AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS BIOSÍNTESIS PROTEICA ENZIMAS Y COENZIMAS LAS VITAMINAS Parece mentira que esta historia comience con un espárrago. Explicar desde la esparragina hasta Fisher o la actual cristalografía. Presentar el tema como un viaje a través del tiempo donde iremos descubriendo como se dilucidó todo el conocimiento sobre las proteínas.
1. Introducción: ¿qué ¿qué son las proteínas? proteínas? 2. Aminoácidos 3. Plegamiento y patología patología proteíca proteíca 4. …..
¿ Qué son las proteínas ? -
Las proteínas (del griego proteicos, primario) son las macromoléculas orgánicas más abundantes de la célula, formadas por CHONP y a veces S (ej. Cisteína) u otros oligoelementos (Fe, hemoglobina; Cu, hemocianina).
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Estructuralmente son polímeros de aminoácidos unidos por enlace peptídico que se pliegan en estructuras tridimensionales y se estabilizan mediante interacciones electrostáticas, hidrofóbicas e hidrofílicas y enlaces intermoleculares (F de Van der Waals y puentes de hidrógeno).
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Desarrollan la mayor parte de funciones celulares: forman parte de la estructura de la célula (ej. Alfa-tubulina de los microtúbulos) y llevan a cabo casi todas las reaccciones del metabolismo, reproducción y transporte celular (ej. Kinasas, p53, Herb2).
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Difieren del resto de macromoléculas en que son moléculas muy específicas, codificadas por el código genético. Cada especie tiene una s erie de proteínas exclusivas que la caracterízan. Por lo que son moléculas que marcan la individualidad de la especie, pero también del organismo, pues no hay dos seres vivos con todas las proteínas iguales debido a la especifidad del código genético.
Aminoácidos -
Estructuralmente moléculas orgánicas configuradas entorno a un átomo de carbono saturado, que es asimétrico o quiral cuyos cuatro sustituyentes son: 1. Un grupo amino -NH2 (protonado NH3+) 2. Un grupo carboxilo -COOH (disociada -COO-) 3. Un átomo de H 4. Una cadena lateral o R
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En un caso, el grupo amino aparece sustituído asimismo por la cadena lateral, formando pues una amina secundaria; es el caso de la Prolina.
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Consecuencia de su composición, los aa poseen tres propiedades de gran interés biológico: isomería óptica, esteroisomería y carácter anfótero:
Estereoisomería: (Gly no) Los sustituyentes del C pueden orientarse en el
o
espacio en dos configuraciones espaciales denominadas estereoisómeros D y L. Evolutivamente todos son L-aa excepto peptidoglucano, antibióticos.
Isomería óptica: son capaces de desviar el plano de la luz polarizada que atraviesa
o
una disolución de aa, desviando la luz a la derecha (dextrógiros +) o izquierda (levógiros -).
Carácter anfótero*:
o
Todos los aminoácidos poseen al menos dos grupos
disociables, uno ácido (el carboxilo -COOH) y otro básico (el amino -NH2). Algunos poseen además una cadena lateral susceptible de disociación ácido base: Asp, Glu, Tyr, Cys, Lys, Arg e His.
Se llama punto isoele ́ ctrico (pI) al valor del pH para el cual la carga neta del aa es cero, pues sus cargas el ctricas positivas y negativas se equilibran. Cada aa tiene un pI distinto; esto es til para separarlos en una disoluci n en la que se va cambiando el pH, y donde se aplica una corriente el é ctrica.
o
Solubilidad: Debido a la bipolaridad que existe en la molécula del AA, la solubilidad en agua de estos compuestos es mayor de lo que cabría esperar. Y dado que existen enlaces io ́ nicos entre ellos su punto de fusi ó n es elevado
CLASIFICACIÓN DE LOS AA Existen diferentes criterios: 1. Según la vía de obtención en aa esenciales y sintetizables: Algunos aa se pueden sintetizar a partir de otras moléculas, si bien otros deben ser ingeridos en la dieta (ESENCIALES): fenilalanina, treonina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, tript o ́ fano y valina. 2. según la ubicación del grupo amino en alfa-aa (primer C tras el carbonilo, Cnº2), betaaa (Cnº3) y gamma-aa (Cnº4).
