1.
AMINOÁCIDOS. Clasificación (polaridad de los grupos R). Propiedades
(ácido-base y actividad óptica)
2. PÉPTIDOS
Y ENLACE PEPTÍDICO.
3. LAS
PROTEÍNAS. Estructura primaria, secundaria, terciaria (fibrosas y
globulares) y cuaternaria. Desnaturalización y renaturalización
de proteínas.
1. Aminoácidos
Constituyen el alfabeto de la
estructura proteica.
Se trata de ácidos con un grupo
amino en α y con un grupo R. La fórmula general de los 20
α-aminoácidos que se hallan corrientemente en las proteínas es:
Difieren entre sí por la
estructura de sus cadenas laterales
distintivas, llamadas grupos R.
El método más significativo
propuesto para clasificar los aminoácidos se funda en la polaridad de los
grupos R:
1) Aminoácidos con grupos R
no polares:
-Alanina (Ala)
-Valina (Val)
-Leucina (Leu)
-Isoleucina (Ile)
-Prolina (Pro)
-Fenilalanina (Phe)
-Triptófano (Trp)
-Metionina (Met)
2) Aminoácidos con grupos R
polares sin carga:
-Glicocola (Gly)
-Serina (Ser)
-Treonina (Thr)
-Cisteína (Cys)
-Tirosina (Tyr)
-Asparagina (Asn)
-Glutamina (Gln)
3) Aminoácidos ácidos
(cargados negativamente a pH 6'0):
-Ácido aspártico (Asp)
-Ácido glutámico (Glu)
4) Aminoácidos básicos
(cargados positivamente a pH 6'0)
-Lisina (Lys)
-Arginina (Arg)
-Histidina (His)
Además de los 20 aminoácidos
corrientes en proteínas se han hallado otros de aparición poco frecuente. Todos
son derivados de algún aminoácido corriente. Es el caso de la 4-hidroxiprolina,
derivado de la Pro, que se encuentra con cierta frecuencia en la proteína
fibrosacolágeno y en algunas proteínas
de las plantas. La 5-hidroxilisina también está presente en el colágeno.
Por último, se conocen unos 150
aminoácidos más, presentes en células y tejidos de forma libre o combinada, pero
nunca en proteínas. Suelen ser derivados de los α-aminoácidos presentes en
proteínas, pero también se conocen β-, γ-, y δ-aminoácidos:
*Ácido-base: según cuál sea el
pH, los aminoácidos pueden comportarse como ácidos o como bases (es decir, como
dadores de protones o como aceptores). En medio ácido se comportan como bases y
en medio básico como ácidos, debido a que el grupo -NH2 tiende a
captar H+ en medio ácido y el -COOH a cederlos en medio básico.
Son por esto sustancias anfóteras
(del gr. amphi: ambos) y se denominan anfolitos.
A pH fisiológico aparecen así:
Para todos los aminoácidos hay
un pH en el que el n1 de cargas + y el n1 de cargas - es igual. Es el
llamado pH isoeléctrico o punto isoeléctrico.
Para aminoácidos con grupo R
sincarga
pk1 + pk2
pHI = --------------
2
Para aminoácidos con grupos R
cargados a pH fisiológico
Al valorar los aminoácidos,
conforme aumenta el pH se producen por este orden los siguientes cambios:
1) α-COOH ===> α-COO-
2) ξ-COOH ===> ξ-COO-
3) α-NH3+ ====> α-NH2
4) ξ-NH3+ ====> ξ-NH2
*Actividad
óptica: por
ser el carbono α asimétrico, ya que se halla unido (excepto en la Gly) a 4
radicales diferentes, los aminoácidos tienen actividad óptica y presentan
estereoisómeros: D y L.
En las moléculas de proteínas
sólo se encuentran L-aminoácidos, pero muchos D-aminoácidos diferentes se
encuentran presentes en las células.
A continuación indicamos la
actividad óptica (rotación específica) de algunos L-aminoácidos en disolución
acuosa:
aminoácidorot. espec.
