Proteínas María de la Luz Velázquez Monroy & Miguel Ángel Ordorica Vargas Introducción El nombre Proteína fue propuesto en 1838 por el químico sueco Jons Jakob Berzelius (Figura 1) para designar a las “substancias complejas y ricas en Nitrógeno que se encuentran en las células de todas las plantas y animales”. La palabra deriva del griego proteios que significa "de primera importancia", lo cual es indicativo de la importancia biológica que desde entonces se reconocía para estas substancias. Por definición, las proteínas se consideran como: Macromoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos, sin orden aparente. Figura 1. Jons Jakob Berzelius En este caso, preferimos usar “cadena”, en lugar del término “polímero”, porque los polímeros reales están formados por unidades iguales, mientras que las proteínas pueden tener 20 o más aminoácidos diferentes. Funciones Esta definición deja mucho que desear en cuanto a la comprensión de la versatilidad de las proteínas, que se refleja en la variedad de sus funciones, como se enlista a continuación. Estructurales. Dan forma y constituyen el soporte de las estructuras de células y tejidos. Entre las más importantes de este grupo se encuentran el Colágeno, que es la proteína más abundante del organismo (30% de la proteína total, 15% del peso seco), Elastina, Queratina, Tubulina, etc. Transporte y Almacenamiento. Gran cantidad de sustancias se transportan a través del organismo, y/o se almacenan, unidas a proteínas como Hemoglobina y Mioglobina (O2), Transferrina, Ferritina y Siderofilina (Fe), Lipoproteínas (lípidos), Albúmina (ác. grasos y fármacos). Catálisis. Es el grupo con más variedad; incluye todas las enzimas que se estudian en el curso, como la Anhidrasa Carbónica que participa en el transporte de CO2, Renina que participa en la regulación de la presión sanguínea, y Glutaminasa que participa en la regulación del pH en el Riñón. Movimiento. Las principales proteínas contráctiles son Actina y Miosina del músculo y la Tubulina del citoesqueleto. Protección y Defensa. Los Anticuerpos son las proteínas más conocidas de este grupo que también incluye los Interferones, el Sistema del Complemento y la Fibrina del sistema de coagulación de la sangre. Hormonas. Las hormonas peptídicas son muy abundantes e incluyen sustancias como Insulina, Glucagon, Oxitocina, ADH (Vasopresina), Factores de Crecimiento y Liberación, etc. maov/mlvm/febrero de 2012 Proteínas Identificación. Las propiedades antigénicas de las proteínas, como las de grupo sanguíneo o de histocompatibilidad, sirven para que el organismo pueda reconocer las estructuras propias, distinguirlas de las extrañas y actuar en correspondencia. Regulación. La diferenciación y el control de las funciones celulares, dependen de la regulación de la expresión de la información genética que llevan a cabo los factores nucleares de naturaleza proteica. Comunicación. La generación de impulsos y la traducción de los mismos dependen de proteínas de membrana, denominadas “Receptores”, que transducen las señales físicas o químicas que reciben, en cambios bioquímicos dentro de las células. Podemos mencionar los receptores de hormonas, neurotransmisores, presión, tonicidad y luz, como la Rodopsina. Esta lista de categorías podría hacerse más extensa ya que todas las actividades celulares dependen en forma directa o indirecta, de la acción de una o más proteínas. Clasificación Las proteínas se pueden clasificar usando varios criterios: Según la función. Las proteínas se pueden clasificar con base en la función que realizan, como en la lista anterior. En la clasificación funcional una misma proteína puede pertenecer a más de un grupo por ejemplo la Albúmina es un componente estructural de la sangre, pero también cumple funciones de transporte. Algo similar sucede con la Miosina que junto con su función de contracción, también forma parte de la estructura del músculo y además presenta actividad enzimática. Composición química. Las proteínas que están constituidas únicamente por aminoácidos, se denominan simples, como ejemplo tenemos la Albúmina y la enzima Ribonucleasa. Las proteínas que en su estructura además de aminoácidos, tienen otros grupos no proteicos, se conocen como complejas o conjugadas, como la Hemoglobina, los Citocromos de la cadena respiratoria, y casi todas las enzimas que estudiaremos. La parte proteica de las proteínas conjugadas se conoce como apoproteína y la parte no proteica se conoce como grupo conjugado. A su vez, las proteínas conjugadas se pueden clasificar según la naturaleza del grupo conjugado como se describe en la Tabla 1. Tabla 1. Clasificación de proteínas según su composición química PROTEÍNA GRUPO CONJUGADO Nucleoproteínas Ácido nucleico, en cromosomas y ribosomas. Glicoproteínas o mucoCarbohidratos y derivados de carbohidratos, incluyen a los anticuerproteínas pos y varias proteínas de membrana.. Lipoproteínas Lípidos Fosfoproteínas Esteres de fosfato en residuos de serina o Treonina Cromoproteínas: Grupos pigmentados, Flavinas, Hemoglobina, Citocomos Flavoproteínas Dinucleótido de flavina-adenina, cono la succinato deshidrogenasa Hemoproteínas Grupos de porfirina-hierro (hemo), como hemoglobina, citocromos, catalasa y mioglobina. Metaloproteínas Iones metálicos, como el zinc de la anhidrasa carbónica mlvm/maov/2 Proteínas Forma. Según su forma las proteínas pueden ser fibrosas como Queratina, Colágeno y Fibrina que son largas en proporción a su diámetro, o globulares como la Albúmina, Enzimas, Hemoglobina, Anticuerpos y Proteínas de Membrana, que son más simétricas. Estas categorías representan los extremos de la clasificación, pueden existir proteínas que tengan partes globulares y partes fibrosas, como la Miosina. Solubilidad. Está clasificación es útil durante la purificación, porque divide a las proteínas según los solventes con los que se pueden extraer, como se describe en la Tabla 2. PROTEÍNA Albúminas Globulinas Escleroproteínas Prolaminas Glutelinas Histonas Protaminas Queratinas Tabla 2. Clasificación de proteínas según su solubilidad SOLUBILIDAD Solubles en agua y soluciones salinas diluidas; precipitan por saturación completa con sulfato de amonio, coagulan con calor. Albúmina sérica Solubles en solución salina diluida, insolubles en agua y en soluciones salinas concentradas, coagulan con calor. Anticuerpos Insolubles en soluciones acuosas neutras y en ácidos o bases diluidos. Colágeno, Gelatina. También se conocen como “albuminoides”. Solubles en agua:etanol al 70%, pero insolubles en agua o en etanol absoluto, y solventes neutros. Proteínas vegetales, Zeina del maíz Insolubles en agua, etanol y sus mezclas; solubles en ácidos o álcalis diluidos, coagulan con calor. Proteínas vegetales, Glutelina del trigo Solubles en agua, forman soluciones alcalinas débiles, también en ácidos diluidos, coagulan con calor. Generalmente conjugadas, como nucleoproteínas (Histonas del núcleo) y cromoproteínas en estado nativo Solubles en agua formando soluciones alcalinas; contienen proporciones elevadas de Arginina. Son de peso molecular pequeño; no coagulan por el calor. De los espermatozoides de peces; conjugadas con ácido nucleico en estado nativo Insolubles Tamaño. En base el tamaño de las cadenas, las proteínas se dividen en: (1) oligopéptidos, que tiene de 2 a 10 aminoácidos en la cadena; por ejemplo Oxitocina, Angiotensinas, Encefalinas, Vasopresina; (2) polipéptidos, con 11 a 100 aminoácidos, Glucágon e Insulina, y (3) proteínas, con mas de 100 aminoácidos. En esta clasificación, algunos autores consideran polipéptido a cualquier cadena sencilla de aminoácidos sin importar su tamaño, y proteína sólo a la molécula formada por dos o más cadenas de aminoácidos. Estructura. Las proteínas son monoméricas cuando están formadas por una sola cadena de aminoácidos como Albúmina, Mioglobina, Ribonucleasa; oligoméricas cuando tienen mas de una de cadena, como Hemoglobina, Lactato Deshidrogenasa, Anticuerpos y la mayoría de las enzimas de células eucarióticas; y complejos, cuando están formadas por varias cadenas que realizan distintas actividades como los complejos de la Cadena Respiratoria y el de la Piruvato Deshidrogenasa. Sin importar el tipo de clasificación aplicada o el grupo al que pertenece una proteína, sus propiedades y funciones se originan en la composición de aminoácidos que la constituyen, de ahí mlvm/maov/3 Proteínas que para comprender cabalmente las proteínas, sea necesario estudiar primero los aminoácidos. Aminoácidos