PROTEINAS

PARTE II

Propiedades de las proteínas …

4. Hidrólisis

• Las uniones peptídicas de las proteínas son hidrolizadas en presencia de ácidos fuerte, bases fuerte y ciertas enzimas.

Ejemplo:

•Cuando se calienta una solución proteica durante varias horas en una solución de HCl 6N, las proteínas se hidrolizan en sus Aa constitutivos.

•También se obtiene una hidrólisis total hirviendo la solución en NaOH 5N.

•Las enzimas proteolíticas catalizan la ruptura de la unión peptídica, cada enzima proteolítica posee su propia especificidad, es decir, ataca preferentemente ciertos tipos de uniones peptídicas.

• La hidrólisis parcial de las proteínas produce cadenas cortas de péptidos, que contiene unos pocos residuos de Aa.

Hidrólisis …

• En la naturaleza pueden hallarse gran cantidad de péptidos simples.El glutatión es una proteína pequeña, formada por tres aminoácidos: cisteína, ácido glutámico y glicina. Se produce en forma natural en las células animales y lo podemos obtener de la dieta diaria en alimentos tales como frutas y vegetales frescos o congelados, pescados, carnes, espárragos.

5. Oxidación – Reducción

Los grupos más sensibles a la oxidación en una proteína son los grupo SH de la cisteína.

Aun en presencia de agentes oxidantes suaves, se produce la siguiente reacción entre dos grupos sulfhidrilos:

La reacción es reversible y la unión disulfuro es destruida por los agentes reductores.

La formación de uniones disulfuro a partir de dos grupos sulfhidrilo de la misma molécula o de moléculas distintas (entrecruzamiento), aumenta la rigidez de la proteína.

6. Propiedades coloidales y superficiales

•Las proteínas con pesos moleculares entre 104 y 106, caen dentro del rango de proteínas coloidales.

•Las moléculas de proteínas en solución pueden asociarse y formar agregados o micelas.

•Las proteínas globulares absorben agua

y aumentan de tamaño considerablemente.

•El sitio principal de adsorción de agua es

la unión peptídica.

•Debido al carácter ánfotero de las proteínas, la carga electrostática de las partículas coloidales en los soles proteicos depende del pH.Las soluciones de proteínas, particularmente las albúminas, tienden a formar mucha espuma.

La formación de espuma en la

clara de huevo.

En principio todas las proteínas constituyentes de la clara de huevo se encuentran en disolución coloidal en la matriz acuosa gracias a su estructura globular.

Aunque son largas cadenas de aminoácidos con elevado peso molecular (macromoléculas) y muchos de los aminoácidos que las constituyen son apolares e hidrófobos, su peculiar conformación en ovillo hace que los tramos no hidrosolubles de la molécula queden hacia su interior, presentándose hacia la parte externa una superficie completamente compatible con la disolución acuosa.

•En vista de que son cadenas largas, capaces de formar uniones de hidrógeno y de hidratarse, las proteínas pueden formar geles estables, siempre y cuando las cadenas se expandan y la unión entre distintas cadenas sea posible.

•Las moléculas proteicas poseen grupos laterales hidrofóbicos, así como centros hidrofílicos, en consecuencia las proteínas actúan como estabilizadores de emulsiones de agua y grasa.

7. Características organolépticas

•Las proteínas puras generalmente carecen de color, sabor y olor.

•Cuando los alimentos ricos en proteínas sufren descomposición, se generan olores pútridos.

Estos se deben a productos de descomposición de bajo peso molecular que contienen nitrógeno, azufre o ambos.

Los grupos sulfhidrilos se desprenden fácilmente de las proteínas formándose SH2 (huevo podrido).

8. Purificación de proteínas

•En la naturaleza, las proteínas se presentan en mezclas heterogéneas.

•La separación de proteínas entre si se logra mediante el empleo de técnicas que aprovechan las diferencias de tamaño moleculares, de forma y de carga.

Estructura de las proteínas

•Los 20 aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas están unidos por enlaces peptídicos.

•La secuencia lineal de los aminoácidos unidos contiene la información necesaria para generar una molécula proteica con una estructura tridimensional particular.