[α]D25
L-Ala+1'8
L-Arg+12'5
L-Leu-11'0
L-Ile+12'4
L-Phe-34'5
L-Glu+12'0
L-His-38'5
L-Asp+5'0
L-Met-10'0
L-Lys+13'5
L-Ser-7'5
L-Pro-86'2
L-Thr-28'5
L-Trp-33'7
L-Val+5'6
2. Péptidos y enlace peptídico
a) Péptidos
Cuando nos referimos a los
aminoácidos, hablamos de ellos como alfabeto de la estructura proteica.
Efectivamente, los aminoácidos se combinan entre sí -de manera similar a como
lo hacen las letras del alfabeto para formar palabras- y constituyen proteínas
diversas.
Llamamos péptidos a moléculas
constituidas por aminoácidos que se unen entre sí por un enlace característico
denominado enlace peptídico. Según contengan 2, 3, 4 ó más aminoácidos,
hablaremos de dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, etc. Las cadenas
polipeptídicas separadas o asociadas entre sí constituyen las proteínas.
Se han identificado numerosos
péptidos cortos como productos de la hidrólisis parcial de las proteínas.
También se han encontrado en la materia viva otros muchos péptidos no derivados
de las proteínas:
*Glutatión: tripéptido
presente en los tejidos animales. Actúa como activador de determinadas enzimas
y como protector de los lípidos contra la oxidación.
Tiene en su estructura un resto
de Glu unido mediante un enlace peptídico poco frecuente en el que interviene
un grupo γ-carboxilo en lugar del α-carboxilo.
*Carnosina: dipéptido del
músculo. Tiene un β-aminoácido.
*Vasopresina: nonapéptido
llamado también hormona antidiurética. Favorece la adsorción de agua y
electrolitos en el riñón.
*Oxitocina: hormona
nonapeptídica que induce la contracción de la musculatura lisa del útero.
*Antibióticos: la gramicidina
y la valinomicina.
b) Enlace peptídico
Los grupos α-amino y
α-carboxilo de los aminoácidos se unen por un enlace de tipo amida que
llamamos enlace peptídico. Los péptidos pueden llamarse, por esto, amidas
sustitutivas.
El enlace simple C-N del enlace
peptídico posee alrededor de un 40% de carácter de doble enlace, y el enlace
doble C=O cerca del 40% de carácter de enlace simple. Consecuencias:
1) El grupo imino (-NH-) del enlace
peptídico no tiene tendencia significativa a captar protones a pH fisiológico.
2) El enlace C-N del enlace peptídico
es relativamente rígido y no puede girar libremente (virtud importante respecto
a la conformación tridimensional de las cadenas polipeptídicas).
3) La unión C-N del enlace peptídico
es más corta que la mayor parte de los demás enlaces C-N.
El átomo de O del grupo
carbonilo y el H del -NH- están en posición trans el uno respecto del
otro.
Los cuatro átomos del enlace
peptídico y los Cα de los aminoácidos entre los que se
establece el enlace se encuentran
en un mismo plano. El único giro posible de
la cadena peptídica se da en torno a los Cα. Sólo los enlaces
sencillos de los átomos de carbono α tienen libertad de giro; los enlaces
sencillos C-N del enlace peptídico son rígidos.
El enlace peptídico impone,
pues, restricciones significativas acerca del n1 de conformaciones que puede
adoptar un cadena polipeptídica.
3. Las proteínas
Como ya hemos estudiado, los
α-aminoácidos se unen covalentemente entre sí mediante enlaces peptídicos
y constituyen los péptidos. Los polipéptidos (péptidos con un n1 considerable de aminoácidos)
solos o asociados forman lo que denominamos proteínas.
Las proteínas son las moléculas
orgánicas más abundantes en las células (aprox. un 50% de su peso seco).
Pero las proteínas no están
organizadas sólo como una secuencia lineal de aminoácidos, sino que dicha
secuencia adopta en su estado nativo una forma tridimensional característica
que llamamos conformación. Esta conformación tridimensional específica
es necesaria para que cumplan su función biológica específica o para que
desempeñen su actividad.
