aminoácidos y proteínas113

Aminoácidos y Aminoácidos y Proteínas Proteínas Aminoácidos y Aminoácidos y Proteínas Proteínas

Dra. Janeth Salgado Bioquímica MedicinaFCM-UNAH

2Aminoácidos y Proteínas

α-AMINOÁCIDOS (aa): estructura

Unidad estructural básica de las proteínas

El grupo amino esta unido al C- α , el C contiguo al grupo carboxilo.

Al C- α también esta unido un H y una cadena lateral R

Se han descrito mas de 100 aa pero solo 20 de ellos participan en la síntesis de proteínas.(están codificados en los genes)

AMINOÁCIDOS: estructura

Los aa difieren entre si por el grupo R (grupo sustitutivo).

R: adjudican diferentes propiedades a cada uno de los aa y determinan su función biológica.

AMINOÁCIDOS: estructura

A pH fisiológico el pKa de los grupos amino y carboxilo de los aa es aproximadamente 2 y 10 respectivamente.

El grupo –COOH pierde un protón y el grupo amino capta u protón para dar la forma Zwitterion.(in vivo)

Estructura de los aminoácidos

Por su estructura, los aa se ionizan en solución acuosa de manera que pueden funcionar como ácidos y como bases (anfoliticos).

Los aa que poseen un g. amino y un g. carboxilo (Gly, Leu, Ile) se convierten en iones dipolares (Zwitteriones).

Estos iones en slns acuosas son eléctricamente neutros y no emigran ni se someten a campos eléctricos.

La ionizacion de un aa depende del pH de la solución.

Punto isolectrico: pH en el cual la molécula no tiene carga neta

Estereoquímica de los aa

Se presentan en dos formas isomericas, imágenes especulares no superponibles.

Los isomeros de la serie L poseen el grupo alfa amino a la izquierda.

Los aa que se encuentran en las proteínas son de la serie L y tienen mayor participación metabólica celular.

Los aa de la serie D participan en las paredes celulares bacterianas.

Todos los aa excepto la Gly pueden existir en las formas D y L.

Nomenclatura de los aa

Alanina Ala A

Arginina+ Arg R

Asparragina Asn N

Ac. Aspartico

Cisteina Cys C

Glutamina Gln Q

Ac. glutamico

Glicina Gly G

Histidina + His H

Isoleucina* Ile I

Leucina * Leu L

Lisina* Lys K

Metionina* Met M

Fenilalanina* Phe F

Prolina Pro P

Serina Ser S

Treonina* Thr T

Triptofano* Trp W

Tirosina Tyr Y

Valina* Val V

+: Esencial en la niñez

*: Esencial durante toda la vida

Tres letras

Una letra

AMINOÁCIDOS

Clasificación Clasificación

Propiedades químicas de las cadenas laterales

1. Cadenas alifáticas 2. Cadenas con hidroxilo o azufre3. Aromáticos4. Básicos5. Ácidos y sus amidas

Aminoácidos con cadenas laterales alifáticos

El grupo R se extiende más y se hace más hidrófobo. Los aminoácidos hidrófobos se encuentran

normalmente en el interior de las moléculas proteicas.

Aminoácidos con cadenas laterales hidroxilo o azufre

Cadenas laterales son débilmente polares Son en general más hidrófilos que sus análogos

alifáticos La metionina es bastante hidrófoba Puede producirse una oxidación entre pares de

cadenas laterales de cisteína para formar un enlace disulfuro (cistina)

Aminoácidos básicos

Llevan grupos básicos en sus cadenas laterales.

Existen a valores de pH próximos a la neutralidad

La histidina es el menos básico de los tres

Son muy polares Suelen hallarse normalmente

en las superficies exteriores de las proteínas Histidina

Lisina

Arginina

Aminoácidos ácidos y sus amidas

Son los únicos aminoácidos que llevan cargas negativas a pH 7. Están acompañados por sus amidas, la asparagina y la glutamina.- Tienen cadenas laterales sin carga, aunque son claramente polares,

también son hidrófilos y tienden a encontrarse en la superficie de las moléculas de proteína, en contacto con el agua.

Aminoácidos aromáticos

Presentan cadenas laterales aromáticas. La fenilalanina junto con los aa alifáticos (val, leu, ile),

es uno de los aa más hidrófobos. La tirosina y el triptófano también presentan un

carácter ligeramente hidrófobo

Aminoácidos modificados

Algunos aa son modificados (cadenas laterales) postranscripción.Por ejemplo:- Fosfoserina (síntesis de serina a partir de 3-fosfoglicerato)- 4-hidroxiprolina: colágeno - δ-Hidroxilisina: colágeno - Acido γ-carboxiglutámico: estructura de la osteocalcina (10-25% prot

no colágena del hueso ) dependiente de Vit K

FORMACION DE PEPTIDOS Y POLIPEPTIDOS

Los aa se unen o polimerizan por medio de enlaces peptídicos: la unión química entre el grupo α-carboxil de un aa con el grupo α-amino de otro aa, con la liberación de una molécula de agua.

