J. S

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)

Estructura, Propiedades y Funciones de los Aminocidos y

las Protenas

Tema 2

2J. S

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Aminocidos

Un D-aminocido es un cido carboxlico con un grupo amino en el carbono D

R --> cadena lateral Dos

estereoismerosposibles Enantimeros L y D Slo la forma L se

encuentra en protenas L-Alanina D-Alanina

3J. S

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Aminocidos Estndar

Se representa normalmente su estado de protonacin a pH 7,0

Los aminocidos se clasifican segn las propiedades de sus cadenas laterales (a pH 7,0)

Atencin a los casos de His, Tyr y Cys!

Aminocidos neutros no polares

Aminocidos neutros polares

Aminocidos cidos Aminocidos bsicos

Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina

Fenilalanina Triptfano Metionina Cisteina Prolina

Serina Treonina Tirosina Asparagina Glutamina

Aspartato Glutamato Lisina Arginina Histidina

4J. S

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Aminocidos Alifticos No Polares

GlicinaGly, G

AlaninaAla, A

ValinaVal, V

LeucinaLeu, L MetioninaMet, M

IsoleucinaIle, I

ProlinaPro, P

Cadena lateral ciclada (iminocido). Implica restricciones conformacionales

5J. S

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Aminocidos Aromticos

FenilalaninaPhe, F

TirosinaTyr, Y

TriptfanoTrp, W

No polar (Hidrofbico) Polar

No polar (Hidrofbico)

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Aminocidos Neutros Polares

SerinaSer, S

TreoninaThr, T

CisteinaCys, C

AsparaginaAsn, N

GlutaminaGln, Q

Puede encontrarse cargado a pH>8,5Grupo -SH (tiol) es muy reactivo. Dos molculas de Cys se oxidan formado cistinamediante un puente disulfuro -S-S-

Puede encontrarse cargado a pH>9

TirosinaTyr, Y

7J. S

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Aminocidos Bsicos con Carga Positiva

ArgininaArg, R

HistidinaHis, H

LisinaLys, K

H+

Se encuentra cargado a pH

8J. S

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Aminocidos cidos con Carga Negativa

AspartatoAsp, D

GlutamatoGlu, E

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Aminocidos no Estndar

Distintos de los 20 estndar o derivados de stos

Realizan funciones biolgicas importantes como mensajeros o precursores metablicos Neurotransmisores

J-aminobutrico (GABA), derivado de la Gln serotonina, derivado del Trp

Hormonas tiroxina, derivado de la tirosina cido indol actico, derivado del triptfano

Precursores e intermediarios metablicos citrulina ornitina

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Aminocidos Proteicos Modificados

Se forman despus de la sntesis proteica Proporcionan propiedades funcionales

especficas

J-carboxiglutamato 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina o-fosfoserina

Importante para la unin de calcio en protenas de tejidos calcificados y en algunas proteasas

Posibilitan la formacin de la

estructura reticular del colgeno

La fosforilacin en residuos con grupos hidroxilo (Ser, Tyr, Thr) regula la actividad de muchas protenas

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J. S

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Propiedades cido-Base de los Aminocidos

Carga neta +1 Carga neta 0 Carga neta -1

Forma aninicaForma zwitterinica(neutra)

Forma catinica

K2; pK2K1; pK1

Los aminocidos son anfteros se comportan a la vez como cidos y como bases

A pH 7 Los aminocidos sin cadena lateral cargada son zwitteriones

presentan simultneamente una carga positiva y una negativa

12

J. S

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Valores de pKa de Aminocidos

D-carboxilopK1=2-3

Asp y GlupKR4> pK1Lys y ArgpKR> pK2

D-aminopK2=9-11

HispKR< pK2

Cys, pKR< pK2Tyr, pKR> pK2

carga - en estado desprotonado

13

J. S

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Punto Isoelctrico (pI)

pI es el valor de pH para el cual la carga neta del aminocido es 0 Valor medio de los pKa que

flanquean la estructura isoelctrica

Para aminocidos neutros es el valor medio de los pK1 y pK2

Para aminocidos cidos o bsicos depende de cada caso

Cuando pH= pI disminuye la solubilidad en agua

pK1=2.2

pKR=4.3

pK2=9.9

Equivalentes de OH-

cido glutmico

pI= (2.2+4.3)/2 = 3.22

Carga +1

Carga -1

Carga -2

Carga 0

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Polimerizacin de Aminocidos: El enlace Peptdico

Los aminocidos polimerizan formando polipptidos mediante enlaces peptdicos El enlace peptdico es un

enlace amida formado por unin del grupo D-carboxilo y el grupo D-amino de dos aminocidos

