4. LES PROTEÏNES

1. Concepte

2. Aminoàcids

3. Enllaç peptídic

4. Estructura de proteïnes

5. Propietats de les proteïnes

6. Funció biològica de les proteïnes

1. Concepte Una proteïna és un POLÍMER no ramificat format per la unió d'aminoàcids per mitjà

d'enllaços peptídics.

Té alt pes molecular.

Les proteïnes són formades per C,O,H i N, també sol presentar-se el S i amb menor

freqüència P,Fe,Cu,I,Mg i altres elements.

Constitueixen aproximadament el 50% del pes sec de la cèl·lula. Molt abundants a

matèria viva.

Són fonamentals en l'organització cel·lular per la varietat de funcions que hi

desenvolupen.

Són els instruments moleculars pels quals s’expressa la informació genètica continguda

a l’ADN i molt específiques.

A través d'elles s'expressa la informació genètica.

2. Aminoàcids Estructura

Biomolècula orgànica de baix pes molecular, constituïda per un C al que s'uneixen:

o Un grup AMINO (-NH2)

o Un grup ÀCID o CARBOXIL (-COOH)

o Un hidrogen (-H)

o Un grup radical (-R)--> Cadena lateral.

Els aa que poden ser α, β, Ɣ segons on es trobi unit el grup NH2. Els que formen les

proteïnes són alfa.

Segons el R podem distingir 20 tipus d' α-aa.

PROPIETATS DELS aa:

Compostos sòlids, cristal·lins, amb punt de fusió elevat (200ºC), solubles en aigua, amb

activitat òptica-estereoisomeria i es comporten com a amfòters

Aminoàcids-activitat òptica

L'àtom de C α és ASSIMÈTRIC excepte GLICINA (gly) o glycocola i per tant, desvien el

pla de la llum polaritzada.

El fet de presentar C assimètrics comporta:

o Són òpticament actius.

o Presenten 2 formes ESTEREOISÒMERS ÒPTICS o ENANTIÒMERS per a cada aa.

o Formes D i L

o Al representar-los, el carboni a es situa en el centre d’un tetraedre, dalt el grup

àcid, COOH, baix la cadena lateral i el grupo amino, NH2, a la dreta si és la

forma D i a l’esquerra si és la forma L.

o Els aminoàcids que presenten les proteïnes són sempre de la forma L, és a dir,

presenten el grupo amino, NH2, a l’esquerra.

Aminoàcids-comportament químic

En condicions fisiològiques, pH aproximadament 7, els aminoàcids es poden ionitzar,

el grup àcid, COOH pot alliberar un protó, H+, COO- ; el grup amino, NH2 pot captar un protó, H+, NH3+.

La forma ionitzada, COO- i NH3+, és coneguda com a zwitterió.

Els aminoàcids en medis biològics es poden comportar, depenent del pH com a àcids o com a

bases. Les substàncies que presenten aquesta propietat s’anomenen amfòters.

Si el pH baixa, medi àcid, hi ha un augment de protons, H+, aleshores el grup COO- capta un

protó, COOH. En aquest cas l’aminoàcid ha actuat com una base. En aquest cas l’aminoàcid

presenta una càrrega neta positiva, NH3+.

Si el pH puja, medi bàsic, aleshores el grup NH3+ deixa anar un protó, NH2. En aquest cas

l’aminoàcid ha actuat com un àcid. I l’aminoàcid presenta una càrrega neta negativa, COO-.

Els grups ionitzables dels aminoàcids, COOH i NH2, units al carboni a i altres grups presents en

les cadenes laterals poden guanyar o perdre protons, H+, depenent del pH de la dissolució.

Els aminoàcids presenten punt isoelèctric (pI): és el valor de pH en què el nombre de

càrregues positives i el nombre de càrregues negatives és el mateix, per tant l’aminoàcid

presenta una càrrega elèctrica neta neutre o zero.

Això passa a un determinat pH, i és diferent en cada aminoàcid.

Les cadenes laterals també poden tenir grups COOH i NH2, i per tant també poden guanyar o

perdre protons, H+, depenent del pH de la dissolució.

En aquest cas es representen un aminoàcid àcid, glutamat, i un aminoàcid bàsic, lisina.

Aminoàcids: Classificació

Els aminoàcids es classifiquen segons la seva cadena lateral R.

