Apuntes Proteinas Qca Org 2013

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(1)UNIVERSIDAD MAYOR Facultad de Ciencias Silvoagropecuarias. Apuntes de Biomoléculas: Proteínas Profesores: Ximena Arias - Maribel Arnes - Roberto Bravo. Temario: 1. 2. 3. 4. 5. 6.. Concepto de proteína Estereoquímica Clasificación Propiedades ácido–base. El enlace peptídico Estructura de las proteínas: Estructura Primaria Estructura Secundaria Estructura Terciaria Estructura Cuaternaria. 7.. Desnaturalización. Ximena Arias. Página 1. 01/05/2011.

(2) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. 1.- CONCEPTO DE PROTEÍNA •. Su nombre proviene del griego “protos” que significa primero o más importante.. •. Se descubrieron en 1838 y hoy se sabe que son las macromoléculas más abundantes de las células vivas. Están presentes en todas las células y en todas partes de ellas y suponen más del 50% del peso seco de los animales.. •. Las proteínas desempeñan papeles cruciales en prácticamente todos los procesos biológicos. El alcance de sus funciones puede comprenderse por los siguientes ejemplos: catálisis enzimática, transporte y almacenamiento de iones o moléculas pequeñas, movimiento coordinado, soporte mecánico, protección inmune, generación y transporte de los impulsos nerviosos, y control del crecimiento y la diferenciación.. •. Cada proteína tiene una estructura funcional lógica y propia.. •. Las proteínas están constituidas básicamente por unidades elementales (monómeros) denominadas aminoácido.. •. Los aminoácidos constituyentes de las proteínas son los denominados α-aminoácidos, se caracterizan por poseer un átomo de hidrógeno (H), un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2) y un grupo variable denominado cadena lateral o Radical (R) enlazados a un átomo de carbono central llamado carbono alfa (Cα). El carbono central debe su nombre de Cα por encontrarse adyacente al grupo carboxilo.. •. Por lo tanto todo aminoácido tiene un esqueleto común y un esqueleto diferencial representado por su cadena lateral.. O. ESQUELETO DIFERENCIAL. CADENA LATERAL. R. C CH. ESQUELETO COMUN. GRUPO α-CARBOXILO. OH CARBONO α. NH 2. Ximena Arias. Página 2. GRUPO α-AMINO. 01/05/2011.

(3) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Los α-aminoácidos se diferencian exclusivamente por su cadena lateral y para indicar cada aminoácido habitualmente se utilizan notaciones abreviadas, la de tres letras es la más común, pero también es utilizada la de una letra. Por ejemplo, Glicina, también conocida como glicocola, se puede abreviar como “Gly” o “G”.. •. Los enlaces alrededor del carbono alfa son tetraédricos, recordemos que cuando un átomo de carbono tiene cuatro sustituyentes diferentes unidos a él, forma una molécula asimétrica y se dice que es un carbono quiral o estereocentro. Todos los aminoácidos, con excepción de la glicina, presentan un carbono α que es quiral.. 2. ESTEREOQUÍMICA DE LOS AMINOACIDOS: •. El agrupamiento tetraédrico de cuatro grupos diferente alrededor del carbono α confiere actividad óptica a los aminoácidos. Si una molécula contiene un carbono quiral, existen dos estereoisómeros (isómeros ópticos) distinguibles, se trata de imágenes especulares que no se pueden superponer una a la otra: ENANTIÓMEROS.. •. Todos los aminoácidos estándares, con excepción de la glicina, presentan configuración D y L.. •. Todos, excepto la glicina son ópticamente activos, es decir, pueden hacer girar el plano de la luz polarizada.. •. Las células distinguen con gran eficiencia los estereoisómeros y la naturaleza muestra una marcada preferencia por la forma “L”. Salvo contadas excepciones, todos los aminoácidos constituyentes de las proteínas presentan configuración L.. •. Por convención, todos los compuestos de configuración comparable a la del L-gliceraldehído son denominados L, aun cuando no sean levógiros, y se le asigna la configuración D a los relacionados con la disposición del D-gliceraldehído, aunque no sean dextrógiros.. COOH. CHO HO. H2N. H. CH2OH. CH2OH L-Gliceraldehido (monosacárido) Ximena Arias. H. Página 3. L-Serina (α-aminoácido) 01/05/2011.

(4) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Al observar la estructura de Fischer del L-gliceraldehído la denominación “L”, esta de acuerdo a la posición del grupo hidroxilo (OH), que se encuentra a la izquierda; en la L-serina esta de acuerdo a la posición del grupo amino (NH2), se encuentra a la izquierda.. •. De aquí que omitiéremos la designación de isómero óptico en nuestra discusión de las proteínas, puesto que siempre se supondrá que se trata del isómero “L” a menos que indique lo contrario.. 3.- CLASIFICACION DE LOS AMINOACIDOS a) CLASIFICACIÓN NUTRICIONAL. •. Los aminoácidos estándares se clasifican como esenciales (indispensables) y no esenciales (dispensables), los primeros deben encontrarse obligatoriamente en la dieta.. •. Consideraremos esencial a aquellos aminoácidos que no pueden ser sintetizados por el organismo a la velocidad y en la cantidad requerida y deben ser suministrados por la dieta. Estos aminoácidos son: Leucina, Isoleucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano y Valina. En el caso de los lactantes se debe agregar Histidina, necesaria para el crecimiento (Algunos estudios señalan que este aminoácido también es esencial para el adulto).. b) CLASIFICACIÓN ELEMENTAL SEGÚN SU CADENA LATERAL. •. Los aminoácidos estándares se clasifican de acuerdo a la polaridad de su cadena lateral en Apolares y Polares.. •. A su vez los aminoácidos polares pueden subdividirse de acuerdo a los grupos funcionales que presentan en su cadena lateral polar como: Acidos, Básicos y Neutros. APOLAR. Aminoácidos. Según cadena lateral. HIDRÓFOBOS. POLAR HIDROFÍLICOS. Ximena Arias. Página 4. ÁCIDOS BASICOS NEUTROS. 01/05/2011.

