Proteinas

AMINO ACIDOS y PROTEINAS


Las proteínas son polímeros de alfa-amino ácidos. De todos los posibles amino ácidos sólo 20 son comúnes en las proteínas. Estructuralmente, el grupo amino está en el carbono alfa del ácido carboxílico; la formula general es la siguiente:

Excepto por glicina, todos los amino ácidos son quirales y se designan como de la serie L porque el grupo amino del carbono alfa está a la izquierda, lo que corresponde a una configuración S (excepto en Cisteína que sale R por la asignación de prioridades).

Todos son aminas primarias, excepto Prolina que es una amina secundaria. Metionina y Cisteína son los únicos que contienen azufre.

Se clasifican de acuerdo a la polaridad de la cadena lateral, R, en cuatro grupos:
Grupo I - amino ácidos no-polares o hidrofóbicos
Grupo II - amino ácidos polares, sin carga neta a pH fisiológico
Grupo III - amino ácidos con cadena lateral ácida
Grupo IV - amino ácidos con cadena lateral básica

Los amino ácidos se designan con una abreviatura de tres letras o de una letra de sus nombres, por ejemplo, Alanina = (ala) o (A).

A un pH neutral (o cercanos a neutralidad) los amino ácidos se encuentran en forma de iones dipolares o iones de zwitter, dada la acidez de grupo -COOH y la basicidad del -NH2 :

El pH al cuál un amino ácido se encuentre en forma de ion de zwitter se conoce como Punto Isoeléctrico, y se designa como pI.

Porque pueden actuar como ácidos (grupo NH3+) o como base (grupo COO-), los amino ácidos son anfotéricos

A pH menores al pI (ácidos), prevalece la forma catiónica
a pH mayores al pI (básicos), prevalece la forma aniónica.

Partiendo del catión, un amino ácido puede titularse y la curva de titulación indica el pH en la cual va a prevalecer el catión, el ion de zwitter o el anión.

El pH al cual hay igual concentración del ion de zwitter con el catión o con el anión es el pKa de cada grupo ionizable. . Por ejemplo, para alanina (R = CH3) el pKa1 es 2.34 (grupo-COOH) y el pKa2 es 9.69(grupo NH3+). :

Su pI es de 6.02 y se calcula por el promedio de los pKa's.

La siguiente figura ilustra la curva de titulación de alanina:

La ecuación de Henderson-Hasselbalch se puede usar para determinar la proporción de base conjugada a ácido débil:


Si [base conjugada] = [ácido débil] entonces el pH = pKa,
Si el pH > pKa (más básico), prevalece la base conjugada
Si el pH < pKa (más ácido), prevalece el ácido débil

Cuando hay grupos laterales ionizables, el pka de éstos se designa pKR. Por ejemplo, para cisteína el pK1 (-COOH) es 2.05, el pK2 (-NH3+) es 10.25 y el pKR (grupo -SH) es 8.00:

Orden de desprotonación en la titulacin de amino ácidos:
1- Al titular el amino ácido éste debe estar totalmente protonado (pH < 1)
2- El grupo alfa-carboxílico (-COOH) es el primero es desprotonarse (todos los amino ácido tienen este grupo; sus pKa's son menores de 6)
3- Le siguen los grupos -COOH de las cadenas laterales (ácidos aspártico y glutámico)
4- Luego siguen los grupos amino aromáticos en cadenas laterales (Histidina es el único ejemplo; pKa cerca de 6) y el grupo -SH de cisteína.
5- Siguen los grupos alfa-amino (-NH3+): todos los amino ácido tienen este grupo; sus pKa's > 6
6- Los últimos en desprotonarse son los grupos amino de las cadenas laterales (ejemplo: Lisina y Arginina)

Conforme a estas reglas, la titulación de cisteína sigue la siguientes reacciones:

De aquí que el pI de cisteína es 5.03:

ELECTROFORESIS
La electroforésis es un método útil para separar mezclas de amino ácidos o proteínas. Esta técnica se basa en la carga electrica que prevalece a un pH determinado: dependiendo del pI, los aminoádos o las proteinas estarán en forma de catión, anión o ion de zwitter. En presencia de un campo eléctrico, los aniones migran al electrodo positivo; los cationes al electrodo negativo. Los iones dipolares, que son neutrales, no migran.



