LAS PROTEINAS La palabra proteína procede de la palabra griega “proteios”, que significa primer elemento. Las proteínas son elementos esenciales para el crecimiento y la reparación, el buen funcionamiento y la estructura de todas las células vivas. Son las macromoléculas más abundantes y están presentes en todos los organismos vivos. Presentan gran variedad tanto en su estructura como en su función biológica. Son polímeros constituidos por unidades fundamentales denominados aminoácidos. Mediante ellas se expresa la información genética que está contenida en la molécula de ADN. ESTRUCTURA DE LOS L OS AMINOÁCIDOS: Hay unos 300 aminoácidos de origen natural de diferentes especies, pero las proteínas solamente utilizan 20 para la biosíntesis. Estos son llamados aminoácidos proteicos. Casi todos son alfa aminoácidos. Tienen Tienen in grupo ( NH3+) amino, y un grupo ( COO-) carboxilo; unidos al átomo de carbono carbono alfa.
El carácter diferente de cada aminoácido se debe a la estructura del grupo R (radical cadena de carbonos). De acuerdo a la estructura del grupo R a los a.a los clasificamos clasificamos así: Alifaticos, hidroxilados ( -OH); azufrados (- S -); Aromáticos ( ciclos de benceno); ácidos,(COOH adicional), amidicos, básicos o alcalinos. Por su polaridad polaridad se los los clasifica clasifica como: como: Apolares, polares polares sin carga y polares cargados A continuación se presentan las estructuras de los aminoácidos, indicando su polaridad y sus características ácido – básicas. ALIFATICOS: se muestra su forma iónica ( PH = 7 )
Glicina (Gly, G)
Alanina (Ala, A)
Valina (Val, V)
Leucina (Leu, L)
Isoleucina (Ile, I)
Prolina (Pro, P)
PROPIEDADES: Polaridad – características ácido – básicas b ásicas y por su actividad en el organismo humano. Glicina: apolar, neutro, no esencial
neutro - no esencial Alanina: apolar- neutro Valina: apolar – neutro – esencial Leucina: apolar - neutro – esencial Isoleucina: apolar - neutro - esencial
HIDROXILADOS:
Serina (Ser, S)
Treonina (Thr, T)
Serina: polar – neutro - no esencial Treonina: polar – neutron - esencial
SULFURADOS:
Cisteína (Cys, C)
Metionina (Met, M)
Cisteina: polar - debidamente acido - no esencial Metionina: apolar – neutron - esencial
AROMÁTICOS:
Fenilalanina Tirosina (Phe, F) (Tyr, Y) Fenilalanina: apolar - neutron – esencial Tirosina: polar - debilmente acido - no esencial Triptofano: polar - debilmente ácido - esencial
Triptofano (Trp, W)
ACIDOS Y AMIDAS NEUTRAS
Aspartato (Asp, D) pKa=4.0
Glutamato (Glu, E) pKa=4.3
Asparagina (Asn, N)
Glutamina (Gln, Q)
Ácido aspartico: polar – ácido - no esencial Asparagina: polar – neutro - no esencial Ácido glutámico: polar – ácido - no esencial Glutamina: polar - neutro - no esencial
BÁSICOS:
Lisina (Lys, K) pKa=10.8 Arginina: polar – básico - esencial Histidina: polar - débilmente básico – esencial Lisina: polar - básico - esencial
AMINOACIDOS ESENCIALES.
valina leucina isoleucina treonina metionina fenilalanina triptofano arginina histidina
Arginina (Arg, R) pKa=12.5
Histidina (His, H) pKa=6.0
lisina
Son aquellos que es necesario tomarlos en los alimentos, pues el organismo animal no es capaz de sintetizarlos. Aunque los dietistas recomiendan un consumo de proteínas de 50 a 100 gr. al día o más, el ser humano puede mantenerse bien con una dieta que contenga solamente 20 gr. al día, si estas proteínas son de alta calidad nutricional, es decir si contienen proporciones adecuadas de los aminoácidos esenciales. En general, cuanto más próxima sea la composición de los aminoácidos de la proteína ingerida a la composición de aminoácidos del animal que ingiere la proteína, mayor es la calidad nutricional de esa proteína. En el caso del ser humano, las proteínas de los mamíferos son las de mayor calidad nutricional, seguida de las del pescado y aves, y luego las de frutas y verduras. Las proteínas de las plantas a menudo presentan un déficit de lisina, metionina o triptófano. ESTEREOISOMERIA DE AMINOÁCIDOS.
El átomo de carbono alfa esta fijo en forma tetraédrica. Este tipo de átomo se denomina asimétrico (unido a diferentes átomos), esto da diferentes configuraciones estereoisomericas. Por cada átomo de carbono da dos estéreo isómeros llamadas configuraciones L y D. estas representan estructuras de imágenes especulares que no se superponen, éstos se denominan enantiómeros.
