Miguel Ángel Gómez López, 2º Farmacia UCLM

Transcripción

1 Bioquímica I. Proteínas 1. Proteínas Biomoléculas orgánicas a base de C,H,O,N. Son macromoléculas/polímeros formados por la repetición de aminoácidos unidos por enlace peptídico. Los seres humanos no tenemos nitrogenasas para fijar y aprovechar el nitrógeno atmosférico (N2). Por esto, son nuestra principal fuente de nitrógeno. Representan más del 50% del peso seco de la célula y tienen una gran diversidad de funciones: protectora, vitaminas, anticuerpos, aunque sobretodo estructural. 1) Clasificación Holoproteínas: formadas únicamente por aminoácidos. Heteroproteínas: formadas por una parte proteica y una parte no proteica (grupo prostético). Son las cromoproteínas, glucoproteínas, lipoproteínas, nucleoproteínas y fosfoproteínas. 2. Aminoácidos Son los monómeros de las proteínas. Todos están compuestos por un carbono con 4 sustituyentes: -H, - COO -, -NH3 y grupo R. Se designan con los nombres vulgares o abreviaturas de 3 letras o 1. Existen 20 aminoácidos proteicos, 10 de ellos esenciales (Arg, Phe, His, Ile, Leu, Lys, Met, Thr, Trp,Val). Sus propiedades son estas: Sólidos/cristalinos. Elevado punto de fusión. Solubles en agua. Tienen actividad óptica (=isomería). Son sustancias anfóteras (ácido-base). Podemos atender a distintas clasificaciones de aminoácidos. Según criterio biológico: 1) AAs proteicos codificables o universales 2) AAs proteicos modificacos o particulares: colágeno (4-hidroxiprolina, 5-hidroxilisina), tiroides (T3). 3) AAs no proteicos: más de 100, abundantes en plantas superiores. Participan en el metabolismo del nitrógeno (L-ornitina y L-citrulina) o coenzimas (beta-alanina). Almacenan energía: creatina. Según criterio químico: 1) Según carga de la cadena R: según la polaridad del radical a ph fisiológico = 7,2: a. Apolares/hidrófobos El radical es un grupo metilo (CH2, CH3). Suelen ser compuestos aromáticos (leucina). b. Polares sin carga El radical es un grupo OH o NH2. Destacamos la serina, cisteína. c. Polares con carga negativa (-): AAs ácidos El radical es un grupo ácido (COOH). A ph fisiológico, cede un protón y se queda en forma de COO -. Destacamos el ácido glutámico (glutamato). d. Polares con carga positiva (+): AAs básicos Destacamos la lisina o la arginina. BIOQUÍMICA I 1

2 2) Según la estructura de la cadena R: alifáticos, aromáticos y heterocíclicos 3) Con carbono asimétrico (excepto Gly): L (plantas) y D-aminoácidos (microorganismos). De los 20 aminoácidos proteicos, todos presentan un carbono asimétrico, excepto la glicina, cuyo radical es un H y por tanto el carbono alfa no es asimétrico. Por esto, los 19 restantes si presentarán isomería. Se clasifican en D o L, según el grupo amino esté a la derecha o la izquierda, respectivamente. Son los aminoácidos L los que abundan en los seres vivos y la naturaleza Comportamiento anfótero La estructura de los AAs corresponde a una sal interna, ion doble o forma zwitterion. Cada AA tiene al menos 2 grupos ionizables. La forma cargada o no cargada depende del ph. La curva de titulación de un aminoácido representa las variaciones de ph de una solución al ir añadiendo concentraciones conocida de un ácido o una base. El pk representa la capacidad de captar o ceder protones por parte de un grupo funcional de un aminoácido en un ph determinado. Además, es el punto de mayor capacidad tamponadora de ese grupo funcional. El pi es el ph al cual la carga neta de las moléculas en solución es nula. Ahí, el poder tamponador del aminoácido es mínimo. El único AA capaz de actuar como tampón a ph fisiológico es la His (pkr=6.0). Actúan como base cuando ph < pi. El grupo amina ha cogido protones (NH3 + ). Siempre que el pi esté por encima del ph, actuará como una base. Actúan como ácido cuando ph > pi. El grupo ácido ha cedido protones (COO - ). Siempre que el ph se mayor que el pi actuará como un ácido. Actúan como ácido-base cuando ph = pi. El grupo ácido ha cedido protones (COO - ) y el grupo amino ha cogido (NH3 + ). pk1: 50% base y 50% zwitterion (ácido-base). pk2: 50% ácido y 50% zwitterion. pi: valor del ph del medio donde todo el AA está en forma zwitterion o dipolar 2.2. Implicaciones clínicas pi = pk1 + pk2 2 Fenilcetonuria: defecto genético en fenilalanina hidroxilasa. Se da la acumulación de Phe, fenilpiruvato y fenil-lactato. Cistinuria: defecto en el transporte por las células epiteliales de cistina y AAs básicos. Aparece cistina, Lys, Arg y ornitina en orina. Enfermedad de Hartnup Síndrome de Fanconi 3. Enlace peptídico Es un enlace covalente de tipo amida, entre el COOH del primer aminoácido y el NH2 del segundo aminoácido, con pérdida de una molécula de agua. El primero queda con el NH2 libre = amino terminal, y el segundo queda con el COOH libre = carboxilo terminal. Su formación requiere aporte de energía, mientras la hidrólisis del ATP esté termodinámicamente favorecida. Tiene carácter parcial de doble enlace, a medio camino entre enlace sencillo y enlace doble, porque no puede rotar no girar. La estructura nativa es la más estable de todas las posibles y es funcional. BIOQUÍMICA I 2

