APUNTES DE BIOQUÍMICA AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS

APUNTES DE BIOQUÍMICA
2
AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS & PROTEÍNAS
1
Julián A. Chamucero Millares1
L
as proteínas son polímeros de
aminoácidos;
es
decir,
son
macromoléculas que se forman por la
unión de moléculas más pequeñas llamadas
monómeros; en este caso los aminoácidos.
Dichas macromoléculas se consideran los
principales constituyentes estructurales y
funcionales de los organismos vivos de la
naturaleza, por lo que existen millones de
proteínas con funciones muy diversas, entre
las cuales tenemos:








Catálisis de reacciones químicas
Transporte de sustancias [vitaminas,
oxígeno]
Proveer
la
estructura
de
compartimentos
celulares
[membrana plasmática]
Transmisión
neuronal
[neurotransmisores]
Contracción muscular
Componentes de la cascada de la
coagulación
Componentes de los mecanismos
inmunes.
Moléculas
de
señalización
intracelular
Los aminoácidos son entonces los
monómeros de las proteínas. Se caracterizan
por tener la siguiente estructura general:
1
Médico Interno. Internado énfasis en
investigación. Laboratorio de Biomiméticos –
Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional
de Colombia. 2012.


Un átomo de hidrógeno [H]
Un carbono alfa [Cα], que tiene las
siguientes particularidades
1) Es un carbono central y
asimétrico [quiral] dado que
se une a 4 grupos químicos
diferentes
[excepto
el
aminoácido glicina]
2) Tiene
dos
posibles
configuraciones [isómeros
ópticos]
3) Por dicha configuración
óptica, los aminoácidos son
enantiómeros; es decir,
moléculas con imágenes
especulares
no
superponibles.
4) Son capaces de desviar el
plano de la luz polarizada




Un grupo amino protonado [NH3+]
Un grupo carboxilo desprotonado
[COO-]
La existencia de una molécula
neutra, por la presencia de dos
grupos con cargas opuestas, recibe el
nombre de zwitterion.
La cadena lateral R es la que
determina
la
identidad
del
aminoácido:


intervienen en la estabilidad
de las proteínas.
Met: su átomo de azufre
permite la formación de
puentes disulfuro.
Pro: Tiene una estructura
cíclica rígida que reduce la
flexibilidad de las
cadenas proteícas.
2) Aromáticos
1) Complementa la estructura
del aminoácido
2) Es determinante en la
función de la proteína
3) Otorga la carga eléctrica a la
molécula
4) Permite
el
análisis,
purificación e identificación
de las proteínas.
Teniendo en cuenta lo anterior, podemos
clasificar los aminoácidos, según las
características de su cadena lateral R:
1) Alifáticos, no polares
Este grupo lo constituyen la glicina,
alanina, prolina, valina, leucina,
isoleucina y metionina. Presentan
como grupo lateral una cadena de
hidrocarburos alifáticos.
 Ala, Val, Leu, Ile: favorecen
las
interacciones
hidrofóbicas, de modo que,
Constituido por la fenilalanina, la
tirosina y el triptófano.
 Los
3
participan
en
interacciones hidrofóbicas
 Tyr tiene un grupo hidroxilo
[OH] que le permite forman
puentes de hidrógeno [-H-]
 Absorben la luz ultravioleta
[UV]
2
3) Polares no cargados o neutros




Lys: posee un grupo amino
primario
Arg: presenta un grupo
guanidium protonado
His: su grupo R es un anillo
imidazólico.
Los 3 aminoácidos favorecen
las reacciones enzimáticas, ya
que actúan como donadores
o aceptores de protones.
5) Ácidos o con carga negativa
Pertenecen a este grupo la serina,
treonina, cisteína, asparagina y
glutamina.



