Aminoacidos y Proteinas

Aminoácidos – péptidos y

proteínas

Marzo 2013

Prof Flor Mora

CONTENIDO

• Aminoácidos: Estructura, nomenclatura y

clasificación, estereoquímica, punto

isoeléctrico, síntesis de aminoácidos.

• Péptidos: nomenclatura, tipo de enlace,

determinación de la estructura, síntesis.

• Proteínas: Clasificación, punto

isoeléctrico, estructura tridimensional,

propiedades químicas. Desnaturalización.

Proteina = proteios

• Presentes en todas las células vivas

• Polímeros que se hidrolizan a

aminoácidos

• 23 aminoácidos

– Se distinguen por el grupo R.

– Tienen un grupo amino y un grupo carboxílico

unido al mismo átomo de C (carbono α)

– Se unen covalentemente (carboxilo-amino)

mediante enlace amida para formar las

proteínas

Aminoácidos

- anfoterismo: pueden actuar como ácidos o

como bases, dependiendo del pH del

medio.

- se pueden polimerizar formando largas

cadenas de péptidos y proteínas.

- poseen una estructura tetraédrica con un

carbono asimétrico

Configuración de los

aminoácidos naturales • Sólo una configuración encontrada

• De acuerdo al sistema R/S - S

• De acuerdo al sistema D/L - L

– Se coloca el C más oxidado al principio

– Se continúa con la cadena

– No hay hidrógeno sustituyendo a la izquierda

= L

Tipos de AA

• Alifáticos

• Aromáticos

• Con azufre

• Polares/sin carga

• basicos/acídicos

Hidrofóbicos

Hidrofílicos

Aminoácidos lipofílicos

Aminoácidos hidrofílicos

ácidos, básicos

Pueden ser hidro o lipofílicos

Aminoácidos alifáticos

•Prolina (pro, P)- cíclicc “imino acido”

•Glycina(gli, G)-no quiral, no hidrofóbico •Alanina (ala, A) – R = metil

•Valina (Val, V) – •Leucina (Leu, L) – •Isoleucina (Ile, I) H

idro

fobic

idad

Aminoácidos aromáticos

• Muy hidrofóbicos

• Todos contienen un anillo aromático

• Absorben UV a 280 nm

• Fenilalanine (Phe, F)

• Tirosina (Tyr, Y) – -OH ionizable (pKa = 10.5),

• Triptofano (Trp, W) – anillo bicíclico indólico

Amino Acidos con azufre

• Metionina (Met, M) –muy hidrofóbico

• Cisteina (Cys, C) – el azufre está en forma de sulfidrilo importante en formación de puentes disulfuro, débilmente ácido.

• Contienen grupos carboxilo (más débiles que este)

• Se cargan negativamente a pH fisiológico, presentes como bases conjugadas

• Funcionan como nucleófilos en reacciones enzimáticas

• Aspartato – Äcido aspártico (Asp, D)

• Glutamato –

Ácido glutámico (Glu, E)

Amino Acidos ácidos

Amino Acidos básicos

• Bases nitrogenadas hidrofílicas

• A pH fisiológico están cargados

• Histidina (His, H) – Anillo imidazólico protonado/ionizado, funciona como buffer a pH fisiológico.

• Lysina (Lys, K) - diamino ácido, protonado a pH 7.0

• Arginina (Arg, R) – ion guanidinio siempre protonado, aa más básico

• Cadenas laterales polares, naturaleza hidrofílica, puentes de H

• Hidroxilos de Ser y Thr son débilmente ionizables

• Serina (Ser, S) – similar a Ala / -OH

• Treonina (Thr, T) – 2 carbonos quirales

• Asparagina (Asn, N) – amida de ácido aspártico

• Glutamina (Gln, Q) – amida de ácido glutámico

Amino Acidos polares sin carga

Características físicas

• Sólidos cristalinos no volátiles que se

funden a temperaturas elevadas

• Insolubles en disolventes no polares

• En sln acuosa son soluciones de

sustancias de elevado momento dipolar

• Ka y Kb son muy pequeñas (≈10-10)

• Estructura de ión dipolar

Punto isoeléctrico

• Las moléculas anfotéricas (zwitterions) contienen cargas

(+) y (-) dependiendo de los grupos funcionales

• La carga neta es afectada por el pH del ambiente y

puede cargarse más (+) y (-) debido a la pérdida de (H+)

• The pI es el pH en el cual las cargas (+) y (-) son iguales

y por lo tanto no presenta carga eléctrica

pH bajo pH alto

catión anión zwitterion

Carga de los aminoácidos en función del

pH. Separación de aminoácidos.

