Estructura y funcion de aminoacidos peptidos y proteinas

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Estructura y función de aminoácidos, péptidos y 
proteínas 
 
1. Introducción 
 
Los aminoácidos, péptidos y proteínas son compuestos fundamentales para los 
seres vivos. Además de su papel como unidades monoméricas de proteínas, los -
aminoácidos son metabolitos energéticos y precursores de muchos compuestos de 
importancia biológica. 
 
Las proteínas son un grupo de biomoléculas que se encuentran presentes 
prácticamente en todos los procesos celulares, y desempeñan una amplia variedad de 
funciones esenciales, tanto dinámicas como estructurales. 
 
 
2. α-Aminoácidos naturales 
 
La hidrólisis de proteínas por ebullición en soluciones acuosa de ácidos o bases 
produce una variedad de moléculas pequeñas identificadas como ácidos - aminocarboxílicos. 
Más de 20 de estos componentes han sido identificados. 
 
 
2.1. Los aminoácidos comunes poseen una estructura común 
 
Los -aminoácidos tienen en común un átomo de 
carbono central (α), al que están unidos covalentemente un 
grupo carboxilo, un grupo amino, un hidrógeno y un grupo 
químico específico, denominado cadena lateral (R). 
 
Con excepción de la prolina, todos los 
aminoácidos son aminas primarias y con excepción de la glicina, todos los aminoácidos son 
quirales, presentan cuatro sustituyentes diferentes en el C . Por esta razón, presentan 
actividad óptica, lo que permite diferenciarlos en levógiros o dextrógiros. Además, para cada 
aminoácido pueden existir dos isómeros ópticos o enantiómeros, uno de la serie D y otro 
de la serie L. Prácticamente todos los aminoácidos de las proteínas pertenecen a la serie L, 
los D-aminoácidos son muy escasos y están presentes principalmente en 
peptidoglucanos de la pared bacteriana y en algunos antibióticos peptídicos. 
 
Los aminoácidos difieren entre sí por las características estructurales de sus 
cadenas laterales que determinan sus propiedades, comportamiento e influencia sobre una 
cadena peptídica. 
 
 
2.2. Clasificación 
 
Según su relación con las proteínas y la estructura química de su cadena lateral, 
podemos clasificar a los aminoácidos de la siguiente manera: 
 
1. Aminoácidos proteicos: Los -aminoácidos 
 
2. Aminoácidos derivados: Se originan en procesos posteriores a la formación de la cadena 
polipeptídica: hidroxiprolina, hidroxilisina. 
 
3. Aminoácidos no proteicos: No están presentes en las proteínas. 
 
A su vez, dentro del grupo de aminoácidos proteicos, podemos subclasificar de acuerdo 
a: 
 
A. la estructura química de la cadena lateral: 
 
1. Alifáticos: Gli, Ala, Val, Leu, Ile 
 
2. Hidroxiaminoácidos: Ser, Tre, Tir 
 
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3. Tioaminoácidos: Cis, Met 
 
4. Ácidos y sus amidas: Glu, Asp, Gln, Asn 
 
5. Básicos: Arg, Lis, His 
 
6. Aromáticos: Fen, Tir, Trp, His 
 
7. Aminoácidos: Pro 
 
B. la polaridad de la cadena lateral 
 
1. No polares: Ala, Leu, Val, Ile, Pro, Fen, Trp, Met 
 
2. Polares sin carga: Ser, Tre, Tir, Cis, Asn, Gln, Gli 
 
3. Ácidos (con carga negativa): Glu, Asp 
 
4. Básicos (con carga positiva): Arg, His, Lis 
 
 
 
En el contexto de una proteína, el grado de polaridad de la cadena lateral reviste especial importancia, ya 
que acorde con al medio (acuoso o lipídico) influye en el plegamiento y la estructura tridimensional que 
ésta adoptará y en la ubicación preferida de los residuos de los aminoácidos específicos (al conferirles 
un comportamiento hidrófobo cuando la cadena sea no polar, hidrófilo cuando la cadena sea polar o con 
carga) que se adaptan a estos medios. 
 