Tienen grupos hidroxilo o
amida
La fosforilación en residuos
de serina o treonina tienen
grandes implicaciones en la
señalización intracelular y el
metabolismo.
La asparagina actúa como
sitio de anclaje para los
carbohidratos
y
la
conformación
de
las
glucoproteínas.
4) Básicos o con carga positiva
Son la lisina, la arginina y la histidina.
Los aminoácidos ácidos son el
aspartato y el glutamato. Se
caracterizan por presentar un
segundo grupo carboxilo. Una de
sus funciones importantes es la de
participar en la biosíntesis de los
aminoácidos.
¿Ácidos o bases?
C
omo hemos visto, los aminoácidos
presentan en su estructura dos
grupos ionizables como lo son el
grupo carboxilo y el grupo amino; además,
tienen la posibilidad de incluir en su
estructura grupos adicionales según la
cadena lateral R que les pertenezca. Estos
grupos tienen la capacidad de disociarse en
disoluciones acuosas y determinar la carga
neta de la molécula. Para el caso de los
aminoácidos, la mayoría de ellos se
encuentran en su forma zwitterion a pH
neutro o fisiológico pero pueden
comportarse tanto como ácidos o como
bases según la variación de la concentración
de hidrogeniones de la disolución. A esta
3
clase de compuestos – de comportamiento
ácido-base – se les llama anfóteros o
anfolitos.
2.34 y 9.60, para los estadios catiónico y
aniónico respectivamente.
El pKa 2.34 nos indica que en una
solución de pH = 2.34 el aminoácido
tiene un 50% de su fracción catiónica
ionizada y el 50% restante no
ionizado. De igual manera sucede con
el otro valor de pKa para la fase aniónica.
Ambos valores de pKa indican que a iguales
La cualidad anfolítica de los aminoácidos nos
permite realizar las llamadas curvas de
titulación, en ellas:




Se realiza una adición o remoción
gradual de hidrogeniones [H+]
A pH ácido todos los grupos se
encuentran protonados
A pH básico todos los grupos están
desprotonados
El punto intermedio de cada estadio
[anión o catión] corresponde al pKa.
El diagrama de una curva de titulación nos
permite obtener los siguientes datos:




Una medida cuantitativa del pKa
Calcular los rangos de buffer
del aminoácido. Se obtiene la
capacidad
amortiguadora
máxima cuando se encuentran
concentraciones equimolares
de grupos ácidos y básicos en
cada uno de los estadios tanto
catiónico como aniónico]
Los rangos de buffer son los
puntos de corte del pKa
Finalmente permite calcular el
punto isoeléctrico, que se
define como el pH en el cual
el aminoácido tiene carga neta
de cero.
En esta gráfica observamos la curva
de titulación para la glicina.
Encontramos dos valores de pKa:
valores de pH la glicina actúa como un buen
amortiguador. Como podemos observar,
ninguno de los pKa es cercano al pH
Encefalopatía espongiforme transmisible
Son enfermedades neuronales degenerativas mortales
de etiología idiopática o infecciosa, caracterizada por la
acumulación en el tejido cerebral de una proteína
patógena. Dentro del cromosoma 20 se encuentra el
gen que codifica para la proteína Prpc, una proteína no
patógena cuya función no se conoce muy bien; y que
presenta dentro de su estructura terciaria 4 dominios
de α-hélice. La mutación post-transduccional de la
proteína altera su estructura terciaria y cambia el
plegamiento hacia hojas – β. Estas proteínas anómalas
o PrpSc reciben el nombre de priones, dado que
actúan como entidades proteícas infectantes. Los
priones, independientemente del mecanismo de
contagio o mutación espontánea son resistentes a la
degradación y forman conglomerados que destruyen el
tejido nervioso.
4
fisiológico, por lo que este aminoácido no
sería un buen amortiguador en las
soluciones fisiológicas. Finalmente el PI nos
dice que la glicina se encuentra en su forma
zwitterion en una disolución acuosa a pH de
5.97.

aminoácido y el grupo
carboxilo
de
otro
aminoácido.
El péptido se orienta de
izquierda a derecha desde el
extremo carboxi – terminal
al extremo amino – terminal.
5
Como hemos mencionado en un comienzo,
las proteínas son polímeros de aminoácidos,
eso incluye la formación de enlaces entre
uno y otro aminoácido para formar cadenas
de diferente longitud, las cuales a su vez
adoptan
diferentes
configuraciones
espaciales. De este modo, encontramos que
las proteínas presentan unos niveles de
complejidad, a saber,
El estudio del enlace peptídico
permite apreciar los siguientes
detalles:
1) Estructura primaria
Hace referencia a la secuencia lineal
de
los
aminoácidos.
La
particularidad más importante de la
estructura primaria radica en el
enlace peptídico:



