TEMAS SELECTOS DE QUÍMICA II

Profa. Quím. Ma. Ángeles Bello Fernández

UNIDAD I. PROTEÍNAS

1.1 DEFINICIÓN, CONCEPTOS BÁSICOS Y SIGNIFICACIÓN BIOLÓGICA.

Las proteínas son sustancias orgánicas nitrogenadas complejas que se hallan en las células animales y vegetales. Son polímeros lineales en los que las unidades monoméricas son los aminoácidos, que se pliegan en una notable diversidad de formas tridimensionales, que les proporcionan una gran variedad de funciones.

Por lo tanto, las proteínas son las biomoléculas más versátiles de los organismos vivos ya que son componentes estructurales y funcionales del citoplasma y membranas celulares. Entre su diversidad de funciones hay las que actúan como: catalizadores, soporte estructural, protección, agentes de transporte, mensajeros químicos y factores de reconocimiento celular, reguladoras de la expresión de los genes unidas al ADN; también pueden servir de combustible una vez desaminadas. Todo esto hace que sean las moléculas orgánicas más abundantes de los seres vivos, constituyen cerca del 17% del peso celular promedio.

El término proteína viene del griego “protios” que significa “que ocupa el primer lugar” y fue sugerido por Berzelius para indicar que las proteínas son muy importantes debido a su existencia tan amplia, a su variedad de propiedades y funciones y a su abundancia en los tejidos.

Las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y con frecuencia azufre. Son moléculas de elevado peso molecular, el cual varía entre unos cuantos millares (de 10,000 g/mol en adelante) hasta más de un millón g/mol. Por ejemplo, la fórmula condensada de la hemoglobina sin incluir su grupo hemo es C₂₇₉₆H₄₅₉₂O₈₃₂N₈₁₂S₈, lo cual representa un peso molecular de 63,080 g/mol (redondeado). A los compuestos formados por la unión de varios aminoácidos cuyo peso molecular es menor de 10, 000 g/mol se le conoce con el nombre de péptidos.

Las proteínas varían de tamaño, forma y composición, pero todas están formadas, como ya se mencionó, por unidades monoméricas de bajo peso molecular conocidas como aminoácidos.

1.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES.

a) Tamaño.

Las moléculas de proteínas son demasiado grandes para pasar a través de las membranas celulares y en consecuencia están atrapadas en el interior de las células normales en las cuales se forman. Sin embargo, si la célula se daña ya sea por enfermedad o por un traumatismo, el contenido de proteínas puede fugarse. Por lo tanto, una cantidad excesiva y  persistente de proteínas en la orina es indicativa de daño en células de riñón. El uroanálisis de rutina generalmente incluye una prueba para proteínas. Similarmente un ataque de corazón puede ser confirmado por la presencia en la sangre de ciertas proteínas (enzimas) que ordinariamente están confinadas en células del tejido cardiaco.

b) Forma tridimensional.

La función de una proteína depende directamente de su forma o estructura  tridimensional y ésta se encuentra determinada por su  secuencia de aminoácidos pues de acuerdo con ella es que la proteína se pliega espontáneamente en ciertas partes o regiones.

c) Asociaciones complejas.

Las proteínas pueden interaccionar entre sí y con otras macromoléculas biológicas para formar asociaciones  complejas. Estas asociaciones permiten que las proteínas actúen sinérgicamente para generar capacidades mayores que las logradas por los componentes proteicos individuales. Ejemplo: Las alas de los insectos están formadas por dos tipos de proteínas, los cromosomas están formados por proteína asociada a ADN. Estas asociaciones incluyen maquinarias macromoleculares que llevan a cabo la replicación precisa del ADN, la transmisión de señales dentro de las células y muchos otros procesos esenciales.

d) Rigidez o flexibilidad.

Hay proteínas muy rígidas que funcionan como elementos estructurales en el citoesqueleto  (el andamiaje interno de las células) o en el tejido conjuntivo. Algunas de las proteínas con flexibilidad limitada pueden actuar: como bisagras, muelles y palancas que son cruciales para la función de la propia proteína, para el ensamblaje de proteínas entre sí y con otras moléculas formando unidades complejas y para la transmisión de información intercelular e intracelular. Ej: Uñas, cuernos, Inmunoglobulinas.

1.3 CLASIFICACIONES DE LOS AMINOÁCIDOS.

Como hemos podido apreciar brevemente, las proteínas tienen funciones y características muy variables, pero como todas están formadas por unidades monoméricas de bajo peso molecular conocidas como aminoácidos; para estudiarlas es necesario primero conocer  algo sobre estos bloques constitutivos, los aminoácidos.

Los aminoácidos son moléculas orgánicas que como su nombre lo indica contienen un grupo carboxilo (ácido) y un grupo amino (básico) en posición alfa al carboxilo; el resto de la molécula está formada por distintos átomos que constituyen el residuo, grupo R o cadena lateral que es diferente para cada uno de los veinte aminoácidos que comúnmente constituyen las proteínas.

                                                             FÓRMULA GENERAL

                                                                          COOH

                                                                                             │

                                                             H ₂ N ― C ― H

                                                                                             │

                                                                           R

Los nombres dados a los aminoácidos son nombres comunes pues los nombres oficiales sistemáticos casi no se usan. Ej: cuando R= -H su nombre común es Glicina, su nombre sistemático es ácido aminoacético. Este es el más sencillo de todos los aminoácidos ya que su grupo R es un radical H y es el único que no presenta actividad óptica pues no tiene carbono quiral.  (Ver fórmulas en hoja proporcionada en la clase)

Los veinte diferentes aminoácidos que comúnmente forman parte de las proteínas se pueden clasificar en subclases de acuerdo con varios criterios, nosotros vamos a abordar los cuatro más usuales:

• De acuerdo con su estereoisomería: “D” aminoácidos y “L” aminoácidos.

