Peptidos

Material elaborado por F. Agius, O. Borsani, P.Díaz, S. Gonnet, P. Irisarri, F. Milnitsky y J. Monza. Bioquímica. Facultad de Agronomía.

PEPTIDOS Y PROTEINAS

• Los péptidos y las proteínas están formados por aminoácidos Los péptidos y proteínas resultan de la condensación del grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido con el grupo amino (-NH2) de otro, con la eliminación de una molécula de H2O. La condensación de moléculas con pérdida de agua y la ruptura de enlaces por hidrólisis son procesos comunes a todas las biomoléculas. H H2N—CH—C=O N—CH—C=O OH H OH R1 R2 H2O O H2N—CH—C—--N—CH—C=O OH R1 H R2 enlace peptídico El enlace covalente resultante se denomina enlace peptídico y su hidrólisis, es decir la ruptura por incorporación de H2O, libera aminoácidos: los polipéptidos y proteínas son moléculas que por hidrólisis rinden aminoácidos. Estos procesos a nivel biológico son más complejos que lo representado arriba y los detalles los veremos en Síntesis Proteica (condensación de aminoácidos para dar proteínas) y digestión de proteínas (hidrólisis de proteínas que da aminoácidos).

• Las proteínas son macromoléculas En términos promedio las proteínas están formadas por 200-300 aminoácidos y su peso molecular supera los 10.000 dalton: son macromoléculas. Tanto los polipéptidos como las proteínas son cadenas aminoacídicas no ramificadas. La diferencia entre ellos es la masa molecular, relacionada a su vez con la cantidad de aminoácidos y el peso molecular de éstos. Una manera de separar proteínas de otros compuestos de menor tamaño es por un procedimiento llamado diálisis. La diálisis se basa en la particularidad de un tipo de membranas que permiten el pasaje de moléculas pequeñas a través de sus poros, pero no de las macromoléculas. Más información al respecto encontrará en cualquiera de los libros de texto sugeridos en la bibliografía del curso.


• Los péptidos y proteínas tienen residuos -N terminal y -C terminal Cada uno de los elementos de la cadena polipeptídica ya no es un aminoácido, aunque a veces nos refiramos a ellos con ese término, sino un producto de condensación al que se le denomina residuo. Como el enlace peptídico se da entre el grupo carboxilo y amino de los aminoácidos, la cadena polipeptídica tendrá un extremo amino libre, N terminal, (que se representa a la izquierda), y un extremo carboxilo libre, C terminal (que se representa a la derecha). Número de residuo à 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ser – val – val – ala – fen – glu – met – ala - arg Extremos N-terminal C-terminal

1 el 2 al 8 son residuos internos 9

• Polipéptidos y proteínas participan en variadas funciones biológicas

Estas biomoléculas son las que exhiben una mayor diversidad de funciones biológicas, algunas de las cuales se enumeran a continuación: Ø Estructural, integran diferentes estructuras como los "tubos" del citoesqueleto, la

lana, el cuero. Ø Enzimática, todas las enzimas son proteínas y aceleran la velocidad de las

reacciones metabólicas. Ø Movilidad, la actina y la miosina, proteínas del músculo, son responsables del

acortamiento y extensión de estos órganos. Ø Transporte, la hemoglobina de los eritrocitos transporta O2 y parcialmente del CO2.

Otra proteína, la mioglobina, se encarga del transporte de O2 en las células musculares.

Ø Inmune, las inmunoglobulinas o anticuerpos son encargadas del reconocimiento de

otras moléculas (antígenos) y están relaciondas al mantenimiento de la individualidad, dado que reconocen como extrañas a distintas sustancias, por lo general, exógenas.

Ø Hormonas, algunas hormonas son péptidos o proteínas como la insulina y la

somatotropina. Ø Toxinas, muchas sustancias de este tipo son de naturaleza proteica, como la toxina

diftérica, la botulínica, la ricina presente en la semilla de ricino y venenos de ofidios. Ø Receptores de membrana , le permiten a la célula un relacionamiento diferencial con

el medio, dado que no todas las células tienen los mismos. Un ejemplo son los


receptores hormonales, cada hormona tiene un receptor específico y la unión de la hormona a su receptor le da a la célula la señal para iniciar la respuesta metabólica.

Un aspecto que merece ser resaltado es la especificidad de algunas proteínas. Este concepto será visto muchas veces a lo largo del curso a propósito de las enzimas. Sin embargo, hay otras proteínas como los transportadores y receptores de membrana que implican necesariamente procesos específicos.