(5) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Para poder clasificar fácilmente los aminoácidos en cada uno de los tipos descritos, es necesario recordar las características físico-químicas de los principales grupos orgánicos, así es como podemos generalizar que:. SABIENDO RECONOCER LA CADENA LATERAL DE UN AMINOACIDO ES POSIBLE DETERMINAR SU NATURALEZA POLAR O APOLAR DE ACUERDO A LOS PRINCIPIOS GENERALES DE LA QUIMICA ORGANICA.. Tabla N°1: Clasificación elemental y estructura de los aminoácidos estándares. (En rojo se señala el esqueleto diferencial de los α-aminoácidos). Cadena Lateral Apolares. O H2N CH. OH. H. Aminoácidos con cadena lateral hidrógeno. Glicina (Gly) O H N. C CH. H2C. OH. CH2 CH2. Aminoácidos con cadena lateral hidrocarbonada ciclada con el grupo α-amino. Prolina (Pro). O C. H3C. OH. CH NH2 Alanina (Ala) O. CH3 CH. C CH. H3C. Aminoácidos con cadena lateral hidrocarbonada OH. NH2. Valina (Val). Ximena Arias. Página 5. 01/05/2011.

(6) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. O H3C. C. CH2 CH. CH. CH3. NH2. OH. Leucina (Leu) O. CH3 H3C. CH CH2. C CH. OH. NH2. Isoleucina (Ile). Cadena Lateral Apolares. O CH2 OH NH2. Fenilalanina (Phe) O CH2 OH NH2. Aminoácidos con cadena lateral aromática. HO. Tirosina (Tyr) O CH2 OH NH2 NH. Triptófano (Trp). Ximena Arias. Página 6. 01/05/2011.

(7) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Cadena Lateral Polar Básica. O H2N. CH2 CH2. CH2 CH2. OH NH2. Lisina (Lys) O H N. CH2 C. Aminoácidos de cadena lateral con grupo amina. OH. HC NH2. CH. N. Histidina (His) NH2. O. C. CH2. HN. CH2 CH2. NH. OH NH2. Arginina (Arg). Cadena Lateral Polar Neutra. O CH2. H2N C O. OH NH2. Asparagina (Asn) NH2. O. C. CH2 CH2. O. Aminoácidos de cadena lateral con grupo amida OH. NH2. Glutamina (Gln) O. CH3 CH HO. OH. Aminoácidos de cadena lateral con grupo hidroxilo. NH2. Treonina (Thr). Ximena Arias. Página 7. 01/05/2011.

(8) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. O CH2 HO. OH NH2. Serina (Ser) O S H3C. CH2 CH2. OH. CH NH2. Aminoácidos de cadena lateral con grupo tioéter. Metionina (Met). O. Aminoácidos de cadena lateral con grupo sulfhidrilo. CH2 HS. OH NH2. Cisteína (Cys). Cadena Lateral Polar Ácida. O HO. CH2 OH. C O. NH2. Aminoácidos de cadena lateral con grupo carboxílico. Acido Aspártico (Asp) O. O. C HO. CH2 CH2. OH NH2. Acido Glutámico (Glu). •. Además de los aminoácidos estándares se han encontrado otros aminoácidos como componentes de sólo ciertos tipos de proteínas. Cada uno de éstos deriva de uno de los 20 aminoácidos estándares mediante una reacción de modificación que tiene lugar una vez que se ha incorporado el aminoácido estándar en la proteína.. Ximena Arias. Página 8. 01/05/2011.

(9) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Tabla N°2: Estructura de otros aminoácidos encontrados en ciertos tipos de proteínas que son derivados de los aminoácidos estándares. O H N. C CH. H2C. O. OH H2N. CH2. CH2 OH. HO. O. O. C. NH2. O. CH2. CH2. OH. CH C HO. O. OH. δ-hidroxilisina. 4-hidroxiprolina. HO. CH2 CH2. HO. NH2. PO3H2 O. NH2. Acido γ−carboxiglutámico. o-fosfoserina. 4. PROPIEDADES ÁCIDO-BASE DE LOS AMINOÁCIDOS •. Todos los α-aminoácidos obtenidos por hidrólisis de proteínas, presentan un grupo ácido (grupo αcarboxilo) y un grupo básico (grupo α-amino), razón por la cual se les considera neutros. Sin embargo, ciertas propiedades físicas y químicas no son consistentes con la estructura básica.. O R. C CH. CARBONO α. Ximena Arias. NH 2. Página 9. GRUPO α-CARBOXILO. OH GRUPO α-AMINO. 01/05/2011.

