Procesos Biologicos - 03 - Aminoácidos, Péptidos Y Proteínas.23.03.09

Aminoácidos, péptidos y proteínas Rodrigo Sandoval, Ph.D. Procesos Biológicos I Carrera de Medicina

Proteínas  Biopolímeros de α-amino ácidos.  Amino ácidos están unidos por enlaces

peptídicos.  Variedad de Funciones:  estructura  enzimas  transporte  protección  hormonas

Estructura de Proteínas

=>

Aminoácidos

Moléculas orgánicas que presentan un radical amino y un radical carboxilo. Existen más de cien en la naturaleza.

Amino ácidos    

Unidades Estructurales de las proteínas Usadas también en vías bioquímicas 20 aminoácidos estandar (α-aminoácidos) Dos grupos funcionales:  Grupo ácido carboxílico  Grupo amino en el carbono alfa (α)

 Diferentes grupos sustituyentes (R)  Sus propiedades van a dictar el

comportamiento del aminoácido

R side chain | H2N— C —COOH |

Estructura de los Aminoácidos

H H2N CO2H C R

R – Puede ser una serie de grupos funcionales

Aminoácidos Estandar  20  Difieren en características de su

Sustituyente:      

-H or alquil Contienen -OH Contienen azufre Contienen nitrógenos no básicos tienen -COOH Tienen un nitrógeno básico

Clasificación de los aminoácidos  Clasificación por la estructura de R  apolares  Polares  Aromáticos  Acídicos  Básicos

Aminoácidos apolares  Hidrofóbicos, neutrales, alifáticos

Aminoácidos polares  Hidrofílicos, neutrales, generadores de

puentes de H

Aminoácidos Aromáticos  Voluminosos, neutrales, polaridad

depende de R

Aminoácidos acídicos y básicos Acídicos  Grupo R = ácido

carboxílico  Donor H+  Cargados negativamente

 Básicos  Grupo R = amina  Acepta H+  Cargados

positivamente

Abreviaciones (1 y 3 letras) Alanina A, Ala Arginina R, Arg Asparragina N, Asn Ácido Aspártico D, Asp Cisteina C, Cys Glutamina Q, Gln Ácido Glutámico E, Glu Glicina G, Gly Histidina H, His Isoleucina I, Ile

Leucina L, Leu Lisina K, Lys Metionina M, Met Fenilalanina F, Phe Prolina P, Pro Serina S, Ser Treonina T, Thr Triptofano W, Trp Tirosina Y, Tyr Valina V, Val

Aminoácidos escenciales Arginina (Arg) Treonina (Thr) Lisina (Lys) Valina (Val) Fenilalanina (Phe)

    

Triptofano (Trp) Metionina (Met) Histidina (His) Leucina (Leu) Isoleucina (Ile)

Otros aminoácidos pueden presentar interés biológico, porque forman parte de proteínas de microorganismos, porque dan lugar a moléculas fundamentales (tiroxina) o porque sufren modificaciones como metilaciones, fosforilaciones, ... ( β-alanina; forma parte de coenzimas, ácido γ-aminobutírico; neurotransmisor de las sinapsis

Estereoquímica de los aminoácidos  Los aminoácidos (excepto gly) son

ópticamente activos

 Proyecciones de Fischer:

Quilaridad de los Aminoácidos Gly, ácido 2-amino-acético, es aquiral

  En todos los demás, el carbono α del

aminoácido es el centro quiral  La referencia estereoquímica delos aminoácidos es la proyección de Fischer de la L-serine  Proteínas derivan exclusivamente de Laminoácidos

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Configuraciones D y L  d = dextrorotatorio  l = levorotatorio  D, L = relativo a gliceraldehído

Importancia de la estereoquímica  Todos los AA encontrados en

proteínas tienen geometría L  D-AA se encuentran en Bacterias  Geometría de las proteínas afectan

la reactividad (unión de sustratos en enzimas)  Talidomida

Aminoácidos no estándar  Derivados de AA  Modificación de AA

luego que la proteína es sintetizada  Residuos terminales

o grupos R  Adición de grupos

alquilo pequeños, hidroxilos, etc.

