aminoÁcidos y proteinas

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APO 4: Aminoácidos y proteínas

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AMINOACIDOS Y PROTEINASAMINOCIDOS. Es importante conocer las propiedades fsicas y qumicas de los aminocidos, ya que estos constituyen el alfabeto de la estructura de las protenas y determinan muchas propiedades importantes de las protenas. H R-C- COOH NH2 sta es la estructura general de los 20 aminocidos hallados regularmente o corrientemente en las protenas, llamados tambin aminocidos corrientes. Excepto la prolina, todos ellos tienen como denominadores comunes un grupo carboxilo libre y un grupo amino libre. Difieren entre s en la estructura de sus cadenas laterales distintivas, llamados grupos R. Se han propuesto varios mtodos para clasificar los aminocidos sobre la base de sus grupos R. El ms significativo se funda en la polaridad de los grupos R. Existen cuatro clases principales: 1. 2. 3. 4. Grupos R no polares o hidrofbicos. Polares, pero sin carga. Grupos R con carga positiva y Grupos cargados negativamente (a pH 6-7, que es la zona del pH intracelular).

Los aminocidos se suelen designar mediante smbolos de tres letras. Recientemente se ha adoptado tambin un conjunto de smbolos de una letra para facilitar la comparacin de las secuencias aminocidas de las protena homlogas. - Aminocidos con grupos R no polares o hidrofbicos Existen 8 aminocidos que contienen grupos R no polares o hidrofbicos. Aqu se encuentran la alanina, la leucina, la isoleucina, la valina, la prolina, la fenilalanina, el triptfano y la metionina. Estos aminocidos son menos solubles en el agua que los aminocidos con grupos R polares. El menos hidrfobo de esta clase de aminocidos es la alanina, la cual se halla casi en la lnea fronteriza entre los aminocidos no polares y los que poseen grupos R polares. - Aminocidos con grupos R polares sin carga. Estos aminocidos son relativamente ms solubles en el agua que los aminocidos anteriores. Sus grupos R contienen grupos funcionales polares, neutros que pueden establecer enlaces de hidrgeno con el agua. La polaridad de la serina, la treonina y la tirosina se debe a sus grupos hidroxilos; la de la aspargina y la glutamina, a sus grupos amdicos y de la cistina a la presencia del grupo sulfhidrilo (-SH). La glicola, a veces se clasifica como una aminocido no polar. La cistina y la tirosina poseen las funciones mas polares de esta clase de aminocidos, sus grupos tilo e hidroxilo fenlico tienden a perder mucho ms fcilmente protones por ionizacin que los grupos R de otros aminocidos de esta clase. - Aminocidos con grupos R cargados positivamente. Los aminocidos en los que los grupos R poseen carga positiva neta a PH 7, poseen todos seis tomos de carbono. Aqu se encuentran la lisina, la arginina y la histidina. Esta ltima tiene propiedades lmite. A pH 6 ms del 50 % de las molculas de la

histidina, poseen un grupo R cargado positivamente, pero a pH 7 menos del 10 % de las molculas poseen carga positiva. - Aminocidos con grupos R cargados negativamente. Los dos miembros de esta clase son los cidos asprtico y glutmico, cada uno de los cuales posee un segundo grupo carboxilo que se halla completamente ionizado y por tanto cargado negativamente a pH 6 y 7. Lista de Aminocidos (Esenciales y no esenciales) y funcin de cada una de ellos: * Arginina: Funcin: Est implicada en la conservacin del equilibrio de nitrgeno y de dixido de carbono. Tambin tiene una gran importancia en la produccin de la Hormona del Crecimiento, directamente involucrada en el crecimiento de los tejidos y msculos y en el mantenimiento y reparacin del sistema inmunologico. * Asparagina: Funcin: Interviene especficamente en los procesos metablicos del Sistema Nervioso Central (SNC). * Acido Asprtico: Funcin: Es muy importante para la desintoxicacin del Hgado y su correcto funcionamiento. El cido L- Asprtico se combina con otros aminocidos formando molculas capases de absorber toxinas del torrente sanguneo. * Citrulina (ver ornitina): Funcin: Interviene especficamente en la eliminacin del amonaco. * Cistina: Funcin: Tambin interviene en la desintoxicacin, en combinacin con los aminocidos anteriores. La L - Cistina es muy importante en la sntesis de la insulina y tambin en las reacciones de ciertas molculas a la insulina. * Cisteina: Funcin: Junto con la L- cistina, la L- Cisteina est implicada en la desintoxicacin, principalmente como antagonista de los radicales libres. Tambin contribuye a mantener la salud de los cabellos por su elevado contenido de azufre. * Glutamina: Funcin: Nutriente cerebral e interviene especficamente en la utilizacin de la glucosa por el cerebro. * Acido Glutminico: Funcin: Tiene gran importancia en el funcionamiento del Sistema Nervioso Central y acta como estimulante del sistema inmunologico. * Glicina: Funcin: En combinacin con muchos otros aminocidos, es un componente de numerosos tejidos del organismo. * Histidina: Funcin: En combinacin con la hormona de crecimiento (HGH) y algunos aminocidos asociados, contribuyen al crecimiento y reparacin de los tejidos con un papel especficamente relacionado con el sistema cardio-vascular. Alanina: Funcin: Interviene en el metabolismo de la glucosa. La glucosa es un carbohidrato simple que el organismo utiliza como fuente de energa.

