Aminoácidos y estructura de las proteínas

AMINOÁCIDOS Y
ESTRUCTURA DE LAS
PROTEÍNAS
L. N. Noé González Gallegos

I. Naturaleza de las proteínas
A. Estructura

1. Las proteínas son polímeros lineales no
ramificados constituidas por 20 diferentes -
aminoácidos codificados por el DNA del
genoma.

2. Todos los organismos vivos utilizan los mismos
20 aminoácidos y, con pocas excepciones, el
mismo código genético.

B. Tamaño

 Las proteínas son diversas en tamaño.
 La masa de las cadenas simples de proteínas
típicamente es de 10-250 kilodaltons (kdal).
Se sabe de la existencia de proteínas tan
pequeñas como 350 dal y más grandes que
1000 kdal.
 Complejos proteínicos de más de 200 kdal son
frecuentemente encontrados.

C. Función

1. Catálisis enzimática – La mayoría de las
enzimas son proteínas.
2. Transporte y almacenamiento de iones y
pequeñas moléculas.
3. Elementos estructurales del citoesqueleto.
Las proteínas constituyen el citoesqueleto, el
cual:
a. Provee fuerza y estructura a las células.
b. Forma los componentes mecánicos
fundamentales para el movimiento
intracelular y extracelular.

C. Función

4. Estructura de piel y huesos. Proteínas como
el colágeno, la más abundante en el cuerpo, le
dan a estas estructuras elevada fuerza de
tensión.

5. Inmunidad. El sistema de defensa inmunitaria
esta compuesto por proteínas, tales como
anticuerpos, los cuales intervienen en la
respuesta protectora a los patógenos.

C. Función

6. Regulación hormonal. Las hormonas controlan
las reacciones metabólicas dentro del cuerpo:
a. Algunas hormonas son proteínas (ej. somatotropina
e insulina)
b. Los receptores celulares que reconocen a las
hormonas y a los neurotransmisores son proteínas.
7. Control de la expresión genética.
Activadores, represores y muchos otros
reguladores de la expresión genética son
proteínas.

D. Conformación única
1. Especificidad. Las proteínas muestran una fina
especificidad de su función biológica a consecuencia
de la excepcional estructura tridimensional, o
conformación, de cada una de ellas.
2. En los humanos, los estados patológicos están
generalmente relacionados con la alteración en la
función de una proteína, comúnmente atribuida a una
anormalidad en la estructura de la proteína:
a. Hemoglobinopatías, en particular la anemia depranocítica.
b. Síndrome de Marfan, parece ser causado por un simple
aminoácido y los cambios sobre un tejido conectivo elástico
llamado fibrilina.
c. Fibrosis quística, una deleción en el gen causa que en una
proteína transmembrana falte el aminoácido 508.

II. Aminoácidos:
Son las unidades fundamentales de las proteínas

A. Composición
1. Los aminoácidos están compuestos por un
grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-
COOH), un átomo de hidrógeno (H) y una
distintiva cadena lateral (R), todos ellos unidos
a un átomo de carbono (carbono ).

H
NH2 C COOH
R

II. Aminoácidos
A. Composición

2. Uno de los 20 aminoácidos, prolina, es un
iminonoácido (-NH-), no un -aminoácido
como los otros 19.

II. Aminoácidos
A. Composición

3. Modificación post-translación. Otros aminoácidos se
encuentran en un número de proteínas pero no son
codificados por DNA; son derivados de alguno de los 20
aminoácidos fundamentales después de que estos han
sido incorporados a las cadenas de proteínas. Más de
100 diferentes tipos de éstos aminoácidos han sido
identificados. Ejemplos de algunos:
a. Adición de grupos hidroxilo (-OH) a algunas prolinas y lisinas en el
colágeno y gelatina
b. Adición de grupos metilo (-CH3) a algunas lisinas e histidinas en la
miosina muscular.
c. Adición de grupos carboxilo (-COOH) al glutamato de proteínas de
coagulación y del hueso.
d. Adición de grupos fosfato (-PO3) a serina, treonina y tirosina. La
fosforilación es un método común de regulación de la actividad de
muchas enzimas, receptores de superficie celular y otras moléculas
reguladoras.

II. Aminoácidos
A. Composición

4. Hay muchos aminoácidos no
proteicos encontrados en la
naturaleza. En algunos
casos, estos aminoácidos actúan
como antibióticos o toxinas.