En las proteínas solo se conocen la existencia de L – aminoácidos aunque hay en los seres vivos D – aminoácidos como bacterias. La Interconverción de los enantromeros D y L se denominan racemizacion. D – L los a.a tienen estas conversiones con tendencia a L. Propiedades ácido-base
Todos los aminoácidos tienen por lo menos dos grupos ionizables, y por lo tanto, su carga neta depende del pH del entorno. Los grupos carboxilo del C α tienen valores de pK a entre 1.8 y 2.8, siendo más ácidos que los ácidos monocarboxílicos simples. Los valores de pK a de los grupos α-amino varían entre 8.8 y 10.6. A pH neutro, los aminoácidos en disolución se encuentran como iones dipolares (zwitteriones), es decir, el grupo amino se encuentra protonado y el grupo carboxilo disociado. Los aminoácidos ácidos y básicos también tienen grupos ionizables en su cadena lateral. Para ilustrar la dependencia de la carga neta de un aminoácido con respecto al pH del entorno, se considerará al aminoácido histidina. Además de los grupos carboxilo y amino en el C α, (valores de pKa de 1.8 y 9.2, respectivamente), la histidina tiene un anillo de imidazol en su cadena lateral con un valor de pK a de 6.0. Por lo tanto, la carga neta (la suma de las cargas positivas y negativas) cambia de +2 a -1 a medida que se incrementa el pH. A pH de 7.6, la carga neta es cero aunque la molécula contiene dos grupos casi completamente ionizados bajo estas condiciones. Al valor de pH donde la carga neta es cero, se llama punto isoeléctrico.
.
Curva de titulación de la histidina
ENLACE COVALENTE ENTRE AMINOÁCIDOS
Dos moléculas de aminoácidos pueden unirse para formar un enlace covalente, a tavés de un enlace amidico al que se lo denomina enlace peptídico . En este enlace se produce una unión entre el nitrógeno del NH3 + con el C del –COO- , con eliminación de agua, así:
De esta manera se pueden unir muchos aminoácidos mediante enlaces peptídicos dando como resultado una cadena, que cuando es corta se denomina oligopéptido y cuando son muchos aminoácidos que se unen se llama polipéptido. El esqueleto de una cadena polipeptídica consiste en tres átomos de cada residuo de la cadena. N-C-C, que su repetición forma el esqueleto central de las cadenas proteicas. Las cadenas laterales de los aminoácidos quedan por fuera de este esqueleto y son las que dan la característica especial a cada cadena. Las unidades de aminoácidos que conforman la cadena usualmente se denominan “residuos de aminoácidos”. El enlace peptídico tiene 1.32 A de distancia, intermedio entre el enlace covalente doble y el enlace covalente sencillo. Esto sugiere que este enlace tiene CIERTO CARÁCTER DE ENLACE DOBLE. NOMENCLATURA:
Una cadena de hasta 10 residuos de a.a se llama oligopeptido que puede denominarse como: dipéptido, tripeptido, tretapeptido etc. Cuando es una cadena de más de 10 residuos de a.a es llamada polipéptido. Para abreviar los enlaces peptídicos, se utilizan guiones o también comas entre cadenas de a.a que no es muy conocida su secuencia. Se cambia la terminación: ina o ico por il o ilo. Eje: Arginil – alanil ( glicil, glutaril, alanil, metionil, lisina) Arg – ala – gli – glu – ala – met – lis Hoy en día se identifica a los aminoácidos sobre todo por el código de una letra, la cual se utiliza para indicar la secuencia de aminoácidos en la cadena Ej. RAGEAMKILVTSW CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS. POR SUS FUNCIONES:
Las proteínas poseen muy diversas funciones biológicas diferentes. Como por ejemplo: Catalíticas : como las enzimas, que son las que permiten la multitud de reacciones en la célula viva. Se conocen cerca de dos millares de enzimas diferentes. Por ejemplo la hexoquinasa, que fosforila la glucosa; lactato deshidrogenasa , que deshidrogena el ácido láctico; el citocromo c que transfiere electrones hacia el oxígeno en la cadena respiratoria. Las enzimas digestivas, que son enzimas hexógenas que actúan a nivel del tracto digestivo como la tripsina, quimotripsina, pepsina, etc. Proteínas de reserva : Almacenan aminoácidos como elementos nutritivos, como la ovoalbúmina de la clara de huevo, la caseína de la leche y la gliadina de las semillas de trigo, la ceína proteína de las semillas de maíz, ferritina como reserva de hierro en el baso. Proteínas transportadoras : Son capaces de unirse y transportar moléculas especiales por la sangre, como por ejemplo la seroalbúmina, que se une estrechamente a los ácidos grasos libres, y de éste modo transporta sus moléculas, entre el tejido adiposo y otros órganos de los vertebrados. Las lipoproteínas del plasma, como LDL, VLDL, etc, transportan
