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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A
DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGÍA E
INGENIERIA
201103 BIOQUIMICA
GOLDA MEYER TORRES VARGAS
(Director Nacional)
ALBERTO GARCIA JEREZ
Acreditador
DUITAMA
ENERO DE 2011
2 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El presente módulo fue diseñado en el año 1992 por los docentes Gerardo Pérez y Yolanda Navarro para la Universidad Nacional Abierta y a Distancia publicado por la División de Producción de materiales de la UNISUR.
El presente módulo ha tenido una actualización, desarrollada por el Ingeniero Rubén Darío Munera en el 2007 quien ha sido tutor de la UNAD en el CEAD PALMIRA, y que se desempeñaba hasta el primer periodo de 2009 como el director nacional del curso.
Para el segundo periodo de 2009, el modulo tiene su segunda actualización por Golda Meyer Torres Vargas, quien se ha desempeñado como tutora de la ECBTI del Cead de Duitama desde el 2006 y actualmente es la directora nacional del curos en mención.
Para el 2010, nuevamente se actualiza el módulo pero permanecen intactos algunos temas de la unidad 1,2 y3 cuyos autores son docentes Gerardo Pérez y Yolanda Navarro y sobre estos temas los estudiantes pueden encontrar la complementación y actualización a cargo de Golda Meyer Torres Varga.
En este mismo periodo, el Biólogo Alberto García Jerez, tutor del Cead de Bucaramanga, apoyó el proceso de revisión de estilo del módulo y dio aportes disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación de material didáctico desarrollado en el mes de enero 2010 y se mantiene la vigencia para el primer periodo de 2011.
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TABLA DE CONTENIDO
Pág. Introducción 9 Unidad 1: Biomoléculas 11 introducción 11 Justificación 12 Objetivos 13 Contenido de la unidad 14 Capítulo 1. Aminoácidos 15Lección 1: Estructura general y clasificación 15
Lección 2: Aminoácidos no polares o hidrofobicos y aminoácidos polares no cargados 17
Lección 3: Aminoácidos ácidos y básicos 20
Lección 4: Propiedades acido básicas 23
Lección 5: Pruebas cualitativas y cuantitativas para determinar aminoácidos y proteínas en laboratorio.
29
Capitulo 2: péptidos y proteínas 31
Lección 6: Péptidos 31
Lección 7: Generalidades del enlace peptidico y niveles de estructuración 37
Lección 8: Estructura primaria y Secundaria 39
Lección 9: Estructura terciaria y cuaternaria 47
Lección 10: Clasificación y Propiedades Fisicoquímicas 51
Capitulo 3: Enzimas 56
Lección 11: Características de la acción enzimática 56
Lección 12: Cinética enzimática 61
Lección 13: Factores que influencian la actividad enzimática 67
Lección 14: Inhibición Enzimática 69
Lección 15: Sitios activos de algunas enzimas 75
Autoevaluación unidad 1 80
Lecturas recomendadas 84
Bibliografía usada en la actualización de la unidad 1 85
Unidad didáctica 2: ácidos nucleicos y bioenergética 86
Introducción 86
Justificación 87
Objetivos 88
Contenido de la unidad 89
Capitulo 4: estructura de bases, nucleósidos y nucleótidos 90
Lección 16: Componentes de los ácidos nucleicos 88
Lección 17: Estructura de bases 91
Lección 18: Nucelósidos 93
Lección 19: Nucleótidos 95
Lección 20: Otros nucleótidos de interés bioquímico 98
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Lección 21: Generalidades 100
Lección 22: Estructura del ADN 101
Lección 23: Complejidad y estructura supramacromolecular del DNA en el genoma 106
Lección 24: RNA 108
Lección 25: Estructura del RNA 109
Capitulo 6: introducción al metabolismo y bioenergética 113
Lección 26: Aspectos generales del metabolismo 114
Lección 27: Bioenergética 115
Lección 28: Energía libre de hidrólisis 120
Lección 29: Potencial de transferencia de grupos fosfato 122
Lección 30: Importancia del ATP 123
Autoevaluación unidad 2 126
Lecturas recomendadas 128
Bibliografía usada en la actualización de la unidad 2 125
Unidad didáctica 3: metabolismo: catabolismo y biosíntesis de Biomoléculas 130
Introducción 130
Justificación 131
Objetivos 132
Contenido de la unidad 134
Capitulo 7: metabolismo de glúcidos 135
Lección 31: Catabolismo de carbohidratos 136
Lección 32: Fosforilación oxidativa y la vía del glicerol fosfato 150
Lección 33: Balance global de la oxidación de glucosa y vía de las pentosas fosfato 160
Lección 34: Generalidades de la biosíntesis de carbohidratos 165
Lección 35: Gluconeogénesis 167
Lección 36: Fotosíntesis y biosíntesis de polisacáridos 172
Capitulo 8: metabolismo de lípidos 182
Lección 37: Catabolismo de lípidos 183
Lección 38: Balance de la degradación de ácidos grasos 195
Lección 39: Catabolismo de fosfolípidos 197
Lección 40: Catabolismo de colesterol 199
Lección 41: Biosíntesis de lípidos 201
Capitulo 9: metabolismo de aminoácidos 212
Lección 42: Catabolismo 213
Lección 43: Catabolismo de los grupos α-NH2 y α-COO- 214
Lección 44: Catabolismo del esqueleto carbonado 216
Lección 45: Eliminación del NH4 217
Lección 46: Biosíntesis 222
Autoevaluación unidad 3 227
Lecturas recomendadas 232
Bibliografia usada en la actualización de la unidad 3 233
Bibliografía usada en la elaboración del modulo edición 1
(Pérez, g. navarro, y. (1992). bioquímica. santa fe de Bogotá dc: Unisur.)
5 LISTA DE TABLAS
Tabla 1: aminoácidos esenciales y no esenciales 16
Tabla 2: Aminoácidos hidrofobicos 17
Tabla 3: Aminoácidos polares no cargados 19
Tabla 4: Aminoácidos ácidos 21
Tabla 5: Aminoácidos básicos 21
Tabla 6: Estructuras de la Ala en función del pH 25
Tabla 7: Relación entre el pH y la estructura del Glu 27
Tabla 8 :Propiedades físicas de los aminoácidos 29
Tabla 9: Acción de algunas enzimas sobre la amilopectina. 59
Tabla 10: Clases principales de enzimas. 60
Tabla 11 : Subclases de hidrolasas 60
Tabla 12: Sub-subclases de las proteasas 60
Tabla 13: ribonucleósidos y desoxirribonulceosidos presentes en los ácidos nucleicos 95
Tabla 14: nucleótidos que se encuentran en los ácidos nucleicos 97
Tabla 15: Diferencias entre DNA y RNA 101
Tabla 16: Valores de ∆G0’ de hidrólisis y de Potencial de Transferencia de Grupos PTG para algunos metabolitos fosforados
122
Tabla 17: Potenciales de reducción estándar de algunos metabolitos y transportadores de la cadena de electrones
151
Tabla 18: Algunas propiedades fisicoquímicas de los citocromos de la fosforilación oxidativa 152
Tabla 19: Organismos fotosintéticos 172
Tabla 20 : Precursores usados en la biosíntesis de polisacáridos 180
6 LISTA DE FIGURAS
Figura 1: aminoácido en forma de ión Zwitterion 16
Figura 2: estructuras según el pH de los aminoácidos 23
Figura 3: Curva de titulación de un aminoácido con grupo R no cargado 24
Figura 4: Curva de titulación del Glu 26
Figura 5: Representación coplanar del enlace peptídico 31
Figura 6: Formación del enlace peptídico. 37
Figura 7. Ángulos de torsión del enlace peptídico 38
Figura 8: Secuencia de AA de la insulina bovina 40
Figura 9: Esquema simplificado de la insulina 41
Figura 10 : Puentes de hidrógeno en un polipéptido con estructura extendida 42
Figura11: Estructura en hoja plegada 43
Figura 12: Empaquetamiento de grupos R en la fibroina 44
Figura 13: Estructura de α-hélice 45
Figura 14: Tipos de enlaces que mantienen la estructura terciaria de las proteínas 47
Figura 15: Estructura del grupo hemo 49
Figura16: Estructura cuaternaria de la hemoglobina 50
Figura 17 : Solubilidad de las proteínas en función de la fuerza iónica 53 Figura 18: Velocidad de transformación del sustrato en función de S 60 Figura 19: Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de una reacción
Enzimática.
