aminoácidos y estructura de las proteínas

AMINOÁCIDOS Y ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

L. N. Noé González Gallegos

I. Naturaleza de las proteínasA. Estructura

1. Las proteínas son polímeros lineales no ramificados constituidas por 20 diferentes -aminoácidos codificados por el DNA del genoma.

2. Todos los organismos vivos utilizan los mismos 20 aminoácidos y, con pocas excepciones, el mismo código genético.

I. Naturaleza de las proteínasB. Tamaño

Las proteínas son diversas en tamaño. La masa de las cadenas simples de proteínas típicamente es de 10-250 kilodaltons (kdal).Se sabe de la existencia de proteínas tan pequeñas como 350 dal y más grandes que 1000 kdal. Complejos proteínicos de más de 200 kdal son frecuentemente encontrados.

I. Naturaleza de las proteínasC. Función

1. Catálisis enzimática – La mayoría de las enzimas son proteínas.

2. Transporte y almacenamiento de iones y pequeñas moléculas.

3. Elementos estructurales del citoesqueleto. Las proteínas constituyen el citoesqueleto, el cual:

a. Provee fuerza y estructura a las células.b. Forma los componentes mecánicos

fundamentales para el movimiento intracelular y extracelular.


4. Estructura de piel y huesos. Proteínas como el colágeno, la más abundante en el cuerpo, le dan a estas estructuras elevada fuerza de tensión.

5. Inmunidad. El sistema de defensa inmunitaria esta compuesto por proteínas, tales como anticuerpos, los cuales intervienen en la respuesta protectora a los patógenos.


6. Regulación hormonal. Las hormonas controlan las reacciones metabólicas dentro del cuerpo:

a. Algunas hormonas son proteínas (ej. somatotropina e insulina)

b. Los receptores celulares que reconocen a las hormonas y a los neurotransmisores son proteínas.

7. Control de la expresión genética. Activadores, represores y muchos otros reguladores de la expresión genética son proteínas.

I. Naturaleza de las proteínasD. Conformación única

1. Especificidad. Las proteínas muestran una fina especificidad de su función biológica a consecuencia de la excepcional estructura tridimensional, o conformación, de cada una de ellas.

2. En los humanos, los estados patológicos están generalmente relacionados con la alteración en la función de una proteína, comúnmente atribuida a una anormalidad en la estructura de la proteína:

a. Hemoglobinopatías, en particular la anemia depranocítica.b. Síndrome de Marfan, parece ser causado por un simple

aminoácido y los cambios sobre un tejido conectivo elástico llamado fibrilina.

c. Fibrosis quística, una deleción en el gen causa que en una proteína transmembrana falte el aminoácido 508.

II. Aminoácidos: Son las unidades fundamentales de las proteínas

A. Composición1. Los aminoácidos están compuestos por un

grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno (H) y una distintiva cadena lateral (R), todos ellos unidos a un átomo de carbono (carbono ).

C COOHNH2

R

H

II. Aminoácidos

A. Composición

2. Uno de los 20 aminoácidos, prolina, es un iminonoácido (-NH-), no un -aminoácido como los otros 19.

II. Aminoácidos

A. Composición

3. Modificación post-translación. Otros aminoácidos se encuentran en un número de proteínas pero no son codificados por DNA; son derivados de alguno de los 20 aminoácidos fundamentales después de que estos han sido incorporados a las cadenas de proteínas. Más de 100 diferentes tipos de éstos aminoácidos han sido identificados. Ejemplos de algunos:

a. Adición de grupos hidroxilo (-OH) a algunas prolinas y lisinas en el colágeno y gelatina

b. Adición de grupos metilo (-CH3) a algunas lisinas e histidinas en la miosina muscular.

c. Adición de grupos carboxilo (-COOH) al glutamato de proteínas de coagulación y del hueso.

d. Adición de grupos fosfato (-PO3) a serina, treonina y tirosina. La fosforilación es un método común de regulación de la actividad de muchas enzimas, receptores de superficie celular y otras moléculas reguladoras.

II. Aminoácidos

A. Composición

4. Hay muchos aminoácidos no proteicos encontrados en la naturaleza. En algunos casos, estos aminoácidos actúan como antibióticos o toxinas.