• El hecho de que la carga neta de un

aminoácido varíe con el pH del medio, y

de que venga determinada por los valores

pK de los grupos ionizables, implica que

los aminoácidos se pueden separar por

electroforesis

Electroforesis

• Técnica de separación de aa según su movilidad en un campo

eléctrico. Las moléculas se desplazarán hacia el polo positivo

(ánodo) o hacia el polo negativo (cátodo), en función de su carga

eléctrica.

• Superficie hidratada de un soporte sólido (p. ej., electroforesis en

papel), o bien a través de una matriz porosa (electroforesis en gel

de agarosa o de poliacrilamida).

Electroforesis

• Una mezcla de aa se coloca en gel y se aplica en un campo

eléctrico, éstos se moverán de acuerdo a su polaridad.

– Aquellos aminoácidos cuyo pI = pH del tampón de electroforesis no

presentarán carga neta, ya que la forma predominante es el Zwitterion

o ion dipolar; dichos aminoácidos no presentarán movilidad

electroforética.

– Aquellos aminoácidos cuyo pI > pH estarán cargados positivamente y,

por lo tanto se comportarán como cationes – se desplazarán hacia el

polo negativo o cátodo.

– Aquellos aminoácidos cuyo pI < pH estarán cargados negativamente y,

por lo tanto se comportarán como aniones – se desplazarán hacia el

polo positivo o ánodo.

Migración de un AA

Ánodo (-)

pH alto

Cátodo (-)

Ánodo (+)

pH neutro

Cátodo (-)

Ánodo (+)

Ánodo (-)

pH bajo

Cátodo (-)

Ánodo (+)

pI 6.02

Ejercicio

Ánodo (-)

pH alto

Cátodo (-)

Ánodo (+)

pH neutro

Cátodo (-)

Ánodo (+)

Ánodo (-)

pH bajo

Cátodo (-)

Ánodo (+)

• Escriba la estructura de la leucina: en el punto

isoeléctrico, a pH bajo y a pH alto. Represente

la migración en un campo eléctrico.

Migración de un AA

Ánodo (-)

pH alto

Cátodo (-)

Ánodo (+)

pH neutro

Cátodo (-)

Ánodo (+)

Ánodo (-)

pH bajo

Cátodo (-)

Ánodo (+)

• El ác aspártico y el glutámico tienen dos grupos

carboxilo

Propiedades ácido base de aa con más de

un grupo ácido

0 2 4 6 8 10 12 14

COOH

C

CH2

COOH

H3N H

COO

C

CH2

COOH

H3N H

COO

C

CH2

COO

H3N H

COO

C

CH2

COO

H2N H

pKa1 pKaR pKa2

pKa = 3.86

pKa = 2.09 pKa = 9.82

pI = 2.87

¿Cúal de los grupos carboxilo es más fuerte como ácido en la forma

totalmente protonada?

Propiedades ácido base de aa con más de

un grupo básico

0 2 4 6 8 10 12 14

¿La arginina muestra tres valores de pKa: 2.16; 9.04; 12.48. Escriba

La reacción de equilibrio para su disociación. Aproximadamente a que pH

Se encontrará su punto isoeléctrico y cuál es la estructura de ión dipolar?

CH2(CH2)3CHCOOH

NH3

NH3pKa = 2.18

CH2(CH2)3CHCOO

NH3

NH3

CH2(CH2)3CHCOO

NH3

NH2

CH2(CH2)3CHCOO

NH2

NH2pKa = 8.95 pKa = 10.53

pI = 9.74

Ejercicios • Dibuje una proyección de Fischer par la L-leucina, L-tirosina, L-

serina. ¿Cúal es el orden de prioridad de los grupos unidos al

centro estereogénico?. ¿Cuál es su configuración absoluta R ó S?

• Prediga los puntos isoeléctricos de: alanina, lisina, ácido aspártico,

cisteina, tirosina

• ¿Porqué el pI de la arginina es mayor que el de la lisina?

• ¿Cómo se puede separar la lisina de la glicina?