62 Figura 20: Representación gráfica según Lineweaver-Burk de v vs [S] 63 Figura 21: Ejemplos de actividad de algunas enzimas en función del pH 66
Figura 22: Catálisis enzimática inhibida competitivamente 69
Figura 23: Cinética de una enzima inhibida no competitivamente 71 Figura 24: Representación según Lineweaver-Burk de la inhibición no competitiva 71
Figura 25: Representación de la inhibición Incompetitiva 72
Figura 26: Sistema “relay” Ser, His, Asp en quimotripsina 74
Figura 27: Sitio activo de la carboxipeptidasa A 75
Figura 28: Sitio activo de la lisozima 77
Figura 29: Formación de monómeros de los ácidos nucleicos 89
Figura 30: Pentosas presentes en los ácidos nucleicos 91
Figura 31: Enlace N-glicosídico de los nucelósidos 92
Figura 32: estructura del AMP 93
Figura 33: estructuras de difosfatos de nucleósidos 96
Figura 34: Estructura fundamental de un segmento de una cadena de DNA 101
Figura 35: Asociación de las bases complementarias en el DNA 103
Figura 36: Estructura en doble hélice del DNA 104
Figura 37: Estructura fundamental de un segmento de RNA 108
Figura 38: Estructura general en hoja de trébol de t-RNA 109
Figura 39: Estructura terciaria del t-RNA para Phe 110
7
Figura 41 : Ciclo global del N en la biósfera 114
Figura 42: Flujo de grupos y situación intermedia del ATP
121
Figura 42: Carbohidratos proveedores de las hexosas que nutren la glicólisis 135
Figura 43: Esquema de la vía glicolítica 136
Figura 44: Papel del NAD en las reacciones de óxido-reducción 138 Figura 45: Oxidación del piruvato en acetato por acción del complejo de la piruvato
deshidrogenada
142
Figura 46: Esquema del ciclo de Krebs 144
Figura 47: Estructura y modo de acción de la Flavinadenin dinucleótido (FAD) 145
Figura 48: Fosforilación oxidativa en Mitocondrias 152
Figura 49: Fosforilación oxidativa en procariotes 153
Figura 50: Esquema de la vía del glicerol-fosfato 156
Figura 51: Vía de las pentosas fosfato 159
Figura 52: Secuencias de las reacciones de la gluconeogénesis 163
Figura 53: Esquema del ciclo del glioxilato 167
Figura 54: Esquema de un cloroplasto 169
Figura 55: Estructura de clorofilas y carotenos 170
Figura 56: Etapa luminosa de la fotosíntesis 172
Figura 57: Esquema de la etapa oscura de la fotosíntesis 174
Figura 58: Esquema de la β-oxidación de ácidos grasos saturados 185 Figura 59: Esquema de β-oxidación de ácidos grasos ramificados 189 Figura 60: Productos resultantes de la degradación de la Lecitina por fosfolipasas 193
Figura 61 : Estructura del colesterol 194
Figura 62 : Principales productos del catabolismo del colesterol 195 Figura 63: Transporte de Acetil-CoA mitocondrial al citoplasma 197 Figura 64: Esquema de las reacciones de biosíntesis de ácidos grasos 201 Figura 65: Esquema de la biosíntesis de triglicéridos y fosfoglicéridos 204 Figura 66: Principales intermediarios en la biosíntesis del colesterol 205 Figura 67: Convergencia de los esqueletos carbonados de los AA al ciclo de Krebs. 211
Figura 68 Ciclo de la Urea 215
Figura 69: Biosíntesis de Thr y Met 218
8
ABREVIATURAS
Glc Glucosa
Frc Fructosa
Gal Galactosa
(Glc)n Glucógeno con n unidades de glucosa
Glc-1-P Glucosa1-1fosfato
Glc-6-P Glucosa 6-fosfato
Frc-6-P Furctosa-6-fosfato
Frc-1,6-P Fructosa 1,6-Fosfato
Frc-1,6-DIP Fructosa 1,6-difosfato
3-PDHA 3-fosfohidroxiacetona (ó dihidroxiacetona-3-fosfato). 3-P-Gal 3-fosfo-gliceraldehido ( ó gliceraldehido-3-fosfato) 1,3-di-P-Gato 1,3-difosfoglicerato (glicerato-1,3-difosfato). 3-P-Gato 3-fosfoglicerato (ó glicerato-3-3fosfato). 2-P-Gato 2-fosfoglicerato (ó glicerato- 2-3fosfato).
PEP Fosfoenolpiruvato
PTT Pirofosfato de tiamina
NAD Nicotinamida-adenin-dinucleótido
FAD Flavin adenin- dinucleótido
FMN Flavinmononucleótido
NADP Fosfato de nicotinamida adenin dinucleótido 6-P-gluconato 6-fosfogluconato (o glucónico-6-fosfato). Ribulosa-5-P Ribulosa-5-fosfato
Xil-5-P Cilulosa-5-fosfato
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INTRODUCCIÓN
La bioquímica es una ciencia que comenzó a emerger desde comienzos del siglo pasado. Es frecuentemente descrita como el estudio de la química de la vida e incluye el estudio de todas las formas de vida y utiliza los conceptos básicos derivados de la biología, química, física y matemáticas.
Con este módulo se pretende que el estudiante se prepare en los conocimientos básicos acerca de las Biomoléculas y su metabolismo a través de la comprensión de las interacciones entre ellas, reconozca los aminoácidos como unidades estructurales de las proteínas, identifique las bases conceptuales básicas a través del estudio sistemático de nociones, conceptos y problemáticas que configuran el campo general de la bioquímica y que fortalezca los conocimientos adquiridos a través de las diferentes prácticas de laboratorio que se van a realizar.
Se espera que después de estudiar este módulo el estudiante analice adecuadamente las vías metabólicas más importantes con referencia a su importancia relativa en el conjunto del metabolismo y las correlaciona con otras vías; distingue las transformaciones sufridas por los nutrientes como resultado de la acción de agentes físicos, químicos o biológicos.
En vista de la importancia de este curso académico y teniendo en cuenta que algunos estudiantes que ingresan a la Universidad Nacional Abierta y a Distancia, UNAD, son personas que generalmente han dejado pasar un tiempo después que terminaron sus estudios secundarios para luego ingresar a la universidad, se ha diseñado un texto con la didáctica necesaria para que sus contenidos sean aprendidos teniendo en cuenta los fundamentos básicos del aprendizaje autónomo.
Las unidades didácticas que conforman el curso son: 1) Biomoléculas, 2) Ácidos nucleicos y bioenergética y 3) metabolismo: catabolismo y biosintesis de Biomoléculas. El trabajo académico consta de dos componentes a saber: el estudio Independiente, el cual puede ser realizado en trabajos a nivel personal y el trabajo en pequeños grupos colaborativos que son los espacios donde se inicia el verdadero autoaprendizaje; el segundo componente es el acompañamiento tutorial, donde se desarrollan tutorías a nivel individual, en pequeños grupos colaborativos o a nivel de grupo de curso.
La Bioquímica es, comparativamente con otras áreas del conocimiento, una disciplina científica joven, que integra múltiples conceptos de la Física, la Química y la Biología en un cuerpo coherente de generalizaciones que permiten comprender cómo operan los organismos vivientes. Sus puntos de contacto con otras áreas son múltiples y no siempre es fácil establecer las fronteras respectivas.
