QUIMICA DE PROTEINAS

QUIMICA DE PROTEINAS. Las proteínas están formadas por los siguientes elementos químicos: Carbono, Hidrogeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fosforo y Azufre. Entre las principales funciones generales que tienen las proteínas están: • Forman parte del Sistema Inmunológico. Tenemos de ejemplo a los receptores de los linfocitos B y T son de tipo proteico. • Catálisis Enzimática. Las enzimas están constituidas por aminoácidos por lo que son proteínas. • Forman parte del músculo esquelético. La Actina y la Miosina son proteínas que participan en la contracción muscular. • Control hormonal. La Insulina y el Glucagón son hormonas formadas de aminoácidos por lo que son consideradas de naturaleza proteica. • Participan en la expresión génica. Existen proteínas que favorecen o inhiben la expresión de segmentos nucleotídicos en el DNA. • Transportan gases. La hemoglobina es una proteína que transporta gases como el Oxígeno. • Son estructurales. El colágeno está formado por aminoácidos por lo que es una proteína que se encuentra en el tejido conectivo, óseo y cartilaginoso. Proporciona elasticidad en la piel. Los aminoácidos son los constituyentes de las proteínas, son veinte aminoácidos los que se codifican genéticamente. Se los conoce también como alfa-aminoácidos, todos ellos responden a la siguiente formula general ya que su estructura está formada por: Un carbono alfa, un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrogeno y una cadena R que los hace diferentes. (Carbono alfa) (Amino) H (Hidrogeno) ½ NH2-C-COOH (Carboxilo) ½ R (Cadena R que es la que diferencia a cada uno de los 20 aminoácidos) Estructura general de un aminoácido Es en dichos grupos R donde las moléculas de los veinte alfa-aminoácidos se diferencian unos de otros. La Glicina, el más simple de los ácidos, el grupo R se compone de un único átomo de hidrógeno. Estructuras de los veinte aminoácidos. La Glicina es el aminoácido más simple ya que es el único aminoácido que no tiene cadena R en su lugar solo hay un átomo de Hidrogeno, por ello no tiene carbono asimétrico comparado con los demás aminoácidos, es no quiral porque no esta unido su carbono alfa a 4 sustituyentes diferentes. H NH2- C-COOH ½ H Los aminoácidos se pueden clasificar según su cadena R en: Alifáticos o con cadenas laterales de hidrocarburo, tienen la característica de formar enlaces hidrofóbicos, tienden a estar lejos del agua en el interior de las proteínas, en esta clasificación están: Alanina, Valina, Leucina e Isoleucina. H ½ NH2-C-COOH ½ CH3 Alanina (Se puede apreciar que su cadena R la constituye un grupo Metilo) H ½ NH2-C-COOH ½ H- C-CH3 ½ CH3 Valina (Su cadena R la forma el radical alquilo isopropil o isopropilo) H ½ NH2-C-COOH ½ H- C- H ½ CH--CH3 ½ CH3 Leucina (En la cadena R de este aminoácido esta un isobutil o isobutilo) H ½ NH2-C-COOH ½ H- C-CH3 ½ H- C-H ½ CH3 Isoleucina (En su cadena R esta un Secbutil o Secbutilo) Aminoácidos aromáticos: Los grupos aromáticos están unidos al grupo alanil de tres carbonos, entre los aminoácidos que pertenecen a esta clasificación están: Fenilalanina. Tirosina, Triptófano. H ½ NH2-C-COOH ½ H- C- H Derivado del tolueno Fenilalanina H ½ NH2-C-COOH ½ H-C- H Derivado Fenólico OH Tirosina H ½ NH2-C-COOH ½ H- C- H Anillo indol H Triptófano Ø Aminoácidos Azufrados: Cisteína y Metionina. H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 SH Cisteína Cuando dos Cisteínas se oxidan se forma la Cistina, en la síntesis de proteínas el aminoácido que se incorpora a ellas es la Cisteína, sin embargo, en la sangre la forma en que se presenta es como Cistína. H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ + SH SH Cisteína Cisteína 2H H H ½ ½ NH2-C-COOH NH2- C-COOH ½ ½ CH2 S S CH2 Puente disulfuro Cistina H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ CH2 S CH3 Metionina (Cuando se inicia la síntesis de una proteína en el proceso de traducción el primer aminoácido que contiene es la