Aminoácidos, Péptidos Y Proteínas PDF

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Aminoácidos, Péptidos Y Proteínas...

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Francisco José Sánchez Luque

Ciencias Biológicas

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS Un aminoácido es, como su nombre indica, cualquier molécula que presente un grupo amino y un grupo ácido. Cualquier molécula orgánica con estos dos requisitos ya es un aminoácido, pero si nos referimos a aminoácidos naturales, aquellos que son codificados por las secuencias de A.D.N., aquellos que constituyen proteínas, solamente hay 20. Hay dos propiedades básicas de los aminoácidos: - Son  aminoácidos: Es decir, que su grupo amino se encuentra en el carbono , que es el segundo carbono después de la función carboxilo terminal. - Son isómeros L: Esto quiere decir que el grupo amino se encuentra a la izquierda del carbono . Existen algunos D aminoácidos, pero los organismos los transforman en L. La transformación de aminoácidos L en aminoácidos D tiene lugar cuando el organismo muere y se realiza a una velocidad determinada, por lo que con el porcentaje de aminoácidos D de un cadáver podemos averiguar cuánto tiempo lleva muerto. Con estas dos características podemos establecer la estructura de un aminoácido:

COOH NH 2

C

H

R Con esta estructura podemos decir que existe un aminoácido que no presenta isomería, es decir, no es L ni D, porque no tiene carbonos asimétricos. Este aminoácido es la glicina, en la cual el radical R es un hidrógeno, de tal manera que tiene dos valencias sustituidas por átomos iguales y no presenta isomerías. Pero generalmente los aminoácidos no se encuentran con la estructura que se ha mostrado anteriormente, es decir, con los grupos –COOH y –NH 2 no ionizados, sino que se encuentran formando iones híbridos debido que tienen al menos dos grupos ionizables. Generalmente el grupo ácido tienen un pKa aproximado de algo menos de 2, es decir, que sobre pH 2 el 50% de los aminoácidos estarán en forma –COOH y el otro 50% lo estarán en forma –COO -, y que a pH < 2 estarán en forma –COOH y a pH > 2 estarán en forma –COO-. En cuanto al grupo amino, éste tiene un pKb = 10, de manera que cuando pH > 10 estarán en forma –NH2, y cuando pH < 10 estará en forma –NH3+. Según esto un aminoácido neutro (igual número de grupos amino que grupos ácido) a pH alrededor de 7, pH medio de los seres vivos, se encontrará del siguiente modo:

NH3+

C

COO-

COO-

COOH NH3+

H

R

C

H

NH 2

H

R

R

pH < 2

C

2 < pH < 10

pH > 10

Pero además el radical R puede presentar grupos amino o grupos ácido, con lo que el punto isoeléctrico (pH para el que la molécula no tiene carga) varía. Los aminoácidos ácidos son el ácido glutámico y el ácido aspártico.

NH3+

CH

COOH pH < 2'1

NH3+

CH

COOH 2'1 < pH < 4'4

COO-

COO-

COO-

COOH

NH3+

CH

COO4'4 < pH < 10

NH2

CH

COOpH > 10

Francisco José Sánchez Luque

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Los aminoácidos básicos son la lisina, la glutamina, la asparragina, la arginina, la prolina, el triptófano y la histidina.

C O O-

C OO H N H 3+

N H3+

CH

C O O-

CH

N H3+

NH2

CH

N H 3+

N H3

C OO NH2

CH

N H2

Como se puede observar en las figuras, a pH fisiológico los aminoácidos se encuentran ionizados, estas estructuras ionizadas son conocidas como switteriones. CLASIFICACIONES Los aminoácidos pueden ser clasificados en: - Aminoácidos alifáticos: Son aquellos en los que el radical R es una cadena de hidrocarburos: · GLICINA O GLICOCOLA (GLY,G).

NH2

CH

COOH

· ALANINA (ALA,A).

NH2 CH3

CH

COOH

· VALINA (VAL,V).

NH2

CH3 CH

CH

COOH

CH3 · LEUCINA (LEU,L).

NH2

CH3 CH

CH2

CH

COOH

CH3 · ISOLEUCINA (ILE,I).

CH3

CH2

CH3

NH2

CH

CH

COOH

- Hidroxiaminoácidos: Tienen un grupo hidroxilo en algún lugar de la cadena R. · SERINA (SER,S).

NH2 HO

CH2

· TREONINA (TRE,T).