3. Protéicos o no protéicos: -
Los aminoácidos no proteicos son unos 150. Se pueden dividir en tres grupos: A. D-AMINOÁCIDOS: La D-Ala y el D-Glu forman parte del peptidoglicano de la pared celular de las bacterias. La gramicidina S es un péptido con acción antibiótica que contiene D-Phe. En ciertos péptidos opioides de anfibios y reptiles también aparecen D-aminoácidos. B. a-AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS: intermediarios metabólicos como La Lornitina y la L-citrulina son importantes intermediarios en el metabolismo de la eliminación del nitrógeno y la creatina (ciclo de la urea) o o neurotransmisores (DOPA-dihidroxifenilalanina, precursor metabólico de la síntesis de catecolaminas, hormonas tiroideas y melanina). C. w-AMINOÁCIDOS: En estos AA, el grupo amino sustituye al último carbono (carbono w), no al carbono a. La b-Alanina forma parte de algunos coenzimas, y el ácido g-aminobutírico es un imporante neurotransmisor.
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La maquinaria bioquímica de la materia viva basa su funcionamiento en cadenas de aminoácidos. Cada aminoácido está codificado en el ADN por tres eslabones de la cadena (tres nucleótidos) que forman un codón. Al haber 4 clases de nucleótidos, hay 4 3=64 codones posibles para 20 aa (más la señal de terminación, que indica que la traducción del polipéptido ya está completa): o
Sólo dos aminoácidos, metionina y triptófano, están codificados por un sólo codón.
o
En el extremo contrario, tres aminoácidos, leucina, serina y arginina, están codificados por seis codones cada uno.
START/Met
AUG
Tyr/Y
UAU, UAC
Trp
UGG
STOP
UAG, UGA, UAA
Asn/N Asp/D
AAU, AAC GAU, GAC
Ile/I Ala/A
Cys/C
UGU, UGC
Gly/G
Gln/Q
CAA, CAG
Pro/P
Glu/E
GAA, GAG
Thr/T
His/H
CAU, CAC
Val/V
Lys/K
AAA, AAG
Arg/R
AUU, AUC, AUA GCU, GCC, GCA, GCG GGU, GGC, GGA, GGG CCU, CCC, CCA, CCG ACU, ACC, ACA, ACG GUU, GUC, GUA, GUG CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Phe/F
-
UUU, UUC
Leu/L
UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Ser/S
UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Las propiedades específicas de cada aminoácido se deben a la composición de R
Se clasifican en cinco grupos principales, que son:
1. aa con cadenas laterales alifáticas o apolares: glicina (H), alanina (CH3), valina (3C), leucina (4C), isoleucina (4C) y prolina (3C), siendo la de éste último una R cíclica. Todos ellos hidrofóbicos (baja solubilidad). Destaca la glicina por su pequeño tamaño, y la prolina porque la rigidez de su anillo dificulta el plegado proteico (no aparece en estructuras muy tensionadas). La prolina en realidad es una amina secundaria.
2. aa débilmente polares sin carga con cadenas laterales que contienen hidróxilos (ser, tre) o azufre (cisteína y metionina). Excepto la metionina, son generalmente más hidrófilos que los anteriores. Destaca la cisteína por su capacidad de dimerizar mediante oxidación formando puentes disulfuro para dar lugar a la cistina. Son clave en la mayoría de procesos de reconocimiento celular.
3. aa aromáticos (fenilalanina, la tirosina y el triptófano): también hidrofóbicos, aunque el grupo hidroxilos de la tirosina puede formar puentes de hidrógeno. El anillo aromático
Commented [Cgg1]: Revisar en libros de bioquímica
porque en cada sitio está de una manera.
absorbe la luz en la región del ultravioleta, lo que se usa para la detección analítica de proteínas.