Los aminoácidos son moléculas que contienen un grupo amino y un ácido. Los aminoácidos de las células se dividen en dos grupos, los proteicos o proteínicos, que se encuentran en la estructura de las proteínas, y los no proteicos o no proteínicos que no lo están, pero cumplen otras funciones. En los aminoácidos proteínicos el grupo ácido es siempre un carboxilo y en todos ellos los grupos amino y carboxilo, están unidos al mismo carbono, el llamado carbono alfa (C), por esta razón se dice que los aminoácidos proteínicos son -aminoácidos. Considerando por separado la fuerza que como ácido y base tiene los grupos carboxilo y amino respectivamente, la estructura general de estos aminoácidos debía ser como la que se presenta en el Esquema 1.A. O C H2N OH H O C + H3N R A O H R B Esquema 1 Si fuera así, los aminoácidos de las proteínas serían líquidos, volátiles, solubles en solventes no polares y poco solubles en agua. Sin embargo, resulta que en realidad son sólidos cristalinos, con puntos de fusión elevados, solubles en agua, insolubles en solventes no polares, y producen soluciones electrolíticas. Todas estas propiedades corresponden a compuestos iónicos. En los aminoácidos proteínicos, carboxilo y amino se encuentran ionizados porque al estar próximos, actúan como ácidos y bases más fuertes que en forma individual. Como resultado de este efecto, los aminoácidos proteínicos existen como iones dobles o “zwitteriones”, con la fórmula general que se muestra en el Esquema 1.B. En los esquemas anteriores, la R representa la cadena lateral del aminoácido, también conocida como Resto, Residuo o Radical del aminoácido, que al ser la parte variable, confiere a cada aminoácido sus propiedades características. Cuando R es diferente de H, las cuatro valencias del carbono  están ocupadas por sustituyentes diferentes y se dice que es quiral (del griego keiros = mano) Los sustituyentes unidos a los carbonos quirales se pueden ordenar en dos formas diferentes alrededor del carbono central; el orden que tienen los sustituyentes alrededor de un carbono quiral se llama configuración. Las dos configuraciones que puede tener el carbono quiral guardan entre sí la misma relación que nuestras manos derecha e izquierda, esto es, la de un objeto y su imagen en el espejo, por eso se dice que son enantiómeros (del griego enantios = espejo). Existen dos formas de designar las configuraciones de los compuestos quirales. La más usada en Bioquímica es la configuración relativa en la cual se toma como patrón la molécula de Gliceraldehído que puede existir en las dos formas que se muestran en el Esquema 2, porque el carbono 2 es quiral. mlvm/maov/4 Proteínas O HC H C OH H2C OH D-Gliceraldehído HC O HO C H O C O O + H C NH3 H2C OH R L-Gliceraldehído D-Aminoácido Esquema 2 C O + H3N C H R L-Aminoácido Estas estructuras fueron designadas como D y L por Emil Fischer (Figura 2) basándose en su actividad óptica, como se describe más adelante en las propiedades de los aminoácidos. Todos los aminoácidos quirales de las proteínas tiene la configuración relativa L, con excepción de la Glicina que no tiene carbono quiral. La otra forma de designar la configuración de los carbonos quirales es aplicando la Regla de la Secuencia para determinar la configuración absoluta. En forma breve, la regla de la secuencia consiste en asignar un grado de importancia o precedencia de los radicales unidos al carbono quiral, aplicando una serie de criterios que podemos resumir en los puntos siguientes. 1. La importancia de los átomos aumenta con el número atómico. 2. Cuando los números atómicos son iguales, se usa como criterio de importancia la masa atómica, los isótopos más pesados son más importantes. 3. Sí los átomos son iguales en número y masa atómicas, se aplican los mismos criterios a los átomos unidos a ellos, el átomo con mayor precedencia es el que tiene unido átomos de más importancia. Figura 2. Emil Fischer 4. La importancia de los radicales se determina tomando en cuenta los átomos uno a la vez, comenzando con el que está unido directamente al carbono quiral y alejándose un enlace cada vez. 5. Los enlaces dobles o triples se cuentan como dos o tres enlaces sencillos a átomos del mismo tipo, y el átomo con más precedencia es el que está unido a un mayor número de átomos importantes. Una vez asignada la precedencia de los sustituyentes, se dibuja la molécula de forma que los tres más importantes queden hacia el observador y el de menor importancia hacia atrás, alejándose del observador. La configuración absoluta es R (del latín rectus = derecho), si la precedencia de los grupos disminuye en la dirección de las manecillas del reloj, y es S (del latín sinister = izquierdo), cuando disminuye en sentido contrario (Esquema 3). La configuración relativa L/D se aplica una vez a toda una estructura, sin importar que la molécula tenga más de un centro quiral, basta especificar que carbono se usa para determinar la semejanza con el Gliceraldehído. Por su parte, la configuración absoluta R/S se debe especificar para cada átomo quiral presente en la estructura de una molécula. La configuración relativa L del carbono alfa de los aminoácidos de las proteínas equivale a la configuración absoluta S, excepto en la Cisterna, en la que el Azufre de la cadena lateral tiene mayor importancia que los Oxígenos del Carbono carboxílico, por lo que el carbono alfa de este aminoácido tiene configuración absoluta mlvm/maov/5 Proteínas S. De lo anterior resulta que los aminoácidos proteínicos se pueden designar como L-aminoácidos, o 2-S-aminoácidos. H 1 HO C H H2C3 C H 2 2 O O 1 C C OH H CH 2 3 OH HO R-Gliceraldehído S-Gliceraldehído Esquema 3 Estructura y nomenclatura de los aminoácidos proteínicos codificables Los aminoácidos proteínicos se dividen en dos grupos, los que se incluyen en la estructura de las proteínas al momento de la síntesis que se llaman codificables, porque su posición está determinada por la información genética que codifica para la proteína en cuestión, y los no codificables, que se derivan de los codificables, mediante reacciones catalizadas por enzimas específicas, que se llevan a cabo después de la síntesis. Las estructuras, nombres aceptados y símbolos internacionales de los 20 aminoácidos proteínicos codificables se presentan, en orden alfabético en la Tabla 3; y en la Tabla de propiedades fisicoquímicas de aminoácidos, se presentan los nombres sistemáticos y algunas propiedades fisicoquímicas importantes. Clasificación de los aminoácidos proteínicos codificables En la clasificación de los aminoácidos proteínicos codificables se pueden aplicar varios criterios: Estructura química de las cadenas laterales. Según este criterio los aminoácidos pueden clasificarse como: Alifáticos. Son aquellos cuyas cadenas están formadas sólo por Carbono e Hidrógeno, unidos por enlaces sencillos: Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina y Prolina. Aromáticos. Los restos de estos aminoácidos tienen anillos aromáticos, tipo Benceno: Triptofano, Fenilalanina y Tirosina. Hidroxilados. Las cadenas laterales de estos aminoácidos tienen grupos –OH: Serina, Treonina. Azufrados. Cadenas con Azufre, ya sea en forma de mercapto (-SH) o tioeter (-S-): Cisteína y Metionina. Ácidos. Las cadenas de estos aminoácidos tienen radicales carboxilo: Aspartato y Glutamato. Amidas. Son las amidas de los aminoácidos del grupo anterior: Asparagina y Glutamina Básicos. Estos aminoácidos tienen radicales que aceptan protones: Arginina, Lisina e Histidina. Existen variantes de esta forma de clasificar los aminoácidos. Algunos autores prefieren colocar a mlvm/maov/6 Proteínas la Tirosina como aminoácido hidroxilado, en nuestra opinión las propiedades aromáticas del anillo fenólico son más importantes. Otros autores añaden un grupo de cadenas con heterocíclos, formado por Triptofano, Prolina e Histidina, pero las propiedades de estas cadenas son muy distintas como para considerarlas en un mismo grupo. Por último la muy extendida separación de la Prolina como un iminoácido no es correcta y obedece a una nomenclatura obsoleta, que ya no se aplica a las aminas secundarias. Tabla 3. Estructura y Nomenclatura de los Aminoácidos proteínicos codificables O H O C C R + NH 3 Nombre Alanina R Símbolo Nombre Ala A Arginina CH3 R Símbolo R NH2 Arg + CH2 CH2 CH2 NH C NH2 Asparagina Asn O N Aspartato O CH2 C D Phe F Glu E His H Leu L Met M CH2 C NH2 CH2 SH Cisteína Asp O Cys C Fenilalanina CH2 Glicina Gly H G Glutamato O CH2 CH2 C O