Aminoácidos y

Péptidos

Estructura de los α-aminoácidos. a) Valina. Un α-aminoácido representativo, presenta un grupo amino en el carbono α, así como una cadena lateral R, que le proporciona sus propiedades únicas. b) Este α-aminoácido generalizado se presenta tanto en su forma no iónica como en su forma de zwitterion en los que el grupo carboxilo ha perdido un protón y el grupo amino ha ganado uno. Obsérvese que la carga negativa en el carboxilo se encuentra deslocalizada entre los dos átomos de oxigeno.

Aminoácidos que se encuentran en las proteínas. Los 20 α-aminoácidos que se incorporan a las proteínas se encuentran aquí dispuestos en el orden que se comentan. Debajo de cada aminoácido esta su nombre, su abreviatura de tres letras y su abreviatura de una letra.

Aminoácidos que se encuentran en las proteínas. Los 20 α-aminoácidos que se incorporan a las proteínas se encuentran aquí dispuestos en el orden que se comentan. Debajo de cada aminoácido esta su nombre, su abreviatura de tres letras y su abreviatura de una letra.

Representaciones tridimensionales de los α-aminoácidos. a) Este modelo de bolas y bastones presenta los ángulos de enlaces y la disposición tridimensional de los átomos. El carbono α es quiral, con enlaces tetraédricos. b) En esta presentación compacta, los triángulos sólidos representan enlaces que sobresalen y los triángulos sombreados representan enlaces retraídos.

Estereoisómeros de los α-aminoácidos. a) La L-alanina y su enantiómero la D-alanina se representan en modelos de bolas y bastones. La cadena lateral de la alanina es –CH3. Los dos modelos son imágenes especulares, que no pueden superponerse. b) Los mismos dos enantiómeros en una representación más compacta.

Formación de un péptido. Cuando se unen dos aminoácidos, se forma un enlace peptídico. Aquí se representa el dipéptido glicilalanina (Gly-Ala) que se forma cuando la glicina se une a la alanina con la eliminación de una molécula de agua.

Un tetrapéptido. Podemos imaginar que se añade ácido glutámico y lisina a los extremos amino y carboxilo del dipéptido Gly-Ala, para formar el tetrapéptido Glu-Gly-Ala-Lys.

Grupos que pueden bloquear los N- o C- terminales de las proteínas. El bloqueo del N-terminal por parte de un grupo formilo o acetilo es más común que la modificación del C-terminal para dar lugar a una amida.

Estructura del enlace péptídico. Aquí se representa los valores aceptados actualmente para las longitudes y ángulos de enlace. Las longitudes de enlace estan en nanómetros (nm).

Reacción del bromuro de cianógeno. Esta reacción rompe específicamente el enlace peptídico en el lado del carboxilo de la metionina de cualquier polipéptido y convierte la Met en homoserina lactona. Los lugares de ruptura están indicados por un ▲.

Secuencias de aminoácidos de la mioglobina de chacalote y de la mioglobina humana.

Clave:█ Aminoácidos idénticos█ Aminoácidos conservadoras█ Aminoácidos no conservadoras

Código genético. La tabla está dispuesta de modo que los usuarios puedan encontrar rápidamente cualquier aminoácido a partir de las tres bases del codón del RNAm (escrito en dirección 5’ → 3’). Por ejemplo, para hallar el aminoácido correspondiente al codón 5’ AUC 3’, primero lo buscamos en la fila A, después en la columna U, y a continuación en el espacio C, y encontramos que el aminoácido es lle.

N-Formilmetioniona. Este aminoácido inicia la traducción procariota. Esta codificado por AUG cuando este triplete aparece cerca del inicio de un mensaje.

Relaciones del ADN con el ARNm y con la cadena polipeptídica. Se presentan estas relaciones para los primeros 10 residuos de la mioglobina de foca. Obsérvese que la hebra de ADN que se transcribe es complementaria con el RNAm.

Activación de los aminoácidos para su incorporación de las proteínas. La enzima aminoacil-tARN sintetasa reconoce a un aminoácido concreto y al RNAt que transporta el anticodon correspondiente. Esta sintetasa cataliza la formación de un aminoacil ARNt, acompañada por la hidrólisis de un ATP.