La rx + importante de los aa es la formación de un enlace peptídico ya que este enlace carece de carga a cualquier pH de interés fisiológico.

Es un enlace covalente por formación de un enlace amida

Enlace peptídico y formación de péptidos

DIPEPTIDO

PEPTIDOS Y POLIPÉPTIDOS

Las cadenas que contienen unos pocos residuos de aa se denominan oligopéptidos:

- 2 aa dipéptido- 3 aa tripeptido… Si la cadena es muy larga se llama polipéptido.Grupo amino que no ha reaccionado en un extremo (amino

terminal o N-terminal)Grupo carboxilo sin reaccionar en el otro extremo

(carboxilo terminal o C-terminal)

Enlace peptídico y formación de péptidos

Cada vez que se añade un aa a la cadena, debe eliminarse una molécula de agua.

TETRAPEPTIDO

Estabilidad y formación del enlace peptídico

En un entorno acuoso este proceso no esta favorecido termodinámicamente.

El enlace peptídico es metaestable.Las proteínas se hidrolizan en disolución acuosa cuando

esta presente un catalizadorLa formación del enlace peptídico precisa el acoplamiento

de la reacción de síntesis con la hidrólisis de compuestos de fosfato de energía elevada (ATP). (activación de los aa)

Actividad biológica: Péptidos

1. Péptidos vasoactivos: angiotensina II, bradicinina, calidina

2. Hormonas: oxitocina, vasopresina, somatostatina, TRH, GRH, ACTH, insulina, glucagón, gastrina, secretina, colecistoquinina, VIP (péptido intestinal vasoactivo)

3. Neurotransmisores: encefalinas, sustancia P

PROTEINAS: polipéptidos de secuencia definida

Cada proteínas tiene un orden definido de residuos de aa.Son polipéptidos largos: Mb humana tiene 153 aa.Hay proteínas que son similares pero NO idénticas Las proteínas evolucionan, lo hacen mediante cambios

conservadores y no conservadores:- Conservadores: conservan la naturaleza de la cadena

lateral. Por ejem Asp por Glu- No conservadores: pueden tener consecuencias graves.

Ejm Asp por Ala

PROTEÍNAS

Contracción Muscular

Actina y miosina

Transportadores de

Sustancias Hb

Componentes de

esqueleto intracelular

Respuesta Inmunitaria

Coagulación sanguínea

Componentes Estructurales

Colágeno tela de arana

Catalizadores de rxs qqEnzimas

HormonasInsulina

FUNCIONES

Clasificación de las proteínas

Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas:

1. Proteínas simples: formadas exclusivamente por a-aminoácidos, como es el caso de la ubiquitina, una proteasa intracelular formada por 53 AA.

2. Proteínas conjugadas: que contienen además de la cadena polipeptídica un componente no aminoacídico llamado grupo prostético, que puede ser un azúcar, un lípido, un ácido nucleico o simplemente un ión inorgánico.

La proteína en ausencia de su grupo prostético no es funcional, y se llama apoproteína.

La proteína unida a su grupo prostético es funcional, y se llama holoproteína (holoproteína = apoproteína + grupo prostético).

Son proteínas conjugadas la hemoglobina, la mioglobina, los citocromos, etc.

Clasificación

En cuanto a su forma molecular, podemos distinguir:1. Proteínas globulares: la cadena polipeptídica aparece enrollada

sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos esférica y compacta. Ejm: Mioglobina y Hemoglobina

2. Proteínas fibrosas: tienen funciones estructurales. Proteínas de la piel, tejido conjuntivo y el pelo, la seda. Son siempre alargadas Son menos abundantes que las globulares Ejm: queratina, colágeno, elastina, fibroina

Niveles de organización estructural de las proteínas

Estructura 1`(secuencia de aa)

Estructura 2`Plegado de la

cadena polipéptica(local)

Estructura 4Asociación de varias cadenas polipeptídicas

Estructura 3`Nivel de plegado superior

(global)

Estructura primaria

Acomodamiento de las cadenas de aa (orden secuencial de aa), estabilizado por enlaces peptídicos, puentes disulfuros (cisteína). Al alterar este orden también se altera el tipo, las propiedades de la proteína.