Todos los aminoácidos que forman parte de las proteínas naturales tienen por lo menos un carbono quiral (excepto la glicina) que es el carbono alfa al grupo carboxilo y todos tienen la configuración “L” que este caso implica que el grupo amino queda a la izquierda. Solo es posible encontrar en la naturaleza aminoácidos “D” en péptidos cíclicos de pequeño tamaño o bien como componentes de los péptidoglicanos de las paredes celulares bacterianas.

Los aminoácidos “D” se pueden obtener en el laboratorio por hidrólisis alcalina de las proteínas aunque en realidad se obtiene una mezcla de enantiómeros “D” y “L”.

• De acuerdo con la capacidad de nuestro organismo de sintetizarlos: esenciales y no esenciales.

De los veinte aminoácidos que constituyen las proteínas naturales, 10 se han designado como aminoácidos esenciales o indispensables y esto quiere decir que los organismos animales no pueden sintetizarlos y por lo tanto deben ser suministrarlos en la dieta. Estos son: Lisina (Lis), Arginina (Arg), Histidina (His), Valina (Val), Leucina (Leu), Isoleucina (Ile), Fenilalanina (Fen), Triptófano (Trp), Treonina (Tre), Metionina (Met). Los otros 10 son dispensables o no esenciales puesto que pueden ser sintetizados en el organismo y son Cisteina (Cis), Ácido Glutámico (Glu), Ácido Aspártico (Asp), Serina (Ser), Asparagina (Asn), Glutamina (Gln), Gllicina (Gli), Alanina (Ala), Tirosina (Tir) y Prolina (Pro).

• De acuerdo con la naturaleza química de su grupo R: hay 7 subclases.

Con cadenas laterales básicas (los 3 son esenciales): Lisina (147 g/mol), Arginina (175 g/mol) e Histidina (156 g/mol).

Con cadenas laterales ácidas (los 2 son no esenciales): Ácido Glutámico (146 g/mol) y Ácido Aspártico (132 g/mol).

Con cadenas laterales alquílicas (los 2 primeros son no esenciales, los 3 siguientes son esenciales): Glicina (75g/mol), Alanina (89g/mol), Valina (117g/mol), Leucina (131g/mol), Isoleucina (131g/mol).

Con cadenas laterales aromáticas (el primero es no esencial, los 2 siguientes son esenciales): Tirosina (181g/mol), Fenilalanina (165g/mol), Triptófano (204 g/mol).

Con cadenas laterales con azufre (el primero es no esencial, segundo es esencial): Cisteina (121g/mol), Metionina (149g/mol).

Con cadenas laterales polares ( los 3 primeros son no esenciales, el último es esencial): Serina (105g/mol),  Asparagina (132 g/mol), Glutamina (146 g/mol), Treonina (119g/mol).

Con cadenas laterales cíclicas (es 1y es no esencial).): Prolina (115g/mol).

• De acuerdo con la polaridad del grupo R. (Clasificación más común)

Esta clasificación es la que tiene más interés y significación, se basa en la polaridad de los grupos R de los aminoácidos cuando se encuentran en disolución acuosa a un pH próximo a 7.0.

• Clases de Aminoácidos de acuerdo con la polaridad del grupo R

1.4.1     Hidrofóbicos o no polares (son 8): Ala, Val, Leu, Ile, Fen, Trp, Met y Pro.

Son los aminoácidos en los que sus grupos R son de naturaleza hidrocarbonada o muy poco polares  y por lo tanto no solubles en agua.

• Polares pero neutros (son 7):  Ser, Asn, Gln, Tre, Gli, Tir yCis.

Son los aminoácidos en los que sus grupos R son solubles en agua porque contienen grupos funcionales que le dan carácter polar a la molécula, la mayoría establece puentes de hidrógeno con el agua.

• Polares con carga positiva a pH 7 (básicos, son 3): Lis, Arg y HIs

Son los aminoácidos en los que los grupos R poseen una carga positiva neta a pH 7.0

• Polares con carga negativa a pH 7 (ácidos, son 2): Asp y Glu.

Son los aminoácidos en los que los grupos R poseen una carga negativa neta a pH 7.0

1.5 PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS.

La composición química de los aminoácidos determina sus propiedades, por ejemplo, sabemos que todos, excepto la Glicina presentan actividad óptica; sabemos que su polaridad determina  su solubilidad, punto de fusión, estado físico, etc.

Enseguida veremos algunas propiedades  que aunque están explicadas con aminoácidos se aplican a péptidos y proteínas puesto que están formados por aminoácidos.

1.5.1 Iones dipolares (Zwitteriones)

Los aminoácidos son sustancias anfotéricas ya que con su grupo carboxilo pueden reaccionar con bases y con su grupo amino pueden reaccionar con ácidos por lo que al disolver una muestra sólida de un aminoácido realmente se encuentra así:

                                                                              COO ^(-)

                                                                       (+)  │

                                                                   H ₃ N—C--H

                                                                                                 │

                                                                              R

pH entre 2 y 9  

 Esta fórmula muestra al grupo carboxilo disociado y al grupo amino protonado y nos presenta la forma en que los aminoácidos libres se encuentran dentro de los seres vivos ya que dentro de este rango de pH se encuentran la mayoría de ellos. A esta forma se le conoce como Zwitteriones (iones dipolares), este término se deriva del alemán: “Zwitter”, que significa “híbrido” , un zwitterion es un híbrido de grupos iónicos positivos y negativos.

