AMINOACIDOS Y PROTEINAS
AMINOÁCIDOS. Es importante conocer las propiedades físicas y químicas de los aminoácidos, ya que estos constituyen el alfabeto de la estructura de las proteínas y determinan muchas propiedades importantes de las proteínas. H R-C- COOH NH2 Ésta es la estructura general de los 20 aminoácidos hallados regularmente o corrientemente en las proteínas, llamados también aminoácidos corrientes. Excepto la prolina, todos ellos tienen como denominadores comunes un grupo carboxilo libre y un grupo amino libre. Difieren entre sí en la estructura de sus cadenas laterales distintivas, llamados grupos R. Se han propuesto varios métodos para clasificar los aminoácidos sobre la base de sus grupos R. El más significativo se funda en la polaridad de los grupos R. Existen cuatro clases principales: 1. 2. 3. 4.
Grupos R no polares o hidrofóbicos. Polares, pero sin carga. Grupos R con carga positiva y Grupos cargados negativamente (a pH 6-7, que es la zona del pH intracelular).
Los aminoácidos se suelen designar mediante símbolos de tres letras. Recientemente se ha adoptado también un conjunto de símbolos de una letra para facilitar la comparación de las secuencias aminoácidas de las proteína homólogas. - Aminoácidos con grupos R no polares o hidrofóbicos Existen 8 aminoácidos que contienen grupos R no polares o hidrofóbicos. Aquí se encuentran la alanina, la leucina, la isoleucina, la valina, la prolina, la fenilalanina, el triptófano y la metionina. Estos aminoácidos son menos solubles en el agua que los aminoácidos con grupos R polares. El menos hidrófobo de esta clase de aminoácidos es la alanina, la cual se halla casi en la línea fronteriza entre los aminoácidos no polares y los que poseen grupos R polares. - Aminoácidos con grupos R polares sin carga. Estos aminoácidos son relativamente más solubles en el agua que los aminoácidos anteriores. Sus grupos R contienen grupos funcionales polares, neutros que pueden establecer enlaces de hidrógeno con el agua. La polaridad de la serina, la treonina y la tirosina se debe a sus grupos hidroxilos; la de la aspargina y la glutamina, a sus grupos amídicos y de la cistina a la presencia del grupo sulfhidrilo (-SH). La glicola, a veces se clasifica como una aminoácido no polar. La cistina y la tirosina poseen las funciones mas polares de esta clase de aminoácidos, sus grupos tilo e hidroxilo fenólico tienden a perder mucho más fácilmente protones por ionización que los grupos R de otros aminoácidos de esta clase. - Aminoácidos con grupos R cargados positivamente. Los aminoácidos en los que los grupos R poseen carga positiva neta a PH 7, poseen todos seis átomos de carbono. Aquí se encuentran la lisina, la arginina y la histidina. Esta última tiene propiedades límite. A pH 6 más del 50 % de las moléculas de la
histidina, poseen un grupo R cargado positivamente, pero a pH 7 menos del 10 % de las moléculas poseen carga positiva. - Aminoácidos con grupos R cargados negativamente. Los dos miembros de esta clase son los ácidos aspártico y glutámico, cada uno de los cuales posee un segundo grupo carboxilo que se halla completamente ionizado y por tanto cargado negativamente a pH 6 y 7.
Lista de Aminoácidos (Esenciales y no esenciales) y función de cada una de ellos: •
Alanina: Función: Interviene en el metabolismo de la glucosa. La glucosa es un carbohidrato simple que el organismo utiliza como fuente de energía.