* Serina: Funcin: Junto con algunos aminocidos mencionados, interviene en la desintoxicacin del organismo, crecimiento muscular, y metabolismo de grasas y cidos grasos. * Taurina: Funcin: Estimula la Hormona del Crecimiento (HGH) en asociacin con otros aminocidos, esta implicada en la regulacin de la presin sangunea, fortalece el msculo cardiaco y vigoriza el sistema nervioso. * Tirosina: Funcin: Es un neurotransmisor directo y puede ser muy eficaz en el tratamiento de la depresin, en combinacin con otros aminocidos necesarios. * Ornitina: Funcin: Es especfico para la hormona del Crecimiento (HGH) en asociacin con otros aminocidos ya mencionados. Al combinarse con la LArginina y con carnitina (que se sintetiza en el organismo, la L-Ornitina tiene una importante funcin en el metabolismo del exceso de grasa corporal. * Prolina: Funcin: Est involucrada tambin en la produccin de colgeno y tiene gran importancia en la reparacin y mantenimiento del msculo y huesos. Los Ocho aminoacidos (8) Esenciales * Leucina: Funcin: Junto con la L-Isoleucina y la Hormona del Crecimiento (HGH) interviene con la formacin y reparacin del tejido muscular. * Lisina: Funcin: Es uno de los ms importantes aminocidos porque, en asociacin con varios aminocidos ms, interviene en diversas funciones, incluyendo el crecimiento, reparacin de tejidos, anticuerpos del sistema inmunolgico y sntesis de hormonas. * Metionina: Funcin: Colabora en la sntesis de protenas y constituye el principal limitante en las protenas de la dieta. El aminocido limitante determina el porcentaje de alimento que va a utilizarse a nivel celular. * Fenilalanina: Funcin: Interviene en la produccin del Colgeno, fundamentalmente en la estructura de la piel y el tejido conectivo, y tambin en la formacin de diversas neurohormonas. * Triptfano: Funcin: Est implicado en el crecimiento y en la produccin hormonal, especialmente en la funcin de las glndulas de secrecin adrenal. Tambin interviene en la sntesis de la serotonina, neurohormona involucrada en la relajacin y el sueo. * Treonina: Funcin: Junto con la con la L-Metionina y el cido Asprtico ayuda al hgado en sus funciones generales de desintoxicacin. Isoleucina: Funcin: Junto con la L-Leucina y la Hormona del Crecimiento intervienen en la formacin y reparacin del tejido muscular.

* Valina: Funcin: Estimula el crecimiento y reparacin de los tejidos, el mantenimiento de diversos sistemas y balance de nitrgeno. Los veinte aminocidos que se encuentran en los sistemas biolgicos son:

Todas las protenas son cadenas lineales compuestas de algunos de estos veinte aminocidos.

