Tema X AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. Introducción Clasificación de los aminoácidos Estereoquímica Propiedades Algunas reacciones biológicas Péptidos y proteínas 6.1. Introducción 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas 6.3. Estructura de péptidos y proteínas 1. Introducción 1. Introducción - 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. -Los enlaces amida entre aminoácidos se conocen como enlaces petídicos y el producto formado por la unión de dos aminoácidos se llama dipéptido. -La cadena peptídica puede extenderse mediante la incorporación de otros aminoácidos (tripéptidos, tetrapéptidos, etc.). Los polipéptidos contienen muchas unidades de aminoácidos. -Las proteínas son polipéptidos que contienen más de 50 aminoácidos, son polímeros formados por 100-300 aminoácidos. -Las proteínas ejercen muy diversos papeles en los seres vivos: la seda, el pelo, los músculos, el tejido conectivo y casi todos los enzimas son proteínas. 2. Clasificación de los aminoácidos 2. Clasificación de los aminoácidos - Se clasifican como α, β, γ, etc. De acuerdo con la localización del grupo amino en la cadena carbonada que contiene el ácido carboxílico. Ácido 1-aminociclopropanocarboxílico: es un α-aminoácido y es el precursor biológico del etileno en la plantas. NH3 CO2 CO2 H3N Ácido 3-aminopropanoico: conocido como β-alanina. Es un β-aminoácido que constituye una de la unidades estructurales de la coenzima A . H3N CO2 Ácido γ-aminobutanoico: Conocido como ácido γ-aminobutírico (GABA). Es un γ-aminoácido y es el principal neurotransmisor inhibitorio cerebral. -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: H3N O CH C R O H2N CO2 Prolina 2. Clasificación de los aminoácidos Nombre Abreviación Estructura Aminoácidos con extremos de cadenas non polares Glicina Abreviación Prolina Pro(P) Estructura O O Gly(G) H2N fenilalanina OH Alanina Nombre N H Phe (F) OH O O Ala (A) OH NH 2 NH OH 2 Valina Triptófano O Val(V) Trp(w) H2N OH HN O OH Leucina O NH2 Leu(L) Aminoácidos con extremos de cadenas polares pero no ionizados OH NH2 Isoleucina Ile(I) O O Asparagina Asn(N) H2N OH OH Metionina NH2 Met(M) O O Glutamina S NH2 O Gln (Q) O OH H2N OH NH2 NH2 2-Clasificación de los aminoácidos Nombre Abreviación Estructura Aminoácidos con extremos de cadena polares pero no ionizados Nombre Abreviación Cisteína Cys(C) Estructura O HS O Serina Ser (S) NH2 HO Treonina OH OH Thr(T) Aminoácidos con extremos de cadena básicos OH NH2 Lisina O O Lys(K) H2N OH OH NH2 Arginina NH2 Arg (R) Aminoácidos con extremos de cadenas ácidos NH H2N O N H OH O Ácido apártico NH2 Asp(D) Histidina HO OH O His (H N OH O Ácido glutámico O Glu (E) NH2 O HN HO Tirosina OH NH2 Tyr(Y) O OH NH2 HO NH2 3. Estereoquímica 3. Estereoquímica - 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. CO2 CO2 Glicina (Aquiral) H3 N H3N H H H CO2 H R NH3 R L-aminoácido (Proyección de Fischer y en perspectiva) 3. Estereoquímica - El cambio de la configuración en aquellos aminoácidos que poseen sólo un centro estereogénico conduce a la obtención de su enantiómero. Para un aminoácido con más de un centro estereogénico el cambio de configuración del carbono α de L a D da lugar a un diastereoisómero. CO2 CO2 H3 N L-Isoleucina H3 C H H H H3C CH2CH3 NH3 H CH2CH3 D-Allo-Isoleucina 4. Propiedades 4. Propiedades - 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. O H2N CH C O OH H3N R CH C O R Formas zwitteriónicas de un aminoácido - Los aminoácidos son anfóteros, contienen un grupo ácido y uno básico. O H3N CH C O O OH R Especie presente en medio ácido -H+ +H+ H3N CH C O R Zwitterión Especie presente en medio neutro -H+ +H+ H2N CH C O R Especie presente en medio básico 4. Propiedades O H3N CH C R a O O OH -H+ +H+ H3N CH C R b O -H+ +H+ H2N CH C R O c 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. 