Esta determinada por un gen concreto. Ejm: Insulina, vasopresina, colecistoquinina, gastrina, secretina (Hh

del sistema digestivo)

Estructura secundaria

Se encuentran con > frecuencia son la hélice α, la lamina β y la hélice 310

Estructura 2º Son rearreglos especiales originados por el

establecimiento de puentes de H entre los grupos q conforman los enlaces peptídicos de los aa cercanos.

alfa hélice: es un ordenamiento helicoidal en el que el g. R de los aa se orienta hacia el exterior de la hélice.

- Se estabiliza por la formación de puentes de H entre los componentes del enlace peptídico de aa cercanos en la estruct 1 de la proteína.

- Ejm: proteínas fibrosas: colágeno, alfa queratina.

β laminar:- El esqueleto se ordena en forma de zigzag.- Los grupos R de aa se orientan en direcciones

opuestas con un patrón alternante y hacia afuera - se estabiliza por puentes de H.- Los aa no tienen que estar próximos en la

estructura 1- Típica de proteínas fibrosas: fibroina (seda)

ESTRUCTURA TERCIARIA

Las proteínas globulares no solo poseen estructuras 2` sino que, además, también se pliegan formando estructuras terciarias compactas.

Es una modificación en el espacio. Es el plegamiento tridimensional

total de la cadena de una proteína. Se forma una proteína tridimensional Esta conformación facilita la

solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. Ejm: mioglobina

Esta conformación se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces:

Los puentes de hidrógenoInteracciones de Van der WaalsLos puentes eléctricos entre aa de carga diferente

llamados también “atracciones electrostáticas”Las interacciones hidrófobas formación de un núcleo

hidrofobico o interface hidrofobico El puente disulfuro

Estructuras de las proteínas globulares

La mayoría de las proteínas están formadas por mas de un dominio;

Dominio: región compacta, plegada localmente, de la estructura 3`.

Los principales patrones de plegado:

1. Los producidos alrededor de un empaquetamiento de hélices alfa

2. Los construidos sobre un entramado de estructuras laminas beta

Estructura 4º

Es el nivel mas complejo de organización.

Se refiere a interacciones no covalentes que unen varias cadenas polipeptidicas en una sola molécula. Ejm: la hemoglobina q tiene 4 cadenas.

Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de subunidades.

El número de subunidades (cadenas) varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades proteicas.

Niveles de estructura proteica

Estructura cuaternaria Homotípicas: asociación

de cadenas polipeptídicas idénticas o casi idénticas

Heterotipicas: interacciones entre subunidades con estructuras muy distintas

Propiedades

Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija

La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: 1. Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la

viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión 2. Una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos

del interior aparecen en la superficie 3. Pérdida de las propiedades biológicas

ESTADO NATIVO

ESTADO DESNATURALIZADO

DESNATURALIZACION

Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes, disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica).

Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en:

(1) la polaridad del disolvente (2) la fuerza iónica(3) el pH(4) la temperatura

ENZIMAS: catalizadores

biológicos ENZIMAS: catalizadores

biológicos CATÁLISIS Y CONTROL DE LAS REACCIONES BIOQUIMICAS

ENZIMAS

1. Conceptos generales 2. Clasificación 3. Cinética enzimática 4. Inhibición enzimática 5. Enzimas alostéricas 6. Catálisis enzimática 7. Efectos de la temperatura, pH, cofactores8. Regulación enzimática

Conceptos generales

Son catalizadores típicos: acelerar la velocidad de una rx sin ser consumidas en el proceso

Son estructuralmente reciclables Incrementan las velocidades de rx en un orden de 108 a 1014 veces. Son catalizadores biológicos Algunas requieren cofactores o grupos prostéticos La actividad enzimática es regulable Con excepción de un pequeño grupo de moléculas de ARN, todas

las enzimas son proteínas.

Conceptos generales

Algunas poseen isoenzimas, enzimas que catalizan la misma reacción pero presentan diferencias en 1 o más aminoácidos de su estructura primaria.

En una reacción catalizada por un enzima:La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato. El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada

centro activo. Una vez formados los productos la enzima puede comenzar

un nuevo ciclo de reacción

ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS

Especificidad óptica: actúan sobre un determinado isómero. Ejem: serie L (aa) o serie D (CH)

Especificidad de grupo: algunas actúan sobre un grupo determinado de moléculas. Ejem: enzimas que digieren las proteínas.