- Caractersticas de los aminocidos. Los aminocidos son compuestos slidos; incoloros; cristalizables; de elevado punto de fusin (habitualmente por encima de los 200 C); solubles en agua; con actividad ptica y con un comportamiento anftero. La actividad ptica se manifiesta por la capacidad de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolucin de aminocidos, y es debida a la asimetra del carbono , ya que se halla unido (excepto en la glicina) a cuatro radicales diferentes. Esta propiedad hace clasificar a los aminocidos en Dextrogiros (+) si desvian el plano de luz polarizada hacia la derecha, y Levgiros (-) si lo desvian hacia la izquierda. El comportamiento anftero se refiere a que, en disolucin acuosa, los aminocidos son capaces de ionizarse, dependiendo del pH, como un cido (cuando el pH es bsico), como una base (cuando el pH es cido) o como un cido y una base a la vez (cuando el pH es neutro). En este ltimo caso adoptan un estado dipolar inico conocido como zwitterin. El pH en el cual un aminocido tiende a adoptar una forma dipolar neutra (igual nmero de cargas positivas que negativas) se denomina Punto Isoelctrico. La solubilidad en agua de un aminocido es mnima en su punto isoelctrico. La caracterstica ms llamativa de los aminocidos (AA) es la existencia en una misma molcula de grupos cidos (capaces de ceder H+) y grupos bsicos (capaces de captar H+). Por lo tanto, en medio cido se comportan como bases, y en medio bsico se comportan como cidos. Las molculas que presentan esta caracterstica se dice que son anfteros o anfolitos. Los grupos cidos y bsicos pueden neutralizarse mutuamente, constituyendo una sal interna formada por un in hbrido (carga positiva y carga negativa), que se llama zwitterin. Si consideramos un AA sencillo, ste puede adoptar tres formas inicas diferentes:

El primer grupo que se disocia es el carboxilo (pK1 = 2,22). Por la proximidad del grupo NH3+, el COOH se comporta como un cido moderadamente fuerte. Si aplicamos la ecuacin de Henderson-Hasselbalch al primer equilibrio de disociacin, resulta que a pH fisiolgico (7,4), la concentracin de la forma catinica es prcticamente despreciable (una de cada 151.000 molculas en la forma zwitterin). El segundo grupo en disociarse es el NH3+. Como el pK2 es 9,86, la concentracin de la forma aninica es muy pequea en comparacin con la forma zwitterin (1 molcula en forma aninica por cada 300 en forma zwitterinica). El AA se comporta a pH fisiolgico como un cido dbil que est disociado al 0,35%.

Existe un pH para el cual la carga elctrica media de las molculas es cero. Este pH se llama punto isoelctrico (pI). El pI es el pH en el que la molcula se disocia por igual en ambos sentidos, y como equidista de los dos valores de pK, puede obtenerse por su semisuma:

As, para la glicina (pK1=2,22 y pK2=9,86, el pI vale 6,04. As, a pH=6,04 la immensa mayora de las molculas de glicina estaran en forma de iones hbridos (zwitterin) y no se desplazaran hacia ningn polo al aplicarles un campo elctrico. Cuando el AA contiene otros grupos cidos o bsicos, el poder amortiguador gana posibilidades. As, el cido glutmico tiene tres grupos disociables, cuyos pK son: pK1=2,1; pK2=3,9 y pK3=9,8:

La forma I (totalmente protonada) tiene una carga neta positiva. La forma II tiene carga neutra (una positiva y una negativa), la forma III tiene una carga negativa y la forma IV tiene dos cargas negativas. El punto isoelctrico del cido glutmico ser aproximadamente 3,0 (la semisuma de pK1 y pK2, los pK que flanquean a la forma zwitterin). La proporcin de molculas en la forma IV (2 cargas negativas) es tan pequea que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI. En el caso del AA arginina existen dos grupos bsicos y uno cido. La disociacin de la arginina se esquematiza del siguiente modo, donde pK1=2,2; pK2=9,2 y pK3=12,5:

La forma I (totalmente protonada) tiene dos cargas positivas. La forma II tiene una carga neta positiva, la forma III es neutra (una positiva y una negativa) y la forma IV tiene una carga negativa. El punto isoelctrico de la arginina ser aproximadamente 10,85 (la semisuma de pK2 y pK3, los pK que flanquean a la forma zwitterin). La proporcin de molculas en la forma I (2 cargas positivas) es tan pequea que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI.