Los términos que se emplean
corrientemente para designar los diferentes aspectos o niveles de la estructura
proteica son:
-estructura primaria
-estructura secundaria
-estructura terciaria
-estructura cuaternaria
a) Estructura primaria
Se refiere al esqueleto
covalente y establece de modo específico la secuencia de sus restos
aminoácidos. Así, denominamos estructura primaria de una proteína a su
secuencia de aminoácidos.
Los aminoácidos se encuentran
unidos entre sí por enlaces peptídicos. El estudio de la estructura primaria de
una cadena polipeptídica requerirá la hidrólisis de esos enlaces y la
identificación ordenada de los aminoácidos hasta reconstruir su secuencia.
Si realizamos una hidrólisis
completa de las cadenas polipeptídicas (previa ruptura de los enlaces disulfuro
transversales por oxidación), podremos determinar
la proporción que hay de cada aminoácido pero
no la secuencia.
Para determinar la secuencia
lineal en laboratorio se siguen los siguientes pasos:
*Identificación del resto N-terminal
del péptido
-Por el método de Sanger:
el dinitrofluorobenceno (DNFB) reacciona con el N-terminal (se une y da un
dinitrofenilpéptido)
-Por dansilación: el
cloruro de dansilo reacciona con el N-terminal y da un dansilpéptido.
En ambos casos a continuación se
realiza la hidrólisis y se identifica el aminoácido N-terminal.
-Por el método de Edman:
se marca el N-terminal y se separa de la cadena peptídica, con lo que puede
utilizarse por sí solo para secuenciar cadenas.
*Identificación del resto C-terminal
del péptido
-Por reducción con
borohidruro de litio: se transformará el grupo ácido en un grupo alcohol.
Después, cromatografía.
-Por la carboxipeptidasa:
ataca el enlace peptídico COOH-terminal (hay que medir la velocidad de
liberación de los aminoácidos ya que, roto el enlace peptídico COOH-terminal,
pasa a romper el siguiente).
-Otros métodos.
*Hidrólisis parcial de cadenas
peptídicas: por enzimas específicas.
MétodoEnlaces
peptídicos escindidos
TripsinaAminoác.1:
Lys o Arg
QuimotripsinaAminoác.1:
Phe, Trp o Tyr
PepsinaAminoác.1:
Phe, Trp, Tyr y otros
TermolisisnaAminoác.2:
Leu, Ile o Val
Bromuro de cianógenoAminoác.1: Met
Mediante la combinación de estos
pasos se puede deducir la secuencia lineal y por tanto la estructura primaria
del polipéptido.
b) Estructura secundaria
Es la ordenación regular y
periódica en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una
dirección. Se estabiliza por puentes de H entre grupos ceto y amino del enlace
peptídico.
*Hélice α: esta
estructura, postulada por Pauling y Corey, tras el estudio por rayos X de las
α-queratinas, consiste en una hélice con aprox. 3'6 restos de aminoácidos
por cada vuelta. Los grupos R de los aminoácidos se proyectan hacia el exterior
de la hélice compacta formada por el esqueleto.
La estructura se estabiliza por
puentes de H (o enlaces de H) intracatenarios.
No todos los aminoácidos forman
hélice. Concretamente:
Permiten hélice α estable:
Ala, Leu, Phe, Tyr, Trp, Cys, Met, His, Asn, Gln, Val.
Inestabilizan la hélice α:
Ser, Ile, Thr, Glu, Asp, Lys, Arg, Gly.
Rompen la hélice α: Pro,
hiroxi-Pro.
Condicionantes de la estructura
helicoidal
(estudiados en poliaminoácidos: polipéptidos en los que todos los restos
aminoácidos son idénticos):
1) Carga del grupo R:
.poli-Ala a pH fisiológico: R
pequeño y no cargado ==> forma espontáneamente hélice α.
.poli-Glu: a pH fisiológico: R
negativo ==> no forma hélice α, pues los R se repelen.a pH<2: R neutro ==> sí forma hélice
α.
.poli-Lys: a pH fisiológico: R
positivo ==> no forma hélice α.
a pH>12: R neutro ==> sí forma hélice
α.
