13_Aminoacidos_y_proteinas_2010

Universidad de Santiago de Chile Ingeniería de Ejecución Química Q. Orgánica – Dr. N. Carrasco 2010

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AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Introducción Los péptidos, las proteínas y los aminoácidos son compuestos orgánicos de origen natural, constituidos por C, H, O y N. Las proteínas se presentan en los organismos vivos formando parte fundamental del tejido muscular, vasos sanguíneos, órganos y glándulas. Además, junto a los péptidos cumplen una vasta variedad de funciones (ya sea en forma exclusiva o asociados químicamente a otras moléculas) entre las que se puede nombrar: catálisis enzimática, mensajeros químicos (hormonas), mecanismos de histocompatibilidad molecular (por ej. reconocimiento de tejidos propios o rechazo de tejidos extraños). Los péptidos y las proteínas pueden descomponerse por hidrólisis en sus unidades funcionales básicas, los aminoácidos. Los aminoácidos son moléculas sencillas, con pesos moleculares por lo general < 200 que se denominan así porque contienen grupos funcionales amino y ácido carboxílico en su estructura. Los aminoácidos esenciales, que son los que forman las proteínas presentes en los animales superiores son 20 y se caracterizan porque el grupo amino está unido al carbono adyacente al grupo ácido, por lo que se les conoce con α-aminoácidos. Para formar los péptidos y las proteínas, los aminoácidos por medio de sus grupos terminales amino y ácido carboxílico para formar grupos amida que, en este caso específico se conoce como enlace peptídico. La tabla 1 muestra una comparación de algunas propiedades físicas de ácidos carboxílicos, aminas y aminoácidos de peso molecular comparable Tabla 1

CH3CH2CO2H CH3CH2CH2CH2NH2 H2NCH2CO2H Nombre ácido propanoico butanamina glicina

Peso molecular, g/mol 74 73 75

Momento dipolar, Debye 1,7 1,4 14,0

Punto de fusión, ºC -21 -50 233(d) Esta notable divergencia de las propiedades esperadas para una molécula que contiene dos grupos funcionales de comportamiento conocido, se explican mejor si se tiene en cuenta que los aminoácidos tiene una estructura dipolar, conocida como zwitterion, que es esencialmente una sal interna

Desde el punto de vista estereoquímico, 19 de los aminoácidos esenciales poseen al menos un átomo de carbono asimétrico (la única excepción es la glicina), con la configuración que se muestra en la figura 2.

sal interna o zwitterion

forma covalente indetectable

CO2H

CR NH2

H

CO2

CR NH3

H

Figura 1


2

Esto equivale a decir que al representarlos en proyección de Fischer, con el grupo ácido en la parte superior y el grupo R en el extremo inferior, el grupo amino siempre estará en el lado izquierdo, En todos los casos, excepto en dos aminoácidos con azufre, corresponde a la configuración S, Propiedades ácido-base En solución acuosa, todos los aminoácidos presentan un equilibrio ácido-base que deriva de las propiedades de los grupos que lo constituyen. En virtud de este equilibrio un mismo aminoácido puede existir en forma ácida, forma neutra o forma básica. La forma predominante depende del pH de la solución y de los valores de pKa de c/ u de los grupos con actividad ácido-base, como lo muestra la figura 3 en el caso de la alanina. Figura 3: Esquema de equilibrios ácido-base de un aminoácido en función de pH para la alanina

El esquema de la figura 3 no debe confundirse con las ecuaciones de equilibrio ácido-base que están gobernadas por las correspondientes constantes de equilibrio C

aK y NaK , según se muestra a continuación, partiendo desde el extremo

ácido, equilibrios que ocurren de manera secuencial.

La tabla 3 muestra las estructuras de los diversos aminoácidos en su forma predominante a pH neutro junto a los cuales se dan los valores de los pKa correspondientes a la ionización de los grupos –CO2H (en rojo), –NH3

+ (en azul) y al grupo ácido presente en la cadena lateral –R (en verde). Ejercicio Escriba ecuaciones que describan los equilibrios ácido-base que ocurren al disolver en agua (a) cloruro de alaninio; (b) alaninato de sodio y (c) alanina neutra (todas son sólidos iónicos).

