Aminoácidos y Proteínas MSc. MARY LORENA VALLECILLO M.

α-AMINOÁCIDOS (AA): estructura Unidad estructural básica de las proteínas El grupo amino está unido al C- α , el C contiguo al grupo carboxilo. Al C- α también está unido un H y una cadena lateral R. Se han descrito más de 100 AA pero sólo 20 de ellos participan en la síntesis de proteínas. α

AMINOÁCIDOS: estructura Los AA difieren entre sí por el grupo R (grupo sustitutivo). R: adjudican diferentes propiedades a cada uno de los AA y determinan su función biológica.

AMINOÁCIDOS: estructura A pH fisiológico el pKa de los grupos carboxilo y amino de los AA es aproximadamente 2 y 10 respectivamente. El grupo –COOH pierde un protón y el grupo amino capta un protón para dar la forma Zwitterion (in vivo).

Estructura de los aminoácidos Por su estructura, los AA se ionizan en solución acuosa de manera que pueden funcionar como ácidos y como bases (anfolíticos). Los AA que poseen un g. amino y un g. carboxilo (Gly, Leu, Ile) se convierten en iones dipolares (Zwitteriones). Estos iones en soluciones acuosas son eléctricamente neutros y no emigran ni se someten a campos eléctricos. La ionización de un AA depende del pH de la solución. Punto isoeléctrico: pH en el cual la molécula no tiene carga neta

Estereoquímica de los AA Se presentan en dos formas isoméricas, imágenes especulares no superponibles. Los isómeros de la serie L poseen el grupo alfa amino a la izquierda. Los AA que se encuentran en las proteínas son de la serie L y tienen mayor participación metabólica celular. Los AA de la serie D participan en las paredes celulares bacterianas. Todos los AA excepto la Gly pueden existir en las formas D y L.

Propiedades de los AA de las proteínas

Nomenclatura de los AA Tres letras Una letra +: Esencial en la niñez Alanina Ala A Arginina+ Arg R Asparragina Asn N Ac. Aspartico Asp D Cisteina Cys C Glutamina Gln Q Ac. glutamico Glu E Glicina Gly G Histidina + His H Isoleucina* Ile I Leucina * Leu L Lisina* Lys K Metionina* Met M Fenilalanina* Phe F Prolina Pro P Serina Ser S Treonina* Thr T Triptofano* Trp W Tirosina Tyr Y Valina* Val V Tres letras Una letra +: Esencial en la niñez *: Esencial durante toda la vida

Propiedades químicas de AMINOÁCIDOS Clasificación Propiedades químicas de las cadenas laterales Cadenas alifáticas Cadenas con hidroxilo o azufre Aromáticos Básicos Ácidos y sus amidas

Aminoácidos con cadenas laterales alifáticos El grupo R se extiende más y se hace más hidrófobo. Los aminoácidos hidrófobos se encuentran normalmente en el interior de las moléculas proteicas.

Aminoácidos con cadenas laterales hidroxilo o azufre Cadenas laterales son débilmente polares Son en general más hidrófilos que sus análogos alifáticos La metionina es bastante hidrófoba Puede producirse una oxidación entre pares de cadenas laterales de cisteína para formar un enlace disulfuro (cistina)

Aminoácidos básicos Llevan grupos básicos en sus cadenas laterales. Existen a valores de pH próximos a la neutralidad La histidina es el menos básico de los tres Son muy polares Suelen hallarse normalmente en las superficies exteriores de las proteínas Histidina Lisina Arginina

Aminoácidos ácidos y sus amidas Son los únicos aminoácidos que llevan cargas negativas a pH 7. Están acompañados por sus amidas, la asparagina y la glutamina. - Tienen cadenas laterales sin carga, aunque son claramente polares, también son hidrófilos y tienden a encontrarse en la superficie de las moléculas de proteína, en contacto con el agua.

Aminoácidos aromáticos Presentan cadenas laterales aromáticas. La fenilalanina junto con los AA alifáticos (val, leu, ile), es uno de los AA más hidrófobos. La tirosina y el triptófano también presentan un carácter ligeramente hidrófobo

Aminoácidos modificados Algunos AA son modificados (cadenas laterales) postranscripción. Por ejemplo: Fosfoserina (síntesis de serina a partir de 3-fosfoglicerato) 4-hidroxiprolina: colágeno Hidroxilisina: colágeno Ácido γ-carboxiglutámico: estructura de la osteocalcina (10-25% prot no colágena del hueso ) dependiente de Vit K

FORMACIÓN DE PÉPTIDOS Y POLIPÉPTIDOS Los AA se unen o polimerizan por medio de enlaces peptídicos: la unión química entre el grupo α-carboxilo de un AA con el grupo α-amino de otro AA, con la liberación de una molécula de agua. La reacción más importante de los AA es la formación de un enlace peptídico. Éste enlace carece de carga a cualquier pH de interés fisiológico. Es un enlace covalente por formación de un enlace amida

Enlace peptídico y formación de péptidos DIPEPTIDO

PÉPTIDOS Y POLIPÉPTIDOS Las cadenas que contienen unos pocos residuos de AA se denominan oligopéptidos: - 2 AA dipéptido - 3 AA tripéptido… Si la cadena es muy larga se llama polipéptido. Grupo amino que no ha reaccionado en un extremo (amino terminal o N-terminal) Grupo carboxilo sin reaccionar en el otro extremo (carboxilo terminal o C-terminal)

Enlace peptídico y formación de péptidos TETRAPEPTIDO Cada vez que se añade un AA a la cadena, debe eliminarse una molécula de agua.

