Tema 4. Aminoácidos, péptidos y Proteínas

Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas

Bioquímica y Biología Molecular

TEMA 4

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS PÉPTIDO S Y PROTEÍNAS 1. Estructura y clasificación de los aminoácidos. 2. Propiedades ácido-base de los aminoácidos y péptidos 3. El enlace peptídico 4. Péptidos: hidrólisis y secuenciación 5. Clasificación Clasificación y función biológica de l as proteínas proteínas 6. Niveles estructurales de las proteínas

1. Estructura y clasificación de los aminoácidos.

Como su nombre indica los aminoácidos son compuestos que poseen un grupo amino (-NH2) y un grupo ácido (carboxílico -COOH) en su estructura. Los aminoácidos son los precursores de los péptidos y las proteínas, y en ellos el grupo amino y el grupo carboxilo, se encuentran unidos al mismo átomo de carbono, conocido como carbono-E (E-aminoácidos) . La estructura general de los Eaminoácidos (a excepc excepción ión de la prolina, que es cíclica) se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Estructura química de un aminoácido. Estructura química en el plano y estructura espacial. Enantiómeros del aminoácido alanina.

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Como se puede apreciar, el carbono- E (a excepción de la glicina) es un carbono quiral y como tal tal presenta dos enantióme enantiómeros ros (L - y D-). Los 20 E-aminoácidos presentes en las proteínas son de la serie L- y en su representación de Fischer poseen el grupo amino hacia la izquierda. La diferencia entre los aminoácidos viene dada por el resto -R, o cadena lateral, lateral, unida al carbono carbono - E. Atendiendo a la naturaleza del grupo -R los aa s pueden clasificarse en: · · · ·

Neutros o apolares Polares sin carga Polares con carga negativa Polares con carga positiva

La Figura 2 recoge las estructuras estructuras de los 20 L - E-aminoácidos a pH fisiológico. Neutros o Apolares. Son 8 los aminoácidos aminoácidos que se cla sifican como poseedores de cadenas laterales no polares. La alanina, valina, leucina e isoleucina , poseen cadenas laterales de hidrocarburos alifáticos. La metionina posee una cadena lateral de éter tiólico ( C-S-C). La prolina es el único aminoácido aminoácido cíclic o, pues el grupo -R se cierra sobre el N del grupo E -amino (realmente es un amina secundaria). Por su parte, la fenilalanina y el triptófano contienen grupos aromáticos. Polares sin carga. Siete son los E-aminoácidos cuyo resto -R es polar pero sin carga. La glicina posee la cadena más simple, un átomo de hidrógeno. La serina y la treonina son portadores de un grupo hidroxilo (- OH). La asparragina y la glutamina , poseen cadenas laterales portadoras de un grupo amida, y por hidrólisis dan lugar, respectivamente, a aspartato y glutamato, dos aminoácidos con carga negativa. La tirosina posee un grupo fenólico y la cisteína debe su polaridad a la presencia presencia de un grupo tiólico ti ólico (- SH). Polares con carga negativa. Existen dos E-aminoácidos cuyo resto polar posee carga negativa negativa a pH fisiológico, fisiológico, debida a la presencia presencia de un un grupo carboxilo carboxilo ( COOH) , el ácido glutámico y el ácido aspártico . Polares con carga positiva. Tres son los E-aminoácidos que poseen restos -R cargados positivamente a pH fisiológico. La lisina posee una cadena lateral de butilamonio, la arginina presenta un grupo -R de guanidina y la histidina es portadora de un grupo -R de imidazolio.

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Figura 2. Estructura química de los L-aminoácidos.

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Esta clasificación se ha realizado en base al grupo -R, pero es importante indicar que a pH fisiológico (pH 7,3), el grupo E-amino se encuentra cargado positivamente y el grupo E-carboxilo lo está negativamente, por esta razón en la Figura 2 estos grupos aparecen siempre cargados. Dentro del conjunto de los aminoácidos natu rales, existen unos que pueden ser sintetizados por las células humanas a partir de otras sustancias, pero también hay aminoácidos que debemos tomarlos en la dieta, ya que nuestras células no pueden sintetizarlos sintetizarl os o, cuando menos, no en cantidad suficiente para satisfacer la demanda del organismo; se conocen con el nombre de aminoácidos esenciales y son valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, fenilalanina, triptófano y lisina.