1.5.2 Reacciones con ácidos y bases, pKa´s de los aminoácidos.

Si una solución de un aminoácido se encuentra en un pH inferior a 2 o superior a 9 se encuentran de la siguiente manera:

                            COOHCOO ^(-)

                              │                                                  │

                      (+) │                                       H ₂ N—C--H

                  H ₃ N--C--H                                            │

                            │                                                  R

                            R                                                  

                pH inferior a 2                                pH superior a 9

Si se pasa una corriente eléctrica a través de la solución ácida colocando unos electrodos, el aminoácido viajará hacia el polo negativo puesto que está cargado positivamente, si la corriente eléctrica se pasa a través de la solución básica, el aminoácido viaja hacia el polo positivo pues está cargado negativamente.   

1.5.3 Enlace peptídico y enlace disulfuro

El enlace peptídico es el enlace tipo amida que se forma entre los grupos amino y carboxilo de dos aminoácidos. De acuerdo con el número de aminoácidos que se van uniendo van recibiendo el nombre de dipéptido, tripéptido…. decapéptido, cuando ya son muchos se le llama polipéptidos y cuando son alrededor de 80 aminoácidos unidos es cuando se alcanza el peso molecular de 10,000 g/mol y por lo tanto la categoría de proteína.

Cualquier  cadena de aminoácidos siempre se va a tener un extremo amino terminal (N-terminal) y un extremo carboxilo terminal (C-terminal).

Entre los péptidos más conocidos están:

El Canderel (Nutrasweet) o Aspartame es un dipéptido que es el ester L-Aspartil-fenilalanil metílico.

El Glutatión es un tripéptido constituido por ácido glutámico, cisteína y glicina. Es una sustancia sólida muy soluble en agua. Su nombre sistemático es: Gamma- L-Glutamil-L-Cisteinil-Glicina. Se encuentra presente en pequeña cantidad en la mayor parte de las células haciendo el papel de transportador de hidrógeno. Es esencial para la función normal de los glóbulos rojos.

El enlace disulfuro es el enlace que se forma entre dos moléculas de metionina ya que la metionina contiene el grupo SH, al unirse dos metioninas se forma el enlace –S-S- (disulfuro) y se libera hidrógeno por lo que esta reacción es una reacción de oxido-reducción.

1.5.4 Tipos de Hidrólisis

Las proteínas pueden hidrolizarse total (por medio de ácidos o bases) o parcialmente (por medio de enzimas). Al hidrolizar las proteínas o péptidos se introduce agua entre el carbono y el nitrógeno del enlace peptídico para liberar al grupo carboxilo y al amino, al realizar esta acción en presencia de ácidos o bases, se liberan todos los aminoácidos que componen al péptido o proteína, por eso se le llama hidrólisis total ya sea ácida o básica. y entonces puede determinarse que aminoácidos están presentes (fórmula cualitativa) y cuantificar las cantidades en las cuales se encuentra cada uno (fórmula cuantitativa). Si la introducción de agua se realiza con la ayuda de enzimas, como estas son específicas, es decir, rompen la cadena polipeptídica en uniones específicas de aminoácidos, se liberan fragmentos que contienen varios aminoácidos (péptidos) y por eso recibe el nombre de hidrólisis parcial.

Al realizar una hidrólisis total se pueden determinar las clases de aminoácidos que constituyen el péptido o proteína (su fórmula cualitativa) y se pueden cuantificar las cantidades en las cuales se encuentra cada aminoácido en el péptido o proteína (fórmula cuantitativa).

1.6 NIVELES DE ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LOS PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS

La estructura de las proteínas por ser compleja se divide en varios niveles que se les llaman: Estructura Primaria, Secundaria, Terciaria y Cuaternaria.

1.6.1 Estructura Primaria.

La estructura primaria de una proteína nos indica:

1) La composición de aminoácidos de la proteína tanto cualitativamente como cuantitativamente, es decir su Fórmula cualitativa y cuantitativa. (1.6.1.1)

2) La secuencia de aminoácidos (orden de los aminoácidos) que componen la(s) cadena(s) polipeptídicas. (1.6.1.1)

3) Cual aminoácido se encuentra el extremo amino terminal y cual en el extremo  carboxilo terminal. (1.6.1.2)

4) Si está formada por una o más cadenas polipeptídicas. Incluye los puentes de enlace covalente que tenga (puentes disulfuro). (1.6.1.3)

Todo esto se va obteniendo por una serie de análisis por medio de los cuales se va sabiendo:

a)  Que aminoácidos hay y en que cantidad (hidrólisis ácida o básica = hidrólisis total de la proteína),

b)     Determinación del extremo amino y carboxilo terminales.

•   Ya que se sabe que aminoácidos hay y en que cantidad se procede a ver en que orden y esto es por hidrólisis parcial enzimática, por medio de la cual se obtienen péptidos a los cuales se les hace hidrólisis total para ver que aminoácidos tienen y determinación de amino y carboxilo terminal y luego se arma el rompecabezas.

En la hidrólisis enzimática, cada enzima rompe en diferentes aminoácidos y en diferente extremo:

Tripsina: rompe en el extremo carboxílico de los aminoácidos básicos (Lis, Arg)

Quimotripsina: hidroliza donde hay aminoácidos aromáticos (Fen, Tir, Trp), en el extremo carboxilo.

Pepsina: Rompe la cadena en los grupos amino de la Tirosina y de la Fenilalanina y en los carboxilo de Glu.

Carboxipeptidasa y aminopeptidasa: rompen aminoácidos en orden a partir de las terminales amino y carboxilo respectivamente. Se pueden hacer ensayos cronometrados.