Las protenas estn formadas por la unin de AA mediante un enlace peptdico. Este enlace se produce entre el grupo COOH de un AA y el grupo NH2 de otro, de forma que desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Sin embargo, siempre existir al menos un grupo amino y un grupo carboxilo terminal, que puedan actuar como amortiguadores. Adems hay algunos AA que aportan grupos ionizables en sus cadenas laterales: cido asprtico y glutmico, arginina, lisina, histidina, etc. Los pK para la disociacin de los grupos cidos o bsicos de estas cadenas laterales pueden verse alterados por la influencia de otros grupos ionizables prximos. La posibilidad de formar un puente de hidrgeno entre un residuo de tirosina y uno de cido asprtico puede alterar el pK de la disociacin del grupo carboxilo. Asmismo, el pK de la disociacin del grupo carboxilo de una cadena lateral de cido glutmico puede verse afectado por las interacciones electrostticas que se pueden establecer con un

residuo de lisina cercano. Un caso particularmente importante es el de la histidina prxima al grupo hemo de la hemoglobina, ya que su pK adopta valores muy distintos en funcin de que est unida al oxgeno o no (figura derecha de la tabla inferior). cido asprtico cido glutmico Histidina

La unin peptdica

Los aminocidos se encuentran unidos linealmente por medio de uniones peptdicas. Estas uniones se forman por la reaccin de sntesis (va deshidratacin) entre el grupo carboxilo del primer aminocido con el grupo amino del segundo aminocido.

PROTENAS Las protenas son las molculas orgnicas ms abundantes en las clulas; constituyen ms del 50 % de su peso seco. Cada protena tiene funciones diferentes dentro de la clula. Adems la mayor parte de la informacin gentica transmitida por las protenas. Las protenas son verdaderas macromolculas que alcanzan dimensiones de las micelas en el estado coloidal. La estructura de tamao micelar con cargas elctricas en su superficie les confiere propiedades de absorcin. Las macromolculas protenicas en ocasiones estn compuestas por una sola cadena polipeptdica; en tal caso reciben el nombre de monomricas. Cuando la protena esta formada por varias cadenas polipeptdicas que pueden o no ser idnticas entre s, reciben el nombre de oligomricas. Las protenas son macromolculas por lo cual poseen pesos moleculares elevados. Todas producen por hidrlisis aminocidos. Existen 20 aminocidos, como sillares para la formacin de protenas, enlazados por uniones cabeza-cola, llamadas: Enlace Polipeptdico. Composicin de las protenas Todas las protenas contienen:

Carbono Hidrgeno Nitrgeno Oxgeno

Y otros elementos tales como:

Azufre Hierro Fsforo Cinc

Clasificacin de las protenas Las protenas pueden clasificarse, basndose en su:

Composicin Conformacin

Segn su composicin, las protenas se clasifican en:

Protenas Simples: Son aquellas que por hidrolisis, producen solamente aminocidos. Protenas Conjugadas: Son aquellas que por hidrolisis, producen aminocidos y adems una serie de compuestos orgnicos e inorgnicos llamados: Grupo Prosttico.

Las protenas conjugadas pueden clasificarse de acuerdo a su grupo prosttico:

Nucleoprotenas (Ac. Nucleco) Metaloprotenas (Metal) Fosfoprotenas (Fosfato) Glucoprotenas (Glucosa)

Segn su conformacin, las protenas pueden clasificarse en :

Protenas Fibrosas: Son aquellas que se hayan constituidas por cadenas polipeptdicas, ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje formando estructuras compactas (fibras o lminas).

Son materiales fsicamente resistentes e insolubles en agua y soluciones salinas diluidas. Ej: (colgeno, queratina, elastina).

Protenas Globulares: Estn constituidas por cadenas polipeptdicas plegadas estrechamente, de modo que adoptan formas esfricas o globulares compactas.

Son solubles en sistemas acuosos, su funcin dentro de la clula es mvil y dinmica. Ej: (enzimas, anticuerpos, hormonas) Existen protenas que se encuentra entre las fibrosas por sus largas estructuras y las globulares por su solubilidad en las soluciones salinas. Ej: (miosina, fibringeno). Estructura de las protenas Estructura Primaria: Es el esqueleto covalente de la cadena polipeptdica, y establece la secuencia de aminocidos. Rige el orden de encadenamiento por medio del enlace polipeptdico. Estructura Secundaria: Ordenacin regular y peridica de la cadena polipeptdica en el espacio. Rige el arreglo espacial de la cadena polipeptdica en el espacio. Arreglos: Hlice-a , Hlice-b , Hlice Colgeno. Estructura Terciaria: Forma en la cual la cadena polipeptdica se curva o se pliega para formar estructuras estrechamente plegadas y compactas como la de las protenas globulares. Rige el arreglo tridimensional en el cual participan las atracciones intermoleculares. (Fuerzas de Van der Walls, Puentes de Hidrgeno, Puentes disulfuro, etc.) Estructura Cuaternaria: Es el arreglo espacial de las subunidades de una protenas, para conformar la estructura global. Es el acompaamiento paralelo de las cadenas polipeptdicas, responsable de las funciones de las protenas. Estructuras Supramoleculares: En ocasiones las protenas asociadas a otras molculas se ensamblan formando estructuras ms complejas denominadas supramoleculares y que ofrecen ventajas de una unidad funcional, teniendo en cuenta una complejidad intermedia entre la conformacin cuaternaria de las protenas oligomricas por un lado y los lisosomas o las mitocondrias por otro. Es la orientacin a la que se ven obligadas en el espacio para ejercer su carcter ptimo.