3 4. Estructura primaria Secuencia de aminoácidos, que según si número, tipo y orden dan lugar a diversas estructuras. Es una estructura plana, no funcional. La estructura nativa depende de la estructura primaria, ya que depende de cómos sea esta se plegará de una u otra forma y será estable de una u otra, con una misión concreta. 5. Estructura secundaria Resulta del plegamiento de la primaria. Hay muchas, pero destacamos las tres más importantes: 1) α-hélice Forma una hélice dextrógira muy estable. La presentan las α-queratinas. La estructura está estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios, entre el O de un aminoácido y el H unido a un N de 4 más (n+4). Al calor se estiran, y al frío recuperan su forma original. 1 giro de hélice contiene 3,6 residuos. Abundante en proteínas globulares, con cooperatividad en el plegamiento. Las prolinas introducen curvaturas que rompen la hélice, esto permite el plegamiento sobre sí misma = estructuras supersecundarias. Los radicales están hacia fuera, permitiendo aminoácidos voluminosos y con carga. La estructura forma cordones de 3 a 7 cabos, unidos por puentes disulfuro entre cadenas polipeptídicas paralelas. 2) β-lámina plegada Forma de acordeón abierta, más extendida que la α-hélice. Destaca la fibroína de la seda. Está estabilizada por puentes de hidrógeno intercatenarios (sin codos) e intracatenarios (con giros beta), entre cadenas antiparalelas. Al calor no se estiran. Permite la asociación de varias cadenas polipeptídicas una al lado de la otra, pudiendo ser paralelas o antiparalelas. Abundante en proteínas fibrilares y un 15% en la estructura terciaria de globulares. Los acordamientos beta son giros de 180º mediante la conexión de los extremos de 2 segmentos de hojas beta antiparalelas. Involucra 4 AAs por puentes de hidrógeno entre n y n+3. Los hay de tipo I (más frecuentes) y II (Gly en posición 3). Los radicales están hacia dentro, permitiendo aminoácidos pequeños y sin carga, para que no haya repulsiones e inestabilidad. No tiene enlaces disulfuro. 3) Hélice de colágeno Más abierto que el acordeón de la hoja plegada, dificultando la formación de puentes de hidrógeno. La forman la prolina, lisina, hidroxiprolina e hidroxilisina. El colágeno está formado por la repetición del tropocolágeno (3 hélices). Entre esas 3 cadenas se dan puentes de hidrógeno intercatenarios; y entre tropocolágenos, enlaces covalentes entre radicales adyacentes. Funciones del colágeno: a. Principal proteína de tejidos conectivos. b. Bajo valor biológico, faltan AAs esenciales. c. Su ebullición da lugar a gelatina. d. Su mala formación produce escorbuto, por falta de vitamina C, que aporta OH a los AAs. Otras estructuras secundarias son giros beta, barrilete de láminas beta o meandros beta. BIOQUÍMICA I 3