Dipeptidasa: Rompe en dipéptidos.

Ejercicios:

1.- Se tiene un polipéptido cuya fórmula condensada o cuantitativa es Fen, Leu, Orn, Pro, Val. Cada aminoácido se presenta una sola vez. Por hidrólisis parcial se obtuvieron los siguientes di y tripéptidos:

Dipéptidos        Tripéptidos

Fen-Pro              Fen-Pro-Val

Val-Orn              Pro-Val-Orn

Orn-Leu             Val-Orn-Leu

Leu-Fen

Encontrar la secuencia de aminoácidos.

R= Este pentapéptido es la Garamicina S, es un péptido cíclico con la secuencia: Fen-Pro-Val-Orn-Leu....Fen.

2.-Se tiene un polipéptido cuya fórmula condensada es:

Arg, Cis, (Fen)₂ ,(Gli)₂ , Glu, Leu, Tir, Val.

Por hidrólisis parcial se obtuvieron los siguientes tripéptidos:

Val-Cis-Gli                 Glu-Arg-Gli

Gli-Fen-Fen                Tir-Leu-Val

Gli-Glu-Arg

Encontrar la secuencia de aminoácidos.

 R= Tir-Leu-Val-Cis-Gli-Glu-Arg-Gli-Fen-Fen

3.- La hormona vasopresina estimula la retención de agua por el riñón y la contracción de algunos vasos sanguíneos de los mamíferos provocando un aumento en la presión sanguínea. Esta hormona tiene un peso molecular de 1,231 g/mol y contiene un 9% de prolina, un 6% de glicina, un 11% de Asparagina, un 12% de glutamina, un 13% de fenilalanina, un 14% de arginina, un 15% de tirosina y un 20% de cisterna.

a)¿Cual es su fórmula cuantitativa o condensada?

b)¿Cuál es su secuencia de aminoácidos si por hidrólisis parcial se obtuvieron los siguientes di y tripéptidos:

Dipéptidos                        Tripéptidos

Cis-Asn                               Arg-Pro-Cis

Gli-Arg                                Fen-Tir-Cis

Fen-Tir                                  Asn-Gln-Fen

Se sabe también que en polipéptido hay un puente disulfuro entre el cuarto y el noveno aminoácido, represéntalo al escribir la secuencia de aminoácidos.

• R=  (Arg) (Asn) (Cis)₂(Fen)(Gln) (Gli)(Pro) (Tir)

• Gli-Arg-Pro-Cis-Asn-Gln-Fen-Tir-Cis

                                ‌│‌-----S-------------S-----│‌

El orden o secuencia que guardan los aminoácidos en las cadenas de péptidos de las proteínas está determinado genéticamente, y por lo tanto, es fijo para todas las proteínas estudiadas hasta la fecha.

Un dato importante sobre la estructura primaria es que hay  pequeñas o grandes diferencias en la secuencia de aminoácidos en una misma proteína en diferentes especies, mientras más cercanas en la evolución son las especies, más parecidas son en su composición de aminoácidos.

1.6.2 Estructura secundaria

La estructura secundaria es el segundo nivel de estructuración de los péptidos y proteínas; nos indica la forma interna que adquiere cada cadena polipeptídica de acuerdo con su secuencia de aminoácidos.

Se pueden distinguir tres tipos de conformaciones que determinan la estructura secundaria de un péptido: Conformación de hélice alfa, conformación de hoja plegada o beta y conformación al azar u omega.

Conformación de hélice alfa (1.6.2.1):

El enlace peptídico impone rigidez plana a ciertas partes de la molécula pero queda siempre el carbono alfa que tiene libertad de giro. Pauling demostró, a partir de estudios cristalográficos, que muchos polipéptidos, o regiones de polipéptidos, adoptan la conformación denominada hélice alfa, que se obtiene precisamente por giro de lacadena en torno a los carbonos alfa.

 Las cadenas polipeptídicas puede enrollarse sobre si misma de manera que los grupos R de los aminoácidos se orientan hacia afuera. Se ha encontrado que hay una cierta periodicidad según la cual cada vuelta de la hélice implica a 3.6 residuos de aminoácidos y que la distancia es de 5.4 Amstrongs. Esta disposición de la cadena polipeptídica permite el establecimiento de puentes de hidrógeno dentro de la cadena (intracadena) con los aminoácidos que ocupan respectivamente la parte superior e inferior del espiral. La hélice puede irse formando hacia la derecha en el sentido de las manecillas del reloj o hacia la izquierda. (1.6.2.2)

Sin embargo no todas las cadenas polipeptídicas pueden existir en forma estable de una hélice alfa puesto que esto depende de la composición que tengan en aminoácidos y al mismo tiempo de la secuencia de ellos. Cada proteína se caracteriza por una cierta cantidad de estructura regular en la forma de una hélice o bien de hoja plegada. Estos elementos estructurales están estabilizados por la formación de puentes de hidrógeno, mientras más puentes de hidrógeno se puedan establecer, más estable será la estructura de la proteína

Aminoácidos formadores de hélice alfa: Ala, Leu, Fen, Trp, Met, Val, Tir, Asn, Gln,  Cis, His.

Desestabilizan la hélice alfa : Ser, Gli, Tre, Ile, Glu, Asp, Lis, Arg,

Rompen la hélice alfa: Pro.

Conformación de hoja plegada (laminada) o Beta (1.6.2.1):

En el caso de los péptidos que adoptan esta conformación, los enlaces de hidrógeno no se establecen periódicamente entre aminoácidos pertenecientes a la misma cadena polipeptídica, sino a cadenas distintas (puentes de hidrógeno intercadena 1.6.2.2). Las cadenas pueden estar orientadas de forma paralela o antiparalela. El nombre de hoja plegada alude a la disposición relativa de los planos que contienen enlaces peptídos contiguos. La conformación Beta es típica de algunas proteínas fibrosas como la fibroína de la seda.

