Universidad Central de Venezuela Facultad de Medicina Escuela de Medicina José María Vargas Cátedra de Bioquímica

1. Estructura y Propiedades de Aminoácidos y Proteínas Universidad Central de Venezuela Facultad de Medicina Escuela de Medicina José María Vargas Cátedra de Bioquímica Br. Fabián Rodríguez Caracas, Julio 2011

2. Contenido • Aminoácidos • Estructura de un aminoácido • Clasificación de los aminoácidos • Aminoácidos modificados • Estereoquímica de los aminoácidos • Zwitterion • Curvas de titulación de aminoácidos • Péptidos • Enlace peptídico • Estructura del enlace peptídico • Proteínas • Propiedades de las proteínas • Clasificación de las proteínas • Estructura Primaria • Estructura Secundaria • α-Hélice. • Conformación β • Giros β • Estructuras Suprasecuendarias • Estructura terciaria • Dominios • Reglas de Plegado • Termodinámica del Plegado • Factores que afectan el plegado • Chaperonas moleculares • Estructura Cuaternaria • Proteínas de Importancia Fisiológica • Queratinas • Colágeno • Proteínas plasmáticas • Métodos de estudio de las Proteínas

3. AMINOÁCIDOS

4. Aminoácidos Estructura de un Aminoácido Un aminoácido es una molécula orgánica con un grupo amino y un grupo carboxilo. • Al Carbono α se unen: • Un grupo amino (NH2) • Un grupo carboxilo (COOH) • Un hidrógeno (H+) • Una cadena lateral o grupo R α Los α-aminoácidos son los monómeros que conforman las proteínas En los genes de todos los organismos están codificados los mismo 20 aminoácidos diferentes.

5. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos

6. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Aminoácidos Esenciales: Mnemotecnia FerHIzo un Lío Tremendo y Valentina LeMetió un Triptófano Triptófano Metionina Leucina Valina Treonina Lisina Isoleucina Arginina e Histidina solo son esenciales en periodos de crecimiento celular, la infancia, la lactancia y la enfermedad Arginina Histidina Fenilalanina

7. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos

8. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Alifáticos Fuerte carácter hidrofóbico La glicina es el aminoácido más pequeño La Glicina y la Prolina dificultan el plegado proteico. La Metionina contiene azufre.

9. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Aromáticos Absorben fuertemente la luz UV La Tirosina contiene un grupo OH, es un aminoácido hidroxilado.

10. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Polares sin carga La Serina y la Treonina son aminoácidos hidroxilados La Asparagina y la Glutamina son las amidas del Aspartato y el Glutamato. La Cisteína contiene azufre. Dos Cisteínas pueden oxidarse y formar un enlace disulfuro o el “nuevo” aminoácido Cistina.

11. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Polares con carga positiva La cadena lateral de la Histidina puede estar protonada (carga positiva) o desprotonarse (carga 0) a pH fisiológico, por lo que puede participar en la catálisis enzimática

12. Clasificación de los Aminoácidos Aminoácidos Polares con carga negativa

13. Aminoácidos modificados Aminoácidos Cumplen funciones especiales o son intermediarios importantes. • 4-Hidroxiprolina e 5-Hidroxilisina: forman parte del colágeno. • 6-N-metil lisina: constituyente de la miosina. • γ-carboxiglutamato: se encuentra en varias proteínas de la cascada de coagulación. • Desmosina: integra la elastina. • Ornitina y Citrulina: intermediarios de la biosíntesis de Arginina y el Ciclo de la Urea.

14. Estereoquímica de los Aminoácidos Aminoácidos Los Isómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente fórmula estructural y, por tanto, diferentes propiedades Los Estereoisómerosson isómeros que tienen la misma fórmula molecular y la misma secuencia de átomos enlazados, pero difieren en la orientación tridimensional de sus átomos en el espacio. Los Enantiómeros son estereoisómeros que se relacionan entre sí por una reflexión: son imágenes especulares entre sí, y no son superponibles Los Diasteroisómeros son estereoisómeros que NO son imágenes especulares entre sí.

15. Estereoquímica de los Aminoácidos Aminoácidos H H Un compuesto puede tener solo UN Enantiómero pero varios Diasteroisómeros

16. Estereoquímica de los Aminoácidos Aminoácidos La existencia de Enantiómeros se explica por la presencia de centros quirales (Carbono que posee unidos 4 sustituyentes DISTINTOS ) El Carbono α de los aminoácidos es un Carbono quiral. La glicina no tiene carbono quiral El número de estereoisómeros de un compuesto quiral dependerá del número de centros quirales, según la fórmula→ 2n n= número de centros quirales Si el grupo amino se encuentra a la derecha son “D” aminoácidos si esta a la izquierda son “L” aminoácidos. Esta es la proyección de Fischer. La proyección de Fischer es una disposición arbitraria en base a un grupo funcional específico.