4. aa polares con carga positiva (histidina, la lisina y la arginina): poseen un grupo NH en la cadena alifática (arg un grupo guanidino e histidina un imidazol) y son hidrófilos. Destaca la histidina por la capacidad intercambiar protones a pH neutro, por lo que interviene en reacciones de transferencia de protones (ej: funciona como tampón en la Hb, esto es muy importante a tener en cuenta en el diseño de fármacos).
5. aa polares ácidos con carga negativa y sus amidas (ácido aspártico y glutámico): poseen un grupo carboxilo adicional y son hidrófilos. Sus amidas, sin embargo, poseen cadenas laterales sin carga, aunque son claramente polares e hidrófilos.
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Algunos aminoácidos son modificados químicamente después de haber sido integrados en la cadena polipeptídica (aa derivados o modificados postraduccionalmente) como son: o
la selenocisteína
o
la pirrolisina (en arqueas),
o
la hidroxiprolina e hidroxilisina del colágeno (fundamental el ácido ascó rbico)
o
ácido g-carboxiglutámico en factores de coagulación como la protrombina. **
o
desmosina en la elastina.
Proteínas.
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Los aminoá cidos se unen entre s í por enlaces tipo amida, denominados enlaces peptí dicos. o
Si se unen dos amino á cidos dipé ptido, tres (trip é ptido), etc.
o
Si el n u ́ mero de amino á cidos es inferior a 10 se habla de oligop é ptido,
o
si es superior a 10 se denomina polip ptido (hormonas (oxitocina, vasopresina), faloidina (veneno de algunas setas), el trip é ptido glutatio ́ n (transportador de hidro ́ geno en las reacciones metab ó licas)…
o
So ́ lo cuando un polip é ptido está formado por má s de 50 amino á cidos o su peso molecular es mayor de 5.000, se habla de prote í na.
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El tamaño de las proteínas varía entre unos pocos aa hasta alcanzar los 25.000 residuos que posee la titina (3-4 millones de Da, >1 m). Las proteínas se pliegan adquiriendo su conformación nativa, lo que les dota de una función concreta. La pérdida de la estructura tridimensional por desnaturalización de las proteínas, así como el plegamiento incorrecto pueden llevar a la muerte de la célula (patología protéica).
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El enlace peptídico es un enlace tipo amida que consiste en la unión covalente entre el grupo α-amino y α-caroboxilo de dos aa diferentes mediante condensación y pérdida de una molécula de agua. El enlace que se forma posee un porcentaje significativo de doble enlace por resonancia del grupo carbonilo, lo que le confiere rigidez planar y formación de un dipolo en el plano. Además, el grupo de átomos alrededor del enlace peptídico puede adquirir configuraciones trans (silla) y cis (barco), soliendo estar f avorecida la forma trans, evitando las interacciones de R voluminosas.
