maov/mlvm/febrero de 2012

ProteínasMaría 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 im-portancia", lo cual es indicativo de la importancia biológica que des-de 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.

En este caso, preferimos usar “cadena”, en lugar del término “polí-mero”, porque los polímeros reales están formados por unidades iguales, mientras que las proteínas pueden tener 20 o más aminoáci-dos diferentes.

Funciones

Esta definición deja mucho que desear en cuanto a la comprensión de la versatilidad de las pro-teínas, 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, Fe-rritina 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 Tubu-lina del citoesqueleto.

Protección y Defensa. Los Anticuerpos son las proteínas más conocidas de este grupo que tam-bién incluye los Interferones, el Sistema del Complemento y la Fibrina del sistema de coagu-lación 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.

Figura 1. Jons Jakob Berzelius

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Identificación. Las propiedades antigénicas de las proteínas, como las de grupo sanguíneo o dehistocompatibilidad, sirven para que el organismo pueda reconocer las estructuras propias, distin-guirlas 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 re-ciben, en cambios bioquímicos dentro de las células. Podemos mencionar los receptores de hor-monas, neurotransmisores, presión, tonicidad y luz, como la Rodopsina.

Esta lista de categorías podría hacerse más extensa ya que todas las actividades celulares depen-den 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 en-zimática.

Composición química. Las proteínas que están constituidas únicamente por aminoácidos, se de-nominan 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 conju-gadas 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 químicaPROTEÍNA GRUPO CONJUGADO

Nucleoproteínas Ácido nucleico, en cromosomas y ribosomas.Glicoproteínas o muco-proteínas

Carbohidratos y derivados de carbohidratos, incluyen a los anticuer-pos y varias proteínas de membrana..

Lipoproteínas LípidosFosfoproteínas Esteres de fosfato en residuos de serina o TreoninaCromoproteínas: Grupos pigmentados, Flavinas, Hemoglobina, CitocomosFlavoproteínas Dinucleótido de flavina-adenina, cono la succinato deshidrogenasaHemoproteínas Grupos de porfirina-hierro (hemo), como hemoglobina, citocromos,

catalasa y mioglobina.Metaloproteínas Iones metálicos, como el zinc de la anhidrasa carbónica

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Forma. Según su forma las proteínas pueden ser fibrosas como Queratina, Colágeno y Fibrinaque son largas en proporción a su diámetro, o globulares como la Albúmina, Enzimas, Hemo-globina, 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.

Tabla 2. Clasificación de proteínas según su solubilidadPROTEÍNA SOLUBILIDAD

Albúminas Solubles en agua y soluciones salinas diluidas; precipitan por saturación com-pleta con sulfato de amonio, coagulan con calor. Albúmina sérica

Globulinas Solubles en solución salina diluida, insolubles en agua y en soluciones salinas concentradas, coagulan con calor. Anticuerpos

Escleroproteínas Insolubles en soluciones acuosas neutras y en ácidos o bases diluidos. Colá-geno, Gelatina. También se conocen como “albuminoides”.

Prolaminas Solubles en agua:etanol al 70%, pero insolubles en agua o en etanol absoluto, y solventes neutros. Proteínas vegetales, Zeina del maíz

Glutelinas Insolubles en agua, etanol y sus mezclas; solubles en ácidos o álcalis diluidos, coagulan con calor. Proteínas vegetales, Glutelina del trigo

Histonas Solubles en agua, forman soluciones alcalinas débiles, también en ácidos di-luidos, coagulan con calor. Generalmente conjugadas, como nucleoproteínas (Histonas del núcleo) y cromoproteínas en estado nativo

Protaminas Solubles en agua formando soluciones alcalinas; contienen proporciones ele-vadas de Arginina. Son de peso molecular pequeño; no coagulan por el calor. De los espermatozoides de peces; conjugadas con ácido nucleico en estado nativo