 D-AA  Bacterias

Aminoácidos poco comunes  4-Hidroxiprolina, 5-hidroxilisina se

encuentran en fibras de colágeno.  D-Ácido Glutámico en pared celular de bacterias.  D-Serina en gusanos.  Ácido γ-Aminobutírico, neurotransmisor.  β-Alanina, constituyente de la vitamina ácido pantoténico

Propiedades de los Aminoácidos 

Alto punto de fusión, sobre 200°C.  Solubles en agua más que en solventes orgánicos.  Momentos dipolares mayores que aminas o ácidos simples.  Menos acídicos que la mayoría de los ácidos carboxílicos y menos alcalinos que la mayoría de las aminas. pKa = 10

O _ + H3N CH C O R

pKb = 12

Propiedades ácido-base  Recordar H3PO4 (múltiples pKa)  AAs también tienen múltiples pKa debido a sus

múltiples grupos ionizables pK1 ~ 2.2

(protonado bajo 2.2) pK2 ~ 9.4

(NH3+ bajo 9.4) pKR

Zwitteriones  Tanto los grupos –NH2 como –COOH en un

aminoácido sufren ionización en estado acuoso.  ApH fisiológico (7.4), se forma un zwitterion  Tanto cargas + como –  Neutro  Anfótero  Grupo Amino protonado  Grupo Carboxilo deprotonado

 Soluble en solventes polaresdebido a su carácter

iónico  Estructura de R también influencia la solubilidad

pH e ionización  Considere la glicina: O H3N

CH

C

O OH

OH-

H3N

CH

C

O O

+

H

Glycine ion at acidic pH (charge = 1+)

H3O

OHH3O

H

Zwitterion of glycine (charge = 0)

+

H2N

CH

C

H

Glycine ion at basic pH (charge = 1-)

 Note que no hay formación de la especie no

cargada

O

Titulación de la Glicina  pK1  [cation] = [zwitterion]

 pK2  [zwitterion] = [anion]

 Primer punto de equivalencia  Zwitterion  Moleculea no tiene carga neta  pH = pI (punto Isoelectrico)  pI = promedio de pKa = ½ (pK1 +

pK2)  pIgly = ½ (2.34 + 9.60) = 5.97

Punto Isoeléctrico  pH al cual los aminoácidos existen    

como zwitteriones (neutros). Depende de la estructura de la cadena sistituyente. Aminoácidos Acidicos, pH isoeléctrico ~3. Aminoácidos Basicos, pH isoeléctrico ~9. Aminoácidos neutros, pH isoeléctrico es levemente ácido, 5-6.

El enlace peptídico  Cadena de aa = péptido o proteína  Residuos de aminoácidos conectados por

enlaces peptídicos  Residuo = AA – H2O

Estrucutra del enlace peptídico

 El enlace peptídico es un enlace

amida.  Amidas son muy estables y neutras.

=>

Formación del enlace peptídico

 El grupo amino de una molécula se

condensa con el grupo ácido del otro.  Polipáptidos tienen generalmente pesos moleculares menores de 5000.  Pesos moleculares de las proteínas pesan desde 6000-40,000,000.

Polipéptidos  Polímeros lineales (sin

ramificaciones)  Monómeros de AA unidos de cabeza a cola  Residuos terminales:  Grupo amino libre (N-terminal)  Se dibuja a la izaquierda  Grupo carboxilato libre (C-terminal)  Se dibuja a la derecha

 Valores de pKa de AAs en

Oligopéptidos Moléculas formadas por un número de aminoácidos inferior a 100. Oligopéptidos con actividad biológica: •Algunas vitaminas del grupo B: ácido pantoténico y ácido fólico. •Hormonas: adrenocorticotrofina (ACTH), melanotrofina (MSH), insulina y glucagón, gastrina y secretina y angiotensina. •Neuropéptidos: encefalinas •Antibióticos: alcaloides

Bradiquinina

 Oligopéptido, 4 a 10 aminoácidos.  Se nombra de izquierda a derecha:

arginylprolylprolyl……arginine.

PROTEÍNAS  DEFINICIÓN

Biopolímeros de aminoácidos de mas de 6000 daltons, indispensables para la procesos vitales de los seres vivos. Están formadas por C, H, O, N y S

Por su naturaleza química

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEINAS

Por la forma que adopta

SIMPLES CONJUGADAS

FIBROSA GLOBULAR

ENZIMAS PROTEÍNAS

Por su función Biológica

DE TRANSPORTE CONTRÁCTILES Y MÓTILES DE DEFENSA REGULADORAS NUTRIENTES HORMONAS

Proteínas. Clasificación Holoproteínas o proteínas simples (sólo contienen aminoácidos) : Globulares: solubles(

) e insolubles (

•Globulinas: inmunoglobulinas, seroglobulina, lactoglobulina,... •Albúminas: ovoalbúmina, lactoalbúmina,... •Histonas: forman la cromatina •Protaminas: unidas al ADN en espermatozoides •Gluteninas: en semillas. Fibrilares o escleroproteínas: •Colágeno: tejidos conectivos •Queratinas: estructuras dérmicas(pelo, uñas,...) •Elastinas: fibras musculares (actina y miosina) •Fibrinógeno: coagulación sanguínea

)