(10) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Se podría pensar que los α-aminoácidos presenten propiedades físicas semejantes a las aminas y ácidos carboxilicos estructuralmente similares.. •. La existencia, en una misma molécula, de grupos ácidos y básicos, da a los aminoácidos propiedades eléctricas particulares. Como se ha visto, el grupo carboxilo se comporta como un ácido o dador de protones, mientras que le grupo amino acepta protones; actúa como base.. •. En estado cristalino o en soluciones acuosas, estos compuestos se encuentran disociados, con cargas positivas y negativa sobre la misma molécula. Por esta razón, se dice que los aminoácidos son iones dipolares, anfolitos o anfóteros.. •. La carga eléctrica del aminoácido dependiendo del pH del medio ambiente en le cual esta disuelto, es decir, pueden ionizarse como: a) Un ácido, el grupo -COOH libera el protón, quedando como el anion (-COO-) O R. C O. CH. -. NH2. b) Una base, el grupo -NH2 captan protones, quedando como el cation (-NH3+) O R. C CH. OH. +. NH3. c) O pueden aparecer como ácido y base a la vez. En este caso los aminoácidos se ionizan doblemente, apareciendo una forma dipolar iónica llamada zwitterion (sal interna), con carga neta cero. O R. C CH. O. -. +. NH 3. Ximena Arias. Página 10. 01/05/2011.

(11) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Los α-aminoácidos son realmente compuestos ionicos.. •. Recuerda que el grupo amino y el ácido carboxílico tienen formas conjugadas de carácter ácido/base, las cuales dependen del pH de la solución donde se encuentran.. GRUPO CARBOXILO. Forma Acida. Forma Básica. O R. H+. +. O. C. C R. OH. +. H. + O-. GRUPO AMINO. Forma Acida. R. NH3. +. Forma Básica. +. R – NH2. +. H+. + H. •. Las constantes de equilibrio, Ka, para las formas ácidas son de alrededor de 10-2 para el grupo carboxilo (Ka1) y de aproximadamente 10-9 para el grupo amino (Ka2). Por lo tanto, los valores de pKa1 ≈ 2 y pKa2 ≈ 9.. •. Cuando el pH es inferior a 2, casi todos los grupos carboxilos están en forma de ácido conjugado (sin carga) y casi todos los grupos aminos están en su forma de ácido conjugado (con carga +1). El aminoácido encuentra principalmente como la especie Protonada.. •. Cuando el pH es superior a 9, casi todos los grupos carboxilos están en forma de base conjugada (con carga –1) y casi todos los grupos aminos están en su forma de base conjugada (sin carga). El aminoácido se encuentra preferentemente como la especie No-Protonada.. Ximena Arias. Página 11. 01/05/2011.

(12) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Cuando el pH esta entre 2 y 9, casi todos los grupos carboxilos están en su forma de base conjugada (con carga –1) y casi todos los grupos aminos están en su forma de ácidos conjugados (con carga +1). El aminoácido se encuentra mayoritariamente como la especie Zwitterion.. •. Hay un valor de pH, característico para cada aminoácido, en el cual la disociación de cargas positivas y negativas se iguala y, por lo tanto, la carga total del aminoácido es nula. A este valor de pH se le denomina punto isoeléctrico (pI). Cualquier aminoácido en el cual las cargas positivas y negativas están equilibradas (Zwitterion) se encuentra en su punto isoeléctrico.. •. Si la cadena lateral de un aminoácido posee un grupo ionizable, en su ionización se debe tomar en cuenta este valor de pKaR (pKa de cadena lateral).. •. Si el aminoácido se coloca en un campo eléctrico, la forma anionica de este viaja hacia el electrodo positivo, la forma cationica viaja hacia el electrodo negativo y el ion dipolar permanece estacionario.. +. -. OOC-CH-NH2 (forma aniónica) |. R (forma catiónica) HOOC-CH-NH3+ |. R. OOC-CH-NH3+. -. |. R (ion dipolar- no hay migración) Electrodo positivo. Electrodo negativo. Electrodos. Ximena Arias. Página 12. 01/05/2011.

(13) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Dependiendo de las características ácido-base de la cadena lateral tendremos distintos sistemas en equilibrio.. Caso 1: Aminoácido con cadena lateral Apolar o Polar Neutra En general, los aminoácidos que poseen una cadena lateral neutra, sin algún otro grupo ácido o básico en su estructura, presentan dos valores de pKa. Un valor cercano a 2, para la pérdida de un protón del ácido conjugado del grupo α-carboxilo (pKa1), y el otro, cercano a 9, para la pérdida del protón del ácido conjugado del grupo α-amino (pKa2). El punto isoeléctrico es el promedio entre los valores de pKa, es decir cercano a 6 (cercano a neutro) O. EJEMPLO: ALANINA. H2N. OH CH3. En equilibrio se tendrá:. O. +. H3N. pKa1=2,34. O. +. _. H3N. OH CH3. pKa2=9,69. O CH3. _. H2N. O CH3. Carga 0 pH = pI. Carga +1 pH < pKa1. O. Carga –1 pH > pKa2. y el punto isoeléctrico estará dado por pKa1 + pKa2 pI =. = 6,01 2. •. Deben considerarse como excepción en este grupo a la tirosina, un aminoácido apolar, y la cisteína, un amonoácido polar neutro, cuyos grupos actúan como ácidos débiles.. Ximena Arias. Página 13. 01/05/2011.