Proyección de Fischer

CO2

CR NH3

H

CO2

R

H3N H

CO2

R

H3N H

Figura 2

31057,4 −⋅=CaK

CO2

CCH3 NH3

H

CO2

CCH3 NH2

H

CO2H

CCH3 NH3

H H2O H3O++ +

CO2

CCH3 NH3

H + H2O + H3O+

Ecuación 1

Ecuación 2 101004,2 −⋅=NaK

forma ácida forma neutra forma básica pH > 11pH = 3 - 9predomina a pH < 2,0

H3O+ H3O+

HO-HO-CO2H

CCH3 NH3

H

CO2

CCH3 NH2

H

CO2

CCH3 NH3

H

H2A+ HA A-


3

Tabla 3: Clasificación y propiedades de los aminoácidos esenciales Estructuraa Nombre pKb Otras propiedadesc

CO2

CH NH3

H

Glicina Gly G

N = 9,60 C = 2,35 pI = 5,97

I,H = 0,67; no hidrofílico PM = 75,07 Abundancia molar = 7,5%

CO2

CCH3 NH3

H

Alanina Ala A

N = 9,69 C = 2,34 pI = 6,01

I,H, = 1,0; hidrofóbico PM = 89,09 Abundancia molar = 9,0%

CO2

C(CH3)2CH NH3

H

Valina Val V

N = 9,62 C = 2,32 pI = 5,97


CO2

C(CH3)2CHCH2 NH3

H

Leucina Leu L

N=9,60 C=2,36 pI=5,98


CO2

CCH3CH2CH NH3

H

CH3

Isoleucina Ile I

N = 9,68 C = 2,36 pI = 6,02


A L I F A T I C O S

CO2

C

NH2

H

Prolina Pro P

N = 10,96 C = 1,99 pI = 6,48

I,H, = -0,29; no hidrofóbico PM = 115,13 Abundancia molar = 4,6%

CO2

CCH2 NH3

HHS

Cisteína Cys C

N = 10,28 C = 1,96 R = 8,18 pI = 5,07

I,H, = 0,17; no hidrofílico PM = 103 Abundancia molar = 2,8%

A Z U F R A D O S

CO2

CCH2 NH3

HCH3S

Metionina Met M

N = 9,21 C = 2,28 pI = 5,74

I,H, = 1,1; hidrofóbico PM = 131 Abundancia molar = 1,7%


4

CO2

CCH2 NH3

H

Fenilalanina Phe F

N = 9,13 C = 1,83 pI = 5,48

I,H, = 2,5; hidrofóbico PM = 147 Abundancia molar = 3,5% Absorbe en el UV

CO2

CCH2 NH3

H

OH

Tirosina Tyr Y

N = 9,11 C = 2,20 R = 10,07 pI = 5,66

I,H, = 0,08; no hidrofílico PM = 163 Abundancia molar = 3,5% Absorbe en el UV

A R O M A T I C O S

NH

CO2

CCH2 NH3

H

Triptofano Trp W

N = 9,39 C = 2,38 pI = 5,89

I,H, = 1,5; hidrofóbico PM = 186 Abundancia molar = 1,1% Absorbe en el UV

CO2

CHOCH2 NH3

H

Serina Ser S

N = 9,15 C = 2,21 pI = 5,68

I,H, = -1,1; hidrofílico PM = 87 Abundancia molar = 7,1%

CO2

CCH3CH NH3

H

OH

Treonina Thr T

N = 9,62 C = 2,11 pI = 5,87


P O L A R E S N E

CO2

CH2NCCH2 NH3

HO

Asparagina Asn N

N = 8,08 C = 2,02 pI = 5,41



5

U T R O S

CO2

CH2NCCH2CH2 NH3

HO

Glutamina Gln Q

N = 9,13 C = 2,17 pI = 5,65


CO2

CO2CCH2 NH3

H

Ác, Aspártico Asp D

N = 9,60 C = 1,88 R = 3,65 pI = 2,77

I,H, = -3,0; hidrofílico PM = 115 Abundancia molar = 5,5% ácido

CO2

CO2CCH2CH2 NH3

H

Ác, Glutámico Glu E

N = 9,67 C = 2,19 R = 4,25 pI = 3,22

I,H, = -2,6; hidrofílico PM = 129 Abundancia molar = 62% ácido

CO2

CCH2 NH3

H

N

N

H

Histidina His H

N = 9,17 C = 1,82 R = 6,00 pI = 7,59

I,H, = -1,7; hidrofílico PM = 137 Abundancia molar = 2,1% básico

CO2

CH3NCH2CH2CH2CH2 NH3

H

Lisina Lys K

N = 8,95 C = 2,18 R = 10,53 pI = 9,74


P O L A R E S I O N I C O S

CO2

CH2NCNHCH2CH2CH2 NH3

HNH2

Arginina Arg R

N = 9,04 C = 2,17 R = 12,48 pI = 10,76