La conformación beta es menos estable que la alfa.

Ejercicio:

Calcular la longitud en Amstrongs de un polipéptido que contiene 105 aminoácidos.

• Si se encuentra en conformación de Hélice alfa.
  • Si se encuentra en conformación beta.

Confomación al azar (1.6.2.1):

En algunos péptidos o en ciertas regiones de un péptido, no existen interacciones de suficiente consideración para que se pueda distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria, se habla en estos casos de conformación al azar.

Recientemente se ha encontrado que esta conformación es una nueva categoría de estructura secundaria ya que se forman unas cavidades (Loops=asas) que son una  categoría de una estructura secundaria no-regular que consiste en un segmento de una cadena continua que adopta la forma de una cavidad, con una conformación tridimensional en el espacio, con una distancia pequeña entre las terminales del segmento. El trazo de la cadena principal de una cavidad ideal da la idea de una letra griega omega. Los ángulos de torsión de las uniones para tal estructura son no repetitivos y son pocos, si acaso hay algunos puentes de hidrógeno. A estas “cavidades” son las que antes se les llamaba “vueltas al azar” que están situadas invariablemente en la superficie de la proteína en donde ellas se supone mantienen un papel importante en la función molecular y reconocimiento biológico, se ha visto también que son moduladores del cambio evolutivo y también son candidatos naturales para estudios de bioingeniería. Los aminoácidos no son repetitivos y la separación entre las asas es de aproximadamente 1.5 amstrongs.

1.6.3 Estructura terciaria

La estructura terciaria nos da la forma tridimensional total que adquiere toda la cadena polipeptídica estabilizada por fuerzas intermoleculares.

El término conformación puede usarse también para abarcar tanto la estructura secundaria como la terciaria

1.6.3.1 Forma globular y fibrosa. Fuerzas intermoleculares que participan.

Las cadenas polipeptídicas, estructuradas a nivel secundario, pueden mantener su ordenamiento sin ulteriores modificaciones, sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las hebras de una cuerda. Con esto se originan proteínas de estructura terciaria fibrosa. Este es el caso del colágeno, la queratina del cabello (cuya estructura secundaria puede ser en hélice alfa o en hoja plegada), la fibroína de la seda, etc. En otros casos más frecuentes, la cadena polipeptídica sufre un nuevo plegamiento para dar origen a proteínas de estructura terciaria globular. En estas proteínas se suceden regiones con estructuras al azar, alfa y beta.

Como en el caso de la estructura secundaria, la estructura terciaria viene en cierto modo determinada por la secuencia de aminoácidos, puesto que las fuerzas que la estabilizan enlazan las cadenas laterales de aminoácidos.

Los enlaces propios de la estructura terciaria globular pueden ser de cuatro tipos principales, uno covalente y tres no covalente. El enlace covalente procede de la creación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de cisteína, la presencia de este enlace ya se señala en la estructura primaria pero vuelve a tomar importancia en la estructura terciaria. Los enlaces o interacciones no covalentes  (fuerzas intermoleculares) se establecen son:

• Por formación de puentes salinos o iónicos entre los grupos R con carga contraria. Hay  fuerzas electrostáticas, entre las cadenas laterales ionizadas, que tienen cargas de signo opuesto.
• Por enlace polar, debido a interacciones dipolo-dipolo, frecuentes en cadenas laterales con grupos –OH. Los enlaces o puentes de hidrógeno son un tipo particular de fuerzas dipolo-dipolo, en la estructura terciaria intervienen puentes de hidrógeno adicionales de los descritos en la estructura secundaria (entre el grupo carboxilo y grupo amino de enlaces peptídicos cercanos), aquí son puentes de hidrógeno entre los grupos R que contienen un átomo de hidrógeno ligado a un oxígeno o nitrógeno, como la histidina o la serina. Se trata del mismo tipo de fuerza que vimos en la estructura secundaria pero ahora esta ocurriendo entre cadenas laterales R sin que intervenga el enlace peptídico.
• Por enlace hidrofóbico (fuerzas de Van der Waals) entre cadenas laterales apolares (como Trp, Leu, etc).

No todos estos tipos de enlace contribuyen por igual a mantenimiento de la estructura terciaria más estable. Como es lógico resulta esencial el enlace covalente por puente disulfuro. De los enlaces no covalentes, la contribución decisiva corresponde a los hidrofóbicos. El mantenimiento del enlace hidrofóbico exige una gran proximidad de los grupos apolares de los aminoácidos, como resultado, las moléculas de estructura terciaria globular suelen contener un interior compacto de carácter apolar (que excluye el agua) mientras que las cadenas laterales más polares quedan orientadas hacia la superficie, lo que permite la dispersión de las moléculas proteicas en agua.

Algunas combinaciones de hélice alfa y láminas beta se compactan formando unidades funcionales estables llamadas dominios proteicos. El dominio es una región de la cadena polipeptídica que al plegarse sobre sí misma constituye la unidad compacta en la que se subdivide la estructura terciaria. La proteínas globulares muy grandes suelen presentar varios dominios interconectados a través de fragmentos polipeptídicos de longitud variable. En ocasiones los diferentes dominios de una proteína realizan funciones distintas.

1.6.4 Estructura cuaternaria

La estructura cuaternaria  nos da la estructura que tiene toda la proteína si está formada por más de una cadena o unidades y si contiene algún otro grupo que no sea de naturaleza proteica, necesario para que la proteína realice su función.

