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Tema 2: Proteínas

Aminoácidos: Estructura y propiedades ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN 1. En función de que formen parte de las proteínas • Aminoácidos proteicos o proteinógenos Aminoácidos estándar o Estructura o Nomenclatura o Clasificación según la polaridad de R Aminoácidos no estándar • Aminoácidos no proteicos o no proteinogénicos 2. En función de los requerimientos nutricionales • Aminoácidos esenciales • Aminoácidos no esenciales

Un aminoácido, es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un carboxilo (-COOH). Pueden tener un tercer grupo R o cadena lateral. En los aminoácidos que forman parte de las proteínas estos grupos están unidos a un átomo de carbono al que denominamos carbono α por su posición relativa con respecto al grupo carboxilo. Los aminoácidos proteicos son αaminoácidos Las proteínas son polímeros lineales constituidos a partir de monómeros llamados aminoácidos. AMINOACIDO: Es la unidad monomérica de las Proteínas.

Clasificación de aminoácidos en función de que formen parte de las proteínas. •

•

AMINOÁCIDOS PROTEICOS O PROTEINÓGENOS, que están presentes en las proteínas. o AMINOÁCIDOS ESTÁNDAR: Aminoácidos más frecuentes que se encuentran normalmente en las proteínas. También se denominan aminoácidos canónicos normales o naturales. Son 20 aa. o AMINOÁCIDOS NO ESTÁNDAR: Aminoácidos poco frecuentes en las proteínas. Derivan de los aa normales que se modifican tras la síntesis de la proteína en la que se integran. AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS O NO PROTEINOGÉNICOS, son aminoácidos que no están presentes en las proteínas, pero tienen otras funciones en las células.

Clasificación de aminoácidos en función de sus requerimientos funcionales. AA esenciales: deben tomarse en la dieta, el organismo carece de rutas de biosíntesis del aa a partir de un metabolito sencillo. AA no esenciales: se obtienen a partir de rutas de biosíntesis en el organismo.

Estructura de los aminoácidos proteicos Todos los aminoácidos presentan unas características comunes, y es la naturaleza del grupo R, al que se denomina la cadena lateral 10 que les diferencia, caracteriza y proporciona Sus propiedades específicas.

Estereoisomería de los aminoácidos Presentan estereoisomería aquellos compuestos que tienen fórmulas moleculares idénticas y sus átomos presentan la misma distribución (la misma forma de la cadena; los mismos grupos funcionales y sustituyentes; situados en la misma posición), pero su disposición en el espacio es distinta, es decir, difieren en Ia orientación espacial de sus átomos. • • • •

cα: CENTRO QUIRAL (excepto Gly) Enantiómeros o estereoisómeros Ópticamente activos (excepto Gly) Isómero óptico o Levógiro (-): desvío de la luz polarizada izda o Dextrógiro (+): desvío de la luz polarizada dcha

Representación de los aminoácidos proteicos

Siguen la nomenclatura de los azúcares:

Los aminoácidos que constituyen las proteínas en la naturaleza pertenecen, generalmente, a la serie L. Rotan a la izquierda 0 a la derecha el plano de la luz polarizada (rotación óptica). Se denominan levorrotatorio o levógiro (l o -) y dextrorrotatorio o dextrógiro (d o +)

Lo aminoácidos proteinógenos son L- α- aminoácidos • • •

Localización del grupo amino (en el cxc): α -aa Por la configuración absoluta de los 4 sustituyentes alrededor del centro quiral amino a la izquierda del cxc): L-aa Por la actividad óptica específica: levógiros (-) y dextrógiros (+)

Muchas moléculas de los seres vivos se presentan en una única forma estereoisomérica, L o D. Es el caso de los aa que componen las proteínas que, con muy pocas excepciones, son todos L-estereoisómeros. Únicamente se han encontrado D-aa en pequeños péptidos de las paredes celulares bacterianas y en algunos antibióticos peptídicos.