4. Propiedades -La glicina se caracteriza por dos pKa: uno corresponde a la posición más ácida (pKa1) y el otro a la menos ácida (pKa2). Otros aminoácidos con cadenas laterales neutras presentan valores de pKa similares a los de la glicina. - El punto isoeléctrico pI corresponde al valor de pH para el cual el aminoácido no tiene carga neta, corresponde a un máximo en la concentración del zwitterión. Aminoácido pKa1 pKa2 pI Glicina 2.34 9.60 5.97 Alanina 2.34 9.69 6.00 Valina 2.32 9,62 5.96 Leucina 2.36 9,60 5.98 Isoleucina 2.36 9,60 6.02 Metionina 2.28 9,21 5.74 Prolina 1.99 10.60 6.30 fenilalanina 1.83 9,13 5.48 Triptofan 2.83 9,39 5.89 Asparagina 2.02 8,80 5.41 Glutamina 2.17 9,13 5.65 Serina 2.21 9,15 5.68 Treonina 2.09 9,10 5.60 pKa1:ionización del grupo carboxílico; pKa2: deprotonación del ión amonio 4. Propiedades - Aquellos aminoácidos que poseen cadenas laterales que contienen grupos ácidos o básicos se caracterizan mediante tres valores de pKa. El valor del pKa extra (puede ser pKa2 o pKa3) refleja la naturaleza de la función presente en la cadena lateral. - Los puntos isoeléctricos de estos aminoácidos se encuentran a medio camino entre los valores de los pKa del monocatión y del monoanión. Aminoácido pka1 pKa2 pKa3 pI Ácido Aspártico 1.88 3.65 9.60 2.77 Ácido Glutámico 2.19 4.25 9.67 3.22 Tirosina 2.20 9.11 10.07 5.66 Cisteína 1.96 8.18 10.28 5.07 Lisina 2.18 8.95 10.53 9.74 Arginina 2.17 9.04 12.48 10.76 Histidina 1.82 6.00 9.17 7.59 - Las propiedades ácido-base de la cadena lateral de los aminoácidos son importantes tanto para las propiedades de las proteínas que los contienen como para el análisis de mezclas de aminoácidos que pueden ser separados en base a su capacidad para dar o aceptar protones. 5. Algunas reacciones biológicas 5. Algunas reacciones biológicas - El ácido glutámico se forma en la mayoría de los organismos por reacción de ácido α-cetoglutárico y amoníaco. El ácido α-cetoglutárico, intermedio del ciclo de Krebs, se forma a partir de la rotura metabólica de carbohidratos, grasas y proteínas provenientes de los alimentos. - El proceso es una aminación reductora (formación de imina y reducción de ésta) catalizada por un enzima y por acción de un agente reductor (un coenzima). La reducción de la imina intermedia tiene lugar de forma estereoselectiva dando lugar únicamente al ácido L-glutámico. O O O + HO OH O Ácido α-cetoglutárico NH3 O Enzima Agente redutor HO OH NH2 Ácido L-glutámico - El ácido L-glutámico no es, por tanto, un aminoácido esencial. No es necesario tomarlo en la dieta ya que los animales pueden sintentizarlo. 5. Algunas reacciones biológicas -El ácido L-glutámico es un intermedio clave en la síntesis de otros aminoácidos, por ejemplo la L-alanina, mediante un proceso conocido como transaminación. O O OH + O HO O Ácido pirúvico L-Alanina Ácido α-cetoglutámico H-ácido base O 1º etapa HO H O O N O 2º etapa O O N O O O HO HO HO + O 2º etapa: Un enzima cataliza la transferencia de l protón para obtener un nuevo isómero de la imina HO NH2 OH NH3 1era etapa: la formación de la imina O HO O ácido L-glutámico HO O + Enzimas NH3 O O O O O O ácido L-glutámico Ácido pirúvico Imina Imina reordenada 3º etapa: La hidrólisis de la iminia reordenada conduce al formación del anilina y ácido α-cetoglutámico HO HO HO HO O O N + H2O O O O + H2N O O O Imina reordenada O Ácido α-cetoglutárico L-Alanina 5. Algunas reacciones biológicas - La L-fenilalanina se clasifica como un aminoácido esencial que sirve como precursor biológico de su derivado p-hidroxilado, la L-tirosina. - Algunas personas carecen del enzima necesario para dicha transformación y la Lfenilalanina que toman en su dieta sufre un proceso metabólico diferente formando ácido fenilpirúvico: O O Enzimas OH OH NH2 O L-fenilanlanina Ácido fenilpirúvico -El ácido fenilpirúvico puede provocar retraso mental en niños (fenilcetonuria). -La descarboxilación de la histidina, por ejemplo, produce histamina, un potente vasodilatador presente normalmente en los tejidos. La histamina es responsable de muchos síntomas asociados con alergias, los antihistamínicos reducen los síntomas mediante el bloqueo de la acción de la histamina. O N N OH HN