Queratinas Insolubles

Tamaño. En base el tamaño de las cadenas, las proteínas se dividen en: (1) oligopéptidos, que tie-ne de 2 a 10 aminoácidos en la cadena; por ejemplo Oxitocina, Angiotensinas, Encefalinas, Va-sopresina; (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 ami-noácidos 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 ami-noácidos como Albúmina, Mioglobina, Ribonucleasa; oligoméricas cuando tienen mas de una de cadena, como Hemoglobina, Lactato Deshidrogenasa, Anticuerpos y la mayoría de las en-zimas de células eucarióticas; y complejos, cuando están formadas por varias cadenas que reali-zan 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 pro-piedades y funciones se originan en la composición de aminoácidos que la constituyen, de ahí

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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 estructu-ra de las proteínas, y los no proteicos o no proteínicos que no lo están, pero cumplen otras fun-ciones.

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.

C

R

NH2 H

OHOC

R

NH3

+H

OO

A BEsquema 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 solu-ciones 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 car-bonos 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 con-figuraciones 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 configura-ciones 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.

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CH

C

CH2

H OH

O

OH

CH

C

CH2

OH H

O

OHCH NH3

+

R

COO

CNH3

+H

R

COO

D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído D-Aminoácido L-AminoácidoEsquema 2

Estas estructuras fueron designadas como D y L por Emil Fischer (Figura 2) basándose en su ac-tividad 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 qui-ral, 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 im-portantes.

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.

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 im-portantes.

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 = izquier-do), cuando disminuye en sentido contrario (Esquema 3).

La configuración relativa L/D se aplica una vez a toda una estructura, sin importar que la molécu-la tenga más de un centro quiral, basta especificar que carbono se usa para determinar la seme-janza 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 car-bono 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

Figura 2. Emil Fischer

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S. De lo anterior resulta que los aminoácidos proteínicos se pueden designar como L--aminoácidos, o 2-S-aminoácidos.

CC 2OH

1

CH2 3

HO

H

OH

CC2 OH

1

CH23

HO

H

OHR-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 determi-nada 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 fisico-químicas de aminoácidos, se presentan los nombres sistemáticos y algunas propiedades fisico-químicas 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 clasi-ficarse 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

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la Tirosina como aminoácido hidroxilado, en nuestra opinión las propiedades aromáticas del ani-llo 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 dis-tintas 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

NH3

+C

C

H

O O

R

Nombre R Símbolo Nombre R SímboloAlanina CH3 Ala A Arginina

CH2NH C

NH2

+

NH2

CH2CH2

Arg R

AsparaginaCH2 C

O

NH2

Asn N AspartatoCH2C

O

O

Asp D

Cisteína CH2 SH Cys C FenilalaninaCH2

Phe F

Glicina H Gly G GlutamatoCH2 CH2 C

O

O

Glu E

GlutaminaCH2 CH2 C

O

NH2

Gln Q Histidina CH2

NH NH+

His H

IsoleucinaCH CH2

CH3

CH3

SIle I Leucina

CH2CH

CH3

CH3

Leu L

Lisina CH2CH2NH3

+CH2CH2

Lys K Metionina CH2 CH2 S CH3Met M

Prolina

NH2

+

CH2

CH2

CH2CHC

O

O

Pro P Serina CH2OH Ser S

TirosinaCH2 OH

Tyr Y Treonina CH CH3

OHR Thr T

Triptofano CH2

NH

Trp W ValinaCH

CH3

CH3

Val V

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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, Treo-nina, Tirosina, Cisteína, Asparagina y Glutamina.

Iónicos. Cadenas con radicales cargados a pH fisiológico que por ello deben colocarse casi exclu-sivamente en la superficie de la proteína, incluyen los ácidos Aspártico y Glutámico, de carga ne-gativa, 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 comportamien-to depende de los aminoácidos que la rodean.