Glutamina Gln O Q CH2 Histidina CH2 CH2 C + HN NH NH2 Isoleucina S CH3 Ile I Leucina CH3 CH CH2 CH3 CH2 CH CH3 Lisina + CH2 CH2 CH2 CH2 NH3 O Prolina O K Metionina CH2 CH2 S Pro P Serina CH2 OH Ser S Tyr Y Treonina CH CH3 Thr T Val V CH3 C CH2 CH2 + H2N CH 2 HC Tirosina OH CH2 Triptofano Lys OH Trp CH2 R W Valina CH3 CH N H CH3 mlvm/maov/7 Proteínas Comportamiento a pH fisiológico. Según este criterio, los aminoácidos se dividen en: No polares. Con restos que no son solubles en agua y por ello, tratan de colocarse en el interior de las proteínas, ellos son: Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Prolina, Fenilalanina, Triptofano y Metionina. Polares sin carga. Sus cadenas pueden interactuar con el agua por lo que es posible encontrarlos en la superficie de las proteínas, pero también se pueden colocar en el interior si encuentran otra cadena polar para formar puentes de hidrógeno, los aminoácidos de este grupo son Serina, Treonina, Tirosina, Cisteína, Asparagina y Glutamina. Iónicos. Cadenas con radicales cargados a pH fisiológico que por ello deben colocarse casi exclusivamente en la superficie de la proteína, incluyen los ácidos Aspártico y Glutámico, de carga negativa, y las bases Lisina, Arginina e Histidina, con carga positiva. En esta clasificación también se acostumbra separar los aminoácidos iónicos en Catiónicos (Lys, His y Arg) y Aniónicos (Glu y Asp). En esta clasificación la Glicina no se puede asignar a un grupo especial ya que su comportamiento depende de los aminoácidos que la rodean. Síntesis biológica. Este criterio toma en cuenta la necesidad de cada aminoácido que tiene el organismo Existe un grupo de aminoácidos cuya ausencia en la dieta provoca que el balance de nitrógeno se vuelva negativo, porque no se pueden sintetizar las proteínas y por lo tanto, se elimina más nitrógeno del que se ingiere. La razón de esta condición es que dichos aminoácidos no se pueden sintetizar en el organismo y por ello se denominan esenciales, en el hombre son ocho: Valina, Leucina, Isoleucina y Treonina que son aminoácidos alifáticos ramificados; Triptofano y Fenilalanina, aromáticos; Lisina de cadena larga, y Metionina que tiene un átomo de azufre a mitad de la cadena. Otros aminoácidos aunque no son esenciales según el criterio antes mencionado, representan casos especiales. La falta de Histidina no provoca que el balance de nitrógeno se vuelva negativo en el corto plazo, sin embargo se requiere en la dieta de los individuos en desarrollo, probablemente porque la velocidad de su síntesis no basta para llenar las necesidades durante el crecimiento. Por otro lado, la síntesis de Cisteína y Tirosina, depende de que la dieta contenga una cantidad suficiente de los aminoácidos esenciales Metionina y Fenilalanina respectivamente, por eso cuando faltan estos, los primeros no se pueden sintetizar y es necesario ingerirlos en la dieta. Por último, la Tirosina es esencial para quienes padecen de Fenilcetonuria. Destino metabólico. Tomando en cuenta las vías de degradación que siguen sus esqueletos de carbono, los aminoácidos se dividen en: Glucogénicos puros. Siguen un metabolismo de tipo glúcido o pueden servir como precursores de Glucosa, son la mayoría Glicina, Valina, Prolina, Metionina, Serina, Treonina, Cisteína, Asparagina, Glutamina, Arginina, Histidina, Aspartato y Glutamato. mlvm/maov/8 Proteínas Cetogénicos puros. El metabolismo es de tipo lipídico o no pueden producir glucosa, como Leucina y Lisina. Mixtos. Una parte de la molécula sigue un tipo de metabolismo y el resto el otro, como sucede con Isoleucina, Triptofano, Fenilalanina y Tirosina. Las diversas formas de clasificación se resumen en la Tabla 4, marcando con X las categorías a que pertenece cada aminoácido. Tabla 4. Esquemas de clasificación de los aminoácidos proteínicos codificables A C D E F G H I K L M N P Q R S T V W Y Aminoácido Ala Cys Asp Glu Phe Gly His Ile Lys Leu Met Asn Pro Gln Arg Ser Thr Val Trp Tyr Clasificación según su estructura química Alifáticos       Aromáticos    Heterocíclicos    Azufrados   Acidos   Amidas   Básicos    Hidroxilados    Clasificación según su comportamiento a pH = 7 No Polares         Polares sin Carga Aniónicos Catiónicos Esenciales No esenciales             Clasificación según su requerimiento     § § †     †             Clasificación según su destino metabólico                         Glucogénicos Cetogénicos (†) Pueden ser indispensables para los individuos en desarrollo o durante el embarazo. (§) La síntesis de Cisteína y Tirosina dependen de la presencia de Metionina y Fenilalanina respectivamente, por lo tanto en ausencia de estos, aquellos se vuelven indispensables. En los fenilcetonúricos la Tirosina es esencial. Aminoácidos proteínicos no codificables Como son derivados de los proteínicos, los aminoácidos proteínicos no codificables son todos L-aminoácidos. La mayoría de ellos son específicos de las proteínas en que se encuentran y normalmente sólo se forman en pequeñas cantidades. El aminoácido no codificable más abundante es la 4-Hidroxiprolina que se encuentra exclusivamente en el Colágeno; se forma después de la síntesis por acción de la enzima Prolina Hidroxilasa que requiere ácido ascórbico (vitamina C) para efectuar la reacción. La deficiencia de vitamina C provoca la enfermedad llamada Escorbuto, que se caracteriza por la fragilidad de los tejidos, provocada por la inestabilidad de las molémlvm/maov/9 Proteínas culas de colágeno debido a la falta de Hidroxiprolina. Otros aminoácidos que también se encuentran en el colágeno, pero en menor proporción que la Hidroxiprolina, son la 5-Hidroxilisina y la Alisina, derivados de Lisina. De los aminoácidos proteínicos no codificables la Cistína es el que está más ampliamente distribuido en las proteínas. Se forma por la condensación de dos moléculas de Cisteína a través de los grupos tiol. La oxidación de los grupos tiol forma la estructura conocida como el Puente Disulfuro. Los puentes disulfuro participan en forma importante en la estabilización de la estructura tridimensional de las proteínas, cuando se forman entre dos regiones de una misma proteína, y en la asociación cuando se forman entre dos cadenas distintas. En general, las proteínas son más estables cuando tienen más puentes disulfuro, las proteínas de las bacterias termófilas, que viven en los manantiales de aguas termales tiene muchos puentes disulfuro. En la Tiroglobulina de la glándula tiroides se encuentra el aminoácido Tiroxina (3,5,3’,5’Tetrayodotironina) derivada de Tirosina. Este aminoácido se forma cuando la tiroides capta el Yodo, y se libera por hidrólisis de la proteína. En el organismo actúa como una de las hormonas de la glándula tiroides, responsables del mantenimiento del metabolismo basal de las células. Las estructuras y algunas propiedades de estos aminoácidos, se presentan en la Tabla 5. Tabla 5. Restos de aminoácidos proteínicos no codificables pKa2 pKa3 pKa1 Nombre y Símbolo R PM R COOH NH2 OH 4-Hidroxiprolina. Hyp O C 5- Hidroxilisina Alisina 131.13 1.92 9.73 163.20 2.13 8.62 1.65 2.26 7.85 9.85 N OH + CH2 CH2 CH CH2 NH3 O CH2CH2CH2C H 9.67 145.16 + NH3 Cistina CH2 S S CH2 C H O O I I Tiroxina T4 C 240.30 OH O CH2 I 776.88 I L--Aminoácidos no proteínicos Los aminoácidos no proteínicos pueden ser L--aminoácidos o no, porque no se encuentran en las proteínas, sino cumpliendo diversas funciones. mlvm/maov/10 Proteínas Tres L--aminoácidos no proteínicos son necesarios para la conversión del amoniaco en urea, Ornitina, Citrulina, y Arginosuccinato, son intermediarios de la vía metabólica conocida como Ciclo de la Urea. Además, la Ornitina también es precursor de las poliaminas, compuestos que participan en la regulación del ciclo celular. Otro aminoácido de este tipo que también es intermediario metabólico es la Homocisteína, que se forma cuando se usa la Metionina como donador de grupos metilo. En el metabolismo de la Cisteína se forma el Cisteinilsulfinato, un aminoácido con un grupo sulfónico en su cadena lateral. La Homoserina es intermediario del metabolismo de Treonina, Aspartato y Metionina. La Penicilamina forma parte de la estructura de la Penicilina. Otro aminoácido importante es la L-3,4-Dihidroxifenilalanina o L-DOPA, que es precursor de las catecolaminas neurotransmisoras Dopamina, Norepinefrina y Epinefrina, y también del pigmento cutáneo Melanina. Un último aminoácido de tipo L- que no es proteínico es la hormona 3,5,3’ - Triyodotironina o T3. Esta es la forma más activa de las