Apolars: La cadena “R” conté grups hidròfobes. Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Met, Phe, Trp,

Cys i Gly

Polars sense càrrega: La cadena R conté grups polars, Ser, Thr, Gln, Asn, i Tyr. Poden

fer ponts d’H.

Polars amb càrrega + o bàsics: La cadena R conté NH2. Lys, Arg i His

Polars amb càrrega – o àcids: la cadena R conté grups COOH. (Asp i Glu)

Una altra manera de classificar-los és segons l’estructura química de la cadena:

R alifàtica (lineals, obertes i de grups -CH2-):

R hidroxilat (grup OH):

R sulfatat (S)

R aromàtic (cadenes tancades, cícliques i relacionades amb el benzè). :

R àcid (té COOH):

R bàsic (té NH2):

R heterocíclic:

Aminoàcids essencials

Són aquells aminoàcids que no es poden sintetitzar, sinó que han de ser incorporats amb la

dieta. A l'espècie humana són:

valina, leucina,isoleucina,metionina, fenilalanina, treonina, triptòfan, lisina.

Als lactants i nens petits també hi ha l'arginina i la histidina.

3. L’ENLLAÇ PEPTÍDIC

La unió entre aminoàcids per formar proteïnes es dóna per l’enllaç peptídic.

Aquest enllaç, de tipus covalent, es forma al donar-se la unió del grup àcid, COOH, del primer

aminoàcid, amb el grup amino, NH2, del segon, alliberant-se una molècula d’aigua.

La molècula resultant s’anomena pèptid, polipèptid o proteïna depenent del nombre

d’aminoàcids que presenti la cadena.

Entre 1 i 9 aa: OLIGOPÈPTID.

Entre 10 i 49 aa: POLIPÈPTIDS.

Més de 50 aa: PROTEïNES

o HOLOPROTEÏNES: Sols formades per aa.

o HETEROPROTEïNES: Formades per aa i altres components no proteics.

Això suposa que tota cadena comença per un grup NH2 i acaba amb un grup COOH.

La reacció oposada és la hidròlisi que en els organismes la duen a terme peptidases com la

pepsina, tripsina i quimotripsina.

L’enllaç peptídic és un enllaç rígid, amb un caràcter semblant a un doble enllaç, no es poden

donar girs de forma lliure. Aquesta característica serà important més envant per explicar la

seva conformació tridimensional.

l'ENLLAÇ PEPTÍDIC és polar.

Els àtoms del carboni α del primer aminoàcid fins al pròxim carboni α es troben en el mateix

pla, per tant giren a l’hora.

En aquesta imatge es pot veure com els àtoms implicats en l’enllaç peptídic no poden girar de

formar independent, degut al caràcter de doble enllaç que presenta. Aquests àtoms es troben

en el mateix pla, aleshores, si es produeix un gir tots aquests àtoms giren a la vegada.

4. ESTRUCTURA DE LES PROTEÏNES

• L’estructura tridimensional d’una proteïna és un factor determinant en la seva activitat

biològica.

• En teoria, la molècula proteica podria adoptar nombroses formes o conformacions. En

condicions fisiològiques les cadenes es pleguen de forma espontània, adoptant una

conformació anomenada nativa, que és la més estable. (cal dir que algunes proteïnes

ho fan de forma espontània i correcte, en canvi algunes no ho fan i necessiten l’ajuda

d’altres proteïnes per fer-ho correctament, aquestes proteïnes són les xaperones)

NIVELLS D'ORGANITZACIÓ DE LES PROTEÏNES

La funció de les proteïnes està basada en la seva estructura tridimensional. Així, es poden

diferenciar varis nivells de plegament, de complexitat creixent, cada un dels quals es forma a

partir de l’anterior.

Cada proteïna té una composició específica, un nombre determinat d’aminoàcids, amb un

determinat ordre, seqüència, i un aminoàcid ha d’ocupar un lloc determinat i no pot ser

canviat per un altre.

Es denominen estructures primària, secundària, terciària i quaternària.

4.1 ESTRUCTURA PRIMÀRIA

• Representa la successió lineal d'aminoàcids que formen la cadena peptídica. És la més

important atès que la resta d’estructures depenen d’aquesta.

• Indica quins aminoàcids componen la cadena i en quin ordre es troben.

• L'ordenament no és arbitrari, sinó que segueix una seqüència determinada en l'ADN,

regida pel control genètic.

• Totes les proteïnes presenten un extrem N-terminal, en el qual es troba el primer

aminoàcid amb el seu grup amino lliure, i un extrem C-terminal, en el qual està situat

el darrer aminoàcid amb el seu grup carboxil lliure.