Los 20 aminoácidos utilizados para
construir cadenas de proteína
Aminoácidos alifáticos

Nombre Símbolo Fórmula estructural
Glicina Gli (G)

Alanina Ala (A)

Valina Val (V)

Leucina Leu (L)

Isoleucina Ile (I)

Aminoácidos aromáticos

Fenilalanina Fen (F)

Tirosina Tir (T)

Triptófano Tri (W)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos
hidroxilo

Serina Ser (S)

Treonina Tre (T)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos ácidos o
sus amidas
Ácido aspártico Asp (D)

Ácido glutámico Glu (E)

Asparagina Asn (N)

Glutamina Gln (Q)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene grupos básicos


Arginina Arg (R)

Lisina Lis (K)

Histidina His (H)

Aminoácidos con radicales (cadenas laterales) que contiene átomos de
azufre
Cisteína Cis (C)

Metionina Met (M)

Iminoácidos

Prolina Pro (P)

II. Aminoácidos
B. Actividad óptica

1. Con excepción de la glicina, todos los
aminoácidos contienen al menos un átomo de
carbono asimétrico y tiene, por lo
tanto, actividad óptica.
2. Enantiómeros. Los aminoácidos existen como
pares estereoisómeros llamados típicamente L
(levorrotatorio) o D (dextrorrotatorio) dependiendo
de la dirección en la que rotan el plano de la luz
polarizada.
a. L-aminoácidos son los únicos ópticamente activos
que son incorporados a las proteínas.
b. D-aminoácidos se encuentran en los productos
bacteriales (ej. cápsula celular) y en muchos
antibióticos peptídicos, pero éstos no son incorporados
a las proteínas vía sistemas de síntesis ribosomal.

II. Aminoácidos

C. Propiedades anfotéricas

1. Los aminoácidos son moléculas anfotéricas;
esto es, tienen tanto grupos básicos, como
ácidos.
2. Los ácidos monoamino-monocarboxílicos
existen en solución acuosa como moléculas
bipolares (zuitteriones), lo cual significa que
tienen ambas cargas, negativa y positiva.
a. El grupo -carboxilo está disociado y tiene carga
negativa.
b. El grupo -amino está protonado y tiene carga
positiva.
c. Así, la molécula es eléctricamente neutral.

II. Aminoácidos


3. A pH bajo (ej. altas concentraciones
de ión hidrógeno), el grupo carboxilo
acepta un protón quedando sin carga;
así, la carga absoluta de la molécula
será positiva.

4. A pH alto (ej. Bajas concentraciones de
ión hidrógeno), el grupo amino pierde su
protón quedando sin carga; así, la carga
absoluta de la molécula será negativa.

II. Aminoácidos

pH bajo pH alto

H H H

H3N+ C COOH H3N+ C COO- H2N C COO-

R R R

Carga absoluta = 1+ Carga absoluta = 0 Carga absoluta = 1-

II. Aminoácidos


5. Algunos aminoácidos tiene cadenas
laterales que contienen grupos
disociados.
a. Cadenas laterales
1. Aspartato y glutamato son ácidos;
histidina, lisina y arginina son básicos.
2. Cisteína y tirosina tienen carga
negativa cuando la cadena lateral
está disociada.

II. Aminoácidos


5. Algunos aminoácidos tiene cadenas
laterales que contienen grupos disociados.
b. Grupos disociados
1. Que estos grupos estén disociados depende
del pH y de la constante de disociación
aparente (pKa´) de los grupos disociados.
2. Estos aminoácidos disociados existen también
como zwitteriones. Por ejemplo, el glutamato
tiene tres protones disociables con valores pKa´
de 2.19, 4.25 y 9.67. Conforme el pH aumenta
por encima de cada uno de éstos valores pKa´,
los protones se disocian y la carga cambia
como muestra enseguida.

Zwitteriones de glutamato

H3N+ CH COOH H3N+ CH COO- H3N+ CH COO- H2N+ CH COO-

CH2 CH2 CH2 CH2
PKa1´ = 2.19 PKa2´ = 4.25 PKa3´ = 9.67
CH2 CH2 CH2 CH2

COOH COOH COO- COO-

1+ 0 1- 2-
Cargas absolutas

Conforme el pH aumenta por encima de
cada uno de éstos valores pKa´, los
protones se disocian y la carga cambia

III. Péptidos y polipéptidos
A. Formación. La unión de aminoácidos produce
cadenas peptídicas, también llamadas polipéptidos
cuando son muchos los aminoácidos unidos.
1. El enlace peptídico es el enlace formado entre el
grupo -carboxilo de un aminoácido y el grupo -
amino de otro. En el proceso es removida agua.