17. Estereoquímica de los Aminoácidos Aminoácidos Los enantiómeros se diferencian solo en su capacidad para rotar el plano de luz polarizada. Si rotan la luz a la derecha son dextrógiros (“d” o “+”); si lo rotan a la izquierda son levógiros (“l” o “-”) No todos los D aminoácidos son dextrógiros, ni todos los L aminoácidos son levógiros. La Proyección de Fischer NO hace referencia a la rotación de la luz polarizada. Todos los aminoácidos incorporados a las proteínas son “L” aminoácidos

18. Zwitterion Aminoácidos Ión dipolar de un aminoácidos que se forma al disolverse en agua. La forma zwitterionica puede actuar como ácido o como base Los aminoácidos son Anfóteros; específicamente Anfolitos El pKa del grupo carboxílo es de aproximadamente 2 y el del grupo amino de aproximadamente 10. El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es el pH al cual el aa tiene carga neta 0. Un aminoácido tiene carga positiva a un pH por debajo de su pI y tiene carga negativa a un pH por encima de su pI.

19. Zwitterion Aminoácidos H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es el pH al cual el aa tiene carga neta 0. Escala de pH Punto Isoeléctrico Un AA tiene carga positiva a un pH por debajo de su pI y tiene carga negativa a un pH por encima de su pI.

20. Zwitterion Aminoácidos El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es el pH al cual el aa tiene carga neta 0. Un AA tiene carga positiva a un pH por debajo de su pI y tiene carga negativa a un pH por encima de su pI.

21. Zwitterion Aminoácidos El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es el pH al cual el aa tiene carga neta 0. Se coloca una molécula de Glicina cuyo pI es 5,97 en un medio acuoso a pH 7. ¿La molécula migrará hacia el ánodo (electrodo positivo) o al cátodo (electrodo negativo)? R= La molécula migrará hacia el ánodo Un AA tiene carga positiva a un pH por debajo de su pI y tiene carga negativa a un pH por encima de su pI.

22. Curvas de Titulación de un Aminoácido Aminoácidos Monoamino y Monocarboxilo pKa= pH en el cual existe igual concentración de la especie dadora de electrones como de la especie aceptora de electrones. En este caso igual concentración de la forma protonada y desprotonada. Un compuesto tiene capacidad amortiguadora en el intervalo de pH que rodea su pKa En un aminoácido los grupos capaces de ionizarse y por tanto con capacidad amortiguadora son el grupo amino, el grupo carboxilo y el grupo R Un AA monoamino-monocarboxilo posee 2 regiones con capacidad amortiguadora.

23. Curvas de Titulación de un Aminoácido Aminoácidos Monoamino y Dicarboxilo pKa= pH en el cual existe igual concentración de la especie dadora de electrones como de la especie aceptora de electrones. En este caso igual concentración de la forma protonada y desprotonada. Un compuesto tiene capacidad amortiguadora en el intervalo de pH que rodea su pKa En un aminoácido los grupos capaces de ionizarse y por tanto con capacidad amortiguadora son el grupo amino, el grupo carboxilo y el grupo R Un AA monoamino-dicarboxilo posee 3 regiones con capacidad amortiguadora.

24. Curvas de Titulación de un Aminoácido Aminoácidos Diamino y Monocarboxilo pKa= pH en el cual existe igual concentración de la especie dadora de electrones como de la especie aceptora de electrones. En este caso igual concentración de la forma protonada y desprotonada. Un compuesto tiene capacidad amortiguadora en el intervalo de pH que rodea su pKa En un aminoácido los grupos capaces de ionizarse y por tanto con capacidad amortiguadora son el grupo amino, el grupo carboxilo y el grupo R Un AA diamino-monocarboxilo posee 3 regiones con capacidad amortiguadora.

25. Zwitterion Aminoácidos Los puntos isoelectricos reflejan la naturaleza de los grupos R ionizables

26. Cálculo del pI de un aminoácido Aminoácidos • En cualquier aminoácido el “punto isoeléctrico” se calcula con los pKa vecinos al “zwitterion” (carga eléctrica = cero) y es el resultado de la semisuma de estos. Por ejemplo: • pKa vecinos al Zwitterion 2,34 + 9,60 pI= = 5,97 2

27. Cálculo del pI de un aminoácido Aminoácidos • En cualquier aminoácido el “punto isoeléctrico” se calcula con los pKa vecinos al “zwitterion” (carga eléctrica = cero) y es el resultado de la semisuma de estos. Por ejemplo: • pKa vecinos al Zwitterion 2,19 + 4,25 pI= = 3,22 2

28. PÉPTIDOS

29. Péptidos Enlace Peptídico El enlace peptídico es el enlace covalente tipo amida que se forma entre el grupo α-carboxilo de un aminoácido y el α-amino de otro. Un péptido es el producto de unión de dos o más aminoácidos Los aminoácidos que conforman el péptido pasan a denominarse residuos de aminoácidos. La reacción es una condensación con eliminación de una molécula de agua

30. Péptidos Enlace Peptídico Los péptidos presentan en un extremo un grupo amino sin reaccionar (amino terminal o N-terminal) y en el otro un carboxilo sin reaccionar (carboxilo terminal o C-terminal)