Síntesis biológica. Este criterio toma en cuenta la necesidad de cada aminoácido que tiene el or-ganismo

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 nitró-geno del que se ingiere. La razón de esta condición es que dichos aminoácidos no se pueden sin-tetizar en el organismo y por ello se denominan esenciales, en el hombre son ocho: Valina, Leu-cina, Isoleucina y Treonina que son aminoácidos alifáticos ramificados; Triptofano y Fenilalani-na, 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 ca-sos 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 sufi-ciente 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, Aspara-gina, Glutamina, Arginina, Histidina, Aspartato y Glutamato.

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Cetogénicos puros. El metabolismo es de tipo lipídico o no pueden producir glucosa, como Leu-cina 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 codificablesA 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 TyrClasificación según su estructura química

Alifáticos Aromáticos Heterocíclicos Azufrados Acidos Amidas Básicos Hidroxilados

Clasificación según su comportamiento a pH = 7No Polares Polares sin Carga

Aniónicos Catiónicos

Clasificación según su requerimientoEsenciales § † † §No esenciales

Clasificación según su destino metabólicoGlucogénicos 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 nor-malmente 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 Escorbu-to, que se caracteriza por la fragilidad de los tejidos, provocada por la inestabilidad de las molé-

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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 distri-buido 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 Disul-furo.

Los puentes disulfuro participan en forma importante en la estabilización de la estructura tridi-mensional 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 esta-bles 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

Nombre y Símbolo R PMpKa1

COOHpKa2

NH2

pKa3

R

4-Hidroxiprolina. Hyp

C

O

N

OH

131.13 1.92 9.73

5- HidroxilisinaCH CH2NH3

+CH2CH2

OH163.20 2.13 8.62 9.67

Alisina CH2CCH2CH2

O

H145.16

Cistina CH2 S S CH2 C

NH3

+

CO O

H 240.301.652.26

7.859.85

Tiroxina T4 CH2 O OH

I

II

I

776.88

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.

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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 pig-mento 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 presen-tan las estructuras de estos aminoácidos.

Tabla 6. Restos de algunos L--aminoácidos no proteínicosR

CH2CH2 SH

Homocisteína

CH2 CH2OH

HomoserinaCH2 S

O

O

Cisteínsulfinato

C

SH

CH3

CH3

Penicilamina

CH2 OH

OH

L-3,4-Dihidroxifenilalanina (L-DOPA)

CH2NH3

+CH2CH2

Ornitina

CH2NH C

NH2

+

NH

CH2CH2

CH CCH2C

O O

O O

Arginosuccinato

CH2 O OH

I

I

I

3,5,3’-Triyodotironina (T3)

CH2NH C

O

NH2

CH2CH2

Citrulina

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 aminoáci-dos.

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 sir-

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ven para la emulsificación las grasas durante la digestión.

Otro aminoácido que se obtiene por descarboxilación es la -Alanina derivada del ácido aspárti-co. Es componente de la vitamina Pantotenato que se encuentra en la Coenzima A, cofactor nece-sario en el metabolismo de Glúcidos, Lípidos y aminoácidos.

CH2 CH2 S

O

O

ONH3

+

Taurina

CH2 CH2 CNH3

+

O

O

-Alanina

CH2 CH2 C

O

O

CH2NH3

+

-Aminobutirato (GABA)

CCH2CHCH2N+

CH3

O

OOH

3

Carnitina

CH C

O

O

CH3

CH2NH3

+

-Aminoisobutirato

NH2 C N CH2C

O

ONH2

+

CH3

CreatinaFigura 3. Aminoácidos no proteínicos, que no son -amino.

