Tema_4_aminoacidos

Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
TEMA 4
AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS
1. Estructura y clasificación de los aminoácidos.
2. Propiedades ácido-base de los aminoácidos y péptidos
3. El enlace peptídico
4. Péptidos: hidrólisis y secuenciación
5. Clasificación y función biológica de las proteínas
6. Niveles estructurales de las proteínas
1. Estructura y clasificación de los aminoácidos.
Como su nombre indica los aminoácidos son compuestos que poseen un grupo
amino (-NH2) y un grupo ácido (carboxílico -COOH) en su estructura. Los
aminoácidos son los precursores de los péptidos y las proteínas, y en ellos el grupo
amino y el grupo carboxilo, se encuentran unidos al mismo átomo de carbono,
conocido como carbono- (-aminoácidos). La estructura general de los aminoácidos (a excepción de la prolina, que es cíclica) se muestra en la Figura 1.
Figura 1.
Estructura química de un aminoácido. Estructura química en
el plano y estructura espacial. Enantiómeros del aminoácido
alanina.
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Bioquímica y Biología Molecular
Como se puede apreciar, el carbono- (a excepción de la glicina) es un carbono
quiral y como tal presenta dos enantiómeros (L- y D-). Los 20 -aminoácidos
presentes en las proteínas son de la serie L- y en su representación de Fischer
poseen el grupo amino hacia la izquierda. La diferencia entre los aminoácidos viene
dada por el resto -R, o cadena lateral, unida al carbono-. Atendiendo a la
naturaleza del grupo -R los aas pueden clasificarse en:
·
·
·
·
Neutros o apolares
Polares sin carga
Polares con carga negativa
Polares con carga positiva
La Figura 2 recoge las estructuras de los 20 L--aminoácidos a pH fisiológico.
Neutros o Apolares. Son 8 los aminoácidos que se clasifican como poseedores de
cadenas laterales no polares. La alanina, valina, leucina e isoleucina, poseen
cadenas laterales de hidrocarburos alifáticos. La metionina posee una cadena
lateral de éter tiólico (C-S-C). La prolina es el único aminoácido cíclico, pues el
grupo -R se cierra sobre el N del grupo -amino (realmente es un amina
secundaria). Por su parte, la fenilalanina y el triptófano contienen grupos
aromáticos.
Polares sin carga. Siete son los -aminoácidos cuyo resto -R es polar pero sin
carga. La glicina posee la cadena más simple, un átomo de hidrógeno. La serina y
la treonina son portadores de un grupo hidroxilo (-OH). La asparragina y la
glutamina, poseen cadenas laterales portadoras de un grupo amida, y por hidrólisis
dan lugar, respectivamente, a aspartato y glutamato, dos aminoácidos con carga
negativa. La tirosina posee un grupo fenólico y la cisteína debe su polaridad a la
presencia de un grupo tiólico (-SH).
Polares con carga negativa. Existen dos -aminoácidos cuyo resto polar posee
carga negativa a pH fisiológico, debida a la presencia de un grupo carboxilo (COOH) , el ácido glutámico y el ácido aspártico.
Polares con carga positiva. Tres son los -aminoácidos que poseen restos -R
cargados positivamente a pH fisiológico. La lisina posee una cadena lateral de
butilamonio, la arginina presenta un grupo -R de guanidina y la histidina es
portadora de un grupo -R de imidazolio.
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Figura 2.
Estructura química de los L-aminoácidos.
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Esta clasificación se ha realizado en base al grupo -R, pero es importante indicar
que a pH fisiológico (pH 7,3), el grupo -amino se encuentra cargado positivamente
y el grupo -carboxilo lo está negativamente, por esta razón en la Figura 2 estos
grupos aparecen siempre cargados.
Dentro del conjunto de los aminoácidos naturales, existen unos que pueden ser
sintetizados por las células humanas a partir de otras sustancias, pero también hay
aminoácidos que debemos tomarlos en la dieta, ya que nuestras células no pueden
sintetizarlos o, cuando menos, no en cantidad suficiente para satisfacer la demanda
del organismo; se conocen con el nombre de aminoácidos esenciales y son valina,
leucina, isoleucina, treonina, metionina, fenilalanina, triptófano y lisina.