CH

COOH

Francisco José Sánchez Luque

Ciencias Biológicas

NH2

CH3 CH

CH

COOH

HO - Aminoácidos azufrados: Presentan un átomo de azufre en algún lugar de la cadena R. · CISTEÍNA (CIS,C).

NH2 HS

CH2

CH

COOH

· METIONINA (MET,M).

NH2 CH3

S

CH2

CH2

CH

COOH

· CISTINA: No es un verdadero aminoácido, sino que resulta de la unión de dos cisteínas por sus grupos sulfhidrilo.

NH2 S

CH2

CH NH2

COOH

S

CH2

CH

COOH

- Aminoácidos básicos: Presentan un grupo amino además del propio que los hace aminoácidos. · LISINA (LYS,K): Presenta en grupo amino en el carbono , y este grupo amino es muy

NH2 NH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

COOH

importante en el momento de catalizarse reacciones en los centros activos de algunas enzimas. · ARGININA (ARG,R).

NH2

NH2 NH+ 2

CH

NH

CH2

CH2

CH2

CH

COOH

· HISTIDINA (HIS,H).

NH2

CH HN C H2C

CH2

CH

COOH

NH+

- Aminoácidos dicarboxílicos: Presentan un grupo carboxilo además del propio que los hace aminoácidos. · ÁCIDO ASPÁRTICO (ASP,D).

NH2 HOOC

CH2

CH

COOH

Francisco José Sánchez Luque

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· ÁCIDO GLUTÁMICO (GLU,E).

NH2 HOOC

CH2

CH2

CH

COOH

- Aminoácidos aminados de dicarboxilados: El grupo -OH de un grupo carboxilo (-COOH) que presentaba la molécula ha sido sustituido por un grupo amino. · ASPARRAGINA (ASN,N).

NH2 NH2

CO

CH2

CH

COOH

· GLUTAMINA (GLN,Q).

NH2 NH2

CO

CH2

CH2

CH

COOH

- Aminoácidos aromáticos: El radical R es una cadena cerrada que guarda relación con el benzeno. · FENILALANINA (FEN,F).

NH2 CH2

CH

COOH

· TIROSINA (TYR,W): Presenta además un grupo hidroxilo (-OH) en la posición para del anillo.

NH2 CH2

HO

CH

COOH

· TRIPTÓFANO (TRP,Y).

NH2 CH

CH2

C C

CH

CH

COOH

CH C

CH

NH CH - Iminoácidos: El nitrógeno del grupo amino se encuentra unido por otro lado a otro átomo de carbono de tal manera que ya no es un grupo amino sino un grupo imino. · PROLINA (PRO,P): Es el único con un grupo imino y debido a ello cuando aparece en una proteína genera cierto ángulo que en la estructura terciaria supondrá un codo en la proteína.

NH H2C H2C

CH CH2

COOH

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EL ENLACE PEPTÍDICO: ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y CONSECUENCIAS Una de las reacciones más importantes de los aminoácidos es la reacción de unión de unos con otros entre el grupo amino de uno y el grupo ácido del otro.

NH2 R

CH

NH2 COOH R

NH2 CH

R

CH

COOH

CO

NH

R

CH

COOH

El enlace que se forma recibe el nombre de enlace peptídico y tienen las siguientes propiedades: - Estabilizado por resonancia: En enlace peptídico se estabiliza por resonancia presentando un carácter de 40% de doble enlace.

R

NH2

O

CH

C

NH

R

CH

R COOH

_

NH2

O

CH

C

+ NH

R

CH

COOH

- Estructura planar rígida: Los átomos de C (carbono carboxílico), N, O e H (del nitrógeno) se encuentran en un mismo plano y no pueden girar porque el doble enlace que estabiliza por resonancia la estructura no presenta libre giro, aunque sí hay libre giro respecto del C , por eso se pueden dar diferentes estructuras terciarias a las cadenas peptídicas que se forman.