El Ácido -Aminobutírico o GABA, es un neurotransmisor inhibidor, derivado por descarboxi-lación 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 fosfa-to 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 exis-tir 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 acti-vidad 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 polarí-metro (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 negati-vo. 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 ab-soluto pero signo contrario. La designación D y L que se da a los enantiómeros del gliceraldehido

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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 aban-donó porque la relación entre la configuración y la actividad óptica no es simple; existen com-puestos que se clasifican como D y son levógiros y otros dextrógiros que son semejantes al L-gliceralehído. Por ello además de describir la configuración del compuesto, también se debe in-cluir 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 ópti-ca, 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 le-vo- 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 tie-nen 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.

C

C

CHCH3 CH3

OHO

HNH3

+C

C

CHCH3 CH3

OO

HNH3

+C

C

CHCH3 CH3

OO

HNH2+H+

+OH-

+H+

+OH-

+1 0 -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.

Proteínas

mlvm/maov/14

Para todos los aminoácidos existen formas catiónicas, con carga neta positiva; aniónicas, con car-ga 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 fisico-químicas de los aminoácidos, tenemos que:

pIpKa1 pKa2

2

2.32 9.60

25.96

donde el pKa1 corresponde al grupo -carboxilo y el pKa2 al -amino, esta forma de nomenclatu-ra es la usada en Bioquímica. La situación es un poco más compleja cuando la cadena lateral tie-ne un grupo ionizable como los casos del ácido Aspártico y la Lisina que se presentan en los Es-quemas 5 y 6 respectivamente.

C

C

CH2

OHO

HNH3

+

CO OH

C

C

CH2

OO

HNH3

+

CO OH

C

C

CH2

OO

HNH3

+

CO O

+H+

+OH-

+H+

+OH-

+1 0 -1

C

C

CH2

OO

HNH2

CO O

+H+

+OH-

-2

Esquema 5

En el caso del aspartato, la forma isoeléctrica está determinada por la ionización de los dos gru-pos carboxilo y el punto isoeléctrico se calcularía como:

pIpKa1 pKa

3

2

2.09 3.86

22.97

mientras que, para la lisina las formas de ionización son:

+H+

+OH-

+H+

+OH-

+2 +1 0

+H+

+OH-

-1

C

C

CH2

OHO

HNH3

+

CH2

C

C

CH2

OO

HNH3

+

CH2

C

C

CH2

OO

HNH2

CH2

C

C

CH2

OO

HNH2

CH2CH2

CH2

NH3

+

CH2

CH2

NH3

+

CH2

CH2

NH3

+

CH2

CH2

NH2

Esquema 6

Ahora la forma isoeléctrica se encuentra limitada por la ionización de los dos grupos amino y su valor se calcula como:

pIpKa

2pKa

3

2

9.04 12.48

210.76

Proteínas

mlvm/maov/15

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 negati-va.

2. Los aminoácidos con grupos ácidos en su cadena lateral adquieren su forma isoeléctrica del la-do 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 en-listan 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).

NH3

+C C O

O

H

R1

NH3

+C C O

O

H

R2

NH3

+C C N

O

H

R1

C C O

O

H

R2

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 desba-lance de cargas que es revertido por el Nitrógeno, que también es muy electronegativo. Como resultado de es-tos corrimientos de electrones, el enlace peptídico pre-senta las dos formas de resonancia que se muestran en

CNO

C

H

C

CN

+O

C

H

C

60% 40%Esquema 8

Proteínas

mlvm/maov/16

el Esquema 8.

Los tres átomos involucrados en la resonancia, C carboxílico, O carbonílico y N amínico, tienen hibridación sp2 y el enlace CN 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) Defini-

ción de los ángulos de rotación

El carácter doble del enlace CN 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 CC (ángulo psi, ) y NC (ángulo fi, ); el enlace CN (ángulo omega, ) generalmente tiene conforma-ción anti, como se describe en la Figura 5.B.

Esta propiedad tiene implicaciones importantes para la estructura de las proteínas. Como se estu-dia 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 posi-tiva (+) 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 es-tructura de las proteínas.

La molécula que resulta de la formación del enlace peptídico, se llama péptido y tiene dos extre-mos 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 iz-quierda 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 co-enzima Fosfato de Piridoxal.

