1 o Proteínas: Aminoácidos: Concepto y estructura general. Características. Concepto de aminoácido esencial. Enlace peptídico: características. - Estructura de las proteínas: Estructura primaria. Estructura secundaria (α-hélice y lámina plegada o lámina β). Estructura terciaria (proteínas globulares). Estructura cuaternaria (ejemplos). Relación estructura y función. - Propiedades de las proteínas: Especificidad, desnaturalización y renaturalización. - Funciones de las proteínas: Función enzimática, estructural, hormonal, de señalización, transportadora, etc. Ejemplos. - Enzimas o catalizadores biológicos: Concepto y función. Especificidad enzimática. Concepto de centro activo. Concepto de cofactor (inorgánico) y ejemplos (Mn++,Zn++, etc.). Concepto de coenzima (moléculas orgánicas, ej. NAD+). - Vitaminas: Concepto. Clasificación: hidrosolubles y liposolubles, Ejemplos de cada grupo. Avitaminosis 2 Concepto de proteínas Las proteínas son biopolímeros (macromoléculas orgánicas) de elevado peso molecular; compuestos químicos muy complejos que se encuentran en todas las células vivas. Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células; constituyen alrededor del 50% de su peso seco o más en algunos casos. Una bacteria puede tener cerca de 1000 proteínas diferentes, pero en una célula humana puede haber 10.000 clases de proteínas distintas. Hay ciertos elementos químicos que todas ellas poseen, pero los diversos tipos de proteínas los contienen en diferentes cantidades. Están constituidas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N); aunque pueden contener también azufre (S) y fósforo (P) y, en menor proporción, hierro (Fe), cobre (Cu), magnesio (Mg), yodo (Y). 3 Químicamente, las proteínas están formadas por la unión de muchas moléculas relativamente sencillas y no hidrolizables, denominadas Aminoácidos (aa). Los aminoácidos se unen entre sí originando péptidos. Según su tamaño molecular, pueden ser oligopéptidos, formados por no más de 10 aa y polipéptidos, constituidos por más de 10 aa. Cuando el número de aa supera los 50 y el polipéptido tiene una estructura tridimensional específica, entonces se habla propiamente de proteínas. 4 Aminoácidos: Unidades estructurales de las Proteínas Como su nombre indica, se caracterizan por poseer al menos, un grupo carboxilo (—COOH) y un grupo amino (—NH2). El grupo carbonilo es necesariamente terminal, pero el grupo amino puede ocupar diferentes posiciones en la cadena carbonada, (se distinguen así α,β,γ …). α R- CH – COOH NH2 α-aminoácido β α R- CH –CH2- COOH NH2 β-aminoácido Los aa que constituyen las proteínas son α-aminoácidos. Existen 20 aa distintos de este tipo que se diferencian por el grupo unido a dicho carbono α, el llamado grupo R o cadena lateral. Este radical es el que determina las propiedades químicas y biológicas de cada aminoácido. En los seres vivos se han encontrado más de 100aa que no forman parte de las proteínas. 5 Clasificación de aminoácidos 6 Clasificación de aminoácidos 1. Aminoácidos alifáticos. Son los aminoácidos en los que el radical R es una cadena hidrocarbonada abierta, que puede tener, además, grupos —COOH y —NH2. Los aminoácidos alifáticos se clasifican en neutros, ácidos y básicos. 1. Neutros. Si el radical R no posee grupos carboxilo ni amino. 2. Ácidos. Si el radical R presenta grupos carboxilo, pero no amino. 3. Básicos. Si el radical R tiene grupos amino, pero no grupos carboxilo 2. Aminoácidos aromáticos. Son aquellos cuyo radical R es una cadena cerrada, generalmente relacionada con el benceno. 3. Aminoácidos heterocíclicos. Aquellos cuyo radical R es una cadena cerrada, generalmente compleja y con algunos átomos distintos del carbono y del hidrógeno. 7 Clasificación de aminoácidos Existe una clasificación basada en función de la carga del radical R : 1. Aminoácidos con R no polar, hidrófobo 2. Aminoácidos con R polar sin carga, hidrófilos y por tanto más solubles que los anteriores. 3. Aminoácidos ácidos. Presentan carboxilos en el radical R, que normalmente está ionizado. 4. Aminoácidos básicos. Presentan un radical R que se carga positivamente a pH neutro. 9 Aminoácidos Esenciales Son aquellos que los organismos heterótrofos deben tomar de su dieta ya que no pueden sintetizarlos en su cuerpo (los autótrofos pueden sintetizarlos todos). Son diferentes para cada especie. Las rutas metabólicas para su obtención suelen ser largas y energéticamente costosas, por lo que los vertebrados las han ido perdiendo a lo largo de la evolución (resulta menos costoso obtenerlos en los alimentos). • EN ADULTOS: 8 • Fenilalanina • Isoleucina • Leucina • Lisina • Metionina • Treonina • Triptófano • Valina • EN NIÑOS los anteriores y: • Arginina • Histidina Propiedades de los aminoácidos 1. son compuestos sólidos 2. compuestos cristalinos 3. presentan un elevado punto de fusión. 