2. Propiedades ácido-base de los aminoácidos y los péptidos
El pH del medio en el que se encuentre el aminoácido es esencial para determinar
sus propiedades ácido-base, aspecto importante pues de ello dependen las
propiedades químicas y la funcionalidad biológica de los péptidos y proteínas que
forman.
Las propiedades ácido-base de un aminoácido vienen determinadas por los grupos
protonables que posea. Un aminoácido puede actuar bien como ácido o como base
(sustancias anfóteras), pudiendo tener hasta tres grupos con carácter ácido-base:
el -amino, el -carboxilo y, en algunos casos, el resto -R. Lo importante es que
estos grupos poseen un carácter ácido-base débil, lo que hace que, dependiendo
del pH, el correspondiente equilibrio pueda desplazarse en un sentido o en otro
(hacia la forma protonada o hacia la desprotonada, Figura 3).
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Figura 3
Ionizaciónentre
de unlas
L-aminoácido.
La expresión que regula la proporción
formas protonada y desprotonada
es:
pH  pK a  log
DP
P
Donde DP es la forma protonada y P es la forma desprotonada. Veamos como
afecta el pH a la valina. La val posee sólo dos grupos protonables, el -amino y el carboxilo. A pH fisiológico la valina presentaría la siguiente estructura:
COO
+
NH3
CH
CH
CH3
CH3
Tomemos los grupos por separado y veamos como les afecta el pH. El grupo amino presentaría dos formas, una protonada (P) y cargada positivamente (-NH3+),
y otra desprotonada (DP) y sin carga (-NH2), según el siguiente equilibrio:
 NH 3  NH 2  H 
dondeel pKa   log K a   8
si el pH aumenta, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (dominando la forma
con carga 0) y si disminuye lo hará hacia la izquierda (dominando la forma con carga
+1).
Con el grupo -carboxilo ocurriría algo similar:
 COOH  COO  H 
dondeel pKa   log K a   2
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En función del pH, la proporción de forma protonada (carga 0) o forma desprotonada
(carga -1) variará, respetando siempre la constante de ionización del grupo en
cuestión si la temperatura se mantiene constante.
Supongamos que estamos ahora a pH 1; en estas condiciones de elevada
concentración de protones en el medio ambos equilibrios estarían desplazados en
un 100 % hacia las formas protonadas. Si aumentamos el pH los equilibrios
comenzarían a desplazarse hacia la derecha hasta llegar a un pH muy básico,
momento en el que las formas dominantes (al 100 %) serían las desprotonadas.
Pero, ¿qué ocurre a pHs intermedios?. Para ello debemos tener en cuenta la Ka
para cada equilibrio, o mejor dicho su pKa (que sería el -logKa). El grupo -amino de
la valina tiene un pK de 8, y esto quiere decir que a pH 8 el 50 % de los grupos
amino estarán protonados (si tenemos 100 moléculas de valina, 50 tendrán el grupo
amino protonado y 50 lo tendrán desprotonado, al menos teóricamente, según se
desprende de la constante de ionización). Por su parte el grupo -carboxilo de la
valina, que tiene un pK de 2, estará protonado al 50 % cuando el pH del medio sea
2.
En general se asumen las siguientes consideraciones, para determinar el porcentaje
de protonación de un grupo ionizable en un aminoácido:
·
·
·
Si el pH < pK-1 el grupo esta al 100 % protonado
Si el pH > pK+1 el grupo está al 100 % desprotonado
Si el pH = pK el grupo está al 50 % protonado
Tomemos ahora un aminoácido con tres grupos ionizables, el ácido glutámico:
+
COO - (-carboxilo)
(-amino) NH3
CH
CH2
CH2
COO (-carboxilo)
que posee el grupo -amino, el -carboxilo y el -carboxilo. Los tres grupos
ionizables darán lugar a tres equilibrios ácido-base distintos, cada uno con su
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correspondiente pKa (2, 4 y 8 respectivamente). Para ver como afecta el pH a la
carga de cada grupo vamos a realizar la siguiente tabla, en la que ordenamos (de
menor a mayor pK) los grupos protonables y sus correspondientes valores de carga
en función del pH:
GRUPO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-carboxilo
(pK=2)
0
-0,5
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-carboxilo
(pK=4)
0
0
0
-0,5
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-amino
(pK=8)
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,5
0
0
carga total
+1
0,5
0
-0,5
-1
-1
-1
-1,5
-2
-2
1) a pH= 1, el pH es inferior en una unidad al pK del grupo -COOH, el cuál
estará protonado al 100 %, luego su carga será 0; y lo mismo le ocurrirá al
grupo -COOH, protonado al 100 % y con carga 0. Por su parte, el grupo amino también estará protonado, aunque en este caso la carga del grupo es
+1.