lípidos entre el intestino, el hígado y los tejidos adiposos. La hemoglobina de los glóbulos rojos, transporta oxígeno desde los pulmones a los tejidos. En los invertebrados está la hemocianina, que también es transportadora de oxígeno. Proteínas contráctiles: La actina y la miosina son los dos elementos proteicos principales en la contracción muscular. Otra en los unicelulares como la dineína en los cilios y flagelos. De defensa: Las proteínas de la sangre trombina y fibrinógeno participan en la coagulación de la sangre e impiden de este modo la pérdida de sangre. Los anticuerpos o inmunoglobulinas son las más importantes, las cuales se combinas con proteínas extrañas (antígenos) y así las neutralizan. Toxinas: Son sustancias que son extremadamente tóxicas para los animales superiores en cantidades muy pequeñas, por ejemplo la ricina de la semilla del ricino, la gosipina de las semillas de algodón, la toxina de la Clostridium botulinum que es responsable de algunos envenenamientos por alimentos en descomposición. Las toxinas de los venenos de las serpientes y animales ponzoñosos que actúan sobre todo sobre las enzimas del sistema respiratorio. Hormonales: Son muy importantes por todos los procesos secundarios que desencadenan en la regulación de las funciones de los animales y vegetales. Por ejemplo las hormonas como la oxitocina que estimula el músculo uterino en las hembras preñada y estimulan la producción de leche. La vasopresina , que se produce en la hipófisis, produce efectos atidiuréticos. La Angiotensina que regula la presión arterial. La somatostatina que se produce en el hipotálamo, que inhibe la producción del crecimiento producida en la hipófisis. La insulina que controla el metabolismo de la glucosa. Algunos factores de crecimiento, que aumentan la velocidad de crecimiento celular en algunos tejidos, como por ejemplo la somatotropina producida en la adenohipófisis, la EGF o hormona del crecimiento epidérmico. Neurotransmisores : como la acetilcolina, las encefalinas , que están presentes en las sinapsis de las neuronas, que ayudan a la transmisión de los impulsos nerviosos. Antibióticos peptídicos: Como la penicilina, bactricina, gramicidina , como medicamentos que actúan en combatir bacterias causantes de enfermedades. La ciclosporina que es un inmunosupresor que evita el rechazo de órganos en los transplantes. Proteínas estructurales . En los vertebrados tenemos el colágeno , que es la principal proteína estructural extracelular en el tejido conectivo y en el hueso. La elastina del tejido amarillo como en los tendones y cartílagos. La alfa queratina , que está presente en la estructura de uñas, pelo, plumas, cuernos, etc. La fibroína, producida por los gusanos de seda y las arañas, que es una proteínas que se solidifica rápidamente formando hilos resistentes.
Proteínas del ADN. Algunas como la ADN polimerasa participa en la replicación del ADN y otras que participan en la ARN polimerasa, la helicasa, topoisomerasa , etc.. Las proteínas cromosómicas expresión de los genes como la como las histonas, que están presentes en el superenrrollamiento del ADN. Proteínas de la visión: Como la opsina y la rodopsina , que actúan como moléculas que absorben los rayos de luz y transmiten impulsos por el nervio óptico. POR SUS COMPOSICIONES
1. CONJUGADAS: tienen un componente polipéptido asociado a componentes no peptídicos llamados grupo prostético. Eje:
Glicoproteínas - grupo - carbohidratos Metaloproteinas - grupo - metal ( Ca, Mg, Cu, K, Co) Hempoproteinas - “ - heme Flavoproteinas “ - flavina Fosfoproteínas “ - fosfato “ - lipidito Lipoproteínas - ácido nucleico Nucleoproteínas - “
2. NO CONJUGADAS: solo tienen material polipéptido
POR SUS FORMAS Y SOLUBILIDADES 1. FIBROSAS: tienen forma de fibras que se integran en hilos poli moleculares generalmente insolubles en el
agua, tienen variadas texturas y ductilidad, tenacidad, elasticidad, fragilidad, variadas.
2. GLOBULARES: son mucho más compactas que las fibrosas, se debe a su factor complicado de curvaturas,
dobleces y torcimientos a lo largo de la cadena polipeptídica, van desde: esféricas, crípticas o con otras formas, son más solubles y mucho más frágiles; existen en mayor variedad y número.
POR SU NÚMERO DE CADENAS
1.
MONOMÉRICAS: Son las que únicamente están formadas por una cadena de aminoácidos, por ejemplo la mioglobina, insulina, caseína. 3. OLIGOMÉRICAS: Son proteínas que están conformadas por dos o más cadenas polipeptídicas, las cuales se relacionan mediante interacciones no covalentes. Por ejemplo, la hemoglobina, la glutamato deshidrogenasa, fosfofructoquinasa, etc.