NH3

+CH

COO-

RR CH2NH3

++ CO2

Aminoácido Amina BiógenaEsquema 9

Los productos de descarboxilación de los aminoácidos son llamados Aminas Biógenas, compues-tos que poseen actividades biológicas importantes. La descarboxilación del ácido glutámico pro-

Proteínas

mlvm/maov/17

duce el neurotransmisor inhibidor GABA. Del ácido aspártico se forma la -alanina que se en-cuentra 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 descar-boxilación de la Histidina. En la síntesis de Serotonina a partir de Triptofano, también hay una reacción de descarboxilación.

Algunas de estas aminas biógenas se muestran en la Figura 3, el resto de las mencionadas se en-cuentran en la Figura 6.

OH

OH

CH2CH2NH3

+OH

OH

CH CH2NH3

+

OH

OH

OH

CH CH2NH2

+

OH

CH3

Dopamina Norepinefrina Epinefrina

CH2CH2NH3

+NH

NH+

CH2CH2NH3

+

NH

OH

Histamina SerotoninaFigura 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 cuan-do 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 reac-ciones como Transmaminación, Racemización, Deshidratación, y Descarboxilación.

+R C C

H

NH3

+O

O

Aminoácido

N+

OH

CH3

CH2OH

CH

R C C

H

N

O

O

Base de Schiff

N+

OH

CH3

CH2OH

CHO

Piridoxal

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 histo-ria, la secuencia de aminoácidos de una proteína, la Insulina bovina. Por este trabajo, recibió el premio Nobel de Química en 1960.

Proteínas

mlvm/maov/18

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, fáci-les de detectar e identificar.

NO2

R C C

H

NH

NO2

O

O

R C C

H

NH3

+

O

O NO2

F

NO2

+

DinitrofenilaminoácidoAminoácido 2,4-dinitrofluorobencenoEsquema 11

2.3. Reacción de Edman (Esquema 12). En esta reacción se condensa el grupo amino con el Feni-lisotiocianato o Reactivo de Edman, formando un feniltiocarbamil - aminoácido, que ciclisa en medio ácido y forma una fenilhidantoína distinta para cada aminoácido.

N C

S

N C

R1

C

H

N C

H

R2

O

N

CC

N

C

O

S

R1 N+

C

H

R2

N C S N+

C

R1

C

H

N C

H

R2

O

Fenilisotiocianato Péptido(n) Aminoácil- FeniltioidantoínaPeptidil-feniltiocambanida Péptido(n-1)

++

Esquema 12

Cuando el aminoácido forma parte de una cadena peptídica, la ciclisación provoca el rompimien-to del enlace peptídico, con lo que se libera un nuevo grupo amino.

Repitiendo la reacción varias veces seguidas, es posible degradar péptidos, aminoácido por ami-noácido 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 equi-valentes de Ninhidrina se reduce a Hidrindantina.

N+

C COO-

R

H

Aminoácido

O

O

OH

OH

Ninhidrina

+ CH

O

R

O

O

H

OH

Hidrindantina

+ + NH3 + CO2

Esquema 13

En el segundo paso (Esquema 14) la Hidrindantina formada y otro equivalente de Ninhidrina, re-accionan con el amoniaco formando un complejo de color púrpura (Púrpura de Ruhemann). La

Proteínas

mlvm/maov/19

Prolina produce un compuesto color amarillo.

+NH3+

O

O

H

OH

Hidrindantina

O

O

OH

OH

Ninhidrina

O

O

O

O

N

Púrpura de Ruhemann

Esquema 14

3. Propiedades del Grupo R. Los grupos funcionales de la cadena lateral, mantienen sus propie-dades 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 de-rivados. 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 re-acciona con más dificultad.