2) Volumen de R:
.poli-Ile no forma hélice α
porque sus voluminosos grupos R, próximos a los átomos Cα
provocan un impedimento estérico.
3) Rigidez:
.poli-Pro y poli-HO-Pro no forman
hélice α debido a que los Nα forman parte de los rígidos
anillos que constituyen el grupo R.
Por eso siempre que aparecen la
Pro o la hidroxi-Pro en una cadena polipeptídica, la hélice
α se interrumpe y se origina un pliegue
rígido, curvatura o codo.
La poli-Gly puede formar una
hélice α, pero prefiere otro tipo de conformación: la conformación β,
en la que las cadenas están relativamente extendidas.
*La conformación β o en hoja
plegada: el análisis por rayos X de las β-queratinas ha revelado
claves importantes para la conformación β de la cadena polipeptídica.
Las cadenas polipeptídicas en la
conformación β son paralelas y están dispuestas en láminas plegadas
que se hallan unidas transversalmente por puentes de H intercatenarios.
Todos los enlaces peptídicos
participan en este enlace cruzado, y así confieren una gran estabilidad a la
estructura. Los grupos R se hallan por encima o por debajo de los planos en
zig-zag de la lámina plegada.
Es el caso de la fibroína
segregada por el gusano de seda Bombix mori.
La fibroína y otras
β-queratinas son ricas en aminoácidos que poseen grupos R relativamente
pequeños (sobre todo Gly y Ala), mientras que los R de las
α-queratinas son más voluminosos y poseen carga mayor que los de la
fibroína de la seda.
En las formas α todas las
cadenas polipeptídicas son paralelas (es decir, se desarrollan en el mismo
sentido N-terminal a C-terminal), mientras que en la fibroína las cadenas
adyacentes son antiparalelas (es decir, se desarrollan en sentidos
opuestos).
Las α-queratinas contienen
muchos restos de Cys, de forma que establecen enlaces transversales -S-S- entre
cadenas polipeptídicas adyacentes. Las β-queratinas como la fibroína no
poseen enlaces -S-S- transversales.
c) Estructura terciaria
Es la forma en la que la cadena
polipeptídica se curva o se pliega para dar lugar a la estructura globular
compacta.
Influye decisivamente en la
función biológica de las proteínas, ya que ésta depende en gran medida de su
estructura o forma espacial.
Para determinar y mantener esta
estructura se realizan enlaces entre diversos puntos de la cadena. Los más
importantes corresponden a los puentes disulfuro entre los restos del
aminoácido azufrado Cys.
Según su conformación
(forma tridimensional que adoptan), las proteínas pueden clasificarse en dos
grupos principales:
*Fibrosas: formadas por
cadenas polipeptídicas ordenadas paralelamente a lo largo de un eje, formando
fibras o láminas largas. Son materiales físicamente resistentes, insolubles en
agua y en las disoluciones salinas diluidas.
Presentan función estructural en
el tejido conjuntivo de los animales superiores:
-Colágeno: en tendones y
matriz de los huesos.
-α-queratina: en
cabello, cuernos, cuero, uñas y plumas.
-Elastina: en el tejido
conjuntivo.
*Globulares: formadas por
cadenas polipeptídicas plegadas estrechamente, que adoptanformas esféricas o globulares compactas. la
mayor parte de las proteínas globulares son solubles en agua.
Generalmente desempeñan una
función móvil o dinámica en la célula. De los dos millones de enzimas conocidas
actualmente, casi todas son proteínas globulares, igual que los anticuerpos,
algunas hormonas y otras proteínas con función de transporte como la
seroalbúmina y la hemoglobina. (Nota: en todas estas proteínas aparece con
frecuencia un grupo prostético -de carácter no proteico- asociado, para que
desempeñen su función).
Algunas proteínas se sitúan
entre los tipos fibroso y globular: se parecen a las fibrosas por sus largas
estructuras cilíndricas y a las globulares por ser solubles en disoluciones
acuosas salinas. Es el caso de la miosina (elemento estructural del
músculo) y del fibrinógeno (precursor de la fibrina: elemento
estructural de los coágulos sanguíneos).