4. son solubles en agua. 5. presentan un comportamiento químico anfótero, son: 14 El punto isoeléctrico es el valor de pH al que el aminoácido presenta una carga neta igual al cero, adoptando una forma dipolar neutra El carácter anfótero de los aminoácidos permite la regulación del pH, ya que se comporta como un ácido o como una base según le convenga al organismo. 15 6. tienen estereoisómeros: todos los aminoácidos, salvo la glicina, presentan el carbono α asimétrico, ya que está enlazado a cuatro radicales diferentes: un grupo amino, un grupo carboxilo, un radical R y un hidrógeno. Por ello, los aminoácidos pueden presentar dos configuraciones espaciales. Un aminoácido tendrá una configuración D si al disponerlo en el espacio, de forma que el grupo carboxilo quede arriba, el grupo —NH2 queda situado a la derecha, mientras que, si se encuentra a la izquierda, poseerá una configuración L. En la naturaleza, la forma L es la más abundante, y todas las proteínas están formadas por aminoácidos L 16 7. presentan actividad óptica: debido a la existencia del carbono asimétrico, los aminoácidos presentan actividad óptica, es decir, son capaces de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos. Si un aminoácido desvía el plano de luz polarizada hacia la derecha, se denomina dextrógiro (+), y si lo hace hacia la izquierda, levógiro (—). La disposición L o D es independiente de la actividad óptica. Por ello, un L-aminoácido podrá ser levógiro o dextrógiro, e igual ocurrirá con la configuración D. 17 Enlace peptídico Unión Peptídica H H O O H CC N N OH H O = H N C H C C OH H R R + H2O CONDENSACIÓN Los aminoácidos se unen entre sí mediante uniones peptídicas para formar cadenas lineales no ramificadas. 18 19 En un enlace peptídico, los átomos del grupo carboxilo y del grupo amino se sitúan en un mismo plano, con distancias y ángulos fijos. Tiene un comportamiento similar al de un enlace doble, es decir, presenta una cierta rigidez que inmoviliza en un plano los átomos que lo forman. Además es un enlace más corto que otros enlaces C-N. Esto le impide girar libremente, los únicos enlaces que pueden girar son los Cα-C y los Cα-N que no corresponden al enlace peptídico. 20 El amino libre de un extremo y el carboxilo libre del otro extremo de la cadena reciben el nombre de N-terminal y Cterminal respectivamente. Por convenio, los aminoácidos se numeran desde el N-terminal. 21 Estructura de una Proteína 22 Estructura de las proteínas La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales ( o cuatro niveles de organización) denominados: 1. 2. 3. 4. ESTRUCTURA PRIMARIA ESTRUCTURA SECUNDARIA ESTRUCTURA TERCIARIA ESTRUCTURA CUATERNARIA Cada una de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio. 23 Estructura primaria La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. La secuencia de una proteína se escribe enumerando los aminoácidos desde el extremo N-terminal hasta el C-terminal. 24 La función de una proteína depende de su secuencia de aminoácidos y de la forma que ésta adopte. El cambio de un solo aa de la secuencia de la proteína puede tener efectos muy importantes, como el cambio de un solo aa en la hemoglobina humana que provoca la anemia falciforme. 25 Estructura primaria 26 Serina Glicina Tirosina Alanina Leucina Estructura secundaria La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos o estructura primaria en el espacio. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de las proteínas, y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable, la estructura secundaria. Esta conformación viene dada por interacciones no covalentes entre los restos laterales de los aminoácidos Son conocidos tres tipos de estructura secundaria: - la α-hélice, - la hélice de colágeno y - la conformación β o lámina plegada β. Se ha comprobado que determinadas combinaciones de las dos estructuras básicas (la α-hélice y la lámina plegada β) son tan estables que se encuentran presentes en muchas proteínas. 27 Conformación β Conformación ɑ 28 α-hélice La estructura secundaria en αhélice se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Los grupos R de los aa y los H del carbono alfa, se sitúan hacia el exterior de la hélice y cada 3,6 aa ésta da una vuelta completa. La hélice se estabiliza al establecerse puentes de hidrógeno entre el grupo –NH de un aa y el grupo -C=O del situado 4 carbonos por debajo de él. La α-hélice presenta rotación hacia la derecha (dextrógira). 