a Forma predominante a pH = 7; b valores de pKa de C = CO2H; N = NH3

+ y R = grupo ácido o básico en grupo R; pI = punto isoeléctrico; c I.H., índice de hidrofobicidad; Abundancia molar: abundancia promedio en proteínas El punto isoeléctrico (pI) representa el pH al cual la concentración de las formas básica y ácida es igual y el aminoácido (o la proteína) presenta su menor solubilidad en agua. En aminoácidos con sólo dos equilibrios ácido-base, el valor de pI se calcula como la semisuma de los 2 valores de pKa involucrados. La figura 4 muestra una representación de la curva de titulación experimental obtenida al tratar 0,020 moles de cloruro de alaninio con solución 1,0 M de NaOH y la concentración de cada especie en función del pH. Para efectos estequiométricos, las ecuaciones 1 y 2 para la alanina pueden reescribirse en forma abreviada en la forma indicada por las ecuaciones 1’ y 2’. Éstas destacan la capacidad de cada una de las formas del aminoácido de captar o ceder protones en los correspondientes equilibrios ácido-base, sin detalles estructurales. En la figura de la izquierda, se muestra el

cambio de pH al iniciar el agregado de NaOH sobre el ion alaninio (H2A+). La curva muestra dos saltos de pH (aprox. a 20 y 40 mL) corres-pondientes a los puntos finales de neutralización del grupo –CO2H y –NH3

+ respectivamente.

H2A+ H2O HA H3O++ +

++HA H2O A- H3O+

Ecuación 1'

Ecuación 2'


6

Figura 4: (a) Curva de neutralización de la alanina; (b) Variación de la concentración de las diversas especies en equilibrio en función del pH.

Ejercicio Escriba ecuaciones que ilustren los procesos ácido-base que experimenta (a) 1,00 g de alanina sólida al disolverse en agua para preparar 1 L de solución; (b) 1,00 g de alaninato de sodio sólido al disolverse en agua para preparar 1 L de solución. En cada caso, calcule el pH de la solución. Al margen de las reacciones ácido-base descritas, un aminoácido puede dar reacciones propias del grupo amino (por ejemplo alquilación y acilación) y el grupo ácido (por ejemplo esterificación. Péptidos y Proteínas Dos aminoácidos pueden unirse entre sí formando un enlace de amida, lo que da origen a dos péptidos posibles, como se muestra en la figura 5. Como se puede observar, el dipéptido formado tiene un terminal carbonado (terminal-C) y un terminal nitrogenado (terminal-N) Figura 5: Dipéptidos de alanina y valina

El número de péptidos que pueden formarse a partir de unos pocos aminoácidos es enorme, lo que explica la infinita diversidad de proteínas existentes en la naturaleza, formadas tan sólo a partir de 22 aminoácidos. A modo de ejemplo, la vasopresina es un nonapéptido que regula la excreción de agua en el riñón y la presión arterial es uno de los 362.880 péptidos posibles, formados por sólo 9 aminoácidos, tomando en cuenta que éstos puedan unirse entre sí en cualquier