Una vez formada la estructura
terciaria de una proteína globular, son 4 los tipos principales de
interacciones o de enlaces débiles que cooperan a su estabilización:
1) Los enlaces de H (puentes
de H) entre grupos peptídicos: como ocurre en la hélice α o en el
plegamiento β.
2) Los puentes de H entre
grupos.
3) Las interacciones
hidrofóbicas entre grupos no polares.
4) Los enlaces iónicos entre
grupos cargados positiva y negativamente.
d) Estructura cuaternaria de
las proteínas oligoméricas
Algunas proteínas son
oligoméricas, es decir, contienen 2 ó más subunidades polipeptídicas. Llamamos
estructura cuaternaria al modo característico mediante el las cadenas
polipeptídicas plegadas, se acoplan entre sí en la conformación nativa de una
proteína oligomérica.
Los enlaces que mantienen esta
estructura son del mismo tipo que los que mantienen la estructura terciaria.
La estructura cuaternaria de las
proteínas se encuentra estrechamente ligada a la regulación de su actividad
biológica (es el caso de las enzimas alostéricas que ya estudiaremos).
Entre las proteínas oligoméricas
más sencillas está la hemoglobina (Hb), que posee 4 cadenas
polipeptídicas: 2 cadenas α (141 restos cada una) y 2 cadenas β (146
aminoácidos), a cada una de las cuales se encuentra unido un grupo hemo
mediante enlace no-covalente.
Se produce un fenómeno de unión
cooperativa del O2 con la Hb: cuanto más O2 se une a las
moléculas de Hb mayor afinidad tienen éstas por él (recordemos que en cada
molécula de Hb hay 4 subunidades, cada una de las cuales puede captar un O2
por su grupo hemo.
e) Desnaturalización y
renaturalización de proteínas
Las proteínas globulares nativas
experimentan una desnaturalización y adoptan conformaciones desplegadas
y no concretas de sus cadenas polipeptídicas cuando se someten a:
-calefacción,
-tratamiento con ácidos o con
bases,
-acción de disoluciones
concentradas de urea o de cloruro de guanidina.
Con la pérdida de su
conformación nativa -y en esto consiste la desnaturalización- las proteínas
pierden su actividad biológica.
Si el proceso de
desnaturalización no ha sido irreversible, al conservarse la estructura
primaria, conforme retiramos los factores desnaturalizantes la proteína
recupera su configuración nativa y activa: se habla entonces de renaturalización.
(Pero en algunos casos la desnaturalización sí es irreversible).
El plegamiento se produce
rápidamente. Aunque todavía no se conoce totalmente el porqué, parece probable
que este proceso se vea favorecido por el principio de cooperatividad
(intensificación de la fuerza de atracción entre dos moléculas por la
cooperación de muchos enlaces débiles).
Algunas proteínas que carecen de
enlaces disulfuro cruzados pueden replegarse espontáneamente y con rapidez a la
configuración activa y nativa.
En el caso de las proteínas oligoméricas,
cuando las sometemos a acciones que provocan desnaturalización, experimentan
cambios conformacionales hacia formas más anárquicas en dos etapas:
1) Disociación de las cadenas entre sí.
2)
Desplegamiento de las cadenas separadas y producción de arrollamientos al azar.
Si la desnaturalización se
realiza muy cuidadosamente, puede darse el primer paso sin el segundo. Así de
ha hecho con la Hb en presencia de sales. Al dializar el exceso de sal, las
subunidades separadas se han reasociado y la proteína ha vuelto a ser
plenamente activa.
Si las
condiciones son más drásticas, la desnaturalización recorre los dos pasos.
Cierto número de proteínas oligoméricas son capaces de experimentar esta desnaturalización
de forma completamente reversible: es el caso de la enzima aldolasa (que
interviene en la glucólisis), cuyas 4 subunidades, con la acidificación del
medio se separan y despliegan, y al elevar el pH nuevamente hasta 7 se
repliegan y recuperan su estructura terciaria, y se reasocian (estructura
cuaternaria) para formar la enzima oligomérica catalíticamente activa.