2) a pH= 2, se produce coincidencia del pH con el pK del -COOH, por lo que
estará al 50 % protonado. Luego la carga será -0,5 ; este pH es aún dos
unidades inferior al pK del grupo -COOH, que seguirá protonado (0), como
también le ocurriría al grupo -amino (+1). La carga total del glutámico sería
0,5.
3) a pH= 3, se ha superado en una unidad el pK a del -COOH, luego estará
desprotonado al 100 % y su carga será -1 para valores superiores de pH. Los
otros dos grupos siguen estando protonados al 100 % (0 y +1,
respectivamente). Y la carga total será cero.
4) a pH= 4, el pH coincide con el pKa del grupo -COOH y estará protonado
en un 50% (carga -0,5). El -COOH seguirá desprotonado (0) y el -amino
protonado (+1). La carga total será ahora -0,5.
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5) a pH=5 el grupo -COOH estará al 100 % desprotonado y el resto de
grupos seguirá igual, hasta llegar a pH= 8, donde el -amino estará
desprotonado al 50 % (0,5) , grupo que se desprotonará al 100 % a partir de
un pH= 9.
Como se puede apreciar en la tabla, la carga total del aminoácido depende del pH
de la disolución en que se encuentre.
En la siguiente tabla pueden localizarse los aminoácidos que, al igual que el ácido
glutámico, poseen grupos –R protonables.
Existe un pH al cual la carga neta del aminoácido es cero (si lo colocamos en un
campo eléctrico no se desplazará hacia ninguno de los polos). El pH al cuál un
aminoácido posee carga neta cero recibe el nombre de punto isoeléctrico (pI), que
es la media aritmética de los valores de pK1 y pK2 que delimitan la forma con carga
cero.
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3. El enlace peptídico
Los aminoácidos se encuentran unidos en los péptidos y las proteínas mediante un
enlace amida (-CO-NH-):
Este enlace se forma por reacción entre el grupo -COOH de un aminoácido y el amino del siguiente (con pérdida de una molécula de agua) y recibe el nombre de
enlace peptídico.
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Figura 4.
Estructura espacial del enlace peptídico. (a) Ilustración del
carácter parcialmente doble del enlace peptídico. (b)
EntreConfiguración
los años 1930-1940,
Pauling yel Corey,
mediante
del plano que conforman
enlace peptídico
y los el estudio de Rayos X de
carbonos

extremos.
cristales de aminoácidos, dipéptidos y tripétidos, dilucidaron la estructura
tridimensional del enlace peptídico (Figura 4). Así, descubrieron que la unión C-N del
enlace peptídico era más corta que en la mayor parte de los demás enlaces C-N y
llegaron a la conclusión de que el enlace debía tener algún carácter de doble enlace,
por la aparición de dos formas resonantes:
Luego dedujeron que los 4 átomos que rodeaban al enlace peptídico C-N (O, C,
C, H) estaban situados en el mismo plano, de tal manera que el oxígeno del grupo
carbonilo y el hidrógeno del N-H estarían en posición trans. Esta ordenación es
rígida, y es el resultado de la estabilización por resonancia de las formas
anteriormente citadas.
Partiendo de estos dos hechos, puede describirse el armazón de una cadena
polipeptídica como constituido por una serie de planos, con posibilidad de giro en los
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C. De esta forma podemos escribir la estructura de un péptido como una sucesión
de planos en la que los grupos -R se van alternando (Figura 5).
Figura 5.
Estructura espacial de un péptido. Secuencia ordenada de
los planos de enlace peptídico en el espacio. Los grupos R se
alternan por encima y debajo del plano general de la molécula.