• Aquesta seqüència d’aminoàcids és la responsable de l’aparició de la propietat clau de

les proteïnes, l’especifitat.

• Cada espècie o fins i tot cada individu poseeix les seves pròpies proteïnes, tot i que

presenten funcions similars presenten lleugeres diferències en la seva seqüència.

Aquestes diferències permeten construir arbres filogenètics. p.e. l’hormona insulina,

du a terme la mateixa funció en tots els organismes, en diferents vertebrats té una

seqüència molt semblant però varia en les posicions 8, 9 i 10. La similitud de la

seqüència determina un parentesc evolutiu més proper.

4.2 ESTRUCTURA SECUNDÀRIA

És la disposició de la seqüència d'aminoàcids en l'espai.

• Aquesta estructura es genera a mesura que la proteïna és sintetitzada als ribosomes.

És deguda als girs i plegaments que sofreix com a conseqüència de:

– La capacitat de rotació del Cα.

– Formació d'enllaços febles (ponts H) entre grups C=O i N-H.

• Aquesta estructura és estable.

• L'estructura 2ndària pot adoptar dos formes: α-hèlix, làmina β

– α-hèlix: Es forma quan l'estructura 1ria s'enrotlla de manera helicoïdal, sobre

ella mateixa (espiral dextrògira:dreta).

• l’estructura és molt estable. Estabilitzada pels ponts d’hidrogen que es

formen entre els grups -NH- i -C=O- dels enllaços peptídics.

• L’hèlix formada dóna una volta cada 3,6 aminoàcids.

• Els grups R estan cap a l’exterior Al no intervenir les cadenes laterals

és independent dels aminoàcids que hi participin, tot i que cal dir que

hi ha determinats aminoàcids que desestabilitzen aquesta estructura

(aa amb cadenes laterals molt grans com les aromàtiques, les que

presenten càrrega i la prolina. Sovint aquests aminoàcids actuen de

pont entre dues α-hèlix).

• Aminoàcids que apareixen en aquestes α-hèlix són: alanina, leucina,

fenilalanina.

• Exemples de proteïnes amb aquesta estructura són les a-queratines

de la pell, ungles, pèls,llana...

– Làmina β:Els aa formen una cadena en forma de zig-zag ja que no hi ha ponts

d'H que uneixen els aa pròxims.

• Si la cadena amb conformació β es redobla, es poden establir enIlaços

d’hidrogen entre els segments, abans distants, que han quedat

pròxims. Això dóna lloc a una làmina en zig-zag, molt estable,

anomenada β làmina plegada. Aquesta estructura també es pot

formar entre dos o més cadenes polipeptídiques diferents.

• Els grups R estan per damunt o davall els plans en zig-zag de la làmina

plegada.

• Aminoàcids que apareixen amb freqüència a la làmina plegada son:

Alanina, glicina, metionina, valina i isoleucina.

• Exemples de proteïnes que presenten aquesta estructura: La β-

queratina de la seda o fibroïna i moltes proteínes globulars

presenten segments amb conformació β alternats amb d’altres

d’estructura α-hèlix.

– GIRS β: són canvis de direcció que connecten segments de full β

– ESTRUCTURES 2NDÀRIES--> βαβ, meandres i greques

• ESTRUCTURA SECUNDÀRIA, CAS ESPECIAL: la triple hèlix de colàgena

Hèlix de col·lagen

• A més de l’estructura α-hèlix i β-plegada n’hi ha d’altres, entre les quals destaca la del

col·lagen, proteïna molt abundant als vertebrats: al teixit connectiu, ossos, tendons,

pell etc.

• El col·lagen té una disposició en hèlix especial, una mida més allargada que la α-hèlix, a

causa de l’abundància de prolina i hidroxiprolina. Es forma una superhèlix deguda a

l’associació de tres hèlixs, unides per mitjà d’enllaços covalents i enllaços febles de

tipus pont d’hidrogen.

• L’ebullició en aigua la converteix en gelatina, una mescla de polipèptids.

4.3 ESTRUCTURA TERCIÀRIA

• Determina les funcions biològiques de les proteïnes

• És la conformació que adopta la proteïna nativa a l’espai. Es forma com a

conseqüència de les possibles interaccions que es puguin donar entre els diferents

punts de la cadena, en aquest cas ja intervenen les cadenes laterals.

