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Aminoácidos, péptidos y proteínas
Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos, compuestas por carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y en menor proporción de azufre (S).
Las proteínas desempeñan diferentes funciones biológicas, ya que son los instrumentos moleculares mediante los cuales se expresa la información genética.
- Los catalizadores bioquímicos conocidos como enzimas son proteínas.
- Protección inmune. Las proteínas conocidas colectivamente como inmunoglobulinas constituyen la primera barrera de defensa de los organismos contra las infecciones de origen bacteriano o viral.
- Transporte y almacenamiento. Muchos iones y moléculas pequeñas son transportados y almacenados por proteínas específicas.
- Transporte a través de membranas. Existen proteínas que facilitan el transporte de materiales a través de las membranas celulares.
- Hormonas. Muchas hormonas, como la insulina, son proteínas.
- Proteínas estructurales. El citoesqueleto de las células, los músculos, huesos y piel están compuestos por proteínas.
- Movimiento coordinado. Ciertos ensamblajes de proteínas llevan a cabo la contracción muscular y posibilitan la motilidad celular.
- Generación y transmisión del impulso nervioso. La respuesta de las células nerviosas a estímulos específicos depende de la presencia de receptores proteicos.
- Control del crecimiento y la diferenciación. El control secuencial de la expresión de la información genética es imprescindible para el crecimiento y la diferenciación de las células.
- Energética. Cuando el organismo no consume carbohidratos actúan como un metabolismo secundario.
Las proteínas, además de clasificarse por su función, se pueden clasificar también por su estructura en dos grandes grupos: globulares y fibrosas.
Proteínas globulares La cadena o cadenas polipeptídicas se encuentran plegadas de modo muy compacto, adoptando formas esféricas ; estas proteínas normalmente son solubles en los sistemas acuosos y se difunden con facilidad, y muchas de ellas desempeñan una función móvil o dinámica.
Proteínas fibrosas Son insolubles en agua y son moléculas finas y alargadas, con las cadenas polipeptídicas extendidas a lo largo de un eje. La mayor parte de las proteínas fibrosas desempeñan un papel protector o estructural.
Colágeno
Las proteínas pueden estar formadas por una única cadena polipeptídica o por varias cadenas polipeptídicas, por lo que también se pueden clasificar como proteínas monoméricas u oligoméricas.
Muchas proteínas únicamente están formadas por polímeros de aminoácidos y no presentan grupos de otra naturaleza; reciben el nombre de proteínas simples. No obstante, otras clases de proteínas, sometidas a hidrólisis liberan otros compuestos químicos además de los aminoácidos; reciben el nombre de proteínas conjugadas. La porción diferente a los aminoácidos que se encuentra en una proteína conjugada recibe habitualmente el nombre de grupo prostético , el cual desempeña un papel importante en su función biológica. Las proteínas conjugadas se clasifican en función de la naturaleza química de su grupo prostético.
Ejemplos de grupos prostéticos:
- Hemo: Presente en la hemoglobina (transporte de oxígeno) y en algunas enzimas, como la citocromo oxidasa.
- Biotina: Cofactor en enzimas involucradas en la carboxilación, descomponen sustancias como grasas y carbohidratos.
- Pirofosfato de tiamina: Cofactor en enzimas que llevan a cabo descarboxilación, energía para el cerebro. Grupos carbohidratos:
- Lípidos En las lipoproteínas.
- Iones metálicos En las metaloproteínas (Ferritina, alcohol deshidrogenasa).
- Fosfoproteínas Caseína de leche.
- Flavoproteínas Succinato deshidrogenasa.
En resumen las proteínas se clasifican en:
- Globulares y fibrosas.
- Monoméricas (presentan una sola cadena polipeptídica) y oligoméricas (2 o más cadenas).
- Simples (Sin grupos prostéticos).
- Conjugadas (Contienen grupos prostéticos).
Propiedades de los aminoácidos
- Propiedades ácido básicas:
Todos los aminoácidos presentan al menos dos grupos ionizables ( carboxilo y amino ), y muchos de ellos pueden estar en su forma de zwitterión. El zwitterión es un compuesto químico que es eléctricamente neutro pero que tiene cargas formales positivas y negativas sobre átomos diferentes.
El pK es la constante de disociación (pH) con la cual los compuestos cambian, en este caso (el grupo carboxilo y el grupo amino). Significa el pH en el que estos grupos están 50% disociados y 50% sin disociar.