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La estructura tridimensional de una proteína posee cuatro niveles estructurales en orden creciente de complejidad:
1) La estructura primaria queda determinada sencillamente por la composición de aminoácidos de la proteína y la secuencia en la que se disponen. Siempre existe un extremo con un aminoá cido cuyo grupo amino est á libre y otro extremo con un amino á cido con su grupo carboxilo libre. Por convenio, los amino á cidos de la cadena se numeran comenzando por el que posee el extremo amino libre.Ejemplos de péptido con estructura primaria son algunos mensajeros y hormonas (ej: oxitocina e insulina). La síntesis química de péptidos suele utilizarse en ensayos funcionales de ingeniería genética. 2) A la orientación relativa de los planos del enlace peptídico se denomina estructura
secundaria. Las estructuras secundarias más comunes son la alfa-hélice, la lámina-beta, así como los giros y bucles:
La alfa-hélice fue inicialmente descubierta por William Astbury en los años 30 y resuelta en 1951 por Pauling y Corey. Consiste en una estructura helicoidal dextrógira con 3,6 aa por vuelta, estabilizada por puentes de hidrógeno intracaternarios entre el nitrógeno del enlace peptídico y el oxígeno del cuarto aminoácido que le sigue (x+4). La hélice esta estrechamente empaquetada, quedando los radicales hacia el exterior de la hélice. Los primeros aa de la hélice (N-cap) suelen ser polares neutros o
negativos, mientras que al final de ésta (C-cap) son son frecuentes la glicina, la prolina (aa disruptores de hélices si aparecen en centro) y la lisina. (Ej: alfaqueratinas)
La Hoja β también fue descrita por Pauling y Corey. Consiste en una cadena polipeptídica generalmente estirada formando una lámina en zigzag, donde todos los residuos presentan una rotación de 180° respecto a los precedentes, quedando los radicales por encima o debajo del plano. Dado que las cadenas aisladas no son estables, se unen por enlaces de hidrógeno intercatenarios, ya sea de manera paralela o antiparalela. (Ej: beta-queratinas)
Los giros y bucles son zonas no repetitivas que provocan cambios en la dirección de la cadena polipeptídica, que posibilitan que la proteína tenga una estructura compacta.
Otras estructuras secundarias menos habituales son la hélice 3-10, más estrecha que la hélice alfa, y la hélice de colágeno , formada por tres cadenas levógiras de tres residuos por vuelta que suf ren un superenrrollamiento dextrógiro.
El análisis estructural de muchas proteínas ha revelado la existencia de agrupaciones de estructuras secundarias que se repiten muy frecuentemente en la naturaleza. Son las denominadas estructuras supersecundarias o motivos proteicos , tales como los
lazos β-α-β, vrtices α -α, meandros β, la hoja β torsionada o el barril β . Actualmente constituyen la base de la clasificación de proteínas. Las proteínas que adquieren funcionalidad en estructura 2aria se caracterizan por giros (de
α-hélices o hojas- β) repetitivos , se denominan proteínas fibrosas y son proteínas estructurales, como por ejemplo las queratinas (láminas α) o fibroínas (láminas β). 3) La estructura terciara consiste en el plegamiento tridimensional de la proteína, debido a la interacción de fuerzas débiles y/o covalentes entre los residuos de los aa (entropía conformacional, interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno internos,
efecto hidrófobo, van der Waals y enlaces disulfuro). De manera general, las proteínas globulares son las que presentan este tipo de estructura más complejo. Al plegarse, dan lugar a formas compactas que suelen contener dominios definidos con una función propia dentro de la proteína, por lo que son seleccionados evolutivamente y conservados entre especies (Ej: Src dos dominios quinasa y dos reguladores). 4) Estructura cuaternaria: Es el ensamblaje de diferentes cadenas proteicas mediante las mismas interacciones que en el caso anterior, dando lugar a una proteína multimérica. La estructura cuaternaria confiere una función distinta a las de sus unidades por separado, como por ejemplo la ATPasa o la acidograso-sintasa.
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Las cadenas proteicas que se ensamblan pueden ser iguales u homotípicas, o bien diferentes o heterotípicas. Las homotípicas destacan porque su estructura final exhibe simetría (helicoidal, simetría C2, C3, C4, d2, cúbica o icosahédrica) como las proteínas de las cápsides víricas.
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En general, se puede decir que existen dos tipos de estructuras tridimensionales proteicas: o
GLOBULARES. Poseen un alto grado de plegamiento y adoptan formas esféricas. Son solubles en agua. Ej: la mioglobina.
o
FIBROSAS. El plegamiento de la cadena polipeptídica es menor, por lo que estas proteínas presentan formas alargadas y son insolubles en agua. Ej: la queratina del pelo, uñas, plumas, etc.