- No tiene capacidad de giro: Como ya se ha dicho anteriormente el 40% de carácter de doble enlace supone que no haya libre giro. - Configuración trans: La configuración de los átomos que se encuentran en el plano del enlace peptídico es Trans. El enlace peptídico origina polímeros de A.D.N. que tradicionalmente se han venido llamando oligopéptidos, polipéptidos o proteínas en función del número de aminoácidos que los componían, pero siempre hubo controversia con algunos de estos polímeros en cuanto a su clasificación, por lo que ahora se acepta el llamar a los polímeros de aminoácidos como cadenas polipeptídicas, y si desempeñan una determinada función en algún organismo se denominan proteínas. Una vez se han polimerizado los aminoácidos y formando la cadena polipeptídica lo que antes eran aminoácidos ahora se denominan restos o residuos y se nombran con el nombre del aminoácido terminado en –il. Las proteínas, además de ser polímeros de aminoácidos, pueden ser monómeros de otras porteínas más complejas, además pueden ser simples si solamente tienen restos aminoacídidos o complejas si tienen otros componentes no proteicos. Por ejemplo, la mioglobina es una proteína intracelular que contiene un grupo hemo en el que hay hierro, su función es almacenar oxígeno, es por tanto una proteína compleja, pero por otro lado la hemoglobina es una proteína que está compuesta as su vez de cuatro proteínas parecidas a la mioglobina, es decir, la hemoglobina es un polímero de proteínas, concretamente un tetrámero.

Francisco José Sánchez Luque

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ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS ESTRUCTURA PRIMARIA Es el orden de los restos de aminoácidos que componen la proteína. Las proteínas tienen un extremo en el que el grupo amino está libre y otro en el que el grupo carboxilo está libre. El extremo del grupo amino se denomina N-terminal o amino terminal y el extremo del grupo carboxilo es el C-terminal o carboxilo terminal. Por convenio el orden de los aminoácidos se enumera desde el amino terminal hasta el carboxilo terminal. Para averiguar cuántas proteínas diferentes tenemos lo que hacemos es analizar los restos de aminoácidos N-terminal que hay mediante técnicas químicas determinadas. Dependiendo del número de aminoácidos N-terminales diferentes que haya sabremos cuántas proteínas diferentes hay, pero puede ocurrir que de la casualidad de que si sospechamos que hay dos proteínas diferentes las dos tengan el mismo residuo N-terminal, así que en caso de que solamente encontremos un N-terminal único analizaremos los C-terminales para ver cuántos hay diferentes y averiguar así cuantas proteínas diferentes hay. Puede ocurrir que tanto el N-terminal como el C-terminal sean el mismo, puede ocurrir que haya diferentes proteínas con los dos extremos iguales o una única proteína. Pero en ambos casos podría ocurrir también que las proteínas estuviesen polimerizadas y realmente la proteína que analizamos fuese un polímero que podría ser heteropolímero si las cadenas polipeptídicas fuesen distintas o homopolímero si fuesen iguales respectivamente. En el primer caso se nombrarían como heterodímeros, heterotrímeros, heterotetrámeros, ... y en el segundo caso homodímeros, homotrímeros, homotetrámeros, etc. ESTRUCTURA SECUNDARIA La estructura secundaria se basa en que los aminoácidos de una zona establecen puentes de hidrógeno con otros aminoácidos próximos y pliegan la estructura lineal primaria. Atsbury, Pauling y Corey en los años 30 comenzaron a estudiar la estructura de las proteínas de los pelos, -queratina, y de la seda, fibrolina. Observaron que había unas zonas claras y oscuras a intervalos de 0’54 nm e investigaron a qué se debía y cómo estaba estructurado. En 1.951 Pauling y Corey propusieron dos modelos de las proteínas: - -Hélice: Esta estructura se forma al girar levógira o dextrógiramente la estructura lineal de los aminoácidos y se mantiene por el establecimiento de diversos puentes de hidrógeno entre éstos. Con las avanzadas técnicas de resolución Pauling y Corey observaron que había 3’6 residuos de aminoácidos por vuelta y que a lo largo de la hélice cada residuo se relacionaba con el anterior y con el siguiente mediante una traslación de 1’5 Å y una rotación de 100º. Con estos datos podemos justificar por qué cada vuelta tenía 3’6 residuos de aminoácidos y entre una vuelta y otra, una zona oscura y otra, hay 0’54 nm: 360º de una vuelta / 100º por cada aminoácido = 3’6 aminoácidos por vuelta 1’5 Å entre un aminoácido y otro x 3’6 aminoácidos por vuelta = 5’4 Å por vuelta Conforme gira la vuelta el hidrógeno del grupo –NH– se encuentra próximo al oxígeno del grupo >C=O del aminoácido que hay 4 posiciones más adelante y establece un puente de hidrógeno. Igual que la estructura primaria estaba sostenida por el enlace peptídico la estructura secundaria se mantiene estable por los enlaces de puentes de hidrógeno. - -Plegada: La separación entre los aminoácidos en lugar de ser 1’5 Å es de 3’5 Å y los puentes de hidrógeno se forman entre dos cadenas distintas o entre dos fracciones de la misma cadena que se ha plegado. La forma tridimensional de una proteína con estructura -plegada es similar al de una hoja o lámina plegada en acordeón. Los puentes de hidrógeno en una misma cadena solamente se forman en dos hojas que crecen en sentido distinto, es decir, dos hojas antiparalelas y por eso se denomina “hoja plegada antiparalela” o -plegada antiparalela. Cuando se produce entre cadenas distintas puede ser paralela o antiparalela.