Aminoácidos proteicos: Nomenclatura

Clasificación de los aminoácidos proteinógenos en función de la polaridad de la cadena lateral R 1. Aminoácidos apolares alifáticos Gly (G): • • •

Mínimo impedimento estérico Confiere máxima flexibilidad CCI es aquiral

Ala (A), val (V), Leu (L), lie: • • •

Cadenas laterales alifáticas, Val, Leu e lle son grandes e hidrofóbicas, estabilizan a las proteínas. Hidrof0bicidad: lle en R tiene un C quiral

Met (M): •

Contiene en Su cadena lateral alifática un grupo tioéter (-S-)

Prolina (Pro, P): • • •

R: pirrolidina. Sustituyente del grupo amino (es un iminoácido) efecto estructural opuesto a la Gly EI amino se mantiene en una conformación rígida que reduce la flexibilidad estructural de la proteína en ese punto.

2. Aminoácidos aromáticos Phe, Tyr, Trp: •

Cadenas laterales son relativamente apolares e intervienen en las interacciones hidrofóbicas de las proteínas

Phe (F): •

Junto con Val, Leu e lle es uno de los aa más hidrofóbicos

Tyr (Y) y Trp (W): • • •

Aunque tienen cierto carácter hidrofóbico, son más polares que Phe por: el grupo-OH en la Tyr (enlaces de H, grupo funcional en enzimas) N del anillo indólico en el Trp

His (H): •

Su cadena lateral contiene un grupo imidazol, es un grupo ligeramente ácido.

3. Aminoácidos polares sin carga S er (S), Thr (T), cys (C), Asn (N), Gin (Q): Grupos R son más solubles en agua, más hidrofílicos y pueden establecer puentes de H. La Polaridad de sus grupos proviene: • • •

-OH (hidroxilo) en Ser y Thr. -SH (sulfhidrilo) en Cys -CONH2(amido) en Asn y Gln.

Asn (N), Gin (Q): •

Son las amidas de dos aminoácidos. Acidos (Asp, Glu) que se hidrolizan fácilmente.

Cisteina (Cys, C): •

El grupo —SH se Oxida con facilidad formando un aa dimérico CISTINA, en el que 2 moléculas de Cys están unidas mediante un enlace disulfuro. Importante para la estructura de las proteínas.

4. Aminoácidos polares con carga positiva AA básicos: • •

Fuertemente polares Se encuentran en la superficie exterior de las proteínas en contacto con el medio acuoso

Usina (Lys, K): •

R: grupo amino (E), cargado (+) a pH fisiológico

Arginina (Arg, R): •

R: grupo guanidinio, cargado (+) a pH fisiológico

Histidina (His, H): • • •

R: grupo imidazol. Débilmente ácido. Residuos de His sirven como dadores/aceptores en reacciones enzimáticas. pH 6: más del 50% de las moléculas están cargadas (+) pH 7: como mucho un 10% de las moléculas están cargadas (+) (sctuan omo bases, captando un H+)

5. Aminoácidos polares con carga negativa Aminoácidos ácidos Ácido Aspártico (Asp, D). Ácido Glutámico (Glu, E): • • •

fuertemente polares encuentran en la superficie exterior de las proteínas en contacto con el medio acuoso. A pH fisiológico, el grupo carboxilo de R se encuentra cargado (-), ello se llaman aspartato y glutamato. A partir de ellos se originan sus amidas (Asn, Gln).

Clasificación de los aminoácidos proteinógenos en función de la cadena lateral R.

Los aminoácidos “proteicos” 21 y 22 Selenio-cisteína (Sec. U) Codificada por el codón STOP UGA que en conjunción con una región del mRNA denominada SeclS (secuencia de inserción de la selenocisteína) pasa a codificar la incorporación de selenocisteína a la cadena plipeptídica Pirrolisina (Pyl. O) Codificado por el codón STOP IJAG en arqueas metanogénicas

Aminoácidos no estándar AA NO ESTÁNDAR: Son derivados de los aa estándar, mediante una reacción de modificación que tiene lugar una vez que se ha incorporado el aa estándar en la proteína.