(14) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Caso 2: Aminoácido con cadena lateral Polar Ácida Este tipo de aminoácido presenta tres valores de pKa. El pKa1 y el pKa2 característicos y el pKaR para la pérdida de un protón del ácido carboxílico de la cadena lateral (R). El punto isoeléctrico estará dado por el promedio entre el pKa1 y el pKaR, es decir cercano a 3 (ácido).. O. EJEMPLO: ACIDO ASPÁRTICO. H2 N. OH. HO. O. En equilibrio se tendrá: O H3N. O. +. H3N. OH. O. +. O. pKaR = 3,65. pKa1 = 1,88 HO. HO. O. Carga +1 pH < pKa1. H3N. -. O. +. O O. -. pKa2 = 9,60 O. O. Carga 0 pH = pI. Carga –1 pKa2 < pH < pKaR. H2N. -. O O. -. O. Carga -2 pH > pKaR. y el punto isoeléctrico estará dado por pKa1 + pKaR pI =. = 2,77 2. Ximena Arias. Página 14. 01/05/2011. -.

(15) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Caso 3: Aminoácido con cadena lateral Polar Básica Este tipo de aminoácido presenta también tres valores de pKa. El pKa1 y el pKa2 característicos y el pKaR para la pérdida de un protón de la amina (acido conjugado) de la cadena lateral (R). El punto isoeléctrico estará dado por el promedio entre el pKa2 y el pKaR, es decir entre 8 y 10 (básico).. O. EJEMPLO: LISINA. H2 N. OH. NH 2. En equilibrio se tendrá: O. O H3 N. +. H3 N. OH. +. Carga +2 pH < pKa1. H2 N. O-. pKa 1= 2,18. NH3. O. O. +. +. NH3. +. NH2. Carga 0 pH = pI. Carga +1 pKa1< pH < pKa2. O-. pKa R = 10,53. pKa 2 = 8,95. NH3. H2 N. O-. Carga -1 pH > pKaR. y el punto isoeléctrico estará dado por. pKa2 + pKaR pI =. = 9,74 2. Ximena Arias. Página 15. 01/05/2011.

(16) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. En general, los valores de pKR para los grupos ionizables se encuentran alejados del pH habitual en nuestro organismo (cercano a la neutralidad), con excepción de la histidina cuyo pKR es 6,00. la histidina es el único aminoácido que actúa como amortiguador al pH fisiológico (pH ≈ 7).. Tabla N°3: Nombres abreviados, constantes de acidez y punto isoeléctrico para aminoácidos estándar Nombre. Nombre abreviado. pKa1. pKa2. pKaR. pI. Acido Aspártico. Asp. D. 1.88. 9.60. 3.65. 2.77. Acido Glutámico. Glu. E. 2.19. 9.67. 4.25. 3.22. Alanina. Ala. A. 2.34. 9.69. Arginina. Arg. R. 2.17. 9.04. Asparagina. Asn. N. 2.02. 8.80. Cisteína. Cys. C. 1.96. 8.18. Fenilalanina*. Phe. F. 1.83. 9.13. 5.48. Glicina. Gly. G. 2.34. 9.60. 5.97. Glutamina. Gln. Q. 2.17. 9.13. 5.65. Histidina. His. H. 1.82. 9.17. Isoleucina*. Ile. I. 2.36. 9.68. 6.02. Leucina*. Leu. L. 2.36. 9.60. 5.98. Lisina*. Lys. K. 2.18. 8.95. Metionina*. Met. M. 2.28. 9.21. 5.74. Prolina. Pro. P. 1.99. 10.96. 6.48. Serina. Ser. S. 2.21. 9.15. 5.68. Tirosina. Tyr. Y. 2.20. 9.11. Treonina*. Thr. T. 2.11. 9.62. 5.87. Triptófano*. Trp. W. 2.38. 9.39. 5.89. Valina*. Val. V. 2.32. 9.62. 5.97. 6.01 12.48. 10.76 5.51. 10.28. 6.00. 10.53. 10.07. 5.07. 7.59. 9.74. 5.66. * aminoácidos esenciales para el ser humano. •. Una de las propiedades físicas y químicas importantes de los aminoácidos es: son insolubles en disolventes no polares, y su moderada solubilidad en agua depende del pH en el que se encuentren. Siendo menos soluble en agua cuando se encuentra como Zwitterion, es decir, cuando el pH = pI y más soluble a pH extremos, es decir, muy ácidos o muy básicos.. Ximena Arias. Página 16. 01/05/2011.

(17) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. 5.- EL ENLACE PEPTÍDICO •. Las proteínas están formadas por la unión de aminoácidos mediante un enlace peptídico.. •. Dos moléculas de aminoácidos pueden establecer enlaces covalentes entre el carbono carboxilo del grupo α-carboxilo de uno y el nitrógeno del grupo α-amino de otro. Esta unión, denomina peptídica o enlace peptídico, es del tipo amida y se produce con pérdida de agua.. •. La formación del enlace peptídico es un ejemplo de reacción de condensación que es un tipo de reacción frecuente en las células vivas.. O. R. C. C. COOH. H C. N. R. H. H2N. H. ENLACE PEPTIDICO. •. El producto formado cuando se unen dos aminoácidos se llama dipéptido. El carbono carboxilo del grupo α-carboxilo se une al nitrógeno del grupo α-amino, liberándose una molécula de agua y formando un enlace peptídico. H. H H2N. C R. Ximena Arias. COOH. +. H2N. C. COOH. H2N. H. O. C. C. R. R. Página 17. R N. C. H. H. COOH. +. H2O. 01/05/2011.