Francisco José Sánchez Luque

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Para que una proteína adquiera estructura de -plegada ha de haber al menos dos cadenas entre las que se establezcan los puentes de hidrógeno. Hay veces en los que las hojas plegadas se ayudan también de pueden disulfuro para mantener la estructura y éstos le confieren mayor resistencia. Estas cadenas tienen poca elasticidad pero son muy resistentes como es el caso de la fibrolina de la seda. Los puentes disulfuro pueden estabilizar y enlazar unas cadenas con otras, ya tengan la estructura de -hélice o de -plegada, y pueden ser utilizados para moldear la estructura de éstas. Esto se realiza rompiéndolos utilizando un reductor, amoldar la cadena a la forma que queramos y luego mediante una oxidasa restablecer los puentes disulfuro en la forma que deseemos, cosa que se utiliza mucho para rizar o alisar el pelo. ESTRUCTURA TERCIARIA Aparecen otros enlaces como pueden ser puentes de hidrógeno entre los radicales de los restos aminoacídicos, fuerzas de Van der Waals o interacciones hidrofóbicas entre secuencias alejadas de la cadena polipeptídica de manera que hacen que la estructura terciaria se pliegue sobre sí misma. No se sabe con precisión que enlaces son concretamente los que mantienen la estructura terciaria. ESTRUCTURA CUATERNARIA Varias cadenas polipeptídicas interaccionan unas con otras por enlaces no precisados tales como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofógicas, puentes disulfuro, etc. y constituyen una única macromolécula. EXPERIMENTO DE ANFINSEN Anfinsen realizó un experimento con enzimas que presentaban puentes disulfuro para averiguar cómo adquieren las proteínas sus sucesivas estructuras. En primer lugar las desnaturalizó, que consiste en hacerles perder su estructura tridimensional. Si una enzima pierde su estructura tridimiensional el primer efecto que se observa es que se produce la pérdida de actividad porque, aunque conserva todos los aminoácidos, ha perdido su conformación tridimensional. Algunos procesos de desnaturalización son reversibles, generalmente lo son las desnaturalizaciones por agentes químicos, frío o pH, pero otras son irreversibles, generalmente por calor. Las enzimas de Anfinsen, ribonucleasas, se renaturalizaban, lo que quiere decir que volvían a adquirir su estructura tridimensional y volvían a ser activas, y lo hacía en cuestión de minutos. Una proteína pequeña puede tener unos 100 restos de aminoácidos, cada resto tiene un número de conformacinoes meda de 3, un aminoácido tarda en ensayar una de estas conformaciones 10 -10 segundos, así que nos quedaría que 100 residuos podrían ensayar hasta 3100 conformaciones, por lo que la proteína entera podría tardar en conseguir su conformación tridimensional hasta 3 100·10-10=5’15·1037 segundos que es más de 1’7·10 30 años. Había que averiguar cómo un proceso que normalmente duraría todo este tiempo se realizaba en unos minutos. Finalmente se descubrió la existencia de unas proteínas denominadas chaperones, oninas o carabinas que son proteínas acompañantes y que se activan por choque térmico o por estrés y cuya función es unirse a las proteínas nacientes y a medida que se van sintetizando ir catalizando la formación de la estructura tridimensional. Solamente catalizan la formación de la estructura tridimensional en una pequeña porción del comienzo de la proteína y esta forma tridimensional actúa autocatalíticamente para que el resto de la proteína adquiera automáticamente su forma tridimensional. DEDOS DE ZINC Y CIERRES DE LEUCINA Algunas proteínas presentan motivos (secuencias) especiales o dominios especiales que son los dedos de zinc y los cierres o cremalleras de leucina, que son secuencias que interaccionan no directamente con los ácidos nucleicos actuando como factores de transcripción. Un dedo de zinc son átomos de zinc unidos a determinados aminoácidos. Las cremalleras de leucina son secuencias de leucina, no necesariamente seguidas, que interaccionan unas con otras....