2. Propiedades ácido-base de los aminoácidos aminoácidos y los péptidos

El pH del medio en el que se encuentre el aminoácido es esencial para determinar sus propiedades ácido-base, aspecto importante pues de ello dependen las propiedades químicas y la funcionalidad biológica de los péptidos y proteínas que forman. Las propiedades ácido-base de un aminoácido vienen determinadas por los grupos protonables que posea. Un aminoácido puede actuar bien como ácido o como base (sustancias anfóteras ), pudiendo tener hasta tres grupos con con carácter ácido -base: el E-amino, el E-carboxilo y, en algunos casos, el resto -R. Lo importante es que estos grupos poseen un carácter ácido-base débil, lo que hace que, dependiendo del pH, el correspondiente equilibrio pueda desplazarse en un sentido o en otro (hacia la forma protonada o hacia la desprotonada, Figura 3).

Figura 3 Ionización Ionización de un L -aminoácido. -aminoácido. 52



La expresión que regula la proporción entre las formas protonada y desprotonada es:

pH ! pK a  log

DP P

Donde DP es la forma protonada y P es la forma desprotonada. Veamos como afecta el pH a la valina. La val posee sólo dos grupos protonables, el E-amino y el E-carboxilo. A pH fisiológico la valina presentaría la siguiente estructura:

NH3

COO

+

CH CH CH3

CH3

Tomemos los grupos por separado y veamos como les afecta el pH. El grupo Eamino presentaría presentaría dos formas, una protonada protonada (P) y cargada positivamente positivamente ( -NH 3+), y otra desprotonada desprotonada (DP) (DP) y sin carga ( -NH2), según el siguiente equilibrio:  NH 3 p NH 2  H 

donde el p K a

!  log K  } 8 a

si el pH aumenta, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (dominando la forma con carga 0) y si disminuye lo hará hacia la izquierda (dominando la forma con carga +1). Con el grupo E-carboxilo ocurriría algo similar: 

COOH

COO  H  

donde el pK a

!



log K a  } 2

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En función del pH, la proporción de forma protonada (carga 0) o forma desprotonada (carga -1) variará, respetando siempre la constante de ionización del grupo en cuestión si la temperatura se mantiene constante. Supongamos

que estamos ahora a pH 1; en estas condiciones de elevada concentración de protones en el medio ambos equilibrios estarían desplazados en un 100 % hacia las formas protonadas. Si aumentamos el pH los equilibrios comenzarían a desplazarse hacia la derecha hasta llegar a un pH muy básico, momento en el que las formas dominantes (al 100 %) serían las desprotonadas.

Pero, ¿qué ocurre a pHs intermedios?. Para ello debemos tener en cuenta cuenta la K a para cada equilibrio, o mejor dicho su pK a (que sería el -logK a). El grupo E-amino de la valina tiene un pK de 8, y esto quiere decir que a pH 8 el 50 % de los grupos amino estarán estarán protonados protonados (si tenemos 100 moléculas moléculas de vali na, 50 tendrán el grupo amino protonado y 50 lo tendrán desprotonado, al menos teóricamente, según se desprende de la constante de ionización). Por su parte el grupo E-carboxilo de la valina, que tiene un pK de 2, estará protonado al 50 % cuando el pH del medio sea 2. En general se asumen las siguientes consideraciones, para determinar el porcentaje de protonación de un grupo ionizable en un aminoácido: · · ·

Si

el pH < pK-1 el grupo esta al 100 % protonado Si el pH > pK+1 el grupo e está stá al 100 % desproton desproton ado Si el pH = pK el grupo está al 50 % protonado

Tomemos ahora un aminoácido con tres grupos ionizables, el ácido glutámico:

(E-amino) NH3

+

COO - (E-carboxilo) CH CH2 CH2 COO (K-carboxilo)

que posee el grupo E-amino, el E-carboxilo y el K-carboxilo. Los tres grupos ionizables ionizables darán lugar a tres equilibri os ácido-base distintos, cada uno co con n su

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correspondiente pK a (2, 4 y 8 respectivamente). Para ver como afecta el pH a la carga de cada grupo vamos a realizar la siguiente tabla, en la que ordenamos (de menor a mayor mayor pK) los grupos protonables y sus corresp ondientes valores de carga en función del pH:

