FICHA 3_Biomol-culas. Prote-nas PDF

Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Medicina INTRODUCCIÓN A LA MEDICINA Unidad I Tema 1: Nivel Molecular: Biomoléculas. Proteínas. Contenidistas: Bioq. Juan Gonzalo Ruiz Dra. Silvina Aguirre  FICHA 3 NIVEL MOLECULAR: BIOMOLÉCULAS. PRO...

Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Medicina INTRODUCCIÓN A LA MEDICINA Unidad I Tema 1: Nivel Molecular: Biomoléculas. Proteínas. Contenidistas: Bioq. Juan Gonzalo Ruiz Dra. Silvina Aguirre  FICHA 3 NIVEL MOLECULAR: BIOMOLÉCULAS. PROTEÍNAS Las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes en los vertebrados, pues representan alrededor del 50% del peso seco de los tejidos. Prácticamente todos los procesos biológicos dependen de la presencia y/o actividad de este tipo de biomoléculas y basta mencionar algunos ejemplos para que se des una idea de la variedad de procesos en los que intervienen y la trascendencia de funciones que estas llevan a cabo. Por ejemplo, la mayoría de las enzimas (catalizadores de reacciones químicas en los organismos vivientes) son proteínas, como así también muchas hormonas (reguladores de actividad celular) y los receptores de las células, a los cuales se fijan moléculas, como las hormonas, capaces de desencadenar una respuesta interna dentro de la célula. También las proteínas forman parte de la estructura de las células como es el caso de la actina y la miosina (responsables del acortamiento del músculo durante la contracción) o el colágeno (integrante de fibras altamente resistentes en tejidos de sostén). Además, la hemoglobina y otras moléculas con funciones de transporte en la sangre presentan una estructura proteica Por último y no menos importante, los anticuerpos (moléculas encargadas de la defensa natural contra infecciones o agentes extraños) también son de naturaleza proteica. En los últimos 50 años el avance en el conocimiento de este grupo de biomoléculas han posibilitado comprender los mecanismos de muchos procesos vitales y, sobre todo, demostrar la estrecha relación que existente entre su estructura molecular y la función que cumplen. Uno de los problemas más difíciles planteados a los investigadores fue aislar y purificar una determinada proteína a partir de la compleja mezcla de moléculas que constituye la materia viva, pero el perfeccionamiento de métodos de aislamiento ha permitido obtener proteínas al estado puro y aptas para el estudio de su estructura y propiedades. 1 ¿Recordás que átomos formaban parte de las biomoléculas? Todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, como las otras biomoléculas estudiadas al momento, pero con la particularidad de que una gran parte de ellas posee también átomos de azufre. Las proteínas son moléculas de enorme tamaño por lo que pertenecen a la categoría de macromoléculas y están constituidas por gran número de unidades estructurales, por lo cual se trata de polímeros (biopolímeros). Debido a su gran tamaño, cuando estas moléculas se disuelve en un solvente adecuado, forman dispersiones coloidales, con características que las distinguen de las soluciones de moléculas pequeñas. Por hidrólisis*, las moléculas proteicas son escindidas en numerosos compuestos relativamente simples, de pequeño peso, que son las unidades fundamentales constituyentes de estas macromolécula. Estas unidades son los aminoácidos, de los cuales existen veinte especies diferentes. Cientos o miles de estos aminoácidos pueden participar en la formación de la gran molécula polimérica. Como los aminoácidos son los bloques o "ladrillos" con los cuales se construye el gran edificio molecular de las proteínas, los vamos a considerar en primer término. Aminoácido Proteína AMINOÁCIDOS Los aminoácidos constituyentes de las proteínas son compuestos que poseen un grupo ácido, carboxilo (-COOH); y un grupo básico, amino ( ), unido al carbono αα (el carbono α en un ácido orgánico es el inmediato al carboxilo). Son, entonces, α aminoácidos. Estos se diferencian por la cadena lateral (R) unida al carbono α, dando lugar a los veinte aminoácidos distintos que se pueden obtener por la hidrólisis de proteínas. *Hidrólisis: ruptura de un enlace covalente por adición de agua en condiciones adecuadas. 