CH2

CHNH3

+C

O

O

OH

CH2

CH

NH3

+C

O

OH

NO2

OH

CH2

CH

NH2 C

O

O

NO2

O

OHHNO3+

El nombre de la reacción se deriva del griego xantos, que significa amarillo, que es el color carac-terístico 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 resul-tados positivos.

Proteínas

mlvm/maov/20

CH2

CH

NH3

+C

O

O

OH

CH2

CH

NH3

+C

O

O

OH

NO2 NO2

CH2

CH

NH3

+C

O

O

OH

NO2 NO2

HgNO3

Hg(NO3)2

HNO3

+

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 presen-cia 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 sulfúri-co. 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.

NH

CH2

CH

NH3

+C

O

OH

CH

C

OH

OO NH

CH2

CH

NH3

+C

O

OH

C N

C

CH2

CH

NH3

+C

O

OH

OH

O

+H2SO4

La reacción de Hopkins Cole es positiva sólo para las proteínas que contienen Triptófano. Se su-pone 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 pro-teínas 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 sulfhí-drico que se pone en evidencia añadiendo sales de plomo para que se forme de un precipitado ne-gro de sulfuro de plomo.

Proteínas

mlvm/maov/21

SH CH2 CH C

NH3

+ O

O

OH CH2 CH C

NH3

+ O

O

NaOH+ H2S +

(CH3COO)2Pb 2 CH3COOH PbS+ +H2S

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 es-pecíficos.

Tabla 7. Reacciones de las cadenas laterales de aminoácidosNombre Reactivos Aminoácido(s) Color

Ehrlich p-Dimetilaminobenzaldehido en HCl concentrado Trp AzulSakaguchi -Naftol en hipoclorito de sodio Arg RojoNitroprusido Nitrato de sodio en NH3 diluido Cys Rojo

SullivanSodio-1,2-naftoquinona-4-sulfonato e hidrosulfi-to de sodio

Cys Rojo

Pauli Ácido sulfanilico diazotizado en solución alcalina His, Tyr RojoFolin Cioclateu Ácido fosfomolibdotúngstico Tyr Azul

Oligopéptidos

Los oligopéptidos son cadenas de aminoácidos con 10 o menos residuos (algunos autores consi-deran hasta 25). A pesar del tamaño pequeño, son importantes porque existe muchos oligopépti-dos 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 aminoá-cidos que forman la cadena se cambia por -il, porque cada aminoácido se considera radical susti-tuyente 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 quí-mico: Tirosil-glicil-glicil-fenilalanil-leucina.

NH3

+CH C NH C

H2

C NH CH2C NH CH C NH CH C O

O O O O OC C CH2

CH CH3CH3

OH

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.

Proteínas

mlvm/maov/22

Tabla 8. Algunos oligopéptidos de interésNombre Secuencia Características

Glutation(G-SH)

-Glu-Cys-Gly Mantiene la integridad estructural de las proteínas

Met- y Leu-Encefalinas

Tyr-Gly-Gly-Phe-MetTyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Neurotransmisores con acción analgésica de tipo morfina, inhiben el dolor.

Angiotensina I Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu 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

Angiotensina II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe Sustancia con alta potencia presora. Produ-cida a partir de la Angiotensina I por acción de la Enzima Convertidora de Angiotensina (ECA)

Bradicinina Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Péptido vasodilatador producido por hidró-lisis de proteínas específicas del plasma con la enzima Tripsina.

Calidina Lys-Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Péptido vasodilatador producido por hidró-lisis de proteínas específicas del plasma (Calidinógeno)

Vasopresina Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly(NH2)└─────S──S─────────┘

Hormona antidiurética (ADH) secretada por la neurohipófisis. Provoca la retención renal de agua y es ligeramente vasopresora.