•
* Arginina: Función: Está implicada en la conservación del equilibrio de nitrógeno y de dióxido de carbono. También tiene una gran importancia en la producción de la Hormona del Crecimiento, directamente involucrada en el crecimiento de los tejidos y músculos y en el mantenimiento y reparación del sistema inmunologico. •
* Asparagina: Función: Interviene específicamente en los procesos metabólicos del Sistema Nervioso Central (SNC). •
* Acido Aspártico: Función: Es muy importante para la desintoxicación del Hígado y su correcto funcionamiento. El ácido L- Aspártico se combina con otros aminoácidos formando moléculas capases de absorber toxinas del torrente sanguíneo. •
* Citrulina (ver ornitina): Función: Interviene específicamente en la eliminación del amoníaco. •
* Cistina: Función: También interviene en la desintoxicación, en combinación con los aminoácidos anteriores. La L - Cistina es muy importante en la síntesis de la insulina y también en las reacciones de ciertas moléculas a la insulina. •
* Cisteina: Función: Junto con la L- cistina, la L- Cisteina está implicada en la desintoxicación, principalmente como antagonista de los radicales libres. También contribuye a mantener la salud de los cabellos por su elevado contenido de azufre. •
* Glutamina: Función: Nutriente cerebral e interviene específicamente en la utilización de la glucosa por el cerebro. •
* Acido Glutáminico: Función: Tiene gran importancia en el funcionamiento del Sistema Nervioso Central y actúa como estimulante del sistema inmunologico. * Glicina: Función: En combinación con muchos otros aminoácidos, es un componente de numerosos tejidos del organismo. •
* Histidina: Función: En combinación con la hormona de crecimiento (HGH) y algunos aminoácidos asociados, contribuyen al crecimiento y reparación de los tejidos con un papel específicamente relacionado con el sistema cardio-vascular.
•
* Serina: Función: Junto con algunos aminoácidos mencionados, interviene en la desintoxicación del organismo, crecimiento muscular, y metabolismo de grasas y ácidos grasos. •
* Taurina: Función: Estimula la Hormona del Crecimiento (HGH) en asociación con otros aminoácidos, esta implicada en la regulación de la presión sanguínea, fortalece el músculo cardiaco y vigoriza el sistema nervioso. •
* Tirosina: Función: Es un neurotransmisor directo y puede ser muy eficaz en el tratamiento de la depresión, en combinación con otros aminoácidos necesarios. •
* Ornitina: Función: Es específico para la hormona del Crecimiento (HGH) en asociación con otros aminoácidos ya mencionados. Al combinarse con la LArginina y con carnitina (que se sintetiza en el organismo, la L-Ornitina tiene una importante función en el metabolismo del exceso de grasa corporal. •
* Prolina: Función: Está involucrada también en la producción de colágeno y tiene gran importancia en la reparación y mantenimiento del músculo y huesos.
Los Ocho aminoacidos (8) Esenciales •
Isoleucina: Función: Junto con la L-Leucina y la Hormona del Crecimiento intervienen en la formación y reparación del tejido muscular.
•
* Leucina: Función: Junto con la L-Isoleucina y la Hormona del Crecimiento (HGH) interviene con la formación y reparación del tejido muscular. •
* Lisina: Función: Es uno de los más importantes aminoácidos porque, en asociación con varios aminoácidos más, interviene en diversas funciones, incluyendo el crecimiento, reparación de tejidos, anticuerpos del sistema inmunológico y síntesis de hormonas. •
* Metionina: Función: Colabora en la síntesis de proteínas y constituye el principal limitante en las proteínas de la dieta. El aminoácido limitante determina el porcentaje de alimento que va a utilizarse a nivel celular. •
* Fenilalanina: Función: Interviene en la producción del Colágeno, fundamentalmente en la estructura de la piel y el tejido conectivo, y también en la formación de diversas neurohormonas. •
* Triptófano: Función: Está implicado en el crecimiento y en la producción hormonal, especialmente en la función de las glándulas de secreción adrenal. También interviene en la síntesis de la serotonina, neurohormona involucrada en la relajación y el sueño. •
* Treonina: Función: Junto con la con la L-Metionina y el ácido Aspártico ayuda al hígado en sus funciones generales de desintoxicación.
•
* Valina: Función: Estimula el crecimiento y reparación de los tejidos, el mantenimiento de diversos sistemas y balance de nitrógeno. Los veinte aminoácidos que se encuentran en los sistemas biológicos son:
Todas las proteínas son cadenas lineales compuestas de algunos de estos veinte aminoácidos.