Estructura de los -aminoácidos naturales 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.3. Comportamiento ácido-base de los aminoácidos 
 
En soluciones acuosas los aminoácidos pueden ionizarse, ya que tienen al menos 
dos grupos disociables: 
 
–COOH COO– + H+ 
 
–NH2 + H
+ NH+3 
 
De esta manera, en solución los aminoácidos pueden existir con o sin carga al 
disociarse (aceptar o donar protones) y comportarse como sustancias anfóteras. A 
pH fisiológico de 7,4, los aminoácidos se ionizan en ambos grupos, por lo que presentan 
una forma dipolar iónica denominada zwitterion. 
 
CH3CH(NH2)COOH CH3CH(NH3)
(+)COO(–) 
 
Dado que los aminoácidos, así como los péptidos y las proteínas, presentan 
grupos funcionales ácidos y básicos, la especie molecular predominante en 
solución acuosa es dependiente del pH de la solución. 
 
A un pH determinado, las especies moleculares presentan igual cantidad de cargas 
positivas y negativas, dando al aminoácido una carga neta cero. Este valor se denomina 
punto isoeléctrico (pI). 
 
3. Otros aminoácidos naturales 
 
Los veinte -aminoácidos son los componentes principales de las proteínas, 
su incorporación está gobernada por el código genético. Sin embargo, otros aminoácidos 
naturales pueden encontrarse o no formando parte de las proteínas. La hidroxiprolina y 
la hidroxilisina son aminoácidos derivados por hidroxilación de la prolina y lisina, 
respectivamente, que se encuentran exclusivamente en el colágeno. La homoserina y 
la homocisteína son muy homólogos a la serina y cisteína. La -alanina, que presenta el 
grupo amino en el carbono, es un componente del ácido pantoténico, una vitamina del 
complejo B, necesaria para la síntesis, por ejemplo, de la coenzima A. 
 
4. Péptidos 
4.1. El enlace peptídico 
Dentro de las células, la polimerización de los 20 aminoácidos comunes en cadenas 
polipeptídicas es catalizada por enzimas, y está asociada con los ribosomas. Las cadenas 
lineales de distinta longitud, según el largo de la cadena se consideran péptidos (hasta 10 
aminoácidos), oligopéptidos (entre 10 y 50) y proteínas o polipéptidos (más de 50). 
Desde el punto de vista químico, esta polimerización es una reacción de 
deshidratación. El grupo -carboxílico de un aminoácido con cadena lateral R1 forma un 
enlace peptídico covalente con el grupo -amino de otro aminoácido con cadena lateral 
R2 eliminando una molécula de agua. El dipéptido puede formar entonces un 
segundo enlace peptídico con el grupo -amino de un tercer aminoácido con cadena lateral 
R3 a través de su grupo carboxílico terminal, generando un tripéptido. 
La repetición de este proceso genera un polipéptido, o proteína con una secuencia de 
aminoácidos específica que presenta un grupo amino libre en un extremo de la cadena (N-
terminal) y un grupo carboxilo libre en el otro extremo (C-terminal). 
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En consecuencia, la flexibilidad conformacional de una cadena peptídico se encuentra 
limitada principalmente por la rotación de estos planos alrededor de los enlaces de los 
átomos de carbono α ángulos fi ( ) y psi (ψ)). 
 