• Formule los productos de la reacción de la glicina con: KOH acuoso

y HCl acuoso

Síntesis de aa

Ácido carboxílico + Br2/ P rojo→ α-Br-ácido + NH3 → AA

NK

O

O

+

C OEt

O

CH

C

R

O

OEt

N

O

O

C

COOEt

COOEt

H +1. NaOH

2. R1 XN

O

O

C

COOEt

COOEt

R

H+, H2O

calor

C COOR

NH3

H

A. Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky

B. Síntesis de Strecker

B. Síntesis Ftalimidomalónica

Reacciones de aa

• Ácidos – Base

• Esterificación

• Acilación

• Reacción con ninhidrina

Anión violeta

Péptidos

• Enlace amida entre el grupo carboxilo de un aa y el

grupo α-amino de otro aminoácido

• Polymeros cortos de amino acidos (menos de 50

unidades), unidos por enlaces peptídicos.

• Clasificación: dipeptidos,tripeptidos, tetrapeptidos, etc.

residuos N-terminal C-terminal

Enlace peptídico

Péptidos

• Escriba las estructuras de los dipéptidos que se pueden

formar al unir metionina y tirosina

• Se escriben las fórmulas uniendo las abreviaturas de las

tres letras de cada aa, empezando con el N-terminal a la

izquierda.

• Valilglicilserilalanina: Val-gly-ser-ala

residuos N-terminal C-terminal

Enlace peptídico

Síntesis de péptidos:

Método clásico • Protección del extremo N-

terminal: cloroformiato de

bencilo: Z

• Protección del extremo C-

terminal

• Protección de grupos

funcionales en la cadena

• Acoplamiento de los dos AA

para formar el dipéptido

protegido

• Eliminación de los grupos

protectores

Síntesis de péptidos Método clásico

• Protección del extremo N-

terminal


terminal:

Diciclohexilcarbodiimida (DCC)

y Acoplamiento de los dos AA


protegido

• Cuando sea necesario

proteger los grupos



protectores


• Protección del extremo N-terminal

• Protección del extremo C-terminal: Cloroformiato de Etilo

• Protección de grupos funcionales en la cadena

• Acoplamiento de los dos AA para formar el dipéptido protegido

Síntesis de péptidos


terminal


terminal





protegido


protectores

• Grupos alcohólicos (t-

butil-ésteres)

• Grupos ácidos (t-butil

ésteres)



terminal


terminal





protegido


protectores : H2/Pd

Ejercicio

• Mediante el uso del

enfoque generalizado

(X,Y) grupos

protectores ó

activadores, delinee

la síntesis general

que puede emplearse

para producir el

tripéptido: val-his-ser

Síntesis de péptidos Método fase sólida

• Fijación del Péptido (C- terminal) a soporte sólido: resina de

Merrifield (perla de poliestireno)

• Protección del extremo N-terminal. t-Boc (t-butiloxicarbonil-) ó

F-Moc (fluorenilmetoxicarbonil)

• Acoplamiento de los dos AA para formar el dipéptido

protegido: DCC

• Eliminación de los grupos protectores: HF anhidro

Determinación de la estructura

de un péptido

• Ruptura de enlaces disulfuro

(ác peroxifórmico) ) → ácido

cisteico

• Enlaces disulfuro.- segundo

tipo de enlaces covalentes en

los péptidos

– Formar cadenas dobles ó

anillos

– Los dos grupos -SH de la

cisteína se oxidan para formar

un puente disulfuro. Este

dímero de la cisteína se

denomina cistina


de un péptido

• Determinación de la

composición de aminoácidos

– Hidrólisis completa: calentamiento

con HCl 6M x 24h

– La mezcla de aa se coloca en un

analizador de aa (los aa se

disuelven en un buffer y luego se

separan pasándolos por una

columna de intercambio iónico). El

tiempo de retención es

característico de cada aa.

• Determinación de la secuencia

del péptido. Análisis de los

residuos terminales


de un péptido • Determinación de la secuencia del péptido. Análisis de los

residuos terminales

– Hidrolizar sólo un aa de la cadena y dejar intacto el resto

– A partir del extremo N: • Degradación de Edman (isotiocianato de fenilo)

http://en.wikipedia.org/wiki/File:EdmanDegradation.png



residuos terminales

– Hidrolizar sólo un aa de la cadena y dejar intacto el resto

– A partir del extremo N: • Degradación de Edman (isotiocianato de fenilo)



residuos terminales

– A partir del extremo N: • Método de Sanger (2,4- dinitro fluorobenceno)


de un péptido

• Determinación de la secuencia

del péptido. Análisis de los

residuos terminales

– Hidrolizar sólo un aa de la cadena

y dejar intacto el resto

– A partir del extremo C: Enzima

carboxipeptidasa (rompe el enlace

peptídico en el extremo C)


de un péptido

• Ruptura del péptido en

cadenas más cortas

(fragmentos)