2  Estructura general de un aminoácido. De acuerdo con la fórmula general que te presentamos arriba, todos los aminoácidos (excepto glicina, en la cual R es un hidrógeno) tienen las cuatro valencias del carbono α a saturadas por grupos diferentes. Este hecho determina la existencia de dos isómeros ópticos, con configuración espacial distinta, para cada aminoácido. Isomería óptica ¿Recordás qué era la isomería óptica? Repasemos... Se denominan isómeros a compuestos diferentes con la misma fórmula molecular, que contienen igual número y clase de átomos, pero unidos entre sí de manera distinta. Cuando difieren en su disposición espacial se trata de isómeros espaciales o estereoisómeros, categoría a la cual pertenecen los isómeros ópticos. Los isómeros ópticos presentarán la capacidad para desviar el plano de vibración de la luz polarizada en uno u otro sentido. También debemos repasar el concepto de carbono asimétrico o quiral. Cuando un átomo de carbono está unido a cuatro átomos o grupos atómicos diferentes, ese carbono es un carbono asimétrico o quiral. En todos los aminoácidos, excepto en la glicina, el carbono α es asimétrico, por lo tanto, los grupos unidos a ese carbono podrán estar dispuestos en el espacio de dos maneras diferentes. De ello resultan dos moléculas, cada una de las cuales es la imagen especular de la otra. Estos isómeros no son superponibles. Se los conoce como isómeros ópticos o enantiómeros. Recordá también que los isómeros ópticos poseen muchas de sus propiedades químicas iguales y propiedades físicas idénticas excepto su capacidad para desviar el plano de vibración de la luz polarizada, que lo harán en sentido contrario. 3 Los isómeros ópticos se distinguen por la configuración de los cuatro sustituyentes en torno al átomo de carbono asimétrico. El compuesto de referencia es el gliceraldehído. Los dos isómeros ópticos de esta sustancia, uno levógiro y otro dextrógiro, se designan anteponiendo al nombre las letras L y D respectivamente. Recordá que el isómero L es representado con el hidroxilo unido al carbono asimétrico hacia la izquierda, y el isómero D con dicho grupo hacia la derecha. Por convención todos los compuestos de configuración compatible a la del L-gliceraldehído son denominados L, aún cuando no sean levógiros, y los relacionados con la disposición espacial del D-gliceraldehído, son llamados D aunque no sean dextrógiros. De este modo, D y L denotan la configuración y no corresponden en todos los casos a compuestos dextrógiros y levógiros respectivamente. Por esta razón se debe indicar el sentido de la rotación con un signo (+) o (-) a continuación de la letra. Por ejemplo, el aminoácido L-alanina tiene una rotación específica de +1,8°, por lo que su notación es L(+)-alanina. COOH COOH Analogía de los enantiómeros de la alanina con la configuración del D y L-gliceraldehído. Todos los aminoácidos, excepto la glicina, presentan isómeros D y L. Los aminoácidos isoleucina y treonina tienen un segundo carbono asimétrico además del αα, razón por la cual existen cuatro isómeros de cada uno, pero solo uno de esos cuatro participa en la constitución de proteínas. 4 Al igual que con los hidratos de carbono, todas las células de los seres vivos distinguen con gran eficiencia los estereoisómeros de aminoácidos. Sólo los aminoácidos de configuración L serán incorporados a proteínas en el organismo, por lo que a ellos nos referiremos casi exclusivamente en lo sucesivo. Por lo tanto, cuando no se antepone letra al nombre, debe entenderse que se trata de L- aminoácidos. Como excepción, existen formas D en algunos péptidos que son parte de la composición de las paredes bacterianas. Clasificación de los aminoácidos Empecemos con la clasificación de los aminoácidos, pero antes destaquemos algunas características de los α -aminoácidos, obtenidos por hidrólisis de proteínas, que necesitamos tener en cuenta: La mayoría posee un grupo ácido carboxilo y un grupo básico amina, por lo cual se los considera neutros. Dos de ellos tienen un grupo carboxilo adicional que les confiere carácter ácido (ácido glutámico y ácido aspártico), mientras que otros dos poseen grupos básicos adicionales (lisina y arginina). Dos contienen