(18) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. Es posible seguir agregando unidades aminoacídicas con el mismo tipo de unión para formar tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, etc.. •. Los aminoácidos constituyentes de péptidos o proteínas pierden en la unión peptídica el OH del grupo α-carboxilo de un aminoiácido y un H del grupo α-amina de otro aminoácido, por ello, una vez integradas en la cadena, las unidades que forman el polímero son restos o residuos de aminoácidos.. •. Los estudios de difracción de rayos X de cristales de aminoácidos y de dipéptidos y tripéptidos simples demostraron que los átomos asociados con el enlace amida C-N de un péptido son coplanares. Esto indicaba la existencia de una resonancia, es decir, que el oxígeno carbonilo y el nitrógeno amida compartían parcialmente dos pares de electrones. R. O C R. O. N. R. -. C H. +. N. R. H. Resonancia del enlace peptídico Ximena Arias. Página 18. 01/05/2011.

(19) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. El enlace peptídico tiene un comportamiento similar al de un enlace doble, es decir, presenta una cierta rigidez a la unión C-N y no permite la rotación libre de esos átomos. Esta limitación tiene varias consecuencias: a) Los cuatro átomos directamente vinculados al enlace peptídico (O, C, N e H) se encuentran en el mismo plano, es decir son coplanares, al igual que los carbono α unidos al carbono y al nitrógeno del enlace amida. b) Aunque el enlace peptídico es coplanar, el grupo de átomos alrededor del enlace peptídico puede darse en dos configuraciones posibles, trans y cis.. c) En realidad, suele estar favorecida la forma trans, dado que en la configuración cis pueden interferir los grupos R voluminosos sobre los carbono α adyacentes. d) En la configuración favorecida, el oxígeno y el hidrógeno del enlace peptídico quedan en posición trans al igual que los dos carbonos alfa (Cα). Del mismo modo, la cadena lateral (R) y el hidrógeno, unidos al carbono alfa (Cα) se proyectan fuera del plano que contienen a los otros átomos.. Ximena Arias. Página 19. 01/05/2011.

(20) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. La rigidez del enlace peptídico limita el número de conformaciones (estructura tridimensional) que un polipeptido puede adoptar.. •. La rotación es libre en los enlaces Cα-C y N-Cα. Los angulos de rotación de los enlaces se denominan pór convención ψ (psi) para el enlace Cα-C y φ (phi) para el enlace N-Cα. En la siguiente figura se muestra la conformación extendida de la cadena que corresponde a ψ = +180° y φ = +180°. •. Toda cadena polipeptídica tiene un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo αamino libre; por convención, se considera a éste como el comienzo de la cadena (se escribe en el extremo izquierdo) y se le llama extremo amino o residuo N-terminal.. •. Toda cadena polipeptídica tiene un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo αcarboxilo libre; por convención, se considera a éste como el final de la cadena (se escribe en el extremo derecho) y se le llama extremo carboxilo o residuo C-terminal.. Ximena Arias. Página 20. 01/05/2011.

(21) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. En general, se denominan polipéptidos los polímeros formados por más de 10 residuos de aminoácidos.. •. Cuando la cadena polipeptídica tiene 50 unidades de aminoácidos, lo cual corresponde a una masa molecular aproximadamente mayor a 6000, la molécula es considerada una proteína. Por debajo de esa masa, se acostumbra a designarlos simplemente como péptidos.. •. No hay un límite preciso entre péptidos y proteínas; el valor de 6000 como masa molecular es arbitrario y se ha elegido porque es la masa aproximada de insulina, hormona producida en el páncreas y primera proteína cuya estructura completa fue conocida con exactitud.. •. Los enlaces peptídicos pueden hidrolizarse hirviéndolos en ácidos fuertes (HCl 6,0M) o bien con bases fuertes (NaOH 6,0M), dando como producto a los aminoácidos constituyentes.. •. Los enlaces peptídicos también se pueden hidrolizar mediante ciertas enzimas denominadas enzimas proteolíticas o proteasas.. 6.- ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS •. Si las proteínas poseen sólo α-aminoácidos se clasifican como Proteínas Simples y si contiene un componente químico diferente de los α-aminoácido llamado grupo prostético; los cuales pueden ser iones metálicos o moléculas orgánicas pequeñas, las proteínas se clasifican como Proteínas Conjugadas.. •. De la conformación final adoptada por la proteína (estructura tridimensional) dependerá la función que ésta tenga en el ámbito celular.. •. Cada proteína tiene un orden definido de residuos de aminoácidos y la conformación posterior que adopte una proteína depende de su secuencia de aminoácidos y de las fuerzas de interacción intermoleculares (puente salino o ion-ion, dipolo-dipolo, ion –dipolo, puente de hidrógeno, Van der Waals) y un enlace covalente llamado puente disulfuro.. •. La estructura de las proteínas es muy compleja, razón por la cual resulta conveniente describirla en distintos niveles de organización.. •. La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria.. Ximena Arias. Página 21. 01/05/2011.