 
Segmentos de enlaces planos de un péptido 
5. Proteínas 
 
Las proteínas son polímeros largos de L-aminoácidos unidos por enlaces peptídicos y 
dispuestos en una secuencia lineal. A pesar de la variedad de funciones fisiológicas 
y diferencias en sus propiedades físicas (la seda como una fibra flexible, los cuernos 
sólidos rígidos y duros, la pepsina como una enzima soluble en agua) las proteínas 
son lo suficientemente similares en la estructura molecular como para poder 
estudiarlas como una única familia química. La composición fundamental de las 
proteínas es muy diferente a la de los glúcidos y los lípidos. Mientras que los lípidos 
son principalmente hidrocarburos con un contenido de 75-85% de carbono y los 
glúcidos contienen 50% de oxígeno y al igual que los lípidos, contienen menos de un 
5% de nitrógeno, las proteínas y los péptidos están compuestos de 15-25% de nitrógeno 
y oxígeno, y pueden contener también azufre, hierro, magnesio fósforo, cinc y cobre. 
Presentangran diversidad estructural y funcional. 
 
5.1. Niveles de organización estructural de las proteínas 
 
Para describir la estructura de las proteínas se han establecido cinco niveles 
crecientes de complejidad, conocidos como: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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El primer nivel es el más simple y se refiere a la secuencia lineal de aminoácidos 
en la cadena peptídico; el segundo y tercero definen a la conformación que 
adopta la cadena en el espacio y los dos últimos a las asociaciones entre 
cadenas peptídicas y de éstas con macromoléculas para formar complejos 
supramoleculares. 
Los enlaces que determinan la estructura primaria son covalentes (enlace 
peptídico) mientras que la mayoría de los enlaces que determinan la 
conformacion (estructuras secundaria y terciaria) y la asociación (estructuras 
cuaternaria y quinaria) son de tipo no covalente. 
 
5.1.1. Estructura primaria 
 
Corresponde a la secuencia de aminoácidos que forman la cadena 
polipeptídica, es decir, el tipo y número de aminoácidos presentes y el orden 
en que se unen. La estructura primaria contiene la información que 
determina la conformación espacial de la proteína. 
 
 
 
Importancia de la secuencia de aminoácidos en la cadena peptídica. Dado que 
el extremo amino de una cadena peptídica es distinto del extremo carboxilo, un 
pequeño péptido compuesto de diferentes aminoácidos puede presentar varios 
isómeros constitucionales. Por ejemplo, un dipéptido constituido por dos 
aminoácidos diferentes puede presentar dos estructuras diferentes. Así, el ácido 
aspártico (Asp) y la fenilalanina (Fen) pueden combinarse de dos maneras Asp–Fen 
o Fen–Asp (considerando que el aminoácido de la izquierda es el N-terminal). 
 
El metil éster del dipéptido Asp–Fen (estructura de la 
derecha) corresponde al endulzante artificial 
aspartamo, que es aproximadamente 200 veces más 
dulce que la sacarosa. Ninguno de los aminoácidos 
componentes del dipéptido tiene carácter dulce (más 
aún, la fenilalanina es amarga), y el otro posible 
dipéptido Fen-Asp no es dulce. 
 
 
La variedad de propiedades que presentan los péptidos y las 
proteínas no sólo depende de los aminoácidos como componentes y sus 
secuencias de unión en una cadena peptídica, sino también de cómo las 
cadenas son estiradas, enrolladas y plegadas en el espacio. Dado su 
tamaño, un número prácticamente infinito de posibilidades de orientaciones 
pueden ocurrir. Sin embargo, algunos factores actúan para acotar las 
opciones estructurales y es posible identificar algunas estructuras comunes 
o estructuras secundarias que aparecen repetidamente en diferentes 
moléculas. 
 
La mayoría de las proteínas no adopta una conformación uniforme y 
las descripciones completas de sus reordenamientos tridimensionales son 
definidas como estructuras terciarias. 
 
Los cinco factores que influencian el equilibrio conformacional de una 
cadena peptídica son: 
 
 La planaridad de los enlaces peptídicos. 
 Los puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos 
carbonilos y amidas en el enlace peptídico. 
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 Interacciones estéricas de los grupos vecinos. 
 La atracción o repulsión de grupos con carga. 
 El carácter hidrófobo o hidrofílico de los grupos sustituyentes. 
 