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El plegamiento de las proteínas es un campo muy estudiado dada su importancia en la adquisición de la función. La paradoja de Levinthal (1968) enuncia que existe un número muy elevado de conformaciones que se pueden adoptar, por lo que parece imposible que la máquina celular pruebe todas las posibilidades y escoja la de menor energía libre en el tiempo en que se pliega una proteína. Una de las posibles soluciones a dicha paradoja es el
modelo del embudo de energía libre , donde cada estabilización entálpica reduce el número de estados conformaciónales posibles, acelerando la velocidad del plegamiento.
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Además, algunas proteínas son ayudadas en el establecimiento de la conformación nativa por otras proteínas denominadas chaperonas. Estas proteínas inicialmente se denominaron proteínas de choque térmico, aunque actualmente se clasifican en dos grandes familias: la familia Hps70 y las chaperoninas, con diferentes funciones celulares.
Commented [Cgg2]: Meter alguna patología. Creo que
Hp70 está implicada en cáncer
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Patología protéica : El incorrecto plegamiento de las proteínas puede derivar en patologías muy graves. Ejemplos de ello son los agregados proteicos debidos al plegamiento incorrecto que aparecen en enfermedades como el Párkinson (cuerpos de Lewy) o el alzheimer (placas B-amieloide). El plegamiento incorrecto tiene diferentes causas, pero destaca el cambio conformacional inducido por otra proteína, tal y como
ocurre en la encefalopatía espongiforme bovina o “enfermedad de las vacas locas” donde la conformación patológica se diferencia en la presencia de una estructura de hoja en el extremo N-terminal de la proteína, lo que provoca agregaciones proteicas que llevan a la muerte celular. Recientemente se ha visto que la proteína p53 (supresor tumoral) podría seguir este mecanismo, induciendo a la proliferación tumoral en células vecinas que no poseen ningún tipo de mutación.
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Propiedades de las proteínas:
o
Solubilidad: se debe a los radicales (R), que, al ionizarse, establecen puentes de H con las moléculas de agua que rodean a la proteína, formando una capa de solvatación.
o
Desnaturalización: puede producirse por medios físico (calor) o bien químicos (urea). Cuando el agente desnaturalizante actúa poco tiempo, la desnaturalización puede ser reversible y la proteína no perdería su acción biológica. Sin embargo, si es persistente se denomina irreversible (Ej: albúmina, caseína).
o
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Especificidad.
Funciones: catalítica, estructural, transporte, hormonas, receptores, defensa, movilidad, reserva de aa, reguladoras, tamponadores. Algunas realizan s imultáneamente algunas de las funciones (Ej. Ferritina, transporte y almacén).
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Clasificación: La vasta variedad de proteínas existentes se puede clasificar de acuerdo a varios criterios:
A nivel estructural se diferencian en fibrosas y globulares , como ya hemos visto. También se pueden clasificar de acuerdo a la composición, diferenciando entre
homoproteínas y heteroproteínas . Estas últimas poseen un grupo prostético (no proteíco) que puede ser un lípido (lipoproteínas), glúcidos (glucoproteínas),
fosfato (fosfoproteínas), iones (metaloproteínas) o bien nucleóticos (nucleoproteínas), como por ejemplo el caso de la telomerasa.
En el mundo científico se clasifican de acuerdo a su origen evolutivo en familias, como por ejemplo la familia de las globinas.
