Aminoácidos, péptidos y proteínas

Dra. Francis Rodríguez Departamento de Ciencias Fisiológicas Facultad de Ciencias Médicas UNAHfrancis.rodriguez@unah.edu.hnwww.bioquimicaunahteg.blogspot.com

Funciones de los AA

• Sirven como bloque de construcción de proteínas.– Algunos se encuentran libres en plasma.

• Biosíntesis de porfirinas, purinas, pirimidinas y urea.• Neurotransmisión

• Intermediarios de ciertas rutas metabólicas: citrulina, ornitina

Naturaleza química de los AA• Son ácidos carboxílicos que contienen un grupo

amino.– Carbono alfa: C al cual están unidos el grupo COOH y

el NH2

– Grupo R: cadena lateral, representa una variedad de estructuras.

Clasificación de los AA1. AA alifáticos cuyo grupo R es no polar.2. Alifáticos cuyo grupo R es polar pero no tiene

carga.3. AA alifáticos cuyo grupo R es polar y se encuentra

en estado de ión positivo.4. AA alifáticos cuyo grupo R es polar y se encuentra

en estado de ión negativo.5. AA aromáticos.

Nelson y Cox. Lehninger principles of Biochemistry, 5th ed. 2009.

Clasificación de los AA

Aromáticos(Phe, Tyr, Trp)

Alifáticos

No polares(Gly, Ala, Val, Leu, Met, Ile)

Polares

Sin carga(Ser, Thr, Cys, Pro, Asn,

Gln)

Con carga +(Lys, Arg, His)

Con carga –(Asp, Glu)

Nelson y Cox. Lehninger principles of Biochemistry, 5th ed. 2009.

AA con cadenas laterales aromáticasüRelativamente no polares.üTodos participan en interacciones hidrofóbicas.üEl grupo hidroxilo de la tirosina es importante en reacciones enzimáticasüEl Trp, Tyr y en menos extensión la Phe absorben luz UV. (útil en la caracterización de proteínas en investigación)

AA con cadenas laterales alifáticas(No polares)

Tienden a agruparse en las proteínas estabilizando las es t ruc tu ras med ian te interacciones hidrofóbicas

• Son más hidrofílicos por sus grupos polares: -OH, -SH, amida que establecen enlaces con el agua.

AA con cadenas laterales alifáticas(Polares, sin carga)

• Cadena lateral ionizable cerca del pH 7.– Carga neta es positiva.

• La His facilita muchas reacciones enzimáticas actuando como aceptor/donador de protones.

AA con cadenas laterales alifáticas(Polares, con carga positiva)

AA con cadenas laterales alifáticas(Polares, con carga negativa)

• Cadena lateral ionizable cerca del pH 7.

• Carga neta es negativa.• Tienen un segundo grupo carboxilo.

Nomenclatura de los AA• Nombres triviales o comunes, por ejemplo:

– Asparagina: 1° AA descubierto en 1806 (“Asparagus”)

– Glutamato: “wheat” gluten

– Tirosina: queso (del griego tyrus)

– Glicina: dulce (del griego glykos)

Nomenclatura de los AA

Nelson y Cox. Lehninger principles of Biochemistry, 5th ed. 2009.

Sistema de 1 letra

Sistema de 3 letras

Aminoácidos esenciales

• Esenciales sólo en la niñez:– His– Arg

• Esenciales durante toda la vida:– Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val

Estructura de los AA• En la naturaleza existen más de 300 AA.

• Sin embargo, las proteínas que sintetiza el cuerpo humano están conformadas por sólo 20 AA.

Estructura de los AA:El aminoácido # 21

• Selenocisteína: – Encontrado en proteínas muy importantes como algunas

reductasas y peroxidasas que participan en reacciones de transferencia de electrones.

– Un átomo de selenio reemplaza el sulfuro en un residuo de cisteína.

– Es introducido en las proteínas durante la traducción.– Se le conoce como el “AA # 21”– No es codificado por un codón de 3 letras como sucede

con los otros 20 AA.

Estructura de los AA• Estereoisomería:– El carbono alfa es un centro quiral.– Los 4 grupos unidos al C-α pueden tomar únicamente

dos rearreglos espaciales.– Los AA tienen dos posibles estereoisómeros: L-AA y D-

AA.• Enantiómeros

– Excepto la glicina

Estructura de los AA• Los AA que forman las proteínas sólo pertenecen a las

formas del enantiómero L, aun se desconoce el motivo por el que se ha elegido esta forma durante la evolución.