5.1.2. Estructura secundaria 
 
Es la disposición espacial del esqueleto de la cadena polipeptídica, sin incluir las cadenas 
laterales de los aminoácidos. Se refiere al plegamiento que adopta la cadena en el espacio 
dependiendo de la capacidad del giro de sus enlaces. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Las estructuras secundarias aparecen cuando se producen 
cambios regulares y periódicos en la cadena peptídica o 
sea, cuando varios residuos consecutivos adoptan valores 
similares en los ángulos fi (φ) y psi (ψ). 
 
Pauling y Corley propusieron dos tipos de estructura 
secundaria para las proteínas, la hélice α y la hoja β. 
 
 La hélice α 
 
Los aminoácidos en una hélice α están dispuestos en una estructura helicoidal dextrógira, con 
3,6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácido supone un giro de unos 100° en la hélice, y los 
carbonos α de dos aminoácidos contiguos están separados por 1.5 Å (0,15 nm). La hélice está 
estrechamente empaquetada; de forma que no hay casi espacio libre dentro de la hélice. 
Todas las cadenas laterales de los aminoácidos están dispuestas hacia el exterior de la hélice. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La hélice α está estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios que se establecen 
entre los grupos amino y carbonilo del esqueleto del polipéptido. El grupo N-H del aminoácido 
(n) puede establecer un enlace de hidrógeno con el grupo C=O del aminoácido (n+4). 
 
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De esta forma, cada aminoácido (n) de la hélice forma dos puentes de hidrógeno con su 
enlace peptídico y el enlace peptídico del aminoácido en (n+4) y en (n-4). En total son 7 
enlaces de hidrógeno por vuelta. 
 
Algunos aminoácidos, llamados disruptores de hélices, pueden desestabilizar la 
estructura helicoidal. Uno de ellos es la prolina, que al ser un iminoácido, el N de su 
enlace peptídico no tiene unido un H para formar un enlace de hidrógeno con el 
aminoácido en (n+4). Además el metileno unido al N del enlace peptídico también 
provoca impedimentos estéricos que hacen que la hélice tienda a romperse en el punto 
donde esté la prolina, aunque no lo hará si ésta es suficientemente larga y estable. La 
glicina al tener una gran flexibilidad puesto que su cadena lateral es sólo un H, suele 
estar en los acodamientos al final de la hélice. 
 
La Hoja β 
 
Es una estructura de tipo laminar, generalmente estirada y en forma de zigzag, que se 
forma por el posicionamiento paralelo de dos cadenas de aminoácidos dentro de la 
misma proteína, en el que los grupos N-H de una de las cadenas forman enlaces de 
hidrógeno con los grupos C=O de la opuesta estabilizando a la estructura. Todos los 
residuos presentan una rotación de 180° respecto a los precedentes. La distancia entre 
dos aminoácidos adyacentes es de 
0,35 nm, en lugar de los 0,15 nm de la hélice α. Los grupos R de esta estructura están 
posicionados sobre y bajo el plano de las láminas. Estos R no deben ser muy 
grandes, ni crear un impedimento estérico, ya que se vería afectada la estructura 
de la lámina. 
 
Las cadenas adyacentes de una hoja 
beta pueden orientarse en la misma 
dirección (N-terminal C- terminal), hojas 
β paralelas, o en direcciones opuestas, 
hojas β antiparalelas. 
 