4. Secuenciación de un péptido
La secuencia de un péptido tiene gran importancia porque entre otras cosas
condiciona los siguientes niveles estructurales. La insulina bovina fue la primera
proteína que se secuenció completamente por Sanger en 1953, lo que le valió el
premio Nobel. La determinación de la secuencia de la insulina fue el resultado del
trabajo de muchos científicos durante 10 años, desde entonces se han secuenciado
miles de proteínas.
La secuencia de un péptido, si conocemos el gen del que proviene, puede
secuenciarse indirectamente, secuenciando dicho gen. Pero también puede hacerse
la secuenciación química directa. Los pasos a seguir son:
-
Determinación de la composición del péptido por hidrólisis total y posterior
análisis cromatgráfico.
Determinación de los extremos C-terminal y N-terminal
Fragmentación por hidrólisis selectiva
Secuenciación: Degradación de Edman
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· La determinación de la composición del péptido se realiza por hidrólisis total
presencia de HCl 6N, calentando a 100 °C durante 10-24h, y en tubo al que se le
ha hecho el vacío. Tras el proceso se utiliza un sistema cromatográfico que
permita separar y determinar cuántos y cuáles son los aminoácidos que forman la
cadena.
· La determinación de los extremos C-terminal y N-terminal. Hay métodos que
permiten determinar el primer aminoácido (Resto N- terminal) o el último (Resto
C- terminal) de una cadena polipeptídica.
La determinación del resto N-terminal, se puede realizar, entre otros métodos,
mediante la Degradación de Edman: en este proceso el péptido reacciona con
fenil isotiocianato que se une selectivamente al primer aminoácido. A continuación
se escinde con HF anhidro el aminoácido marcado, separándolo del resto
selectivamente con un disolvente orgánico. Tras un tratamiento en medio ácido el
compuesto resultante se determina cromatográficamente (Figura 6).
Figura 6.
Determinación de la secuencia de un péptido. Determinación del primer
aminoácido utilizando 2,4-dinitrofluorobenceno (a) o fenilisotiocianato (b).
Este segundo método también se conoce como degradación de Edman .
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Por otro lado, la determinación del resto C-terminal, se puede realizar con
Hidracina: este compuesto reacciona con todos los enlaces peptídicos del péptido,
provocando la hidrólisis de los mismos y dando lugar a aminoacil-hidracinas con
todos los aminoácidos excepto con el último (C-terminal), pudiendo separarse del
resto fácilmente y determinarse con posterioridad su naturaleza.
Fragmentación por hidrólisis parcial es necesaria porque por lo general no pueden
secuenciarse péptidos con mas de 20 o 30 aminoácidos. Se realiza con reactivos
selectivos (en la mayoría de los casos proteasas) que hidrolizan determinados
enlaces peptídicos.
La tripsina hidroliza por la derecha de Arg , Lys
La quimotripsina hidroliza por la derecha de Phe, Trp, Tyr
La pepsina hidroliza por la izquierda de Phe, Trp, Tyr
La termolisina hidroliza por la izquierda de Val, Leu, Ile
El bromuro de cianógeno (BrCN) hidroliza por la derecha de la Met
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La secuenciación. Entre los distintos métodos existentes, podemos citar la
degradación de Edman, cuyo fundamento hemos visto en la determinación del
extremo N-terminal. La aplicación continuada de varios ciclos de la degradación de
Edman me permite la secuenciación de todo el péptido, siempre que este no tenga
más de 20 o 30 aminoácidos.
No obstante los actúales requerimientos de secuenciación de gran cantidad de
péptidos en poco tiempo, han dado origen al desarrollo de nuevos métodos de
secuenciación de péptidos, desarrollados principalmente para afrontar proyectos
como el del proteoma humano. Entre estos métodos podemos citar el MALDI MS y
el ESI MS, ambos basados en la espectrometría de masas.
La espectrometría de masas permite calcular la masa del compuesto analizado con
gran precisión. Esta técnica se basa en que la desviación que sufre una partícula
cargada al atravesar un campo magnético depende básicamente de su carga y
masa. Si ionizamos las moléculas, la mayoría con carga +1, y las sometemos a un
barrido de campo magnético obtenemos un espectro de masas. Esta técnica se
utilizaba con moléculas en fase gaseosa lo que impedía su aplicación a moléculas
sensibles a la descomposición por calor o por los tratamientos tradicionales
utilizados para pasar la muestra a fase gaseosa. En 1988 se desarrollaron dos
técnicas que permiten evitar este problema.