10 La comprensión de las propiedades estructurales y funcionales de las principales moléculas que intervienen como constituyentes de los alimentos y del papel que ellas juegan en el metabolismo, nos proporciona criterios para juzgar el valor nutritivo de un alimento de uso común o de una fuente nutricional potencialmente utilizable.
Desde el punto de vista tecnológico, los conceptos bioquímicos son claves para una correcta interpretación y una predicción acertada de las trasformaciones sufridas por los nutrientes como resultado de agentes físicos, químicos y biológicos. Estos puntos justifican de por sí la necesidad de disponer de un bagaje bioquímico mínimo.
Para facilitar la comprensión e ir profundizando gradualmente, se ha adoptado la estrategia de discutir en los capítulos iniciales las características estructurales y el comportamiento de las macromoléculas biológicas.
Para finalizar esta introducción quisiera dirigir un comentario a los estudiantes que usarán este módulo. La complejidad aparente de la Bioquímica se reduce considerablemente cuando en su estudio se comparan sistemáticamente las vías biosintéticas con las degradativas, se aplican los principios generales del metabolismo y se tienen en mente los puntos ya mencionados en el enfoque global. Es mejor hacer énfasis en las transformaciones generales y no en la secuencia detallada de reacciones; poco a poco ésta se irá incorporando a sus conocimientos. ¡Buen trabajo y mucho ánimo!
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UNIDAD 1: BIOMOLÉCULAS
INTRODUCCION
En esta unidad, se encuentran los conceptos básicos que un estudiante de Bioquímica debe manejar, como son las generalidades, clasificación y estructura de aminoácidos, proteínas y enzimas.
En esta unidad no se consideran las Biomoléculas carbohidratos y lípidos, ya que el espacio para estos conceptos es la unidad 3.
Es de vital importancia para los estudiantes de la formación profesional y técnica de los programas de ingeniería de alimentos, agroforestal, agronómica, zootecnia, producción animal y regentes de farmacia, el manejo y comprensión de los temas que en esta unidad se presentan; los nexos de la bioquímica con estos campos disciplinares se derivan en que la bioquímica como parte de las ciencias biológicas maneja los conceptos teóricos derivados de investigaciones en donde se explican el funcionamiento y mecanismos químicos a nivel celular para el mantenimiento de los procesos vitales de organismo de origen vegetal y animal. Conocer las generalidades, clasificación y estructura de aminoácidos, proteínas y enzimas, conlleva a los estudiantes de los programas mencionados, a comprender el cómo los organismos utilizan estas Biomoléculas para sus procesos de desarrollo, nutrición y reproducción, para ello debe conocer que las proteínas están constituidas por aminoácidos y que las proteínas intervienen en un número importante de las reacciones a nivel celular y que este tipo de mecanismo químico se realizan a grandes velocidades gracias a los catalizadores que se encuentran en los sistemas biológicos como son las enzimas.
Los estudiantes deben relacionar los conceptos teóricos con la aplicación en contexto real de sus profesiones. Para el área de alimentos, estás Biomoléculas marcan la pauta en términos de alimentos funcionales con calidad proteína y calidad técnica. Para el área de los zootecnistas y tecnólogos en producción animal, la nutrición y formulación de dietas a base de proteínas juega un papel importante en la producción de carne y otros subproductos. Para los profesionales de las áreas de ciencias agrarias, el saber los conceptos de Biomoléculas les facilita entender la fisiología y morfología vegetal. Para los regentes de farmacia el saber sobre Biomoléculas les puede facilitar el manejo de medicamento y el mecanismo de acción de los principios activos que contiene.
El estudio detallado de la unidad puede conducir a los estudiantes a plantear procesos y proyectos que conduzcan a fomentar la cultura investigativa.
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JUSTIFICACION
El desarrollo de esta unidad se hace necesario en el curso de bioquímica porque contiene las temáticas básicas para los estudiantes que toman cursos de las ciencias básicas referentes a la compresión de contextos de las ciencias biológicas.
Es preciso el diseño de esta unidad porque se presentan los conceptos sobre aminoácidos, proteínas y enzimas; temáticas que serán de gran importancia en el perfil profesional de los estudiantes de ingeniería de alimentos, agroforestal, agronómica, zootecnia y producción animal.
Su estructuración permite al estudiante comprender los conceptos sobre las generalidades, clasificación y estructura de aminoácidos, proteínas y enzimas; temas que en primera instancia no son fáciles de asimilar y se necesitan de la activación metacógnitiva de presaberes de cursos como química general, química orgánica. Biología y microbiología.
13 OBEJTIVOS
CAPITULO 1: AMINOÁCIDOS
• Diferenciar los tipos de aminoácidos existentes, tomando como base la naturaleza de sus cadenas laterales.
• Establecer las relaciones existentes entre las curvas de titulación de los aminoácidos y sus valores de pKa y pl.
CAPITULO 2: PÉPTIDOS Y PROTEINAS
• Describir las características del enlace peptídico.
• Reconocer los tipos de rupturas que pueden sufrir los péptidos.
• Analizar el comportamiento anfótero de los péptidos en términos de su composición en aminoácidos.
• Identificar las principales actividades biológicas de los péptidos.
• Reconocer la correlación entre la estructura y la función de los péptidos. • Explicar los diferentes niveles de organización estructural de las proteínas. • Comparar las características de cada uno de los tipos de estructura
secundaria.
• Identificar las interacciones que mantienen la estructura terciaria de una proteína.
• Explicar las relaciones existentes entre la estructura y la función de las proteínas usadas como modelo.
CAPITULO 3: ENZIMAS
• Identificar las características de la acción enzimática.
• Ilustrar la clasificación de las enzimas basada en las clases de reacciones catalizadas.
• Analizar el comportamiento cinético de las enzimas.
• Interpretar los cambios de actividad enzimática debidas a la influencia del pH, temperatura, efectores.
• Establecer las diferencias entre los distintos tipos de inhibición. • Identificar los sitios activos de algunas de las principales enzimas.
14 CONTENIDO DE LA UNIDAD
CAPITULO 1: AMINOÁCIDOS
CAPITULO 2: PÉPTIDOS Y PROTEINAS CAPITULO 3: ENZIMAS
15 CAPITULO 1: Aminoácidos
En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta la estructura general de las unidades formadoras de las proteínas, la clasificación de acuerdo a las características de su cadena lateral en relación a su polaridad, las pruebas que pueden aplicarse a nivel de laboratorio para su identificación.
Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, ejercicios de práctica e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales.
Lección 1: Estructura general y clasificación 1.1 estructura General
De acuerdo a Ramírez, Ruth (2009), los aminoácidos son las unidades estructurales básicas de las proteínas. Un aminoácido consta de un grupo amino, un grupo carboxílico, un átomo de hidrogeno y un grupo distinto R, enlazado al átomo de carbono que se llama el carbono α (alfa), el grupo R se refiere a la cadena lateral que serán la identificación del aminoácido en la cadena proteica. Veinte tipos de cadenas laterales de aminoácidos que varían en tamaño, forma, carga, capacidad de enlace de hidrogeno y reactividad química, se encuentran comúnmente en las proteínas1.
Los aminoácidos se encuentran unidos en la molécula de la proteína por enlaces peptídicos (- CO-NH-) que se forman por condensación de α- COOH de un aminoácido con el α-NH2 de otro. Cuando varios aminoácidos se unen para dar
un polímetro de bajo peso molecular éste se conoce como polipéptido, mientras que el término proteína se usan generalmente para polímeros de peso molecular grande.