- El grupo carboxilo de los aminoácidos tiene un pKa o pK1 situado entre 1,8 y 2,.
El grupo carboxilo por debajo de un pKa de 2,5 se encuentra en su estado ácido, mientras que por encima de este se encuentra en su estado básico.
- El grupo amino tiene un pKb o pK2 que se encuentra situado entre 9,0 y 9,.
El grupo amino por debajo de un pKb de 9,5 se encuentra en su estado ácido, mientras que por encima de este se encuentra en su estado básico.
En un pH de 7,4, el grupo carboxilo de estos aminoácidos se encuentra desprotonado (−COO−) y el grupo amino está protonado (−NH3+) , por lo que normalmente se encuentran cargados, aunque la carga neta sea 0.
El punto isoeléctrico (pI) se define como el valor del pH en el cual el aminoácido presenta carga neta igual a 0, y por lo tanto no se desplaza al someterlo a la acción de un campo eléctrico. También es el punto en el que el aminoácido presenta menor solubilidad.
El enlace peptídico, al tener características de doble enlace, puede presentar dos configuraciones: trans o cis. La síntesis ribosómica de las cadenas peptídicas es estereoespecífica ; produce sólo la configuración trans del enlace. Sin embargo, existen algunas proteínas globulares con enlaces peptídicos cis, que se deben a una isomerización postransduccional a nivel de un único aminoácido, la prolina , la cual se encuentra en zonas de acodamiento beta y por lo tanto estará en la superficie de la proteína.
Fuerzas que determinan la estructura proteica
- Enlaces covalentes – Puentes de disulfuro :
Son los enlaces químicos más fuertes que contribuyen a la estructura de las proteínas, surgen cuando dos átomos comparten electrones.
La cisteína es el único aminoácido cuya cadena lateral puede formar enlaces covalentes, formando puentes de disulfuro con otras cadenas laterales de cisteína.
- Enlaces iónicos – Puentes salinos:
Se forman cuando aminoácidos con cargas eléctricas opuestas se ubican en el núcleo hidrofóbico de las proteínas. Estos enlaces en el interior de la proteína son poco frecuentes, ya que siempre se encuentran en la superficie de esta.
Se forman cuando dos cargas parcialmente negativas comparten un hidrógeno con carga parcialmente positiva, se unen mediante un enlace de hidrógeno.
- Interacciones hidrofóbicas :
Son una fuerza fundamental que impulsa el plegamiento de las proteínas, estas interacciones forman un núcleo proteico interior hidrofóbico, donde las mayorías de las cadenas laterales hidrofóbicas pueden asociarse estrechamente y están protegidas de la interacción con el agua H20. Los aminoácidos que realizan estas interacciones hidrofóbicas son los siguientes:
- Leucina.
- Alanina.
- Fenilalanina.
- Prolina (tiene un grupo R cíclico).
- Valina.
- Glicina (tiene un grupo R pequeño y es apolar).
- Triptófano (es un aromático).
- Metionina (tiene un grupo R que contiene azufre y es hidrofóbico).
- Fuerzas de Van der Waals :
Las interacciones de Van del Waals tienen lugar entre moléculas neutras. Existen varios tipos de interacciones, como el dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido, dipolo inducido-dipolo inducido.
Estructura de las proteínas
La estructura de las proteínas es compleja, por lo que para facilitar su estudio se han establecido diferentes niveles de organización:
- Estructura primaria : hace referencia a la secuencia de aminoácidos que forman la proteína.
- Estructura secundaria : hace referencia a la disposición repetitiva y regular del esqueleto polipeptídico; a este nivel de estructura también se le denomina grupo lineal.
- Estructura supersecundaria : hace referencia a la formación de agregados físicos preferenciales de estructuras secundarias.
- Estructura terciaria : hace referencia a la estructura tridimensional de la proteína globular.
- Estructura cuaternaria o agregados proteicos : se corresponde al nivel de máxima complejidad y resulta de la asociación de diferentes cadenas polipeptídicas para formar agregados.
Estructura primaria
La estructura primaria de las proteínas se refiere exclusivamente a la secuencia de aminoácidos que componen la proteína (Unión de varios aminoácidos), La secuencia de aminoácidos de la proteína se da en dirección N-terminal a C-terminal (N → C). Las características estructurales de los grupos laterales R influyen en la estructura tridimensional de las proteínas.