- Características de los aminoácidos. Los aminoácidos son compuestos sólidos; incoloros; cristalizables; de elevado punto de fusión (habitualmente por encima de los 200 ºC); solubles en agua; con actividad óptica y con un comportamiento anfótero. La actividad óptica se manifiesta por la capacidad de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa atraviesa una disolución de aminoácidos, aminoácidos, y es debida a la asimetría asimetría del carbono carbono , ya que se halla unido (excepto en la glicina) a cuatro radicales diferentes. Esta propiedad hace clasificar a los aminoácidos en Dextrogiros (+) si desvian el plano de luz polarizada hacia la derecha, y Levógiros (-) si lo desvian hacia la izquierda. El comportamiento anfótero se refiere a que, en disolución acuosa, los aminoácidos son capaces de ionizarse, dependiendo del pH, como un ácido (cuando el pH es básico), como una base (cuando el pH es ácido) o como un ácido y una base a la vez (cuando el pH es neutro). En este último caso adoptan un estado dipolar iónico conocido como zwitterión. El pH en el cual un aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra (igual número de cargas positivas que negativas) se denomina Punto Isoeléctrico. La solubilidad en agua de un aminoácido es mínima en su punto isoeléctrico. La característica más llamativa de los aminoácidos (AA) es la existencia en una misma molécula de grupos ácidos (capaces de ceder H+) y grupos básicos (capaces de captar H+). Por lo tanto, en medio ácido se comportan como bases, y en medio básico se comportan como ácidos. Las moléculas que presentan esta característica se dice que son anfóteros o anfolitos. Los grupos ácidos y básicos pueden neutralizarse mutuamente, constituyendo una sal interna formada por un ión híbrido (carga positiva y carga negativa), que se llama zwitterión. Si consideramos un AA sencillo, éste puede adoptar tres formas iónicas diferentes:
El primer grupo que se disocia es el carboxilo (pK1 = 2,22). Por la proximidad del grupo NH3+, el COOH se comporta como un ácido moderadamente fuerte. Si aplicamos la ecuación de Henderson-Hasselbalch al primer equilibrio de disociación, resulta que a pH fisiológico (7,4), la concentración de la forma catiónica es prácticamente despreciable (una de cada 151.000 moléculas en la forma zwitterión). El segundo grupo en disociarse es el NH3+. Como el pK2 es 9,86, la concentración de la forma aniónica es muy pequeña en comparación con la forma zwitterión (1 molécula en forma aniónica por cada 300 en forma zwitteriónica). El AA se comporta a pH fisiológico como un ácido débil que está disociado al 0,35%.
Existe un pH para el cual la carga eléctrica media de las moléculas es cero. Este pH se llama punto isoeléctrico (pI). El pI es el pH en el que la molécula se disocia por igual en ambos sentidos, y como equidista de los dos valores de pK, puede obtenerse por su semisuma:
Así, para la glicina (pK1=2,22 y pK2=9,86, el pI vale 6,04. Así, a pH=6,04 la immensa mayoría de las moléculas de glicina estarían en forma de iones híbridos (zwitterión) y no se desplazarían hacia ningún polo al aplicarles un campo eléctrico. Cuando el AA contiene otros grupos ácidos o básicos, el poder amortiguador gana posibilidades. Así, el ácido glutámico tiene tres grupos disociables, cuyos pK son: pK1=2,1; pK2=3,9 y pK3=9,8:
La forma I (totalmente protonada) tiene una carga neta positiva. La forma II tiene carga neutra (una positiva y una negativa), la forma III tiene una carga negativa y la forma IV tiene dos cargas negativas. El punto isoeléctrico del ácido glutámico será aproximadamente 3,0 (la semisuma de pK1 y pK2, los pK que flanquean a la forma zwitterión). La proporción de moléculas en la forma IV (2 cargas negativas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI. En el caso del AA arginina existen dos grupos básicos y uno ácido. La disociación de la arginina se esquematiza del siguiente modo, donde pK1=2,2; pK2=9,2 y pK3=12,5:
La forma I (totalmente protonada) tiene dos cargas positivas. La forma II tiene una carga neta positiva, la forma III es neutra (una positiva y una negativa) y la forma IV tiene una carga negativa. El punto isoeléctrico de la arginina será aproximadamente 10,85 (la semisuma de pK2 y pK3, los pK que flanquean a la forma zwitterión). La proporción de moléculas en la forma I (2 cargas positivas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI.