metionina). Aminoácidos con grupos carboxílicos: Ácido Aspártico, Ácido Glutámico, Asparagina y Glutamina. H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ COOH Ácido Aspártico H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ CH2 ½ COOH Ácido Glutámico H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ C O NH2 Asparagina H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ CH2 ½ C O NH2 Glutamina Ø Aminoácidos Básicos: Lisina, Arginina e Histidina. H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ CH2 ½ CH2 ½ CH2 ½ NH2 Lisina H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ CH2 ½ CH2 ½ NH ½ C=NH2 ½ NH2 Arginina H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 ½ C CH ½ ½ NH NH CH Histidina Aminoácidos con cadenas laterales de alcohol: Serina y Treonina. H ½ NH2-C-COOH ½ CH2 – OH Serina H ½ NH2-C-COOH ½ CH-OH ½ CH Treonina Aminoácido Cíclico o Imino. Su cadena R se integra al grupo amino y carbono alfa del aminoácido. NH H ½ C CH2 CH2 COOH CH2 Prolina (Aminoácido cíclico, ímino, hidrofóbico se encuentra en las vueltas de las cadenas de las proteínas). Nomenclatura de los aminoácidos. Los primeros aminoácidos recibieron su nombre de acuerdo con la fuente de donde habían sido extraídos o por sus características, por esta razón, el aminoácido que se extrajo por primera vez del queso se denominó Tirosina (del griego tyros, que significa queso) y la glicina se llama así por su sabor dulce (del griego glycos que significa dulce) (Nelson y Cox, 2000). Para facilitar la comunicación y la colaboración entre científicos de diferentes países, todos los aminoácidos son reconocidos internacionalmente por medio de dos sistemas de nomenclatura: el sistema de una letra y el sistema de tres letras. El clásico sistema de tres letras, permite la representación de la estructura primaria de una proteína mediante el enlace de cada triplete de letras mediante guiones, disponiendo a la izquierda el aminoácido N-terminal y a la derecha el aminoácido C-terminal. CUADRO. NOMENCLATURA DE AMINOACIDOS Aminoácido Esenciales Tres letras Alanina Ala Arginina + Arg Asparagina Asn Ácido aspártico Asp Cisteína Cys Glutamina Gln Ácido glutámico Glu Glicina Gly Histidina + His Isoleucina * Ile Leucina * Leu Lisina * Lys Metionina * Met Fenilalanina * Phe Prolina Pro Serina Ser Treonina * Thr Triptófano * Trp Tirosina Tyr Valina * Val + Esencial solo para los niños Una letra A R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y V * Esencial para toda la visa Fuente: (Lehninger et al, 1993) La mayoría de las plantas y microorganismos son capaces de utilizar compuestos inorgánicos para obtener todos los aminoácidos necesarios en su crecimiento, pero los animales necesitan conseguir algunos de los alfa-aminoácidos a través de su dieta. A estos aminoácidos se les llama esenciales, y el ser humano requiere de diez de estos aminoácidos: Treonina, Valina, Fenilalanina, Arginina, Metionina, Isoleucina, Triptófano, Leucina, Lisina e Histidina. Triptófano, Lisina. Los ocho primeros los necesitan los adultos y los dos últimos los lactantes y niños. Todos ellos se encuentran en cantidades adecuadas en los alimentos de origen animal ricos en proteínas, y en ciertas combinaciones de proteínas de plantas. Aparte de los aminoácidos de las proteínas, se han encontrado en la naturaleza más de 150 tipos diferentes de aminoácidos, incluidos algunos que contienen los grupos amino y carboxilo ligados a átomos de carbono separados, estos aminoácidos de estructura poco usual se encuentran sobre todo en hongos y plantas superiores. En la naturaleza los aminoácidos de las proteínas a excepción de la glicina, se presentan como isómeros L, esto no indica que es dextrógiro o levógiro. A pH bajo los aminoácidos en su mayoría se encuentran en forma catiónica y a pH alto en su forma aniónica. Las moléculas que pueden actuar como ácidos y bases se denominan anfóteras. Existe un pH en el cual los anfolitos presentan carga neta cero, esto ocurre cuando