Los aminocidos unidos se llaman residuos de aminocido

Los residuos se nombran con la terminacin ilcomenzando por el extremo N-terminal

Formacin de un Dipptido

Enlace peptdico

N-terminal C-terminal

Dos aminocidos

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J. S

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Propiedades del Enlace Peptdico

El enlace peptdico es rgido y planar Tiene carcter parcial de

doble enlace (~40%) Equilibrio de estructuras

resonantes No tiene libertad de giro

Es ms corto que otros enlace CN

Se presenta normalmente en conformacin trans

Los grupos C=O y N-H peptdicos son polares Participan en la

formacin de puentes de hidrgeno

CNCD

O

H

CD

CNCD

O

H

CD

Estructuras de resonancia del enlace peptdico

Equilibrio cis-trans. Slo en los enlaces XPro aparece la conformacin cis en una proporcin significativa

CNCD

O H

CD

C=NCD

O- CD

+H

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J. S

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Pptidos

Son polmeros de unos pocos aminocidos Ejemplos de algunos pptidos importantes

Glutatin (J-glutamil-L-cisteinilglicina) Agente reductor. Protege a las clulas de productos

oxidantes derivados del metabolismo del O2 Vasopresina (hormona antidiurtica)

Interviene en la regulacin del equilibrio hdrico

Oxitocina Hormona sexual. Estimula la secrecin de la leche y la

contraccin muscular uterina durante el parto

Pptidos opiceos (leu- y met-encefalinas) pentapptidos que intervienen en el alivio del dolor

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J. S

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Protenas

Largas cadenas de aminocidos que se pliegan con una estructura definida

Son responsables de la mayora de las funciones bioqumicas:Catlisis TransporteEstructura AlmacenamientoMovimiento DetoxificacinDefensaRegulacin

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J. S

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Tipos de Protenas

Segn su forma Fibrilares Globulares

Segn su composicin Simples Conjugadas

Constan de una cadena polipeptdica y un grupo prosttico apoprotena --> slo la cadena polipeptdica holoprotena --> polipptido + grupo prosttico

Segn sea el grupo prosttico: glucoprotenas lipoprotenas metaloprotenas hemoprotenas fosfoprotenas

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J. S

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Estructura de las Protenas

Surge del plegamiento de la cadena polipeptdica

Depende de su secuencia y de las caractersticas del disolvente

Se distinguen cuatro niveles estructurales: Estructura primaria

Secuencia de aminocidos Estructura secundaria

Plegamiento local Estructura terciaria

Plegamiento global Estructura cuaternaria

Organizacin multimrica de varias cadenas

Conformacin de la cadena polipeptdica

Plano amida-

peptdico

Cadena lateral

Carbono D

Carbono DI \

20

J. S

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Estructura Primaria

Se define por la secuencia de aminocidos

Especfica de cada protena Las protenas homlogas tienen

secuencias y funciones semejantes La comparacin de secuencias

permite establecer relaciones evolutivas

Mutaciones -->variaciones en la secuencia

Los aminocidos invariables son importantes para la funcin

Las mutaciones conservadoras son cambios entre aminocidos qumicamente semejantes

Algunas mutaciones se relacionan con enfermedades --> enfermedades moleculares (patologa molecular)

Estructura primaria de la insulina

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J. S

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Estructura Secundaria

Fragmento de cadena polipeptdica en conformacin extendida: I =180o, \ =180o

Plano amida

Cadena lateral

Carbono D

Plano amida

Patrones repetitivos de conformacin local de la cadena polipeptdica Dependen de los valores de los

rotmeros I y < Hay un nmero limitado de

conformaciones posibles debido a impedimentos estricos entre los grupos -NH, -CO y R

La conformacin ms favorable depende de la secuencia de aminocidos

Las conformaciones posibles se estabilizan por un nmero elevado de enlaces de hidrgeno

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J. S

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Conformaciones Prohibidas

Choque de los grupos

-CO

Choque de los grupos

-NH

Grupos -CO lejos entre ellos y lejos de la cadena lateral R

Choque -NH con

-CO

Conformacin Posible

I =0o, \ =180o I =180o, \ =0o

I =-60o, \ =180o

I =0o, \ =0o

El choque estrico (solapamiento de los radios de van der Waals) al girar los rotmeros I y \ impide gran nmero de conformaciones. Las conformaciones posibles se representan en el diagrama de Ramachandran

23

J. S

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Diagrama de Ramachandran

Distribucin de ngulos I y \ en un polipptido de polialanina En blanco, valores

prohibidos En azul, valores

posibles. Tipos principales de

estructura secundaria hlice D lminas E

\

(

g

r

a

d

o

s

)

I (grados)

Hlice D(a derechas)

Cadenas E

Hlice D(a izquierdas)