Proteínas. Clasificación Heteroproteínas o proteínas conjugadas: formadas por una parte proteica (grupo proteico) y otra no proteica (grupo prostético). Se clasifican según la naturaleza del grupo prostético. •Fosfoproteínas: algunos aá. están fosforilados (caseína de la leche) •Cromoproteínas: llevan unido un pigmento Porfirínico: con el grupo porfirínico (hemoglobina, citocromos) no porfirínico: con un ion metálico como Cu (hemocianinas) •Glucoproteínas: con un oligosacárido como la mucina de la saliva •Lipoproteínas: con un lípido como el transporte de colesterol •Nucleoproteínas: con ácidos nucleicos como ribosomas o cromatina

PROPIEDADES DE LAS PROTEINAS

 PROPIEDADES ÁCIDOS-BASE: punto

isoeléctrico.  SOLUBILIDAD:

 Forman dispersiones en agua  Efecto del pH: hace variar la carga.  Efecto de las sales: Baja [ ]: aumenta la solubilidad Alta [ ]: disminuye la solubilidad

 Efecto de solventes poco polares:

disminuye la solubilidad.

Proteínas. Propiedades Solubilidad: solubles en agua donde forman dispersiones coloidales. En la estructura, los aminoácidos hidrófilos se encuentran al exterior y los hidrófobos al interior. Hay excepciones. Las proteínas fibrosas suelen ser insolubles. Punto isoeléctrico: el valor del pH para el cual las cargas positivas y negativas de los radicales de los aminoácidos están compensados. En este valor las proteínas son insolubles, por lo que el pH fisiológico debe ser diferente.

Poder amortiguador o tampón: debido a su carácter anfótero regulan el pH del medio

Proteínas. Propiedades

Proteínas. Propiedades

Proteínas. Funciones Energética: lactoalbúmina, caseína,... Estructural: colágeno, histonas,.. Hormonal: insulina Transportadora: hemoglobina, proteínas de membrana,... Antibiótica: actinomicina Contráctil: actina, miosina,... Homeostática: regulan las condiciones del medio (pH) Inmunológica: inmunoglobulinas Marcadoras: proteínas de membrana Protectora y lubricante: mucina, proteínas del líquido sinovial

Separación y purificación

Tamaño proteico  En general, proteínas contienen >

40residuos  Mínimo necesario para alcanzar

estructura terciaria

 Usualmente 100-1000 residuos  % de cada aminoácido varía  Proteínas se separan conforme sus

diferencias de tamaño y composición

Factores a controlar  pH  Mantener el pH estable para evitar denaturación o

degradación química

 Presencia de enzimas  Pueden afectar estructura (ej. proteasas/peptidasas)

 Temperatura  Controla la denaturacion (0-4°C)  Controla la actividad de las enzimas

 Grupos tiol  Reactivos  Adicionar grupos protectores para prevenir formación de

nuevos enlaces disulfuro

 Exposición al aire, agua  Denatura u oxida

Procesos generales de separación  Detectar/cuantificar proteínas (ensayo)  Determinar la fuente (tejido)  Extraer proteina  Suspender la fuente celular en tampones  Homogenizar  Cortar en piezas pequeñas  Romper células  Contenido soluble mezclado con el tampón  Centrifugar para seperar materiales solubles e insolubles

 Separar proteínas de interés  Basado en solublilidad, tamaño, carga o

Solubilidad  Precipitación selectiva de proteínas  Manipular  Concentración de sales  Solventes  pH  Temperatura

Concentración de sales  Adicionar pequeñas concentraciones de

sal incrementa la [Proteina]  Sal impide la agregación de proteínas  Salting-in

 Salting out  Aumentando más la [sal] disminuye la

[proteina]

Otros métodos de solubilización  Solvente  Similar a salting-out  Adicionar solventes orgánicos (acetona,

etanol) para interactuar con agua  Disminuye el poder de solvatación

 pH  Proteinas son menos solubles al pI  Precipitación Isoelectrica

 Temperatura

Chromatografía  Fase móvil  Mezcla disuelta en

líquido o sólido

 Fase estacionaria  Matriz porosa sólida

 Componentes de la

mezcla pasan a través de una columna basada en diferentes propiedades

Espectroscopía UV-Vis  Monitorear

concentraciones de proteína de cada fracción  λ = 280 nm  Absorbancia de

grupos aromáticos

Electroforesis  Migración de iones en un campo eléctrico  Movilidad electroforética es función de la carga,

tamaño, voltaje, pH  Cargas positivas se mueven hacia el electrodo

negativo (catodo)  Proteínas cargadas negativamente se mueven

hacia el electrodo positivo (anodo)  Proteínas a su pI no migran en ninguna dirección