•La complejidad de una estructura proteica se puede analizar de manera sencilla si se toman en cuenta cuatro niveles fundamentales de organización en las macromoléculas, que se denominan: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria:

La cadena polipeptídica que tiene una secuencia determinada de aminoácidos sufre una serie de plegamientos que la capacitan para llevar a cabo su función biológica.

Estos plegamientos proporcionan una complejidad extraordinaria a la estructura de las proteínas.

Estructura Primaria•Cada proteína tiene una estructura primaria específica y distinta a cualquier otra proteína.

•Es la secuencia de los aminoácidos, nos dice qué aminoácidos componen la proteína y el orden en que se encuentran. Una característica de esta estructura es la disposición en zigzag de los radicales R.

El primer aminoácido tiene siempre libre el grupo amino. El último aminoácido siempre tiene libre el grupo carboxilo.

:

•En realidad la estructura primaria constituye una cadena de planos peptídicos articulados.

Estos planos sucesivos pueden tomar distintos ángulos entre sí, y de los C-alfa salen lateralmente los radicales R de cada Aa.

Estructura secundaria

•Organización en el espacio de la cadena polipeptídica estabilizada por enlaces por puentes de hidrógeno entre los elementos C=O y N-H de los enlaces peptídicos .

•Una misma cadena polipeptídica puede adquirir diferentes estructuras secundarias en diferentes segmentos de la misma según los ángulos que forman entre sí los planos peptídicos consecutivos; y esto depende del tipo de Aa que están unidos, es decir de la estructura primaria de ese segmento.

La estructura secundaría puede ser:

- Periódica: los ángulos que forman planos peptídicos  consecutivos se repiten

- Aperiódica: cuando estos ángulos no se repiten

Hay varios tipos de estructura secundaría periódica, los más frecuentes: •Hélice alfa •Hoja plegada o estructura beta

HÉLICE ALFA •Los planos de los sucesivos enlaces peptídicos se disponen formando una hélice dextrógira.

•Hay 3.6 aminoácidos por cada vuelta, y cada vuelta tiene 5.4 angstroms. 

•Todas las cadenas laterales de los Aa se proyectan hacia fuera de la hélice y los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos quedan hacia arriba o hacia abajo, en dirección más o menos paralela al eje de la hélice.

•Esta disposición de los planos peptídicos permite que se formen enlaces por puente de hidrógeno entre un C=O y un N-H cada cuatro aminoácidos. Estos enlaces son paralelos al eje de la hélice.

Estructura primaria

de la proteína

aminoácidos

Estructura secundaria de la proteína

hélice lámina

•Esta estructura está estabilizada por muchos puentes de hidrógeno (el mayor número posible) y  es muy frecuente porque es muy estable.

•Hay proteínas, como la queratina, que son alfa-hélice al 100% pero otras pueden presentar menor porcentaje o no presentar nada.

•Varios aminoácidos son incompatibles con esta estructura debido a las propiedades de su cadena lateral.

•El aspártico tiene la cadena lateral cargada por lo que si hay muchos juntos se repelen desestabilizando la molécula. Sólo son estables si no están disociados.

Estructura secundaria de una proteína: alfa-hélice

•La treonina y la isoleucina,  debido a su grupo R muy voluminoso. •La prolina es otro aminoácido que rompe la α-hélice.

Como el enlace no puede girar la cadena da la vuelta. Ya que tiene el grupo α -amino sustituido no puede formas puentes de hidrógeno. Se puede tener α -hélice antes y después de la prolina.

Treonina

Isoleucina

HÉLICE ALFA …

Modelo molecular de cintas sólidas (cartoons)

Visualiza la proteína o ácido nucleico como una superficie de "cintas" gruesa, densa y lisa que pasa a lo largo del eje de la molécula. Muestra la orientación de las cadenas. Muy útil para visualizar la estructura secundaría de las proteínas.

HOJA PLEGADA O ESTRUCTURA BETA •En esta estructura los planos de los enlaces peptídicos sucesivos se disponen en zig.zag.

•La estructura se estabiliza también mediante enlaces por puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de planos peptídicos pertenecientes a diferentes segmentos de la cadena polipeptídica.