NH2 Histidina Enzimas -CO2 HN Histamina H2N 5. Algunas reacciones biológicas La química del cerebro y del sistema nervioso central se ve afectada por la presencia de los neurotransmisores, algunos de ellos formados a partir de tirosina. O O HO OH OH NH2 NH2 HO HO Tirosina 3,4-dihidroxifenilalanina HO HO NH2 Dopamina HO HO HO NH2 HO N H OH norepinefrina (Noradrenalina OH Epinefrina (Adrenalina) 6. Péptidos y proteínas 6.1. Introducción En péptidos, polipéptidos y proteínas los aminoácidos se unen unos a otros mediante enlaces amida. El enlace amida entre un grupo amino de una aminoácido y el carboxilo de otro se denomina enlace peptídico. Aminoácido N-terminal Glicina NH2 O Aminoácido C-Terminal H N Alanina OH O Alanilglicina - Por acuerdo las estructuras peptídicas se escriben de manera que el grupo amino se escribe a la izquierda y el carboxilo a la derecha. Así los extremos izquierdo y derecho de los péptidos corresponden al extremo amino y al carboxílico, respectivamente. La alanina es el aminoácido N-terminal en la alanilglicina y la glicina es el aminoácido C-terminal. - El orden preciso de enlace en un péptido es su secuencia de aminoácidos y se especifica usando las abreviaturas de tres letras correspondientes a cada aminoácido conectadas por guiones. - Los aminoácidos individuales que componen un péptido son llamados residuos. 6.1. Introducción Hechos estructurales importantes: - El enlace peptídico muestra una geometría plana. - La conformación más estable con respecto a dicho enlace tiene los dos carbonos en anti, uno con respecto al otro. - La rotación en torno al enlace amida es lenta debido a la deslocalización del par electrónico sin compartir del nitrógeno en el grupo carbonilo, lo que da al enlace CN cierto carácter de enlace doble. 6.1. Introducción La encefalina es un pentapéptido. 6.1. Introducción Algunos péptidos presentan modificaciones estructurales, un ejemplo es la oxitocina. 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas ANÁLISIS DE AMINOÁCIDOS EN PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS -Existen distintos niveles en la estructura peptídica, uno de ellos es la estructura primaria, que consiste en la secuencia ordenada de aminoácidos que forman la cadena completa y que resulta, en gran medida, determinante del resto de los niveles estructurales del péptido o la proteína. - La determinación de ésta, por tanto, ha resultado un enorme avance para la bioquímica (F. Sanger, premio Nobel de Química 1958). La estrategia básica consiste en : 1.Determinar qué aminoácidos están presentes y en qué relación molar. 2. Romper el péptido en pequeños fragmentos, separarlos y determinar su composición en aminoácidos. 3. Identificar los aminoácidos de N y C terminales del péptido original y de cada fragmento. 4. Organizar la información de manera que los fragmentos puedan unirse para revelar la secuencia completa. 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas 1. Análisis de aminoácidos. Se lleva a cabo la hidrólisis completa de los enlaces peptídicos mediante el tratamiento con disolución acuosa de HCl 6M y calefacción durante 24 h. La mezcla de aminoácidos se separa mediante cromatografía de intercambio iónico (basada en las diferentes propiedades ácido-base) y se establece la proporción coloreando los residuos (con ninhydrina). El proceso se encuentra totalmente automatizado y sólo requiere del orden de 10-510-7 g de péptido. 