azufre en su molécula (cisteína y metionina). En uno, el carbono adyacente al de la función carboxilo forma parte de un ciclo (prolina). Para continuar, agruparemos a los aminoácidos según la naturaleza o características de sus cadenas laterales. Para nombrarlos se usan notaciones abreviadas, una de tres y otra de una letra, para indicar cada aminoácido. A continuación se representarán los distintos aminoácidos con sus cadenas laterales (R) destacadas mediante un sombreado rosado. Aminoácidos alifáticos neutros con cadena no polar La glicina posee sólo un hidrógeno además de los grupos carboxilo y amina; estos grupos polares predominan claramente en su molécula. La alanina, con un metilo como cadena lateral, es más soluble en agua que los siguientes aminoácidos, en los cuales la cadena lateral hidrofóbica es de mayor tamaño. Valina, leucina e isoleucina tienen cadenas apolares ramificadas. 5  Glicina Alanina Gly Ala Valina G A Val V Leucina Isoleucina Leu Ile L I Aminoácidos alifáticos neutros con cadena polar no ionizable En este grupo solo se encuentra a la serina y la treonina que contienen en su cadena lateral una función hidroxilo que les otorga carácter polar. Serina Ser S Treonina Thr T Aminoácidos neutros aromáticos La fenilalanina posee un núcleo bencénico, en cambio el triptofano, presenta el núcleo heterocíclico indol; ambos serán considerados apolares y marcadamente hidrófobos. La tirosina que tiene un hidroxilo fenólico que le da polaridad. Por encima de pH 10 libera un protón y adquiere carga negativa. Los aminoácidos aromáticos absorben fuertemente la luz en la región ultravioleta del espectro (280 nm*). Esta propiedad es usada para detectar la presencia de proteínas en una muestra. Fenilalanina Triptofano Phe Tirosina Trp F Tyr W Y *nm (nanometro): unidad de longitud del Sistema Internacional de Unidades (SI) que equivale a una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10 -9 m) o a la millonésima 6 parte de un milímetro Aminoácidos con azufre La cisteína contiene el grupo -SH (sulfhidrilo), ligeramente polar que a pH 9 libera un protón. La cadena lateral de la metionina es apolar. Cisteína Cys C Metionina Met M Aminoácidos ácidos (dicarboxílicos) Ellos son el ácido aspártico y ácido glutámico que presenta un grupo carboxilo adicional que puede liberar un protón y adquirir carga negativa al pH de los líquidos biológicos. A menudo se los designa con el nombre de la forma ionizada, aspartato y glutamato respectivamente. Ácido aspártico Asp D Ácido glutámico Glu E Asparragina y glutamina son derivados de los aminoácidos ácido aspártico y glutámico respectivamente. Poseen función amida en el carbono distal al carbono α. A diferencia de sus análogos acídicos, asparragina y glutamina no tienen carga en su cadena lateral, pero son decididamente polares. 7  Asparragina Asn N Glutamina Gln Q Aminoácidos básicos Son aminoácidos con carga positiva al pH normal de las células. Entre estos se encuentra la lisina, con una función amina adicional, y arginina, con un grupo guanidina, que tiene la capacidad de aceptar protones. En cambio la histidina tiene el núcleo heterocíclico imidazol, uno de cuyos nitrógenos puede adquirir una carga positiva. Todos los aminoácidos básicos son fuertemente polares. En la proteína del colágeno se encuentra hidroxilisina, que es un derivado de la lisina con un hidroxilo en el C5*. Histidina His H Lisina Lys K Arginina Arg R *En los aminoácidos, los carbonos de la cadena se cuentan a partir del que posee la función carboxilo. 8 Prolina En la prolina el carbono α y el nitrógeno a él unido están incluidos en un ciclo pirrolidina. El compuesto tiene carácter alifático y con uniones de mayor rigidez que la existente en los otros aminoácidos. En algunas proteínas se encuentra un derivado hidroxilado de la prolina, la hidroxiprolina. Prolina 4-hidroxiprolina Pro P Otros aminoácidos Los aminoácidos presentados hasta aquí participan en la constitución de proteínas. Algunos de ellos suelen sufrir "modificaciones" por adición covalente de diferentes grupos. Por ejemplo, además de 4-hidroxiprolina y 5-hidroxilisina, ya mencionados, existen la fosfoserina, y el ácido γγ-carboxiglutámico ( γ es la letra