Clasificación

En función de su acción catalítica específica, los enzimas se clasifican en 6 grandes grupos o clases:

Clase 1: OXIDORREDUCTASAS Clase 2: TRANSFERASAS Clase 3: HIDROLASAS Clase 4: LIASAS Clase 5: ISOMERASAS Clase 6: LIGASAS

Clase 1: OXIDORREDUCTASAS

Reacciones de oxidación- reducción . Ejm: oxidasas, deshidrogenasas, reductasas, peroxidasas

Clase 2: TRANSFERASAS

Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro. Ejm: transcarboxilasas, transmetilasas, transamilasas

Clase 3: HIDROLASAS

Catalizan las reacciones de hidrólisis: (rupturas hidroliticas. Ejm peptidasas, fosfatasas, estearasas.

lactosa + agua ↔ glucosa + galactosa

Clase 4: LIASAS

Formación de dobles enlaces por eliminación de un grupo qq o adición de grupos a dobles enlaces. Ejem: aldehido liasas, descarboxilasas, deshidratasas, desaminasas, sintasas

Clase 5: ISOMERASAS

Catalizan la interconversión de isómeros: rearreglos de átomos dentro de una molécula. Son ejemplos la fosfotriosa isomerasa, fosfoglucosa isomerasa, epimerasas, mutasas

Clase 6: LIGASAS

Reacciones en las que se unen dos moléculas Formación de enlaces qq, utilizando ATP u otros

nucleótidos como fuente de energía. Ejem: polimerasas, sintetasas

NOMENCLATURA

Sitio o centro activo de una enzima

Lugar de la estructura proteica donde se da la interacción con el sustrato (3 lugares).

Es una estructura dinámica y transitoria. Hay dos modelos sobre la forma en que el

sustrato se une al centro activo de la enzima:1. Modelo llave – cerradura2. Modelo del ajuste inducido

Modelo llave cerradura

Propuesto por el bioqq alemán E. Fisher 1884

Plantea una interacción relativamente rígida entre los 2 componentes.

La enzima permanece sin transformaciones estructurales ni funcionales

Supone que la estructura del sustrato y la del sitio activo son complementarias

Modelo del ajuste inducido

Propuesto por D. Koschland en 1958 La enzima sufre un cambio conformacional

(al interactuar con el S) que permite una relación mas estrecha entre ambos

Es el mas aceptado actualmente Cuando se logra la interacción E-S en por lo

menos 3 puntos se ve favorecida la rx La E y el S sufren cambios conformacionales Al final de la rx la E recupera su estructura

original

MODO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS: conceptos importantes

Energía libre de Gibbs (ΔG): cantidad de energia capaz de realizar un trabajo durante una reaccion a T` y P` cte.

Energía de activación (Ea): barrera energética por encima de la cual una molécula de un producto intermedio debe pasar para que se lleve a cabo una reacción.

Estado de transición: es un estado que posee mayor cantidad de E libre que los reactantes y que los productos.

Perfil energético de una reacción espontánea Perfil energético de una reacción catalizada

La acción de los catalizadores consiste en disminuir la Ea Las enzimas disminuyen la Ea aun mas que los catalizadores

inorganicos. La actuación de la enzima permite:1. Que los sustratos se unan a su centro activo con una orientación óptima

para que la reacción se produzca.2. Modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo,

debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos

CINETICA ENZIMATICA CINETICA ENZIMATICA

CINETICA ENZIMATICA

Estudio cuantitativo de la catálisis enzimática Velocidad de reacción: cambio en la concentración de

sustratos o productos por unidad de tiempo.Las enzimas son catalizadores biológicos

Cinética enzimática: orden de la reacción

Los principios generales de las reacciones químicas se aplican también a las reacciones enzimáticas

En una reacción de primer orden la velocidad de formación de los productos es directamente proporcional a la concentración del sustrato.

Una reacción de segundo orden es aquella en la que la velocidad de formación del producto depende:

1. de la concentración de dos sustratos (como en una reacción de condensación)2. del cuadrado de la concentración de un único sustrato (reacción de dimerización) En una reacción de orden cero, la velocidad de formación del producto es

independiente de la concentración de sustrato.

Cinética enzimática

Teoría general de la acción enzimática: la E se combina con su S para formar el complejo E-S (unión reversible) luego este se rompe: por un lado se libera la E y por el otro se origina el Producto

Factor limitante

Cinética de Michaelis - Menten

El efecto de la [S] en la velocidad de reacción se rige por la siguiente ecuación matemática:

V: vel inicial de la reacción Vmax: vel máxima que puede alcanzar la rx

Km: cte de Michaelis

[S]: concentración de sustrato

Ecuación de Michaelis Menten

Vmax: punto en que no importa la cantidad de S, la velocidad de rx no aumenta mas.