29 α-hélice • Estructura en forma de bastón. • Los restos laterales de los aminoácidos se ubican de forma perpendicular al eje de la hélice. • Los enlaces puente de hidrógeno se establecen entre el hidrógeno unido al nitrógeno y el oxígeno del primitivp carboxilo. 30 Conformación-β Se origina cuando la molécula proteica, o una parte de la molécula, adoptan una disposición en zig-zag. La estabilidad se consigue mediante la disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación. Cadenas que pueden pertenecer a proteínas diferentes o ser partes d euna misma molécula. De esta manera pueden establecerse puentes de hidrógeno entre grupos C=O y N-H. Las cadenas R van quedando alternativamente hacia arriba y hacia abajo. No obstante, si la molécula presenta próximos entre sí restos muy voluminosos o con las mismas cargas eléctricas se desestabilizará. 31 Conformación-β • Son estructuras flexibles que no se pueden estirar. • Los restos laterales se ubican hacia arriba y hacia abajo del plano 32 de las hojas. Hélice de colágeno El colágeno posee una disposición en hélice especial, más alargada que la α-hélice, debido a la abundancia de prolina e hidroxiprolina. Estos aa poseen una estructura que dificulta la formación de enlaces de hidrógeno, por lo que se forma una hélice más extendida, con sólo tres aminoácidos por vuelta. 33 Hélice de colágeno Su estabilidad viene dada por la asociación de tres hélices empaquetadas, para formar la triple hélice o superhélice que es la responsable de la gran fuerza de tensión del colágeno. Las tres hélices se unen mediante enlaces covalentes y enlaces débiles de tipo puente de hidrógeno. Hay algunas alteraciones del colágeno que provocan síndromes como el de el hombre de goma o el síndrome de Marfán que padecía Paganini y que explicaba sus dedos largos e hiperextensibles 34 Hélice de colágeno 35 Giros β Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura α o β a menudo están conectadas entre sí por medio de los llamados giros β. Son secuencias cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180o a la cadena principal de un polipéptido. AA como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo α o β) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura. La conformación de estos giros está estabilizada generalmente por medio de un puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro β Sirven para que la proteína estructuras más compactas adopte 36 Estructura terciaria La molécula proteica, según las condiciones físico-químicas del medio, se pliega y repliega en el espacio adoptando una disposición espacial tridimensional estable, que caracteriza a este tipo de biomoléculas. Esta forma es la estructura terciaria. La estructura se mantiene por medio de enlaces entre las cadenas laterales R de los aa, que pueden - Interacciones hidrofóbicas entre restos laterales no polares. - Uniones de Van der Waals. - Puentes de Hidrógeno. - Interacciones salinas. - Puentes Disulfuro. 37 Interacciones que intervienen en el plegamiento de la estructura terciaria 38 Estructura terciaria Las funciones de las proteínas dependen del plegamiento particular que adopten. Esta estructura está altamente influenciada por la estructura primaria, pues la sustitución de un aa por otro puede alterar completamente la configuración espacial. Existen dos tipos de estructuras tridimensionales proteicas: -Globulares: con alto grado de plegamiento, dan lugar a estructuras con formas esferoidales. - Fibrilares: el plegamiento es menor, presentan formas alargadas. Algunos autores no las consideran con estructura terciaria. Lámina β Hélice α 39 40 41 Estructura cuaternaria La estructura cuaternaria es la unión mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, idénticas o no, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero (subunidad o monómero) Según el número de protómeros que se asocian. las proteínas que tienen estructura cuaternaria se denominan: • dímeros, como la hexoquinasa. • tetrámero como la hemoglobina. • pentámeros, como la ARN-polimerasa. • polímeros, cuando en su composición intervienen gran número de protómeros. (cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 subunidades proteicas, los filamentos de actina y miosina de las células musculares, etc). 42 Estructura cuaternaria Las interacciones que estabilizan esta estructura son en general uniones débiles: • • • • • Interacciones hidrofóbicas. Puentes de hidrógeno. Interacciones salinas. Fuerza de Van der Waals. En algunas ocasiones puede haber enlaces fuertes tipo puentes disulfuro, en el caso de las inmunoglobulinas. 