gama). Mucho menos frecuentes que los mencionados, también encontramos aminoácidos que resultan de reemplazar el azufre de la cisteína y metionina por selenio, llamados selenocisteína en proteínas de origen animal y selenometionina en proteínas de estructuras de células vegetales. Otros aminoácidos biológicamente importantes serán la β-alanina, D-alanina, sarcosina, γ-aminobutírico, D-ácido glutámico, ornitina, homoserina, tiroxina, citrulina, homocisteína que se encuentran libres o integrando moléculas no proteicas. Si bien no es necesario que sepas la estructura de estos últimos compuestos, es importante que tengas en cuenta que se tratan de moléculas que químicamente son "aminoácidos", es decir, todos contienen un grupo amino y otro carboxilo. Sigamos adelante... 9 Propiedades de los aminoácidos Ahora veamos las propiedades de los aminoácidos y para ello evaluaremos las propiedades de sus cadenas laterales ya que éstas permiten predecir el comportamiento de los aminoácidos. Por ejemplo: El grupo sulfhidrilo de la cisteína es altamente reactivo y con facilidad se combina con otra molécula similar para formar uniones disulfuro (-S-S-). Dos cisteínas ligadas por este tipo de enlace covalente forman cistina. El grupo carboxilo adicional de ácidos aspártico y glutámico, además de otorgarles carácter ácido, da a estos aminoácidos la propiedad de interactuar con sustancias básicas para formar uniones de tipo salino. También pueden establecer atracciones electrostáticas de este tipo entre los aminoácidos diaminados (con un grupo amino adicional). Las características de las cadenas laterales permitirán agrupar los aminoácidos en: Polares: glicina, serina, treonina, cisteína, tirosina, ácido aspártico, ácido glutámico, asparragina, glutamina, lisina, histidina y arginina. Apolares: alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, triptófano y prolina. Propiedades ácido-base de aminoácidos Antes de abordar este tema, debemos recordar estas definiciones: Ácido: sustancia que en solución acuosa es capaz de liberar o ceder protones. Base: sustancia que en solución acuosa es capaz de aceptar protones. pH: el pH de una solución es una medida de la concentración de los protones. Además de las propiedades mencionadas en el punto anterior, la existencia, en una misma molécula, de grupos ácido y básico, da a los aminoácidos propiedades eléctricas particulares: 10  Así, el grupo carboxilo se comporta como ácido o dador de protones: grupo carboxilo grupo carboxilato protón El grupo amina acepta protones actuando como base: grupo amino protón grupo amonio Si mirás las fórmulas de los aminoácidos hasta ahora presentadas, verás que se mostraron con sus funciones no ionizadas, situación improbable en los medios biológicos, ya que en realidad, al estado cristalino o en soluciones acuosas (a pH fisiológico), estos compuestos se encuentran ionizados, con cargas positiva (el grupo amonio) y negativa (el grupo carboxilato) sobre la misma molécula. Es por esta razón que se dice que los aminoácidos son iones dipolares o, también se usa el término zwitterión*. En consecuencia, los aminoácidos son anfolitos o anfóteros* y por ello, es más correcto representar a los aminoácidos como iones dipolares como se muestra en la siguiente imagen: Por lo tanto, veremos que el comportamiento de los aminoácidos dependerá mucho del medio en que se encuentren: En soluciones ácidas fuertes, el ion dipolar capta un ion hidrógeno o protón a nivel de su , el cual, en esas condiciones, se comporta como una "base". El aminoácido se convierte entonces en un catión con carga positiva (la del grupo ) que migrará hacia el cátodo si se establece un campo eléctrico en la solución. En soluciones alcalinas, el protón de la función reacciona con iones hidróxido para formar agua y el aminoácido queda con carga negativa (la del grupo.......... ) dando lugar a un ion negativo o anión, que migrará hacia el ánodo si se establece un campo eléctrico en la solución. Es decir, en un medio fuertemente alcalino, el grupo se comporta como "ácido". *Zwitterión o ion dipolar: compuesto químico eléctricamente neutro, pero que tiene 11 cargas formales positivas y negativas sobre átomos diferentes. *Anfótero: sustancia capaz de actuar como ácido o como base según las condiciones.  