Es un enlace tipo amida
Ocurre por una reacción de
deshidratación. Dado que se
pierden átomos de los
aminoácidos
originales,
dentro de un péptido pasan a
llamarse
residuos
de
aminoácidos.
La reacción involucra el
grupo
amino
de
un
 Existen 3 enlaces covalentes
que separan los Cα
 Se presenta resonancia entre
la carga parcial negativa del
O [del grupo carboxilo] y la
carga positiva del N [del
grupo amino] formándose
un
dipolo
eléctrico
transitorio.
 La existencia del dipolo
favorece a que el enlace C-N
actúe como doble enlace e
imposibilite su libre rotación.
 Se forma un plano entre los
6 átomos que hacen parte
del enlace, donde el O del
grupo carbonil está en la
posición trans respecto al H
del grupo amida.
 Los únicos puntos de
rotación del enlace peptídico
se encuentran entre Cα-C y
Cα-N.
6
2) Estructura secundaria
Se considera estructura secundaria el
arreglo espacial de los residuos de
aminoácidos uno respecto del otro.
Es importante entender que el
plegamiento de la secuencia está
determinado principalmente por la
formación de puentes de hidrógeno entre
el O del grupo carbonilo de un
aminoácido y el H del grupo amida
de otro aminoácido.
Se
consideran
2
secundarias clásicas:
H
Existen diferentes clases de hélices alfa; sin
embargo, la más común y tal vez la más
estable se caracteriza por:



estructuras

élice alfa
La estructura de la hélice alfa fue
propuesta por Pauling y Corey
teniendo en cuenta los estudios de
refracción de rayos X de la proteína
queratina del cabello realizados por
William Astbury en el año 1930.
Estos estudios demostraban la
existencia de una estructura regular
que se repetía cada 5.2 Å. Realizando
un análisis de los estudios de
refracción y con base en los
conocimientos sobre la formación
de puentes de hidrógeno entre los
átomos del enlace peptídico, Pauling
y Corey predijeron que la formación
más simple posible era la de una
estructura helicoidal.


Un esqueleto polipeptídico
[secuencia de aminoácidos]
Un eje imaginario sobre el
cual gira el esqueleto.
Los grupos R o cadenas
laterales de los residuos se
disponen hacia el exterior de
la cadena.
Cada giro sobre el eje
imaginario
incluye
3.6
residuos de aminoácidos.
Dicha unidad de repetición
se
extiende
longitudinalmente o paralela
al eje unos 5.4 Å.
Se estabiliza por puentes de
hidrógeno.
Si bien es cierto que la estabilidad de
una hélice alfa está dada por la
existencia de interacciones de
hidrógeno; es importante recalcar
que para que una secuencia de
aminoácidos determinada se pliegue
helicoidalmente, debe contener
residuos de aminoácidos con
tendencia a la formación de dicha
estructura. Por
ejemplo,
la
alanina es el
residuo
que
favorece
en
mayor medida el
plegamiento de
las
hélices,
mientras que, la
prolina,
por
presentar
un
anillo rígido, es
el residuo que menos favorece la
formación de la estructura helicoidal.
Hoja
B
eta plegada
La segunda estructura
de
configuración
secundaria también fue
predicha por Pauling y
colaboradores hacia el año de 1951.
En este caso, la existencia de la hoja
plegada depende de la presencia de 2
o más cadenas o esqueletos
polipeptídicos [a diferencia de la
hélice alfa donde sólo se necesita una
cadena] los cuales se unen mediante
puentes de hidrógeno entre los
átomos de oxígeno e hidrógeno de
las dos cadenas diferentes. Dado que
los grupos R alternan su posición
arriba – abajo entre un residuo y
otro, la hoja adquiere un
plegamiento característico en forma
de zig- zag.
Giros beta
Un giro beta hace referencia al
segmento en el que el polipétido
gira. La importancia de los giros beta
es que permite el cambio de
dirección de la cadena y por ende su
plegamiento. La mayoría de ellos se
encuentran como elementos enlazantes
entre hélices alfa y hojas beta
plegadas en la conformación de las
estructuras terciaria y cuaternaria.
Como se puede observar en la
siguiente gráfica, ocurre un giro de
180° el cual requiere la presencia de
4 residuos de aminoácidos, entre los
que debe estar presente la glicina o la
prolina, y donde se forma un puente
de hidrógeno entre el primer y
cuarto residuo.
7
estructura
terciaria
está
conformada por la presencia
de 3 α-hélices de colágeno.
3) Estructura terciaria
El tercer nivel de complejidad es el
arreglo tridimensional [3D] de todos
los átomos de la proteína. Este
arreglo está determinado entre otras
cosas por la existencia de giros
[diferentes al giro beta] que incluyen
residuos de prolina, tirosina, serina y
glicina y entre los cuales se forman
interacciones débiles como los
puentes de hidrógeno o enlaces
covalentes fuertes como los puentes
disulfuro.
En
general
encontramos
2
configuraciones de complejidad
terciaria básicas:
8
Proteínas globulares