Las propiedades de las proteínas están en función de su composición y conformación de los aminoácidos que las componen de ahí que se deba tener especial atención en las propiedades químicas y físicas de tales compuestos. Se debe recordar que los aminoácidos en disolución (propiedades ácido-básicas), a pH neutro, son predominante iones dipolares (zwitteriones). En la forma dipolar de un aminoácido el grupo amino esta protonado y el grupo carboxilo esta disociado:
1
Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
16
Figura 1: aminoácido en forma de ión Zwitterion. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/aminoácido
1.2: Clasificación
Desde el punto de vista fisiológico- alimentario, es importante saber si determinados aminoácidos son esenciales o no para el hombre y los animales. Dentro del grupo de aminoácidos comúnmente encontrados en los alimentos son clasificados en dos grupos:
TABLA 1: aminoácidos esenciales y no esenciales
Esenciales No esenciales
Treonina Serina
Metionina Alanina
Leucina Glicina
Valina Ácido glutámico
Lisina Äcido aspártico
Arginina Prolina
Fenilalanina Cisteína
Histidina Tirosina
Isoleucina Triptófano
Fuente: Plumer,D (1981). Bioquímica práctica. Londres: McGraw Hill.
Gerardo Pérez, Navarro Yolanda presenta la clasificación de los aminoácidos de acuerdo a la relación de grupos COO-/NH3+, o considerando criterios que tienen que ver con su polaridad, presencia o no de cargas positivas y negativas; todo a lo cual este comportamiento depende de la naturaleza de la cadena lateral o grupo (R)2
2
Peréz, Gerardo. Navarro, Yolanda. (2005). Bioquímica. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
CONSULTA EL SIGUIENTE ENLACE VIRTUAL PARA PROFUNDIZAR EN EL TEMA: http://biomodel.uah.es/model1j/prot/inicio.htm
17 La clasificación de los aminoácidos proteínicos se puede hacer teniendo en cuenta la relación de grupos COO-/NH3+, o considerando criterios que tienen que ver con
su polaridad, presencia o no de cargas positivas o negativas; todo lo cual, en último término, depende de la naturaleza de su cadena lateral (o grupo R). Estos criterios serán continuamente utilizados en las siguientes unidades y por ello es importante identificar los diferentes aminoácidos de acuerdo con la siguiente clasificación (ver lecciones 2 y 3):
Lección 2: Aminoácidos no polares o hidrofobicos y aminoácidos polares no cargados
2.1 Aminoácidos no polares o hidrofobicos
En estos aminoácidos la cadena lateral, alifática o aromática, no tiene grupos que interactúen fácilmente con solventes acuosos y de ahí el nombre de hidrofobicos. A este grupo pertenecen los siguientes aminoácidos:
Tabla 2: Aminoácidos hidrofobicos
Aminoácido Abreviatura Aminoácido Abreviatura Alanina Valina Leucina Isoleucina Ala Val Leu Ile Prolina Fenilanina Triptófano Metionina Pro Phe Trp Met
Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fé de Bogotá.: Unisur.
Nombre Estructura
Alanina
18 Leucin a Isoleucina Cisteina Prolina Fenilalanina Triptófano
19
Metionina
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
2.2 Aminoácidos polares no cargados
A diferencia de los anteriores, estos AA se solubilizan con mayor facilidad en solventes acuosos y su grupo R no posee cargas positivas o negativas a pH fisiológico, es decir, pH cercanos a 6,5 y 7,0. Aquí incluimos los siguientes AA:
Tabla 3: Aminoácidos polares no cargados
Aminoácido Abreviatura Aminoácido Abreviatura Glicina Serina Treonina Cisteina Cistina Gly Ser Thr CySH CySSCy Tirosina Asparagina Glutamina Hidroxi prolina Tyr Asn Gln OH - Pro
Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fé de Bogotá.: Unisur.
Nombre Estructura
Glicina
20
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
Lección 3: Aminoácidos ácidos y básicos 3.1 Aminoácidos ácidos
Se caracterizan porque su grupo R -(COOH) está cargado negativamente a pH fisiológico. Los aminoácidos con sus respectivos pKa son:
Treonina
Tirosina
Asparagina
21
Tabla 4: Aminoácidos ácidos
Aminoácido Abreviatura pKa Aspártico Glutámico Asp Glu 3,9 4,2
Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
En consecuencia, estos aminoácidos pierden su carga únicamente a pH bastante ácido y en su forma libre o como constituyentes de las proteínas están cargados negativamente.
3.2 Aminoácidos básicos
En ellos, el grupo R (generalmente —NH) está cargado positivamente a pH fisiológico. A este grupo pertenece:
Tabla 5: Aminoácidos básicos
Aminoácido Abreviatura pKa Histidina Lisina Arginina His Lys Arg 6,0 10,5 12,5
22
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
ESTUDIANTES DE NUTRICIÓN ANIMAL Y ZOOTECNIA: CONSULTA VIDEO VIRTUAL QUE ESTA EN LA PÁGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE LA IMPORTANCIA DE LOS AMINOACIDOS EN LA DIETA ANIMAL.
ESTUDIANTES DE INGENIERIA DE ALIMENTOS, REGENCIA Y AGRARIAS:
DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL PERFIL PROFESIONAL DE CADA UNO, CUÁL SERÍA LA IMPORTANCIA Y EL PAPEL DE LOS AMINOACIDOS EN EL PROCESADO DE ALIMENTOS, NUTRICION VEGETAL Y EN EL DISEÑO DE MEDICAMENTOS?
ANIMATE A EMPEZAR LA REFLEXIÓN, PARA ELLO UTILIZA LA HERRAMIENTA DEL CURSO VIRTUAL: WIKI, PORTAFOLIO DEL CURSO.
23 Lección 4: Propiedades acido básicas
Biológicamente la actitud de los aminoácidos a la ionización es muy importante y facilita el análisis cuantitativo. Algunas de las propiedades de los aminoácidos (punto de fusión, solubilidad en agua, momentos dipolares ) se debe a la distribución dispar de sus cargas eléctricas en solución acuosa. Así todos los aminoácidos en solución acuosa a un pH próximo a la neutralidad están bajo la forma de “iones Zwitteriones”.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/aminoácido
Cuando un aminoácido esta disuelto en agua, se puede comportar según el pH en como ácido o como base:
Los aminoácidos a pH bajo (ácido) se encuentran mayoritariamente en su forma catiónica (con carga positiva), y a pH alto (básico) se encuentran en su forma aniónica (con carga negativa). Sin embargo, existe un pH específico para cada aminoácido, donde la carga positiva y la carga negativa son de la misma magnitud y el conjunto de la molécula es eléctricamente neutro. En este estado se dice que el aminoácido se encuentra en su forma de ion dipolar o zwitterión.
En otros términos, estas moléculas son anfóteras, Cuando el aminoácido esta en forma de Zwiteriones (el grupo carboxilo ionizado y el grupo amino protonado), la carga eléctrica global es igual a cero, se dice entonces que al pH donde esta carga sea igual cero se designa como el punto isoeléctrico (pI).
Figura 2: estructuras según el pH de los aminoácidos. Tomado de:
24 Para Gerardo Pérez y Navarro Yolanda, el comportamiento anfótero de cada uno de los aminoácidos y sus valores de punto isoeléctrico (pl) son una consecuencia de su estructura particular. Vamos a complementar estos conceptos con el análisis de las curvas de titulación típicas que se obtienen al considerar la disociación sucesiva de los grupos.
Las curvas de titulación para aminoácidos no polares o polares no cargados, se pueden ver en la figura 3.
