PROTEÍNAS

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PROTEÍNAS
Las proteínas desempeñan un rol fundamental en los procesos
biológicos.
FUNCIONES
✏ Casi todas las transformaciones moleculares del
metabolismo celular están mediadas por enzimas que en su
mayoría son catalizadores proteicos.
✏ Desempeñan funciones de regulación y señalización
✏Movimiento (actina y miosina).
✏ Reserva (proteínas de almacenamiento en los tejidos
vegetales, la lactoalbúmina en la leche, ovoalbúmina en el
huevo, etc).
✏ Estructural (presentes en el citoesqueleto y el tejido de
sostén) .
✏ Transporte (canales de potasio, hemoglobina, mioglobina
transportadora de oxígeno en los músculos).
Las proteínas tienen numerosas funciones biológicas. Una de
las claves para describir la función de una proteína es
comprender la estructura de la misma.
Al igual que otras macromoléculas biológicas, las proteínas
son polímeros de estructuras más pequeñas denominadas
aminoácidos.
AMINOÁCIDOS
Son las unidades estructurales de las proteínas. Están
formados por un carbono α, un grupo carboxilo y un grupo
amino unidos al carbono α y un grupo R o cadena lateral.
El grupo R que está unido al carbono α es diferente para cada
uno de los 20 aminoácidos que tienen los sistemas biológicos,
y varía en estructura, tamaño y carga eléctrica, influyendo en
propiedades físico-químicas como la solubilidad de los
aminoácidos.
PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS AMINOÁCIDOS
Los aminoácidos presentan un carbono quiral con cuatro
sustituyentes diferentes (grupos amino y carboxilo, un
hidrógeno y una cadena lateral).
Pueden existir en dos configuraciones absolutas:
- L (con el grupo amino hacia la izquierda).
- D (con el grupo amino hacia la derecha).
En las proteínas se puede encontrar principalmente la forma L
FORMACIÓN DE UN ENLACE PEPTÍDICO
Dos aminoácidos reaccionan entre sí en una reacción de
condensación.
Es necesario activar químicamente el grupo carboxilo del
primer aminoácido, de modo tal que el grupo OH pueda ser
eliminado fácilmente como una molécula de agua.
El grupo alfa-amino del segundo aminoácido actúa como un
nucleófilo (por el par electrónico no enlazante) desplazando el
grupo OH para formar el enlace peptídico. En este proceso se
libera agua.
El enlace peptídico es un enlace amida sustituída.
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LOS PÉPTIDOS
Los aminoácidos se unen entre sí a través de enlaces
peptídicos para formar una cadena polipeptídica.
Esa cadena polipeptídica tiene un
extremo amino terminal y un
extremo carboxi terminal. Los
aminoácidos están unidos entre sí
a través de enlaces peptídicos.
Dependiendo del número de aminoácidos que componen la
cadena, esta se denomina:
- Oligopéptidos: 2 a 10 aminoácidos.
- Dipéptidos: 2 aminoácidos.
- Tripéptidos: 3 aminoácidos.
- Tetrapéptidos: 4 aminoácidos.
- Polipéptidos: más de 10 aminoácidos.
- Proteínas: más de 1000.000 de masa molecular.
¿CÓMO NOMBRAR UN AMINOÁCIDO?
- Los nombres de los aminoácidos se escriben abreviados en la
cadena polipeptídica. Generalmente, son las 3 primeras letras
del nombre del aminoácido correspondiente.
- Los residuos de aminoácidos en la cadena polipeptídica se
designan reemplazando la terminación ina por il.
- Se comienza a nombrar por el extremo N terminal avanzando
al C termina.
- El último aminoácido se nombra de la misma manera que el
aminoácido parenteral, es decir, sin modificar la terminación.
El símbolo GLx puede indicar Glu o Gin y el símbolo Asx puede
indicar Asp o Asn. Símbolos de una letra (primera letra del
nombre del aminoácido) se usan para comparar la secuencia
de aminoácidos de varias proteínas similares.
CLASIFICACIÓN
Las proteínas se pueden clasificar de acuerdo al número de
cadenas polipeptídicas o subunidades.