• Això suposa el plegament de l’estructura secundària i dóna lloc a dos tipus

d’estructura:

– GLOBULARS

– FIBROSES

Entre els diferents aminoàcids, les seves diferents cadenes laterals i el medi on es troben,

aigua, s’associen mitjançant diferents tipus d’enllaç:

• Ponts disulfur: aquestes poden aparèixer dins de la mateixa cadena polipeptídica o

entre cadenes diferents. En aquest cas es tracta d’un enllaç covalent, més fort que la

resta, degut a la interacció de dos grups –SH presents a la cadena lateral de la

,Cys.

• Enllaç amida: (CO-NH-). Entre Asp o Glu i NH3 de la Lys.

• Ponts d’hidrogen: entre dos enllaços peptídics, entre un enllaç peptídic i una

cadena lateral o entre dues cadenes laterals.

• Forces electroestàtiques: apareixen degut a la presència de càrregues en les

cadenes laterals, COO-, negatives, o NH3+, positives. Recordau que l’aparició

d’aquestes càrregues depen del pH del medi.

• Forces hidrofòfiques i forces de Van der Wals: aquestes apareixen entre les

cadenes laterals apolars i fugen de l’aigua, per tant aquestes cadenes laterals es solen

disposar el més enfora possible del contacte amb l’aigua.

Estructura globular

– En freqüència la cadena es plega en una estructura tridimensional compacta,

més o menys esfèrica.

– Les cadenes laterals hidrofòbiques es disposen cap a l’interior de la molècula i

les polars cap a fora.

– La conformació globular de les proteïnes en facilita la solubilitat en aigua i en

dissolucions salines.

– Això els permet fer funcions de transport, enzimàtiques i hormonals. etc.

Estructura filamentosa o fibrosa

– Si les cadenes polipeptídiques estructurades a nivell secundari mantenen la

seva ordenació sense modificacions posteriors.

– Es diu que les proteïnes presenten estructura terciària filamentosa o fibrosa.

– Són proteïnes insolubles en aigua i dissolucions salines; per això són idònies

per exercir funcions esquelètiques.

– Les més conegudes són el col·lagen dels ossos i del teixit conjuntiu, la a-

queratina del pèl, les plomes, les ungles. les banyes. etc., la queratina o

fibroïna del fil de seda i de les teranyines, i l’elastina del teixit conjuntiu, que

forma una xarxa deformable per la tensió.

4.3 ESTRUCTURA QUATERNÀRIA

L’estructura quaternària informa de la unió, per mitjà d’enllaços febles (no covalents, com

ara ponts d'H, Van der Waals....), de diverses cadenes polipeptídiques idèntiques o no amb

estructura terciària, per formar un complex proteic.

Cadascuna d’aquestes cadenes polipeptídiques rep el nom de protòmer.

No totes les proteïnes posseeixen estructura 4rternària.

L'estructura 4ternària és característica de les proteïnes complexes, com ara els enzims i els

anticossos.

EXEMPLE: hemoglobina: dos parells de cadenes polipeptídiques anomenades α i β.

L'estructura 4ternària li permet transportar l'oxigen a través de la sang.

7. PROPIETATS DE LES PROTEÏNES

Les propietats de les proteïnes depenen sobretot dels radicals R lliures i que aquests

sobresurtin de la molècula i, per tant, tinguin la possibilitat de reaccionar amb altres

molècules.

Solubilitat

• Les proteïnes globulars són d’una gran mida molecular, per la qual cosa, quan es

dissolen.

• donen lloc a dispersions col.loïdals. La solubilitat d’aquestes molècules es deguda als

radicals R, que, quan s’ionitzen, estableixen ponts d’hidrogen amb les molècules

d’aigua.

• Així, la proteïna queda recoberta d’una capa de molècules d’aigua que impedeix que

es pugui unir a altres proteïnes, fet que en provocaria la precipitació.

– les globulars sí són solubles en aigua. Es produeix solvatació que impedeix

precipitació.

– les fibril·lars no són solubles en aigua.

• PROPIETATS DE LES PROTEÏNES

Desnaturalització

• La desnaturalizació d'una proteïna es refereix a la ruptura dels enllaços que

mantenien les seves estructures quaternària, terciària i secundària, conservant-se

solament la primària.

• Si en una dissolució de proteïnes es produeixen canvis de pH, alteracions en la

concentració, agitació molecular o variacions de temperatura, la solubilitat de les

proteïnes pot disminuir i es pot arribar al punt que precipitin.