Punto de saturación de la E: corresponde a la cantidad de S donde se alcanzo la Vmax

Km: [S] a la cual se alcanza la mitad de la Vmax

Km: es un parámetro de la afinidad de la enzima por su sustrato.

INHIBICIÓN ENZIMATICA

Medio importante para regular las rutas metabólicas

Tx clínicos se fundamentan en la inhibición enzimática

Permite diseñar técnicas bioquímicas

Clases de inhibidores

Inhibición reversible:1. Competitivos

2. Acompetitivos

3. No competitivos

Inhibición Irreversible: venenos enzimáticos

Inhibidores competitivos

Se unen de forma reversible a la enzima libre para formar complejo EI El S y el I compiten por el mismo lugar en la enzima La actividad de la enzima ↓ El efecto puede invertirse: ↑ la [ S ] Reducen la afinidad de la enzima por el S Tienen una estructura semejante al S

Inhibidores competitivo

Succinato deshidrogenasa

Inhibidores acompetitivos

Se unen al complejo ES La adición de mas S a la rx= ↑ a la velocidad de rx Se observa en las rxs en las que se unen mas de un sustrato

Inhibidores No competitivos

Se unen tanto a la E como al complejo ESSe unen a un sitio diferente del lugar activo de la EModificación de la conformación de la E (impide la

formación del producto)No afectan a la unión del sustratoSe invierte parcialmente= ↑ la [ S ]

Inhibición no competitiva

Inhibición irreversible

Se unen covalentemente a la enzima

Inhibición con metales pesados como Hg y Pb

Anemia por envenenamiento por Pb: unión del Pb a los grupos –SH de la ferroquelatasa (inserción de Fe+2 en el hemo)

Inhibición irreversible

Enzimas alostéricas

Son proteínas con varias subunidades Su actividad es afectada por moléculas efectoras que se unen a

otros lugares alostéricos o reguladores Catalizan pasos reguladores claves de las rutas bioquímicas Representación de la velocidad de rx son sigmoideas

Catálisis

Efectos de proximidad y tensión Efectos electrostáticos Catálisis acidobásicaCatálisis covalente

La actividad optima de la enzima depende de:

Temperatura pHPresencia de cofactores [ S ][ E ]

Efecto de los cofactores

Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren cofactores para su función. Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Cuando el cofactor es una molécula orgánica se llama coenzima. Muchos de estos coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas

Función de los Cofactores

Alterar la estructura tridimensional de la enzima Intervenir como otro sustrato

Efecto de la Tº

Los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas

La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima

Efecto del pH

Según el pH del medio, los grupos R de las enz pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra.

Hay un pH en el cual la conformación

será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado pH óptimo.

La mayoría de los enzimas son muy sensibles a los cambios de pH. (amortiguadores fisiológicos)

Modificación de la [S]

Es la menos compleja. Ocurre al ↑ o ↓ la [S] Bajas [S] es indicador de

disminución de la actividad enzimática

Fig sup: velocidad de rx enzimatica a 6 diferentes [S]

Modificación de la [E]

Es mas compleja: requiere la síntesis de novo de enzimas (inducción enzimática)

La síntesis proteica requiere tiempo y mucha energía Cuando la [S] aumenta por encima de ciertos valores y si aparecen

nuevos sustratos (antes ausentes) se deben sintetizar nuevas enzimas.

La inducción enzimática es estimulada por hormonas (larga duración)

Represión enzimática: disminución de la síntesis de enzimas** de acuerdo a las necesidades celulares

Regulación enzimática

Mantenimiento de un estado ordenado

Conservación de energía

Respuesta a las variaciones ambientales

El control se realiza por:

1. Control genético

2. Modificación covalente

3. Regulación alostérica

4. Activación de zimógenos

Control genético

Inducción enzimática Represión enzimática

Modificación covalente

La actividad enz puede ↑ o ↓ por a adición covalente de un grupo químico a la enzima

Es transitoria y reversible Con mayor frecuencia: g. fosfatos, g. metilo y la adenosina Adición o remoción de g. qq funcionan como mxs de control

Elementos de la reacción

Enzima no fosforilada es inactiva

Enzima fosforilada es activa

Modificación covalente

Activación de zimógenos

Las enz son sintetizadas como moléculas inactivas llamadas zimógenos o proenzimas.

Para activarse, los zimógenos sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos

Si estas enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce

Regulación alostérica Las enz reguladas por

alosterismo existen en dos estados:

1. T o tenso2. L o laxo Hay 2 tipos de reguladores

alostericos:1. Efectores o activadores

alostericos2. Inhibidores alostericos Ciertas sust se unen en

sitios diferentes del sitio activo (sitio alosterico)

Ejm: ATP, NADH, citrato, etc.

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