43 44 Estructura cuaternaria de la hemoglobina 45 http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/prot/estruc.html En resumen, la estructura de una proteína. Primaria Secundaria Terciaria Cuaternaria Combinación ilimitada de aminoácidos. Hélice Globular Subunidades iguales Hoja Plegada Fibrosa Subunidades distintas Unión Peptídica Puente de Hidrógeno Puente de Hidrógeno, Interacciones hidrofóbicas, salinas, electrostáticas. Secuencia Conformación Fuerzas diversas no covalentes. Asociación 46 Propiedades de las proteínas Las propiedades de las proteínas dependen sobre todo de los radicales R libres y de que éstos sobresalgan de la molécula y, por tanto, tengan la posibilidad de reaccionar con otras moléculas. El conjunto de aminoácidos de una proteína cuyos radicales poseen la capacidad de unirse a otras moléculas y de reaccionar con éstas se denomina centro activo de la proteína. 47 48 1.Solubilidad Las proteínas con estructura terciaria fibrilar son insolubles en agua, mientras que las que poseen estructura terciaria globular son solubles. Las proteínas globulares que poseen un elevado tamaño molecular, al disolverse, dan lugar a disoluciones coloidales. La solubilidad de estas moléculas se debe a los radicales R que, al ionizarse, establecen puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. Así, la proteína queda recubierta de una capa de moléculas de agua que impide que se pueda unir a otras proteínas, lo que provocaría su precipitación. Capa de moléculas de agua 49 2. Desnaturalización y renaturalización Consiste en la pérdida de todas las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria) quedando la proteína reducida a un polímero con estructura primaria. Consecuencias inmediatas son: - Disminución drástica de la solubilidad de la proteína, acompañada frecuentemente de precipitación - Pérdida de todas sus funciones biológicas - Alteración de sus propiedades hidrodinámicas Agentes desnaturalizantes I. Físicos 1. Calor. La mayor parte de las proteínas experimentan desnaturalizaciones cuando se calientan entre 50 y 60 ºC; otras se desnaturalizan también cuando se enfrían por debajo de los 10 a 15 ºC. 2. Radiaciones II. Químicos: todos los agentes que rompen interacciones o enlaces presentes en la estructura nativa de la proteína: 1. Detergentes 2. Urea y guanidina a altas concentraciones 3. Altas concentraciones de sal y extremos de pH 4. Reactivos de grupos -SH Si los factores responsables de la desnaturalización han actuado con escasa intensidad y durante poco tiempo, la desnaturalización puede ser reversible, dándose entonces el proceso de renaturalización de la proteína. 52 3. Especificidad La especificidad de las proteínas es doble: • de especie • de función. Especificidad de especie: En su secuencia de aminoácidos, las proteínas presentan dos tipos de sectores: • Sectores estables • Sectores variables: Algunos aminoácidos pueden ser sustituidos por otros distintos sin que se altere la funcionalidad de la molécula. Ello ha dado lugar, durante la evolución, a una gran variabilidad de proteínas, lo que permite que cada especie tenga sus proteínas específicas y que, incluso, aparezcan diferencias entre individuos de la misma especie (rechazo en trasplantes de tejidos). 53 Las diferencias entre proteínas homologas, es decir, con la misma función, son grandes entre especies alejadas evolutivamente y escasas entre especies emparentadas. Esto permite llevar a cabo estudios filogenéticos. 54 Especificidad de función. La especificidad también se refiere a la función. •Cada proteína realiza una determinada función exclusivamente, por ejemplo, catalizar cierta reacción química sobre cierto substrato y no sobre otro. •La especificidad se debe a que su actuación se realiza mediante interacciones selectivas con otras moléculas, para lo que necesitan una determinada secuencia de aa y una conformación concreta. •Un cambio en la secuencia o conformación puede impedir la unión y por lo tanto dificultar la función. 55 4. Capacidad amortiguadora Las proteínas, al estar constituidas por aminoácidos, tienen un comportamiento anfótero. Tienden a neutralizar las variaciones de pH del medio, ya que pueden comportarse como un ácido o una base y, por tanto, liberar o retirar protones (H+) del medio 56 Clasificación de las proteínas Se clasifican en: • Holoproteínas: Formadas solamente por aminoácidos. • Heteroproteínas: Formadas por una fracción proteínica y por un grupo no proteínico, que se denomina "grupo prostético”. Se clasifican según la naturaleza del grupo prostético. Proteínas filamentosas Holoproteínas Proteínas globulares Cromoproteínas Glucoproteínas PROTEÍNAS Heteroproteínas Lipoproteínas Nucleoproteínas Fosfoproteínas 57 HOLOPROTEÍNAS Globulares: Más complejas que las fibrosas. Forman estructuras compactas, casi esféricas, solubles en agua o disolventes polares. Son responsables de la actividad celular 1. Prolaminas: Zeína (maíza),gliadina (trigo), hordeína (cebada) 2. Gluteninas: Glutenina (trigo), orizanina (arroz). 