Estructura secundaria
La estructura secundaria se refiere a la disposición repetitiva y regular de determinadas zonas del esqueleto de la cadena polipeptídica a lo largo de un eje, sin considerar las cadenas laterales R de los aminoácidos. Este nivel estructural se encuentra estabilizado por enlaces de hidrógeno entre los grupos NH (amino) y C=O (carboxilo) de los enlaces peptídicos.
Estos enlaces pueden formar estructuras regulares como hélices α y láminas beta , o patrones más irregulares como acodamientos y bucles.
Hélices alfa
La hélice a, con giro hacia la derecha , es una de las estructuras secundarias más abundante en las proteínas globulares. En este tipo de estructura, e l esqueleto peptídico se encuentra enrollado de forma compacta alrededor del eje longitudinal de la molécula, y las cadenas laterales de los aminoácidos sobresalen hacia el exterior del esqueleto helicoidal.
En cada tres aminoácidos hay un giro. Estas hélices también se las llama hélices 3,613 , debido a que hay un total de 3,6 residuos de aminoácidos y de 13 átomos por vuelta.
La frecuencia de las hélices alfa en las proteínas globulares es muy alta y los plegamientos sobre sí misma en muchas proteínas globulares se logran por incorporación de prolinas.
La hélice alfa se encuentra estabilizada por el establecimiento de puentes de hidrógeno entre el grupo C=O (carboxilo) y NH (amino) del enlace peptídico.
Láminas beta En este tipo de estructura secundaria, los restos de los distintos aminoácidos de cadena polipeptídica quedan perpendiculares al plano que define la lámina de forma alternante por encima y por debajo de esta. Permite la asociación de dos o más cadenas dispuestas una al lado de la otra.
Acodamientos o giros Son cambios de sentido de la progresión de la estructura secundaria, estos se realizan gracias a la formación de un puente de hidrógeno entre los componentes del enlace peptídico C=O de un aminoácido y N–H de otro aminoácido, tres posiciones después.
Estructura supersecundaria
Doble espiral de hélices alfa Esta estructura se encuentra en proteínas fibrosas con alto contenido en hélices a (a-queratinas) y en proteínas globulares. Son dos hélices a que se enrollan entre sí para formar una superhélice a la izquierda.
- Su unidad de repetición es cada heptapéptido.
- Actúan con fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas.
En las proteínas globulares pueden encontrarse combinaciones de estructuras secundarias de hélice alfa y láminas beta.
Entre ellas se destacan:
- La unidad alfa-alfa , en la que dos hélices a se separan por un lazo o segmento no helicoidal
- La unidad beta-alfa-beta , en la que dos láminas beta se conectan con una hélice alfa.
Estructura cuaternaria
Este tipo de estructura corresponde al nivel de máxima complejidad estructural de las proteínas. Resulta de la asociación de diferentes cadenas polipeptídicas para formar agregados oligómericos. Las mismas fuerzas que estabilizan la estructura terciaria de la proteína intervienen en la estabilización de este nivel estructural. Muchas proteínas oligoméricas poseen funciones reguladoras.
En la mayoría de las proteínas que presentan estructura cuaternaria, los protómeros están dispuestos de forma simétrica :
Simetría rotacional Las subunidades pueden hacerse coincidir cuando se produce una rotación en uno o más ejes. En este tipo de proteínas, las subunidades se disponen a lo largo de los ejes de rotación para formar las estructuras cerradas. Las proteínas con este tipo de simetría presentan diferentes topologías, aunque las más abundantes son la cíclica y la diédrica.
Simetría cíclica Este tipo de simetría implica un único tipo de rotación alrededor de un único eje. Su nomenclatura es Cn. Por ejemplo, la hemoglobina presenta una simetría C.
C: es la forma de representar la simetría cíclica.
2: Es el número de estructuras que se pueden observar. (Cada estructura debe girar cierta cantidad de grados para poder apreciarla).
C2: Gira 180º.
C3: Gira 120º.
C4: Gira 90 º.
Simetría diédrica Este tipo de simetría implica dos ejes de rotación dispuestos en ángulo recto, un eje binario y otro de orden n. Su nomenclatura es Dn. Por ejemplo, la glutamina sintetasa presenta una simetría D.
