CINETICA BIOQUÍMICA

Blgo. César A. Zaa

Introducción al estudio de las proteínas

Mulder (1838):

Describe un material presente en todos los seres vivos, con la siguiente composición porcentual en peso:

C: 55 % H: 6.5 % O: 22 % N: 15 % S: 0.5 %

Dado el contenido en azufre (0.5 %) el peso molecular mínimo dedicho material debería ser 32*100/0.5 = 6400

Hoppe-Seyler (1864):

Cristalizó por primera vez una proteína, la hemoglobina

La hemoglobina cristalizada contiene invariablemente un0.35 % de hierro. Aplicando el razonamiento de Mulder, el peso molecular mínimo de la hemoglobina será de

100*55.8/0.35 = 15942 (aprox. 16000)

Posteriormente se ha determinado que en la hemoglobinahay cuatro átomos de hierro; por tanto su peso moleculares de aprox. 64000

Síntesis de péptidos

En las proteínas hay 20 aminoácidos distintos: los llamados aminoácidos proteicos

Hay asimismo muchos otros aminoácidos que no forman parte de proteínas, los aminoácidos no proteicos

Con frecuencia los aminoácidos proteicos aparecen modificados: son las modificaciones postraduccionales

Desoxirribonucleasa Icon su substrato, DNA

H2N C

H

R1

COOH H2N C

H

COOH

R2

H2N C

H

COOH

R3

H2N C

H

R1

CO NH C

H

CO

R2

NH C

H

R3

COOH + 2H2O

Teoría del Enlace Peptídico

Teoría del Enlace Peptídico - Pruebas experimentales

1. Las proteínas nativas tienen relativamente pocos grupos ácido-base titulables. A medida que progresa su hidrólisis, van apareciendo grupos -NH2 y -COOH en cantidad equimolar

2. En hidrolizados parciales se encuentran di- y tripéptidos cuya estructura puede determinarse directamente

3. Las enzimas que hidrolizan proteínas (tripsina, quimotripsina, pepsina, papaína) atacan al enlace -CO-NH-, tal como puede observarse en compuestos sintéticos (p.e. BAPNA)

4. Espectro infrarrojo: banda característica de enlace C-N que desaparece con la hidrólisis de la proteína

Clasificación de las proteínas

I. Según solubilidad (obsoleta): Albúminas, Globulinas, Prolaminas, Gliadinas, Escleroproteínas, etc.

II. Según presencia o no de un grupo prostético: Proteínas simples y Proteínas conjugadas Holoproteína = Apoproteína + Grupo prostético

III. Según presencia o no de subunidades: Proteínas monoméricas y proteínas oligoméricas

IV. Según estructura global: Proteínas fibrosas y proteínas globulares

Proteínas

Constituidas por C, H, O, N y S. Pueden presentar otros elementos como P, Fe, Mg, Cu, ...

Aminoácidos

Péptidos

Oligopéptidos

Polipéptidos

Proteínas.

Aminoácidos Moléculas orgánicas que presentan un radical amino y un radical carboxilo. Existen más de cien en la naturaleza.

Sólo 20 forman parte de casi todas las proteínas, se denominan proteínicos. Son todos α-aminoácidos.

Cα COOHR

NH2

H

Otros aminoácidos pueden presentar interés biológico, porque forman parte de proteínas de microorganismos, porque dan lugar a moléculas fundamentales (tiroxina) o porque sufren modificaciones como metilaciones, fosforilaciones, ... ( β-alanina; forma parte de coenzimas, ácido γ- aminobutírico; neurotransmisor de las sinapsis inhibidoras).

- Los aminoácidos son ácidos carboxílicos que contienen una función amina. En determinadas condiciones el grupo amina de una molécula y el carboxilo de otra reaccionan uniendo ambos aminoácidos mediante un enlace amida.

-Las proteínas son polipéptidos que contienen más de 50 aminoácidos, son polímeros formados por 100-300 aminoácidos.

Stereochemistry of -amino acids

- Se clasifican como α, β, γ, etc. De acuerdo con la localización del grupo amino en la cadena carbonada que contiene el ácido carboxílico.

-Aunque se conocen más de 700 aminoácidos naturales diferentes, hay un grupo de 20 α-aminoácidos que se encuentran normalmente presentes en las proteínas. Todos ellos, excepto la prolina, responden a la misma estructura general:

Prolina

Clasificación de los aminoácidos

CO2

NH3

CO2H3N

CO2H3N

Ácido 1-aminociclopropanocarboxílico: es un α-aminoácido y es el precursor biológico del etileno en la plantas.

Ácido 3-aminopropanoico: conocido como β-alanina. Es un β-aminoácido que constituye una de la unidades estructurales de la coenzima A .

Ácido γ-aminobutanoico: Conocido como ácido γ-aminobutírico (GABA). Es un γ-aminoácido y es el principal neurotransmisor inhibitorio cerebral.