PROTEINAS

Las proteínas son biopolímeros de alfa-aminoácidos (poliamidas de alfa-aminoácidos). Exhiben una amplia gama de funciones, como por ejemplo:
-contracción muscular
-soporte estructural
-transporte de moléculas pequeñas
-almacenamiento
-anticuerpos (protección inmunológica)
-catálisis (anzimas)
-mensajería (hormonas)

La estructura de las proteínas está definida por su secuencia de aminoácidos, la cuál está determinada geneticamente.

Las proteinas se forman por la combinación química entre los amino ácidos: específicamente entre el grupo alfa-carboxilo de uno con el grupo alfa-amino de otro. El resultado es una amida, y el enlace se conoce como enlace péptido.

Debido al efecto de resonancia el enlace péptido es plano (geometría trigonal planar en torno a C y N como átomos centrales):

Hay rotación libre entre el carbono alfa y el carbonilo (C=O) y entre el N y su carbono alfa, pero como la resonancia le confiere rigidez al enlace péptido, la rotación en torno a este enlace está vedada. La conformación más estable es la s-trans:

A cada uno de los aminoácidos que se unen en una cadena formando un polipéptido se le denomina residuo.

Los péptidos que contienen de 2 a 10 residuos de aminoácidos normalmente se nombran con el prefijo químico usual para los números: di-, tri-, tetra-, penta, hexa-, hepta-, octa-, nona-, y decapéptido. Los productos que tienen de 10 a 100 aminoácidos se llaman polipéptidos, mientra que aquéllos con más de 100 aminoácidos son proteínas

Cuando se ilustran los polipéptidos (o proteínas), el extremo izquierdo se conoce como Terminal N, porque el grupo alfa-amino queda libre (no enlazado) en ese residuo de un amino ácido. El extremo derecho se conoce como Terminal C, porque el que queda libre en ese residuo de amino ácido es el grupo carboxilo.

La ruptura del enlace péptido se logra por hidrólisis ácida, (HCl 6M), básica o catalizada por enzimas con liberación de los aminoácidos. La digestión de las proteínas a nivel estomacal e intestinal está a cargo de enzimas llamadas peptidasas (proteasas), que llevan a cabo una hidrolisis a nivel de aminoácidos.

La función biológica no depende de la longitud de la cadena de aminoácidos. Por ejemplo, el tripéptido glutatión (gamma-glutamil-L-cisteinilglicina) está formado por ácido glutámico, cisteína y glicina: Este tripéptido tiene una función importante en la regulación de reacciones de oxidación-reducción y en la destrucción de radicales libres, nocivos para la célula. Glutatión tiene un distintivo muy particular: el enlace péptido entre ácido glutámico y cisteína está constituído por el carboxilo del carbono gamma del ácido glutámico y no por el del carbono alfa:


Glutatión reducido (el componente reductor es el grupo -SH del residuo de cisteína; se abrevia GSH) proteje las células de los efectos destructivos de la oxidación al reaccionar con substancias como los peróxidos (R-O-O-R), productos secundarios del metabolismo de O2. Por ejemplo, en los eritrocitos, el peróxido de hidrógeno (H2O2) oxida el hierro de la hemoglobina del estado ferroso (Fe2+) al férrico (Fe3+). El producto de esta reacción es metemoglobina, que es incapaz de unir O2. Glutatión evita la formación de metemoglobina al reaccionar con el H2O2 en una reacción catalizada por la enzima peroxidasa de glutatión: 2 GSH + H2O2 ----> GSSG + 2 H2O

En la forma oxidada (GSSG) dos tripéptidos están enlazados por un enlace disulfuro, producto de la oxidación del grupo -SH de los residuos de cisteína:

El Dalton (D) es la unidad de masa que define el tamaño de una proteína. Un Dalton equivales a una unidad de masa atómica:1D = 1 uma. Por lo general, la masa molar se calcula multiplicando el número de residuos que contiene la proteína por la masa molar promedio de un residuo, que es 110. De aquí que una proteína con 250 residuos de aminoácidos tiene una masa molar de 27,500 D (250 x 110) o 27.5 kD.

CLASIFICACION:


A- Según su composición:

-Simples = sólo contienen aminoácidos

-Conjugadas: la parte proteínica contiene un grupo no-protéico llamado grupo prostético. La parte protéica se denomima apoproteína. La apoproteína y el grupo prostético constituyen la holoproteína.

B- Según su solubilidad:

-Globulares: solubles en agua; en forma globular. Se pliegan en medio acuoso proyectando los residuos no-polares (Grupo I) hacia el interior (centro hidrofóbico) y los residuos polares hacia afuera (superficie hidrofílica; grupos II, III, IV) para que interactúen con el agua. Así hay máxima atracción hidrofílica y mínima repulsión hidrofóbica, lo que confiere una mayor estabilidad por ser un plegamiento termodinamicamente favorable.