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas 2. Hidrólisis parcial del péptido. - La hidrólisis enzimática (petidasas, proteasas o enzimas proteolíticas) es una hidrólisis selectiva que permite convertir el péptido en fragmentos más pequeños. - Por ejemplo, un grupo de enzimas pancreáticas, conocidas como carbopeptidasas, catalizan sólo la hidrólisis del enlace peptídico del aminoácido C-terminal. La tripsina, enzima digestivo del intestino, cataliza sólo la hidrólisis de los enlaces peptídicos que involucran al grupo carboxilo de la lisina o arginina. Así, otras muchas enzimas digestivas se usan en al hidrólisis selectiva de péptidos. O H N CH R C O H N CH R' C O H N CH R'' C El sitio catalizado de la Quimotripsina cuando R’ es un grupo aromático 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas 3. Análisis de los residuos terminales. - Una secuencia de aminoácidos es ambigua a no ser que se conozca el sentido en que debe leerse. Es necesario conocer cuál es el extremo N y C- terminal. - Como vimos antes, la hidrólisis catalizada por carbopetidasas rompe el aminoácido C-terminal, lo que permite identificarlo. - Para identificar el aminoácido N-terminal se suele aprovechar que el grupo amino puede actuar como nucleófilo (frente a la menor nucleofilia de los N que forman parte de los enlaces amida). 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas NO2 O F O 2N + H2N CH O H N C CH CH(CH3)2 O H N C CH2 C O H N CH2C6H5 CH C OH CH3 Val-Phe-Gly-Ala 1-fluoro-2,4-dinitrobenceno NO2 O CH O2N C O H N CH CH(CH3)2 O H N C O H N CH2 C CH2C6H5 CH C OH CH3 DNP-Val-Phe-Gly-Ala NO2 O O CH O 2N COH CH(CH3)2 DNP-Val + H2N CH COH O + H2N CH2 COH + CH2C6H5 Phe Gly O H2N CH CH3 Ala C OH 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas Un ejemplo: la cadena B de la insulina - La reacción de la cadena peptídica con 1-fluoro-4-nitrobenceno determina el extremo N-terminal. - La hidrólisis catalizada por pepsina dan cuatro péptidos (en azul) pero sin puntos de solapamiento entre ellos. - Los péptidos en rojo llenan los espacios entre los representados en azul. - La secuencia en amarillo se aísla mediante la hidrólisis catalizada por tripsina. 6.2. Secuenciación de péptidos y proteínas Mejora en la secuenciación de pétidos: degradación de Edman y secuenciación automatizada. La degradación de Edman (P. Edman) permite el análisis secuencial y automatizado de péptidos basada en un método estándar para analizar el residuo N-terminal, simplemente empezando por el extremo N-terminal y continuando hacia el C-terminal, identificando un aminoácido detrás de otro. S O N + H 2N S C CH C H N PÉPTIDO O H N C HN CH R fenilisotiocyanato H N S N H N HCl C C N S O + H 2N PÉPTIDO R S C O CH R C PÉPTIDO S PÉPTIDO CH H H N H N C H N R O C C Cl- H N H O C N C N O Cl S S C C C C Cl H N CH R HN Cl CH R HN CH R HN CH R O 6.3. Estructura de péptidos y proteínas 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. 6.3. Estructura de péptidos y proteínas Hélice α Se 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. Hoja plegada β o lámina β En 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. 6.3. Estructura de péptidos y proteínas 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 6.3. Estructura de péptidos y proteínas La estructura terciaria de una proteína depende de diversos factores: - Su estructura primaria y secundaria. - Su entorno. En proteínas globulares la parte lipofílica se sitúa hacia el interior y los grupos polares en la superficie. El estado nativo de una proteína es la estructura terciaria en la cual expresan su actividad biológica. - Conocer el plegamiento de la proteína permite entender el mecanismo por el que un enzima cataliza las reacciones. Ej: carboxipeptidasa. - La región interna del enzima donde se localizan los grupos funcionales que participan en la actividad catalítica se conoce con el nombre de sitio activo. 6.3. Estructura de péptidos y proteínas COENZIMAS - Los coenzimas, cofactores o grupos prostéticos interaccionan tanto con los enzimas como con el sustrato para producir los cambios químicos correspondientes que la proteína no puede hacer por sí misma (ej: reacciones de oxidación o reducción). - El grupo prostético hemo (una porfirina) se encuentra rodeado por la mioglobina (proteína del músculo). Esta proteína es capaz de almacenar el oxígeno gracias a que éste se coordina al Fe2+ del grupo hemo, que no se oxida a Fe3+ (incapaz de unirse a oxígeno) porque se encuentra protegido por esta proteína. 6.3. Estructura de péptidos y proteínas 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