Los 20 aminoácidos utilizados para construir cadenas de proteína

Nombre Símbolo Fórmula estructural

Glicina Gli (G)

Alanina Ala (A)

Valina Val (V)

Leucina Leu (L)

Isoleucina Ile (I)

Aminoácidos alifáticos



Fenilalanina Fen (F)

Tirosina Tir (T)

Triptófano Tri (W)

Aminoácidos aromáticos



Serina Ser (S)

Treonina Tre (T)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos hidroxilo



Ácido aspártico

Asp (D)

Ácido glutámico

Glu (E)

Asparagina Asn (N)

Glutamina Gln (Q)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos ácidos o sus amidas



Arginina Arg (R)

Lisina Lis (K)

Histidina His (H)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos básicos



Cisteína Cis (C)

Metionina Met (M)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene átomos de azufre



Prolina Pro (P)

Iminoácidos

II. Aminoácidos

B. Actividad óptica

1. Con excepción de la glicina, todos los aminoácidos contienen al menos un átomo de carbono asimétrico y tiene, por lo tanto, actividad óptica.

2. Enantiómeros. Los aminoácidos existen como pares estereoisómeros llamados típicamente L (levorrotatorio) o D (dextrorrotatorio) dependiendo de la dirección en la que rotan el plano de la luz polarizada.

a. L-aminoácidos son los únicos ópticamente activos que son incorporados a las proteínas.

b. D-aminoácidos se encuentran en los productos bacteriales (ej. cápsula celular) y en muchos antibióticos peptídicos, pero éstos no son incorporados a las proteínas vía sistemas de síntesis ribosomal.

II. Aminoácidos

C. Propiedades anfotéricas

1. Los aminoácidos son moléculas anfotéricas; esto es, tienen tanto grupos básicos, como ácidos.

2. Los ácidos monoamino-monocarboxílicos existen en solución acuosa como moléculas bipolares (zuitteriones), lo cual significa que tienen ambas cargas, negativa y positiva.

a. El grupo -carboxilo está disociado y tiene carga negativa.

b. El grupo -amino está protonado y tiene carga positiva.

c. Así, la molécula es eléctricamente neutral.

II. Aminoácidos


3. A pH bajo (ej. altas concentraciones de ión hidrógeno), el grupo carboxilo acepta un protón quedando sin carga; así, la carga absoluta de la molécula será positiva.

4. A pH alto (ej. Bajas concentraciones de ión hidrógeno), el grupo amino pierde su protón quedando sin carga; así, la carga absoluta de la molécula será negativa.

II. Aminoácidos


pH bajo pH alto

Carga absoluta = 1+ Carga absoluta = 0 Carga absoluta = 1-

C COOHH3N+

R

H

C COO-H3N+

R

H

C COO-H2N

R

H

II. Aminoácidos


5. Algunos aminoácidos tiene cadenas laterales que contienen grupos disociados.

a. Cadenas laterales1. Aspartato y glutamato son ácidos;

histidina, lisina y arginina son básicos.2. Cisteína y tirosina tienen carga

negativa cuando la cadena lateral está disociada.

II. Aminoácidos


5. Algunos aminoácidos tiene cadenas laterales que contienen grupos disociados.

b. Grupos disociados1. Que estos grupos estén disociados depende del

pH y de la constante de disociación aparente (pKa

´) de los grupos disociados.2. Estos aminoácidos disociados existen también

como zwitteriones. Por ejemplo, el glutamato tiene tres protones disociables con valores pKa´ de 2.19, 4.25 y 9.67. Conforme el pH aumenta por encima de cada uno de éstos valores pKa´, los protones se disocian y la carga cambia como muestra enseguida.

CH COOHH3N+

CH2

CH2

COOH

CH COO-H3N+

CH2

CH2

COOH

CH COO-H3N+

CH2

CH2

COO-

CH COO-H2N+

CH2

CH2

COO-

PKa1´ = 2.19 PKa2´ = 4.25 PKa3´ = 9.67

Zwitteriones de glutamato

Conforme el pH aumenta por encima de cada uno de éstos valores pKa´, los protones se disocian y la carga cambia

1+ 0 1- 2-

Cargas absolutas

III. Péptidos y polipéptidos

A. Formación. La unión de aminoácidos produce cadenas peptídicas, también llamadas polipéptidos cuando son muchos los aminoácidos unidos.