GRUPO E-carboxilo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

-0,5

-1

-1

-1

-1

-1

-1

-1

-1

0

0

0

-0,5

-1

-1

-1

-1

-1

-1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

0,5

0

0

+1

0,5

0

-0,5

-1

-1

-1

-1,5

-2

-2

(pK=2) K-carboxilo

(pK=4) E-amino

(pK=8) carga total

1) a pH= 1, el pH es inferior en una unidad al pK del grupo E-COOH, el cuál estará protonado al 100 %, luego su carga será 0; y lo mismo le ocurrirá al grupo K-COOH, protonado al 100 % y con carga 0. Por su parte, el grupo Eamino también estará protonado, aunque en este caso la carga del grupo es +1. 2) a pH= 2, se produce coincidencia del pH con el pK del E-COOH, por lo que estará al 50 % protonado. Luego la l a carga será -0,5 ; este pH es aún dos unidades inferior al pK del grupo K-COOH, que seguirá protonado (0), como también le ocurriría al grupo E-amino (+1). La carga total del glutámico sería 0,5. 3) a pH= 3, se ha superado en una unidad el pK a del E-COOH, luego estará desprotonado al 100 % y su carga será -1 para valores superiores de pH. Los otros dos grupos siguen estando protonados al 100 % (0 y +1, respectivamente). Y la carga total será cero. 4) a pH= 4, el pH coincide con el pK a del grupo K-COOH y estará protonado en un 50% (carga -0,5). El E-COOH seguirá desprotonado (0) y el E-amino protonado (+1). La carga total será ahora -0,5. 55



5) a pH=5 el grupo K-COOH estará al 100 % desprotonado y el resto de grupos seguirá igual, hasta llegar a pH= 8, donde el E-amino estará desprotonado al 50 % (0,5) , grupo que se desprotonará al 100 % a partir de un pH= 9. Como se puede apreciar en la tabla, la carga total del aminoácido depende del pH de la disolución en que se encuentre. En la siguiente tabla pueden localizarse los aminoácidos que, al igual que el ácido glutámico, poseen grupos ±R protonables.

Existe un pH al cual la carga neta del aminoácido es cero (si lo colocamos en un campo campo eléctrico no se desplazará desplazará hacia ninguno ninguno de los polos). El pH al cuál un aminoácido posee carga neta cero recibe el nombre de punto isoeléctrico (pI) , que es la media aritmética de los valores de pK 1 y pK2 que delimitan la forma con carga cero.

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3. El enlace peptídico

Los aminoácidos se encuentran unidos en los p éptidos y las proteínas mediante un enlace enlace amida (-CO-NH-) (-CO- NH-) :

Este enlace se forma por reacción entre el grupo E-COOH de un aminoácido y el Eamino del siguiente (con pérdida de una molécula de agua) y recibe el nombre de enlace peptídico .

Figura 4. Estructura espacial del enlace peptídico. (a) Ilustración del carácter parcialmente doble del enlace peptídico. (b) Configuración del plano que conforman el enlace peptídico y los carbonos E extremos.

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Entre los años 1930-1940, Pauling y Corey, mediante el estudio de Rayos X de cristales de aminoácidos, dipéptidos y tripétidos, dilucidaron la estructura tridimensional tridimensional del enlace peptídico peptídico ( Figura 4). Así, descubrieron que la unión unión C -N del enlace peptídico peptídico era más corta corta que en la mayor parte de los demás demás enlaces enlaces C -N y llegaron a la conclusión de que el enlace debía tener algún carácter de doble enlace, por la aparición de dos formas resonantes:

Luego dedujeron que los 4 átomos que rodeaban al enlace peptídico C -N (O, C E, CE, H) estaban situados en el mismo plano, de tal manera que el oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del N-H estarían en posición trans. Esta ordenación es rígida, y es el resultado de la estabiliza ción por resonancia resonancia de las formas anteriormente citadas.

Partiendo de estos dos hechos, puede describirse el armazón de una cadena polipeptídica como constituido por una serie de planos, con posibilidad de giro en los C E. De esta forma podemos escribir la estructura de un péptido como una sucesión de planos en la que los grupos -R se van alternando ( Figura 5). 5) .

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Figura 5. Estructura espacial de un péptido. Secuencia ordenada de los planos de enlace peptídico en el espacio. Los grupos R se alternan por encima y debajo del plano general de la molécula.