(22) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. El siguiente esquema representa la organización de la proteína hemoglobina.. 6.1.- ESTRUCTURA PRIMARIA •. La estructura primaria corresponde a la secuencia definida de los residuos de aminoácidos presentes en la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran.. •. Para mayor comprensión de la estructura primaria debes tener en cuenta los siguientes hechos. a) El enlace peptídico es planar. Cada enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace u no puede rotar. b) El oxígeno carbonilo (C=O) tiene carga parcial negativa y el nitrógeno amida (N-H) carga parcial positiva, lo que da lugar a un pequeño dipolo eléctrico. c) Los átomos de oxígeno e hidrógeno de cada enlace peptídico se encuentran en disposición trans. d) Cada enlace peptídico en relación con el siguiente guardan una suerte de disposición preferentemente trans. e) Las cadenas laterales ( R) de cada aminoácido, guardan una disposición preferentemente trans una con la otra. f) Toda proteína posee un extremo amino terminal y un extremo carboxilo terminal.. •. El siguiente esquema muestra una estructura primaria de un polipéptido constituido por 10 aminoácidos, por lo que esta compuesto por 9 enlaces peptídicos.. Ximena Arias. Página 22. 01/05/2011.

(23) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. 6.2.- ESTRUCTURA SECUNDARIA •. La estructura secundaria es la disposición espacial regular de los residuos de aminoácidos, es decir, formas regulares de plegado de la cadena polipeptídica.. •. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable y regular, la estructura secundaria.. •. Existen unas pocas clases básicas de estructuras secundarias, siendo las más importantes: ¾ La forma α-hélice: En esta estructura el esqueleto polipeptídico se encuentra compactamente enrollado alrededor del eje longitudinal de una molécula, y los grupos R de los residuos de los aminoácidos sobresalen del esqueleto helicoidal.. Las interacciones adicionales que se producen entre las cadenas laterales de los aminoácidos pueden estabilizar o desestabilizar la estructura α-hélice. Restricciones a la estabilidad de la α-hélice: 1.- Repulsión o atracción electrostática entre cadenas laterales próximas. Por ejemplo, a pH fisiológico la cadena lateral de la ácido glutámico se encuentra como ion carboxilo (-COO-) y los de la lisina como ion amino (-NH3+), lo que originaría una atracción electrostática desestabilizadora de la hélice 2.- Efecto estérico de tamaño. Por ejemplo, la serina, el triptofano y la leucina presentan cadenas laterales voluminosas por lo que su proximidad genera un efecto estérico (muy cercano: 3 o 4 residuos), desestabilizadora de la hélice.. Ximena Arias. Página 23. 01/05/2011.

(24) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. 3.- Efecto Prolina, no es posible la rotación alrededor del enlace N-Cα de la prolina y además no se puede formar interacciones puente de hidrógeno con su enlace peptídico, generando una acción desestabilizadora de la hélice. 4.- Interacciones entre los aminoácidos de los extremos de la hélice y el dipolo eléctrico inherente a esta estructura. Los aminoácidos cargados negativamente se encuentran situados cerca del extremo N-terminal del segmento helicoidal, ejerce una acción estabilizadora de la hélice; un aminoácido cargado positivamente situado en el extremo N-terminal es desestabilizante de la helice. En el caso del extremo C-Terminal ocurre lo contrario. ¾ La forma hoja β-plegada o lamina plegada: El esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra extendido en zig-zag en lugar de plegarse como en la α-hélice. Existe una β-plegada antiparalela y una paralela.. Las interacciones adicionales que se producen entre las cadenas laterales de los aminoácidos pueden estabilizar o desestabilizar la estructura β-plegada. Cuando dos o más hojas plegadas paralela o antiparalelas se encuentran densamente empaquetadas en una proteína los grupos R de las superficies de contacto deben ser relativamente pequeños para permitir el empaquetamiento (Glicina y/o Alanina).. Ximena Arias. Página 24. 01/05/2011.