Oxitocina Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly(NH2)└─────S──S────────┘

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

Substancia P Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met(NH2) Neurotransmisor involucrado en las vías de dolor

Gramicidina S (-L-Val-L-Orn-L-Leu-D-Phe-L-Pro-)2 Antibiótico con estructura cíclica aislado de la bacteria Bacillus brevis

Tirocidina L-Val-L-Orn-L-Leu-D-Phe-L-Pro L-Tyr-L-Gln-L-Asn-D-Phe-L-Phe

Antibiótico aislado de la bacteria Bacillus brevis

Valinomicina (-L-Lactato-L-Val-D-OH-Val-D-Val-)3 Antibiótico de estructura cíclica con activi-dad “ionofórica” para Potasio.

Algunas de estas moléculas merecen atención especial. Las Encefalinas tienen actividad semejan-te 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 in-crementa 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 dife-rente 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

Proteínas

mlvm/maov/23

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 mante-ner 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-SH + G-SH + 1/2O2G-S-S-G + H2O

Glutatiónreducido

Glutatiónoxidado

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.

NH

CH

CNH

R O

NHCH

CHN

RO

NHCH C

NH

R O

Cu2+

+ Cu2+ NaOH

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 prue-ba. Mediante esta reacción es posible seguir el proceso de hidrólisis proteica, la reacción será ne-gativa cuando la hidrólisis sea completa.

Estructura de Proteínas

Como resultado de la formación de los enlaces peptídicos las cadenas de aminoácidos están for-madas por dos secciones distintas una constante llamada esqueleto, que está formada por los Car-

Proteínas

mlvm/maov/24

bonos y los grupos amino y carboxilo que participan en el enlace peptídico; y la otra variable constituida por los restos de los aminoácidos.

Tabla 9. Niveles estructurales de proteínasNivel de

OrganizaciónNivel

EstructuralDefinición

Tipos deEstructura

EnlacesImplicados

Secuencia Primaria Secuencia de ami-noácidos en la cade-na polipeptídica, in-cluidos los aminoá-cidos no codifica-bles.

Casi ilimitados Peptídicos (Covalen-tes)

Conformación Secundaria Estructura local de los segmentos de la cadena polipetídica, sin importar la con-formación de las ca-denas laterales.

-HéliceCadena--plegadaVuelta Al azar(Colágeno)

Puentes de Hidrógeno entre Oxígenos y Nitrógenos del enlace peptídico.

Super-secundaria

Asociación de es-tructuras secunda-rias mediante inter-acciones de las ca-denas laterales.

, , , etc. Puentes Disulfuro, In-teracciones Elec-trostáticas, Interaccio-nes Hidrófobas, Puen-tes de Hidrógeno.

Dominios Unidades estructura-les locales formadas por fragmentos de una cadena poli-peptídica que se do-blan para asociarse.

Diversos agrupamien-tos de niveles inferio-res

Puentes Disulfuro, In-teracciones Elec-trostáticas, Interaccio-nes Hidrófobas, Puen-tes de Hidrógeno.

Terciaria Forma tridimensio-nal de una sola ca-dena polipeptídica.

Fibrosas, Globulares Puentes Disulfuro, In-teracciones Elec-trostáticas, Interaccio-nes Hidrófobas, Puen-tes de Hidrógeno.

Asociación Cuaternaria Asociación de varias cadenas en una pro-teína oligomérica

Homo-oligómerosHetero-oligómeros

Puentes Disulfuro y Enlaces no Covalen-tes.

Quinaria Asociación entre proteínas y otras moléculas no protei-cas

Variadas Enlaces no Covalen-tes.