– Ácido diluido, 2h

– Enzimas: • tripsina: rompe las cadenas en los

grupos carboxilo de aa básicos: lisina y

arginina

• quimotripsina: rompe las cadenas en

los grupos carboxilo de aromáticos:

fenilalanina, tirosina y triptófano

• BrCN rompe las cadenas en el grupo

carboxilo de la metionina

• Cierto péptido tiene la fórmula

siguiente: Arg, cis, glu, gli2, leu,

fen2, tir, val. Las comas indican

una secuencia desconocida de

aminoácidos y los subíndices

señalan la cantidad de cada

aminoácido por mol de péptido.

• En la hidrólisis parcial, el péptido

produce los siguientes tripéptidos:

val-cis-gli + gli-fen-fen + glu-arg-gli

+ tir-leu-val + gli-glu-arg

• Deduzca la secuencia primaria de

los residuos de aminoácidos en el

péptido desconocido.


de un péptido

Determine la estructura de la hormona estimulante melanocito aislada de

cerdo. Este octadecapeptido, tiene la composicion:

Arg,Asp2,Glu2,Gli2,His,Lis2,Met,Fen,Pro3,Ser,Tir2, y se abrevia como P18

El análisis de los residuos de P18. Produjo:

N-terminal: Asp-Glu-gli

C-terminal Pro-Lis-Asp

El rompimiento con BrCN rompe P18 en un heptapeptido con un residuo N-

terminal Asp-glu-gli y un undecapeptido cuyo análisis C teminal produjo el

tripeptido Pro-lis-Asp. El análisis del residuo N-terminal del undecapeptido

produjo Glu-his-Fen. El rompimiento de P11 con tripsina produce un P6+P4

El análisis N-terminal de estos péptidos produjo

P6: Tir-gli-ser

P4: Glu-his-Fen-Arg

El rompimiento de P18 con quimotripsina produce:

P5: análisis C-teminal Gli-Pro-Tir

P5: N-terminal: Lis-Met-Glu

P6

P2: Arg-tir

Ejercicios

• Se observa que un pentapéptido (P) contiene cada uno de los siguientes

aminoácidos: ala, gli, val, cis, ser. En la hidrólisis parcial, se obtienen los

siguientes fragmentos: gli-val, cis-ser, val-cis. La reacción del péptido con el 2,4-

dinitrofluorobenceno (en condiciones levemente básicas), seguida por la hidrólisis

completa produce un ala marcado con 2,4-DNP, el 2,4-DNP –ala. Dibuje la

estructura primaria completa del pentapéptido

• El heptapéptido (H) se analiza para dilucidar su estructura y se hacen las

observaciones siguientes:

- La hidrólisis ácida completa de (H) produce los siguientes aminoácidos por mol de

(H); asp2, his2, gli, ser y val.

- El tratamiento de (H) con el 2,4,-dinitrofluorobenceno (DNFB) seguido por la

hidrólisis completa produce la 2,4-DNP-asp.

- El tratamiento de (H) con una carboxipeptidasa produce el ácido áspartico (asp) y

un hexapéptido.

- La hidrólisis parcial de (H) da val-his-gli, his-gli-his, asp-ser-val como algunos

productos tripéptidos, ¿Cuál es la secuencia de aminoácidos en el heptapéptido

(H)?.

PROTEÍNAS

PROTEINAS

• Polímeros lineales de aminoácidos

– Clasificación:

• Según su composición:

– Proteínas Simples: Por hidrolisis, producen solamente

AA

– Proteínas Conjugadas: Por hidrolisis, producen AA y

además una serie de compuestos orgánicos e

inorgánicos llamados : Grupo Prostético y según este se

clasifican en:

» Nucleoproteínas (Ac. Nucleíco): Ribosomas, virus

» Lipoproteínas (lípido): LDL, HDL

» Metaloproteínas (Metal): Citocromos, hemoglobina

» Fosfoproteínas (Fosfato): Caseina, Vitelina

» Glucoproteínas (Glucosa): Interferón, γ-globulina

PROTEINAS – Clasificación:

• Según su conformación, las proteínas se clasifican

en:

– Proteínas Fibrosas: Las cadenas polipeptídicas se

ordenan de modo paralelo a lo largo de un eje formando

estructuras compactas ( fibras o láminas).