4. Secuenciación de un péptido

La secuencia de un péptido tiene gran importancia porque entre otras cosas condiciona los siguientes niveles estructurales. La insulina bovina fue la primera proteína que se secuenció completamente por Sanger en 1953, lo que le valió el premio Nobel. La determinación de la secuencia de la insulina fue el resultado del trabajo de muchos científicos durante 10 años, desde entonces se han secuenciado miles de proteínas. La secuencia de un péptido, si conocemos el gen del que proviene, puede secuenciarse indirectamente, secuenciando dicho gen. Pero también puede hacerse la secuenciación química directa. Los pasos a seguir son: -

Determinación Determinación de la composición del péptido por hidrólisis total y posterior análisis cromatgráfico. Determinación Determinación de los extremos C-terminal C-terminal y N-terminal Fragmentación por hidrólisis selectiva Secuenciación: Degradación de Edman

· La determinación de la composición composición del péptido se realiza por hidrólisis total presencia presencia de HCl 6N, calentando a 100 °C durante durante 10 -24h, y en tubo al que se le

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ha hecho el vacío. Tras el proceso se utiliza un sistema cromatográfico que permita separar y determinar cuántos y cuáles son los aminoácidos que forman la cadena. · La determinación determinación de los extremos C -terminal y N-terminal. Hay métodos métodos que permiten determinar el primer aminoácido (Resto N- terminal ) o el último (Resto C- terminal ) de una cadena polipeptídica. La determinación del resto N -terminal, se puede realizar, entre otros métodos, métodos, mediante la Degradación de Edman : en este proceso el péptido reacciona con fenil isotiocianato que se une selectivamente selectivamente al primer aminoácido. aminoácido. A continuac continuac ión se escinde con HF anhidro el aminoácido marcado, separándolo del resto selectivamente con un disolvente orgánico. Tras un tratamiento en medio ácido el compuesto compuesto resultante resultante se determina cromatográficam cromatográficamente ente ( Figura 6).

Figura 6. Determinación de la secuencia de un péptido. Determinación del primer aminoácido utilizando 2,4-dinitrofluorobenceno (a) o fenilisotiocianato (b). Este segundo método también se conoce como degradación de Edman .

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Por otro lado, la determinación del resto C-terminal, se puede realizar con idracina: este compuesto reacciona con todos los enlaces peptídicos del péptido, H idracina provocando provocando la hidrólisis de los l os mismos mismos y dando lugar a aminoacil -hidracinas con con todos los aminoácidos excepto con el último (C-terminal), pudiendo separarse del resto fácilmente y determinarse con posterioridad posteriori dad su naturaleza.

Fragmentación por hidrólisis parcial es necesaria porque por lo general no pueden secuenciarse péptidos con mas de 20 o 30 aminoácidos. aminoácidos. Se realiza con reactivos selectivos (en la mayoría de los casos proteasas) que hidrolizan determinados enlaces peptídicos. La tripsina hidroliza por la derecha de Arg , Lys La quimotripsina hidroliza por la derecha de Phe, Trp, Tyr La pepsina hidroliza por la izquierda de Phe, Trp, Tyr La termolisina hidroliza por la izquierda de Val, Leu, Ile El bromuro de cianógeno (BrCN) hidroliza por la derecha de la Met La secuenciación. Entre los distintos métodos existentes, podemos citar la degradación de Edman, cuyo fundamento hemos visto en la determinación del