H3NC

C

H CH(CH3)2

O

OH3N

CC

H CH3

O

O+

H3NC

C

H CH(CH3)2

O

NHC

C

H CH3

O

O H3NC

C

H CH3

O

NC

C

H CH(CH3)2

O

O

H

alanina valina alanilvalinavalilalanina

terminal-N terminal -Cenlace peptídico


7

Cys

CysPro

Tyr

Asn

Phe

GlnArg

GlyNH2

terminal-N cisteína

terminal-Cglicinamida

CC

NC

CN

C

O

O

NHC

C

O

NH

CC

CH2CH2

H

H

H

ON

C

O

CNH3

C

H CH2

H2C H

O

N

S S

H2C H

OH

H

H

H

CH2N

O H2CC

O

NH2

CO N

H

H

CH2C

CH2

C

O

N

H2C

H

CNH2O

CH2

H

C

O

NH2

CH2

orden. La insulina es un péptido formado por 51 aminoácidos, cuya función principal es regular la concentración de glucosa en la sangre y es uno entre la enorme cantidad de péptidos que se pueden formar con los mismos aminoácidos que la constituyen. La figura 6 muestra una representación estructural de la vasopresina, junto a una representación funcional usando abreviaturas para cada aminoácido (ver tabla 3). Una característica de la vasopresina, común a muchos péptidos y proteínas, es la existencia de uniones S―S, entre dos moléculas de cisteína. Esta unión se produce por oxidación de los grupos –SH de la cisteína (ver figura 7) y generan un ciclo cuya consecuencia estructural es la formación de un pliegue en la cadena de aminoácidos del péptido. Figura 7: Oxidación de cisteína a cistina

Otra modificación frecuente es la formación de un grupo amida en alguno de los grupos –COOH, ya sea del terminal-C (como ocurre con la glicinamida en la vasopresina) o de alguno de estos grupos en la cadena lateral. El ámbito de los péptidos es extraordinariamente variado y su tamaño, en términos de número de aminoácidos que los constituyen, puede oscilar entre 8 hasta sobre 200, como se puede apreciar en la tabla 4 que presenta una lista de péptidos que cumplen funciones de mensajeros químicos (hormonas) de importantes procesos fisiológicos en el

Figura 6: Representaciones de vasopresina

H3N C

O

O

HS

NH3C

O

O

HS

H3N C

O

O

HS

H

NH3C

O

O

HS

H

+ + H2

Oxidación

Reduccción

cisteína cisteína cistina


8

organismo humano. Las hormonas peptídicas son producidas por las glándulas endocrinas (páncreas, pituitaria, tiroides, pineal y suprarrenal, entre otras) y por otros órganos (por ejemplo, estómago, hígado, intestinos, placenta o riñones). A medida que aumenta el número de aminoácidos que los constituyen, la estructura de un péptido puede hacerse muy compleja. Tabla 4: Hormonas peptídicas importantes

Hormona Número de aminoácidos Función

Insulina 51 Reduce la concentración de glucosa en la sangre, almacenándola en el hígado como glicógeno y/o convirtiéndola en depósitos grasos.

Glucagón 29 Aumenta la concentración de glucosa en la sangre. El ayuno aumenta la producción de glucagón y reduce la concentración de insulina

Grelina 28 Estimula la liberación de la hormona de crecimiento e incrementa la sensación de hambre.

Leptina 167 Su presencia suprime la sensación de hambre. El ayuno disminuye la concentración de leptina.

Hormona de crecimiento humano 191

Conocida por sus siglas en ingles (HGH, Human Growth Hormone), también llamada somatotropina, promueve la captación de aminoácidos por las células y regula el crecimiento. La concentración de la hormona de crecimiento aumenta durante el ayuno.

Prolactina 198 Inicia y mantiene la lactancia en mamíferos

Hormona luteinizante 204 Induce la secreción de testosterona en el hombre y progesterona en la mujer

Hormona estimulante del folículo 204 Induce la secreción de testosterona y dihidrotestosterona

Gonadotropina coriónica 237 Producida luego de la implantación del óvulo en la placenta

Hormona estimulante de la Tiroides 201

Conocida por sus siglas en inglés TSH (Thyroid Stimulating Hormone). Estimula la secreción de las hormonas tiroídeas tetraiodotiroxina and triiodotironina

Hormona adrenocorticotrópica 39 Estimula la producción de corticosteroides producidos por la corteza

suprarrenal (cortisol y costicosterona)

Vasopresina 9 Aumenta la velocidad de reabsorción de agua en los riñones (hormona antidiurética)

Oxitocina 9 Estimula la producción de leche en las glándulas mamarias y la contracción de los músculos uterinos durante y después del parto.

Angiotensin II 8 Regula la presión sanguínea estimulando la vasoconstricción

Hormona paratiroide 84 Aumenta la concentración de ion calcio en fluidos extracelulares.