• La función biológica de los polipéptidos y proteínas está determinada por la secuencia de aminoácidos

La hidrólisis de cualquier proteína libera siempre los 20 aminoácidos. Entre proteínas distintas los aminoácidos varían en la secuencia, número y en el porcentaje en que cada uno de ellos se encuentra. En el caso de los péptidos pequeños, al ser moléculas formadas por pocos aminoácidos pueden no estar representados todos. La unión entre aminoácidos para formar una proteína está dirigida por el ADN, concretamente por una región del ADN denominada gen. Simplificado este concepto, se puede asumir que un gen à una proteina. Para empezar a comprender este proceso, que será motivo de estudio de la Unidad II del curso, podemos analizar la Síntesis Proteica a través del esquema que aparece a continuación. Ribosoma, rARN - A U - - A U - - A U - mARN - T A - U U U A C C G G C - G C - - G C - A A A U G G C C G - C G - - C G - tARN - G C - Fen Tre Gli ADN mARN Enlace peptídico PROTEINA


Estructura de las proteínas

• La estructura primaria de una proteína está dada por la secuencia de aminoácidos

Los aminoácidos pueden unirse entre sí sin restricciones en cuanto a la cantidad de veces que se repiten, para formar proteínas. La secuencia y número de aminoácidos, unidos entre sí por enlace peptídico, constituyen el nivel elemental de su estructura: la estructura primaria de una proteína.

Estructura primaria de la insulina

• La estructura tridimensional de las proteínas depende de la secuencia de aminoácidos

Las proteínas adquieren una conformación espacial que depende de las secuencias de sus aminoácidos. Una determinada secuencia aminoacídica se ordenará espontáneamente siempre igual porque los – R que interactúan son los mismos y están a la misma distancia. Así, las moléculas se ordenarán espacialmente siempre de la misma forma, a un determinado pH y temperatura, entre otros factores. De esta forma, en un medio acuoso, los -R apolares de los aminoácidos tenderán a orientarse hacia el interior de la molécula para interactuar con otros grupos apolares y evitar el contacto con el agua. Los -R polares, por el contrario, se situarán hacia la parte externa de la molécula e interaccionarán con el agua. La flexibilidad de la cadena aminoacídica permite que grupos -R alejados en la estructura primaria se encuentren próximos cuando la molécula se pliega. En su estado nativo las proteínas se encuentran plegadas según patrones tridimensionales específicos que se denominan conformación, determinada por la secuencia de aminoácidos. La conformación de una proteína, resulta principalmente de un conjunto de interacciones no covalentes entre los -R de los aminoácidos y de ellos con el medio acuoso en que se encuentran. Del plegamiento de la proteína resulta la conformación con menor energía, es decir la forma más estable.


• Estructura secundaria: proteínas fibrilares La estructura secundaria, plegamiento inicial de las proteínas, incluye dos ordenamientos espaciales básicos, la á-hélice y la lámina plegada o â-hélice. En estos ordenamientos los puentes de hidrógeno, interacciones no covalentes entre grupos >N-H y >C=O de grupos adyacentes, estabilizan la molécula. >NH ||||||||| OC-

• á-hélice. La disposición espacial á -hélice dextrógira (el giro es a la derecha cuando se observa a la cadena desde el amino terminal) la presentan proteínas como la á-queratinas, el pelo, la lana, la sustancia córnea de los cuernos y las pezuñas.


Lámina plegada o â-hélice. Las proteínas fibrosas como la seda, tienen ordenamiento â. La figura muestra esta disposición que, según la dirección de las cadenas, puede ser paralela o antiparalela. Las hélices á y hojas â adoptan ordenamientos lineales, por eso a las proteínas con este predominio se denominan fibrilares.

Lámina plegada antiparalela

• Estructura terciaria: proteínas globulares La estructura terciaria corresponde al ordenamiento tridimensional de la molécula plegada, es decir con regiones con estructura secundaria. De esta forma, las proteínas con estructura terciaria o cuaternaria incluyen amplias regiones bajo forma secundaria. pero presentan además otras interacciones (fuerzas estabilizadoras). Vea los esquemas que aparecen a continuación.


Proteínas con estructura terciaria en las que se señalan las regiones bajo estructura secundaria. Entre las fuerzas estabilizadoras de la estructura terciaria se encuentran: • Interacciones hidrofóbicas entre -R apolares, los –R hidrofóbicos se orientan hacia

el interior de la molécula, dado que hacia el exterior de la misma se encuentra el medio acuoso.

• Interacciones electrostáticas, se dan entre residuos cargados como el de un -R ácido (- COO-) y el de un -R básico (- +NH3). Las proteínas en general tienen pocas interacciones electrostáticas, por lo que contribuyen poco a su estabilidad.

• Enlaces covalentes, entre dos residuos cisteína de la misma o diferente cadena se pueden formar puentes disulfuro. Estos enlaces se dan una vez que la proteína se ordenó espacialmente y más que participar en el plegamiento parecen estabilizar la estructura después de lograda. No son abundantes en proteínas intracelulares pero si proteínas extracelulares o de membrana celular.

Representación de una proteína con estructura terciaria señalando distintas fuerzas estabilizadoras


Otras interacciones como fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno entre alcohol-ácido e interacciones con metales puede verlas en los textos sugeridos en la Bibliografía.