Traducción

Traducción de un mensaje de ARN en una proteína. A medida que el ribosoma se mueve a lo largo del mensaje, acepta sucesivamente aminoacil ARNt específicos, seleccionándolos mediante comparación del anticodón del ARNt con el codón del mensaje del ARN (1). El aminoácido (en este caso, el segundo de la cadena, Val) se transfiere a la cadena polipeptídica en crecimiento (2).

Traducción de un mensaje de ARN en una proteína. El ribosoma se mueve al siguiente codón para repetir el proceso, mientras libera el penúltimo ARNt añadido (3). Se repiten los pasos procedentes, añadiendo más aminoácidos a la cadena hasta que se lee una señal de parada (4), en la que un factor liberador proteíco provoca la liberación tanto del polipeptido como del RNAm.

Plegamiento de las proteínas tras la traducción.Estructura de la preproinsulina y su conversión en insulina

Proteínas

Principios de Linus Pauling (estructura secundaria):

1) Las longitudes de los enlaces y los ángulos de enlaces deberán ser lo más parecidos posibles a los hallados en los estudios de difracción de rayos X.

2) Dos átomos no pueden acercarse el uno al otro a una distancia menor de las que les permiten sus radios de van der Waals.

3) Solo es posible la rotación alrededor de los dos enlaces adyacentes al carbono α de cada residuo de aminoácido.

4) Es preciso algún tipo de enlace no covalente para estabilizar un plegado regular.

Rotación alrededor de los enlaces en una cadena polipeptídica. Se muestra dos planos amidas en verde. Solo esta permitida la rotación alrededor de los enlaces N-Cα y Cα-C=O. Los ángulos de rotación de estos enlaces se definen respectivamente como Ψ (Psi) y Φ (Phi), con direcciones definidas como rotación positiva., tal como señala las flechas. Φ = 180° y Ψ= 180°.

a) Helice α b) Lámina β

Hélice α y Lámina β. Estas son las dos estructuras secundarias regulares más importante de los polipéptidos. Linus Pauling predijo su existencia. a) En la hélice α los enlaces de hidrógeno se forman dentro de una única cadena polipeptídica. b) en la lámina β, los enlaces de hidrógeno se forman entre cadenas adyacentes, de las cuales aquí solo aparecen dos.

a) Helice 310 a) Helice π

Otras estructuras secundarias posibles de los polipéptidos. a) La hélice 310 se encuentra en las proteínas, pero es menos común que la hélice α. b) La hélice π (o 4.416) es posible estéricamente pero hasta el momento no se ha observado en las proteínas.

La repetición (c): de la hélice es la distancia paralela al eje en la que la estructura se repite exactamente. La repetición contiene un número entero (m) de residuos del polímero. (en la fig. m= 4).El paso (p): de la hélice es la distancia paralela al eje de la hélice en la que ésta realiza una vuelta completa. Si hay un número entero de resíduos por vuelta (como en este caso), el paso y la repetición son iguales. La elevación (h): de la hélice es la distancia paralela al eje, que va desde el nivel de un residuo hasta el siguiente, es decir, h= c/m.

Nota: si pensamos en una escalera de caracol como ejemplo de una hélice, la elevación es la altura de cada peldaño y el paso es la distancia desde el lugar en que uno se encuentra hasta el lugar correspondiente situado directamente encima.

Difracción de moléculas helicoidales.

Descripción de las estructuras: hélices moleculares y láminas plegadas.

Hélices idealizadas. Estas estructuras hipotéticas demuestran el efecto producido al variar el número (n) de residuos polipeptídicos por vuelta de una hélice. En cada caso, está indicado el paso (p), y en el caso de n=2 también se presenta la elevación (h). Los polipéptidos pueden formar hélices que oscilan entre un anillo cerrado (n= 5, p= 0) y una hélice doble (n=2), en la cual cada residuo tiene una rotación de 180° respecto al precedente. Aquí se presentan todos los valores enteros positivos de n y un ejemplo de un valor negativo. Las hélices n= 4 y n= 3 son a derechas, la hélice n= -3 es a izquierda, y la n= 5 (un anillo) y la n=2 (una cinta) no presentan lateralidad. La hélice α a derechas (que no se muestra aquí), con n= 3.6, es un intermedio entre la estructura n= 3 y n= 4.