La espectrometría de masas da mucha información sobre la masa molecular, la
presencia de cofactores, etc. Y además puede utilizarse para secuenciar pequeñas
cadenas de polipéptidos, mediante una técnica conocida como tanden MS, que
básicamente consiste en dos epectrometros de masas en serie. La proteína bajo
estudio se trata con proteasas para obtener una mezcla de pequeños péptidos. En
el primer espectrómetro la mezcla de péptidos se trata de forma que solo uno de los
péptidos es seleccionado para su posterior análisis. El péptido seleccionado se
fragmenta en la cámara de colisión que se encuentra entre los dos espectrómetros
donde una pequeña cantidad de gas noble (He o Ar) produce la fragmetación del
péptido preferentemente por los enlaces peptídicos, como la cámara está en vacío
no hay agua los productos son radicales. Los fragmentos son medidos en el
segundo espectrómetro. En un especto típico los picos mayoritarios corresponden a
radicales que difieren en la masa de un aminoácido particular. Así puede deducirse
la secuencia. La única ambigüedad tiene lugar entre la leucina y la isoleucina que
tienen la misma masa molecular. Este método es rápido, requiere sólo minúsculas
cantidades de muestra que pueden ser extraídas de una electroforesis
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
bidimensional. Las grandes compañías como Celera (participó en el proyecto
genoma humano) disponen de sistemas automatizados en que una gran cantidad de
proteínas se separan por electroforesis bidimensional o HPLC, cada punto puede
ser luego secuenciado por un espectrómetro en tandem. Este método podría usarse
también para la secuenciación de DNA, pero los métodos tradicionales son tan
rápidos que no es rentable.
La figura muestra un típico espectro realizado por espectrometría en tandem de un
pequeño péptido de 10 aminácidos. La secuencia deducida de este péptido fue;
Phe-Pro-Gly-Gln-(Ile/Leu)-Asn-Ala-Asp-(Ile/Leu)-Arg.
5. Clasificación y función biológica de las proteínas
Las proteínas son cadenas polipéptidicas que se diferencian de los oligopéptidos en
el número de aminoácidos que contienen, en su carácter funcional y sobre todo en
que son el resultado del proceso de traducción genética. La conformación de una
proteína hace referencia a la disposición espacial de la misma, aspecto de vital
importancia, pues va a estar directamente relacionado con la función que
desempeñan. Según la conformación las proteínas pueden clasificarse en fibrosas
y globulares. Las fibrosas poseen las cadenas polipeptídicas ordenadas de modo
paralelo a lo largo de un eje. Forman materiales físicamente resistentes e insolubles
en agua, siendo elementos básicamente estructurales como por ejemplo la queratina del pelo, la fibroina de la seda o el colágeno de los tendones. Por su parte,
las proteínas globulares, están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas
plegadas de modo que puedan adoptar una conformación esférica o globular,
desempeñando diferentes funciones de tipo metabólico (proteínas transportadoras,
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
enzimas, anticuerpos,...). Algunas proteínas incluso pueden situarse entre estas dos
conformaciones como sería el caso de la miosina de los músculos o el fibrinógeno
de la sangre.
6. Niveles estructurales de las proteínas
La conformación que presenta una proteína va a depender directamente de los
distintos niveles estructurales (hasta cuatro, esquema en Figura 7) que posee,
niveles que a continuación se detallan.
Figura 7.
Esquema de los cuatro niveles de estructura de las proteínas.
a) Estructura primaria: hace referencia a la posición que ocupa cada aminoácido
en la cadena polipeptídica, es decir nos da idea de la secuencia de la proteína. La
importancia de este nivel radica en que la posición que ocupa cada aminoácido
dentro de la cadena va a condicionar enormemente el resto de los niveles
estructurales y en último término la función que desempeña la proteína.
b) Estructura secundaria: hace referencia a la ordenación regular y periódica de la
cadena polipeptídica en una dirección determinada. Básicamente, podemos
encontrar dos tipos de estructura secundaria, la hélice- y la conformación-ß.