H3N CH C

R

O

O

CO2

H2N

The 20 Amino Acids Found in Proteins

Enlace peptídico

La unión de dos o más aminoácidos (AA) mediante enlaces amida origina los péptidos. En los péptidos y en las proteínas, estos enlaces amida reciben el nombre de enlaces peptídicos y son el resultado de la reacción del grupo carboxilo de un AA con el grupo amino de otro, con eliminación de una molécula de agua

El enlace peptídico (-CO-NH-) se representa normalmente como un enlace sencillo. Sin embargo, posee una serie de características que lo aproximan más a un doble enlace. Como el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno, el enlace C-O tiene un 60% de carácter de doble enlace mientras que el enlace C-N tiene un 40%. Por tanto, los enlaces C-O y N-C del enlace peptídico tienen características intermedias entre el enlace sencillo y el enlace doble.

Esta disposición atómica está estabilizada por resonancia, de forma que los seis átomos implicados en la formación del enlace peptídico están contenidos en el mismo plano

Otra consecuencia importante de la resonancia es que incrementa la polaridad del enlace peptídico y se establece un momento dipolar. Por este motivo, cada enlace peptídico puede participar en dos puentes de hidrógeno. En uno de ellos, el grupo -NH- actúa como donador de hidrógeno y en el otro, el grupo -CO- actúa como receptor de hidrógeno. Esta propiedad contribuye notablemente al plegamiento tridimensional de las proteínas

Momento dipolar del enlace peptídico

El carácter parcial de doble enlace impide la libre rotación del enlace que une los átomos de C y N en el enlace peptídico .

Esta rigidez del doble enlace limita las posibilidades conformacionales de los péptidos. Existen dos configuraciones posibles :Configuración cis: los dos C se sitúan del mismo lado del doble enlaceConfiguración trans: los dos C se sitúan a distinto lado del doble enlace

En cada AA, el C puede establecer dos ángulos de torsión con los planos de los dos enlaces peptídicos contiguos: los llamados f (phi)y y (psi):

. el ángulo phi (f) es la rotación en torno al enlace C-N

. el ángulo psi (y) es la rotación en torno al enlace C-C

Como estos son los únicos grados de libertad que presenta la estructura, la conformación de la cadena polipéptídica queda completamente definida cuando se conocen los valores de ”y” y de f para cada AA.

En la estructura de un péptido o de una proteína, cada AA presenta un valor de f y otro de y determinados. Es el tamaño físico de los átomos o grupos de átomos presentes en las cadenas laterales el que determina los posibles valores que pueden adoptar los ángulos phi (f) y psi (y).

- La glicina es el aminoácido más sencillo y es aquiral.

-En los demás -aminoácidos el carbono es un centro estereogénico.

- Las configuraciones se especifican mediante la notación D y L. Todos los aminoácidos que provienen de proteínas tienen configuración L, aunque se conocen α-aminoácidos naturales de la serie D.

Estereoquímica

CO2

H3N H

H

CO2

H3N H

R

CO2

NH3H

RGlicina

(Aquiral)L-aminoácido

(Proyección de Fischer y en perspectiva)

Stereoisomers of -amino acids

All amino acids in proteins are L-amino acids, except for glycine, which is achiral.

- Los aminoácidos son sustancias mucho más polares de lo que uno esperaría de acuerdo con su fórmula molecular. - Las propiedades que presentan, sólidos cristalinos solubles en agua, se atribuyen al hecho de que la forma estable es un zwitterión o sal interna.

- Los aminoácidos son anfóteros, contienen un grupo ácido y uno básico.

Propiedades

Formas zwitteriónicas de un aminoácido

H3N CH C

R

O

O

H2N CH C

R

OH

O

H3N CH C

R

O

O

H2N CH C

R

O

O

H3N CH C

R

OH

O-H+

+H+-H+

+H+

Especie presente en medio ácido

Especie presente en medio básico

ZwitteriónEspecie presente en medio neutro

Curva de valoración de la glicina. - Valores de pH menores que pKa1: la especie a es la mayoritaria. - Valores entre pKa1 y pKa :la principal especie es el zwitterión (b). La concentración del zwitterión es máxima en el punto isoeléctrico pI.- Valores superiores a pKa2: la especie c es la presente en mayor concentración.

a b c

Propiedades

H3N CH C

R

O

O

H2N CH C

R

O

O

H3N CH C

R

OH

O-H+

+H+-H+

+H+

Proteínas. Propiedades I

Solubilidad: solubles en agua donde forman dispersiones coloidales. En la estructura, los aminoácidos hidrófilos se encuentran al exterior y los hidrófobos al interior. Hay excepciones.

Las proteínas fibrosas suelen ser insolubles.

Punto isoeléctrico: el valor del pH para el cual las cargas positivas y negativas de los radicales de los aminoácidos están compensados. En este valor las proteínas son insolubles, por lo que el pH fisiológico debe ser diferente.

Poder amortiguador o tampón: debido a su carácter anfótero regulan el pH del medio

Proteínas. Propiedades II

Proteínas. Estructura 1aria

Proteínas. Estructura 2aria. α-hélice

ESTRUCTURA SECUNDARIA EN PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS

- La estructura secundaria de un péptido consiste en la relación conformacional del aminoácido vecino más cercano con respecto a otro.