2. La formación del enlace peptídico es altamente
endergónica (requiere energía) y requiere la
hidrólisis concomitante de enlaces de fosfato de
alta energía.

3. El enlace peptídico es una estructura
plana, con los dos carbonos alfa
adyacentes, un oxígeno carbonil, un
nitrógeno -amino con su átomo de
hidrógeno asociado y el carbono
carbonil alineados todos en el mismo
plano. El enlace -CN- tiene un
carácter parcial de doble enlace que
previene la rotación alrededor del eje
del mismo.

Enlace peptídico
Plano de la amida


4. Cuando nos referimos a aminoácidos en
cadenas de polipéptidos los nombramos
habitualmente como residuos.

B. Propiedades anfotéricas
1. La formación del enlace peptídico remueve dos grupos
disociados, uno del -amino y otro del -carboxilo, por
residuo.
2. Aunque los grupos N-terminal y C-terminal -amino y -
carboxilo pueden jugar importantes roles en la formación de
estructuras proteicas y así en su función, las propiedades
anfotéricas de un polipéptido están principalmente
gobernadas por los grupos disociables en los radicales
de los aminoácidos.
3. Uso en el laboratorio. Estas propiedades de las proteínas
no sólo son importantes en términos de su estructura y
función sino también son útiles en un número de
procedimientos analíticos, tales como el intercambio iónico
o la cromatografía de líquidos, para la purificación e

IV. Conformación de las proteínas

 Cada proteína en su estado natural tiene una
estructura tridimensional única, que se
denomina conformación.


A. La estructura primaria es la “columna” covalente
de polipéptidos formados por la secuencia
específica de aminoácidos.
1. Esa secuencia está codificada por el ADN y determina
la forma tridimensional final adoptada por la proteína
en su estado natural.
2. Por convención, las secuencias de péptidos son
escritas de izquierda a derecha, comenzando con el
residuo de aminoácido que tiene un grupo -amino
libre (aminoácido N-terminal) y terminando con el
residuo que tiene un grupo -carboxil libre
(aminoácido C-terminal). Se emplean abreviaciones
de tres letras (ej., Ala-Glu-Lys) o una letra para
nombrar cadenas largas de polipéptidos (ej., A-E-K).


B. La estructura secundaria es la relación
espacial de residuos de aminoácidos
vecinos.
1. La estructura secundaria está determinada
por la estructura primaria. La estructura
secundaria surge de las interacciones de
aminoácidos vecinos. Como el código de ADN
dicta cuáles aminoácidos están cerca de otros
en la secuencia primaria, la estructura
secundaria generalmente se forma como una
cadena peptídica que sale de los ribosomas


2. Puentes de hidrógeno. Una característica
importante de la estructura secundaria es la
formación de puentes de hidrógeno (H) entre el
grupo –CO de un péptido unido al grupo –NH de
otro péptido cercano.

a. Si los puentes de hidrógeno se forman entre péptidos en
la misma cadena, se pueden formar estructuras
helicoidales como la hélice alfa o los giros beta.
b. Si los puentes de hidrógeno se dan entre péptidos de
diferentes cadenas se forman estructuras extendidas
como las láminas plegadas beta.


3. La hélice alfa es una estructura similar a una barra,
con los enlaces peptídicos fuertemente enrollados
hacia dentro y las cadenas laterales (R) de los
residuos sobresaliendo hacia afuera.

a. Cada grupo –CO está unido al –NH de un residuo de
aminoácido que está cuatro residuos después en la
misma cadena.
b. Hay 3.6 residuos de aminoácidos por giro en la hélice y la
hélice gira hacia la derecha (ej., los giros siguen el
sentido de las manecillas del reloj alrededor del eje).

Estructura secundaria: hélice alfa

 La hélice alfa muestra los
enlaces peptídicos en forma
planar y los puentes de
hidrógeno entre cada cuatro
enlaces.

 Los círculos enumerados
representan la variedad de
cadenas laterales (R) de los
diferentes aminoácidos.