La estructura cuaternaria consiste en la forma en que las diversas cadenas (monómeros) pueden estar asociadas espacialmente para formar subunidades, quienes a su vez dan origen al oligómero (proteína oligomérica). Los monómeros pueden ser idénticos como es el caso de la enzima fosfogucoisomerasa de masa molecular 122,000 g/mol, formada por dos subunidades de 61,000 g/mol, cada una con su propio centro activo; o diferentes como en la hemoglobina que es un tetrámero formado por 2 pares de monómeros generalmente idénticos.

La estructura cuaternaria modula las actividades biológicas de las proteínas, tanto las proteínas transportadoras como la hemoglobina, como las enzimáticas pierden buena parte de su acción específica al fraccionarlas en subunidades.

Las fuerzas que mantienen unidas las cadenas peptídicas para dar una estructura cuaternaria suelen ser de tipo fisocoquímica (asociación hidrofóbica) y el ensamblaje de monómeros se realiza espontáneamente. Ocurre así porque la ordenación cuaternaria adoptada representa un mínimo de energía libre, para la molécula.

1.6.4.1Agregados y grupos prostéticos.

La estructura cuaternaria se define como la asociación entre dos o más cadenas polipeptídicas (idénticas o diferentes), llamadas subunidades o protómeros que individualmente no tienen actividad biológica y asociadas constituyen la especie biológicamente activa.

La fosforilasa “a” es un tetrámero formado por cuatro cadenas polipeptídicas idénticas por lo cual se llama estructura cuaternaria homogénea. La hemoglobina es una proteína con estructura cuaternaria heterogénea y que consta de dos protómeros idénticos con dos cadenas alfa y dos cadenas beta (tetrámero).

La insulina es un monómero (P.Mol. 6,000) pero al cristalizar forma hexámeros (P.mol. 36,000) y en solución existe como dímero (P.mol. 12,000)

En general, los enlaces responsables de la estructura cuaternaria de las proteínas son hidrofóbicas y electrostáticas pudiendo intervenir otros excepto los enlaces disulfuro.

Algunas enzimas requieren para su función de la presencia de una sustancia de naturaleza no proteínica (cofactor) como son las coenzimas o los iones metálicos.

1.7 Desnaturalización de proteínas

Se define la desnaturalización como cualquier variación que modifica la estructura “nativa” de una proteína dando lugar a cambios definidos en sus propiedades físicas, químicas o biológicas. A nivel molecular, se puede concebir la desnaturalización como la destrucción total, pérdida parcial o modificación de la estructura secundaria, terciaria y/o cuaternaria de una proteína dando lugar a una cadena polipeptídica deformada.

En muchos casos, al desnaturalizarse, las proteínas cambian su estado soluble a otro insoluble y se precipitan; las proteínas precipitadas básicamente son agregados de moléculas proteicas lo suficientemente grandes como para ser visibles, por ejemplo: la clara de huevo (albúmina) soluble y transparente se vuelve insoluble y opaca al calentarse, este calentamiento provoca cambios irreversibles. En muy contadas ocasiones los cambios que sufre la proteína en sus propiedades físicas son reversibles.

Las proteínas son muy sensibles a la acción de varios factores o agentes que la pueden desnaturalizar, estos son:

Cambio en la polaridad del disolvente.

Adición de un  detergente.

Cambio de la fuerza iónica (concentración de sales).

Cambio de pH (adición de ácidos o bases fuertes).

La variación de la temperatura.

Adición de metales pesados.

La agitación mecánica.

Adición de agentes reductores.

El ultrasonido.

La luz ultravioleta.

Los rayos X.

1.8 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS:

La variedad de proteínas es muy grande por lo que para su clasificación, se recurre a criterios físicos (forma), químicos (composición) y funcionales (función en los seres vivos).

1) Por su forma:

En fibrosas y Globulares.

Las proteínas fibrosas no se disuelven ni se dispersan en agua (ej. La queratina del cabello), son proteínas largas como hilos y se encuentran en los tejidos animales, son duras, resistente y químicamente inertes (cabello, uñas ó cuernos), funcionan como material estructural. Están unidas por puentes de hidrógeno y por eso son insolubles en agua puesto que las fuerzas intermoleculares intercadena que deben vencer son muy fuertes.

Las proteínas globulares son proteínas más bien esféricas, funcionan para el mantenimiento y regulación de los procesos vitales. Son solubles en agua y en soluciones salinas ya que las fuerzas intermoleculares son débiles (los puentes de hidrógeno son internos). Consisten en una o un grupo de cadenas enrolladas o plegadas de manera bastante compacta (ej. Insulina, hemoglobina, histonas).

2) Por su composición:

En Simples y complejas (conjugadas).

Las simples (holoproteínas)son las que están formadas solo por aminoácidos (albúmina de huevo, globulinas). Son moléculas de cadena larga que se forman por la unión de cientos e incluso miles de aminoácidos. Sus pesos moleculares oscilan entre 15,000 y 40 millones. En este tipo de proteínas toda la molécula es de naturaleza protéica, es decir, que por hidrólisis dan solamente aminoácidos, sin ningún otro tipo de producto. Ejemplos:

Con estructura fibrosa: Colágeno(tejido conjuntivo, cartilaginosos y óseo), elastina(tendones y arterias), queratinas(uñas, pelos, lana y plumas), fibroína (hilo del gusano de seda, araña).

Con estructura globular: Gluteínas(en granos de cereales como trigo, cebada y arroz), Albúminas (clara de huevo, leche, plasma sanguíneo), Globulinas (anticuerpos, en el huevo, leche).