- Una subunidad: Proteína monomérica (mioglobina).
- Subunidades múltiples: Proteínas multiméricas u
oligoméricas.
ORGANIZACIÓN EN LAS PROTEÍNAS: 4 NIVELES
La organización de una proteína está dada por 4 niveles
estructurales:
- Estructura primaria: Es la descripción de la secuencia lineal
de sus aminoácidos. Describe todos los enlaces covalentes
(principalmente enlaces peptídicos y puentes disulfuros).
- Estructura secundaria: Ordenamiento espacial del esqueleto
polipéptido sin considerar las conformaciones de sus cadenas
laterales. Comprende los patrones de plegamiento
polipeptídicos habituales, como hélice, hoja y giros.
- Estructura terciaria: Se refiere a la estructura tridimensional
de un polipéptido íntegro incluyendo sus cadenas laterales.
- Estructura cuaternaria: Ordenamiento espacial de las
subunidades de una proteína, siendo cada una un polipéptido.
ESTRUCTURA SECUNDARIA
Para entender la estructura secundaria de una proteína, se
debe de tener en cuenta que existen restricciones en la
cadena polipeptídica que le impiden adoptar cualquier
conformación. La primera restricción se debe al enlace
peptídico.
El oxígeno del carbono carbonílico tiende a atraer la nube
electrónica hacia sí dejando al carbono con una carga
parcialmente positiva que tiende a ser compensada por el par
de e- no enlazantes del nitrógeno amínico. Esto indica que el
enlace C-N tiene un cierto carácter de doble enlace, lo que
evita la rotación a su alrededor, por lo tanto el enlace
peptídico es planar y rígido.
El enlace peptídico se describe como un híbrido de
resonancia. Esta resonancia explica porque el nitrógeno
amínico no puede captar un protón (porque tiene su par de e-
no enlazantes comprometidos). También determina que el
enlace peptídico tenga carácter planar rígido.
LONGITUDES DE ENLACE ESTÁNDAR EN UN ENLACE
PEPTÍDICO
El enlace C-N tiene una longitud de enlace de 1,32 Å. Esa
longitud de enlace es intermedia entre un enlace C-N sencillo
(1,49 Å) y un enlace doble C=N (1,27 Å). Es por esto que el
enlace tiene un cierto carácter de doble enlace.
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CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO
Los átomos situados en el entorno del enlace peptídico no
pueden girar libremente, ya que son coplanares.
La única rotación posible es entre el nitrógeno amínico y el
carbono α, y entre el carbono α y el carbono carbonílico.
Los grupos peptídicos adoptan la posición trans, en la que los
átomos de carbono α sucesivos en la cadena polipeptídica se
encuentran en lados opuestos al enlace peptídico que los une.
Esa conformación es la más estable, mientras que la
conformación cis, en la que los átomos de carbono α están del
mismo lado del enlace peptídico, es menos estable a raíz de
las interferencias estéricas de las cadenas laterales vecinas.
Por otro lado, la forma de los péptidos también está
determinada tanto por la longitud como por la carga de las
cadenas laterales que pueden atraerse o repelerse.
Los enlaces C-N de los grupos peptídicos planares, que
suponen un tercio del total de los enlaces del esqueleto
polipeptídico, no tienen libertad de rotación por el carácter
de doble enlace.
La libre rotación puede verse impedida muchas veces cuando
el grupo R es muy voluminoso. Si el grupo R es pequeño, no
hay problema en la libre rotación.
Los ángulos de enlace se denominan Fi y Psi respectivamente.
En este caso, el ángulo de torsión es de 180°
ESTRUCTURA 2° REGULAR MÁS COMÚN: α-HÉLICE
Es regular porque están compuestas por secuencias de
residuos con valores repetitivos de ángulos Psi y Fi.
α-hélice descrita por Pauling y Corey
El esqueleto polipeptídico se
encuentra compactamente
enrollado alrededor de un eje
longitudinal imaginario, y los
grupos R de los aminoácidos
sobresalen del esqueleto
helicoidal.