Figura 3: Curva de titulación de un aminoácido con grupo R no cargado Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
El AA usado como ejemplo es la Ala, donde los únicos grupos que en un momento dado pueden tener carga, dependiendo del pH de la solución, son el α-COOH y el α-NH2. La siguiente tabla ilustra la situación que se presenta en cada punto identificado:
25
Punto Estructura Corresponde a
1 2 3 4 5 pH << pK1 Pk1, (α-COOH) pl pK2, (α-NH2) pH >> pK2
Tabla 6: Estructuras de la Ala en función del pH Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Podemos observar que al pH que corresponde al pl, la carga neta del 100% de moléculas es cero (máxima concentración del Zwitterion); a pH inferiores al pl, un cierto porcentaje de moléculas tiene carga neta positiva, siendo mayor a medida que el pH es más ácido y a pH superiores al pl, más y más moléculas están cargadas negativamente mientras más básico es el pH. Notamos además que las zonas en que estos AA tienen capacidad buffer, se sitúan en las cercanías de pK1
y pK2.
Para un aminoácido ácido (Glu en este caso), podemos representar la curva de titulación así:
26
Figura 4: Curva de titulación del Glu
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
La tabla 7 muestra lo que ocurre en cada uno de los puntos indicados en la figura 4.
Al calcular el pl vemos que es igual a 3.2 (que corresponde al pH del punto 3 en la gráfica), valor que indica que el Glu es un aminoácido ácido pues el pl está muy alejado del rango 6.0 a 7.0; su carga neta a pH superiores a su pl será negativa y a pH inferiores, será positiva. Al comparar su curva de disociación con la de la Ala, vemos que en la región ácida las inflexiones son menos fuertes.
Las curvas de titulación obtenidas para los AA básicos muestran también inflexiones más marcadas, pero están desplazadas hacia pH más altos y su análisis es similar.
Si se conocen los valores de pK de cada grupo y el pl (que se pueden determinar experimentalmente) podemos proceder en forma inversa y representar las curvas de disociación.
27 Tabla 7: Relación entre el pH y la estructura del Glu
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Punto Estructura Corresponde a
1 2 3 4 5 6 pH << pK1 Pk1, (α-COOH) pl pK2 = 4.2 (grupo R) pK3 = 9,7 (α-NH2) pH >> pK3
28 Las consideraciones anteriores además de que permiten comprender mejor el comportamiento ácido-base de los aminoácidos en solución, estos serán muy útiles para entender las propiedades de polímeros integrados por aminoácidos (péptidos y proteínas).
Los aminoácidos no presentan absorción en la zona del espectro visible por no poseer cromóforos y los únicos que absorben en el ultravioleta son el Trp y la Tyr a 280 nm y la Phe, en menor grado, a 260 nm debido a que sus grupos R son aromáticos. Esta propiedad se aprovecha para detectar aminoácidos, péptidos y proteínas en soluciones en que no haya otras moléculas que absorben a estas longitudes de onda.
En síntesis: El estado de ionización de un aminoácido varía con el pH y en relación su Pka. (Tabla 8). En disolución ácida por ejemplo a un pH 1.0 el grupo carboxílico no está disociado pero el grupo amino si esta protonado (- NH3 +). En
disolución alcalina por ejemplo a pH 11.0 el grupo carboxilo esta ionizado (- COO-) y el grupo amino esta desprotonado. En una forma más clara mencionemos el caso de la glicina donde posee un pKa de 2.3 para el grupo carboxílico y un pka 9.6 para el grupo amino, esto quiere decir que el punto medio de la primera ionización ocurre a pH = 2.3 y el de la segunda esta a pH = 9.6.
Calculo del punto isoeléctrico de una aminoácido: Es el pH que este en medio de los valores de pKa de ambos lados de la especie isoiónica, se suman y se dividen por dos:
Ejemplo, ver tabla 7: pI para el ácido glutámico: a pH 2.0 presenta un pK1= 2.0 y a pH 4.2 presenta un pK2= 4.2
pI = 2.0 + 4.2/ 2 = 3.1
Cheftel, Jean presenta las siguientes propiedades de los aminoácidos3:
3
29
Tabla 8: Propiedades físicas de los aminoácidos
AMINOÁCIDO ABREVIATURA LETRA Pka1
(α- COOH) Pka2 α-NH2 Pka R R= cadena lateral pI Alanina Ala A 2.35 9.69 6.02 Arginina Arg R 2.17 9.04 12.48 10.76 Asparagina Asg N 2.02 8.80 5.41
Ácido Aspártico Asp D 2.09 9.82 3.86 2.97
Cisteina Cys C 1.96 10.28 8.18 5.07
Fenilalanina Phe F 1.83 9.24 5.53
Glutamina Glu Q 2.17 9.13 5.65
Ácido glutámico Glu E 2.19 9.67 4.25 3.22
Glicina Gli G 2.34 9.78 6.06 Histidina His H 1.82 9.17 6.00 7.58 Isoleucina Ile I 2.36 9.68 6.02 Leucina Leu L 2.36 9.64 6.00 Lisina Lys K 2.18 8.95 10.53 9.74 Metionina Met M 2.28 9.21 5.75 Prolina Pro P 1.99 10.6 6.30 Serina Ser S 2.21 9.15 5.68 Tirosina Try Y 2.20 9.11 10.07 5.65 Treonina Tre T 2.71 9.62 6.16 Triptófano Trp W 2.38 9.39 5.89 Valina Val V 2.32 9.62 5.97
Fuente: Cheftel Jean- Claude. Proteínas alimentarías: bioquímica, Propiedades funcionales, valor nutritivo, modificaciones químicas. Valores de pka y pI de loa aminoácidos a 25 ºC.
Lección 5: Pruebas cualitativas y cuantitativas para determinar aminoácidos y proteínas en laboratorio.
5.1 Aminoácidos.
EJERCICIO DE PRACTICA:
Utilizando los valores de la tabla 8, determine las estructuras al cambio de pH de la lisina: ubique las zonas de capacidad buffer y calcule el pI.
Los cambios de pH son: < 2.0, 2.16, 5.0, 9,2, 10.0, 10.8
CONSULTA LA PRESENTACION VIRTUAL EN LA PÁGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: CARCTERIZACION DE PROTEINAS.
30
Las pruebas cualitativas para la determinación de las propiedades generales de los aminoácidos se relacionan a continuación de acuerdo a Plummer, David (2000)4:
Reacción de la Ninhidrina La ninhidrina (hidrato de triceohidrindeno), un agente oxidante poderoso, reacciona con todos los aminoácidos a un pH entre 4- 8 para dar un compuesto de color púrpura. Esta reacción se efectúa con aminas primarias y amoniaco pero sin desprendimiento de CO2.
La reacción es muy sensible y es ideal para la detección de aminoácidos en cromatografías y su determinación cuantitativa en fracciones de columnas.
Reacción Xantoproteica Los aminoácidos que contienen un núcleo aromático (triptófano y Fenilalanina), forman nitroderivados de color amarillo cuando se calientan con ácido nítrico concentrado. Las sales de estos derivados son de color naranja.
Reacción de Millón Los compuestos que contienen el radical hidroxibenceno (la tirosina) reaccionan con el reactivo de millón formado compuestos rojos. Los únicos aminoácidos fenólicos son la tirosina y sus derivados y solamente ellos dan una reacción positiva.
Reacción de ácido glioxílico para triptófano
El grupo indólico del triptófano reacciona con el ácido glioxílico en presencia del ácido sulfúrico concentrado dando un color púrpura. El ácido acético glacial que ha sido expuesto a la luz contiene ácido glioxílico.
Prueba de Pauly El ácido sulfanilico diazotizado se une con las aminas de la arginina y la lisina, fenoles como el de la tirosina e imidazoles como la Histidina para dar compuestos azo fuertemente coloreados.
Reacción de Ehrlich Este reactivo reacciona con un buen número de compuestos orgánicos tales como índoles, aminas aromáticas y compuestos ureicos para dar compuestos coloreados.
Prueba de nitroprusiato Los grupos tioles reaccionan con nitroprusiato de sodio ( Na2Fe(CN)5NO) en presencia de
un exceso de amoniaco para dar un color rojo.