NIVELES ESTRUCTURALES NIVEL PRIMARIO:
Hace referencia a la cantidad relativa y a la secuencia exacta de los aminoácidos presentes en la cadena o cadenas de polipéptidos. También si hay algún grupo prostético. Por ejemplo: A-V-W-T-K-Y-R-L…. Según la cantidad y la calidad, pero sobre todo la secuencia de aminoácidos presentes en una cadena polipeptídica, dependen las características tridimensionales de la molécula, lo que determinara su función. En la estructura primaria la secuencia de aminoácidos puede sufrir cambios. Si estas sustituciones de un aminoácido por otro en la misma posición no son grandes, la función de la proteína no cambia, pero si el cambio es drástico la estructura tridimensional se ve afectada y consecuentemente su función. Las sustituciones de aminoácidos por otros de la misma clase se denominan modificaciones conservativas, por ejemplo el cambio de la valina por la isoleucina, o del ácido aspártico por el ácido glutámico, etc. Los cambios que se dan entre aminoácidos de diferente clase se denominan modificaciones No conservativas y son estas las que pueden producir cambio en la función proteica, por ejemplo el cambio de la valina (aminoácido apolar) por el ácido glutámico (aminoácido polar con carga negativa). Para determinar la secuencia de aminoácidos de un polipéptido se siguen técnicas diversas, directas o indirectas. Eje: DIRECTAS: reactivo de Edman ( fenilisotiocianato n = c = s. Identifica los aminoácidos conforme se desprenden uno por uno del N terminal. INDIRECTAS: se deduce a partir de la secuencia de nucleótidos del DNA génico. ESTRUCTURA SECUNDARIA.
La estructura secundaria se refiere a la capacidad del esqueleto de asumir orientaciones ordenadas y estabilizadas por puentes de hidrógeno. Los átomos del enlace peptídico están en el mismo plano espacial. Los grupos H y R de los carbonos alfa se proyectan hacia fuera del plano.
Los dipolos C = O y N – H están en direcciones opuestas al plano del enlace C – N. O sea están en alineamiento TRANS de los diplodos. Los átomos de C alfa tienen alineamiento TRANS. Los R están dispuestos de manera TRANS repetitiva. Los enlaces C α - C (ψ) y N – C α (ϕ)presentan una rotación libre en el esqueleto permitiendo un cambio en la orientación de la cadena. La rotación en torno al eje del enlace peptídico C – N esta limitado por su carácter doble. Para enlaces C alfa – C se denomina ( psi ) al valor rotacional Para enlaces N – C alfa se denomina ( fi ) al valor rotacional Si gira a la derecha ( horario ) visto desde N terminal es signo + Si gira ( anti horario ) es negativo. La combinación de los enlaces fi y psi tienen ciertas limitaciones rotacionales. las conformaciones de los péptidos se definen por los valores ϕ y ψ. Basándose en los cálculos en los que se utilizan radios de Van der Waals y los ángulos de enlace conocidos, las conformaciones consideradas posibles son las que tienen poca o ninguna interferencia estérica (es decir de espacio). Representación de Ramachandran.
Solo unas cuantas estructuras secundarias son muy estables y están ampliamente distribuídas en las proteínas. Las mas destacables son de tres tipos:
α Helice β Laminar
Giros β
ESTRUCTURA HELICOIDAL
La orientación más común del L – aminoácidos en la cadena peptídica es la estructura de alfa hélice dextrógira. Cada enlace psi = -60° y cada fi = -57°, esta disposición es muy estable. En esta estructura el esqueleto polipeptídico se encuentra compactamente enrollado alrededor del eje longitudinal imaginario de la molécula y los grupos R de los residuos de aminoácidos sobresalen del esqueleto helicoidal. Cada vuelta de la hélice ocupa alrededor de 5,4 amstons y tiene un promedio de 3,6 aminoácidos.
En esta disposición no hay o hay poco amontonamiento de los átomos de los grupos R. los dipolos C = O y N – H de los enlaces vecinos tienen orientación optima y hay una interaccion dipolo – dipolo máxima. Lo que produce una trama de PUENTES DE HIDRÓGENO COOPERATIVOS INTRACATENARIOS. Los puentes de hidrógeno son una consecuencia de la orientación TRANS del enlace peptídico coplanar. En las proteína globulares hay el 0% hasta el 80 – 90% del contenido de doble hélice cadena mas larga de doble hélice una cadena polipeptídica globular es de 35 residuos o sea mas de 10 vueltas completas de la hélice. La presencia de prolina o hidroxiprolina induce a un doblés natural en el esqueleto del polipéptido lo que hace que el doblés de hélice acabe. La presencia de repulsiones electroestáticas, debido a presencia de grupos R cargados positivamente como lisina y arginina o R cargados negativamente como glutamilo o aspartilo, hacen que no sea posible un doble hélice. ESTRUCTURAS BETA LAMINARES.