4 6. Estructura terciaria Resulta del plegamiento de la secundaria. Si es poco, da lugar a proteínas fibrosas; si es mucho, proteína globulares. Las fibrosas son insolubles, con función estructural, en forma de fibra y con un solo tipo de estructura secundaria. Destacamos los colágenos, queratinas, elastinas y fibroínas. Las globulares son solubles, con función dinámica, en forma de esfera y con varios tipos de estructura secundaria. Llevan radicales polares al exterior, para su disolución en agua (ptes. de H), y apolares al interior (hidrófobos). Destaca la mioglobulina (transporte O2 en músculo) y ribonucleasa pancreática. Además, destacamos prolaminas, gluteninas, albúminas, hormonas y enzimas. Hay unas fuerzas que estabilizan la estructura terciaria: 1) Interacciones hidrofóbicas entre no polares. 2) Puentes de hidrógeno. 3) Interacciones iónicas. 4) Fuerzas de Van der Walls. 5) Puentes disulfuro. Los dominios estructurales son pequeños grupos de AAs específicos de cada proteína que funcionan independientemente del resto y anclan a los ligandos, para actuar sobre la proteína. Sus funciones son: 1) Anclar ligandos. 2) Atravesar la membrana plasmática. 3) Constituir centro activo de enzimas. 4) Enlazar al ADN en la transcripción. 7. Estructura cuaternaria Se denominan proteínas oligoméricas, formadas por varias cadenas polipeptídicas (protómeros), entre las cuales hay enlaces débiles, aunque a veces hay disulfuros. Se dan por asociación de monómeros con distinta conformación, mediante los cuales se establecen interacciones débiles: fuerzas de Van de Waals, puentes de hidrógeno y fuerzas electrostáticas. Destacamos la hemoglobina, con cuatro cadenas (2 alfa, 2 beta) y 4 grupos hemo (anillo tetrapirrólico); y los anticuerpos, con 4 cadenas (2 H, 2 L). 8. Propiedades de las proteínas 1) Capacidad amortiguadora Mantienen constante el ph del medio a pesar de que se añadan pequeñas cantidades de ácido o base. Su carbonos y nitrógenos no pueden ionizarse, solo tienen un extremo amino y carboxilo terminal, que no es suficiente. La capacidad reside en los radicales de los AAs de los grupos 3 (COOH) y 4 (NH3). 2) Solubilidad Las globulares son solubles porque tienen los radicales hacia fuera y están rodeadas de agua, que establecen puentes de hidrógeno con ellos y las disuelve. Las fibrilares son insolubles porque tienen radicales muy grandes (CH3) y no deja a la proteína ser globosa. La solubilidad depende de: a. Concentración iónica: a más sales (+/-) se establecen más puentes de hidrógeno con el agua y aumenta la solubilidad. Pero si se añaden muchas, las cargas se disponen alrededor de la proteína y quitan moléculas de agua = - solubilidad. BIOQUÍMICA I 4

5 b. Temperatura: al calentar, la proteína pierde agua y se precipita = -solubilidad. c. ph: si ph < pi, el COOH no estará ionizado; si ph > pi, el NH2 no estará ionizado, perdiéndose cargas = -solubilidad. 3) Especificidad En la de especie, las proteína son específicas en cada estructura, cambian el número, tipo u orden de los aminoácidos, aunque la mayoría coincide, porque realizan la misma función. Las diferencias son grandes en especies alejadas evolutivamente y pequeñas en las emparentadas. En la de función, cada proteína tiene una función específica, según la estructura primaria y la conformación nativa (ligando concreto). Un cambio en la secuencia de AAs cambia el tipo de plegamiento y puede tener ya otra función = especificidad. 4) Desnaturalización Es la pérdida de las estructuras espaciales y la vuelta a la primaria, dejando de ser soluble y funcional. Las cadenas se pliegan y adoptan configuraciones al azar. Las causas de desnaturalización son temperaturas superiores a 50 ºC o ph extremos. Si estas causas duran poco tiempo, puede producirse la renaturalización = vuelta a estructura espacial. Hay dos casos principales de desnaturalización: a. Cortado de la leche: desnaturalización de la caseína por ph ácido. b. Precipitación de la clara de huevo: desnaturalización de la ovoalbúmina por calor. 9. Heteroproteínas 1) Cromoproteínas: g.prostético = pigmento. Hay porfirínicas (con grupo hemo) como hemoglobina y mioglobina; y no porfirínicas (con otro grupo) como la hemocianina. 2) Glucoproteínas: g.prostético = glúcido. Destacamos los anticuerpos. 3) Lipoproteínas: g.prostético = lípido. LDL/HDL, seroalbúmina con ácidos grasos. 4) Fosfoproteínas: g.prostético = H3PO4. Destaca la caseína o la vitelina. 5) Nucleoproteínas: g.prostético = ácido nucleico. Destaca la cromatina (ADN + histonas). 10. Funciones proteínas 1) Estructural: colágeno, elastina, queratina. 2) Enzimática: el 99,9% son globulares. 3) Hormonal: insulina, glucagón, calcitonina. 4) Defensiva: anticuerpos, trombina. 5) Transporte: seroalbúmina, hemoglobina, mioglobina. 6) Reserva: ovoalbúmina, caseína. 7) Homeostática: todas las proteínas. 8) Contráctil: actina, miosina, dineína (cilios y flagelos). BIOQUÍMICA I 5