- L. Pauling y R. B. Corey establecieron que ciertas conformaciones peptídicas eran más estables que otras.

- Dos disposiciones especialmente estables son: la hélice α y la hoja plegada β.

- Ambas conformaciones se basan en:

- La geometría del enlace peptídico es plana y la cadena principal se dispone en conformación anti.

- Se pueden formar enlaces de hidrógeno cuando el grupo N-H de un residuo y el grupo C=O de otro se encuentran próximos en el espacio. Aquellas conformaciones que maximizan el número de estos enlaces se encuentran particularmente estabilizadas.

Estructura de péptidos y proteínas

Proteínas. Estructura 2aria. Lámina β

Hoja plegada β o lámina βEn esta disposición los aminoácidos forman una cadena en forma de zigzag, mediante la formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos N-H y los C=O de cadenas adyacentes antiparalelas. Ej: fibroína de la seda.

Hélice αSe forma al enrollarse la estructura primaria helicoidalmente sobre sí misma. Se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el -C=O de un aminoácido y el -NH- del cuarto aminoácido que le sigue. Ej: queratina del pelo, cuernos, uñas, lana.

Proteínas. Estructura 3aria

ESTRUCTURA TERCIARIA EN PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS

- La estructura terciaria de una proteína consiste en el plegamiento de la cadena. La forma en que se pliega la cadena afecta tanto a sus propiedades físicas como a su función biológica.- Las proteínas estructurales, tales como las presentes en la piel, el pelo, los tendones, la lana o la seda, pueden tener una estructura secundaria tanto de hélice como de hoja plegada β, pero en general tienen una forma alargada de longitud varias veces el diámetro de la cadena. Se denominan proteínas fibrosas y tienden a no ser solubles en agua.- Otras proteínas, incluyendo la mayoría de los enzimas, operan en agua. Éstas se denominan globulares y tienen una forma más o menos esférica:

Mioglobina

ESTRUCTURA CUATERNARIA DE LAS PROTEÍNAS: HEMOGLOBINA

- Algunas proteínas están formadas por ensamblaje de dos o más cadenas. La forma en que estas subunidades se encuentran organizadas se denomina estructura cuaternaria.- La hemoglobina es una proteína de la sangre encargada del transporte de oxígeno, uniéndose a éste y transportándolo hasta los músculos donde se almacena en la mioblobina. La hemoglobina se une a oxígeno de la misma forma que la mioglobina, a través del grupo hemo, pero es mucho más grande que ésta. La hemoglobina es un ensamblaje de cuatro grupos hemo y cuatro cadenas protéicas, dos llamadas α y dos β.- Algunas sustancias, por ejemplo CO, mucho más fuertemente al Fe que el oxígeno por lo que interfieren con el transporte y almacenamiento de oxígeno pudiendo provocar resultados letales. hemoglobin protease,

Escherichia coli(http://www.pdb.org/) DOI:10.1074/jbc.M412885200

Non-covalent Bonds in Proteins

Globular Proteins

• The side chains will help determine the conformation in an aqueous solution

Oligopéptidos Moléculas formadas por un número de aminoácidos inferior a 100.

Oligopéptidos con actividad biológica:•Algunas vitaminas del grupo B: ácido pantoténico y ácido fólico.•Hormonas: adrenocorticotropa (ACTH), melanotropa (MSH), insulina y glucagón, gastrina y secretina y angiotensina.•Neuropéptidos: encefalinas•Antibióticos: alcaloides

Proteínas. Clasificación IHoloproteínas o proteínas simples (sólo contienen aminoácidos) :

Globulares: solubles( ) e insolubles ( ) •Globulinas: inmunoglobulinas, seroglobulina, lactoglobulina,...•Albúminas: ovoalbúmina, lactoalbúmina,...•Histonas: forman la cromatina•Protaminas: unidas al ADN en espermatozoides•Gluteninas: en semillas.

Fibrilares o escleroproteínas:•Colágeno: tejidos conectivos•Queratinas: estructuras dérmicas(pelo, uñas,...)•Elastinas: fibras musculares (actina y miosina)•Fibrinógeno: coagulación sanguínea

Proteínas. Clasificación IIHeteroproteínas o proteínas conjugadas: formadas por una parte proteica (grupo proteico) y otra no proteica (grupo prostético). Se clasifican según la naturaleza del grupo prostético.

•Fosfoproteínas: algunos aá. están fosforilados (caseína de la leche)•Cromoproteínas: llevan unido un pigmento

Porfirínico: con el grupo porfirínico (hemoglobina, citocromos)

no porfirínico: con un ion metálico como Cu (hemocianinas)•Glucoproteínas: con un oligosacárido como la mucina de la saliva•Lipoproteínas: con un lípido como el transporte de colesterol•Nucleoproteínas: con ácidos nucleicos como ribosomas o cromatina