Existen dos combinaciones que dan origen a orientaciones ordenadas no helicoidales. Son las estructuras beta laminares. Adquieren estabilidad gracias a los puentes de hidrógeno entre dipolos C = O y N – H. Estas estructuras ocurren entre dos o mas segmentos de distintas cadenas o puentes o laminas intercaterias o también entre segmentos diferentes de la misma cadena.
Las intracaternarias ocurren en proteínas globulares. Las intercaternarias ocurren en proteínas fibrosas. Si los segmentos se alinean en la misma dirección, la disposición es una beta lamina paralela. Si están en direcciones opuestas la disposición es una beta lamina antiparalela. La antiparalela es un poco mas estable porque los dipolos C = O y N – H están mejor orientados. ESTRUCTURAS ALEATORIAS.
Cuando un elemento de la cadena polipeptídica carece de una combinación repetitiva, la estructura resultante carece de un patrón geométrico repetitivo. Se dice que es aleatoria. Los segmentos aleatorios en una proteína globular siguen designándose como si estuvieran ordenados. Esto se debe a las interacciones ordenadas de los grupos R o a las limitaciones de uno o mas puentes disulfuro o quizá a las orientaciones con un grupo prostético. DOBLECES PRONUNCIADOS.
Es una de las características de las proteínas globulares, los cambios de dirección que tiene un esqueleto polipeptídica. Esos cambios de dirección (casi 180|°) se llaman dobleces pronunciados. Estos abarcan generalmente 4 residuos de a.a sucesivos. Generalmente la glicina, prolina o residuos hidrofilicos.
El grupo –H de la glicina no es interferencia esterica La prolina porque es cíclica y cambia naturalmente la dirección de la cadena Los residuos hidrofilicos, porque los dobleces pronunciados están cerca de la superficie de la molécula, que interactúa con las moléculas disolventes del agua.
ESTRUCTURA TERCIARIA
Se refiere al modo como la cadena polipeptídica se curva o se pliega para formar la estructura estrechamente plegada y compacta de las proteínas globulares. Se puede conocer esta estructura por la difracción de rayos X cristalizando la proteína. Se puede introducir átomos de metales pesados para tener puntos de referencia y construir matemáticamente la estructura. Hoy se ha podido conocer las estructuras terciarias de la mioglobina, hemoglobina, lisozima, la ribonucleasa, quimotripsina, carboxipeptidasa, citocromo c, lactato deshidrogenasa, la subtilisina ( bacteriana) y muchas otras más.
En las proteínas fibrosas como la queratina y el colágeno se presenta una conformación enteramente laminar o helicoidal. 2 o 3 o varias cadenas forman conjuntos policatenarios. Eje: la fibroina de la seda forma varias cadenas beta – laminares, antiparalelas dispuestas al lado y lado y unas enzima de otras. El colágeno tiene fibras de unos 3000 A de longitud, PM 300000, y tiene una triple hélice formada por las fibras de tropo colágeno. Tienen una estructura helicoidal levógira. Cada 3 a.a es de glicina, pero contiene prolina e hidroxiprolina lo que hace que la hélice se alargue hasta 9Å por cada vuelta, diferente a la hélice doble que es de 5.4 Å. EN LAS PROTEINAS GLOBULARES
EN 1960 J.C Kendrew y H.F Perutz se determinaron la estructura tridimensional completa de una molécula proteinica. Se utilizo un proceso de análisis de la difracción de rayos X que estudia la estructura, átomo a átomo con una resolución de 1.5 Å. Las conformaciones globulares suelen ser casi esféricas o tener formas eclípticas. La conformación natural mas común o representativa que una proteína esta su individualidad estructural interior lo que a la vez es causa de su individualidad funcional. La conformación natural de una proteína es la de menor energía o sea la de mayor estabilidad. Una proteína puede tener cierto numero de conformaciones de mínima energía íntimamente relacionados entre si y fácilmente ínter convertibles, este es uno de los pilares de la bioquímica moderna. ESTABILIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA TERCIARIA
Las fuerzas no covalentes que estabilizan la cadena polipeptídica en su estructura terciaria son:
Fuerzas de atracción Ion – Ion entre cadenas laterales que tienen grupos iónicos con cargas opuestas. Eje: lis (+) / glu (-) ò arg (+) / asp (-).
Fuerzas de atracción Ion – dipolo entre grupos R cargados y diversas funciones dipolo en la molécula. Eje: glu (-) / S+ delion OH de tre, ò lis (+) / S- de un radical C = O de un enlace peptídico.
Puentes de hidrógeno de los enlaces peptídicos que ocurren en regiones helicoidales y laminares
Puentes de hidrógeno no peptídicos en los que no participan diversas funciones dipolo de los grupos R. Eje: ser (OH) / his (imidazol)
Interacciones con grupos prostéticos. Eje: Ion metálico con R de asp ò glu.
Interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales apolares de los residuos: fen, lev, val, ile y otros no polares.
Estas interacciones no covalente presentan una fuerza de enlace muy baja, por lo que se pueden llamar como interacciones débiles. Estas interacciones que cooperan a su estabilización son de cuatro los tipos principales: 1. 2. 3. 4.
los enlaces de hidrógeno, como enlaces de doble hélice los puentes de hidrógeno entre grupos interacciones hidrofóbicas entre grupos no polares enlaces iónicos entre grupos cargados positiva y negativamente como el – COO-.grupo R del aspartato y del glutamato y el NH3 de la lis
Se percibe que las acciones hidrofóbicas entre los grupos R no polares son los mas importantes. La mayoría tiene entre el 30 y 50 % de a.a no polares. El análisis de difracción de los rayos X demuestra que casi todos estos grupos R se encuentran en el interior de las proteínas globulares nativas, protegidas de su exposición al agua. Se podría pensar que la formación natural de las cadenas polipeptídicas globulares es una conformación de orden superior, en el que aparentemente disminuye la entropía. Seria esto una violación de la segunda ley de termodinámica? No, porque en el equilibrio cuando la cadena anárquica esta totalmente plegada, el incremento de la entropía las moléculas de agua del
entorno es mayor que el decremento en la entropía de la cadena polipeptídica, que se encuentra ahora correctamente enrrollada. No se ha valorado la segunda ley porque la combinación del sistema (polipeptidico) y su entorno (agua) han experimentado un incremento neto de la entropía, la molécula de proteína siempre tiene tendencia a empaquetarse o sea a ocupar el menor espacio posible y expulsar las moléculas de agua.
NIVEL SUPERSECUNDARIO:
Entre el nivel secundario y terciario hay una forma intermedia de estructura que es importante comprenderla porque ella contribuye a aclarar el nivel terciario de la proteína. Ese nivel se llama NIVEL SUPERSECUNDARIO. Este nivel sirve para designar las formas posibles de asociaciones secundarias que se repiten en forma frecuente y que son termodinámicamente estables. Estas son: MOTIVOS: Un motivo es un elemento conservado en la secuencia de aminoácidos, que habitualmente se asocia con una función concreta. Los motivos se generan a partir de alineamientos múltiples de regiones con elementos funcionales o estructurales conocidos, por lo que son útiles para predecir la existencia de esos mismos elementos en otras proteínas de función y estructura desconocida.
1. ORGANIZACIÓN αα: Es una estructura antiparalela de hélices dobles, la misma cadena tiene hélices dobles que van acercándose. 2. UNIDAD BETA ALFA BETA: donde hay plegamientos laterales paralelos que están unidos del comienzo al final por una doble hélice 3. LA GRECA: con plegamientos laterales antiparalelos unidos por unidades aleatorias o dobleces que sueltan 4. MEADRO: estructura en que se combina una lamina con una aleatoria alternadamente.
Estos plegamientos se pueden combinar para obtener la organización tridimensional de la molécula polipeptídica así:
PARALELA ALFA BETA: esta estructura puede formar un barril por ejemplo, la de triosa fosfato isómeras.
COJINETE DOBLADO: donde hay laminas beta paralelas y antiparalelas con algunos elementos helicoidales.
ANTIPARALELAS BETA: en esta estructura supersecundaria se pueden dar algunas clases de proteinas desde el
Eje: la carboxipeptidasa
punto de vista estructural.
Todos los motivos proteicos están incluidos en un banco de datos denominado Structural Classification of Proteins (SCOP). FINGERPRINTs
Un fingerprint es un conjunto de motivos que se usan para predecir la presencia de motivos similares, bien en una secuencia concreta o en una base de datos. Un fingerprint contiene un número de motivos consecutivos tomados de distintos puntos de un alineamiento múltiple. Las secuencias que pertenecen a la misma familia contienen todos los motivos del mismo fingerprint, mientras que las subfamilias comparten sólo parte del fingerprrint. DOMINIOS
Un dominio es la posibilidad de una cadena polipeptídica de organizarse con otras cadenas polipeptídicas, en forma independiente, pero formando parte de la misma proteína. No designa a un segmento de la cadena polipeptídica sin tener en cuenta el resto, que puede ser otro dominio u otros. El dominio puede tener muchos motivos estructurales. Una proteína globular puede tener varios dominios los cuales es posible separarlos en forma estructural, pero no en forma funcional. La función es el resultado del entorno entre los dominios estructurales. Eje: la enzima alcohol desidrogenasa hepática. Tiene varios dominios pero cada uno por separado no actúa, mientras que otra si lo hace. Otro ejemplo es la mioglobina que fue la primera proteína de quien se conoció su estructura tridimensional. Tiene 8 segmentos diferentes de beta alfa beta asociada con un grupo prostético heme. Su contenido helicoidal es de 80 % y con estructuras aleatorias y con dobleces pronunciados. En cada proteína se ve una mezcla de estructura secundaria, donde cada dominio depende del número de a.a de la molécula. En la estructura tridimensional pueden surgir regiones moleculares y la molécula total es el resumen de la unión de todas estas estructuras. ESTRUCTURA CUATERNARIA:
Es una asociación de dos o mas cadenas polipeptídicas unidas tan solo por fuerzas de atracción no covalentes entre los grupos R de la superficie de las cadenas. No hay formación de enlaces covalentes como los puentes –S – S -, entre las cadenas. Es una interacción de componentes tridimensionales ya establecidos. Es el arreglo espacial de subunidades integradas a una forma geométricamente especifica que origina una proteína como una multisubunidad.