31. Péptidos Estructura del Enlace Péptidico Tiene carácter parcial de doble enlace, por lo que es muy rígido. Se comporta como un híbrido de resonancia. La configuración transestá mas favorecida; la cis esta impedida estéricamente. - El Oxígeno carbonílico tiene carga parcial negativa y el Nitrógeno amida carga parcial positiva, por tanto el enlace tiene carácter polar +

32. Péptidos Estructura del Enlace Péptidico Solo es posible la rotación alrededor de los enlaces N-Cα y Cα-C, por tanto tiene limitada capacidad de rotación El ángulo de giro del enlace N-Cα se denomina Φ y el del Cα-C Ψ

33. Péptidos Características del Enlace Péptidico • Es un enlace covalente • Es un enlace amida • Tiene carácter parcial de doble enlace • Predomina la configuración trans • Tiene carácter polar • Tiene limitada capacidad de rotación

34. PROTEÍNAS

35. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

36. Propiedades de las Proteínas • Macromoléculas más abundantes • Presentes en todas las células • Polímeros compuestos por monómeros (aminoácidos) • Estructuras y Funciones diversas • Organización jerárquica

37. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

38. Clasificación de las Proteínas Clasificación • Según su Composición química: • Simples → Albúmina • Conjugadas • Nucleoproteínas → Ribosomas • Lipoproteínas → HDL • Hemoproteínas → Hemoglobina • Flavoproteínas → Succinato Deshidrogenasa • Glicoproteínas → Inmunoglobulinas • Metaloproteínas → Ceruloplasmina • Fosfoproteínas → Caseina

39. Clasificación de las Proteínas Clasificación • Según su Forma: • Fibrosas → Colágeno • Globulares→ Enzimas → Quimotripsina

40. Clasificación de las Proteínas Clasificación • Según el Número de subunidades: • Monoméricas→ Mioglobina • Oligoméricas→ Hemoglobina

41. Clasificación de las Proteínas Clasificación • Según su Función: • Estructural→ Queratina, Elastina • Enzimática→ DNA polimerasa III • Defensa→ Inmunoglobulinas • Hormonal→ Insulina • Transporte→ Transferrina • Reserva→ Ferritina

42. Estructura Primaria Estructura Primaria “Sucesión de residuos de aminoácidos en la cadena polipeptídica, que a su vez esta determinada por la secuencia de bases en el gen” Incluye la ubicación de los Puntesdisulfuro La secuencia es única para cada proteína • Determina la estructura tridimensional de las proteínas y por lo tanto su función La estructura es estabilizada por: • Enlace Peptídico

43. Estructura Secundaria Estructura Secundaria “Conformación de los residuos de aminoácidos adyacentes en la cadena polipeptídica, es decir el plegado regular local de la estructura primaria” “Corresponde al arreglo espacial de los residuos de AA adyacentes en una cadena polipeptídica que se repite de forma regular dando origen a una estructura periódica”

44. α- Hélice Estructura Secundaria Hélice Dextrógira Grupos R externos

45. α- Hélice Estructura Secundaria • La estructura es estabilizada por: • Puentes de hidrógeno intracatenarioscada 4 residuos • La estructura es desestabilizada por: • Tendencia de cada residuo a formar hélice α (V, T, I, S, D, N, G, F, T, W) • Interacciones entre grupos R (residuos con carga consecutivos) • Volumen de los grupos R (N, S, T, C muy próximos) • Presencia de Prolina y Glicina • Interacción entre los residuos de los extremos y el dipolo inherente a la hélice

46. Estructura Secundaria Conformación β (Lámina β) Cadenas Extendidas en zig-zag, formando pliegues Grupos R adyacentes sobresalen en direcciones opuestas (180°) Las cadenas adyacentes a una hoja β pueden ser paralelas o antiparalelas La estructura es estabiliazada por puentes de hidrógeno intercatenarios Dificultan el plegado grupos R adyacentes muy grandes en hojas empaquetadas

47. Estructura Secundaria Giros β Conectan tramos sucesivos de hélices α o conformaciones β Integrados por 4 residuos que forman un giro de 180° Usualmente se encuentran residuos de Glicina y Prolina La estructura es estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios

48. Estructuras Suprasecundarias o Motivos Estructura Secundaria Patrón de Plegamiento reconocible que incluye dos o más elementos de estructura secundaria y las conexiones entre ellos No es un elemento jerárquico, es un patrón de plegado

49. Estructura Terciaria Estructura Terciaria “Plegamiento tridimensional de la cadena polipeptídica en una forma compacta y globular, describiendo las relaciones espaciales entre los AA de la cadena” Acerca residuos distantes en la estructura primaria

50. Estructura Terciaria Dominios Parte de una cadena polipeptídica que es estable de manera independiente y que puede moverse como una entidad única con respecto al resto de la proteína. Forman parte de una Misma Cadena Estructurales y/o funcionales Habitualmente 40 – 400 AA Pueden separarse por proteólisis