Ejemplo:La hélice α se repite tras exactamente 18 residuos, que representan 5 vueltas. En consecuencia tiene 3.6 resíduos por vuelta. Dado que el paso de una hélice se obtiene mediante p=nh, tenemos para la hélice α, con una elevación de 0.15 nm/residuo, p= 3.6 (residuos/vuelta) X 0.15 (nm/residuo)= 0.54 nm/ vuelta.

Patrones de enlaces de hidrógeno para 4 vueltas. Las estructuras se representan de modo esquemático a fin de simplificar el recuento de átomos en cada bucle con enlace de H. Por ejemplo, hay 13 átomos en el bucle de H correspondiente a la helice α (3.613)

Dos tipos de lámina β. Las flechas señalan la dirección N→ C de cada cadena. Gris= carbono, purpura= nitrógeno, rojo= oxigeno, azul= hidrógeno, blanco cadena lateral.

Segmento de una hélice α presentada como modelo de relleno espacial. Modelo que permite apreciar restricciones estéricas (se solapen los átomos de las cadenas laterales).

Representación de Ramachandran.

PROTEÍNAS FIBROSAS:Materiales estructurales de células

y tejidos.

Proteínas fibrosas:Se distinguen de las proteínas globulares por su forma filamentosa, o alargada. La mayoría de ella desempeña funciones estructurales en la células y tejidos animales: mantienen juntos los distintos elementos. Ejemplos:• Piel• Tejido conjuntivo• Pelo• Seda

Queratinas:Existen dos tipos importantes de queratinas: la α y β-queratinas.

α-queratinas: son las proteínas más importantes del pelo y las uñas y forman una parte importante de la piel animal. Son miembros de un amplio grupo de proteínas filamentosas intermedias , que desempeñan funciones estructurales importantes en los núcleos, los citoplasmas y las superficies de muchos tipos de células.β-queratinas: contiene mucha más estructura de lamina-β. Se encuentran principalmente en aves y reptiles, en estructuras como las plumas y las escamas.

Estructura de ovillo enrollado de la α-queratina. a) Estructura de las microfibrillas formadas por dos modos distintos de interacción de las protofibrillas. b) Formación de un protofibrilla a partir de dos ovillos enrollados.

b) Ovillos enrollados que forman una protofibrilla

Fibroína:La estructura de lámina-β se utiliza de manera muy elegante en las fibras tejidas por los gusanos de seda y las arañas. Contienen grandes regiones de lámina-β antiparalela, con las cadenas polipeptídicas paralelas al eje de la fibra.

Estas estructuras contienen casi exclusivamente repeticiones múltiples de la secuencia:[Gly-Ala- Gly-Ala- Gly-Ser- Gly-Ala-Ala- Gly-(Ser- Gly-Ala- Gly-Ala- Gly)8]

Estructura de la fibroína de la seda.

Colágeno:Es la proteína más abundante en la mayoría de los vertebrados. En los vertebrados grandes puede llegar a un tercio de la masa total de proteínas. Las fibras de colágeno forman la matriz, o cemento, el material de los huesos, sobre el que precipitan los constituyentes minerales; estas fibras constituyen la mayor parte de los tendones, y una red de fibras de colágeno es un constituyente importante de la piel. Básicamente el colágeno mantiene unidos a la mayoría de los animales.

Estructura del colágeno:La unidad básica de la fibra de colágeno es la molécula de tropocolágeno, una triple hélice de tres cadenas polipeptídicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000 residuos.

Características:• Las cadenas individuales son hélices a izquierdas con

aproximadamente 3.3 residuos por vuelta .• Tres de estas cadenas se enrollan una alrededor de las

otras a derechas con enlaces de hidrógeno.• Cada tercer residuo que debe encontrarse cerca del

triple hélice, solo puede ser glicina.

Estructura de las fibras de colágeno. a) Estructura primaria y secundaria de una molécula de tropocolágeno. b) Estructura secundaria de la triple hélice. c) Moléculas de tropocolágeno alineadas unas alado de la otra. d) Microscopia electrónica de una fibra de colágeno. e) microscopia electrónica de colágeno con bajo aumento, se observa las fibras entrecruzadas.

a) b) c) d) e)

Biosíntesis y ensamblaje del colágeno.