Si bien, lo más habitual didácticamente es que las proteínas se clasifiquen basándose en su función, de manera que se pueden diferenciar cuatro grandes grupos que abarcan todas las funciones posibles. No todas las proteínas ejercen una sola función, si no que algunas pueden ejercer diferentes funciones según el contexto (moonlightening): 1) Proteínas estructurales: incluye la mayor parte de proteínas del citoesqueleto y tejidos estructurales (ej: vimentinas, la b-actina o las histonas). 2) Proteínas motoras: también ligadas al citoesqueleto y flagelos, donde mueven vesículas através de los microtúbulos (kinesina), o bien a la contracción muscular (actina/miosina). 3) Proteínas que se unen reversiblemente a un sustrato sin modificarlo: destacan las proteínas de transporte de membrana (bomba Na/K) y tejidos (O2, CO2, lípidos…ej
Hb, VLDL), reguladores gnicos (factores de transcripcin, trficos y hormonas…ej. NF-kB), reconocimiento inmunológico (HLA, MCH e inmunoglobulinas) y proteínas que intervienen en la homeostasis y reserva (ej: ovoalbúmina). 4) Proteínas que se unen reversiblemente a un sutrato y lo modifican o enzimas, de las que hablaremos más adelante. -
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*Si el pH es ácido, hay un exceso de H+ que son captados por el grupo COO-, por lo que actúa como compuesto básico, y el aminoácido queda cargado positivamente. Si el pH es básico, el grupo NH3+ libera un H+ al medio; por ello, el aa se comporta como ácido y queda cargado negativamente.
Commented [U3]: ¿Las otras clasificaciones no son
científicas?
Cuando el pH es igual al punto isoeléctrico (PI) observamos que el grupo carboxilo es desprotonado formándose el anión carboxilo, en el caso inverso el grupo amino se protona formándose el catión amonio, a esta configuración en disolución acuosa (que es la forma más común de encontrarlos) se le conoce como zwitterión, donde se encuentra en una forma dipolar (neutra con carga dipolar + y -, con una carga global de 0).
FORMAS IÓNICAS QUE ADOPTAN LOS AMINOÁCIDOS EN FUNCIÓN DEL PH Ej 1. Valina (cadena lateral no susceptible de disociación ácido-base) https://www.youtube.com/watch?v=es644jLeQ-0 https://www.youtube.com/watch?v=i4975MUYopw
A pH 1, todos los grupos aparecen protonados: carboxilo como -COOH y amino como NH3+. El aminoácido tiene una carga positiva neta.
A pH 7, el carboxilo se disocia (-COO-) y el amino sigue protonado (-NH 3+); el aminoácido tendrá simultáneamente carga positiva y negativa (zwitterion).
A pH 13, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y el amino pierde el protón ( -NH2); el aminoácido queda con una carga negativa.
Ej 2. Ácido aspártico: aminoácido dicarboxílico
A pH 1, todos los grupos aparecen protonados: los dos carboxilos como -COOH y amino como -NH3+. El aminoácido tiene una carga positiva neta.
A pH 3, el carboxilo de la cadena lateral y el grupo amino, aparecen protonados ( -COOH y NH3+ ) y el alfa-carboxilo disociado (-COO-). El aminoácido está en torno a su punto isoeléctrico.
A pH 7 , los dos carboxilos están disociados (-COO-) y el amino sigue protonado (-NH3+); el aminoácido tendrá simultáneamente dos cargas negativas y una positiva (una negativa neta).
A pH 13, los dos carboxilos siguen disociados (-COO-) y el amino pierde el protón (-NH2); el aminoácido queda con dos cargas negativas netas.
Ej3. Lisina: aminoácido dibásico
A pH 1, todos los grupos aparecen protonados: el carboxilo como -COOH y los dos aminos como -NH3+. El aminoácido tiene dos cargas positivas netas.
A pH 7, el alfa-carboxilo disociado (-COO-) y los dos aminos protonados -NH3+ ). El aminoácido tiene una carga positiva neta.
A pH 9.5, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y el amino de la cadena lateral sigue protonado (-NH3+); el alfa-amino aparece como (-NH2). El aminoácido estará próximo a su punto isoeléctrico.
A pH 13, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y los dos aminos han perdido el pr otón (NH2); el aminoácido queda con una carga negativa neta.
**Algunos
factores
de
la
coagulación
sanguínea
presentan
una
modificación
postraduccional consistente en un residuo de ácido glutámico carboxilado, el ácido gcarboxiglutámico. Esta modificación añade carga negativa adicional a dichos factores. Entre ellos destaca particularmente la protrombina. En el proceso de carboxilación es fundamental la presencia de vitaminas K