Las proteínas están formadas por la unión de AA mediante un enlace peptídico. Este enlace se produce entre el grupo COOH de un AA y el grupo NH2 de otro, de forma que desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Sin embargo, siempre existirá al menos un grupo amino y un grupo carboxilo terminal ter minal , que puedan actuar como amortiguadores. Además hay algunos AA que aportan grupos ionizables en sus cadenas laterales: ácido aspártico y glutámico, arginina, lisina, histidina, etc. Los pK para la disociación de los grupos ácidos o básicos de estas cadenas laterales pueden verse alterados por la influencia de otros grupos ionizables próximos. La posibilidad de formar un puente de hidrógeno entre un residuo de tirosina y uno de ácido aspártico puede alterar el pK de la disociación del grupo carboxilo. Asímismo, el pK de la disociación del grupo carboxilo de una cadena lateral de ácido glutámico puede verse afectado por las interacciones electrostáticas que se pueden establecer con un
residuo de lisina cercano. Un caso particularmente importante es el de la histidina próxima al grupo hemo de la hemoglobina, ya que su pK adopta valores muy distintos en función de que esté unida al oxígeno o no (figura derecha de la tabla inferior).
ácido aspártico
ácido glutámico
Histidina
La unión peptídica Los aminoácidos se encuentran unidos linealmente por medio de uniones peptídicas. Estas uniones se forman por la reacción de síntesis (vía deshidratación) entre el grupo carboxilo del primer aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido.
PROTEÍNAS Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células; constituyen más del 50 % de su peso seco. Cada proteína tiene funciones diferentes dentro de la célula. Además la mayor parte de la información genética transmitida por las proteínas. Las proteínas son verdaderas macromoléculas que alcanzan dimensiones de las micelas en el estado coloidal. La estructura de tamaño micelar con cargas eléctricas en su superficie les confiere propiedades de absorción. Las macromoléculas proteínicas en ocasiones están compuestas por una sola cadena polipeptídica; en tal caso reciben el nombre de monoméricas. Cuando la proteína esta formada por varias cadenas polipeptídicas que pueden o no ser idénticas entre sí, reciben el nombre de oligoméricas. Las proteínas son macromoléculas por lo cual poseen pesos moleculares elevados. Todas producen por hidrólisis aminoácidos. Existen 20 aminoácidos, como sillares para la formación de proteínas, enlazados por uniones cabeza-cola, llamadas: Enlace Polipeptídico. Composición de las proteínas Todas las proteínas contienen: • • • •
Carbono Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno
Y otros elementos tales como: • • • •
Azufre Hierro Fósforo Cinc
Clasificación de las proteínas Las proteínas pueden clasificarse, basándose en su: • •
Composición Conformación
Según su composición, las proteínas se clasifican en: •
•
Proteínas Simples: Son aquellas que por hidrolisis, producen solamente aminoácidos. Proteínas Conjugadas: Son aquellas que por hidrolisis, producen aminoácidos y además una serie de compuestos orgánicos e inorgánicos llamados: Grupo Prostético.
Las proteínas conjugadas pueden clasificarse de acuerdo a su grupo prostético: • • • •
Nucleoproteínas (Ac. Nucleíco) Metaloproteínas (Metal) Fosfoproteínas (Fosfato) Glucoproteínas (Glucosa)
Según su conformación, las proteínas pueden clasificarse en : •
Proteínas Fibrosas: Son aquellas que se hayan constituidas por cadenas polipeptídicas, ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje formando estructuras compactas (fibras o láminas).
Son materiales físicamente resistentes e insolubles en agua y soluciones salinas diluidas. Ej: (colágeno, queratina, elastina). •
Proteínas Globulares: Están constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estrechamente, de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas.