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extremo N-terminal. La aplicación continuada de varios ciclos de la degradación de Edman me permite la secuenciación de todo el péptido, siempre que este no tenga más de 20 o 30 aminoácidos. No obstante los actúales requerimientos de secuenciación de gran cantidad de péptidos en poco tiempo, han dado origen al desarrollo de nuevos métodos de secuenciación de péptidos, desarrollados principalmente para afrontar proyectos como el del proteoma humano. Entre estos métodos podemos citar el MALDI MS y el ESI MS , ambos basados en la espectrometría de masas. La espectrometría de masas permite calcular la masa del compuesto analizado con gran precisión. precisión. Esta técnica se basa en que la desviaci desviaci ón que sufre una partícula cargada al atravesar un campo magnético depende básicamente de su carga y masa. Si ionizamos las moléculas, la mayoría con carga +1, y las sometemos a un barrido de campo magnético obtenemos un espectro de masas. Esta técnica se utilizaba con moléculas en fase gaseosa lo que impedía su aplicación a moléculas sensibles a la descomposición por calor o por los tratamientos tradicionales utilizados para pasar la muestra a fase gaseosa. En 1988 se desarrollaron dos técnicas que permiten evitar este problema. La espectrometría de masas da mucha información sobre la masa molecular, la presencia de cofactores, etc. Y además puede utilizarse para secuenciar pequeñas cadenas de polipéptidos, mediante una técnica conocida como tanden M S, que básicamente consiste en dos epectrometros de masas en serie. La proteína bajo estudio se trata con proteasas para obtener una mezcla de pequeños péptidos. En el primer espectrómetro la mezcla de péptidos se trata de forma que solo uno de los péptidos es seleccionado para su posterior análisis. El péptido seleccionado se fragmenta en la cámara de colisión que se encuentra entre los dos espectrómetros donde una pequeña cantidad de gas noble (He o Ar) produce la fragmetación del péptido preferentemente por los enlaces peptídicos, como la cámara está en vacío no hay agua los productos son radicales. Los fragmentos son medidos en el segundo espectrómetro. En un especto típico los picos mayoritarios corresponden a radicales que difieren en la masa masa de un aminoá aminoáci ci do particular. particular. Así puede deducirse deducirse la secuencia. La única ambigüedad tiene lugar entre la leucina y la isoleucina que tienen la misma masa molecular. Este método es rápido, requiere sólo minúsculas cantidades cantidades de muestra que pueden pueden ser extraídas de una elec troforesis bidimensional. Las grandes compañías como Celera (participó en el proyecto genoma humano) disponen de sistemas automatizados en que una gran cantidad de

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proteínas se separan por electroforesis bidimensional o HPLC, cada punto puede ser luego secuenciado por un espectrómetro en tandem. Este método podría usarse también para la secuenciación de DNA, pero los métodos tradicionales son tan rápidos que no es rentable. La figura muestra un típico espectro realizado por espectrometría en tandem de un pequeño péptido de 10 aminácidos. La secuencia deducida de este péptido fue; Phe-Pro-Gly-Gln-(Ile/Leu)-Asn-Ala-Asp-(Ile/Leu)-Arg.

5. Clasificación y función biológica de las proteínas

Las proteínas son cadenas polipéptidicas que se diferencian de los oligopéptidos en el número de aminoácidos que contienen, en su carácter funcional y sobre todo en que son el resultado del proceso de traducción genética. La conformación de una proteína hace hace referencia a la disposición espacial espacial de la misma, aspecto aspecto de vital importancia, pues va a estar directamente relacionado con la función que desempeñan. Según la conformación las proteínas pueden clasificarse en fibrosas y globulares. Las fibrosas poseen las cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje. Forman materiales físicamente resistentes e insolubles en agua, siendo elementos básicamente estructurales como por ejemplo la Equeratina del pelo, la fibroina de la seda o el colágeno de los tendones. Por su parte, las proteínas globular es, están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas plegadas de modo que puedan adoptar una conformación esférica o globular, desempeñando diferentes funciones de tipo metabólico (proteínas transportadoras, transportadoras, enzimas, enzimas, anticuerpos,...). Algunas pro teínas incluso pueden pueden

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situarse entre estas dos conformaciones como sería el caso de la miosina de los músculos o el fibrinógeno de la sangre.

6. Niveles estructurales de las proteínas

La conformación que presenta una proteína va a depender directamente de los distintos niveles estructurales (hasta cuatro, esquema esquema en Figura 7) que posee, niveles que a continuación se detallan.

Figura 7. Esquema de los cuatro niveles de estructura de las proteínas.

a) Estructura primaria : hace referencia a la posición que ocupa cada aminoácido en la cadena polipeptídica, polipeptídica, e s decir nos da idea de la secuencia de la proteína. La importancia de este nivel radica en que la posición que ocupa cada aminoácido dentro de la cadena va a condicionar enormemente el resto de los niveles estructurales estructurales y en último término la función que d esempeña esempeña la proteína.

b) Estructura Estructura secundaria: hace referencia a la ordenación regular y periódica de la cadena polipeptídica en una dirección determinada. Básicamente, podemos encontrar dos tipos de estructura secundaria, la hélice-E y la conformación-ß.