Gastrina 14 Regula la secreción de ácido gástrico y pepsina, una enzima digestiva constituida por 326 aminoácidos

La complejidad de los péptidos no sólo se refiere al número de aminoácidos que los constituyen, sino, también al hecho que estos puedan formar subestructuras cíclicas, presentar más de una cadena de aminoácidos y generar microentornos locales de naturaleza lipofílica o hidrofílica, según los aminoácidos presentes en dicho microentorno. Ello ha dado


9

lugar a diversas formas de representarlos, en función del tipo de información que se desee destacar. La figura 8 muestra 3 formas de representar la insulina, según se quiera destacar simplemente la secuencia de aminoácidos, los pliegues de las cadenas de aminoácidos o los ángulos de los enlaces entre los diversos átomos que la componen la molécula. Cabe mencionar que la insulina humana es idéntica a la de cerdo, excepto que el último aminoácido de la cadena-B ésta es alanina, en lugar de treonina en la hormona humana. Figura 8: (a) secuencia de aminoácidos y puentes disulfuro

(b) Pliegues y ordenamiento espacial de las cadenas; (c) Modelo 3-D con entramado de enlaces y átomos

Reacciones de péptidos y proteínas En primer lugar corresponde dar algunas orientaciones sobre el alcance de los términos péptido, polipéptido y proteína que alude la literatura proveniente de los ámbitos de la biología, medicina, nutrición y química. Estos términos han sido usados para describir cualitativamente cadenas constituidas por diversos aminoácidos de longitud variable de modo que, por lo general, se reserva el término péptido a aquéllas de menos de unos 15 a 20 aminoácidos de longitud. Por su parte, el término polipéptido suele aplicarse a cadenas de aminoácidos de longitud superior, existiendo ambigüedad en el uso y superposición con el término proteína, al referirse a cadenas largas de aminoácidos. En todo caso, el término proteína se aplica preferentemente a agregados de cadenas polipeptídicas que no están unidas entre sí por enlaces covalentes, caso en que claramente no se usa el término polipéptido, que sí tendría aplicación al referirse a cualquiera de las cadenas individuales que constituyen una proteína como la descrita.

Cadena B (30 aminoácidos)

Cadena A (21 aminoácidos)


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Como corresponde a moléculas con múltiples grupos amida, los péptidos y las proteínas pueden sufrir hidrólisis, generando fragmentos con grupos ácido carboxílico y amina (ver sección 3.2.2 en la unidad de ácidos carboxílicos). En el caso de la hidrólisis ácida, la velocidad es función de la temperatura y la concentración de ácido y, por ejemplo, las condiciones experimentales usadas más comúnmente implican calentar el polipéptido o proteína por 24 horas a 100ºC, en solución acuosa de HCl 6 molar. Sin embargo, la hidrólisis produce la descomposición aminoácidos tales como triptofano, cisterna y metionina, entre los más sensibles. Por esta razón, el tiempo de reacción y la temperatura de una hidrólisis siguen protocolos en que estos son parámetros cuidadosamente definidos y controlados, a fin de obtener resultados comparables. Para fines de análisis se somete a hidrólisis una masa definida de proteína y la composición cuantitativa de la mezcla de aminoácidos producto de la reacción puede obtenerse mediante un instrumento denominado analizador de aminoácidos. El elemento responsable de la separación en este instrumento es una columna de intercambio iónico que se eluye con una solución en la que se varía el pH a medida que progresa la separación, mediante el uso de tampones ácido-base. En estas condiciones los aminoácidos se van separando a medida que la solución tamponada (cuyo pH se hace variar a medida que transcurre la separación) los arrastra a través de la columna. A medida que salen de la columna, cada aminoácido reacciona con ninhidrina, generando un compuesto coloreado que es detectado monitoreando la absorbancia a 440 nm (prolina) y 570 nm (para el resto de los aminoácidos). La figura 9 muestra un cromatograma de la separación aminoácidos en un analizador Hitachi, incluyendo algunos utilizados para detectar enfermedades metabólicas y la reacción con ninhidrina utilizada para su detección. Figura 9 (a) Separación cromato-gráfica de 53 aminoácidos en un fluido biológico, incluyendo aminoácidos usados para detectar enfermedades metabólicas Figura 9 (b) Reacción post-columna de un aminoácido con ninhidrina para dar un colorante

El proceso completo es ilustrado en la figura 10 que muestra la separación cromatográfica de una mezcla de aminoácidos obtenida, por ejemplo, por hidrólisis de un péptido. En la separación cromatográfica una fase móvil