Son materiales físicamente resistentes e insolubles en

agua y soluciones salinas diluídas.

– Proteínas Globulares : Están constituídas por cadenas

polipeptídicas plegadas estrechamente, de modo que

adoptan formas esféricas o globulares compactas.

Son solubles en sistemas acuosos, su función dentro de

la célula es móvil y dinámica. Ej : (enzimas, anticuerpos,

hormonas)

– Existen proteínas que se encuentra entre las fibrosas por

sus largas estructuras y las globulares por su solubilidad

en las soluciones salinas. Ej : (miosina,fibrinógeno).

NIVELES DE ESTRUCTURAS

DE PROTEINAS

• ESTRUCTURA PRIMARIA

– Polímeros lineales de aminoácidos: Enlaces

covalentes

• Secuencia de AA

• Puentes disulfuro

ESTRUCTURA SECUNDARIA

• Arreglos ordenados unidos por puentes de Hidrógeno

• Determinada por 3 factores:

– Planaridad regional

– Maximiza el Nº de enlaces peptídicos que forman puentes de H

– Adecuada separación entre los grupos R vecinos para evitar impedimento estérico y repulsión de cargas iguales

Tipos de estructura secundaria • -hélice

– El esqueleto del polipéptido

se enrolla alrededor del eje

de la molécula de proteína • Se estabiliza mediante Puentes de H

cada 4 residuos.

• Debido a la Configuración L de los

AA, la hélice es derecha (rota en

sentido de las agujas del reloj como

si bajara)

• Cada vuelta contiene 3.6 residuos de

AA

• Distancia repetitiva de la hélice es de

5.4 Å

Tipos de estructura secundaria

• Hoja ú hoja plegada

– El esqueleto del polipéptido se extiende en una

estructura en zigzag como una serie de platos.

• Sustituyentes pequeños, 2 a 15 cadenas, 6 residuos x

cadena

• Se estabiliza mediante Puentes de H entre los enlaces

peptídicos vecinos.

• Las cadenas vecinas pueden dirigirse en la misma dirección

Hoja paralela ó en direcciones opuestas Hoja

antiparalela

• Promedio de 7 Å residuos de AA

Fibras musculares

ESTRUCTURA TERCIARIA • Arreglo tridimensional de todos los átomos en

una proteína.

• Mayoría proteínas existen en ambientes acuosos por lo que tienden a doblarse de manera de exponer el máximo número de grupos polares hacia el agua

• Interacciones pueden ocurrir entre grupos péptidos, entre grupos en la cadena y entre péptidos y la cadena

• Enlaces covalentes,

• Atracciones electrostática

• Fuerzas hidrofóbicas.

ESTRUCTURA CUATERNARIA

• Arreglo espacial de las diferentes subunidades de una proteína

• Oligómeros, conformados por más de una cadena de péptidos. – Cadenas individuales = subunidades

– Monómeros, dímeros, trímeros, tetrámeros (hemoglobina)

• Interacciones pueden ocurrir entre grupos péptidos, entre grupos en la cadena y entre péptidos y la cadena, mediante: – Enlaces covalentes

– Atracciones electrostática e hidrofóbicas.

PROPIEDADES DE LAS

PROTEÍNAS

ESPECIFICIDAD

DESNATURALIZACIÓN

• Especificidad

– Cada proteina lleva a cabo una determinada

función y lo realiza porque posee una determinada

estructura primaria y una conformación espacial

propia; un cambio en la estructura de la proteína

puede significar una pérdida de la función.

– No todas las proteinas son iguales en todos los

organismos, La semejanza entre proteínas son un

grado de parentesco entre individuos, por lo que

sirve para la construcción de "árboles

filogenéticos”

• Desnaturalización

– Pérdida de la estructura terciaria, por romperse los

puentes que forman dicha estructura. Todas las

proteínas desnaturalizadas tienen la misma

conformación, muy abierta y con una interacción

máxima con el disolvente, por lo que una proteína

soluble en agua cuando se desnaturaliza se hace

insoluble en agua y precipita.

• Desnaturalización

– Se puede producir por

• Cambio pH

• Reactivos como úrea, hidroclorhidrato de guanidina

forman puentes de H con los grupos proteicos

• Detergentes (Dodecil sulfato sódico)

• Solventes orgánicos

• Cambios de temperatura ( huevo cocido o frito )

– En algunos casos, si las condiciones se

restablecen, una proteína desnaturalizada puede

volver a su anterior plegamiento o conformación,

proceso que se denomina renaturalización.

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