Biosíntesis y ensamblaje del colágeno.

Elastina: Se encuentra en los ligamentos y vasos sanguíneos arteriales confiriendo elasticidad.Rica en glicina, alanina y valina, muy flexible y puede extenderse fácilmente. Su conformación probablemente se parece a un ovillo aleatorio, que carece casi totalmente de estructura secundaria.

Estructura de la elastina. Le confiere elasticidad a las paredes arteriales y ligamentos gracias a que contiene frecuentes cadenas laterales de lisina, que pueden participar en enlaces cruzados. Impidiendo que las fibras de elastina se extiendan indefinidamente, haciendo que las fibras vuelvan de golpe a su situación habitual cuando se elimina la tensión.

Desmosina. Pueden combinarse cuatro cadenas laterales de lisina para producir un enlace entrecruzado de desmosina. Dado que están conectados los carbonos de cuatro cadenas separadas , solo se precisa una pequeña cantidad de estos enlaces cruzados para convertir las fibras de elastina en una red gomosa altamente interconectada.

PROTEÍNAS GLOBULARES: Estructura terciaria y diversidad

funcional.

Proteínas globulares:

Reciben este nombre debido a que sus cadenas polipeptídicas se pliegan en estructuras compactas muy distintas de las formas filamentosas y extendidas de las proteínas fibrosas.

Estructura tridimensional de la Mioglobina

Características de proteínas globulares:

o Pueden contener regiones con hélice-α.o Pueden contener regiones con lamina-β.o Puede contener regiones irregulares.o Las regiones deben estar plegadas unas con

otras.o Pueden contener grupos prostéticos (grupos

hemo).

Estructura terciaria del BPTI (Inhibidor de la tripsina pancreática bovina). La BPTI se une a la tripsina y le impide catalizar la hidrólisis peptídica. a) Modelo esquelético que muestra las posiciones de los átomos obtenidos por difracción de rayos X. b) Modelo de cinta del armazón. Las dos hélices-α cortas y la lámina-β antiparalela están indicadas mediante marcas y flechas. c) Modelo de relleno espacial , en el que se dan los radios de van der Waals de todos los átomos. En a) y b) los enlaces disulfuro aparecen en amarillo.

Variedades de la estructura de las proteínas globulares:

El primer principio es que la mayoría de las proteínas están formadas por más de un dominio.Un dominio es una región compacta, plegada localmente, de la estructura terciaria. Los dominios están conectados entre sí mediante la hebra polipeptídica que transcurre a lo largo de toda la molécula. Los dominios múltiples son mas comunes en las proteínas globulares grandes, mientras que las proteínas pequeñas (BPTI) tienden hacer dominios únicos plegados.Los distintos dominios suelen realizar funciones diferentes, reconociendo en ocasiones varias proteínas diferentes.

1) Todas las proteínas globulares contienen un interior y un exterior definidos:

Distribución de los residuos hidrófilos e hidrófobos de las proteínas globulares.

2) Las laminas-β están generalmente enrolladas, o envueltas en estructuras cilíndricas:

Hexoquinasa, dominio 2. En azul se indica las hélices-α, el naranja las láminas-β, y en verde las regiones de estructura irregular.

3) La cadena polipeptídica puede doblar la cadena de diversas maneras.

Ejemplos de giros β. Cada uno de estos tipos de giros permite un cambio brusco de la dirección de la cadena polipeptídica. En el giro tipo II, el residuo 3 suele ser la glicina, presumiblemente porque un grupo R voluminoso presentaría conflictos con el oxigeno carbonilo del residuo 2.

4) No todas las partes de las proteínas globulares pueden clasificarse convenientemente como hélice, lámina-β o giros.

FACTORES QUE DETERMINAN LAS ESTRUCTURAS SECUNDARIAS Y

TERCIARIAS

“La mayoría de la información que determina la estructura tridimensional de una proteína la lleva la secuencia de aminoácidos de esa proteína”

Desnaturalización térmica de la ribonucleasa. Se representa el cambio de conformación hacia una estructura desordenada cuando la ribonucleasa se calienta por encima de su temperatura de desnaturalización térmica. Obsérvese que los enlaces disulfuro aún están intactos, lo cual representa una cierta limitación a la flexibilidad conformacional.