Inte

nsid

ad d

e se

ñal (

mV

)

Tiempo (min)

O

O

OH

OHRCHCO2

NH3

O

O

N

O

O

RCHO CO22 + ++

ninhidrina amninoácido azul de Ruhemann (azul-violeta)

ebullición

1-2 min


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constituida por una mezcla de soluciones tampón de diferentes pH, arrastran la mezcla de aminoácidos introducidos en la columna (la fase estacionaria) de intercambio iónico a través del inyector. La bomba es parte fundamental cuya tecnología le permite variar la composición en que se mezclan las soluciones tampón y programar esta variación en función del tiempo. Figura 10 Esquema modular de la separación cromatográfica de aminoácidos Determinación de la estructura de un péptido A diferencia de moléculas sencillas, la caracterización de la estructura de macromoléculas tales como un péptido o un polisacárido es muy compleja y por ello se acostumbra a especificar en varios niveles de definición. De esta manera se habla de la estructura primaria, secundaria, terciaria o cuaternaria de un péptido o proteína. La estructura primaria de una proteína simplemente establece qué aminoácidos la constituyen y en qué secuencia están unidos entre ellos. Para ello se requiere un método químico que permita determinar cuál es el aminoácido terminal, así como métodos selectivos que permitan hidrolizar el péptido en sitios específicos, sin afectar el resto de éste. Entre los métodos desarrollados se encuentra la degradación de Edman, que permite identificar al aminoácido del terminal-N y marcarlo químicamente. La figura 11 muestra las reacciones involucradas en este proceso. Figura 11: Degradación de Edman

Buf

fer B

Nin

hidr

ina

Reactor

Col

umna

term

osta

tizad

a

Buf

fer A

Buf

fer C

Inyector Bomba

tiempo (min.) CROMATOGRAMA

N

C

S

H2NC

H

C

R1

NC

CN

CC

Péptido

O

O

OR2 H

R3 HH

H

+N

C

H

C

R1

NC

CN

CC

Péptido

O

O

OR2 H

R3 HH

H

CHN

S

C6H5 H

NHC

H

C

R1

CN

C6H5

S

O

H2NC

CN

CC

Péptido

O

OR2 H

R3 H

H

aminoácido 1 aminoácido 2 aminoácido 3

+

HO-

H3O+


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La degradación de Edman permite realizar este proceso en forma automática, hidrolizando en condiciones suaves el enlace entre el derivado del aminoácido terminal en medio ácido, sin hidrolizar el resto de los enlaces peptídicos. Este ciclo se puede repetir y, de este modo, obtener la secuencia de péptidos o fragmentos de proteínas de 20-30 aminoácidos. Para péptidos de mayor peso molecular es necesario hidrolizarlos en forma selectiva mediante el uso de enzimas que realizan la hidrólisis en la unión de aminoácidos específicos con el resto del péptido. La tabla 5 da algunos ejemplos de estas enzimas. Tabla 5: Enzimas que hidrolizan péptidos selectivamente

Enzima Peso molecular (Dalton)

Aminoácido Extremo en que actúa

tripsina 24.000 Arg y Lys terminal-C α-quimotripsina 21.600 Phe, Trp y Tyr terminal-C pepsina 34.100 Phe, Trp y Tyr terminal-N termolisina 34.600 Val, Leu, Ile y Phe terminal-N

Estas enzimas permiten hidrolizar el péptido en fragmentos más pequeños, susceptibles de ser secuenciados usando la degradación de Edman, para finalmente armar la estructura primaria uniendo los fragmentos secuenciados, en base a las evidencias reunidas. La estructura secundaria se refiere a la forma en que se dispone en el espacio la cadena de aminoácidos a la de existencia de los puentes hidrógeno que sustentan esta estructura. Una de las estructuras secundarias estudiadas es la llamada hélice α que muestra la figura 12.