Otros tipos de simetría son la tetraédrica, la octaédrica o cúbica y la icosaédrica Su nombre viene de la figura geométrica; por ejemplo, el icosaedro (veinte caras en forma de triángulo equilátero). Algunos complejos multienzimáticos o cubiertas de virus presentan este tipo de simetría, como el virus de la polio, que presenta una simetría de icosaedro.
Simetría helicoidal Las subunidades pueden hacerse coincidir cuando se produce una rotación helicoidal. Las subunidades se van disponiendo según una ordenación en espiral. Este tipo de simetría es habitual en las proteínas estructurales , como la actina y la tubulina.
Desnaturalización de las proteínas
Es un proceso mediante el cual la estructura tridimensional de la proteína, en la cual es funcional, puede perderse, este proceso no incluye la ruptura de los enlaces peptídicos , aunque dependiendo del grado de desnaturalización las proteínas pueden perder su función de manera irreversible.
En algunos casos, el proceso de desnaturalización es irreversible , mientras que en otros es reversible. A finales de la década de 1950, Christian Anfinsen trató la ribonucleasa pancreática de buey (formada por una única cadena polipeptídica) con beta-mercaptoetanol y urea. Esta enzima presenta cuatro enlaces disulfuro que se rompen con dicho tratamiento, desplegándose completamente y perdiendo así su actividad. Al eliminarse por diálisis los agentes desnaturalizantes , beta-mercaptoetanol y urea, la proteína vuelve a plegarse correctamente y recupera su capacidad catalítica.
Conclusiones importantes
- La configuración espacial viene determinada por la secuencia de aminoácidos.
- El proceso de plegamiento es energéticamente favorable y dependen de la cadena polipeptídica y el medio acuoso que los rodea.
- La proteína naturalizada se llama “Nativa”.
- La proteína desnaturalizada se llama “Proteína enrollada al azar”.
- Las proteínas se caracterizan por tener un intervalo muy pequeño de estabilidad termodinámica.
- Los cambios de pH cambian el estado iónico de las cadenas laterales ionizables, rompen enlaces iónicos y de hidrógeno.
- Los agentes químicos desnaturalizan las proteínas porque rompen los puentes de hidrógeno, aumentan la solubilidad de las cadenas apolares debilitando las interacciones hidrofóbicas.
Proteínas plasmáticas
Son aquellas que se encuentran disueltas en el plasma sanguíneo y desempeñan diversas funciones vitales para el organismo.
En su mayoría son producidas por el hígado. Sus principales funciones son:
- Transporte.
- Defensa del sistema inmunitario.
- Coagulación y mantenimiento de la presión oncótica.
Tipos de proteínas plasmáticas
Albúmina: Se encarga de regular la presión oncótica, es decir, evita que la parte líquida de la sangre se escape de los vasos sanguíneos y se introduzca en otros tejidos. Si no hay suficiente albúmina el líquido puede escaparse de los vasos sanguíneos y acumularse en los pulmones, el abdomen u otras partes del cuerpo.
Globulinas :
- Alfa-globulinas : Participan en la coagulación de la sangre y en la respuesta inflamatoria.
- Beta-globulinas : Ayudan a transportar lípidos (grasas) en la sangre y también están involucradas en la coagulación.
- Gammaglobulinas : Son anticuerpos que juegan un papel crucial en la respuesta inmune.
Otras :
- Prealbúmina.
- Proteína transportadora de retinol.
- Alfa 1-glicoproteína ácida.
- Alfa 1-antitripsina.
- Alfa 2-macroglobulina.
- Ceruloplasmina.
- Transferrina.
- Beta 2-microglobulina.
- Proteína C reactiva.
Cada una con roles específicos. Pregunta de examen: ¿La albúmina presenta láminas beta?
R= Negativo, su estructura está representada por varias hélices alfa.
Albúmina
La albúmina sérica representa el 55% de las proteínas de la sangre, contribuye de manera importante a mantener la presión oncótica del plasma y ayuda como transportista, al transporte de lípidos, hormonas y esteroides. Es también conocida como albúmina sérica humana (HSA)
Es una proteína globular con estructura terciaria y una forma similar a la de un corazón , constituida por alrededor de 585 aminoácidos. Bajo contenido de triptófano y alto en cisteína.
A través de una cristalografía de rayos X se pueden observar tres dominios bien diferenciados de la albúmina:
- Dominio I (1-195 aminoácidos).