(25) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Tabla N°4: Características de las dos formas de estructuras secundarias más comunes α-hélice hoja β-plegada • El esqueleto es compacto. • El esqueleto de la cadena polipéptidica se encuentra extendida en zig-zag. • Hélice es dextrogira. • Se repite cada 18 residuos, que representan • También se estabiliza por una interacción intermolecular puente de hidrógeno entre cinco vueltas. los enlaces peptídicos, que pueden ser • Se estabiliza por una interacción intracatenarios, es decir, entre residuos de intermolecular puente de hidrógeno entre los la misma cadena polipeptídica, o bien enlaces peptídicos, de tal manera que cada intercatenarios, es decir, entre residuos de oxigeno carbonilo del residuo n, esta unido cadenas polipeptídicas distintas. por puente de hidrogeno al nitrógeno amida del residuo n+4, en dirección N → C • Los grupos R de las cadenas laterales por lo general son pequeños (glicina y alanina) terminal. Por lo tanto, hay un puente de para favorecer el empaquetamiento. hidrogeno cada 4 enlaces peptídicos • Los puentes de hidrógeno intrahelicoidales • Los grupos R de las cadenas laterales de residuos de aminoácidos adyacentes son casi paralelos al eje de la hélice con los sobresalen de la estructura en direcciones grupos carbonilo apuntando hacia el extremo opuestas. C-terminal. • Las cadenas polipeptídicas pueden ser • La hélice es de tipo 3,6 r13 paralelas (con la misma orientación amino• Cada giro de hélice se compone de 3,6 carboxilo en el polipeptido) o antiparalelas residuos de aminoácidos. (con orientaciones opuestas). • Se forma una estructura anular de 13 átomos (el oxígeno carbonilo, 11 átomos de columna • El giro β o codo β es un conector habitual entre cadenas antiparalelas. y el hidrógeno amídico) • Los cuatro primeros y los cuatro últimos • Las conexiones entre la cadenas polipeptídica paralelas son con una torsión residuos no participan en los puentes de generalmente hacia la derecha. hidrogeno • Todos los grupos R quedan proyectados hacia fuera de la hélice. • El interior de la hélice es hidrofóbica. •. Existen otras estructuras repetitivas, a menudo presentes en sólo una proteína o un pequeño número de proteínas especializadas. Muchas veces son consideradas estructuras supersecundarias o proteínas fibrosas. Por ejemplo, la hélice del colágeno que en realidad es una triple hélice de tres cadenas polipeptídicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000 residuos de aminoácidos.. •. Otros ejemplos de proteínas fibrosas son: Las α-queratina, en las cuales predomina la estructura α-hélice, son las proteínas más importantes del pelo y las uñas y forman una parte importante de la piel animal.. Ximena Arias. Página 25. 01/05/2011.

(26) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. La β-queratinas, como lo indica su nombre, contienen muchas estructuras de hoja β-plegada, y se encuentran principalmente en aves y reptiles, en estructuras como las plumas y las escamas. Fibroína, en las cuales predomina la estructura hoja β-plegada, se presenta en la seda de la araña y del gusano de seda. Elastina, forman fibras elásticas que se hallan en los ligamentos y en los vasos sanguíneos. •. Las proteínas fibrosas comprenden las principales proteínas de la piel, tejido conjuntivo y de las fibras de los animales como el pelo y la seda.. 6.3.- ESTRUCTURA TERCIARIA •. La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular. Razón por la cual, algunos autores, a menudo, las denominan proteínas globulares.. •. La conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc.; a diferencia de las proteínas fibrosas que son insolubles en agua y de forma filamentosa o alargada, y por ende, la mayoría de ellas desempeña funciones estructurales en las células y tejidos animales.. •. Muchas proteínas globulares llevan un grupo prostético, moléculas pequeñas que pueden estar enlazadas de modo covalente o no covalente a la proteína y capacitarla para que cumpla funciones especiales. En el caso de la mioglobina, el grupo prostético corresponde a ferroporfirina (grupo “hemo”), el cual esta unido de forma no covalente con la cadena polipeptídica.. Ximena Arias. Página 26. 01/05/2011.

(27) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. A diferencia de la estructura secundaria, la estructura terciaria de la mayor parte de las proteínas es específica de cada molécula y es determinante en su función.. •. El plegamiento para formar la estructura terciaria no es inmediato, primero se agrupan conjuntos de estructuras secundarias denominadas dominios que luego se articulan para formar la estructura terciaria definitiva.. •. La mayoría de las proteínas globulares pequeñas tienden a presentar un dominio, mientras que las más grandes presentan más de un dominio (Dominio es una región compacta plegada localmente).. •. Los dominios están unidos entre sí mediante una hebra de seguimiento (generalmente irregular).. •. Los diferentes dominios pueden realizar funciones diferentes e incluso un mismo tipo de dominio puede existir en proteínas diferentes.. (a) Estructura terciaria de la mioglobina. (b) Grupo hemo. A pesar de la gran diversidad de las estructuras terciarias, hay algunas características que son comunes a todas ellas:. Ximena Arias. Página 27. 01/05/2011.

(28) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. a) Hacia el interior de la estructura quedan proyectados los grupos R hidrofóbicos (excepto en las proteínas de membrana que es al revés). b) Hacia el exterior de la estructura quedan proyectados los grupos hidrofílicos (excepto en las proteínas de membrana que es al revés) c) Las hojas β-plegadas están generalmente enrolladas o envueltas en estructuras cilíndricas. Por ejemplo, la hexoquinasa (dominio 2) y piruvato quinasa (dominio 1) d) La cadena polipeptídica puede doblarse o girarse de diversas maneras para ir desde un segmento de hoja β-plegada o α-helice al siguiente. e) La formación de los giros en la cadena polipeptídica durante el plegamiento y la dirección y ángulo de estos giros, están determinadas por el número y la localización de aminoácidos específicos promotores de su formación, como Prolina, Serina y Glicina f) Las zonas de las proteínas globulares que no pueden clasificarse como estructura α-hélice, lamina β-plegada o giro β, se les denomina zonas de ovillo aleatorio o zonas irregulares.. •. Mientras que la estructura secundaria viene determinada por las interacciones de corto alcance entre residuos de aminoácidos, la estructura terciaria es el resultado de interacciones de largo alcance en la secuencia de aminoácidos.. INTERACCIONES QUE ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA TERCIARIA INTERACCIONES CARGA - CARGA PUENTE SALINO. Principalmente interacciones entre aminoácidos ácidos y básicos ionizados. Dependientes del pH del medio Cadenas laterales dadoras o receptoras de puente. INTERACCIONES PUENTES HIDROGENO INTERNOS. DE -OH de Serina o Treonina -NH2 de Asparagina no ionizado -COOH de Acido Glutámico no ionizado -NR2 del anillo de Histidina.. INTERACCIONES FUERZAS DE VAN Cadenas laterales apolares DER WAALS ENLACE PUENTES DISULFURO. Ximena Arias. Enlace covalente que se produce entre residuos de Cisteína.. Página 28. 01/05/2011.

