ciclación de ácidos grasos insaturados de 20 carbonos (ácido araquidónico). Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria de una proteína se establecen entre las distintas cadenas laterales de los aminoácidos que la componen. Los enlaces propios de la estructura terciaria pueden ser de dos tipos: covalentes (puentes disulfuro) y no covalentes (puentes de hidrógeno, fuerzas electrostáticas, interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas). Estructura Cuaternaria: cuando una proteína consta de más de una cadena polipeptídica, es decir, cuando se trata de una proteína oligomérica, decimos que tiene estructura cuaternaria. Cada polipéptido que interviene en la formación de este complejo proteico es un protómero y según el número de protómeros tendremos: dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc. La asociación o unión de las moléculas que forman una estructura cuaternaria, se consigue y mantiene mediante enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas y algún que otro puente disulfuro. La estructura cuaternaria modula la actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. Propiedades de las Proteínas Especificidad: por una parte, existe una especificidad de función. Esto es, cada proteína tiene una función concreta, diferente, normalmente, de la del resto de las moléculas proteicas. Esta es la razón de que tengamos tantas proteínas distintas. Ahora bien, ciertas proteínas que realizan funciones similares en los seres vivos, por ejemplo la hemoglobina de la sangre en el transporte de oxígeno, pero de todas maneras presentan diferencias entre las distintas especies. Estas diferencias se han Química Biológica 23

7 producido como consecuencia del proceso evolutivo y cada especie o incluso cada individuo, puede tener sus propias proteínas específicas. La especificidad de las proteínas dependerá por lo tanto de los sectores variables de cada especie o individuo y a ellos se deben, por ejemplo, los problemas de rechazos en los transplantes de órganos. Desnaturalización: es una pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y se debe a la desaparición de los enlaces débiles tipo puente de hidrógeno, Van der Waals, etc. y en realidad no afecta a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria. Sin embargo al alterarse su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica. La desnaturalización puede ser reversible o irreversible de acuerdo a los agentes desnaturalizantes que se utilicen. Solubilidad: esta propiedad dependerá, por un lado, de la capacidad de las cadenas laterales para formar puentes de hidrógeno con el agua. Por otro lado, de las interacciones electrostáticas que puedan establecerse entre las cadenas y el agua. Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino dispersiones coloidales. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas con lo que no puede producirse la precipitación. EJERCITACIÓN 1) Escriba la estructura de un dipéptido formado por un aminoácido básico y un aminoácido ácido. Señale el enlace peptídico e indique que propiedades posee. 2) Qué diferencias conceptuales poseen los péptidos con respecto a los glúcidos en cuanto a sus uniones? 3) Indique si las siguientes afirmaciones son Verdaderas (V) o Falsas (F). En caso de responder falso, explique porque lo son. a) La lisina es un aminoácido ácido (aniónico). b) La tirosina es un aminoácido no polar aromático. c) Los dos aminoácidos que contienen azufre son no polares. d) La asparigina es un derivado básico. 4) Los α-l-aminoácidos se caracterizan por: a) La disposición del grupo carboxilo a la izquierda del carbono α. b) La disposición del grupo amino a la derecha del carbono α. c) La disposición del grupo carboxilo a la derecha del carbono α. d) La disposición del grupo amino a la izquierda del carbono α. 5) Un ejemplo de polipéptido es la unión de: a) Ala - Glu - Tyr - Met - Pro. b) Cys - Pro - His - Ala - Ile - Phe - Gly. c) Ninguna respuesta es correcta. Química Biológica 24

8 6) Teniendo en cuenta el esquema de la Figura N 1: a) Ubique los términos: estructura primaria, secundaria terciaria y cuaternaria. b) Indique: tipo de estructura secundaria que se muestra. c) Elija los términos correctos para esta proteína: fibrosa / globular. monomérica / oligomérica. simple / conjugada. Figura N 1 7) En las siguientes afirmaciones, responda Si (S), Nunca (N) o A Veces (AV): a) Si la mioglobina es una proteína formada por un único polipéptido, puede tener estructura cuaternaria? b) Cuando una proteína se desnaturaliza, quedan libres sus aminoácidos? 8) Complete las siguientes frases. Las proteínas tienen numerosas y variadas funciones, entre las que se pueden destacar: a) La gran mayoría de las reacciones del metabolismo suceden gracias a unas moléculas proteicas que son específicos de cada reacción, denominados. b) Las células poseen un esqueleto proteico alrededor del cual se organizan todos sus componentes, tienen también por tanto, función. Algunos tejidos de vertebrados son resistentes por las fibras de que poseen. c) Las son sustancias producidas por las glándulas y que una vez secretadas realizan su efecto, sobre determinadas células. Algunas de estas sustancias son proteínas como las que elabora el páncreas, la y el. d) Los mecanismos de de los seres vivos son capaces de discriminar lo propio de lo ajeno; así los anticuerpos o reconocen moléculas u organismos extraños. Química Biológica 25

9 9) Los aminoácidos presentes en las proteínas: a) No todos están codificados en el ADN humano. b) Son todos α aminoácidos. c) Son 20. d) Son todos de la serie L. 10) Complete el siguiente cuadro. Proteína Tipo de proteína Función Hemoglobina Globular Transporta oxigeno en la sangre de los vertebrados Actina Anticuerpos Colágeno Hexoquinasa Caseína Insulina Química Biológica 26