• Estructura cuaternaria: proteínas oligoméricas Esta categoría incluye algunas moléculas proteicas que interaccionan con otras moléculas de proteicas y producen estructuras complejas y de gran tamaño. Las proteínas con esta estructura se conocen como proteínas oligoméricas y cada subunidad o monómero, corresponde a un oligómero. Un ejemplo de este tipo de proteína es la hemoglobina, proteína formada por cuatro oligómeros, dos cadenas á y dos â: es un tetrámero á2 â2. Esto quiere decir que la proteína está formada por 4 cadenas, 2 cadenas á iguales entre si y 2 cadenas â iguales entre sí. Cada molécula se une a un hemo, según se muestra en la figura.

Las proteínas ribosómicas, algunas proteínas de membrana celular y muchas enzimas son ejemplos de estructuras cuaternarias, en las que monómeros se ensamblan entre si. Recuerde que:

• El ordenamiento espacial de una proteína es consecuencia de su plegamiento. • El plegamiento surge como resultado de las interacciones entre los -R. • Las proteínas con distinta secuencia se plegarán distinto y las que tienen igual

secuencia lo harán siempre de la misma forma, si las condiciones de temperatura, pH y fuerza iónica son las mismas.

• La estructura primaria corresponde a la secuencia de aminoácidos sin ordenamiento espacial definido.

• La estructura secundaria se estabiliza por puentes H, formando hélices á y láminas â.

• En la estructura terciaria las moléculas con regiones helicoidales se pliegan sobre si mismas y se hacen más compactas: adoptan formas globulares. Aparecen interacciones hidrofóbicas, enlaces salinos etc.

• Algunas proteínas que constan de varias cadenas (oligómeros) que se estabilizan por interacciones entre sus -R y se ordenan regularmente tienen estructura cuaternaria.


• Las proteínas se pliegan adoptando la configuración termodinámicamente más estable

Una cadena polipeptídica podría plegarse en un número infinito de configuraciones. Sin embargo, una determinada secuencia siempre adopta la misma configuración, a determinada temperatura, pH y fuerza iónica. Esa configuración, más estable termodinámicamente, se denomina nativa.

• Desnaturalización La configuración nativa de las proteínas puede perderse por acción de agentes químicos y físicos diversos. Esta pérdida de la conformación, o desarreglo espacial de la molécula se conoce como desnaturalización. La acción de ácidos y bases, diferentes metales, solventes orgánicos y temperatura producen disturbios moleculares que no afectan la secuencia de aminoácidos. Sin embargo pueden producir cambios conformacionales tales que las moléculas pueden llegar a la precipitación, por ejemplo el cortado de la leche. Como consecuencia de este desorden espacial las proteínas pierden reversible o irreversiblemente su función biológica. Sólo cuando el tratamiento desnaturalizante es suave, la proteína puede volver a su conformación nativa y adquirir su función nuevamente. Aplicaciones de la desnaturalización de proteínas La esterilización en autoclave, por calentamiento en vapor y a presión, se basa en que los microorganismos mueren al desnaturalizarse sus proteínas: El alcohol empleado como desinfectante es también un eficaz desnaturalizador de proteínas. Los iones de metales pesados como Hg+2 o Pb+2 son venenosos porque reaccionan con los grupos sulfhidrilo de cisteínas presentes en las proteínas. Se forman enlaces entre dos grupos sulfhidrilo con los iones metálicos y así las proteínas se desnaturalizan y pierden su función. Por eso para tratar pacientes intoxicados con metales pesados se les suministra clara de huevo y leche, que tienen proteínas que son desnaturalizadas por los iones metálicos y forman un complejo insoluble que es eliminado por lavado estomacal antes que las enzimas digestivas lo hidrolicen. Este tratamiento no puede aplicarse en casos de plombemia como los registrados recientemente en Montevideo ya que en esos casos el plomo ha pasado a la sangre y se ha combinado con proteínas celulares.

• Proteínas y evolución Los análisis de las proteínas de individuos de distintas especies muestran que cuanto más próximos se encuentren evolutivamente, mayor es la semejanza en la secuencia de aminoácidos. Por análisis de secuencias de una proteína determinada en distintas especies se han construido árboles genealógicos de los distintos grupos. Así, comparando las secuencias de las hemoglobinas de distintos mamíferos, se pueden establecer grados de parentesco más o menos estrechos entre distintas especies. Abajo aparece la secuencia de una proteína (el citocromo c humano). Los –R en rojo son los mismos y están en esa misma posición en el citocromo c de 38 organismos diferentes.


gli-asp-val-glu-lis-gli-lis-lis-ile-fen-ile-met-lis-cis-ser-gln-cis-his-tre-val-glu-lis-gli-gli-lis-his-lis-tre-gli-pro-asn-leu-his-gli-leu-fen-gli-arg-lis-tre-gli-gln-ala-pro- gli- tir-ser-tir-tre-ala-ala-asn-lis-asn-lis-gli-ile-ile-trp-gli-lis-asp-tre-leu-met-glu-tir-leu-glu-tir-pro-lis-lis-tir-ile-pro-gli-tre-lis-met-ile-fen-val-gli-ile-lis-lis-lis-glu-glu-arg-ala-asp-leu-ile-ala-tir-leu-lis-lis-ala-tre-tir-glu

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