Reacción de Sakaguchi El único aminoácido que contiene grupos guanidinios es la arginina; esta reacciona con alfa-naftol y un agente oxidante tal como el agua de bromo dando un color rojo.
5.2 Métodos cualitativos para la determinación de las proteínas. • prueba de biuret para enlaces peptídicos
El sulfato alcalino de cobre reacciona con compuestos que contienen dos o mas enlaces peptídicos dando un complejo de coloración violeta. La intensidad del color obtenido es una medida del número de enlaces peptídicos presentes en la proteínas.
5.3 Métodos Cuantitativos de aminoácidos y proteínas
• Determinación cuantitativa de los aminoácidos usando la reacción de la ninhidrina
El desarrollo del color no es el mismo en todos los aminoácidos. Los aminoácidos como la prolina e hidroxiprolina dan un color amarillo, así que ellos se leen a 440 nm.
4
31
• Método de folin – lowry para determinación de proteínas
Las proteínas reaccionan con el reactivo de Folin para dar un complejo colorado. El color que se forma es debido a la reacción del cobre alcalino con la proteína, tal como sucede en el ensayo de biuret y la reducción de fosfomolibdato por la tirosina y el triptófano presentes en la proteína. La intensidad del color depende del número de aminoácidos aromáticos presentes y cambiaran según la clase de proteína.
CAPITULO 2: PEPTIDOS Y PROTEINAS
En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta la definición y formación del enlace peptídico, concepto fundamental para la interpretación de los niveles de estructura de proteínas, ya que el entendimiento de estos temas conducen al estudiante a entender el comportamiento y función biológica de las proteínas.
En este capítulo, también se analizan las propiedades fisicoquímica que condicionan junto con los niveles de estructuración la función de la proteínas en los tejidos animal y vegetal.
Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, ejercicios de práctica e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales.
Lección 6: Péptidos5
6.1 Aspectos estructurales
La unión de dos o más AA entre sí a través de enlaces amida da origen a un importante grupo de Biomoléculas llamadas péptidos.
El enlace resultante recibe el nombre de enlace peptídico, y debido a la distribución electrónica posee un carácter parcial de doble enlace (alrededor de un 40%); por ello, aunque se represente convencionalmente como un enlace sencillo, goza de dos características muy importantes que siempre deben tenerse en cuenta:
• Todos los átomos que intervienen en el enlace son coplanares, es decir, están situados en el mismo plano. Esta situación la podemos ilustrar en la figura 5.
5
32
Figura 5: Representación coplanar del enlace peptídico Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Observamos que los cuatro átomos (C, O, N, H) que participan en el enlace están localizados en el plano indicado, en cuyos bordes se encuentran los carbonos portadores de las cadenas laterales R1 y R2. Como veremos más
adelante, esta coplanaridad tiene consecuencias en la determinación de una estructura fundamental de las proteínas.
• Debido al carácter parcial de doble enlace, se establece una isomería geométrica del tipo trans, donde el O y el H (del enlace) están en lados opuestos.
• Adicionalmente y como consecuencia de la configuración L de los aminoácidos, los grupos R1 y R2 se alternan por encima y por debajo del plano.
Los péptidos se representan convencionalmente en forma simplificada como una estructura lineal, que cumple las características anotadas, así:
El extremo de la izquierda corresponde al llamado extremo N-terminal donde está el único aminoácido que en el péptido tiene libre su grupo α-NH2; el extremo de la
derecha es el extremo C-terminal en el cual el aminoácido tiene libre su grupo α-COOH. Para representarla estructura de un péptido en muchos casos es suficiente indicar los aminoácidos constitutivos en su forma abreviada.
Por ejemplo, una de las encefalinas (péptidos que tienen acción analgésica) se puede indicar como el pentapéptido:
33 Lo cual significa que la Tirosina es el AA N-terminal, la Metionina es el AA-C terminal y que la Fenilalanina (p.e) ocupa la cuarta posición.
Este tipo de representación, aunque conveniente en muchos casos, no dice por sí mismo mucho sobre las propiedades ácidas o básicas del péptido; para ello es importante recordar con exactitud a qué grupo pertenece cada uno de los aminoácidos presentes. Tampoco se puede formar con ella una idea de la estructura tridimensional (conformación), que en péptidos de cierto tamaño puede ser una característica importante.
Dado el altísimo número de posibles combinaciones en que pueden participar los 20 AA para formar péptidos, hay una enorme variabilidad estructural. La determinación de la estructura de los péptidos puede hacerse combinando los resultados obtenidos por hidrólisis total, hidrólisis parcial y/o identificación de aminoácidos con reactivos específicos.
Las hidrólisis totales emplean ácidos concentrados (HCI, H2SO4) que rompen
inespecíficamente los enlaces peptídicos en condiciones drásticas de temperatura; la mezcla de AA resultantes se separa por métodos cromatográticos. Esto nos permite determinar cuáles AA hacen parte del péptido pero no el orden (secuencia) en que están colocados.
La secuencia se determina combinando rupturas selectivas de los enlaces peptídicos, logrados en condiciones suaves, por medio de agentes específicos que generalmente son enzimas con el establecimiento de los AA-N terminales, C-terminales e intermedios, de los fragmentos resultantes más pequeños.
Para identificar estos AA se puede usar el reactivo de Sanger o reactivos que actúan en forma similar como el reactivo de Edman o el Dansilo.
El conocimiento de la estructura de los péptidos permite, además de su caracterización, establecer cuáles AA son determinantes para la función biológica del péptido y, como veremos más adelante, postular una estrecha correlación entre la estructura y la actividad biológica.
6.2 Propiedades ácido-base
El comportamiento ácido-base de cada péptido está determinado por los grupos α-NH2 y α-COOH (N- y C- terminales respectivamente) y por los grupos R de los AA presentes.
Por ejemplo, en péptidos del grupo de las bradikininas, que poseen una fuerte actividad depresora de la tensión arterial, es frecuente la presencia de aminoácidos básicos lo cual le confiere pH fisiológicos, cargas positivas y un pl
34 relativamente alto. El péptido Lys-Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Leu-Pro-Phe-Arg tendrá en estas condiciones cuatro cargas positivas (una por el grupo α-NH3+ y tres por los
grupos R de Lys y Arg) y una carga negativa (a causa del -COO- terminal); su pl será cercano al pKa de la Arg y por consiguiente es un péptido muy básico.
En el caso de los péptidos donde predominan Glu y Asp tendremos la situación inversa (péptidos ácidos, bajo pl).
En general los péptidos poseen simultáneamente AA ácidos y básicos y su comportamiento anfótero depende de las proporciones relativas de estos aminoácidos; las curvas de titulación presentan múltiples puntos de inflexión (a diferencia de lo observado con los AA libres) y no es posible calcular el valor de pl considerando los pKa de los AA y su disociación sucesiva, pues frecuentemente
podemos tener a un pH dado más de un grupo R que se esté disociando. La determinación del pl podemos, en estos casos, realizarla por electroforesis.
6.3 Actividad biológica de algunos péptidos
Los péptidos que existen libres en una célula desempeñan en muchos casos una función biológica bien precisa. A continuación examinaremos algunos ejemplos: 6. 3.1 Actividad hormonal
En el lóbulo posterior de la hipófisis se produce un cierto número de péptidos con función hormonal. Se destacan: la oxitocina nonapéptido cíclico que estimula la contracción del músculo liso del útero durante el parto y la glándula mamaria en la lactancia; y la vasopresina, otro nonapéptido cíclico que estimula la reabsorción renal del agua y aumenta la presión arterial (acción hipertensora). Estos péptidos tienen las siguientes estructuras:
Oxitocina
35 Aquí tenemos un buen ejemplo de la estrecha correlación existente entre estructura y acción biológica ya que las dos hormonas difieren solamente en las posiciones indicadas y a pesar de ello sus funciones biológicas son completamente diferentes.