1. El enlace peptídico es el enlace formado entre el grupo -carboxilo de un aminoácido y el grupo -amino de otro. En el proceso es removida agua.


2. La formación del enlace peptídico es altamente endergónica (requiere energía) y requiere la hidrólisis concomitante de enlaces de fosfato de alta energía.


3. El enlace peptídico es una estructura plana, con los dos carbonos alfa adyacentes, un oxígeno carbonil, un nitrógeno -amino con su átomo de hidrógeno asociado y el carbono carbonil alineados todos en el mismo plano. El enlace -CN- tiene un carácter parcial de doble enlace que previene la rotación alrededor del eje del mismo.

Enlace peptídico

Plano de la amida


4. Cuando nos referimos a aminoácidos en cadenas de polipéptidos los nombramos habitualmente como residuos.


B. Propiedades anfotéricas

1. La formación del enlace peptídico remueve dos grupos disociados, uno del -amino y otro del -carboxilo, por residuo.

2. Aunque los grupos N-terminal y C-terminal -amino y -carboxilo pueden jugar importantes roles en la formación de estructuras proteicas y así en su función, las propiedades anfotéricas de un polipéptido están principalmente gobernadas por los grupos disociables en los radicales de los aminoácidos.

3. Uso en el laboratorio. Estas propiedades de las proteínas no sólo son importantes en términos de su estructura y función sino también son útiles en un número de procedimientos analíticos, tales como el intercambio iónico o la cromatografía de líquidos, para la purificación e identificación de proteínas.

IV. Conformación de las proteínas

Cada proteína en su estado natural tiene una estructura tridimensional única, que se denomina conformación.


A. La estructura primaria es la “columna” covalente de polipéptidos formados por la secuencia específica de aminoácidos.

1. Esa secuencia está codificada por el ADN y determina la forma tridimensional final adoptada por la proteína en su estado natural.

2. Por convención, las secuencias de péptidos son escritas de izquierda a derecha, comenzando con el residuo de aminoácido que tiene un grupo -amino libre (aminoácido N-terminal) y terminando con el residuo que tiene un grupo -carboxil libre (aminoácido C-terminal). Se emplean abreviaciones de tres letras (ej., Ala-Glu-Lys) o una letra para nombrar cadenas largas de polipéptidos (ej., A-E-K).


B. La estructura secundaria es la relación espacial de residuos de aminoácidos vecinos.

1. La estructura secundaria está determinada por la estructura primaria. La estructura secundaria surge de las interacciones de aminoácidos vecinos. Como el código de ADN dicta cuáles aminoácidos están cerca de otros en la secuencia primaria, la estructura secundaria generalmente se forma como una cadena peptídica que sale de los ribosomas


2. Puentes de hidrógeno. Una característica importante de la estructura secundaria es la formación de puentes de hidrógeno (H) entre el grupo –CO de un péptido unido al grupo –NH de otro péptido cercano.

a. Si los puentes de hidrógeno se forman entre péptidos en la misma cadena, se pueden formar estructuras helicoidales como la hélice alfa o los giros beta.

b. Si los puentes de hidrógeno se dan entre péptidos de diferentes cadenas se forman estructuras extendidas como las láminas plegadas beta.


3. La hélice alfa es una estructura similar a una barra, con los enlaces peptídicos fuertemente enrollados hacia dentro y las cadenas laterales (R) de los residuos sobresaliendo hacia afuera.

a. Cada grupo –CO está unido al –NH de un residuo de aminoácido que está cuatro residuos después en la misma cadena.

b. Hay 3.6 residuos de aminoácidos por giro en la hélice y la hélice gira hacia la derecha (ej., los giros siguen el sentido de las manecillas del reloj alrededor del eje).

Estructura secundaria: hélice alfa

La hélice alfa muestra los enlaces peptídicos en forma planar y los puentes de hidrógeno entre cada cuatro enlaces.

Los círculos enumerados representan la variedad de cadenas laterales (R) de los diferentes aminoácidos.