Aminoácidos no proteicos 1. AA que actúan como precursores o intermediarios en el metabolismo 2. AA que actúan como mensajeros, neurotransmisores, hormonas 3. AA presentes en otros organismos o microorganismos

1. precursores o intermediarios en el metabolismo

2. neurotransmisores y hormonas

3. presentes en otros organismos o microorganismos

Péptidos: Enlace peptídico 1. ENLACE PEPTÍDICO • Características generales de los péptidos • Estructura de un péptido • Nomenclatura de péptidos • Características del enlace peptídico 2. PÉPTIDOS NATURALES DE INTERÉS BIOLÓGICO • Péptidos estructurales • Péptidos de acción antibiótica • Péptidos hormonales • Péptidos 0 derivados con acción coenzimática • Otros péptidos de interés biológico

Enlace peptídico Los péptidos son polímeros de aminoácidos de complejidad variable que puede variar desde 2 a 103 aa, unidos entre sí por un enlace peptídico. El enlace peptídico (O=C-NH) es un enlace covalente amida sustituido que se establece entre el grupo α-carboxilo de un aa y el grupo α-amino de otro aa, en una reacción de condensación que libera una molécula de agua.

La reacción en la cual se forma el enlace peptídico requiere aporte de E (es endergónica) ya que el grupo hidroxilo no se desplaza fácilmente. En las células vivas:

La hidrólisis del enlace peptídico está termodinámicamente favorecida (exergónica), lo cual nos haría pensar en la inestabilidad de este enlace. Sólo se hidroliza en presencia de catalizadores.

Estructura de un péptido lineal

• • • •

Residuos aminoacídicos internos en el péptido: que en la formación del enlace peptídico han perdido un átomo de hidrógeno de su grupo amino y un hidroxilo de su grupo carboxilo. Residuo amino-terminal (o N-terminal), es el residuo aminoacídico situado en un extremo del péptido que presenta su grupo a-amino libre. Residuo carboxilo terminal (o C-terminal), es el residuo aminoacídico situado en el otro extremo del péptido que presenta su grupo carboxilo libre. La secuencia es el orden en el que aparecen los diferentes aminoácidos, leídos desde el extremo NH2 hacia el COOH-terminal

Nomenclatura de los péptidos • • • • • • •

Dipéptido: formado por unión de 2 aa mediante 1 enlace peptídico Tripéptido: formado por unión de 3 aa mediante 2 enlaces peptídicos Tetrapéptido: formado por unión de 4 aa mediante 3 enlaces peptídicos Pentapéptido: formado por unión de 5 aa mediante 4 enlaces peptídicos Oligopéptido: es la denominación general del producto formado cuando se unen un número reducido de aa (hasta 40). Polipéptido: es la denominación general del producto formado por un número más elevado de aa. La mayoría de las cadenas polipeptídicas naturales contienen de 40 a residuos de aa. Proteína: Polímero lineal de L-a-aminoácidos. Son polipéptidos con más de 60-70 aa

•Dirección del extremo Nt al Ct, se sutituye el sufijo -ina o -ico del aa por -il, excepto el aa del extremo Ct que conserva su nombre Ej: Ala-Tyr-Asp-Gly (AYDG) Alanil-tirosil-aspartilglicina • Si la cadena es cíclica, se antepone el prefijo ciclo-, todos los aa con el sufijo -il, y el último aa del extremo Ct se termina en -ilo Ej: Cys-Gly-Ser-Phe, Ciclo (cisteinil-glicil-serilfenilalanilo)

Enlace peptídico: Características 1.

Presenta carácter parcial de doble enlace

El carácter de doble enlace parcial indica la existencia de una resonancia, es decir, O (carbonílico) y N amida comparten parcialmente dos pares de e-.