En estas proteínas se presentan sitios o centros que permiten la unión con otra idéntica o diferente. Ella si tiene otra que tenga los puntos de contacto forma una multisubunidad y si no la hay se queda independiente, pero generalmente la hay. Las proteínas de este grupo se conocen como oligomeros (dimeros, trimeros y tetrámeros etc.) las cadenas individuales suelen llamarse subunidades, cada subunidad es un protomero. Si las cadenas subunitarias son idénticas, la proteína es un oligomero homogéneo. Si las cadenas subunitarias son diferentes es un oligomero heterogéneo. Una estructura cuaternaria es la de la hemoglobina. Está formada por 4 cadenas polipeptídicas cada un de las cuales se asocia a un grupo heme. Tiene dos α y dos β. Hay una homología de aproximadamente 40% entre las cadenas α y β. Cada una de ellas es codificada por un gen distinto y los tres genes está situados en cromosoma distintos. Es un oligómero (dímero) de la subunidad α β. Un oligómero formado por dos protómeros. Una de las funciones exhibidas por algunos oligómeros es la regulación de la actividad por interconverción entre estados asociados y disociados. La estructura oligomérica puede generar formas híbridas. Las proteínas oligoméricas confieren a la célula un espectro de actividad proteica, es decir, no se trata de un espectro de actividades diferentes sino de distintos grados de una misma actividad o de diversas respuestas ante inhibidores, activadores u otras señales ( co mo temperatura) que controla dicha actividad. Es un mecanismo eficaz que tienen las células para adaptarse a las condiciones cambiantes, a distintas necesidades o a ambas cosas. Las proteínas híbridas de asocian en diferentes proporciones y forman estructuras oligoméricas híbridas, que realizan la misma función. Esto se observa en algunas enzimas que tienen formas híbridas y se llaman isoenzimas o isozimas. DESNATURALIZACIÓN:
Cuando las proteínas con dos o más subunidades de cadenas polipeptídicas se someten a acciones que provocan desnaturalización, es decir, a acidez elevada, calor o concentraciones altas de urea, β mercaptoetanol o cloruro de guanidina, etc. Experimentan cambios conformacionales hacia formas más anárquicas en dos etapas. 1. Disociación de las cadenas entre si. 2. Desplegamiento de las cadenas separadas produciendo arrollamiento al azar.
La pérdida de la estructura de la proteína es un proceso reversible cuando dichas acciones desnaturalizantes no son extremas. Se supone que puede haber un estado intermedio entre el estado nativo y desplegado, para que el proceso sea reversible. Nativa
Desnaturalizada o desplegada
inactiva
Si el tratamiento se realiza muy cuidadosamente, las cadenas polipeptídicas de un proteína oligomérica pueden a veces separarse unas de otras sin alterar su estructura terciaria normal. Si se emplean condiciones más drásticas, las subunidades polipeptídicas no solamente se separan, sino que también se despliegan para formar arrollamientos anárquicos.