-Fibrosas = insolubles en agua; tienen forma de varilla en espiral. Siguen otro tipo de plegamiento, mayormente en medios no-polares como, por ejemplo, las membranas celulares.

Proteínas de una sola cadena polipéptida se denominan monoméricas; con dos o más cadenas polipéptidas, oligoméricas. Cada polipéptido es una subunidad. La subunidades pueden ser idénticas o distintas.

Un dominio es una región de secuencia común. Puede haber varios dominios en una proteína. Cada dominio contiene de 50 a 400 residuos de aminoácidos y cada uno actúa de forma independiente ya sea para llevar a cabo una función estructural o una función biológica.

Estructura Nativa - estructura tridimensional natural de una proteína, cuyo plegamiento le confiere la actividad funcional biológica en las condiciones celulares. Está definida por los niveles de organización estructural.

NIVELES DE ORGANIZACION ESTRUCTURAL

La estructura de una proteína determina su función. Se han identificado cuatro niveles estructurales, conocidas como estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Cierto tipos de aminoácidos y secuencias de éstos favorecen determinadas estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias. Lo que más influye son la:
(a) identidad de los aminoácidos
(b) secuencia de las cadenas laterales de los aminoácidos.
De aquí que cada proteína tiene una estructura tridimensional particular.

La interacciones que se observan en estas estructuras son las siguientes:
1-Enlaces Covalentes:
-enlaces péptidos
-enlaces disulfuros

2-Interacciones No-Covalentes
-puentes de hidrógeno
-puentes salinos
-interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales no polares
-coordinación con iones metálicos

ESTRUCTURA PRIMARIA:
Es la secuencia de amino ácidos en la proteína desde el terminal N al terminal C, lo que implica que es la completa descripción de todos los enlaces covalentes en la misma. Esencialmente se refiere a los enlaces péptidos y los enlaces disulfuro (R-S-S-R):

Es el aspecto más importante al considerar el ordenamiento tridimensional de la proteína. Por ello, las propiedades de una proteina dependen directa o indirectamente de esta estructura. Por ejemplo, en anemia falciforme (o depranocítica) la molécula de hemoglobina forma un agregado y el glóbulo rojo adquiere una forma de hoz (sickle cell). La causa de este cambio estructural es un intercambio en la secuencia primaria de una de las cadenas beta de la hemoglobina: el amino ácido valina substituye a ácido glutámico (residuo número 6). Valina es hidrofóbico y ácido glutámico está en forma aniónica, lo que altera la interacciones y por ende la estructura terciaria.

ESTRUCTURA SECUNDARIA:
Se refiere a los diferentes arreglos o conformaciones de los amino ácidos en diferentes regiones de la cadena proteínica y que se repiten regularmente. Dentro de esta clasificación hay dos principales conformaciones: la hélice alfa y la plancha plegada beta, que puede ser paralela o antiparalela.

Estos arreglos sólo se observan en las proteínas globulares.

En cada una se forman puentes de hidrógeno entre el oxígeno del carbonilo (C=O) de un enlace péptido con el hidrógeno del grupo N-H de otro enlace péptido: -C=O-----HN-

Hélice alfa: la sección de la proteína se desdobla o se enrolla en forma de espiral diestra. Hay 3.6 amino ácidos por cada vuelta de la hélice y cada enlace péptido es plano y s-trans. Los puentes de hidrógeno se forman con el oxígeno del carbonilo (C=O) de cada enlace péptido con el hidrógeno del grupo N-H de otro enlace péptido cuatro amino ácidos más abajo. No hay puentes de hidrógenos entre las cadenas laterales.

Algunos amino ácidos favorecen este elemento estructural; otros amino ácidos la desfavorecen. De entre éstos últimos tenemos
-amino ácidos con cadenas laterales muy grandes que desestabilizan la hélice alfa (asparagina, tirosina, serina, treonina, isoleucina y cisteína)
-amino ácidos con cadenas laterales con la misma carga que se repelen y desestabilizan los puentes de hidrógeno de la cadena principal (arginina; ácido glutámico)
-Glicina, porque propicia la lámina beta
-Prolina, que altera la hélice alfa; el N amido está en un anillo, por lo tanto, no puede formar puentes de hidrógeno porque no puede desdoblarse, debido al anillo, en la vuelta del espiral, lo que altera la conformación de la cadena:

Plancha plegada beta: cadenas polipéptidas completamente extendidas. Los puentes de hidrógeno se pueden formar entre varias cadenas o dentro de una misma cadena.