- Dominio II (196-383 aminoácidos).
- Dominio III (384-585 aminoácidos).
A su vez cada dominio se subdivide en dos subdominios, A y B, cada uno con sus funciones correspondientes, siendo así la albúmina una molécula multifuncional cuyas propiedades biológicas derivan de su ubicación (intravascular, extravascular e intracelular), alta concentración y carga negativa.
La albúmina sérica humana tiene 17 puentes disulfuro intramoleculares que están presentes principalmente entre las hélices α. Estos enlaces disulfuro son esenciales para la estabilidad de la proteína. También tiene un residuo de cisteína libre (Cys-34) , presente en el dominio I. Este residuo es el responsable de la dimerización de la albúmina formando un puente de disulfuro intermolecular (cirrosis hepática).
Nota: Las albúminas pueden formar un dímero (2 moléculas) a través de la cisteína 34.
Funciones de la albúmina :
- Mantenimiento de la presión oncótica :
La albúmina ayuda a mantener el líquido dentro de los vasos sanguíneos, evitando que se filtre hacia los tejidos.
- Actúa como sustancia anfótera.
Nota: Las gammaglobulinas no se producen en el hígado, se producen en los linfocitos B.
Estructura de las inmunoglobulinas: Las inmunoglobulinas están formadas por cuatro cadenas polipeptídicas. Dos son de mayor tamaño y se denominan cadenas pesadas , y dos, de menor tamaño y se denominan cadenas ligeras.
Las cadenas ligeras y pesadas se agrupan de tal manera que existe una proximidad espacial entre los cuatro extremos amínicos por una parte, y los extremos carboxílicos por otra.
Son dos tipos de cadenas ligeras diferentes: tipo kappa (κ) y lambda (λ) que poseen unos 200 aminoácidos cada una y se unen a las pesadas por un puente disulfuro intercatenario. En cada molécula de inmunoglobulina las dos cadenas ligeras que la forman son del mismo tipo, o bien κ o bien λ.
La parte constante de las cadenas pesadas es diferente según la clase de inmunoglobulina que consideremos. Así, estas cadenas pueden ser de tipo: γ, α, μ, δ y ε , que definen a su vez las cinco clases de inmunoglobulinas: IgG, IgA, IgM, IgD e IgE respectivamente.
Están formadas por unos 400 aminoácidos y están unidas entre sí por puentes disulfuro intracatenarios. Tanto las cadenas pesadas como las ligeras poseen grupos de aminoácidos unidos por puentes disulfuro intracatenarios (entre elementos de una misma cadena), conocidos como dominios. La cadena L tiene dos dominios, uno corresponde a la región variable (VL) y otro a la región constante (CL).
La cadena H tiene un dominio en la región variable (VH) y tres o cuatro en la constante, dependiendo de la clase de inmunoglobulina que consideremos (3 en la IgG, IgA e IgD y 4 en las IgM e IgE).
Existen unas áreas flexibles en las cadenas pesadas de las inmunoglobulinas IgG, IgA e IgD que permiten que los brazos del anticuerpo se muevan de forma independiente llamadas áreas de bisagra , facilitando la adaptación a la unión con diferentes antígenos.
Parte variable y constante de las cadenas ligeras y pesadas: Las cadenas ligeras poseen dos partes: una corresponde al extremo carboxílico que es constante (CL) y otra que está ubicada al extremo amino, que es muy variable (VL). También las cadenas pesadas poseen una parte variable (VH) y otra constante (CH). Por las partes variables , tanto de las cadenas ligeras como de las pesadas, es por donde se produce la unión al antígeno.
Regiones hipervariables: Las zonas variables, tanto de la cadena L como H, poseen a su vez unas regiones de mayor grado de variabilidad. Son tres pequeños segmentos muy variables, por lo que se les conoce como regiones hipervariables. Cada una de estas regiones hipervariables se compone de 17 a 20 aminoácidos , de tal manera que pequeños cambios suponen una enorme fuente de variabilidad de posibilidades de reconocimiento y unión al antígeno sin cambiar el resto de la molécula.
Moléculas adicionales a la estructura básica: En las inmunoglobulinas, además de las cuatro cadenas polipeptídicas básicas, existe un componente glucídico (que representa aproximadamente el 10% de la molécula), y ciertas inmunoglobulinas contienen una glicoproteína adicional conocida como cadena o proteína J.