• Como excepción existen formas D en algunos péptidos que forman las paredes bacterianas y ciertos antibióticos peptídicos.– La serie D se forma a partir de la serie L por acción de la

enzima racemasa.

AA poco comunes pero con funciones importantes

• Se forman por modificación de los residuos que ya están incorporados en un polipéptido.

• 4-hidroxiprolina• 5-hidroxilisina: proteínas de la pared celular (plantas), y

en colágeno (animales)• 6-N-metil-lisina: constituyente de la miosina• γ-carboxiglutamato: proteína de la coagulación

(protrombina) y otras proteínas de unión a Ca++.• Desmosina: derivado de 4 residuos de Lys, se

encuentra en la elastina.

Los AA pueden actuar como bases o como ácidos

• Zwitterion: ión dipolar que actúa como base o como ácido.

• Punto isoeléctrico (pI): pH al cual la carga neta es cero.

Funciones de los péptidos • En el sistema neuroendocrino: como hormonas,

neurotransmisores, neuromoduladores, y factores liberadores de hormonas.

• En reacciones de detoxificación del organismo. • En ciclo celular y apoptosis.• Agentes antimicrobianos: son parte de la inmunidad

innata• Inhibidores de enzimas: ECA• Péptidos sintéticos son usados como sustratos de

enzimas, antibióticos y agentes antitumorales

Funciones de las proteínas

• Componentes estructurales.• Transportadores de sustancias.• Hormonas.• Catalizadores de reacciones biológicas. • Favorecedores de procesos de luminiscencia.• Componentes del esqueleto intracelular o citoesqueleto.• Elementos fundamentales en la contracción muscular

Funciones de las proteínas

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Péptidos y proteínas • Polímeros de aminoácidos.• 2, 3 hasta miles de residuos de AA.– Oligopéptidos: pocos AA– Polipéptidos: muchos AA

• Unidos por un enlace peptídico

Enlace peptídico• Es la unidad primaria estructural de las

cadenas polipeptídicas.

• Reacción de condensación entre el grupo carboxilo de un AA y el grupo amino de otro que produce un enlace amida (enlace covalente).

• Extremo amino terminal• Extremo carboxilo terminal

Proteínas • Aprox el 20% del peso húmedo de la célula lo constituyen los

AA y proteínas.

• Un pequeño cambio, como la sustitución de un AA por otro, puede ocasionar la aparición de funciones no compatibles con el metabolismo y desarrollo celular.

• La secuencia de una proteína está determinada genéticamente.

CARRETERA CARRETIRA E por I

CORREO CORREA O por A

Clasificación de las proteínas Por el número de subunidades o cadenas polipeptídicas:1. Una sola cadena polipeptídica: proteína monomérica.2. Dos o más cadenas asociadas de manera no covalente:

proteínas multiméricas o multisubunidades.– Oligoméricas: con pocas subunidades y éstas son llamadas

protómeros.– Por ejemplo: la hemoglobina es un tetrámero (2α 2β) o un dímero

de protómeros αβ

Clasificación de las proteínas Por sus constituyentes:• Proteínas simples: sólo AA– Ejemplo: Ribonucleasa A y quimotripsina

• Proteínas conjugadas: asociadas de manera permanente a componentes químicos además de los AA.– Grupo prostético: parte que no es AA. Tiene un rol importante en

la función biológica.– En base a la naturaleza química de los g. prostéticos:

lipoproteínas, glicoproteínas, metaloproteínas, etc.– Algunas proteínas contiene más de un g. prostético

Proteínas conjugadas

Clasificación de las proteínas Por su función:• Proteína globular: su función principal es la

regulación celular.– Ejemplo : enz imas y pro te ínas regu ladoras .

(hemoglobina, albumina, etc)

• Proteína fibrosa: forman parte de estructuras celulares o tejidos. – Ejemplo: colágeno, elastina, queratina, proteínas del

citoesqueleto, etc.

Sección transversal del cabelloalfa-queratina

Estructura del colágeno

Estructura de la sedaTelaraña (fibroína)

Estructura proteica • Conformación: rearreglo espacial de átomos en

una proteína.

– Las conformaciones existen bajo las condiciones termodinámicamente más estables (menor energía libre de Gibbs)

• Proteínas nativas: proteínas en cualquiera de sus conformaciones plegada y funcional.