Cada giro tiene 5,4 Å de
longitud y está formado por 3,6
residuos de aminoácidos, que
adoptan ángulosΦ= -60° ψ=
-45° a -50° y cada hélice tiene
alrededor de 12 residuos que
corresponden a 3 giros.
EL GIRO ES DEXTRÓGIRO
La estructura está estabilizada por enlaces hidrógenos entre el
átomo de hidrógeno unido al nitrógeno de un enlace peptídico
y el átomo de oxígeno carbonílico del cuarto aminoácido del
lado amino terminal de ese polipéptido.
Esquema de puentes de hidrógeno para una α-hélice. En la
α-hélice el grupo CO del residuo n°1 forma un puente de
hidrógeno con el grupo NH del residuo n°4
¿CUALES SON LAS RESTRICCIONES QUE AFECTANA LA
ESTABILIDAD DE UNA HÉLICE α?
1) Repulsión o atracción electrostática entre residuos de
aminoácidos sucesivos con el grupo R cargado (Glu adyacentes
se repelen, muchas Lys y/o Arg con grupos polares cargados
positivamente a PH 7 se repelen).
2) El volumen de los grupos R adyacentes (Asn, Ser, Thr, Cys
pueden desestabilizar).
3) Las interacciones entre cadenas laterales de aminoácidos
separadas por 3 o 4 residuos.
4) La presencia de prolina desestabilizan la α-hélice, ya que
tiene su nitrógeno amínico comprometido en un anillo rígido,
esto genera que sea imposible la libre rotación a través del
enlace N-Cα adyacente.
Otra desventaja de la prolina es que carece de hidrógeno
unido al nitrógeno del grupo amino, porque ese nitrógeno
está comprometido en el enlace peptídico. Al no tener
hidrógeno, no puede formar puentes de hidrógeno con el
carbono carbonílico del 4° aminoácido para estabilizar la
estructura de la cadena polipeptídica.
Por lo tanto depende de la identidad y secuencia de residuos
de aminoácidos en el segmento.
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CONFORMACIÓN β O DE LÁMINAS PLEGADAS
Es otro tipo de conformación secundaria. Estas láminas
plegadas pueden adoptar dos posiciones:
- Antiparalelas
- Paralelas
Otra característica de las proteínas con conformación β es que
contienen un elevado porcentaje de aminoácidos con grupos
R pequeños, tales como la glicina y la alanina. Esto permite
que las láminas plegadas puedan superponerse en zig-zag,
distinto a lo que sucede con las α-hélice que tienen residuos R
muy voluminosos que son incompatibles con la conformación
β. Debido a esto es que las α queratinas pueden recobrar su
conformación helicoidal en forma espontánea luego de ser
estiradas.
ANTIPARALELAS
Cadenas en el que el residuo amino terminal de una secuencia
está enfrentada con el residuo carboxi terminal de la otra
cadena.
Los enlaces por puentes de H son más fuertes porque el
átomo de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno son prácticamente
colineales.
PARALELAS
Hacia un lado se ubican todos los grupos carboxilos y hacia el
otro todos los grupos amino. Los átomos de hidrógeno,
carbono y nitrógeno no son paralelos, ya que los puentes de H
se encuentran de forma oblicua.
Son cadenas que están menos estabilizadas que las de las
láminas antiparalelas.
Cada hebra o lámina -β se suele representar por una flecha
que apunta hacia el extremo carboxilo terminal.
Conexiones entre hebras-β adyacentes en hojas plegadas-β:
(a) Conexión en horquilla entre hebras
antiparalelas que se halla
topológicamente en el plano de la hoja.
(b) Conexión cruzada hacia la derecha entre
hebras sucesivas de hojas- β paralelas. Casi
todas las conexiones de cruce de las
proteínas tienen esta orientación.
(c) Conexión cruzada hacia la izquierda
entre hebras de hojas paralelas.
Las conexiones con esta orientación son
raras.
ESTRUCTURA DE UN GIRO O BUCLE, ELEMENTOS DE
CONEXIÓN QUE UNEN TRAMOS SUCESIVOS DE HÉLICE α O
CONFORMACIONES β
Esta estructura forma un giro cerrado en el que participan 4
aminoácidos. Los giros β pueden ser de tipo l (más comunes)
o tipo ll.