3. Albúminas: Seroalbúmina (sangre), ovoalbúmina (huevo), lactoalbúmina (leche) 4. Hormonas: Insulina, hormona del crecimiento, prolactina, tirotropina 5. Enzimas: Hidrolasas, Oxidasas, Ligasas, Liasas, 58 Transferasas . HOLOPROTEÍNAS Fibrosas: Más simples que las globulares. Forman estructuras alargadas, ordenadas en una sola dimensión, formando haces paralelos. Son responsables de funciones estructurales y protectoras 1. Colágenos: en tejidos conjuntivos, cartilaginosos 2. Queratinas: En formaciones epidérmicas: pelos, uñas, plumas, cuernos. 3. Elastinas: En tendones y vasos sanguíneos 4. Fibroínas: En hilos de seda, (arañas, insectos) 59 HETEROPROTEÍNAS 1. Glucoproteínas:mucoproteínas, anticuerpos, hormona luteinizante 2. Lipoproteínas: De alta, baja y muy baja densidad, que transportan lípidos en la sangre. 3. Nucleoproteínas: Nucleosomas de la cromatina, ribosomas, histonas y protaminas de eucariotas. 4. Cromoproteínas: Pueden ser de dos tipos: a) Porfirínicas. Hemoglobina, mioglobina que transportan oxígeno, citocromos, que transportan electrones b) No profirínicas como la hemocianina (pigmento respiratorio de crustáceos y moluscos, de color azul y que contiene cobre) 5. Fosfoproteínas: Tienen PO4H3 en el grupo prostético. La caseína de la leche. 60 FUNCIONES Y EJEMPLOS DE PROTEÍNAS 1. Estructural 2. Enzimática 3. Hormonal 4. Defensiva 5. Transporte 6. Reserva 7. Función homeostática 8. Anticongelante 9. Actividad contráctil 61 Estructural Es una de las funciones más características: 1. Algunas glucoproteínas forman parte de las membranas celulares. Intervienen en el transporte selectivo de iones (bomba de Na-K) 2. Otras proteínas forman el citoesqueleto de las células, las fibras del huso, de los cilios y flagelos. 3. Otras, como las histonas forman parte de los cromosomas eucariotas. 4. El colágeno, que mantiene unidos los tejidos animales y forma los tendones y la matriz de los huesos y cartílagos. 5. La elastina, en el tejido conjuntivo elástico (ligamentos paredes de vasos sanguíneos). 6. La queratina, que se sintetiza en la epidermis y forma parte de pelos, uñas, escamas de reptiles, plumas, etc. 7. La fibroína, que forma la seda y las telas de arañas. Es una disolución viscosa que solidifica rápidamente al contacto con el aire. 62 Enzimática Es la función más importante. Las enzimas son las proteínas más numerosas y especializadas y actúan como biocatalizadores de las reacciones que constituyen el metabolismo celular. Se diferencian de los catalizadores no biológicos porque las enzimas son específicas de la reacción que catalizan y de los sustratos que intervienen en ellas. Hormonal Insulina y glucagón Hormona del crecimiento segregada por la hipófisis Defensiva Inmunoglobulina, trombina y fibrinógeno 63 Transporte Además de las proteínas transportadoras de las membranas, existen otras extracelulares que transportan sustancias a lugares diferentes del organismo. • Hemoglobina, la hemocianina y la mioglobina del músculo estriado. • Los citocromos transportan electrones en la cadena respiratoria (mitocondrias) y en la fase luminosa de la fotosíntesis (cloroplastos). • La seroalbúmina transporta ácidos grasos, fármacos y productos tóxicos por la sangre. • Las lipoproteínas transportan el colesterol y los triacilglicéridos por la sangre. 64 Reserva En general, las proteínas no se utilizan para la obtención de energía. No obstante, algunas como la ovoalbúmina de la clara de huevo, la caseína de la leche o la gliadina de la semilla de trigo, son utilizadas por el embrión en desarrollo como nutrientes. Función homeostática Las proteínas intracelulares y del medio interno intervienen en el mantenimiento del equilibrio osmótico en coordinación con los tampones. 65 Función contráctil El movimiento y la locomoción en los organismos unicelulares y pluricelulares dependen de las proteínas contráctiles: • la dineína, en cilios y flagelos, • la actina y miosina, responsables de la contracción muscular. Anticongelante Presentes en el citoplasma de ciertos peces antárticos. 66 ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN: Los aa en la dieta http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bach illerato/biomol/invesamino.htm