Desnaturalización de la ribonucleasa seguida por varios métodos físicos. Esta grafica muestra la fracción desnaturalizada, medida por el aumento de la viscosidad de la solución (□), el cambio de la rotación óptica a 365 nm

(○) y el cambio de la absorbancia UV a 287 nm (∆). Las tres técnicas indican las mismas fracciones desplegadas. Las mediciones de una segunda desnaturalización después del enfriamiento (▲) producen la misma curva, lo que demuestra que el proceso es reversible. Los experimentos se llevaron acabo a un pH de 2.1 y una fuerza iónica de 0.019 M. En condiciones normales la ribonucleasa es mucho mas estable y no se desnaturaliza hasta temperaturas de 70-80 °C.

TERMODINÁMICA DEL PLEGADO

Entropía conformacional

El proceso de plegado, que comporta el paso desde una multitud de conformaciones de ovillo aleatorio a una única estructura plegada, implica una disminución de la entropía. Este cambio se denomina entropía conformacional del plegado.

∆G = ∆H - T∆S

La principal fuente de un ∆H negativo son las interacciones energéticamente favorables entre grupos en el interior de la molécula plagada.

Interacciones carga-carga.

Las interacciones carga-carga pueden producirse entre grupos de las cadenas laterales cargados positivamente y negativamente (grupo amino y grupo carboxilo).A pH neutro, un grupo se cargará positivamente y otro negativamente, de modo que existe una fuerza electrostática de atracción entre ellos.

Estos puentes iónicos se rompen cuando la proteína se lleva a valores lo suficiente ácidos o básicos para que una u otra de las cadenas laterales pierda su carga.

Enlaces de hidrógeno internos.

Interacciones de van del Waals

Modelo de relleno espacial , en el que se dan los radios de van der Waals de todos los átomos.

Las interacciones débiles entre grupos moleculares sin carga también pueden aportar contribuciones importantes a la estabilidad de la proteína.Cada interacción individual solo puede contribuir en una pequeña cantidad (como máximo solo unos pocos Kilojulios) a la entalpia de interacción negativa global.

Efecto hidrófobo.

En resumen, la estabilidad de la estructura plegada de una proteína globular depende de interacciones de tres factores:

1. El cambio de entropía conformacional desfavorable.2. La entalpía favorable de las interacciones de los grupos

laterales intramoleculares.3. El cambio de entropía favorable del enterramiento de los

grupos hidrófobos en el interior de la molécula.

Papel de los enlaces disulfuro.

Desnaturalización térmica de la ribonucleasa

Desnaturalización térmica del (Tripsina pancreática bovina) BPTI. Se indica el porcentaje de desnaturalización en función de la temperatura a pH 2.1 para la proteína nativa y para la proteína en la que el enlace disulfuro Cys 14-Cys 38 se ha reducido y carboximetilado.

ESTRUCTURA CUATERNARIA DE LAS PROTEÍNAS

Proteínas con múltiples subunidades: interacciones proteína homotípicas

Las interacciones entre las cadenas polipeptídicas plegadas en las proteínas con múltiples subunidades son de los mismos tipos que las que estabilizan la estructura terciaria: puentes salinos, enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrófobas y, en ocasiones, enlaces disulfuro.

Cada cadena polipeptídica es una unidad asimétrica en el agregado , pero la estructura cuaternaria global puede exhibir una amplia variedad de simetrías, en función de la geometría de las interacciones.

Interacción heteróloga de subunidades de proteínas

Simetría punto-grupo

Simetría isóloga

Simetría diédrica

Interacciones isólogas y

heterólogas

Dos proteínas helicoidales. Al lado de cada fotografía de microscopía electrónica se muestra una representación esquemática de la estructura agregada helicoidal. a) Actina. b) Virus del mosaico del tabaco. En el virus, las subunidades proteicas forman una disposición helicoidal alrededor de un RNA enrollado helicoidalmente (rojo).