En los de tipo ll el 3° residuo de aminoácidos de una
estructura β siempre es un aminoácido Glicina.
Entre el 1° y 4° aminoácido se establece un puente de H.
A menudo se pueden encontrar residuos de glicina y prolina.
La presencia de glicina se debe a que es un aminoácido
pequeño y flexible, mientras que en el caso de la prolina, su
presencia se debe a la facilidad con que los enlaces peptídicos
en los que participa su nitrógeno imino, adopta una
configuración cis adecuada para formar un giro cerrado. Estos
giros se encuentran por lo general en la superficie de las
proteínas, donde los grupos peptídicos de los dos residuos de
aminoácidos centrales en el giro (ambos hidrofílicos) pueden
formar enlaces de H con el agua.
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ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS: COMBINACIONES DE
ESTRUCTURAS α Y β
Láminas β representadas por flechas. Son disposiciones muy
estables de varios elementos de estructura secundaria.
ESTRUCTURA TERCIARIA
Es el modo en el que la cadena polipeptídica se compacta y se
repliega para dar lugar a una estructura tridimensional.
Determina la forma de la proteína.
La estructura terciaria de una proteína es la responsable
directa de sus propiedades biológicas.
Las proteínas son anfipáticas y presentan regiones con
superficies polares y apolares. Estas regiones pueden
interactuar entre sí a través de diferentes interacciones
intermoleculares. Por ejemplo:
- Interacciones de tipo hidrofóbicas (no polares)
- Puentes de hidrógeno (polares)
- Interacciones de tipo Van der Waals (átomos no cargados)
- Enlaces de tipo covalente (enlaces de tipo di-sulfuro)
INTERACCIONES QUE ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA 3°
1- Puentes di-sulfuro
2- Atracción electrostática
3- Puentes de hidrógeno
4- Interacción hidrofóbica
Esto demuestra cómo las cadenas laterales de los aminoácidos
que forman parte de la estructura de la cadena polipeptídica
pueden interaccionar entre sí estabilizando o desestabilizando
la estructura terciaria de una proteína.
Dentro de la cadena polipeptídica, existen fragmentos que
tienen una estructura estable y fija que desempeñan una
determinada función. Estos fragmentos se denominan
dominios proteicos y tienen estructuras secundarias y
supersecundarias con una determinada organización en el
espacio.
Los dominios son regiones diferenciadas
dentro de la estructura terciaria de las
proteínas que actúan como unidades
autónomas de plegamiento y/o
desnaturalización de las proteínas.
Tienen una función específica como la de unirse a una
molécula pequeña. Por ejemplo NAD+ se une al primer
dominio de la gliceraldehido 3 fosfato deshidrogenasa.
El dominio es la unidad fundamental de la evolución proteica
- Forman patrones de plegamientos estables.
- Toleran deleciones, sustituciones e inserciones de
aminoácidos que le confieren mayor probabilidad de
sobrevivir a los cambios evolutivos.
- Desempeñan funciones biológicas esenciales.
ESTRUCTURA CUATERNARIA
Es la disposición espacial de varias subunidades de una
proteína oligomérica en una geometría específica.
Deriva de la conjunción de varias cadenas polipeptídicas que
asociadas conforman un multímero. Este multímero posee
propiedades distintas a las de sus monómeros constituyentes.
Dichas subunidades se asocian entre sí por enlaces débiles,
interacciones de tipo no covalentes, etc.
Las interacciones que estabilizan esta estructura son en
general uniones débiles:
- Interacciones hidrofóbicas.
- Puentes de hidrógeno.
- Interacciones salinas.
- Fuerza de Van der Waals.
- En algunas ocasiones puede haber enlaces fuertes tipo
puentes disulfuro, en el caso de las inmunoglobulinas.
Las subunidades se asocian de forma simétrica. Cada
oligómero ocupa una posición equivalente desde el punto de
vista geométrico. Las proteínas tienen simetría rotacional.