Estabilidad y formación del enlace peptídico En un entorno acuoso este proceso no está favorecido termodinámicamente. Las proteínas se hidrolizan en disolución acuosa cuando está presente un catalizador. La formación del enlace peptídico se acopla con la hidrólisis de compuestos de fosfato de alta energía (ATP) (activación de los AA).

Actividad biológica: Péptidos Péptidos vasoactivos: angiotensina II, bradicinina Hormonas: oxitocina, vasopresina, somatostatina, TRH, GRH, ACTH, insulina, glucagón, gastrina, secretina, colecistoquinina, VIP (péptido intestinal vasoactivo) Neurotransmisores: encefalinas, sustancia P

PROTEINAS: polipéptidos de secuencia definida Cada proteína tiene un orden definido de residuos de AA. Son polipéptidos largos: Mb humana tiene 153 AA. Hay proteínas que son similares pero NO idénticas.

PROTEÍNAS FUNCIONES Contracción Muscular Actina y miosina Transportadores de Sustancias Hb Componentes esqueleto intracelular Respuesta Inmunitaria Coagulación sanguínea Estructurales Colágeno tela de arana Catalizadores de rxs qq Enzimas Hormonas Insulina FUNCIONES

Clasificación de las proteínas Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas: Proteínas simples: formadas exclusivamente por a-aminoácidos, como es el caso de la ubiquitina, una proteasa intracelular formada por 53 AA. Proteínas conjugadas: que contienen además de la cadena polipeptídica un componente no aminoacídico llamado grupo prostético, que puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o simplemente un ión inorgánico. La proteína en ausencia de su grupo prostético no es funcional, y se llama apoproteína. La proteína unida a su grupo prostético es funcional, y se llama holoproteína (holoproteína = apoproteína + grupo prostético). Son proteínas conjugadas la hemoglobina, la mioglobina, los citocromos, etc.

Clasificación En cuanto a su forma molecular, podemos distinguir: Proteínas globulares: la cadena polipeptídica aparece enrollada sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos esférica y compacta. Ejem: Mioglobina y Hemoglobina Proteínas fibrosas: tienen funciones estructurales. Proteínas de: piel, tejido conjuntivo, pelo y seda. Son siempre alargadas Son menos abundantes que las globulares Ejem: queratina, colágeno, elastina, fibroina

Niveles de organización estructural de las proteínas (secuencia de AA) Estructura 2` Plegado de la cadena polipéptica (local) Estructura 4 Asociación de varias cadenas polipeptídicas Estructura 3` Nivel de plegado superior (global)

Estructura primaria Acomodamiento de las cadenas de AA (orden secuencial de AA), estabilizado por enlaces peptídicos, puentes disulfuros (cisteína). Al alterar este orden también se altera el tipo o las propiedades de la proteína. Está determinada por un gen concreto.

Estructura secundaria Se encuentran con > frecuencia son la hélice α, la lamina β y la hélice 310

Estructura 2ª. Son rearreglos especiales originados por el establecimiento de puentes de H entre los grupos que conforman los enlaces peptídicos de los AA cercanos. alfa hélice: es un ordenamiento helicoidal en el que el g. R de los AA se orienta hacia el exterior de la hélice. Se estabiliza por la formación de puentes de H entre los componentes del enlace peptídico de AA cercanos en la estructura 1ª. de la proteína. Ejem: proteínas fibrosas: colágeno, alfa queratina. β laminar: El esqueleto se ordena en forma de zigzag. Los grupos R de AA se orientan en direcciones opuestas con un patrón alternante y hacia afuera - se estabiliza por puentes de H. Los AA no tienen que estar próximos en la estructura 1ª. Típica de proteínas fibrosas: fibroina (seda)

ESTRUCTURA TERCIARIA

ESTRUCTURA TERCIARIA Las proteínas globulares no solo poseen estructuras 2ª. sino que, además, también se pliegan formando estructuras terciarias compactas. Es una modificación en el espacio. Es el plegamiento tridimensional total de la cadena de una proteína. Esta conformación facilita la solubilidad en agua y, por ende, la realización de funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. Ejem: mioglobina

Estructuras de las proteínas globulares La mayoría de las proteínas están formadas por más de un dominio; Dominio: región compacta, plegada localmente, de la estructura 3ª. Los principales patrones de plegado: Los producidos alrededor de un empaquetamiento de hélices alfa Los construidos sobre un entramado de estructuras laminas beta

ESTRUCTURA TERCIARIA Esta conformación se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces: Los puentes de hidrógeno Interacciones de Van der Waals Los puentes eléctricos entre AA de carga diferente llamados también “atracciones electrostáticas” Las interacciones hidrófobas formación de un núcleo hidrofóbico o interface hidrofóbica El puente disulfuro

Estructura 4ª. Es el nivel más complejo de organización. Se refiere a interacciones no covalentes que unen varias cadenas polipeptídicas en una sola molécula. Ejem: la hemoglobina que tiene 4 cadenas. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de subunidades. El número de subunidades (cadenas) varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades proteicas.

Niveles de estructura proteica Estructura cuaternaria Homotípicas: asociación de cadenas polipeptídicas idénticas o casi idénticas Heterotípicas: interacciones entre subunidades con estructuras muy distintas

ESTADO DESNATURALIZADO Propiedades Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión Una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en la superficie Pérdida de las propiedades biológicas ESTADO NATIVO ESTADO DESNATURALIZADO

DESNATURALIZACION Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes, disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica). Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en: (1) la polaridad del disolvente (2) la fuerza iónica (3) el pH (4) la temperatura