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y


En la Hélice-E (Fig.8) la cadena polipeptídica adopta una conformación helicoidal. Las estructuras helicoidales se caracterizan por el numero de aminoácidos por vuelta (n) (3,6 restos en la Hélice- E) y por su paso de rosca (p) , o distancia entre vueltas (5,4 Å para la Hélice- E). Esta conformación conformación se estabiliza estabiliza por puentes de de hidrógeno hidrógeno (R -C=O ····· H-N-R) intracatenarios intracatenari os (dentro de la hélice). Además, los restos -R de los aminoácidos se disponen haci a fuera de la hélice evitando las interacciones estéricas (por grupos voluminosos) y estabilizando la conformación. Por otro lado, la hélice- E se distorsiona o pierde la conformación cuando en la secuencia aparece una prolina, único aminoácido ciclado por su grupo Eamino.

Figura 8. Esquema de la hélice- E

y

En la conformación-ß (Fig.9) la cadena adopta una ordenación lineal en la que los restos -R, de los aminoácidos, se van alternando por encima y por debajo debajo (zig-zag) (zig -zag) del plano del enlace peptídico. peptídico. Esta conformación conformación s e estabiliza con puentes de hidrógeno entre varias cadenas de proteínas con conformación-ß. El resultado de estas interacciones es la hoja plegada ß , que puede presentar un plegamiento paralelo, (en el que las cadenas

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vecinas se desarrollan desarrollan en la misma di rección), o bien un plegamiento antiparalelo con cadenas vecinas en direcciones opuestas.

Figura 9. Esquema de la hoja plegada- FEn antiparalela (a) y paralela (b)

conformación

Aunque las dos conformaciones (hélice-E y hoja plegada- F son posibles dentro de una misma proteína (como veremos en la estructura terciaria), existen también proteínas que presentan sólo una de las dos. La E-queratina es una proteína que aparece en todos los vertebrados superiores y es el componente principal del pelo, la lana, las uñas o los cuernos. El pelo está construido por células muertas, cada una de las macrofibrillas cuales contiene empaquetadas que se orientan paralelamente a la fibra del pelo. Éstas están formadas por microfifrillas , que es una asociación de protofibrillas que continúen continúen dos cadenas cadenas de hélice E que que se retuercen en un arrollamiento hacia la izquierda. Las E-queratinas poseen un alto contenido de Cys (R= CH2-SH) de tal manera que las interacciones entre las hebras se

Fig.10 E-queratina del pelo

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producen producen a través de puentes puentes disulfuro ( - S-S-) dando una gran resistencia e insolubilidad al conjunto. Aunque la insolubilidad de las E  queratinas queratinas impide que la mayor parte de los animales la puedan digerir, la polilla, posee una concentración elevada de mercaptanos, que rompen los puentes disulfuro, en su tracto digestivo, y por lo tanto pueden digerir la lana. Por su parte, la fibroína (Fig.11) de la seda es una agrupación agrupación de ß -queratinas en conformación hoja plegada-ß antiparalela unidas por enlaces de hidrógeno intracatenarios. intracatenarios. La fibroina y otras ß -queratinas son muy muy ricas en aminoácido am inoácidoss poco voluminosos (gly y ala), lo que facilita que las hojas se apilen unas sobre otras, de tal modo que se alternan zonas de contacto entre glicinas y zonas de contacto entre alaninas, alaninas, interaccionando interaccionando mediante fuerzas débiles débiles de van der Waals. Es te hecho hace posible que la seda pueda extenderse en fibras fácilmente separables (separando hojas) pero relativamente difíciles de romper (implicaría romper los enlaces peptídicos).

Figura 11. Hoja plegada- F de fibroina de la seda.

la

Por otro lado, existe existe la posibilidad de transformar transformar l a E-queratina en ß-queratina. Así, cuando el pelo o la lana se someten a la acción del vapor (calor + humedad) pueden incluso duplicar su longitud. Lo que ocurre es que se rompen los puentes de hidrógeno de la hélice- E y las cadenas polipeptídicas polipeptídi cas adoptan una conformación -ß; no obstante los grupos -R de las E-queratinas son muy voluminosos, lo que hace que la conformación-ß se desestabilice y al poco tiempo adopte de nuevo la conformación en E-hélice con lo que que el pelo o la lana recuperan recuperan su longitud longitud origin al.