los grupos amino y carboxilo se encuentran completamente ionizados, este pH se conoce como punto isoeléctrico, A este pH todas las moléculas de los aminoácidos se presentan en forma dipolar y se dice que es un zwitterión, debido a esto es que son muy solubles en disolventes polares, como el agua, y pocos solubles en disolventes orgánicos. + pk1 + - pk2 - H3N-CH-COOH H3N-CH-COO H2N-CH-COO R R R Catión Zwitterión Figura. Reacciones Ácido-Base en un aminoácido. Anión A pH bajo los aminoácidos se encuentran en forma catiónica y a pH altos están en forma aniónica. Al pH en el que solo existe la forma dipolar (Zwitterión) se le denomina punto isoeléctrico. (Arboledas ) Formación del enlace peptídico. Cuando una célula viva sintetiza proteínas, el grupo carboxilo de un aminoácido reacciona con el grupo amino de otro, formando un enlace peptídico. El grupo carboxilo del segundo aminoácido reacciona de modo similar con el grupo amino del tercero, y así sucesivamente hasta formar una larga cadena. Esta molécula en cadena, que puede contener de 50 a varios cientos de aminoácidos, se denomina polipéptido. H ½ NH2-C-COOH ½ R1 H ½ + NH2 - C- COOH ½ R2 H H ½ ½ H2O +NH2-C-CONH - C- COOH ½ ½ R1 R2 Enlace peptídico Aminoácido R1 Aminoácido R2 Figura. Formación del enlace peptídico Una proteína puede estar formada por una sola cadena o por varias de ellas unidas por enlaces moleculares débiles. Cada proteína se forma siguiendo las instrucciones contenidas en el DNA, el material genético de la célula. Estas instrucciones son las que determinan cuáles de los veinte alfa-aminoácidos se incorporaran a la proteína, y en qué orden relativo o secuencia lo hacen. Los grupos R de los diferentes aminoácidos establecen la forma final de la proteína y sus propiedades químicas. A partir de las combinaciones de los veinte aminoácidos pueden formarse una gran variedad de proteínas. Nivel de Jerarquización Proteica. En las proteínas podemos distinguir cuatro niveles de organización: Estructura primaria. Una estructura primaria hace referencia a la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica, se aprecia el número de residuos de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados y en la que se incluyen todos los enlaces covalentes entre los diversos residuos: los enlaces peptídicos y los puentes disulfuro. (Figura) Ala Val Gly Asp Cys Leu Ser Glu His Ile S (En la estructura primaria se pueden encontrar puentes S Ala Val Gly Asp Cys disulfuro entre dos residuos de cisteínas) Leu Ser Glu His Ile Enlace peptídico Figura. Representación de la estructura primaria. La cadena polipeptídica tiene polaridad, con un grupo alfa-amino en un extremo y un alfa-carboxilo en el otro, por convención el extremo amino terminal se considera que es el comienzo de la cadena polipeptídica. CH3 ½ S CH3 CH CH2 + NH3 CH CH3 CH enlaces peptídicos O C H NH C residuo amino terminal H O C H O NH C C O NH C C CH2 O CH C NH O H CH2 carboxilo terminal Metionina Glicina Glicina Fenilalanina Leucina Figura. Polipéptido M, G, G, F, L. Una cadena polipeptídica consta de una cadena principal que constituye su esqueleto (color negro) y que es rico en puentes de hidrogeno que repite comúnmente, y también tiene una parte variable que es donde están las cadenas laterales (color verde) que caracterizan a cada aminoácido. Estructura secundaria. La estructura secundaria de una proteína es la conformación que se repite de manera regular en la cadena polipeptídica. La cadena polipeptídica se pliega debido a la formación de enlaces de hidrogeno entre los átomos que forman el enlace peptídico entre un NH de un enlace peptídico y el grupo C=O del cuarto aminoácido. Estas interacciones locales forman dos patrones estructurales principales: las hélices alfa y las láminas beta plegadas. La hélice alfa está compuesta por aminoácidos L, es dextrógira porque gira a la derecha en torno al eje de la hélice. Ciertas secuencias de aminoácidos favorecen las hélices alfa o las cadenas Beta, así