hormonas tiroideas, se forma en los tejidos por eliminación del átomo de yodo en 5’ de la Tiroxina liberada por la glándula tiroides. En la Tabla 6 se presentan las estructuras de estos aminoácidos. Tabla 6. Restos de algunos L--aminoácidos no proteínicos R O CH2 CH2 OH CH2 CH2 SH CH2 S Homoserina Homocisteína O Cisteínsulfinato OH SH C + CH3 OH CH2 CH3 Penicilamina CH2 CH2 CH2 NH3 Ornitina L-3,4-Dihidroxifenilalanina (L-DOPA) + I I NH2 O CH2 CH2 CH2 NH C NH O C O O CH2 Arginosuccinato CH2 CH2 CH2 NH C NH2 CH2 CH C O OH I O Citrulina 3,5,3’-Triyodotironina (T3) Aminoácidos no proteínicos de otro tipo Este es el grupo más numeroso de aminoácidos, en él se encuentran muchos aminoácidos con funciones importantes, en la Figura 3, se presentan las estructuras de algunos de estos aminoácidos. La Taurina es un -aminoácido con ácido sulfónico, se forma por descarboxilación y oxidación de la Cisteína. La taurina se conjuga con los ácidos biliares para formar las sales biliares que sirmlvm/maov/11 Proteínas ven para la emulsificación las grasas durante la digestión. Otro aminoácido que se obtiene por descarboxilación es la -Alanina derivada del ácido aspártico. Es componente de la vitamina Pantotenato que se encuentra en la Coenzima A, cofactor necesario en el metabolismo de Glúcidos, Lípidos y aminoácidos. O H3N + O CH2 CH2 S O H3N + CH2 CH2 C -Alanina O Taurina O H3 N + O OH + CH2 CH2 CH2 C -Aminobutirato (GABA) 3 O H3C O Carnitina + NH2 O H2N CH C + C O N CH2 C -Aminoisobutirato Creatina Figura 3. Aminoácidos no proteínicos, que no son -amino. H3N CH2 O O CH3 N CH2 CH CH2 C CH3 O El Ácido -Aminobutírico o GABA, es un neurotransmisor inhibidor, derivado por descarboxilación del Ácido Glutámico. La deficiencia de GABA se asocia con los problemas epilépticos de tipo convulsivo. El aminoácido Creatina sirve como almacén de energía en músculo. En reposo, aceptar un fosfato del ATP y se transforma en Fosfocreatina, que es un compuesto de alta energía de hidrólisis. Cuando el músculo entra en actividad, la fosfocreatina, dona el fosfato para regenerar el ATP. Por último, la Carnitina es un aminoácido que sirve para transportar los ácidos grasos, a través de la membrana mitocondrial interna, a la matriz mitocondrial para su oxidación. Propiedades de los aminoácidos Como se mencionó antes, los aminoácidos proteínicos son compuestos quirales, que pueden existir en dos configuraciones diferentes, las propiedades físicas de ambas configuraciones son prácticamente idénticas, con excepción de la forma de sus cristales y la actividad óptica. La actividad óptica es la capacidad que tienen las soluciones de substancias quirales, de desviar el plano de vibración de la luz polarizada, cuando esta pasa a través de ellas. La luz polarizada es la luz cuyas ondas vibran todas en planos paralelos. La desviación se mide en grados usando un polarímetro (Figura 4) y la dirección se representa con un signo. Las substancias que desvían el plano en el sentido de las manecillas del reloj se dice que son dextrógiras (del latín dexter = derecha) y a su rotación se le da signo positivo; las que lo desvían en sentido contrario, son levógiras (del latín laevus = izquierda) y su rotación tiene signo negativo. Las substancias con la misma fórmula desarrollada pero diferente actividad óptica se llaman isómeros ópticos. Los enantiómeros son isómeros ópticos cuya actividad tiene el mismo valor absoluto pero signo contrario. La designación D y L que se da a los enantiómeros del gliceraldehido mlvm/maov/12 Proteínas usados como patrón para asignar la configuración relativa, originalmente se baso en su actividad óptica, el isómero D es dextrógiro y el L es levógiro (ver Esquema 3). Esta equivalencia se abandonó porque la relación entre la configuración y la actividad óptica no es simple; existen compuestos que se clasifican como D y son levógiros y otros dextrógiros que son semejantes al Lgliceralehído. Por ello además de describir la configuración del compuesto, también se debe incluir en el nombre, el signo de la actividad óptica. Figura 4. Medición de la actividad óptica En Farmacología, es común el empleo de la simbología antigua para representar la rotación óptica, la cual consiste en usar las letras minúsculas cursivas d y l, para indicar la actividad óptica de los isómeros dextrógiros y levógiros respectivamente. También es costumbre usar los prefijos levo- o dextro- en los nombres de los fármacos, cuando se sabe cual de los enantiómeros es el que se administra por ejemplo, la Levodopa. Todos los aminoácidos proteínicos quirales son L--aminoácidos, pero a pesar de que todos tienen la misma configuración, algunos son levógiros y otros dextrógiros, como puede verse en la tabla de propiedades fisicoquímicas de los aminoácidos. En la Treonina y la Isoleucina además del carbono  también el carbono  es quiral, de modo que existen isómeros -R y -S de estos aminoácidos, de los cuales sólo uno se encuentra en las proteínas. Para la Isoleucina es el 3S, y para la Treonina es el 3R Propiedades ácido - básicas Ya sabemos que todos los aminoácidos proteínicos tienen en su molécula un radical -carboxilo y otro -amino, y por ello son anfóteros. Estos radicales son ácidos y bases débiles y su ionización cambia con el pH del medio, como se muestra en el Esquema 4 para la Valina. O OH C + H3N C H CH H3C CH3 +1 +OH+H+ O O C H3N C H CH H3C CH3 + 0 +OH+H+ O O C H2N C H CH H3C CH3 -1 Esquema 4 La fuerza de los grupos está determinada por el pKa de los radicales, que es característico de cada aminoácido, como puede verse en la tabla de propiedades fisicoquímicas de los aminoácidos. Al variar la ionización de los radicales con el pH, la carga total de los aminoácidos también cambia. mlvm/maov/13 Proteínas Para todos los aminoácidos existen formas catiónicas, con carga neta positiva; aniónicas, con carga neta negativa, y una forma isoeléctrica, en la cual la cantidad de carga positiva es igual a la negativa, y la carga neta es cero. El pH al cual predomina la forma isoeléctrica de un aminoácido se conoce como pH isoeléctrico o Punto Isoeléctrico (pI) del aminoácido. El pI se puede calcular como el promedio de los dos pKa que limitan la forma isoeléctrica. Tomando como ejemplo la Valina, que sólo tiene dos grupos ionizables, y con los valores de la tabla de propiedades fisicoquímicas de los aminoácidos, tenemos que: pKa1  pKa 2 2.32  9.60   5.96 2 2 pI  donde el pKa1 corresponde al grupo -carboxilo y el pKa2 al -amino, esta forma de nomenclatura es la usada en Bioquímica. La situación es un poco más compleja cuando la cadena lateral tiene un grupo ionizable como los casos del ácido Aspártico y la Lisina que se presentan en los Esquemas 5 y 6 respectivamente. O OH C + H3N C H CH2 C O OH O +OH+H+ O C H3N C H CH2 C O OH O +1 O C H3N C H CH2 C O O +OH- + + +H+ 0 O +OH+H+ O C H2N C H CH2 C O O -1 -2 Esquema 5 En el caso del aspartato, la forma isoeléctrica está determinada por la ionización de los dos grupos carboxilo y el punto isoeléctrico se calcularía como: pI  pKa1  pKa 2.09  3.86 3   2.97 2 2 mientras que, para la lisina las formas de ionización son: O OH C + H3N C H CH2 CH2 CH2 CH2 + NH3 O +OH+H+ O C H3N C H CH2 CH2 CH2 CH2 + NH3 O +2 O C H2N C H CH2 CH2 CH2 CH2 + NH3 +OH- + +H+ +1 0 O +OH+H+ O C H2N C H CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 -1 Esquema 6 Ahora la forma isoeléctrica se encuentra limitada por la ionización de los dos grupos amino y su valor se calcula como: pI  pKa 2  pKa 2 3  9.04  12.48 2  10.76 mlvm/maov/14 Proteínas En los dos casos anteriores, y para todos los aminoácidos, el pKa3, corresponde al radical ácido o básico de la cadena lateral, en estos casos, el -carboxilo del aspartato y el -amino de lisina. A partir de los tres casos presentados, es posible elaborar algunas generalizaciones útiles: 1. A pH bajo los aminoácidos presentan carga positiva mientras que a pH alto tiene carga negativa. 2. Los aminoácidos con grupos ácidos en su cadena lateral adquieren su forma isoeléctrica del lado ácido, y su pI se calcula usando los dos pKa menores. 3. La forma isoeléctrica de los aminoácidos básicos está del lado alcalino y su pI se calculan con los dos pKa mayores. 4. En solución, los aminoácidos no pueden existir sin tener al menos un radical disociado. 5. Para los aminoácidos no polares, o polares sin carga, la forma isoeléctrica es la misma que la del ión dipolar y es neutra. 