La estabilización por resonancia de una amida da lugar a su gran estabilidad, a la disminución de basicidad del átomo de nitrógeno y a la rotación restringida (carácter de doble enlace parcial) del enlace C-N

2. Es polar El N-H puede formar puentes de hidrógeno como dador El C=O puede formar puentes de hidrógeno como aceptor

3. Tres enlaces separan dos átomos de Cα consecutivos

4. Es planar: Los seis átomos del grupo peptídico están en un plano

5. La síntesis de la secuencia es estereoespecífica (trans) La conformación trans es mucho más estable, por tanto, siempre será trans, excepto el 7% de las prolinas.

6. Los enlaces C-N dan lugar a un esqueleto polipeptidico que puede visualizarse como una serie de planos rígidos

7. Los enlaces N-Cα pueden rotar y sus ángulos de enlace se denominan

Gráfico de Ramachandran Los valores permitidos se visualizan mediante unos diagramas de contorno, fuera de los cuales los impedimentos estéricos impiden la adopción de dichos ángulos. La mayoría de los aminoácidos se presentan en conformaciones que se concentran en regiones determinadas. Solo estas conformaciones son estables.

Péptidos naturales de interés biológico Existen péptidos naturales que desempeñan funciones específicas e importantes en el organismo: • • •

PÉPTIDOS ESTRUCTURALES de paredes celulares de microorganismos, PÉPTIDOS DE ACCIÓN ANTIBIÓTICA producidos por determinados microorganismos son lesivos y tóxicos para otros. PÉPTIDOS DE ACCIÓN HORMONAL (primeros mensajeros).

PÉPTIDOS O DERIVADOS CON ACCIÓN COENZIMÁTICA, intervienen en las reacciones facilitando y haciendo posible la acción catalítica de las enzimas. • OTROS PÉPTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO 1. Péptidos estructurales

•

El muramil dipéptido (MDP) • • •

Es un dipéptido (N-Acetilmuramil-L-Alanil-D-lsoglutamina) Constituyente de la pared celular de bacterias tanto Gram positivas como Gram negativas. En el sistema inmune, sirve como ligando de reconocimiento de algunos receptores como NODI o NOD2, donde la señal es interpretada como presencia de patógenos bacterianos y desencadena una cascada de respuesta en el sistema inmune que tiene como objetivo la activación de los mecanismos de defensa extracelular.

2. Péptidos de acción antibiótica Algunas bacterias y hongos elaboran péptidos de acción antibiótica. Se han aislado más de 4000 péptidos antibióticos. En estas moléculas junto con aa de la serie L, se encuentran otros de la serie D y aa que no son constituyentes habituales de las proteínas. En este grupo existen péptidos lineales y cíclicos. IONÓFOROS. intervienen en el transporte de numerosos cationes a través de la membrana. Alteran la permeabilidad de la membrana bacteriana. Pueden ser formadores de canales o transportador móvil, • •

VALINOMICINA (decapéptido cíclico) transportador iónico móvil que permite el paso de a través de la membrana mitocondrial. GRAMICIDINA (polipéptido lineal de 15 aa) Dos de estas moléculas se juntan en la bicapa formando un canal transmembranal, que actúa selectivamente permitiendo que los cationes monovalentes Na+ y Ka+

AMOXICILINA • • •

Es un antibiótico semisintético derivado de la penicilina. Se trata de una amino penicilina. Actúa contra un amplio espectro de microorganismos, tanto Gram (+) como Gram (-) Inhibe la conexión entre las cadenas de peptidoglicanos lineales de las paredes celular bacteriana. Al que la pared celular se construya correctamente, ocasiona la lisis de la bacteria y su muerte.

3. Péptidos de acción hormonal Péptidos secretados por la hipófisis:

OXITOCINA: hormona de origen hipofisario, sintetizada en el hipotálamo y transportada a la glándula pituitaria. •

Función: efectos periféricos (estimula las contracciones uterinas y la secreción de leche en mamíferos) y centrales en el cerebro (neurotransmisor).