como giros que conectan unas estructuras regulares con otras. Algunos aminoácidos tienen más tendencia a aparecer en las hélices alfa como alanina, leucina y fenilalanina. Otros tienen la tendencia a desestabilizar la hélice como la arginina, glutamato y serina porque son más polares y se repelen. En una vuelta de la hélice alfa hay 3.6 residuos de aminoácidos. La hoja beta plegada se forma cuando la cadena principal se estira al máximo que permite que sus enlaces covalentes adopten una configuración espacial denominada cadena beta. Algunas regiones de proteínas adoptan una estructura en zigzag y se asocian entre si estableciendo uniones mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios, todos los enlaces peptídicos participan en estos enlaces cruzados dando estabilidad a la estructura. La forma beta es una conformación simple formada por dos o más cadenas polipeptídicas paralelas (que corren en el mismo sentido) o anti paralelas (que corren en direcciones opuestas) y se estrechan por medio de puentes de hidrogeno esta estructura parece un acordeón. Estructura terciaria. Casi todas las proteínas adoptan una estructura terciaria, la estructura secundaria se pliega sobre sí misma en el espacio, formando una estructura globular son, las cadenas laterales o radicales de los residuos de aminoácidos y no la cadena principal (donde están los enlaces peptídicos) son las que inducen la formación de esta estructura manteniéndola estable, sus aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia el exterior es por ello que son solubles en agua y esto les ayuda en sus propiedades biológicas. Se caracterizan por plegamientos o dobleces irregulares, entre las cuales puede haber aun estructuras de tipo placa beta. Estos plegamientos permiten la proximidad de residuos que están muy alejados de la estructura primaria. La estructura terciaria de proteínas de más de 200 aminoácidos consta de varios dominios o unidades compactas conectadas a través del esqueleto polipéptido, estas estructuras plegadas tienden a estar muy bien organizadas y con frecuencia desempeñan un papel funcional especifico como la fijación de un sustrato o un cofactor. Existen dos tipos de estructuras terciarias: las de tipo fibroso y las globulares, las proteínas de tipo fibroso se denominan así porque una de sus dimensiones es más grande que a otra, eso hace que la estructura secundaria que contiene realice torsiones a lo largo de otras cadenas polipeptídicas. Ejemplo: Colágeno, Queratina. Las proteínas globulares son las más abundantes no predomina ninguna dimensión ni a lo largo ni a lo ancho ni profundidad por eso son moléculas más o menos esféricas, compactas, solubles en el citosol, ocupan de la mayor parte la bicapa lipídica de las membranas biológicas. Se ocupan de muchas de las actividades biológicas de la célula, pero en su mayoría son enzimas. Algunas transportan oxigeno o lípidos en la sangre, otras son hormonas o forman parte de receptores de membrana, los anticuerpos son proteínas globulares que forman parte de sistema inmunitario. En la estructura terciaria las fuerzas que llegan a estabilizarla son dos tipos de enlaces: los covalentes como los puentes disulfuro y los no covalentes como los puentes electrostáticos, interacciones hidrofóbicas y puentes de hidrogeno que, aunque no son un tipo de enlace sino una atracción entre átomos o moléculas de distinta carga. Cuando desaparecen estos enlaces la proteína puede perder su actividad biológica y se desnaturaliza. Estructura cuaternaria. Las proteínas toman esta estructura cuando tiene varias cadenas polipeptídicas Se refiere al ensamble de dos o más cadenas polipeptídicas separadas, que se unen por medio de interacciones no covalentes o por entrecruzamientos no covalentes. Al conjunto se le llama oligómero y a sus componentes monómeros o subunidades. Los monómeros pueden ser idénticos en sus estructura primaria, secundaria y terciaria. Ejemplo: la hemoglobina (Zagoya,Oropeza, 2007).