6. En los aminoácidos básicos la forma de ión dipolar es positiva y para los aminoácidos ácidos es neutra o negativa. Otras propiedades físicas importantes de los aminoácidos como el tamaño y la solubilidad se enlistan en la tabla de propiedades fisicoquímicas que ya debes tener. Propiedades Químicas de los Aminoácidos La forma más sencilla de sistematizar el estudio de las propiedades químicas de los aminoácidos es analizando cada radical por separado, -carboxilo, -amino y cadena lateral. 1. Propiedades del carboxilo . Este grupo puede esterificarse, clorarse, reducirse o participar en cualquiera de las reacciones químicas comunes del grupo carboxilo, pero dos son las reacciones de importancia en la Bioquímica de proteínas. 1.1.Formación del enlace peptídico. Un enlace peptídico se forma cuando el grupo -carboxilo de un aminoácido reacciona con el grupo -amino de otro (Esquema 7). R1 O + H3N C C O H R2 O + + H3N C C O R1 O R2 O + H3N C C N C C O H H H H Esquema 7 Desde el punto de vista químico, el enlace peptídico es un enlace amida, con varias características importantes. El Oxígeno tiene electronegatividad alta y atrae el par de electrones  del doble enlace, provocando un desbalance de cargas que es revertido por el Nitrógeno, que también es muy electronegativo. Como resultado de estos corrimientos de electrones, el enlace peptídico presenta las dos formas de resonancia que se muestran en C C + N O C N O H C 60% C H C 40% Esquema 8 mlvm/maov/15 Proteínas el Esquema 8. Los tres átomos involucrados en la resonancia, C carboxílico, O carbonílico y N amínico, tienen hibridación sp2 y el enlace CN es parcialmente doble, como se puede ver por la geometría del enlace descrita en la Figura 5.A. (A) (B) Figura 5. (A) Ángulos y distancias del enlace peptídico en grados y Ángstrom (Å). (B) Definición de los ángulos de rotación El carácter doble del enlace CN hace que sea plano y rígido, los seis átomos que se presentan en el esquema 8, están en un sólo plano y únicamente hay rotación en los enlaces CC (ángulo psi, ) y NC (ángulo fi, ); el enlace CN (ángulo omega, ) generalmente tiene conformación anti, como se describe en la Figura 5.B. Esta propiedad tiene implicaciones importantes para la estructura de las proteínas. Como se estudia más adelante, los valores de rotación de estos ángulos definen la forma en que se pliegan las cadenas de aminoácidos de las proteínas. La misma deslocalización de electrones, crea cargas parciales negativa (-) en el Oxígeno y positiva (+) en el Nitrógeno, lo cual aunado a su electronegatividad, favorece la participación de ambos átomos en la formación de puentes de Hidrógeno, que también son importantes en la estructura de las proteínas. La molécula que resulta de la formación del enlace peptídico, se llama péptido y tiene dos extremos diferentes; en un lado se encuentra el grupo -amino que no reaccionó, este es el llamado extremo amino terminal; del otro lado está el extremo carboxilo terminal donde se encuentra el grupo -carboxilo sin reaccionar. Por convención, la estructura de los péptidos se escribe de izquierda a derecha comenzando en el extremo amino terminal, ya sea que se usen fórmulas o símbolos. 1.2.Descarboxilación. Esta reacción consiste en la pérdida del carboxilo- de los aminoácidos (Esquema 9). Es catalizada por las enzimas Aminoácido Descarboxilasas que dependen de la coenzima Fosfato de Piridoxal. R + H3N C COOH Aminoácido + R CH2 NH3 + CO2 Amina Biógena Esquema 9 Los productos de descarboxilación de los aminoácidos son llamados Aminas Biógenas, compuestos que poseen actividades biológicas importantes. La descarboxilación del ácido glutámico promlvm/maov/16 duce el neurotransmisor inhibidor GABA. Del ácido aspártico se forma la -alanina que se encuentra en la estructura de la Coenzima A. La descarboxilación de L-DOPA produce Dopamina, neurotransmisor y a la vez precursor de las catecolaminas Norepinefrina y Epinefrina, que tienen funciones como hormonas y neurotransmisores. El autacoide Histamina se produce por descarboxilación de la Histidina. En la síntesis de Serotonina a partir de Triptofano, también hay una reacción de descarboxilación. Proteínas Algunas de estas aminas biógenas se muestran en la Figura 3, el resto de las mencionadas se encuentran en la Figura 6. HO HO + HO CH2CH2NH 3 HO + HO CH CH2NH3 CH3 + HO CH CH2NH2 OH Dopamina OH Norepinefrina Epinefrina HO NH + CH2CH2NH3 + HN CH2CH2NH3 + N H Histamina Serotonina Figura 6. Algunas Aminas Biógenas derivadas por descarboxilación de aminoácidos. 2. Propiedades del amino . Además de la formación del enlace peptídico, el grupo -amino de los aminoácidos participa en cuatro reacciones de interés en Bioquímica. 2.1.Formación de bases de Schiff (Esquema 10). Desde el punto de vista metabólico, esta es la reacción más importante del grupo -amino. Las bases de Schiff son iminas que se forman cuando los aldehídos reaccionan con aminas. En la Bioquímica de los aminoácidos, el aldehído más importante es el Piridoxal, que en forma de fosfato de Piridoxal (PLP) es coenzima de muchas enzimas del metabolismo de aminoácidos. Las bases de Schiff formadas entre los aminoácidos y el PLP, son intermediarios en muchas reacciones como Transmaminación, Racemización, Deshidratación, y Descarboxilación. H O R C C O + NH3 + R C C O O HC H O N HO CH2 OH N + CH3 CH HO CH2 OH N Aminoácido Piridoxal + CH3 Base de Schiff Esquema 10 2.2.Reacción de Sanger (Esquema 11). Esta es una reacción importante desde el punto de vista histórico ya que fue utilizada por Frederick Sanger para determinar, por primera vez en la historia, la secuencia de aminoácidos de una proteína, la Insulina bovina. Por este trabajo, recibió el premio Nobel de Química en 1960. mlvm/maov/17 Proteínas La reacción consiste en combinar los aminoácidos con el 2,4 - dinitrofluorobenceno o reactivo de Sanger; los dinitrofenil derivados de aminoácidos son compuestos de intenso color amarillo, fáciles de detectar e identificar. H O R C C O F H O NO2 R C C O NH NO2 + + NH3 NO2 Aminoácido NO2 Dinitrofenilaminoácido 2,4-dinitrofluorobenceno Esquema 11 2.3. Reacción de Edman (Esquema 12). En esta reacción se condensa el grupo amino con el Fenilisotiocianato o Reactivo de Edman, formando un feniltiocarbamil - aminoácido, que ciclisa en medio ácido y forma una fenilhidantoína distinta para cada aminoácido. O N C + R1 O H S + N C C N C H Fenilisotiocianato R1 O S N C N C R2 Péptido(n) H N C N C H C C N R2 Peptidil-feniltiocambanida H C R1 + + N C R2 S Aminoácil- Feniltioidantoína Péptido(n-1) Esquema 12 Cuando el aminoácido forma parte de una cadena peptídica, la ciclisación provoca el rompimiento del enlace peptídico, con lo que se libera un nuevo grupo amino. Repitiendo la reacción varias veces seguidas, es posible degradar péptidos, aminoácido por aminoácido a partir del extremo aminoterminal, y determinar así su secuencia. 2.4. Reacción de la Ninhidrina. La Ninhidrina (Hidrato de Tricetohidrindeno) es el reactivo más empleado en la detección y cuantificación de aminoácidos. Durante la reacción, se consumen dos equivalentes de Ninhidrina por cada aminoácido. En el primer paso de la reacción (Esquema 13) el aminoácido se oxida, descarboxilándose y liberando amoniaco, mientras que uno de los equivalentes de Ninhidrina se reduce a Hidrindantina. O R + N C COOH Aminoácido O HO H + HO HO O Ninhidrina O Hidrindantina O + CH + NH3 + CO2 R Esquema 13 En el segundo paso (Esquema 14) la Hidrindantina formada y otro equivalente de Ninhidrina, reaccionan con el amoniaco formando un complejo de color púrpura (Púrpura de Ruhemann). La mlvm/maov/18 Proteínas Prolina produce un compuesto color amarillo. O O O OH O H N OH + NH3 + HO O Ninhidrina O O Púrpura de Ruhemann O Hidrindantina Esquema 14 3. Propiedades del Grupo R. Los grupos funcionales de la cadena lateral, mantienen sus propiedades químicas normales y por lo tanto se pueden usar para identificar aminoácidos específicos. Aunque los analizadores automáticos han reducido la aplicación de estas pruebas, varias de ellas aún se utilizan en casos específicos, las más importantes se presentan a continuación. 