64
Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas

Bioquímica y Biología Molecular
En la Hélice- (Fig.8) la cadena polipeptídica adopta una conformación
helicoidal. Las estructuras helicoidales se caracterizan por el numero de
aminoácidos por vuelta (n) (3,6 restos en la Hélice-) y por su paso de
rosca (p), o distancia entre vueltas (5,4 Å para la Hélice-). Esta
conformación se estabiliza por puentes de hidrógeno (R-C=O ····· H-N-R)
intracatenarios (dentro de la hélice). Además, los restos -R de los
aminoácidos se disponen hacia fuera de la hélice evitando las interacciones
estéricas (por grupos voluminosos) y estabilizando la conformación. Por otro
lado, la hélice- se distorsiona o pierde la conformación cuando en la
secuencia aparece una prolina, único aminoácido ciclado por su grupo amino.
Figura 8.
Esquema de la hélice-

En la conformación-ß (Fig.9) la cadena adopta una ordenación lineal en la
que los restos -R, de los aminoácidos, se van alternando por encima y por
debajo (zig-zag) del plano del enlace peptídico. Esta conformación se
estabiliza con puentes de hidrógeno entre varias cadenas de proteínas con
conformación-ß. El resultado de estas interacciones es la hoja plegada ß,
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
que puede presentar un plegamiento paralelo, (en
el que las cadenas
vecinas se desarrollan en la misma dirección), o bien un plegamiento
antiparalelo con cadenas vecinas en direcciones opuestas.
Figura 9.
Esquema de la hoja plegada-En
antiparalela (a) y paralela (b)
conformación
Aunque las dos conformaciones (hélice- y hoja plegada- son posibles dentro de
una misma proteína (como veremos en la estructura terciaria), existen también
proteínas que presentan sólo una de las dos.
La -queratina es una proteína que
aparece en todos los vertebrados
superiores y es el componente
principal del pelo, la lana, las uñas o
los cuernos. El pelo está construido
por células muertas, cada una de las
cuales
contiene
macrofibrillas
empaquetadas que se orientan
paralelamente a la fibra del pelo.
Éstas
están
formadas
por
microfifrillas, que es una asociación de
protofibrillas que continúen dos
cadenas
de
hélice-
retuercen en un arrollamiento hacia la
izquierda. Las -queratinas poseen un
alto contenido de Cys (R= -CH2-SH)
Fig.10
-queratina del pelo
66
Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
de tal manera que las interacciones entre las hebras se producen a través de
puentes disulfuro (-S-S-) dando una gran resistencia e insolubilidad al conjunto.
Aunque la insolubilidad de las 
animales la puedan digerir, la polilla, posee una concentración elevada de
mercaptanos, que rompen los puentes disulfuro, en su tracto digestivo, y por lo tanto
pueden digerir la lana.
Por su parte, la fibroína (Fig.11) de la seda es una agrupación de ß-queratinas en
conformación hoja plegada-ß antiparalela unidas por enlaces de hidrógeno
intracatenarios. La fibroina y otras ß-queratinas son muy ricas en aminoácidos poco
voluminosos (gly y ala), lo que facilita que las hojas se apilen unas sobre otras, de
tal modo que se alternan zonas de contacto entre glicinas y zonas de contacto entre
alaninas, interaccionando mediante fuerzas débiles de van der Waals. Este hecho
hace posible que la seda pueda extenderse en fibras fácilmente separables
(separando hojas) pero relativamente difíciles de romper (implicaría romper los
enlaces peptídicos).
Figura 11.
Hoja plegada- de
fibroina de la seda.
la
Por otro lado, existe la posibilidad de transformar la -queratina en ß-queratina. Así,
cuando el pelo o la lana se someten a la acción del vapor (calor + humedad) pueden
incluso duplicar su longitud. Lo que ocurre es que se rompen los puentes de
hidrógeno de la hélice- y las cadenas polipeptídicas adoptan una conformación-ß;
no obstante los grupos -R de las -queratinas son muy voluminosos, lo que hace
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
que la conformación-ß se desestabilice y al poco tiempo adopte de nuevo la
conformación en -hélice con lo que el pelo o la lana recuperan su longitud original.
c) Estructura terciaria : hace referencia al modo en que se curvan o pliegan en el
espacio los segmentos de hélice- y/o conformación-ß, que presenta una cadena
polipeptídica de los proteínas globulares. La conformación espacial de las
proteínas depende lógicamente de su estructura primaria, así las cadenas laterales
de los aminoácidos en las proteínas globulares se hallan distribuidas espacialmente
de acuerdo con sus polaridades, de tal forma que:
 Los restos no polares aparecen, casi siempre, en el interior de la proteína,
para no entrar en contacto con el disolvente acuoso que la envuelve,
creando un ambiente hidrofóbico.