•Las cadenas laterales se colocan por encima y por debajo alternativamente porque la configuración del enlace es trans.

Estructura secundaria de una proteína: Lámina beta o beta plegamiento

•Como la alfa hélice la estructura en beta hoja también es muy estable ya que todos los grupos carbonilo de los planos peptídicos forman puentes de hidrógeno con los amino. •Las cadenas laterales están más próximas que en la a-hélice, por lo que la beta hoja sólo es compatible con aminoácidos de cadena lateral poco voluminosa, principalmente glicina, alanina y serina (son los más pequeños).•Los otros aminoácidos sufren repulsiones de tipo estérico.

Se observó por primera vez en la fibroína, proteína que se encuentra en la seda y que tiene estructura en beta hoja al 100%. 

Estructura terciaria •Es la configuración definitiva que adopta la estructura secundaria de la proteína en el espacio. •Esta estructura es estable gracias a las uniones que se producen entre los radicales R de los diferentes aminoácidos que se sitúan en posiciones muy alejadas el uno del otro. •Estas uniones pueden ser:

▪ Enlaces de hidrógeno entre grupos peptídicos.▪ Atracciones eléctricas entre grupos con carga opuesta.▪ Atracciones hidrofóbicas▪ Fuerzas de Van der Waals entre radicales aromáticos.▪ Puentes disulfuros entre radicales de aminoácidos que contienen azufre (cisteína).

Son enlaces covalentes entre dos grupos (-SH) de dos cisteínas.

Atendiendo a su configuración, se distinguen dos tipos de estructuras terciarias: las fibrosas (o filamentosas) y las globulares, aunque muchos autores consideran que las proteínas filamentosas son proteínas que carecen de estructura terciaria.

Las proteínas fibrosas (o filamentosa) Poseen una forma de haces lineales o de cuerda, suelen tener función estructural, de protección o ambas a la vez y son insolubles en agua. Por ejemplo, tienen esta conformación: la queratina del pelo, plumas, uñas, cuernos; el colágeno de los huesos y el tejido conjuntivo; y la elastina de la piel, vasos sanguíneos.

Las proteínas globulares Presentan una forma esférica o de ovillo, son solubles en agua y una gran parte desempeñan funciones de transporte, como la hemoglobina contenida en los glóbulos rojos; otras actúan de biocatalizadores, como las enzimas, etc.

•Las causas que determinan el plegamiento de la cadena peptídica se relacionan con la búsqueda de estabilidad de la molécula.

•Determinadas interacciones fisicoquímicas entre las diversas cadenas laterales del péptido hacen que se origine una disposición tridimensional más estable en el medio en que se encuentra la proteína. 

Las interacciones que estabilizan la estructura terciaria son variadas.   Unas son covalentes como los puentes disulfuro (-S-S-) que resulta de la oxidación de dos grupos tiol correspondientes a dos aminoácidos cisteína.

Otras interacciones son de carácter no covalente: •Puentes de hidrógeno entre cadenas laterales polares que puedan establecer este tipo de enlace. •Interacciones electrostáticas entre grupos de carga opuesta. •Interacciones de van der Waals entre grupos no cargados pero que pueden polarizarse por la presencia de una carga o por desplazamientos electrónicos temporales. •Interacciones hidrofóbicas entre los grupos apolares.

Estos grupos tienden a huir del agua y esto hace que se coloquen hacia el interior de la proteína interaccionando entre sí ocultándose del agua que rodea a la molécula de proteína.

Estructura cuaternaria

•Muchas proteínas de gran tamaño están formadas por la asociación de varias cadenas polipeptídicas.

•Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. Cada proteína componente de la asociación, conserva su estructura terciaria.

•La unión se realiza mediante gran número de enlaces débiles, como puentes de Hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.

Este tipo de enlaces facilita enormemente tanto su formación como su disgregación.

•La estructura cuaternaria no la poseen todas las proteínas. Algunas que sí la presentan son: la hemoglobina y los anticuerpos.