 
 
 
 
 
 
Cuando las hojas β son paralelas los puentes de hidrógeno que estabilizan la 
estructura son perpendiculares a las cadenas polipeptídicas y los grupos carbonilo y 
amino de dos residuos forman puentes de hidrógeno entre sí. Esto no ocurre en las hojas 
β antiparalelas, donde los puentes de hidrógeno no son perpendiculares al esqueleto 
polipeptídico y los grupos carbonilo y amino de un residuo formanpuentes de hidrógeno 
con dos residuos diferentes. 
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Bucles y giros 
Las estructuras secundarias vistas hasta el momento, hélice α y hoja β, se caracterizan 
por ser zonas de conformación repetitiva, es decir, se repiten los valores de los ángulos 
φ y ψ. Además de estas 
zonas, en las cadenas polipeptídicas podemos 
encontrar regiones no repetitivas. Muchas de estas son 
bucles y giros que provocan cambios en la dirección de la 
cadena polipeptídica que posibilitan que la proteína tenga 
una estructura compacta. Muchos de estos cambios de 
dirección se realizan mediante una unidad estructural 
común conocida como giro β o giro reverso. En el caso 
de este giro en horquilla, el carbonilo de un residuo n se 
enlaza 
con el grupo amino del residuo n+3. En consecuencia, la cadena puede cambiar 
bruscamente de dirección. A menudo los giro β conectan hojas β antiparalelas. Se 
conocen varios tipos de giros. 
 
5.1.3. Estructura terciaria 
 
Las proteínas fibrosas están asociadas principalmente a funciones estructurales y por 
tanto, son muy abundantes y esencialespara los organismos. Sin embargo, la gran 
mayoría de las funciones celulares las llevan a cabo proteínas globulares. Su 
nombre se debe a que sus cadenas polipéptídicas se pliegan sobre si misma de manera 
compacta. La gran variedad de plegamientos diferentes que encontramos en las 
proteínas globulares refleja la variedad de funciones que realizan las proteínas que 
adquieren este nivel de organización estructural. 
 
La estructura terciaria 
de una proteína es el modo 
en el cual se pliega la 
cadena polipeptídica. La 
complejidad que presenta la 
estructura terciaria de las 
proteínas hace que se
distingan sub-estructuras 
dentro de ésta. 
 
Diferentes representaciones de la estructura 
terciaria de la mioglobina
 
 
 
El plegamiento terciario no es inmediato, primero se agrupan conjuntos de estructuras 
denominadas dominios que luego se articulan para formar la estructura definitiva. 
Este plegamiento está facilitado por uniones puentes disulfuro que se establecen entre 
los átomos de azufre del aminoácido cisteína. 
 
Las interacciones hidrófobas son las fuerzas principales que estabilizan la estructura 
terciaria; además, los otros tipos de fuerzas también participan. 
 
 
 
Dominios 
 
Muchas cadenas polipeptídicas se pliegan en dos o más unidades 
globulares estables que se denominan dominios. Los dominios 
pueden presentarse separados formando zonas lobulares o 
interaccionar fuertemente con otros dominios haciendo más difícil la 
distinción entre dominios individuales. La relación entre la estructura 
de un dominio y la función es compleja. A veces una determinada 
función es realizada por un dominio individual, mientras que en otras 
ocasiones la función requiere la existencia de más de un dominio, 
por ejemplo, los sitios de unión para pequeñas moléculas o los 
sitios activos de determinados enzimas se forman en la interfase de 
dos dominios con participación de residuos de ambos. 
 
5.1.4. Estructura cuaternaria 
 
La estructura cuaternaria sólo está presente si hay más de una cadena polipeptídica. 
Representa la interconexión y organización de las distintas cadenas polipeptídicas que 
se asocian entre sí y se disponen espacialmente formando dímeros, trímeros, 
tetrámeros, etc. 
 
La estructura cuaternaria se estabiliza por todo tipo de 
uniones excepto las uniones covalentes. 
 
A la derecha, la imagen de la hemoglobina, una proteína 
con cuatro polipéptidos, dos α- globinas (azul y verde) y 
dos β-globinas (amarillo y celeste). En rojo se representa 
al grupo hemo (complejo pegado a la proteína que contiene 
hierro, y sirve para transportar oxígeno). 
 