 Los residuos polares con carga se hallan situados, normalmente en la
zona externa, interaccionando con el medio acuoso. A veces, se requiere
de estos centros en la parte interna de la proteína y en estos casos
también ocurre que están directamente implicados en alguna
funcionalidad de la proteína, bien a nivel estructural o bien a nivel
catalítico.
 Los grupos polares sin carga, aparecen distribuidos por la totalidad de la
cadena, si bien mayoritariamente, también aparecen en las partes
externas, en contacto con la disolución acuosa.
Como consecuencia de esta distribución de restos, las proteínas globulares son muy
compactas, hay poco espacio en el interior, de modo que el agua difícilmente
accede a dicho espacio.
Algunas proteínas, como le ocurre a la mioglobina (Fig.12) están constituidas solo
por hélices-. La estructura terciaria de la mioglobina, se trata de una proteína
globular que contiene una sola cadena polipeptídica, constituida por ocho
segmentos de hélice- . La mioglobina se halla, principalmente, en las células de los
músculos esqueléticos y es especialmente abundante en los mamíferos buceadores,
en los que no sólo actúa almacenando oxígeno, sino también contribuyendo al
aumento de la velocidad de difusión del oxígeno. La proteína, además, contiene un
componente no proteico, el grupo hemo que permite la oxigenación y
desoxigenación de forma reversible.
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
Fig.12.
Estructura de la
Mioglobina, donde se
aprecia el grupo hemo (en
rojo) y los 8 segmentos en
hélice-
Mioglobina
Otras proteínas globulares, como la concanavalina A (Fig.13a) (lectina de soja)
mayoritariamente está formada por regiones extensas de hoja plegada-ß. Por otro
lado, también nos podemos encontrar con proteínas que poseen cantidades
significativas de ambos tipos de estructura secundaria, como puede ser la
anhidrasa carbónica (Fig.13 b).
a
b
Fig.13.
Estructura de la concanavalina A (a) y la anhidrasa carbónica (b)
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Tema 4. Aminoácidos, péptidos y proteínas
Bioquímica y Biología Molecular
d) Estructura cuaternaria: Muchas proteínas globulares son oligoméricas, es decir
están formadas por más de una subunidad polipeptídica. La posición espacial que
ocupa cada una de estas subunidades respecto a las otras queda determinada por
la estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria de la hemoglobina (Hb) estaría
formada por cuatro subunidades (iguales dos a dos) cada una con su grupo hemo,
necesario para el transporte de oxígeno.
Fig.14
Estructura cuaternaria de
la hemoglobina
En la figura 7 se mostraban los cuatro niveles estructurales presentes en la
hemoglobina. Así, se puede apreciar como la estructura primaria condiciona el resto
de niveles estructurales de la Hb. De hecho, existen varias mutaciones de las
moléculas de Hb, en las que la secuencia de aminoácidos difiere un poco de la
secuencia de la Hb normal (conocida como HbA). La mayoría de estas mutaciones
son inofensivas, pero algunas causan graves enfermedades, como es el caso de la
Hb de las células falciformes (HbS).
La diferencia entre la HbA y la HbS (Fig.15a y
15b) radica sólo en que en la secuencia una
molécula de ac. glutámico (polar con carga) es
Fig.15a
Glóbulos rojos con HbA
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sustituida por una Val (apolar). Este pequeño cambio (1 de los 146 aas de las
cadenas- ß) tiene un profundo efecto sobre el resto de niveles estructurales, pues la
apolaridad de la Val (situada en un extremo exterior) interacciona de modo
hidrofóbico con partes apolares de las subunidades a de otras HbS. Esto hace que
las moléculas se agreguen y precipiten en las células. Como consecuencia, los
glóbulos rojos (normalmente con forma de disco) adoptan una forma de media luna,
obstruyendo los capilares más delgados, restringiendo el flujo sanguíneo y
provocando entre otras complicaciones dolores severos y sudoración.
Fig.15b
Glóbulos rojos con HbS
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