• Això es dóna perquè els enllaços que mantenen la conformació globular es trenquen i

la proteïna adopta la conformació filamentosa. Aleshores, la capa de molècules

d’aigua no recobreix totalment les molècules proteiques, que tendeixen a unir-se

entre si, de manera que donen lloc a grans partícules que precipiten.

• Quan passa això les seves propietats biocatalitzadors desapareixen quan el centre

actiu s’altera. Les proteïnes, en aquest estat, no poden dur a terme l’activitat per a la

qual van ser «dissenyades», és a dir, no són funcionals.

• Aquesta variació de la conformació s’anomena desnaturalització. La desnaturalització

no afecta els enllaços peptídics, quan torna a les condicions normals, la proteïna, de

vegades, pot recuperar la conformació primitiva, fet que s anomena renaturalització.

• Són exemples de desnaturalització: la llet tallada a causa de la desnaturalització de la

caseïna, la precipitació de la clara de l’ou quan es desnaturalitza l’ovoalbúmina per

efecte de la calor, la «permanent» o fixació d’un pentinat per efecte de l’escalfor sobre

les queratines dels cabells, etcètera

Especifitat

És una propietat que fa referència a la seva funció. Cada proteïna du a terme una

funció pròpia, determinada i exclusiva. Això és possible perquè cada proteïna té una

seqüència d’aminoàcids pròpia que fa que presentin una estructura tridimensional

característica i única, responsable de la seva activitat biològica.

• En la seqüència d’aminoàcids les proteïnes presenten sectors estables i sectors

variables, en els quals alguns aminoàcids poden ser substituïts per d’altres de diferents

sense que s’ alteri la funcionalitat de la molècula.

• L’anàlisi de les proteïnes amb la mateixa funció però d’espècies diferents, proteïnes

homòlogues, permet establir parentiu evolutiu.

Capacitat amortidora

• Les proteïnes com que estan constituïdes per aminoàcids, tenen un comportament

amfòter.

• Tendeixen a neutralitzar les variacions de pH del medi, ja que es poden comportar com

un àcid o una base i, per tant, alliberar o retirar protons del medi.

8. IMPORTÀNCIA BIOLÒGICA DE LES PROTEÏNES

Funció estructural:

A nivell cel·lular, podem destacar les proteïnes de les membranes, els receptors,

proteïnes del citoesquelet, els ribosomes i les histones que formen part dels

cromosomes. A nivell orgànic, trobam les proteïnes estructurals com el col·lagen,

queratina i elastina.

Funció de reserva:

Les proteïnes no són generalment utilitzades com a font d’energia. Encara que l’albúmina

del blanc de l’ou o la caseïna de la llet són magatzems d’aminoàcids utilitzables com a

elements nutritius.

Funció de transport:

Hi ha multitud de proteïnes de transport a llarg de l’organisme i transporten multitud de

composts diferents, hemoglobina, oxigen en el torrent circulatori, citocroms com a

transportadors d’electrons, lipoproteïnes, lípids en sang.

Funció defensiva:

Les inmunoglobulines de la sang actuen com a anticossos davant compost estranys,

antígens, al nostre cos. Trombina i fibrina que participen en el procés de coagulació

davant una ferida que impliqui rotura de vasos sanguinis.

Funció hormonal:

Les hormones són molècules orgàniques sintetitzades per glàndules que tenen una

important funció reguladora de funcions orgàniques. Alguns exemples són la insulina, es

secretada per les cèl·lules b del pàncrees i promou la captació de glucosa de les cèl·lules

del torrent circulatori, i el glucagó, secretat per les cèl·lules a del pàncrees i promou

l’alliberació de glucosa al torrent circulatori per part del fetge.

Funció contràctil:

Promoven el moviment a nivell cel·lular i orgànic. Actina i miosina, contracció muscular.

Funció enzimàtica:

És pot considerar com la funció més important que duen a terme les proteïnes. Els enzims

duen a terme la totalitat de reaccions metabòliques que es duen a terme en el nostre

organisme. Són biocatalitzadors, és a dir, el que fan és augmentar la velocitat de les

reaccions en el nostre cos.

Funció homeostàtica:

Les proteïnes intracel·lulars i del medi intern intervenen en el manteniment de l’equilibri

osmòtic i actuen, juntament amb altres sistemes amortidors o tampons, per mantenir el

pH en valors constants, gràcies al seu caràcter amfòter.