Como se explicó en la clasificación de aminoácidos, las cadenas laterales tienen propiedades dis-tintas, 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 tri-dimensional 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 pro-

Proteínas

mlvm/maov/25

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 sistematiza-ción 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 enla-ces peptídicos entre el grupo -amino de un aminoácido y -carboxilo de otro. Debido a que es-tos enlaces son covalentes, la estructura primaria también se conoce como la “estructura covalen-te” 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 pri-marias 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

NH

CH

C NH

CH

C

R1 R2O O

E

Enzima Rompe E cuando:Tripsina R1 es Lys o ArgQuimotripsina R1 es Phe, Tyr o TrpPepsina R1 es Leu, Ile o ValTermolisina R2 es Leu, Ile o ValBromuro de cianógeno 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 nu-cleicos son más rápidos, sencillos y baratos, que los de proteínas. Después de obtener la secuen-cia de los ácidos nucleicos que codifican para una proteína, se puede deducir su secuencia usando el código genético.

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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 carboxi-lo 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, ac-tualmente 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 poli-peptídicas 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 car-bonilo 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 aminoá-

cidos. (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 en-laces 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 glo-bulares. 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,

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que debido a su estructura no puede formar la hélice y cuando se encuentra en ella, le cambia la dirección.

Tabla 11. Características de los tipos de estructura secundaria de proteínas

Conformaciónfi

psi

omega

Residuos porperiodo

Translaciónpor residuo

Hélice -48° -57° 180° 3.6 1.5 ÅCadena antiparalela -139° +135° -178° 2.0 3.4 ÅCadena paralela -119° +113° 180° 2.0 3.2 ÅPoliprolina I -83° +158° 0° 3.33 1.9 ÅPoliprolina II -78° +149° 180° 3.0 3.12 ÅPoliprolina III -80° +150° 180° 3.0 3.1 ÅPro 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 enlacepeptídico rígido que se une con el siguiente en un carbono , para formar un plano con las cade-nas laterales dispuestos hacia ambos lados del plano (Figura 9.A). Cada resto de aminoácido ocu-pa 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 ami-

noácidos. (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 tropocolá-geno, una triple hélice de cadenas polipeptídicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000 residuos (Figura 10.A).

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(A) (B)Figura 10. Triple hélice del Colágeno

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-ce del Colágeno mostrando las cadenas latera-les de Pro (claro) e Hyp (oscuro)

Figura 12. Doblez estabilizado por puente de Hidrógeno 1-4

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 for-mando 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.

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Tabla 12. Algunos motivos de estructura super secundaria frecuenteshélice-vuelta-hélice beta-vuelta-beta

Está formado por dos segmentos de hélice alfa separados por una vuelta. Es un motivo muy común en las proteínas ricas en hélice alfa.

Dos segmentos de estructura beta separados por una vuelta beta de 180°, permitiendo que los segmentos beta queden antiparalelos.

beta-alfa-beta llave griega

Dos segmentos de cadena beta separados por una hélice alfa. Con esta disposición las cade-nas beta quedan paralelas.

Está formada por dos motivos beta-vuelta-beta que se asocian en forma paralela, como si una 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 tridi-mensionales similares, aunque su estructura primaria sea dife-rente.

La estructura terciaria se puede estudiar como el acomodo de elementos de estructura secundaria. Las estructuras super se-cundarias con frecuencia se organizan en grupos reconocibles que se denominan dominios (Figura 13).

El concepto de dominio es muy útil al explicar la relación en-tre 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 tercia-ria de las proteínas apoyan este principio pero debido a la complejidad del problema, es imposi-ble afirmarlo con 100% de certeza.

Figura 13. Estructura terciaria de la cadena ligera de una IgG mostrando los dominios varia-ble (Lv) y constante (Lc)

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La estructura terciaria de las proteínas puede ser fibrosa, cuando una de sus dimensiones es mu-cho 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 in-teracciones 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 es-tabilizan la estructura terciaria, aunque las interacciones hidrófobas no son tan importantes. Al-

Proteínas

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gunos autores afirman que la estructura cuaternaria se mantiene únicamente mediante interaccio-nes 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 nuclei-cos. Este nivel de estructura incluirá entonces a todas las proteínas conjugadas y a muchos com-plejos macromoleculares como los cromosomas, los ribosomas y las lipoproteínas que son estu-diados por la Biología Molecular.