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PROTEÍNAS: CLASIFICACIÓN
Existen diferentes formas de clasificar a las proteínas:
- De acuerdo a su solubilidad (el más usado)
- De acuerdo a su estructura
- De acuerdo al número de subunidades o cadenas peptídicas
- De acuerdo a su función
SOLUBILIDAD
- Albúminas (sangre): Proteínas que son solubles en agua o en
disoluciones salinas diluídas. Ovoalbúmina y Seroalbúmina
- Globulinas (semillas): Requieren concentraciones más
elevadas para poder permanecer en disolución.
Gammaglobulinas, Lactoglobulinas, Ovoglobulinas y
Seroglobulinas.
- Prolaminas (gluten): Son insolubles en agua y necesitan de
solventes hidrofílicos como el alcohol. Hordenina y Seina.
- Gluteínas (gluten): Sólo se disuelven en disoluciones ácidas o
básicas. Contienen aminoácidos básicos que son solubles en
agua y no sufren coagulación cuando son sometidas a calor.
- Escleroproteínas: Son solubles en la mayoría de los
disolventes. Son proteínas fibrosas que tienen un elevado
porcentaje de aminoácidos hidrofóbicos. Queratina, Colágeno,
Elastina y Fibrina.
ESTRUCTURA
- Proteínas simples: Están formadas exclusivamente por
α-aminoácidos (holoproteínas).
- Proteínas conjugadas o heteroproteínas: Contienen además
de lacadena polipeptídica un componente no aminoacídico
(glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos) llamado grupo prostético.
Por lo general en las proteínas se encuentra una porción
proteica que recibe el nombre de apoproteína más un grupo
prostético constituyendo una heteroproteína.
CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS SEGÚN SU ESTRUCTURA
TERCIARIA
Presentan tanto hélices α como láminas β en su estructura.
CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS EN BASE A SUS
FUNCIONES
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PROTEÍNAS NATIVAS Y DESNATURALIZADAS
Las proteínas nativas mantienen intacta su estructura tanto 1°
como 2°, 3° y 4°, y en consecuencia mantienen su
funcionalidad. Para que esto suceda, no se han alterado las
fuerzas estabilizantes de la molécula proteica como lo son los
puentes de H, las interacciones salinas, las interacciones
hidrofóbicas y los puentes di-sulfuro.
Estas proteínas se pueden desnaturalizar por métodos físicos
y/o químicos que rompen las fuerzas estabilizantes y en
consecuencia, la proteína se desnaturaliza produciéndose un
cambio parcial o total en la estructura nativa de la proteína.
Las consecuencias inmediatas son:
- Disminución drástica de la solubilidad de la proteína
acompañada frecuentemente por una precipitación de la
misma.
- Pérdida total de sus funciones biológicas.
- Alteraciones de sus propiedades hidrodinámicas.
AGENTES DESNATURALIZANTES
FÍSICOS
- Calor: Rompen los puentes de H.
QUÍMICOS
- Detergentes: Rompen las interacciones hidrofóbicas ya
que se unen a los residuos no polares de una proteína.
- Disolventes orgánicos: Rompen las interacciones
hidrofóbicas.
- Agentes caotrópicos (Urea y guanidina a altas
concentraciones): Rompen las interacciones hidrofóbicas
Y sumado al calentamiento rompen puentes di-sulfuro.
Otro factor que afecta a la estabilidad de las proteínas es el
pH. Dependiendo si la proteína se coloca en un medio ácido o
básico, se puede alterar la carga neta generando repulsiones
electrostáticas y produciendo la desestabilización de las
mismas.
Los aminoácidos que conforman las estructuras proteicas son
anfóteros (se comportan como ácidos o bases).
Si el aminoácido se encuentra en un pH ácido, adquiere una
carga neta positiva. En el caso de estar en un pH alcalino, su
carga neta será negativa.
En un pH bajo o por encima del punto isoeléctrico, la proteína
adquiere una carga neta que puede ser positiva o negativa y
esto hace que sea soluble.
En el punto isoeléctrico las proteínas tienen una carga neta
igual a cero, y en consecuencia van a reaccionar entre sí
formando agregados que tienden a precipitar.
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