Cuando en cualquiera de ellas se rompe el enlace -S-S- (disulfuro) entre las dos Cisteinas por una reducción suave, que no altera ningún otro enlace ni AA, se pierde completamente la actividad hormonal. Esto se debe a que por la ruptura ocurren cambios en la conformación de estos péptidos; esto refuerza la decisiva importancia que tiene la estructura sobre la acción biológica.
La hipófisis produce en su lóbulo anterior la hormona adrenocorticotropa (ACTH), péptido constituido por 25 a 34 AA (dependiendo de la especie), que actúa sobre la corteza de las glándulas suprarrenales, quienes participan en la regulación del metabolismo de carbohidratos.
6.3.2 Actividad como antibióticos
Los péptidos que presentan esta actividad poseen generalmente AA con configuración D o enlaces poco comunes. Entre ellos tenemos:
36
6.3.3 Actividad hiper o hipotensora
Estos péptidos resultan de la acción de enzimas sobre proteínas del plasma sanguíneo Las angiotensinas, derivadas del angiotensinógeno, son un grupo de agentes hipertensores estructuralmente relacionados con 8 a 10 AA:
• Angiotensina I:
Asp-Arg-Val-Tyr-Val-His-Pro-Phe-His-Leu • Angiotensina II:
Asp-Arg-Val-Tyr-Val-His-Pro-Phe
Las bradikininas (ya mencionadas) son péptidos con 9 a 12 AA de fuerte actividad hipotensora y pl elevados.
6.3.4 Actividad oxido reductora
El más abundante es el Glutatión, presente en muchos tejidos, que presenta un enlace no peptídico entre Glu y CySH como lo muestra la estructura:
(γ-Glu-Cys-Gly) = (GSH)
El grupo SH (tiol) de la Cisteína puede oxidarse y dar lugar al glutatión oxidado (GSSG):
37 Esta oxidación está acompañada de la reducción de un aceptor (metabolito) que pasa de su forma oxidada a la reducida.
Lección 7: Generalidades del enlace peptidico y niveles de estructuración Se menciono en la lección 1, algunos aspectos fundamentales de la formación de éste enlace. En este apartado se profundiza aún más la formación y características de este enlace.
El enlace peptídico se forma por la condensación del α-COOH de un aminoácido con el α-NH2 de otro aminoácido:
Figura 6: Formación del enlace peptídico.
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
EJERCICIO DE PRACTICA:
Al frente de cada péptido indique su actividad biológica: a) ACTH: b) Gramicidina c) Vasopresina: d) Glutatión. e) Oxitocina: f) Angiotensina: g) Penicilina: h) Bradikinina:
38 El enlace peptídico posee especiales características: Es polar, plano y esta estabilizado por resonancia. Es un híbrido de resonancia; el enlace C-N del enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace, por esta razón no hay libertad de movimiento. El doble enlace entre el carbono y el oxigeno del grupo carbonilo, busca la estabilidad electrónica de la molécula.
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
Se ha mencionado que el carácter parcial de doble enlace no hay libertad de movimiento, ¿Pero de quien? La presencia de un doble enlace parcial ocasiona la presencia de isómeros geométricos de la forma trans en el oxigeno del grupo carbonilo y el hidrogeno del grupo amino participantes en el enlace peptídico. La presencia del doble enlace parcial del enlace peptídico ocasiona que no haya libertad de movimiento entre el enlace C – N, sino que el movimiento se de a nivel de N- Cα con un ángulo de torsión ø (phi) y entre Cα-C con un ángulo de torsión Ψ (psi). En la grafica siguiente se evidencia lo expuesto.
Figura 7. Ángulos de torsión del enlace peptídico
Fuente: Ramírez, R.- segunda edición (2009). Química de alimentos. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
39 7. 1 Niveles estructurales6
Se considera que cuando un péptido sobrepasa los 40-50 aminoácidos tenemos una cadena polipeptídica que llamamos proteína. Estos polímeros poseen un considerable grado de complejidad que se expresa en todas las proteínas en por lo menos tres niveles de estructura y en algunas hasta cuatro.
Estructura primaria. Está definida por la composición en AA y su secuencia en la proteína.
Estructura secundarla. Es el ordenamiento espacial de las cadenas polipeptídicas resultante de interacciones por puentes de hidrógeno formados únicamente entre los átomos que intervienen en el enlace peptídico.
Estructura terciaria. Consiste en la distribución espacial de todos los grupos de la proteína, es decir, su conformación tridimensional.
Estructura cuaternaria. Está dada por la asociación reversible de varias cadenas polipeptídicas (monómeros) iguales o diferentes. Este tipo de estructura solo la poseen algunas proteínas.
Debido a la importancia que revisten estos niveles de organización para la comprensión del funcionamiento y propiedades de las proteínas, las discutiremos con algún detalle a continuación.
Lección 8: Estructura primaria y Secundaria7 8.1 Estructura primaria
El alto número de AA que integran una proteína nos da, en forma similar a lo anotado en los péptidos, una enorme variabilidad estructural y para caracterizar
6
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá: Unisur. 7
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá: Unisur.
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40 una proteína debemos por tanto conocer su composición en AA y el orden en que se encuentran.
La determinación de la composición se logra sometiendo la proteína a una hidrólisis drástica con ácidos o bases (generalmente HCI 6N y Ba(OH)2 4N) y
analizando cuantitativamente la mezcla de AA libres que resulta. Actualmente esto se logra por medio de un analizador automático de AA que se basa en la separación de los AA por cromatografía de intercambio iónico, haciéndole reaccionar luego con Ninhidrina y determinando por colorimetría a 570 nm su concentración.
Establecer la secuencia es más complejo; la estrategia que se utiliza consiste en romper la proteína por medios químicos o enzimáticos, en un número no muy grande de péptidos, separar por diversos métodos (cromatografía, intercambio iónico, solubilidad, etc). Los péptidos resultantes a cada uno determinarles su secuencia en la forma ya discutida. Utilizando las combinaciones apropiadas de agentes de clivaje, se pueden ensamblar como en un rompecabezas los péptidos, y obtener la secuencia de la proteína.
La primera proteína a la que se le determinó su estructura primaria fue la insulina, hormona originada en el páncreas como proinsulina, que tiene por función disminuir el nivel de glucosa en la sangre y cuya carencia tiene múltiples complicaciones incluyendo la diabetes. Esta proteína tiene dos cadenas polipeptídicas (A y B) unidas por dos puentes de hidrógeno disulfuro intermoleculares formados por la oxidación de cuatro cisteinas.
En la figura 8 representamos esquemáticamente la insulina bovina, sin que lo indicado en los puentes disulfuro intermoleculares e intramoleculares, corresponda a las longitudes relativas y ángulos de unión de los enlaces.
Figura 8: Secuencia de AA de la insulina bovina
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
41 A pesar de ser una de las proteínas más pequeñas es evidente lo incómodo que resulta su representación. Por esta razón se adoptan esquemas simplificados como éste:
Figura 9: Esquema simplificado de la insulina
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
En la estructura primaria en detalle observamos que la hormona tiene todos los AA con excepción de Trp, Met, lo cual no es de extrañar pues en total no hay sino 51 AA y las Met y Trp cuando están presentes, sólo se encuentran unos pocos residuos (2 a 3 por cadena de 200 a 300AA).
Una vez que el grupo de Sanger en Inglaterra estableció la metodología para determinar la estructura primaria de proteínas, lo cual le valió el premio Nóbel en 1951, ésta se ha aplicado no solo a insulina de distintos animales sino a un número creciente de proteínas, incluyendo la hemoglobina, citocromo c, ribonucleasa y muchas enzimas.
Los estudios comparativos de secuencia realizados con estas proteínas han permitido:
• Localizar los segmentos donde reside la actividad biológica. • Realizar estudios sobre la evolución de las proteínas.
• Utilizar en algunos casos proteínas no humanas como sustitutos en el tratamiento de ciertas enfermedades.