3.1. Xantoprotéica. Algunos aminoácidos como Fenilalanina, Tirosina y Triptofano, tienen anillo aromáticos derivados de benceno y por ello tiene las propiedades químicas del benceno y sus derivados. Una de estas propiedades es la reacción de nitración del anillo bencénico con ácido Nítrico concentrado. Los anillos Benceno de Tirosina y Triptofano están activados y reaccionan fácilmente, mientras que el benceno de la Fenilalanina no tiene sustituyentes que lo activan y reacciona con más dificultad. OH OH + HNO3 CH2 O H3N CH C O +  O NO2 NO2 OH CH2 O H3N C C H OH + CH2 O H2N C C H O El nombre de la reacción se deriva del griego xantos, que significa amarillo, que es el color característico de la reacción positiva. El color amarillo se intensifica en medio alcalino. Esta reacción es la que provoca el color amarillo cuando se salpica la piel con ácido Nítrico concentrado, las proteínas de la piel tienen Tirosina y Triptófano, los cuales al nitrarse, le dan a la piel un color amarillo característico. 3.2. Millon. Es específica para el grupo fenólico por lo tanto, la dan positiva todas las sustancias que poseen esta función, como la Tirosina y todas las proteínas que contengan Tirosina. El primer paso de la reacción de Millon consiste en la nitración del anillo fenólico de la Tirosina, por el ácido Nítrico del reactivo. La Tirosina nitrada forma complejos con los iones Mercurioso Hg(I) y Mercúrico Hg(II) del reactivo produciendo un precipitado rojo o una solución roja, ambos resultados positivos. mlvm/maov/19 Proteínas OH OH NO2 + CH2 O H3N C C H O + HgNO3 Hg(NO3)2 HNO3 OH NO2  NO2 CH2 O H3N C C H O NO2 CH2 O H3N C C H O + + Algunas proteínas pueden formar el precipitado rojo desde el inicio, mientras que otras primero forman un precipitado blanco, que se debe calentar para dar el color rojo indicativo de la presencia de Tirosina. Cualquier sustancia con un grupo fenólico dará positiva la reacción de Millon y puede interferir con la detección de Tirosina. 3.3. Hopkins Cole. Es específica del grupo indol característico del Triptófano. El anillo del indol se hace reaccionar con ácido Glioxálico en presencia de ácido Sulfúrico concentrado para formar un compuesto violeta que se forma en la interfase entre la solución de proteína y el ácido sulfúrico. La estructura exacta del compuesto violeta no se conoce, pero parece estar relacionado con el producto de condensación del aldehído del ácido Glioxálico con los nitrógenos de dos anillos indólicos, como se muestra en la reacción, ya que también se pueden formar complejos con otros aldehídos. OH O C + CH2 O + H3N C C H OH O O NH C C H OH H2SO4 HN C N CH2 O H3N C C H OH + CH2 O H3N C C H OH + La reacción de Hopkins Cole es positiva sólo para las proteínas que contienen Triptófano. Se supone que el ácido concentrado hidroliza las proteínas en la interfase liberando el Triptófano para dar el producto violeta. Sin embargo, el Triptófano puro en solución no da positiva la reacción, a menos que se agreguen agentes oxidantes, por lo que es de suponer que el Triptófano de las proteínas no se libera como tal, por lo cual la reacción presentada es sólo parcialmente correcta. 3.4. Aminoácidos Azufrados. Esta reacción detecta la Cisterna y proteínas que la contengan. En medio fuertemente alcalino el radical mercapto de la Cisterna se desprenden como ácido sulfhídrico que se pone en evidencia añadiendo sales de plomo para que se forme de un precipitado negro de sulfuro de plomo. mlvm/maov/20 Proteínas O HS CH2 CH C O H2S + HO CH2 CH C + NaOH + + NH3 O NH3 O (CH3COO)2Pb + H2S 2 CH3COOH + PbS El ácido sulfhídrico se puede reconocer por su olor desagradable característico. En la Tabla 7, se enlistan otras de las reacciones empleadas en identificación de aminoácidos específicos. Nombre Ehrlich Sakaguchi Nitroprusido Sullivan Pauli Folin Cioclateu Tabla 7. Reacciones de las cadenas laterales de aminoácidos Reactivos Aminoácido(s) p-Dimetilaminobenzaldehido en HCl concentrado Trp Arg -Naftol en hipoclorito de sodio Cys Nitrato de sodio en NH3 diluido Sodio-1,2-naftoquinona-4-sulfonato e hidrosulfiCys to de sodio Ácido sulfanilico diazotizado en solución alcalina His, Tyr Ácido fosfomolibdotúngstico Tyr Color Azul Rojo Rojo Rojo Rojo Azul Oligopéptidos Los oligopéptidos son cadenas de aminoácidos con 10 o menos residuos (algunos autores consideran hasta 25). A pesar del tamaño pequeño, son importantes porque existe muchos oligopéptidos naturales que tienen funciones biológicas importantes. Para formar el nombre químico de un oligopéptido, se empieza en el extremo amino terminal, que por convención se escribe y dibuja del lado izquierdo. La terminación del nombre de los aminoácidos que forman la cadena se cambia por -il, porque cada aminoácido se considera radical sustituyente del grupo amino del aminoácido que le sigue a la derecha, el nombre del aminoácido del extremo derecho no se cambia. Por ejemplo, el péptido de la Figura 7 tendría como nombre químico: Tirosil-glicil-glicil-fenilalanil-leucina. OH H3C H CH3 C C O + O O C O CH2O H3N CH C NH C C NH CH2C NH CH C NH CH C O H2 Figura 7. Estructura de la Leucina-encefalina Nombres como estos se vuelven imposibles de usar, por ello para los oligopéptidos, es costumbre emplear nombres comunes, el del péptido de la Figura 7 es Leucina-encefalina. En la Tabla 8 se presentan nombre, secuencia y actividades de algunos oligopéptidos de interés médico. mlvm/maov/21 Proteínas Nombre Tabla 8. Algunos oligopéptidos de interés Secuencia Características -Glu-Cys-Gly Glutation (G-SH) Met- y LeuEncefalinas Angiotensina I Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu Angiotensina II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe Bradicinina Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Calidina Lys-Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Vasopresina Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly(NH2) └─────S──S─────────┘ Oxitocina Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly(NH2) └─────S──S────────┘ Substancia P Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met(NH2) Gramicidina S (-L-Val-L-Orn-L-Leu-D-Phe-L-Pro-)2 Tirocidina L-Val-L-Orn-L-Leu-D-Phe-L-Pro   L-Tyr-L-Gln-L-Asn-D-Phe-L-Phe (-L-Lactato-L-Val-D-OH-Val-D-Val-)3 Valinomicina Mantiene la integridad estructural de las proteínas Neurotransmisores con acción analgésica de tipo morfina, inhiben el dolor. Sustancia presora producida por acción de la enzima Renina sobre el precursor plasmático Angiotensinógeno, en respuesta a la baja de presión en la arteria eferente del riñón. Precursor de la Angiotensina II Sustancia con alta potencia presora. Producida a partir de la Angiotensina I por acción de la Enzima Convertidora de Angiotensina (ECA) Péptido vasodilatador producido por hidrólisis de proteínas específicas del plasma con la enzima Tripsina. Péptido vasodilatador producido por hidrólisis de proteínas específicas del plasma (Calidinógeno) Hormona antidiurética (ADH) secretada por la neurohipófisis. Provoca la retención renal de agua y es ligeramente vasopresora. Hormona que provoca la contracción del músculo liso del útero durante el parto y en la glándula mamaria durante la lactancia. Secretada por la neurohipófisis Neurotransmisor involucrado en las vías de dolor Antibiótico con estructura cíclica aislado de la bacteria Bacillus brevis Antibiótico aislado de la bacteria Bacillus brevis Antibiótico de estructura cíclica con actividad “ionofórica” para Potasio. Algunas de estas moléculas merecen atención especial. Las Encefalinas tienen actividad semejante a la Morfina y se cree que son los agentes analgésicos endógenos, bloqueando la transmisión de los impulsos nerviosos provenientes de los receptores de dolor. La Oxitocina y la Vasopresina son hormonas producidas por la glándula pituitaria. La Oxitocina estimula la contracción del músculo liso del útero durante el trabajo de parto, y de los músculos de la glándula mamaria durante la lactancia. La Vasopresina u Hormona Antidiurética (ADH) estimula la retención de agua en el riñón e incrementa la presión sanguínea para facilitar el flujo sanguíneo en el riñón. Aunque la secuencia de ambas hormonas es casi idéntica, su estructura secundaria es muy diferente y esto explica la diferencia en actividad. En la Oxcitocina el resto de Tyr2 forma un puente de Hidrógeno con Asn4, y la hormona adquiere una forma tridimensional compacta. En cambio, la Vasopresina tiene una forma alargada porque mlvm/maov/22 Proteínas la Phe3, impide la formación del puente de Hidrógeno entre Tirosina y Asparagina. El Glutatión cumple una función vital al evitar la oxidación permanente de la Hemoglobina y otras proteínas celulares. El grupo tiol (-SH) del Glutatión provee el poder reductor para mantener las proteínas en el estado de oxidación correcto. Dos moléculas de G-SH forman un dímero unido por un puente disulfuro (Esquema 16) y liberan equivalentes reductores en forma de Hidrógenos. En las células humanas la