La hemoglobina es una proteína con estructura cuaternaria. Está formada por cuatro cadenas polipeptídicas (alfa1, beta1, alfa2 y beta2), unidas entre sí de forma no covalente. Cada cadena contiene un grupo hemo (una molécula de protoporfirina IX complejada con un átomo de Fe2+). La molécula de oxígeno se une al Fe2+ del hemo en los pulmones, donde el oxígeno es abundante, y se libera en los tejidos que necesitan el oxígeno para su metabolismo.

DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

•Cuando la proteína no ha sufrido ningún cambio en su interacción con el disolvente, se dice que presenta una estructura nativa.

•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.

Cualquier factor que modifique la interacción de la proteína con el disolvente disminuirá su estabilidad en disolución y provocará la precipitación.

Así, la desaparición total o parcial de la envoltura acuosa, la neutralización de las cargas eléctricas de tipo repulsivo o la ruptura de los puentes de hidrógeno facilitará la agregación intermolecular y provocará la precipitación.

La precipitación suele ser consecuencia del fenómeno llamado desnaturalización y se dice entonces que la proteína se encuentra desnaturalizada.

En una proteína cualquiera, la estructura nativa y la desnaturalizada tan sólo tienen en común la estructura primaria, es decir, la secuencia de AA que la componen.

Los demás niveles de organización estructural desaparecen en la estructura desnaturalizada.

La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína:

• Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión.

• Una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en la superficie

• Pérdida de las propiedades biológicas

Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Por este motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible ya que es la estructura primaria la que contiene la información necesaria y suficiente para adoptar niveles superiores de estructuración. El proceso mediante el cual la proteína desnaturalizada recupera su estructura nativa se llama renaturalización.

En algunos casos, la desnaturalización conduce a la pérdida total de la solubilidad, con lo que la proteína precipita.

La formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide su renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible.

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:

la polaridad del disolvente la fuerza iónica el pHa temperatura

EFECTO DE LA POLARIDAD DEL DISOLVENTE SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

•La polaridad del disolvente disminuye cuando se le añaden sustancias menos polares que el agua como el etanol o la acetona.

•Con ello disminuye el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la molécula proteica, provocando la agregación y precipitación.

•Los disolventes orgánicos interaccionan con el interior hidrofóbico de las proteínas y desorganizan la estructura terciaria, provocando su desnaturalización y precipitación.

•La acción de los detergentes es similar a la de los disolventes orgánicos.

EFECTO DE LA FUERZA IÓNICA SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

•Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico, urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína:

ya que estos solutos (1) compiten por el agua y (2) rompen los puentes de hidrógeno o las interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteicas se agregan y precipitan.

•En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza iónica es reversible.

Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y recuperar tanto la estructura como la función original.

•A veces es una disminución en la fuerza iónica la que provoca la precipitación.

Así, las proteínas que se disuelven en medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original. 

EFECTO DEL pH SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

•Los iones H+ y OH- del agua provocan efectos parecidos, pero además de afectar a la envoltura acuosa de las proteínas también afectan a la carga eléctrica de los grupos ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos.

•Esta alteración de la carga superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la estructura terciaria y a menudo provoca su precipitación.

•La solubilidad de una proteína es mínima en su punto isoeléctrico, ya que su carga neta es cero y desaparece cualquier fuerza de repulsión electrostática que pudiera dificultar la formación de agregados.

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan.

Asimismo:un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de la proteína desnaturalizada.

Enzimas proteolíticas

•Las enzimas son catalizadores biológicos, proteínas también, con o sin una parte no proteica llamada coenzima o grupo prostético.

•Las enzimas involucradas en la degradación de las proteínas, reciben el nombre de proteasas, peptidasas o enzimas proteolíticas.

•Las enzimas proteolíticas se clasifican en dos grupos:

Endopeptidadas: capaces de atacar uniones peptídicas a lo largo de la cadena.

Exopeptidasas: que hidrolizan uniones peptídicas adyacentes a los grupos amino terminales (amino - peptidasas) o a los grupos carboxilo terminales ( carboxi - peptidasas)

•Las endopeptidasas descomponen a las proteínas principalmente en fragmentos peptídicos más pequeños, mientras que los productos de la actividad de las exopeptidasas son aminoácidos individuales.