Las complejas o conjugadas (Heteroproteínas) son las que resultan de la asociación de una proteína simple con una fracción o sustancia de naturaleza no proteica llamada grupo prostético que pueden ser de muy diferente composición química. SE clasifican de acuerdo con la naturaleza química de sus grupos prostéticos. Ejemplos:

Grupo prostético               Nombre                             Ejemplo

Metal                                Metal proteínas             Hemoglobina

Ácidos Nucleicos            Nucleoproteínas          Histonas (con ADN), Ribosomas (con ARN).

Carbohidratos                 Glucoproteínas           Mucoproteínas (líquido sinovial, secreciones)

Lípidos                              Lipoproteína                 Lipoproteínas séricas.

Ácido fosfórico                Fosfoproteína               Caseína

3 ) Por su función:

Las proteínas de acuerdo con la función que realizan en los organismos se clasifican en siete grupos:

• Proteínas de transporte: Transportan sustancias dentro de los tejidos: Hemoglobina (oxígeno y Bióxido de carbono en sangre), Mioglobina (oxígeno en músculo).
• Proteínas contráctiles: Forman parte de los filamentos gruesos (Miosina) o delgados (Actina) de las miofibrillas.
• Proteínas estructurales: Forman parte de la pared celular (Glucoproteínas), en tejidos conectivos (colágena),  en uñas, plumas, cuernos (alfa queratina).
• Proteínas de protección: Son las proteínas relacionadas con la inmunidad y la defensa) Anticuerpos, Fibrinógeno.
• Proteínas que regulan genes: Se asocian con ADN inhibiendo los genes: Histonas.
• Proteínas de naturaleza hormonal: Regulan metabolismos: Insulina, Hormona del Crecimiento
• Proteínas catalíticas: Catalizan las reacciones biológicas Enzimas,  Citocromo C (transfiere electrones).

1.9 ESTRUCTURA DE ALGUNAS PROTEÍNAS IMPORTANTES.

1.9.1 Insulina

La insulina es una proteína de naturaleza hormonal que estimula la utilización de la glucosa en los tejidos.

a) Estructura primaria.

   La Insulina tiene un Peso molecular mínimo de 6,000 g/mol (unidad monomérica)

   Está formado por dos cadenas:

   Cadena A con 21 aminoácidos.

   Cadena B con 30 aminoácidos.

Total de aminoácidos de la unidad monomérica:  51

Fórmula condensada o cuantitativa: (Ala)₃ (Arg)(Asn)₃ (Cis)₆ (Fen)₃ (Gli)₄ (Gln)₃ (Glu)₄  (His)₂ (Ile) (Leu)₆ (Lis) (Pro) (Ser)₃ (Ti r)₄ (Tre) (Val)₅

La secuencia de aminoácidos y los puentes disulfuro intercadena e intracadena se muestran en la hoja de esquemas.

Unos datos interesantes son que se ha encontrado que:

la Cadena A tiene igual composición y secuencia en el Hombre, el perro, el conejo y el cachalote.

La cadena B tiene igual composición y secuencia en el hombre y el elefante

La cadena B tiene igual composición y secuencia en el cerdo, vaca, cachalote, oveja, perro, caballo.

Los aminoácidos de los extremos amino terminal son:

Cadena A: Glicina        Cadena B: Fenilalanina

Los aminoácidos de los extremos carboxilo terminal son:

Cadena A: Asparagina    Cadena B: Alanina

b) Estructura Secundaria.

      La cadena A se encuentra en conformación de hélice alfa.

      La cadena B se encuentra en conformación de hélice alfa hasta la Glicina que está en la posición 20 y de ahí al aminoácido 30 se encuentra en conformación omega.

c) Estructura Terciaria.

     La insulina es una proteína Globular.

d) Estructura cuaternaria.

La insulina es una proteína simple que en forma cristalina se encuentra como hexámero (P.Mol = 36,000 g/mol) y en solución como dímero (P. Mol. = 12,000g/mol)

1.9.2 Hemoglobina

Es una proteína oligomérica cuya función es transportar Oxígeno o Bióxido de carbono.

El equipo de investigadores de Max Perutz requirió 25 años de estudios para encontrar sus estructuras, se concluyó en 1962.

a)Estructura primaria:

Esta formada por cuatro cadenas:

Dos cadenas llamadas “a” con 141 aminoácidos cada una y dos cadenas llamadas “b” con 146 aminoácidos cada una.

Su Peso molecular varía según la especie de 64,500 a 68,000 g/mol.

Su fórmula condensada sin incluir su grupo hemo es C₂₇₉₆H₄₅₉₂O₈₃₂N₈₁₂S₈,

b)Estructura secundaria:

El 75% de la Hemoglobina se encuentra en conformación alfa. La presencia de Prolina provoca una torsión de la cadena.

Algunos datos: En la cadena “b”, desde al aminoácido 36 al 42 se encuentra una estructura que se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí mismo, se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre el grupo ceto de un aminoácido con el grupo amino. Del aminoácido 43 al 52, se forma una estructura de hoja plegada, la cual se identifica porque no forma una hélice sino una cadena en forma de zigzag.

c)Estructura terciaria:

La hemoglobina es una proteína globular casi esférica, con un diámetro de 55 Amstrongs.

Las cuatro cadenas están empaquetadas conjuntamente en disposición tetrahédrica.

En la estructura de la Hemoglobina no hay puentes disulfuro ya que aunque si tiene cisteínas  son muy escasas y no quedan tan cercanas como para que se puedan establecer. Cada cadena “a” tiene muchas interacciones no covalentes con las cadenas “b”, sin embargo, existen pocas interacciones entre las cadenas “a” o entre las dos cadenas “b” entre sí.

d)Estructura cuaternaria.