VASOPRESINA: hormona antidiurética de origen hipofisario, sintetizada en el hipotálamo y transportada a Ia glándula pituitaria. •

Función: regulación de Ia vasoconstricción (O presión sanguínea) y propiedades antidiuréticas.

HORMONA ADRENOCORTICOTROPA HIPOFISARIA (ACTH): Producida por Ia hipófisis y que estimula la corteza suprarrenal para que ésta produzca glucocorticoides y mineralocorticoides (otro tipo de hormonas) que actúan a su vez sobre numerosos tejidos como el riñón, el músculo o sobre el sistema inmune. La ACTH es un péptido de 39 aa cuya secuencia varía según las especies. De los 39 aa, sólo 13 tienen actividad biológica conocida. Los restantes determinan Ia actividad inmunológica. ENDORFINAS: Son péptidos opioides endógenos que funcionan como neurotransmisores. Son producidas por la glándula pituitaria y el hipotálamo en vertebrados durante la excitación, el dolor, el consumo de alimentos picantes o de chocolate, el enamoramiento y el orgasmo, y son similares a los opiáceos en su efecto analgésico y de sensación de bienestar.

ENCEFALINAS: Pentapéptidos con función muy similar a las de las endorfinas con las que se relacionan desde un punto de vista funcional y estructural. Función depresora de las neuronas del sistema nervioso central. Actúan también contra el dolor y tiene un efecto analgésico. La biosíntesis de ambos tipos de moléculas también guarda una estrecha relación.

Los opiáceos exógenos (morfina, codeína, heroína) NO son péptidos

Péptidos secretados por el páncreas INSULINA: Secretada por las células beta del páncreas en forma de un precursor: Preproinsulina Tiene una acción hipoglucemiante, promueve la entrada de glucosa en las células, favoreciendo su metabolización y disminuyendo los niveles de glucosa en sangre. Insulina

GLUCAGÓN: Hormona de 29 aa que actúa en el metabolismo de los hidratos de carbono. Sintetizada por las células a del páncreas. Se emplea en el tratamiento del coma insulínico, ya que esta hormona moviliza las reservas de glucosa presentes en el hígado en forma de glucógeno.

4. PÉPTIDOS DE ACCIÓN COENZIMÁTICA Intervienen en las reacciones haciendo posible la acción catalítica de lasenzimas. COENZIMA A (COA. CoASH o HSCoA): Participa en la biosíntesis y la oxidación de ácidos grasos, en la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico antes del ciclo de Krebs. Su molécula consta de ácido pantoténico (vitamina B5), adenosín difosfato y cisteamina. Puesto que Ia coenzima A es químicamente un tiol, puede reaccionar con los ácidos carboxílicos para formar tioésteres, de modo que actúa como un portador del grupo acilo. Cuando una molécula de coenzima A lleva un grupo acetilo se denomina acetil-CoA. ÁCIDO TETRAHIDROFÓLICO (Coenzima F. folato H4 0 FH4): Es una coenzima derivada del ácido fólico (vitamina B9). Es un compuesto de particular importancia en el metabolismo de los aminoácidos y Ia síntesis de purina. Los grupos químicos que transfiere son el metilo, formilo, metileno y formimino. Su escasez en el organismo puede causar anemia y defectos en el desarrollo fetal. GLUTATION: γ-L-Glutamil-L-cisteinil glicina Tripéptido aislado por primera vez en levaduras y está en la mayor parte de los tejidos animales y en los hematíes. Antioxidante; Protege a las células de los radicales libres

5. PÉPTIDOS DEL SISTEMA INMUNE INNATO DEFENSINAS: Péptidos catiónicos de unos 20-60 aminoácidos, ricos en enlaces disulfuro, con propiedades citotóxicas y que ejercen distintas funciones, casi siempre relacionadas con la defensa del organismo que las produce.

6. PÉPTIDOS INMUNOSUPRESORES CICLOSPORINA: (undecapéptido cíclico), actividad inmunosupresora. Se utiliza para evitar el rechazo de órganos en trasplantes....