Son solubles en sistemas acuosos, su función dentro de la célula es móvil y dinámica. Ej: (enzimas, anticuerpos, hormonas) Existen proteínas que se encuentra entre las fibrosas por sus largas estructuras y las globulares por su solubilidad en las soluciones salinas. Ej: (miosina, fibrinógeno). Estructura de las proteínas Estructura Primaria: Es el esqueleto covalente de la cadena polipeptídica, y establece la secuencia de aminoácidos. Rige el orden de encadenamiento por medio del enlace polipeptídico. Estructura Secundaria: Ordenación regular y periódica de la cadena polipeptídica en el espacio. Rige el arreglo espacial de la cadena polipeptídica en el espacio. Arreglos: Hélice-a , Hélice-b , Hélice Colágeno. Estructura Terciaria: Forma en la cual la cadena polipeptídica se curva o se pliega para formar estructuras estrechamente plegadas y compactas como la de las proteínas globulares. Rige el arreglo tridimensional en el cual participan las atracciones intermoleculares. (Fuerzas de Van der Walls, Puentes de Hidrógeno, Puentes disulfuro, etc.) Estructura Cuaternaria: Es el arreglo espacial de las subunidades de una proteínas, para conformar la estructura global. Es el acompañamiento paralelo de las cadenas polipeptídicas, responsable de las funciones de las proteínas. Estructuras Supramoleculares: En ocasiones las proteínas asociadas a otras moléculas se ensamblan formando estructuras más complejas denominadas supramoleculares y que ofrecen ventajas de una unidad funcional, teniendo en cuenta una complejidad intermedia entre la conformación cuaternaria de las proteínas oligoméricas por un lado y los lisosomas o las mitocondrias por otro. Es la orientación a la que se ven obligadas en el espacio para ejercer su carácter óptimo.
Desnaturalización de las proteínas La desnaturalización de las proteínas implica modificaciones en la estructura de la proteína que traen como resultado una alteración o desaparición de sus funciones. Este fenómeno puede producirse por una diversidad de factores, ya sean físicos cómo: el calor, las radiaciones ultravioleta, las altas presiones; o químicos cómo: ácidos, bases, sustancias con actividad detergente. Este fenómeno genera la ruptura de los enlaces disulfuro y los puentes de hidrógeno, generando la exposición de estos.
Cuando la proteína es desnaturalizada pierde sus funciones cómo: viscosidad, velocidad de difusión y la facilidad con que se cristalizan. La reversibilidad de la desnaturalización, depende que tan fuertes sean los agentes que desnaturalizaron la proteína. Todo depende del grado de ruptura generado en los enlaces.
Funciones de las proteínas - Funciones Específicas: - Catálisis: Las enzimas catalizan diferentes reacciones. La hexoquinasa cataliza la transferencia del grupo fosfato desde el ATP a la glucosa. - Almacenamiento de aminoácidos, cómo elementos nutritivos: Ovoalbúmina, Caseína, Glidina. - Transporte de moléculas específicas: Seroalbúmina, Lipoproteínas, Hemoglobina. - Protección: Los anticuerpos protegen el organismo de agentes extraños que puedan dañarlo. - Estructuración: Forman la masa principal de los tejidos. - Funciones no Específicas (por ser generales): • • • •
Amortiguadora Energética Oncótica Funciones Hereditarias
•
Electroforesis de Proteínas Las proteínas son moléculas cuya carga neta depende del contenido de una serie de aminoácidos (fundamentalmente ácido glutámico, ácido aspártico, lisina, arginina e histidina) y del grado de ionización de éstos al pH considerado. En los soportes no restrictivos (en los que el entramado no interfiere en la migración, ya que el tamaño de las proteínas es muy pequeño en comparación con el tamaño de poro del soporte), la separación depende de la densidad de carga de las moléculas y, así, cuanto mayor sea la densidad, mayor será la velocidad de migración en un campo eléctrico hacia el polo que determine su carga neta.
Precipitación salina Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico, urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, ya que estos solutos compiten por el agua y rompen los puentes de hidrógeno o las interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteicas se agregan y precipitan. En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza iónica es reversible. Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y recuperar tanto la estructura como la función original. A veces es una disminución en la fuerza iónica la que provoca la precipitación. Así, las proteínas que se disuelven en medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original.
Para estudiar Proteínas plasmáticas. Hemoproteínas. Hemoglobina. Ferroproteínas no hemáticas. Citocromos: estructura y función, ver bibliografía recomendada.
Bibliografía: Básica: Bioquímica 2da edición: Lenhinger Bioquímica: Stryer Bioquímica de Harper 14 Edición: Murray et al. Química Biológica 7ma Edición: Blanco
Complementaria: Elementos de Bioquímica: Herrera Bioquímica Vol 1 y 2: Niemeyer Bioquímica General: Torres Carminatti Bioquímica: Bohinski Curso Breve de Bioquímica: Lehninger Bioquímica: Diaz Zagoya Bioquímica: Milton/Toporek Bioquímica: Cantarow Bioquímica Humana: Orten Neuhaus.