Figura 12: Estructura secundaria de proteínas en forma de hélice α


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En esta figura se describen dos representaciones de la cadena de aminoácidos que se enrosca en la forma de un resorte, con una distancia de 5,4 Å por vuelta. La arquitectura de la hélice está sustentada por múltiples puentes hidrógeno entre los átomos de hidrógeno de grupos N-H de amida (donante) de un aminoácido dado y el grupo C=O de otro aminoácido ubicado frente al primero en la rosca de la hélice α. Otra de las estructuras secundarias de proteínas encontradas es la láminaβ que muestra la figura 13. En ella se describen dos representaciones de las cadenas de aminoácidos, las cuales se ubican paralelamente, manteniéndose unidas mediante puentes hidrógeno de manera análoga a como ocurre en la hélice α. Figura 13. Estructura secundaria de proteínas en láminas β

La definición de la estructura de una proteína admite niveles más elaborados de descripción. De este modo, la presencia de ciertos aminoácidos da lugar a quiebres en la dirección de la hélice α o la lámina β. Por ejemplo, la formación de puentes disulfuro (S-S) entre dos moléculas de cisteína cercanas cambian la dirección en que se orienta la cadena de aminoácidos. Algo similar ocurre con la prolina, único aminoácido que presenta un átomo de nitrógeno secundario y que al formar parte de un péptido pierde el átomo de hidrógeno unido al nitrógeno y, con ello, la posibilidad de participar en un puente hidrógeno que es lo que da sustento a este tipo de estructuras. La descripción de los quiebres y pliegues en la cadena de aminoácidos y los aminoácidos que los producen forma parte de la estructura terciaria de una proteína. Además, es bastante común en macromoléculas (moléculas de alto peso molecular tales como polisacáridos,


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polímeros naturales y sintéticos, entre otros) una misma proteína puede presentar diferente ordenamiento espacial en distintas zonas de la cadena de aminoácidos. Es decir, una podría presentar zonas en que el ordenamiento corresponde a una hélice α, otras con una disposición en láminas β, intermediadas por zonas sin un ordenamiento específico, todo lo cual corresponde a la descripción de la estructura terciaria. La estructura cuaternaria de una proteína contempla la descripción de la asociación de cadenas proteicas diversas, para formar dímeros, trímeros o agregados más complejos que se denominan proteínas conjugadas. También es posible encontrar cadenas peptídicas asociadas con grupos o estructuras químicas distintas de una proteína, denominados grupos prostéticos. De este modo, se describen lipoproteínas, en ésta se encuentran asociadas, por ejemplo, con ácidos grasos, como es el caso de las lipoproteínas de alta densidad (HDL, por High Density Lipoprotein) y de baja densidad (LDL, por Low Density Lipoprotein) informadas en los exámenes clínicos de perfil lipídico. También existen glicoproteínas en que la proteína se encuentra asociada a carbohidratos, como es el caso del colágeno, una familia de glicoproteínas organizadas en la forma de triple hélices que están presentes en cartílagos, piel y pared de vasos sanguíneos, entre otras estructuras biológicas. También se pueden citar la mioglobina (presente en músculos) y la hemoglobina (presente en la sangre) como ejemplos de proteínas con el grupo prostético Heme (ver figura 14) que es un complejo de Fe (II) responsable de coordinar oxígeno molecular (la 5ª y 6ª posición de coordinación están por encima y por debajo del plano formado por los átomos de nitrógeno y el fierro) e intercambiarlo con dióxido de carbono en los pulmones y tejidos. Figura 14: Grupo prostético Heme (a) estructura química; (b) localización esquemática en la mioglobina

Desnaturalización de proteínas La compleja estructura de las proteínas es posible por la existencia de una serie de fuerzas de atracción de intensidad media, pero, ciertamente más débiles que un enlace químico. Diversos agentes externos pueden perturbar, desarmar temporalmente o destruir irreversiblemente las estructuras secundaria, terciaria o cuaternaria de ellas. En condiciones extremas, la hidrólisis exhaustiva la reducirá a una mezcla de los aminoácidos constituyentes. Un ejemplo casero de la desnaturalización de la albúmina (proteína que constituye la clara del huevo) se produce al calentarla para preparar el típico “huevo duro”. La ruptura de múltiples puentes hidrógeno cambia las propiedades originales entre las que se encuentran las propiedades viscoelásticas y ópticas de la albúmina (un líquido transparente y viscoso) , convirtiéndola en un producto opaco y coagulado. Otro ejemplo se puede observar al batir la clara de huevo para formar un “merengue”. Además del calor, otros agentes que producen desnaturalización de proteínas son los ácidos y bases fuertes, algunos

(b) (a)