Algunas proteínas oligoméricas totalmente desnaturalizadas y desplegadas, pueden volver a su forma nativa. Entre más pequeña la proteína puede producirse un cambio reversible. La secuencia de aminoácidos en la cadena es determinante en la conformación nativa. Un ejemplo de ello nos lo dan los experimentos de F. White y C. Anfinsen, sobre la ribonucleasa, la cual después de haber desplegado su cadena por agentes desnaturalizantes, vuelve a producir su estado nativo al separar el agente que produjo su desplegamiento. Existe un estadio entre la forma nativa y la desplegada, el cual es un estadio intermedio semiordenado, que se denomina Glóbulo Fundido. A partir de éste estadio, la renaturalización tiene varios pasos, como son la formación de α hélices, estabilización del interior apolar, agrupación de motivos, aparición de dominios, aparición de la proteína nativa. MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE PROTEÍNAS
Se aprovechan las propiedades de las proteínas en solución para separar mezclas de éstas basándose en su: Tamaño (peso) molecular; Solubilidad; Carga eléctrica; Afinidad biológica po r otras moléculas. 1. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN BASADOS EN EL TAMAÑO MOLECULAR A. Diálisis y Ultrafiltración. Las proteínas globulares en disolución pueden separarse fácilmente de los solutos de bajo peso molecular por diálisis, en la cual se utiliza una membrana semipermeable para retener moléculas de proteína, permitiendo que las moléculas pequeñas de soluto y de agua las atraviesen. En la ultrafiltración se utiliza la presión de la fuerza centrífuga para hacer pasar por una membrana semipermeable agua y moléculas pequeñas, reteniendo a las proteínas. Centrifugación en gradiente de densidad. Se usa una solución de sacarosa cuya concentración varía de 20 al 60%, se puede separar una mezcla de proteínas, que al centrifugar, se separaran en bandas, según su tamaño, forma y densidad. B. Cromatografía de exclusión molecular. También se le conoce como filtración en gel . Se utiliza una columna empaquetada con esferas porosas de un polímero inerte (Sephadex ™, Bio-Gel ™) Las moléculas de proteína muy grandes no pueden penetrar en los poros de las partículas y por lo tanto son las primeras en salir (excluídas), mientras que las proteínas más pequeñas penetran y salen de los poros retardando su salida de la columna y así se separan. 2. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN BASADOS EN DIFERENCIAS DE SOLUBILIDAD.
Las proteínas en solución muestran cambios de solubilidad en función del pH, la fuerza iónica, propiedades diélectricas del solvente y la temperatura. A. Precipitación isoeléctrica. Las proteínas muestran un mínimo de solubilidad a su pH isoeléctrico, que es el valor de pH en el cual la proteína no posee carga eléctrica. En estas condiciones, no existe repulsión electrostática entre moléculas de proteínas vecinas y tienden a coalescer y precipitar. Cada proteína tiene un pI y estos van desde 1.5 hasta 11.0. B. Solubilización y precipitación de proteínas por salado. Las sales neutras afectan la solubilidad de las proteínas globulares: a bajas concentraciones, las sales incrementan la solubilidad de las proteínas ya que se induce la ionización de los grupos R disociables de la proteína. Por otra parte, conforme aumenta la fuerza iónica, se puede precipitar una proteína ya que la concentración elevada de sales puede eliminar el agua de hidratación de las moléculas de proteína. El sulfato de amonio es usado frecuentemente para este propósito. C. Fraccionamiento con disolventes. La adición de solventes orgánicos miscibles con el agua, como lo son el etanol y la acetona disminuye la solubilidad de la mayor parte de las proteínas globulares, de tal forma que precipitan. El efecto del solvente es incrementar la fuerza de atracción entre cargas opuestas, disminuyendo el grado de ionización de los grupos R de la proteína. Así, las moléculas de proteína tienden a agregarse y precipitan. D. Efecto de la temperatura en la solubilidad.
Entre los 0 y los 40 °C, la solubilidad de la mayoría de las proteínas aumenta conforme aumenta la temperatura. A partir de los 50 °C, comienza la desnaturalización en muchas proteínas, que se agregan y precipitan. 3. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACION BASADOS EN LA CARGA ELECTRICA. A. Cromatografía de Intercambio Iónico. Se utilizan columnas empacadas con derivados sintéticos de la celulosa. Por ejemplo: dietilaminoetil celulosa (DEAE) contiene grupos cargados positivamente a pH 7.0 y es por lo tanto un intercambiador aniónico, ya que proteínas con carga neta negativa van a interaccionar con esta columna. Por otro lado, la carboximetil-celulosa tiene carga negativa a pH neutro y es un intercambiador catiónico que retiene a proteínas con carga neta positiva. La elución sucesiva de las proteínas se logra haciendo pasar soluciones amortiguadoras con pH decreciente o aumentando la fuerza iónica. B. Métodos electroforéticos. La mezcla de proteínas que se va a analizar se somete a un campo eléctrico en un gel soporte poroso que generalmente es la poliacrilamida. La migración va a depender de la carga eléctrica de la proteína. Una variación de este método es el electroisoenfoque en que se separan las proteínas en un gel donde se ha establecido un gradiente de pH y al aplicar el campo eléctrico, las proteínas van a migrar hasta la zona del gel donde el pH sea igual a su punto isoeléctrico y en ese punto se detendrá. 4. SEPARACION BASADA EN LA ESPECIFICIDAD DE LIGANDOS. A. Cromatografía de Afinidad. Esta técnica se basa en la capacidad biológica las proteínas de unirse no covalentemente a otra molécula llamada ligando. La naturaleza química de los ligandos es muy diversa ya que pueden ser metales, moléculas orgánicas de bajo peso molecular u otras proteínas.
COMPILADO POR: JESUS ADRIANO ROMO R. Profesor Dpto Química Universidad de Nariño