 
 
 
 
 
5. Estructura quinaria: asociaciones supramoleculares 
 
En muchos casos, las proteínas se agrupan entre sí o con otros grupos de 
biomoléculas para formar estructuras supramoleculares de orden superior y que tienen 
un carácter permanente. Este nivel de asociación recibe el nombre de estructura 
quinaria 
 
Las proteínas α y β-tubulina (en azul y verde) forman 
dímeros que se ensamblan formando filamentos 
huecos muy largos llamados microtúbulos, cuya 
función es fundamentalmente estructural, ya 
que forman parte del citoesqueleto de las células, del 
centríolo y de los cilios y flagelos (que participan en la 
motilidad celular). 
 
 
 
 
Otros ejemplos de asociaciones supramoleculares 
son los proteoglicanos o los peptidoglicanos (asociación con 
azúcares), las lipoproteínas del 
plasma sanguíneo y las 
membranas biológicas (asociación 
con lípidos, a la derecha) y los 
ribosomas (asociación con ácidos 
nucleicos, a la izquierda).}} 
 
 
 
 
 
6. Glúcidos asociados a proteínas o lípidos 
 
Las glucoproteínas y los proteoglucanos son biomoléculas que se caracterizan fundamentalmente 
por poseer cadenas de glúcidos unidas covalentemente a una proteína. El tamaño de las cadenas 
de glúcidos es muy variable, existiendo glucoproteínas con dos glúcidos (disacáridos), hasta con 
oligosacáridos de diferentes dimensiones y, en el caso de los proteoglucanos, con cadenas de 
glúcidos tan grandes que constituyen verdaderos polisacáridos. 
 
Glucoproteínas 
Las glucoproteínas se encuentran en diversos compartimentos y estructuras intracelulares y 
extracelulares. Poseen una gran variedad de funciones conferidas tanto por la estructura peptídico 
como por el oligosacárido. La unión del oligosacárido a la proteína se realiza a través de dos tipos 
de enlaces glucosídicos: 
• O-glucosídico: al –OH de restos de los aminoácidos serina o treonina. 
• N-glucosídico: al nitrógeno de un resto del aminoácido asparragina. 
 
(a) O-oligosacáridos (b) N-oligosacáridos 
(b) 
La adición de unidades de glúcidos a una cadena polipeptídica, constituye uno de los primeros 
pasos de la biosíntesis de una glucoproteína. Este proceso se realiza en el retículo 
endoplasmático de la célula y es catalizado por un grupo de enzimas conocidas como 
glucosiltransferasas. 
 
 
La mayoría de las proteínas de la superficie externa de la membrana celular eucarionte son 
glucoproteínas. 
 
Proteoglucanos 
 
Los proteoglucanos (PG) son macromoléculas complejas que contienen un centro proteico 
aproximadamente 5%) al que se unen covalentemente una o más cadenas de 
glicosaminoglucuronanos (GAG) (aproximadamente 95%). Estas macromoléculas están 
presentes en casi todos los tejidos de mamíferos y predominan en el tejido conectivo. 
Ocupan posiciones estratégicas, tales como la superficie celular, la membrana basal de los 
epitelios y la matriz extracelular donde tiene lugar la mayoría de los eventos que involucran las 
interacciones célula-célula. Participan en la proliferación celular, el reconocimiento celular y la 
citodiferenciación. 
Las cadenas de GAG polianiónicos se ubican en forma radial desde el centro proteico como 
cerdas de un cepillo y debido a su alta densidad de carga negativa, forman una estructura 
extendida. Más aún, la repulsión electrostática generada por estas cargas, tiende a mantener las 
cadenas de GAG separadas unas de otras, de forma tal que en solución la molécula ocupa un 
volumen mucho mayor que en estado deshidratado. 
 
 
Glucolípidos 
 
Generalmente forman parte de la membrana celular