4. Las estructuras de lámina plegada beta se
encuentran en muchas proteínas, incluidas algunas
globulares, las proteínas solubles y algunas
proteínas fibrosas (ej., fibroína de la seda).
a. Hay más estructuras extendidas que hélices alfa y están
plegadas porque los enlaces C-C son tetraédricos y no
pueden existir en líneas rectas.
b. Las cadenas se alinean lado a lado, con los puentes de
hidrógeno formados entre el grupo –CO de un péptido y
el grupo –NH de otro de la cadena vecina.
c. Las cadenas pueden correr en la misma dirección,
formando una lámina beta paralela, o pueden correr en
direcciones opuestas, como en las proteínas globulares
en las cuales una cadena extendida se dobla sobre sí
misma, formando una estructura anti-paralela beta.

Estructura secundaria: Lámina plegada

Lamina plegada paralela.
Los péptidos con estructura
geométrica planar se muestran
con sus puentes de hidrógeno
entre cadenas de péptidos
paralelas adyacentes. Los
círculos enumerados
representan la variedad de
cadenas laterales (R y R´) de
los diferentes aminoácidos en
cada cadena peptídica. Las
flechas adyacentes indican la
direccionaiddad de las cadenas
peptídicas desde sus terminales
amino a carboxil.


5. Un giro es
a. Hay más estructuras extendidas que hélices alfa y
están plegadas porque los enlaces C-C son
tetraédricos y no pueden existir en líneas rectas.
b. Las cadenas se alinean lado a lado, con los puentes
de hidrógeno formados entre el grupo –CO de un
péptido y el grupo –NH de otro de la cadena vecina.
c. Las cadenas pueden correr en la misma
dirección, formando una lámina beta paralela, o
pueden correr en direcciones opuestas, como en las
proteínas globulares en las cuales una cadena
extendida se dobla sobre sí misma, formando una
estructura anti-paralela beta.


C. La estructura terciaria se refiere a las
relaciones espaciales de residuos más distales.
1. Doblamiento. Las cadenas de polipéptidos de
orden secundario de proteínas solubles tienden a
doblarse dentro de estructuras globulares, con el
lado hidrofóbico de las cadenas en el interior de la
estructura, lejos del agua, y el lado hidrofílico hacia
afuera, en contacto con el agua. Este doblamiento
es debido a la asociación entre segmentos de -
hélices, láminas , u otras estructuras secundarias y
representa un estado de la más baja energía (y de
la mayor estabilidad) para la proteína en cuestión.


2. La conformación resulta de:
a. Los puentes de hidrógeno dentro de una cadena o
entre las cadenas.
b. La flexibilidad de la cadena en puntos de
inestabilidad, permitiendo al agua obtener máxima
entropía y así gobernar la estructura en cierta
medida.
c. La formación de otros enlaces no covalentes entre
las cadenas laterales, tales como acoplamiento de
sales o interacciones (Pi) de anillos aromáticos.
d. Los sitios y el numero de puentes disulfuro entre
residuos de cisteína dentro de la cadena.


3. Una cadena peptídica libre en solución no
alcanzará su estructura terciaria biológicamente
activa tan rápida y adecuadamente como lo
haría dentro de la célula. Dentro de la célula,
algunas de las proteínas que facilitan el
adecuado doblamiento son:
a. Proteína disulfuro isomerasa. Esta proteína cataliza
la adecuada formación de enlaces disulfuro entre
residuos de cisteína.
b. Proteínas chaperonas. Esta familia de proteínas
cataliza el adecuado doblamiento de proteínas en
parte al inhibir doblamiento incorrecto e interacciones
con otros péptidos.


D. Estructura cuaternaria. Se refiere a las
relaciones espaciales entre cadenas individuales
de polipéptidos en un proteína multicadena; esto
es, las características interacciones no
covalentes entre las cadenas que forman la
conformación natural de la proteína tanto como
los enlaces disulfuro ocasionales entre las
cadenas.
1. Muchas proteínas mayores a 50 kdal tienen más de una
cadena y se dice que contienen múltiples subunidades,
con cadenas individuales llamadas protómeros.
2. Muchas proteínas multisubunidades están compuestas
de diferentes tipos de subunidades funcionales.

Bibliografía

 Sittman D. Amino acid and protein structure.
En: Davidson VL, Sittman DB, editores.
Biochemistry. 4 ed. Baltimore: Lippincott
Williams & Wilkins; 1999. p. 11-28.

 Rodwell VW. Aminoácidos. En: Murray RK,
Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW, editores.
Bioquímica de Harper. 14 ed. México D. F.: El
Manual Moderno; 1997. p. 29-38.

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