(29) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. Fuerzas de Van der Walls. --COO- +NH3Puente Salino. ----CH2----S----S----CH2--Puente Disúlfuro. H O H. O. Puente de Hidrogeno. Ximena Arias. Página 29. 01/05/2011.

(30) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. 6.4.- ESTRUCTURA CUATERNARIA •. Este nivel de organización es propio de aquellas proteínas formadas por más de una cadena polipeptídica. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. (o subunidad). •. La estructura cuaternaria corresponde a agregados específicos de dos o más cadenas polipeptídicas plegadas.. •. Las subunidades pueden ser idénticas o muy diferentes entre si.. •. El número de subunidades varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápside del virus de la poliomielitis, que consta de 60 subunidades proteicas.. •. La estructura tridimencional de la desoxihemoglobina, una proteína con cuatro polipéptidos, dos alfa-globinas (una se muestra en blanco y la otra en azul claro) y dos beta-globinas (una se muestra en azul oscuro y la otra en tono púrpura). En rojo se representa al grupo hem (complejo pegado a la proteína que contiene hierro, y sirve para transportar oxígeno).. a) Una representación en cintas. b) Un modelo de esfera. •. Las interacciones entre las subunidades son las mismas que presentan las estructuras terciarias. Interacciones no covalentes (Puente salino, Puente de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals) y covalentes (Puente disulfuro).. •. La secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica determina las propiedades y la estructura de la proteína.. Ximena Arias. Página 30. 01/05/2011.

(31) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. La Ley de Anfinsen establece que las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias son determinadas por la estructura primaria (secuencia de aminoácidos).. 7.- DESNATURALIZACIÓN. •. La funcionalidad de las proteínas está estrictamente relacionada con una determinada conformación tridimensional. A la conformación fisiológicamente activa de una proteína se denomina estructura nativa.. •. La conformación nativa es muy sensible a los cambios que pueden ocurrir en su entorno.. •. La desnaturalización es un fenómeno que tiene lugar cuando estos cambios del entorno dan lugar a una alteración de la estructura nativa o natural de la proteína que provoca una pérdida de su actividad biológica, es decir, se pierde la conformación tridimensional resultando una estructura no nativa.. Ximena Arias. Página 31. 01/05/2011.

(32) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. •. La conformación no nativa consiste en la pérdida de la estructura cuaternaria, terciaria y/o secundaria, como consecuencia de la ruptura las fuerzas de interacción que las estabilizan.. •. La desnaturalización se puede producir por agentes desnaturalizantes (ver tabla anexa).. AGENTES DENATURANTES DE PROTEINAS CALOR. Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes de hidrogeno. RADIACION DE MICROONDAS Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes de hidrogeno. RADIACION ULTRAVIOLETA Idem a las anteriores AGITACION MECANICA VIOLENTA Provoca debilitamiento de las fuerzas de Interacción, alargando su longitud. DETERGENTES Afecta los puentes de hidrogeno y los puentes salinos SOLVENTES ORGÁNICOS (ETANOL, Interfieren con los puentes de hidrogeno y las ACETONA, 2-PROPANOL) interacciones hidrofóbicas ACIDOS Y BASES FUERTES Rompen puentes de hidrogeno, puentes salinos y si su efecto es muy prolongado puede provocar hidrólisis del enlace peptídico SALES DE METALES PESADOS Interfieren con los puentes salinos y los puentes disulfuro UREA Interfiere y rompe los puentes disulfuro •. Todas las proteínas desnaturalizadas (no nativas) tienen la misma conformación, muy abierta y con una interacción máxima con el disolvente, por lo que una proteína soluble en agua cuando se desnaturaliza se hace insoluble en agua y precipita.. •. En algunos casos, si las condiciones naturales de la proteína se restablecen, una proteína desnaturalizada puede volver a su anterior plegamiento o conformación, proceso que se denomina renaturalización.. •. La modificación de alguna interacción que contribuya en forma esencial la conformación nativa, puede ser suficiente para denaturalizar una proteína. Este proceso puede ser reversible y en tal caso de habla de renaturalización.. •. En algunos casos la renaturalización recupera el 95% a 100% de la actividad biológica, como ocurre cuando están implicados puentes disulfuros en las posiciones esenciales.. Ximena Arias. Página 32. 01/05/2011.

(33) UNIVERSIDAD MAYOR - FACULTAD DE CIENCIAS SILVOAGROPECUARIAS Autores: Ximena Arias I.; Maribel Arnés S.; Roberto Bravo M.. DENATURACION DISULFUROS.. Y. RENATURALIZACION. DE. UNA. Adición de Urea y Mercaptoetanol. PROTEINA. CON. PUENTES. SH. SH. Estado Nativo Biológicamente Activo. Eliminación de Urea y Mercaptoetanol Estado Desplegado (no nativo) Enlaces disulfuro reducidos. Ximena Arias. Página 33. 01/05/2011.

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