Proteínas fibrosas




Son proteínas de forma
elongada cuya función es la
de dar fuerza y estabilidad a
las estructuras orgánicas de
las que hace parte.
Se conforma por unidades
repetitivas de la misma
proteína en su conformación
secundaria.
Dado que su secuencia está
formada por residuos de
aminoácidos con cadenas
laterales hidrofóbicas, son
insolubles en agua.
Entre este tipo de proteínas
encontramos el colágeno y la
queratina. El colágeno es la
proteína más abundante en la
mayoría de los organismos
vertebrados y se encuentran
presente en las matrices
extracelulares de todos los
tejidos,
por
lo
que,
básicamente actúa como un
pegamento de las células y
los tejidos. Como podemos
observar en la siguiente
gráfica, el colágeno funcional
es una proteína fibrosa cuya



Como su nombre lo indica
tienen forma globular o
esférica y su función es de
señalización y transporte.
De igual manera que las
proteínas
fibrosas,
está
constituida por unidades
repetitivas de la proteína en
su conformación secundaria
o por una estructura única
con plegamientos diversos
Ya que son macromoléculas
especializadas
en
el
transporte
y
la
comunicación, es necesario
que sean solubles en las
soluciones fisiológicas, por lo
que, las cadenas laterales de
los residuos de aminoácidos
se encuentran orientadas
hacia el interior de la
proteína.
Un ejemplo de este tipo de
proteínas es la mioglobina,
una proteína similar a la
hemoglobina, encargada de
transporta
oxígeno
al
músculo esquelético y al
músculo cardiaco. Se puede
entender como una hélice
alfa que se dobla y se pliega
para
adoptar
una
configuración más compacta.
La mioglobina tiene dentro
de
su
estructura
un bolsillo
constituido
por el grupo
hemo el cual
actúa como
fijador de las
moléculas
de oxígeno.
Dado que el
grupo hemo
es
un
constituyente
no
aminoacídico de la proteína
recibe el nombre de grupo
prostético. Como se puede
observar en la gráfica,
pareciera
ser
que
la
mioglobina
estuviera
conformada
por
varias
hélices alfa; sin embargo, es
una única cadena que se
corta en los giros y continúa.
Empero, cada segmento de
hélice
alfa
y
su
correspondiente
giro
representan
una
región
compacta dentro de la
estructura terciaria. A dicha
región la llamamos dominio.
En el caso de la mioglobina,
la estructura primaria está
formada por una secuencia
de
153
residuos
de
aminoácidos que se pliegan
en una hélice alfa, la cual a su
vez se compacta en una
estructura terciaria de 8
dominios.
4) Estructura cuaternaria
El cuarto nivel de complejidad es el
último que puede conseguir una
proteína.
Esta
conformación
representa la unión de 2 o más
proteínas iguales o diferentes. En
este caso, cada proteína dentro de la
estructura cuaternaria actúa como
una subunidad. Cuando esta súper
macromolécula está formada por las
mismas subunidades recibe el
nombre
de
organización
homotípica, en caso contrario, una
organización
heterotípica
es aquella en
la que las
subunidades
son
diferentes.
Un ejemplo
claro de este
nivel
de
organización es el de la
proteína actina. La actina
es una proteína globular de
374 residuos de aminoácidos que
adoptan conformaciones secundarias
tanto de α-hélice como de hoja – β
interconectados que forman dos
dominios: una grande y uno
pequeño, los cuales se dividen a su
vez en subdominios. Cada proteína
globular de actina actúa como una
unidad monomérica de la estructura
cuaternaria de la actina fibrilar.
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Bibliografía
Mathews, C.K.; Van Holde, K.E.; Ahern
K.G.(2002). Introducción a las
proteínas:nivel primario de la estructura
proteíca. Estructura tridimensional de las
proteínas. Bioquímica. Pearson Education,
S.A., Madrid.
Nelson, D.L & Cox, M.M. (2008) Amino
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Principles of Bichemistry. (pp 71-140). W.H.
Freeman and Compañy, New York.
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