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Hlice D (3,613) Conformacin helicoidal a

derechas I=-60o, \=-40o - -50o 3,6 residuos por vuelta

avance de 5,4 por vuelta 13 tomos por bucle (hlice

3,613) Casi todos los grupos

peptdicos participan en enlaces de H

Entre residuos i e (i+4) Excepto en los extremos

Las cadenas laterales se dirigen hacia fuera

Mnima repulsin Posibles interacciones entre

ellas

3,6 residuos5,4 (1,5 por residuo)

Residuo i

Residuo i+4

Cadenas laterales hacia afuera

Vista desde arriba

12

34

13 tomos por cada bucle cerrado por un enlace de H

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Estabilidad de la Hlice D

Contribucin principal: enlaces de hidrgeno entre grupos -CO y -NH peptdicos (cada residuo i con i+4)

No es posible en los tres primeros residuos de los extremosSe estabilizan por enlaces de H con grupos de cadenas laterales

Interacciones entre cadenas lateralesResiduo i con i+3 e i+4 (por encima) y con i-3 e i-4 (por

debajo)Electrostticas

Atractivas (residuos de distinta carga)Repulsivas --> desestabilizadoras (muchos residuos de la misma carga)

Hidrofbicas

Algunos residuos desestabilizan la hlice DGlicina (no tiene R --> otorga demasiada flexibilidad)Prolina (restringe el giro de I; no tiene -NH para formar enlace

de H)Residuos voluminosos (Trp)

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J. S

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Hoja E

Hoja EParalela

Hoja EAntiparalela

Enlaces de H mejor orientados (ms fuertes)

Peor orientacin de enlaces de H (ms

dbiles)

Alineamiento de segmentos polipeptdicos en confor-macin extendida (cadenas E)

-CO y -NH peptdicos forman enlaces de H entre cadenas adyacentes

Apariencia de lmina plegada Cadenas laterales dispuestas

perpendicularmente a ambos lados de la hoja

Frecuentes aminocidos con cadena lateral voluminosa

Segn la direccin de las cadenas E

Paralela Antiparalela

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J. S

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Esquemas de Hojas E

Paralela

Antiparalela

Cadenas laterales

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Giros E

Cambian la direccin de la cadena 180o

Conectan entre s cadenas E antiparalelas

Son giros cortos y cerrados Implican cuatro residuos

Cadena lateral pequea Con frecuencia Gly y Pro

Enlace de H entre i e i+3

Varios tipos Ms comunes, Tipos I y II

Se diferencian en residuos 2 y 3.

Tipo I Tipo II

Glicina

12

34

34

12

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Meandro E Unidad DD Barril E Llave griegaUnidades EDE

Estructuras Supersecundarias

Son combinaciones de elementos de estructura secundaria que forman patrones definidos.

Tambin se denominan motivos estructurales y son la base para la clasificacin estructural de las protenas

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Estructura Terciaria

Estructura tridimensionalglobal que asume una protena al plegarse

Residuos lejanos en la secuencia quedan cerca en el espacio

Estructura compacta que excluye las molculas de agua de su interior

En el interior se agrupan residuos hidrofbicos (efecto hidrofbico). Los polares se exponen al exterior

La ausencia de agua facilita las interacciones inicas y los enlaces de hidrgeno

Las protenas grandes suelen presentar dominios estructurales

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Dominios Estructurales

Son unidades estructuralmente independientes que presentan caractersticas y funciones definidas. Ejemplos:

Mano EFConfiguracin hlice-vuelta-hlice que se une especficamente a iones Ca2+

Dedo de ZnHabitual en protenas que unen DNA

Cremallera de leucinas

Hlice F

Hlice ECa2+

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Mantenimiento de la Estructura Terciaria

Puentesalino

Interaccioneshidrofbicas

Puentesdisulfuro

Enlaces dehidrgeno

Interacciones covalentesPresentes slo en algunos casos

Interacciones dbiles (no covalentes)Inicas (puentes salinos)HidrofbicasEnlaces de hidrgenoFuerzas de

van der Waals

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Protenas Hidrosolubles y Protenas de Membrana

Entornoacuoso

Polar

HidrofHidrofbicobico

ArgArgAspAspLysLysGluGluAsnAsnGlnGlnHisHisTyrTyrProProSerSerGlyGlyThrThrAlaAlaTrpTrpCysCysValValLeuLeuIleIleMetMetPhePhe

Escala de hidrofobicidad

Entornolipdico

membrana

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Estructura Cuaternaria

Estructura cuaternaria de la hemoglobinaHomo-oligmero de cuatro subunidades(tetrmero 2xDE)

Asociacin no covalente de varias cadenas polipeptdicas Subunidades=mon-

meros=protmeros Las subunidades se

organizan de manera simtrica

Ventajas de la asociacin Mayor estabilidad Regulacin alostrica

Estabilidad Mismo tipo de enlaces que

estructura terciaria

D

EE

D