relación entre el Glutatión reducido y el oxidado es de 500:1, gracias a la acción de la enzima Gluatión peroxidasa (Esquema 15). G-S-S-G + H2O G-SH + G-SH + 1/2O2 Glutatión Glutatión reducido oxidado Esquema 15 El Glutatión también participa en la prevención del efecto oxidante de fármacos y sustancias químicas contaminantes. La exposición prolongada a sobredosis de agentes oxidantes provoca una disminución en la concentración de Glutatión reducido y puede constituir un peligro porque muchas proteínas pueden oxidarse en forma irreversible y perder su actividad. Propiedades Químicas de Oligopéptidos Además de las propiedades químicas de los aminoácidos que los forman, la reacción del Biuret permite detectar los oligopéptidos de tres y más aminoácidos. La prueba consiste en la formación de un complejo entre al menos dos enlaces peptídicos consecutivos con un ión cúprico Cu(II) en medio alcalino. El complejo es de color violeta y la intensidad depende del número de enlaces presentes. R O CH C NH NH R O C C N H N H H + Cu2+ NaOH Cu HN 2+ H NH C C O R El Cobre(II) se añade en forma de Sulfato de Cobre. Dado que las soluciones de Sulfato de Cobre tiene color azul, la cantidad de reactivo añadida debe ser controlada para evitar positivos falsos. El nombre se proviene del compuesto Biurea (NH2-CO-NH-CO-NH2) el cual da positiva la prueba. Mediante esta reacción es posible seguir el proceso de hidrólisis proteica, la reacción será negativa cuando la hidrólisis sea completa. Estructura de Proteínas Como resultado de la formación de los enlaces peptídicos las cadenas de aminoácidos están formadas por dos secciones distintas una constante llamada esqueleto, que está formada por los Carmlvm/maov/23 bonos  y los grupos amino y carboxilo que participan en el enlace peptídico; y la otra variable constituida por los restos de los aminoácidos. Proteínas Tabla 9. Niveles estructurales de proteínas Nivel de Nivel Tipos de Definición Organización Estructural Estructura Secuencia Primaria Secuencia de amiCasi ilimitados noácidos en la cadena polipeptídica, incluidos los aminoácidos no codificables. Conformación Secundaria Estructura local de -Hélice los segmentos de la Cadena--plegada cadena polipetídica, Vuelta  sin importar la con- Al azar formación de las ca- (Colágeno) denas laterales. SuperAsociación de es, , , etc. secundaria tructuras secundarias mediante interacciones de las cadenas laterales. Dominios Unidades estructura- Diversos agrupamienles locales formadas tos de niveles inferiores por fragmentos de una cadena polipeptídica que se doblan para asociarse. Terciaria Forma tridimensio- Fibrosas, Globulares nal de una sola cadena polipeptídica. Asociación Cuaternaria Asociación de varias Homo-oligómeros cadenas en una pro- Hetero-oligómeros teína oligomérica Quinaria Asociación entre Variadas proteínas y otras moléculas no proteicas Enlaces Implicados Peptídicos (Covalentes) Puentes de Hidrógeno entre Oxígenos y Nitrógenos del enlace peptídico. Puentes Disulfuro, Interacciones Electrostáticas, Interacciones Hidrófobas, Puentes de Hidrógeno. Puentes Disulfuro, Interacciones Electrostáticas, Interacciones Hidrófobas, Puentes de Hidrógeno. Puentes Disulfuro, Interacciones Electrostáticas, Interacciones Hidrófobas, Puentes de Hidrógeno. Puentes Disulfuro y Enlaces no Covalentes. Enlaces no Covalentes. Como se explicó en la clasificación de aminoácidos, las cadenas laterales tienen propiedades distintas, algunos pueden estar en contacto con el agua pero otras no, de manera que para lograr que cada resto tenga un ambiente favorable, la cadena se dobla y pliega hasta adquirir una forma tridimensional característica llamada Estructura Nativa de la proteína. Las proteínas cumplen con su función biológica cuando se encuentran en su estructura nativa. La estructura nativa de las promlvm/maov/24 Proteínas teínas también depende de las limitaciones en rotación que se mencionaron al hablar del enlace peptídico. Para abordar la complejidad de la estructura nativa de las proteínas, su estudio se sistematiza en una serie de niveles de organización denominados estructuras Primaria, Secundaria, Terciaria y Cuaternaria, que van desde lo más simple hasta lo más complejo. Este esquema de sistematización se presenta en la Tabla 9. 1.Estructura Primaria. La estructura primaria de una proteína es la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica, incluidos los aminoácidos no codificables. Se denomina secuencia de aminoácidos a la descripción de: (a) la cantidad de aminoácidos que forman la cadena, (b) el tipo de cada uno de ellos y, (c) el orden en que se encuentran. La estructura primaria de las proteínas está determinada en la información genética y los enlaces que mantienen su estabilidad son enlaces peptídicos entre el grupo -amino de un aminoácido y -carboxilo de otro. Debido a que estos enlaces son covalentes, la estructura primaria también se conoce como la “estructura covalente” de las proteínas. Con 20 aminoácidos proteínicos codificables, es posible formar un número enorme de estructuras primarias aún para las cadenas de aminoácidos más cortas; existen 1.024 x 1013 estructuras primarias tan sólo para un decapéptido. Tal variabilidad hizo que la determinación de la estructura primaria de las proteínas fuera un problema durante mucho tiempo. La estrategia clásica consiste en hidrolizar la molécula de proteína usando enzimas o reactivos químicos, que rompen los enlaces peptídicos en sitios específicos de la secuencia de aminoácidos (Tabla 10). Cada tratamiento, produce un conjunto característico de péptidos que se secuencian usando aparatos automáticos. Comparando las secuencias de los conjuntos de péptidos obtenidos por hidrólisis con diferentes tratamientos, es posible definir la secuencia de la proteína completa. Tabla 10. Agentes para hidrólisis de proteínas R1 O R2 O N C C N C C H H H H E Enzima Tripsina Quimotripsina Pepsina Termolisina Bromuro de cianógeno Rompe E cuando: R1 es Lys o Arg R1 es Phe, Tyr o Trp R1 es Leu, Ile o Val R2 es Leu, Ile o Val R1 es Met Para poder aplicar este método, es necesario contar con la proteína pura, y la purificación de las proteínas es, en sí misma un problema de difícil solución. Hoy en día la Biología Molecular permite la determinación rápida de la estructura primaria. Con las técnicas actuales, los métodos de aislamiento, purificación y secuenciación de ácidos nucleicos son más rápidos, sencillos y baratos, que los de proteínas. Después de obtener la secuencia de los ácidos nucleicos que codifican para una proteína, se puede deducir su secuencia usando el código genético. mlvm/maov/25 Proteínas La estructura primaria de las proteínas es lineal, y se convierte en tridimensional al plegarse. El primer paso en el plegamiento de las proteínas es formación de la estructura secundaria. Estructura Secundaria. La estructura secundaria de las proteínas es la organización regular que adquieren diferentes secciones del esqueleto constante de una cadena polipeptídica. La forma de dicha organización, está determinada por la rigidez del enlace peptídico, la cadena sólo se puede plegar por giro sobre los enlaces sencillos (ver Figura 5.B). Además, los grupos amino y carboxilo de los enlaces peptídicos tienen la tendencia a formar puentes de Hidrógeno con otros grupos de la misma molécula, estas limitantes, junto con las propiedades de los restos de aminoácidos, producen tres tipos básicos de estructuras secundarias llamadas hélice-, cadena- y hélice de colágeno. Además, con base en resultados del análisis de las proteínas de estructura conocida, actualmente se incluye en la estructura secundaria los cambios de dirección, o dobleces, el que se ha descrito en forma más completa es el doblez . Por último, existen zonas de las cadenas polipeptídicas cuya estructura no sigue reglas simples, entonces se dice que tienen estructura al azar. La estructura secundaria se estabiliza por puentes de Hidrógeno que se forman entre amino y carbonilo del enlace peptídico. Hélice . En la estructura secundaria en forma de hélice , el esqueleto peptídico se encuentra enrollado de forma espiral compacta alrededor de un eje longitudinal, con las cadenas laterales de los aminoácidos hacia el exterior de la espiral (Figura 8.A). (A) (B) Figura 8. (A) Vista longitudinal de la Hélice  mostrando las cadenas laterales de los aminoácidos. (B) Vista lateral mostrando los enlaces por Puente de Hidrógeno. La hélice está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los