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solventes y compuestos orgánicos (por ej. etanol y urea), que compiten por la formación de puentes hidrógeno, contribuyendo a desarmar la estructura de puentes hidrógeno que sostiene la estructura secundaria de la proteína. Referencias http://www.haverford.edu/chem/Scarrow/GenChem/acidbase/polyprotic/alanine_titration.html http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/titr.html http://whqlibdoc.who.int/trs/WHO_TRS_935_eng.pdf http://www.fao.org/docrep/005/ac854t/AC854T00.htm#TOC2 http://www.scientificpsychic.com/fitness/aminoacids1.html http://en.wikipedia.org/wiki/Peptide http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/protein2.htm#aacd1 http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch27/ch27-0.html http://www.uhu.es/08007/documentos%20de%20texto/apuntes/2005/pdf/Tema_04_aminoacidos.pdf


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Problemas propuestos 1. Los aminoácidos son descritos habitualmente mediante estructuras iónicas denominadas “zwitterion” o sal interna.

Dé dos evidencias que apoyen la hipótesis que esta representación para la alanina es más apropiada que una representación que incluya grupos amino (-NH2) y ác. carboxílico (-COOH) unidos al carbono quiral.

2. Escriba representaciones de Fischer, y una representación tridimensional de la L-cisterna, L-metionina y L-prolina

y, al respecto: (a) señale las diferencias entre los grupos amino de estos aminoácidos; (b) Asigne configuración al centro quiral en c/u de ellos.

3. Los aminoácidos poseen propiedades ácido-base que pueden racionalizarse en la forma de varias ecuaciones de

equilibrio iónico secuenciales. Considerando los aminoácidos L-cisteína, L-tirosina, ác. L-aspártico, L-lisina, L-arginina y L-histidina. Complemente sus cálculos usando el archivo curtipot.xls, que encontrará en el curso virtual. (a) Escriba ecuaciones que describan secuencialmente los equilibrios ácido-base para cada aminoácido, usando

fórmulas estructurales 3-D y señalando la Ka asociada a cada ecuación. (b) Calcule que % de cada forma de cada aminoácido se encuentra presente en el equilibrio a pH 3,5 y a pH 8,7. (c) Defina qué es el punto isoeléctrico y calcule el valor para c/u de estos compuestos (d) Indique qué grupo funcional es responsable de la propiedad ácido-base en cada equilibrio.

4. Un tambor de 500 L está lleno en un 80% con una solución acuosa que contiene 5,5 kg de L-triptofano. Calcule el

pH y la concentración de cada especie presente en el equilibrio. Explique si debe o no considerar la ionización del grupo amino del anillo. Justifique su respuesta.

5. Busque en tablas el valor de pKa de la alanina y del ácido propanoico. Justifique la diferencia en términos de

efectos estructurales. 6. Dé estructuras para el producto de las siguientes reacciones:

(a) L-fenilalanina + etanol (HCl cat.) → (b) isoleucina + anhídrido acético → (c) L-tirosina + iodometano (en NaOH) →

7. Defina y caracterice los siguientes conceptos, indicando a qué se les aplica:

(a) enlace peptídico (b) estructura primaria (c) desnaturalización (d) estructura terciaria (e) hélice-α

8. Los péptidos bradiquinina, oxitocina y vasopresina son péptidos constituidos por a lo más 10 aminoácidos. Al

respecto: (a) Busque su estructura en literatura o la Internet y escriba una representación de ellos utilizando las abreviaturas

asociadas a cada aminoácido (b) Haga una representación estructural de los mismos, señalando cada estructura el enlace peptídico, el terminal-C

y el terminal-N (c) Escriba una ecuación que describa lo que ocurre cuando se calienta a reflujo la oxiticina con HCl acuoso 6 M por

24 horas. (d) Dé los productos esperados al tratar separadamente bradiquinina con tripsina, con quimotripsina y con

carboxipeptidasa.


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9. Dé 2 ejemplos de proteínas globulares y proteínas fibrosas y busque una descripción estructural gráfica en la Internet. En cada caso señale su función, ubicación en organismos vivos.

10. Busque información y caracterice según los criterios del problema anterior las siguientes proteínas.

(a) Fibroína (b) veneno de cobra (c) lisozima (d) tropomiosina (e) keratina

13_Aminoacidos_y_proteinas_2010

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