4. Las estructuras de lámina plegada beta se encuentran en muchas proteínas, incluidas algunas globulares, las proteínas solubles y algunas proteínas fibrosas (ej., fibroína de la seda).

a. Hay más estructuras extendidas que hélices alfa y están plegadas porque los enlaces C-C son tetraédricos y no pueden existir en líneas rectas.

b. Las cadenas se alinean lado a lado, con los puentes de hidrógeno formados entre el grupo –CO de un péptido y el grupo –NH de otro de la cadena vecina.

c. Las cadenas pueden correr en la misma dirección, formando una lámina beta paralela, o pueden correr en direcciones opuestas, como en las proteínas globulares en las cuales una cadena extendida se dobla sobre sí misma, formando una estructura anti-paralela beta.

Estructura secundaria: Lámina plegada

Lamina plegada paralela.

Los péptidos con estructura geométrica planar se muestran con sus puentes de hidrógeno entre cadenas de péptidos paralelas adyacentes. Los círculos enumerados representan la variedad de cadenas laterales (R y R´) de los diferentes aminoácidos en cada cadena peptídica. Las flechas adyacentes indican la direccionaiddad de las cadenas peptídicas desde sus terminales amino a carboxil.


5. Un giro es

a. Hay más estructuras extendidas que hélices alfa y están plegadas porque los enlaces C-C son tetraédricos y no pueden existir en líneas rectas.

b. Las cadenas se alinean lado a lado, con los puentes de hidrógeno formados entre el grupo –CO de un péptido y el grupo –NH de otro de la cadena vecina.

c. Las cadenas pueden correr en la misma dirección, formando una lámina beta paralela, o pueden correr en direcciones opuestas, como en las proteínas globulares en las cuales una cadena extendida se dobla sobre sí misma, formando una estructura anti-paralela beta.


C. La estructura terciaria se refiere a las relaciones espaciales de residuos más distales.

1. Doblamiento. Las cadenas de polipéptidos de orden secundario de proteínas solubles tienden a doblarse dentro de estructuras globulares, con el lado hidrofóbico de las cadenas en el interior de la estructura, lejos del agua, y el lado hidrofílico hacia afuera, en contacto con el agua. Este doblamiento es debido a la asociación entre segmentos de -hélices, láminas , u otras estructuras secundarias y representa un estado de la más baja energía (y de la mayor estabilidad) para la proteína en cuestión.


2. La conformación resulta de:

a. Los puentes de hidrógeno dentro de una cadena o entre las cadenas.

b. La flexibilidad de la cadena en puntos de inestabilidad, permitiendo al agua obtener máxima entropía y así gobernar la estructura en cierta medida.

c. La formación de otros enlaces no covalentes entre las cadenas laterales, tales como acoplamiento de sales o interacciones (Pi) de anillos aromáticos.

d. Los sitios y el numero de puentes disulfuro entre residuos de cisteína dentro de la cadena.


3. Una cadena peptídica libre en solución no alcanzará su estructura terciaria biológicamente activa tan rápida y adecuadamente como lo haría dentro de la célula. Dentro de la célula, algunas de las proteínas que facilitan el adecuado doblamiento son:

a. Proteína disulfuro isomerasa. Esta proteína cataliza la adecuada formación de enlaces disulfuro entre residuos de cisteína.

b. Proteínas chaperonas. Esta familia de proteínas cataliza el adecuado doblamiento de proteínas en parte al inhibir doblamiento incorrecto e interacciones con otros péptidos.


D. Estructura cuaternaria. Se refiere a las relaciones espaciales entre cadenas individuales de polipéptidos en un proteína multicadena; esto es, las características interacciones no covalentes entre las cadenas que forman la conformación natural de la proteína tanto como los enlaces disulfuro ocasionales entre las cadenas.

1. Muchas proteínas mayores a 50 kdal tienen más de una cadena y se dice que contienen múltiples subunidades, con cadenas individuales llamadas protómeros.

2. Muchas proteínas multisubunidades están compuestas de diferentes tipos de subunidades funcionales.

Bibliografía

Sittman D. Amino acid and protein structure. En: Davidson VL, Sittman DB, editores. Biochemistry. 4 ed. Baltimore: Lippincott Williams & Wilkins; 1999. p. 11-28.

Rodwell VW. Aminoácidos. En: Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW, editores. Bioquímica de Harper. 14 ed. México D. F.: El Manual Moderno; 1997. p. 29-38.

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