nitrógenos y los oxígenos de los enlaces peptídicos (Figura 8.B). Los puentes se establecen entre el átomo de oxígeno carbonílico de un residuo (n) y el nitrógeno del residuo situado en posición n+4. Cada residuo rota 100° y se desplaza 0.15 nm con respecto al residuo anterior, por lo que son necesarios 3.6 residuos y 0.54 nm para que la hélice dé una vuelta completa. Además, la hélice es derecha porque avanza en el sentido de las manecillas del reloj. La estructura en hélice  es muy común en las proteínas globulares. El tamaño de las hélices es muy variable, desde 4 hasta 40 residuos. Las propiedades de la hélice  y las otras estructuras secundarias se resumen en la Tabla 11. Algunos aminoácidos como Ala, Glu, Leu y Met, se encuentran con mucha frecuencia en hélices ; en cambio otros como Gly, Tyr y Ser, casi nunca lo están. De especial interés es la Prolina, mlvm/maov/26 que debido a su estructura no puede formar la hélice  y cuando se encuentra en ella, le cambia la dirección. Proteínas Tabla 11. Características de los tipos de estructura secundaria de proteínas Translación    Residuos por Conformación por residuo fi psi omega periodo -48° -57° 180° 3.6 1.5 Å Hélice  2.0 3.4 Å Cadena  antiparalela -139° +135° -178° -119° +113° 180° 2.0 3.2 Å Cadena  paralela Poliprolina I -83° +158° 0° 3.33 1.9 Å Poliprolina II -78° +149° 180° 3.0 3.12 Å Poliprolina III -80° +150° 180° 3.0 3.1 Å Pro de Colágeno -51° +153° Gly de Colágeno -76° +127° 3.0 3.1 Å Cadena . En la conformación de cadena  o en hoja plegada, el esqueleto peptídico se encuentra extendido en "zig-zag", como en un acordeón. Cada hoja del acordeón está formada por un enlace peptídico rígido que se une con el siguiente en un carbono , para formar un plano con las cadenas laterales dispuestos hacia ambos lados del plano (Figura 9.A). Cada resto de aminoácido ocupa 0.35 nm. Las cadenas  promedio pueden tener hasta 40 nm de longitud (A) (B) Figura 9. (A) Cadena β mostrando Esqueleto en “Acordeón” y las cadenas laterales de los aminoácidos. (B) Pared  formada por cadenas antiparalelas. Cuando existen dos o más cadenas  adyacentes, pueden unirse por puentes de hidrógeno entre los nitrógenos de un enlace peptídico y el átomo de oxígeno carbonílico de los enlaces peptídicos de la cadena de aminoácidos adyacente formando una pared  (Figura 9.B). Estructura del colágeno. La unidad básica de una fibra de colágeno es la molécula de tropocolágeno, una triple hélice de cadenas polipeptídicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000 residuos (Figura 10.A). mlvm/maov/27 Proteínas (A) Figura 10. Triple hélice del Colágeno (B) En cada cadena se repite de forma característica la secuencia Gly-X-Y ó Ala-X-Y, donde X e Y suele ser Pro o Hidroxiprolina (Hyp) (Figura 10.B). La hidroxiprolina se forma postraduccionalmente al hidroxilarse la Prolina. En la reacción de hidroxilación interviene la vitamina C. Un síntoma del escorbuto, producido por déficit de dicha vitamina, es el debilitamiento de las fibras de colágeno. La cadena lateral de la Glicina que es pequeña, se dispone hacia el interior, permitiendo que las cadenas polipeptídicas formen una triple hélice compacta. Figura 11. Vista longitudinal de la triple héli- Figura 12. Doblez  estabilizado por puente ce del Colágeno mostrando las cadenas latera- de Hidrógeno 1-4 les de Pro (claro) e Hyp (oscuro) Las cadenas laterales de los residuos de prolina e hidroxiprolina se disponen hacia el exterior de la triple hélice (Figura 11) interaccionando con el disolvente y las otras cadenas de colágeno. Doblez . Esta estructura se forma en sitios en que las cadenas beta cambian de dirección formando puentes de hidrógeno entre un aminoácido en la posición n y otro situado en la posición n + 4, como Ser y Phe en la Figura 12. Los elementos de la estructura secundaria a menudo presentan acomodos repetitivos llamados motivos o estructuras super secundarias, algunos frecuentes se enlistan en la Tabla 12. mlvm/maov/28 Proteínas Tabla 12. Algunos motivos de estructura super secundaria frecuentes hélice-vuelta-hélice beta-vuelta-beta Está formado por dos segmentos de hélice alfa Dos segmentos de estructura beta separados por separados por una vuelta. Es un motivo muy una vuelta beta de 180°, permitiendo que los común en las proteínas ricas en hélice alfa. segmentos beta queden antiparalelos. beta-alfa-beta llave griega Dos segmentos de cadena beta separados por Está formada por dos motivos beta-vuelta-beta una hélice alfa. Con esta disposición las cade- que se asocian en forma paralela, como si una nas beta quedan paralelas. orquilla se doblara a la mitad. 3. Estructura terciaria. Se denomina estructura terciaria de las proteínas a la forma tridimensional que adquiere una cadena individual de aminoácidos. La estructura tridimensional de una proteína está relacionada con su función. Con frecuencia, proteínas con funciones semejantes, tienen estructuras tridimensionales similares, aunque su estructura primaria sea diferente. Figura 13. Estructura terciaria de la cadena ligera de una IgG mostrando los dominios variable (Lv) y constante (Lc) La estructura terciaria se puede estudiar como el acomodo de elementos de estructura secundaria. Las estructuras super secundarias con frecuencia se organizan en grupos reconocibles que se denominan dominios (Figura 13). El concepto de dominio es muy útil al explicar la relación entre la estructura y la función de las proteínas pues dominios particulares tienen funciones propias dentro de una proteínas, o contribuyen de maneras específicas. Un buen ejemplo de este comportamiento lo constituyen las inmunoglobulinas y algunas proteínas de regulación de la información genética. Actualmente se considera que la principal fuerza responsable de la estructura tridimensional de una proteína es la tendencia de las cadenas laterales hidrófobas de los aminoácidos, a mantenerse en el interior de la proteína, alejadas del agua; de modo que la estructura terciaria de una proteína frecuentemente, pero no siempre, está próxima a la forma tridimensional termodinámicamente más estable, en un ambiente determinado. Estudios teóricos de predicción de la estructura terciaria de las proteínas apoyan este principio pero debido a la complejidad del problema, es imposible afirmarlo con 100% de certeza. mlvm/maov/29 Proteínas La estructura terciaria de las proteínas puede ser fibrosa, cuando una de sus dimensiones es mucho mayor que las otras dos, o globular, cuando tiene forma esferoidal (Figura 14). Figura 14. Fibra de colágeno (izquierda) y Glóbulo de Mioglobina (derecha) En realidad, estas son formas extremas, existen moléculas con una parte globular y otra fibrosa, como la Miosina, que no se pueden clasificar en uno u otro grupo en forma absoluta. Además de las interacciones hidrófobas, la estructura terciaria también se estabiliza mediante interacciones electrostáticas, puentes de Hidrógeno entre cadenas laterales y enlaces disulfuro. 4. Estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria es la asociación entre dos o más cadenas de aminoácidos para formar una proteína funcional. La asociación entre varias cadenas proteína da origen a nuevas propiedades como la alostería. (A) (B) Figura 15. Estructura cuaternaria (A) Hemoglobina, una proteína alostérica. (B) IgG1. Las proteínas formadas por más de una cadena de aminoácidos, se denominan oligómeros y cada cadena individual es un monómero o subunidad de la proteína. Sí las subunidades son diferentes, se dice que la proteína es un heterómero y si son iguales es un homómero. La estructura cuaternaria de las proteínas es mantenida por el mismo tipo de interacciones que estabilizan la estructura terciaria, aunque las interacciones hidrófobas no son tan importantes. Almlvm/maov/30 Proteínas gunos autores afirman que la estructura cuaternaria se mantiene únicamente mediante interacciones no covalentes, como en la hemoglobina, de ser así, se excluiría al enlace disulfuro que es de particular importancia en la estructura cuaternaria de las inmunoglobulinas. Por último, algunos autores incluyen un nivel quinario de la estructura de proteínas, que estudia la asociación entre proteínas y moléculas no proteínicas como glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos. Este nivel de estructura incluirá entonces a todas las proteínas conjugadas y a muchos complejos macromoleculares como los cromosomas, los ribosomas y las lipoproteínas que son estudiados por la Biología Molecular. mlvm/maov/31