Niveles de organización de las proteínas

Estructura 1°Secuencia de AA

Estructura 2°Rearreglos de los AA

Estructura 3°Plegamiento 3D del polipéptido

Estructura 4°Proteína con 2 o más subunidades

Estructura primaria • Se refiere a la secuencia de AA.• Estabilizada principalmente por enlaces peptídicos y

puentes disulfuro (Cys).• Cada proteína tiene un número y secuencia de AA

distintiva.• Determina cómo se pliega en su estrutura 3D y esto

determina la función de la proteína.• Ejemplo de proteínas únicamente con estructura 1°:

insulina, vasopresina (ADH), colecistoquinina, gastrina y secretina.

Estructura primaria

• Brinda información:– Estructura 3D y la función de la proteína.– Ubicación celular: citoplasma, núcleo o membrana.– Evolución de la vida en el planeta.– Similitud en la secuencia de AA sirve para ubicar una

proteína en una familia. • Dominio: corta secuencia de AA que define una proteína.

Estructura tridimensional de las proteínas

• La estructura 3D de una proteína es determinada por la secuencia de AA.

• La función de la proteína depende de la estructura.• Usualmente la estructura es estable.• Las fuerzas más importantes que estabilizan

estructuras específicas son interacciones no covalentes.

Estructura secundaria• Rearreglo espacial de los principales átomos de un

segmento de la cadena polipeptídica, sin obviar la conformación de sus cadenas laterales o su relación con otros segmentos.– Alfa hélice – Hoja plegada beta – Giro beta – “Random coil” o no definida*

Estructura 2°: alfa-hélice• Es muy común, es el rearreglo más simple

que una cadena polipeptídica puede asumir.

• Los g. R tienden o orientarse hacia el exterior de la hélice.

• Cada vuelta incluye 4 AA.• En todas las proteínas el giro de la hélice

es hacia la derecha.• Estabilizada por puentes de H.• Colágeno y alfa-queratina.

Estructura 2°: α-hélice

Estructura 2°: hoja plegada β

• Estructura más extendida que la anterior.

• Estabilizada por puentes de H.

• Los AA no están cercanos.

• El esqueleto de la proteína se ordena en zig-zag.

• Fibroína (fam de β-queratinas) y en la seda.

Estructura 2°: hoja plegada β

Estructura 2°: giros β• Común en proteínas globulares. Permiten un cambio de

180° en el sentido de la cadena polipeptídica.• Puente de H entre el AA 1 y AA 4• Generalmente se encuentran en la superficie de la proteína.• Menos comunes son los giros γ: entre 3 AA.

Estructura terciaria • Estructura tridimensional de todos los átomos en una

proteína.• Interacción entre residuos más alejados en la secuencia de

AA (PLEGAMIENTO).

Plegamiento de proteínas• Permite aproximación de cadenas laterales de

residuos distantes.

• Estructuras 3D adecuadas para la interacción con otras moléculas.

• En la célula, este proceso ocurre durante y después que las proteínas son sintetizadas en los ribosomas.– Facilitado por proteínas chaperonas.

Degradación de proteínas • No específica: lisosoma• Específica: vía de la ubiquitina.– Es una proteína pequeña, de 76 AA,

a l t a m e n t e c o n s e r v a d a e n eucariotas.

– Secuencia PEST (Pro, Glu, Ser, C y s ) e s l a s e ñ a l p a r a l a degradación por esta vía.

Estructura cuaternaria• Proteínas con varias subunidades.• Tienen un papel regulatorio.• La unión de pequeños componentes

puede producir cambios en la actividad.• Multímero • Oligómero • Protómero

Estructura 4°• Homotípicas: asociación de cadenas polipeptídicas

idénticas o casi idénticas• Heterotipicas: interacciones entre subunidades con

estructuras muy distintas.

Estabilidad de la estructura 3° y 4°Esta conformación se mantiene estable gracias a la

existencia de enlaces entre las cadenas laterales (g. R) de los AA. 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

o interface hidrofobico • Puentes disulfuro

Desnaturalización de las proteínas• Es una modificación estructural que conduce a la pérdida de la función

proteica. • Pérdida de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y

cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estático sin ninguna estructura tridimensional fija.

• La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína:

1. Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión

2. Una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en la superficie

3. Pérdida de las propiedades biológicas

Desnaturalización • Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se

llaman agentes desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (T°) 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:a. Polaridad del disolvente b. Fuerza iónicac. pHd. Tº

Referencias bibliográficas1. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition.

2009. Chapter 1: The Foundations of Biochemistry.2. Harper´s Illustrated Biochemistry. 28th edition.

2009. Capítulo 1: Bioquímica y Medicina.3. Bioquímica: Conceptos esenciales. 2010. Capítulo

4 y 5: Aminoácidos y proteínas.4. Bioquímica: la ciencia de la vida. 2° ed. 2007.