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c) Estructura terciaria : hace referencia al modo en que se curvan o pliegan en el espacio espacio los segmentos de hélice - E y/o conformación-ß, que presenta una cadena polipeptídica de los proteínas globulares . La conformación espacial de las proteínas depende lógicamente de su estructura primaria, así las cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas globulares se hallan distribuidas espacialmente de acuerdo con sus polaridades, de tal forma que: y

y

y

Los restos no polares polares aparecen, aparecen, casi siempre, siempre, en el i nterior de la proteína, para no entrar en contacto con el disolvente acuoso que la envuelve, creando un ambiente hidrofóbico. Los residuos polares con carga se hallan situados, normalmente en la zona externa, interaccionando con el medio medio acuoso. A veces, se requiere de estos centros en la parte interna de la proteína y en estos casos también ocurre que están directamente implicados en alguna funcionalidad de la proteína, bien a nivel estructural o bien a nivel catalítico. Los grupos polares sin carga, carga, apa recen distribuidos distribuidos por la totalidad de la cadena, si bien mayoritariamente, también aparecen en las partes externas, en contacto con la disolución acuosa.

Como consecuencia de esta distribución de restos, las proteínas globulares son muy compactas, hay poco espacio en el interior, de modo que el agua difícilmente accede a dicho espacio. Algunas proteínas, como le ocurre a la mioglobina (Fig.12) están constituidas solo por hélices- E. La estructura terciaria de la mioglobina , se trata de una proteína globular que contiene una sola cadena polipeptídica, constituida por ocho segmentos de hélice- E . La mioglobina se halla, principalmente, en las células de los músculos esqueléticos y es especialmente abundante en los mamíferos buceadores, en los que no sólo actúa a ctúa almacenando oxígeno, sino también contribuyendo al aumento de la velocidad de difusión del oxígeno. La proteína, además, contiene un componente no proteico, el grupo hemo que permite la oxigenación y desoxigenación de forma reversible.

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Fig.12. Estructura de la Mioglobina, donde se aprecia el grupo hemo (en rojo) y los 8 segmentos en hélice-E

io lobina

Otras proteínas globulares, como la concanavalina A (Fig.13a) (lectina de soja) mayoritariamen mayoritariamente te está formada por regiones extensas de hoja hoja plegada -ß. Por otro lado, también nos podemos encontrar con proteínas que poseen cantidades significativas de ambos tipos de estructura secundaria, como puede ser la anhidrasa carbónica (Fig.13 b).

a

b

Fig.13. Estructura de la concanavalina concanavali na A (a) y la anhidrasa carbónica (b)

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d) Estructura cuaternaria : Muchas proteínas globulares son oligoméricas, es decir están formadas formadas por más de una subunidad subunidad polipeptídica. polipeptídica. La posició n espacial que ocupa cada una de estas subunidades respecto a las otras queda determinada por la estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria de la hemoglobina (Hb) estaría formada por cuatro subunidades (iguales dos a dos) cada una con su grupo hemo, necesario para el transporte de oxígeno.

Fig.14 Estructura cuaternaria de la hemoglobina

En la figura 7 se mostraban los cuatro niveles estructurales presentes en la hemoglobina. Así, se puede apreciar como la estructura primaria condiciona el resto de niveles estructurales estructurales de la Hb. De hecho, existen existen varias mutaciones mutaciones de las moléculas de Hb, en las que la secuencia de aminoácidos difiere un poco de la secuencia de la Hb normal (conocida como HbA). La mayoría de estas mutaciones son inofensivas, pero algunas causan graves enfermedades , como es el caso de la Hb de las células falciformes (Hb S). La diferencia entre la HbA y la Hb S (Fig.15a y 15b) radica sólo en que en la secuencia una molécula de ac. glutámico (polar con carga) es sustituida por una Val (apolar). Este pequeño cambio (1 de los 146 aa s de las cadenas- ß) tiene un profundo efecto sobre el resto de niveles estructurales, pues la apolaridad de la

Fig.15a Glóbulos

rojos con HbA 70



Val (situada en un extremo exterior) interacciona de modo hidrofóbico con partes apolares de las subunidades a de otras Hb S. Est o hace que las moléculas moléculas se agreguen y precipiten en las células. Como consecuencia, los glóbulos rojos (normalmente con forma de disco) adoptan una forma de media luna, obstruyendo los capilares más delgados, restringiendo el flujo sanguíneo y provocando entre otras complicaciones dolores severos y sudoración.

Fig.15b Glóbulos

rojos con HbS

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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y Proteínas

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