En su Estructura Cuaternaria se explica como es una proteína compuesta o conjugada puesto que a cada de las cadenas polípeptídicas está unida un grupo prostético Hemo. En la descripción de este nivel de estructuración se nos explica como está unido este grupo  Hemo a la parte proteica de cada cadena y como este grupo hemo es necesario para que la proteína realice su función.

Un dato interesante es que como la secuencia de los aminoácidos de cada cadena polipeptídica condiciona su conformación en el espacio (estructuras secundaria y terciaria), con frecuencia existe una conformación compatible con la función normal de la proteína.

En el caso de la Hemoglobina cuando la molécula de ácido glutámico que está en posición 6 en las cadenas “beta” es sustituido por el aminoácido valina, esto hace que se forme una región hidrofóbica que hace que se altere la conformación de la proteína y en consecuencia la forma del glóbulo rojo, de modo que en lugar de tener forma de disco tiene forma de hoz. Estos glóbulos rojos duran la mitad del tiempo de los normales produciendo anemia y se apelotonan sobre todo cuando están desoxigenados y pueden bloquear los capilares sanguíneos y provocar una crisis clínica. Todo esto da por resultado la “anemia de glóbulos rojos semilunares o anemia falciforme”.

1.9.3 Inmunoglobulinas

Las inmunoglobulinas o Anticuerpos son proteínas que se encuentran en el plasma sanguíneo cuya función es defender a los organismos contra macromoléculas extrañas (antígenos).

1.9.3.1 Clases de Inmunoglobulinas

 Hay cinco clases principales que se conocen como IgG, IgA, IgM, IgD e IgE.

La IgG es la más abundante de ellas y es la única que atraviesa la placenta.

La IgA es la segunda más abundante y se encuentra sobre todo en mucosas y secreciones y se encuentra como monómero, dímero o trímero.

La IgM es la tercera más abundante. Es la primera en ser producida por el sistema inmunológico humoral y  se encuentra como pentámero.

La IgD es la cuarta más abundante, se encuentra unida a las membranas plasmáticas de las células B. No se conoce su función inmunológica principal.

La IgE es la menos abundante pero su importancia está en que intervienen en alergias.

Todas independientemente de su clase son mucoproteínas y están compuestas por cuatro unidades básicas semejantes que tienen 4 cadenas polipeptídicas por unidad y la siguiente estructura general

La unidad monomérica tiene un peso molecular aproximado de 150,000 g/mol, comprende dos cadenas idénticas llamadas “H” o “pesadas” con 430 aminoácidos cada una y dos cadenas “L” o “ligeras” con 214 aminoácidos cada una.

Estás cadenas están unidas entre sí por enlaces disulfuro constituyendo una estructura en forma de “Y” flexible. En la estructura primaria de una IgG se encuentran generalmente 12 puentes disulfuro intracadena y 4 puentes disulfuro intercadena.

Las cadenas “pesadas” contienen un componente oligosacárido unido covalentemente. Las cadenas “pesadas” se pegan más fuerte con el antígeno.

Cada una de las cadenas tiene una región de secuencia de aminoácidos constante y otra cuya secuencia varía. La región de secuencia constante determina el tipo de Inmunoglobulina (IgG, IgM, etc.) y la región de secuencia variable determina el tipo de antígeno para el cual se creó la Inmunoglobulina. La molécula de anticuerpo dispone de dos sitios de unión o combinación con el antígeno. Las regiones de secuencia variable de las cadenas “L” y “H” contribuyen a estos sitios de unión.

Ejemplo:

Si a una persona de grupo sanguíneo “A” se le transfunde sangre “B”, su sistema inmunológico va a crear anticuerpos contra la sustancia extraña “B” (antígeno)  que se le llaman anti “B”.

En un primer momento las primeras inmunoglobulinas que se producen son IgM anti “B”, posteriormente se producen IgG anti “B”.

Estos dos tipos de inmunoglobulinas contra el antígeno “B” van a tener en común que la secuencia de aminoácidos de la región de secuencia variable (sitio de combinación) va a ser igual ya que fueron creadas contra el mismo antígeno pero van a tener, entre sí, diferente secuencia de aminoácidos en la región de secuencia constante pues pertenecen a un tipo diferente de inmunoglobulinas.

1.9.3.2 Mecanismo de acción:

En la interacción de un antígeno con su correspondiente anticuerpo se distinguen dos etapas: la reacción primaria y la reacción secundaria.

Interacción primaria:

La base de la reacción inmunológica es la complementabilidad. En el antígeno y en el sitio de combinación del anticuerpo específico existen estructuras químicas que corresponden y que regulan esta complementariedad. No solamente las estructuras primarias son las responsables de la unión antígeno-anticuerpo sino que las estructuras secundarias y terciarias también participan facilitando el acoplamiento. Las fuerzas que facilitan esta unión son puentes de hidrógeno, Fuerzas de Van der Waals, interacciones iónicas, etc.

La reacción antígeno- anticuerpo va a ocurrir así:          

          Antígeno      +       Anticuerpo                              complejo antígeno-anticuerpo

Hay varios factores que afectan esta reacción que son:

a) Concentración de antígeno y anticuerpo.

b) Temperatura.

c)  pH.

d) Fuerza iónica.

Cuando se une un antígeno con un anticuerpo se le llama reacción o interacción primaria antígeno-anticuerpo y cuando ya unen más antígenos con más anticuerpos, constituyendo una especie de red en que se intercalan y enlazan Antígenos y Anticuerpos, se habla de la interacción secundaria antígeno-anticuerpo, la cual por tener elevado peso molecular  precipita.