Hay secciones en la cadena de la proteína que se alínean de forma paralela o antiparalelas entre sí. Las secciones se mantienen enlazadas por puentes de hidrógeno (entre el oxígeno del carbonilo (C=O) de un enlace péptido con el hidrógeno del grupo N-H de otro enlace péptido).

La forma paralela consiste de cadenas proteicas que corren en la misma dirección (desde el terminal N al terminal C); la antiparalela consiste de cadenas que corren en direcciones opuestas.

La presencia de éstas estructuras es variable en las proteínas. La hélice alfa, por ejemplo, puede variar de un bajo porciento hasta un 100%.

Las limitaciones para la formación de la plancha plegada son las mismas que se señalan para la hélice alfa, excepto en lo que se refiere a glicina y alanina, que favorecen la formación de la plancha plegada.

GIROS O VUELTAS:
Los giros son vueltas en reversa. Su importancia estriba en que invierten la dirección de la cadena proteínica principal y porque conectan regiones de structuras secundarias regulares: hélices alfa y láminas beta. Son elementos comunes pero no regulares de la estructura secundaria.

Giros Beta: giro muy común; se conoce también como vuelta de horquilla. Conecta polipéptidos en forma antiparalela para conformar estructuras en lámina beta:

MOTIVOS ESTRUCTURALES O ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS
Son elementos individuales de la estructura secundaria (hélice alfa, lámina beta, giros) que se combinan para formar estos arreglos estables o agregados específicos. Por lo general son más pequeños que los dominios pero también pueden abarcar el dominio completo.

Se pueden encontrar en las mismas o en distinats proteínas. Se mantienen unidas por interacciones favorables no-covalentes entre las cadenas laterales.

PROTEINAS FIBROSAS: no exhiben hélice alfa o lámina beta porque tienen su propia estructura secundaria. La estructura primaria contiene unidades repetidas de prolina-glicina-ácido aspártico o de 5-hidroxiprolina-glicina-ácido aspártico.

Colágeno, la principal proteína de la piel, pelo y tendones, es una proteína fibrosa rica en prolina. Por eso no puede plegarse en forma de hélice alfa o lámina beta.

Tienen una estrctura tridimensional única: tres cadenas helicoidales alargadas y enrolladas en triple hélice (superhélice) unidas por puentes de hidrógeno y enlaces covalentes cruzados en cadenas laterales de aminoácidos.

ESTRUCTURA TERCIARIA
Es el arreglo tridimensional de la cadena proteínica en su totalidad. Incluye la estructura secundaria, los enlaces disulfuro y cualquier otro desdoblamiento. Es consecuencia de la combinación de varios motivos de estructura secundaria en un arreglo compacto.

Entre las fuerzas que estabilizan esta estructura se encuentran las siguientes:
-puentes de hidrógeno (C=O-----HN)
-enlaces disulfuro (-S--S-)
-puentes salinos (COO- NH3+)
-interacciones dipolo-dipolo
-interacciones hidrofóbicas
-coordinación metálica

Los enlaces disulfuro son parte de la estructura terciaria pero no influyen directamente en el plegado de una proteína en su conformación nativa. Más bien la "inmovilizan" en su forma final después que las demás interacciones estabilizadoras han actuado.

La proteína puede adoptar un sinnúmero de conformaciones, pero sólo una es la nativa por ser la más estable. Esta forma final no es, necesariamente, rígida o estática.

La estructura primaria determina la terciaria.

Chaperonas moleculares: son un grupo de proteínas que colabora en el plegado de otras: unen cadenas de polipéptidos, posiblemente como catalizadoras. Se conocian como proteínas de choque térmico (heat shock proteins).

ESTRUCTURA CUATERNARIA
Es una propiedad de proteínas que consisten de más de una cadena polipéptida y que se conocen como subunidades. Se refiere a la interacción no-covalente entre las subunidades y define el arreglo y posición de cada subunidad en la proteína oligomérica. Cada subunidad tiene su estructura primaria, secundaria y terciaria distintiva. Las subunidades pueden ser idénticas o diferentes.

Es tambien parte de la estructura cuaternaria los contactos moleculares que existen entre todas las subunidades, como lo son los puentes de hidrógeno, los enlaces ionicos, las interacciones hidrofóbicas y las interacciones de van der Waals.



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