• Predecir parcialmente la estructura terciaria de la proteína. • Diseñar proteínas sintéticas con actividad biológica.
Vemos por consiguiente las insospechadas consecuencias que ha tenido el estudio, aparentemente poco complicado de la estructura primaria de las proteínas.
8 .2 Estructura secundaria
En una o varias cadenas polipeptídicas se presentan uniones por puentes de hidrógeno en las que solo intervienen los grupos C=O y N-H que forman el enlace peptídico. Todas las configuraciones existentes o propuestas deben satisfacer las características estructurales que ya discutimos para este tipo de enlaces; la configuración más sencilla es la de cadena extendida, figura 10.
42 Figura 10: Puentes de hidrógeno en un polipéptido con estructura extendida
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
En esta configuración la disposición espacial de los grupos se repite cada 7.2 Å, lo que constituye su distancia en la unidad de repetición e incluye un puente de hidrógeno por cada par de cadenas.
Si se observa con detenimiento la estructura vemos que en una cadena dada los grupos laterales R1 y R3 están localizados del mismo lado (hacia atrás, en este
ejemplo) y puesto que con excepción de Ala y Gly, estos grupos son voluminosos, por lo que existe impedimento estérico y por ello la estructura extendida es poco estable.
En las proteínas fibrosas que tienen un papel estructural, este problema se resuelve mediante la adopción de uno de los siguientes tipos de estructura:
• Grupo l: Estructura en hoja plegada. • Grupo II: Estructura en α-hélice. • Grupo III: Estructura en triple hélice.
El grupo l se caracteriza por tener una unidad de repetición de 6.5 a 7.0 Å, con formación de puentes de hidrógeno intermoleculares entre al menos dos cadenas o segmentos de cadena que pueden ser, paralelas (van en el mismo sentido):
43 − + →COO N H3 − + →COO N H3
o antiparalelas (van en sentido opuesto):
− + →COO N H3 3 NH OOC + − →
Dado que cada enlace peptídico define un plano en el que también se localizan los puentes de hidrógeno, se obtiene una estructura similar a la de una hoja plegada, figura 11.
Figura 11: Estructura en hoja plegada
44 Esquemáticamente se puede representar esta estructura de la siguiente manera, donde cada línea representa un plano, ––––––● los grupos R impares y ––––––○ los grupos R pares:
La proteína más importante de este grupo es la fibroina de la seda, constituida básicamente por Gly (45%), Ala (26%) y Ser (12%) con una secuencia repetitiva:
…Gly-Ala-Gly-Ser-Gly-Ala…
Debido a esta estructura primaria, no hay impedimento estérico apreciable y es posible lograr un empaquetamiento compacto entre distintas capas originándose así la fibra con sus propiedades de flexibilidad y poca extensibilidad. Esquemáticamente, figura 12, tendríamos:
Figura 12: Empaquetamiento de grupos R en la fibroina
45 El grupo II posee una unidad de repetición de 5.1 a 5.4 Å, y los puentes de hidrógeno son exclusivamente intramoleculares. 3. el ordenamiento espacial de las cadenas polipeptídicas resultante de las interacciones por puentes de hidrógeno formados únicamente entre los átomos de hidrógeno del nitrógeno y el oxígeno del carbono carbonílico que conforman el enlace peptídico. Esto genera una estructura helicoidal del tipo representado en la figura 13.
Podemos observar que los grupos R están dirigidos hacia el exterior de la hélice, lo cual implica que grupos R voluminosos tengan una misma carga, si están situados muy cerca desestabilizan la estructura; por otra parte la Prolina rompe la hélice por no poder formar los puentes de hidrógeno necesarios.
A este grupo pertenece la α-queratina que es el constituyente más importante de fibras como cabello y lana y de tejidos de protección como piel, plumas, cuernos, uñas, etc. Esta proteína que posee muy poco Trp, His y Met, tiene una alta proporción de CySH que forma puentes disulfuro entre las distintas cadenas helicoidales y mantiene así la estabilidad de la fibra:
46 Figura 13: Estructura de α-hélice
Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Las fibras que tienen esta estructura son extensibles reversiblemente, luego de un tratamiento por calor húmedo debido a que el agua provoca la ruptura de los puentes de hidrógeno intramoleculares y la cadena puede adquirir una configuración extendida.
El grupo III posee una unidad de repetición de 2.8 Å, y los puentes de hidrógeno se forman entre tres cadenas polipeptídicas que se enrollan entre sí, de manera helicoidal. El mejor ejemplo de este tipo de estructura es el colágeno, proteína que constituye un 30% de las proteínas del cuerpo humano y está presente en tejido conjuntivo, piel, huesos, tendones. El colágeno tiene un 33% de Gly, 25% de Pro o OH-Pro y 11% Ala, sin que haya Trp, CySH, CySSCy y con menos del 2% de Phe, Tyr.
Cada cadena peptídica tiene aproximadamente 1000 AA y la unión de las tres constituye el tropocolágeno que es la fibra básica con 14 Å de diámetro y 2800 Å de larga. Estas fibras se unen a otras a través de enlaces covalentes y generan el colágeno De manera simplificada podemos representar el tropocolágeno así:
47 Lección 9: Estructura terciaria y cuaternaria
9.1 Estructura terciaria
En estas proteínas y como consecuencia de sus estructuras primaria y secundaria, se presentan simultáneamente varias clases de interacciones que determinan su conformación. Estas interacciones (representadas en la figura 14) son:
Figura 14: Tipos de enlaces que mantienen la estructura terciaria de las proteínas Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
• Puentes de hidrógeno intramoleculares o intermoleculares, cuando la proteína tiene más de una cadena polipeptídica, que se forman entre cadenas laterales, o entre cadenas laterales y átomos del enlace peptídico, (a. en la figura 14).
48 • Enlaces salinos o iónicos que resultan de la atracción electrostática entre
grupos R con cargas opuestas, (b. en la figura 14).
• Uniones hidrofóbicas provenientes de las interacciones entre cadenas laterales de AA no polares, que tienden a asociarse entre sí excluyendo el agua, (c. en la figura 14).
• Enlaces covalentes entre grupos R de CySH (enlaces disulfuro), Lys y Glu o Asp (enlaces amida), (d. en la figura 14).
Estos enlaces en conjunto mantienen la estructura terciaria que fundamentalmente está determinada por su composición y secuencia de aminoácidos.
La conformación de las proteínas globulares es considerablemente más compleja que la de las proteínas fibrosas y es característica para cada una. Los estudios realizados sobre diversas proteínas (insulina, mioglobina, citocromo c, hemoglobina, etc) usando difracción de rayos X han permitido deducir algunas características estructurales comunes:
• La proteína es una molécula compacta cuya forma se asemeja en muchos casos a una esfera con cavidades y protuberancias. La cadena polipeptídica sigue un trazo irregular con segmentos en hoja plegada, en α-hélice o desordenados.
• Los aminoácidos polares y los cargados están generalmente situados en el exterior, en íntimo contacto con el medio acuoso circundante.
• Los aminoácidos hidrofóbicos se ubican preferencialmente en regiones internas donde se encuentran pocas moléculas de agua o iones.
• Los segmentos de α-hélice que se presentan están interrumpidos por Pro o por HO-Pro.
• En una proteína dada proveniente de diferentes especies, la conformación es similar.
Dada la enorme complejidad de la estructura terciaria es posible solo después de establecer la estructura primaria y a su vez es un requisito para tratar de explicar la acción biológica de una proteína dada. Es importante resaltar la estrecha dependencia que existe entre la conservación de la estructura terciaria natural u original (conformación nativa) y la actividad de la proteína.
9.2 Estructura cuaternaria8
Algunas proteínas y con mucha frecuencia aquellas con peso molecular (PM) superiores a 100000 están formadas por la asociación reversible de dos o más
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