Desnaturalizacin de las protenas La desnaturalizacin de las protenas implica modificaciones en la estructura de la protena que traen como resultado una alteracin o desaparicin de sus funciones. Este fenmeno puede producirse por una diversidad de factores, ya sean fsicos cmo: el calor, las radiaciones ultravioleta, las altas presiones; o qumicos cmo: cidos, bases, sustancias con actividad detergente. Este fenmeno genera la ruptura de los enlaces disulfuro y los puentes de hidrgeno, generando la exposicin de estos.

Cuando la protena es desnaturalizada pierde sus funciones cmo: viscosidad, velocidad de difusin y la facilidad con que se cristalizan. La reversibilidad de la desnaturalizacin, depende que tan fuertes sean los agentes que desnaturalizaron la protena. Todo depende del grado de ruptura generado en los enlaces. Funciones de las protenas - Funciones Especficas: - Catlisis: Las enzimas catalizan diferentes reacciones. La hexoquinasa cataliza la transferencia del grupo fosfato desde el ATP a la glucosa. - Almacenamiento de aminocidos, cmo elementos nutritivos: Ovoalbmina, Casena, Glidina. - Transporte de molculas especficas: Seroalbmina, Lipoprotenas, Hemoglobina. - Proteccin: Los anticuerpos protegen el organismo de agentes extraos que puedan daarlo. - Estructuracin: Forman la masa principal de los tejidos. - Funciones no Especficas (por ser generales):

Amortiguadora Energtica Onctica Funciones Hereditarias

Electroforesis de Protenas Las protenas son molculas cuya carga neta depende del contenido de una serie de aminocidos (fundamentalmente cido glutmico, cido asprtico, lisina, arginina e histidina) y del grado de ionizacin de stos al pH considerado. En los soportes no restrictivos (en los que el entramado no interfiere en la migracin, ya que el tamao de las protenas es muy pequeo en comparacin con el tamao de poro del soporte), la separacin depende de la densidad de carga de las molculas y, as, cuanto mayor sea la densidad, mayor ser la velocidad de migracin en un campo elctrico hacia el polo que determine su carga neta. Precipitacin salina

Un aumento de la fuerza inica del medio (por adicin de sulfato amnico, urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) tambin provoca una disminucin en el grado de hidratacin de los grupos inicos superficiales de la protena, ya que estos solutos compiten por el agua y rompen los puentes de hidrgeno o las interacciones electrostticas, de forma que las molculas proteicas se agregan y precipitan. En muchos casos, la precipitacin provocada por el aumento de la fuerza inica es reversible. Mediante una simple dilisis se puede eliminar el exceso de soluto y recuperar tanto la estructura como la funcin original. A veces es una disminucin en la fuerza inica la que provoca la precipitacin. As, las protenas que se disuelven en medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se renaturalizan cuando se restaura la fuerza inica original.

Para estudiar Protenas plasmticas. Hemoprotenas. Hemoglobina. Ferroprotenas no hemticas. Citocromos: estructura y funcin, ver bibliografa recomendada. Bibliografa: Bsica: Bioqumica 2da edicin: Lenhinger Bioqumica: Stryer Bioqumica de Harper 14 Edicin: Murray et al. Qumica Biolgica 7ma Edicin: Blanco Complementaria: Elementos de Bioqumica: Herrera Bioqumica Vol 1 y 2: Niemeyer Bioqumica General: Torres Carminatti Bioqumica: Bohinski Curso Breve de Bioqumica: Lehninger Bioqumica: Diaz Zagoya Bioqumica: Milton/Toporek Bioqumica: Cantarow Bioqumica Humana: Orten Neuhaus.