Conclusión: La carga eléctrica del aminoácido dependerá del pH del medio en el cual está disuelto: Si la concentración de iones hidrógeno aumenta en el medio, los grupos ionizados (carboxilato) captan protones, disminuyen progresivamente las formas iónicas dipolares y se forman los cationes. Es decir que, cuando aumentan los protones, predomina la forma protonada del aminoácido con carga neta positiva. En cambio,.cuando disminuye la concentración de iones hidrógeno (aumentan los iones hidroxilo), los grupos ionizados ceden por lo que pierden su carga y se forman aniones. Es decir que, al disminuir los iones hidrógeno del medio, predomina la forma desprotonada del aminoácido La siguiente imagen resume cómo cambia el estado de ionización de un aminoácido según los cambios de pH, y el consecuente cambio de su carga neta: Hay un valor de pH, característico para cada aminoácido, en el cual la ionización de cargas positivas y negativas se iguala y, por lo tanto, la carga total del aminoácido es "nula". A este valor de pH se lo denomina punto isoeléctrico (pHi o pl), en el cual la carga neta de la molécula será "cero". En estas condiciones, el aminoácido está en su forma zwitteriónica y no tiende a desplazarse hacia ninguno de los polos cuando se establece un campo eléctrico a través de la solución. En realidad, lo que le ocurre al aminoácido en una solución, en relación a los cambios de pH del medio, va a depender de las constantes de disociación de los grupos carboxilo y amino respectivamente. La 12 interconversión entre dos estados del aminoácido se produce paulatinamente, pasando por los respectivos equilibrios de disociación de los grupos ionizables que ocurren cuando el pH del medio coincide con los pK correspondientes a estos grupos. Se llega así al predominio de uno de los tres estados posibles del aminoácido (protonado, ion dipolar o desprotonado). Para comprender completamente lo que sucede, hay que estudiar estos conceptos con más profundidad. Para ello, mirá con atención una serie de 4 videos de Gabriel Rosado, Profesor de la Universidad Autónoma de Yucatán, México. Aminoácidos. pI Aminoácidos. pI Aminoácidos. pI Aminoácidos. pI 1-Ionización 2-Zwitterión 3-Definición 4. Ejercicio Aclaración sobre el 3° video: Si bien el profesor explica muy claramente, comete un error no intencional. Entre los 34:09 y 34:46 segundos muestra una diapositiva que dice "Cuando el pH es mayor que pK1...". Debe decir "Cuando el pH es mayor que pK2". Este error no invalida el resto de la explicación. El comportamiento de los aminoácidos los podemos resumir de la siguiente manera: Cuando el pH del medio es igual al pI del aminoácido en cuestión, éste se encuentra en su estado de ion dipolar, y su "carga neta es cero". En soluciones fuertemente ácidas, es decir a pH muy ácido, (o cuando el pH del medio es inferior al pK del grupo carboxilo), predomina la forma protonada del aminoácido, la cual tiene "carga positiva" (está como catión). En soluciones alcalinas, es decir a pH alcalinos, (o cuando el pH del medio es superior al pK del grupo amino), predomina la forma desprotonada del aminoácido, la cual tiene "carga negativa" (está como anión). Recordá...El punto isoeléctrico (pI) es el valor del pH en el que la carga neta del aminoácido es cero. En los aminoácidos dicarboxílicos o diaminados existe un grupo ionizable adicional, haciendo que antes las variaciones de pH se forman sucesivamente distintas especies iónicas. ¿Recordás ejemplos de aminoácidos que cumplan con estas características? 13  PÉPTIDOS Enlace peptídico Hasta ahora describimos a las unidades monoméricas de las proteínas, los aminoácidos. Éstos pueden establecer enlaces covalentes entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el nitrógeno del grupo amino del otro aminoácido. Esta unión, denominada enlace peptídico, es de tipo amida y se produce con la pérdida de agua. Formación del enlace peptídico: El grupo carboxilo de un aminoácido forma un enlace covalente tipo amida con el grupo amino de otro aminoácido mediante una Enlace reacción de condensación, peptídico produciéndose una molécula de agua. El producto formado cuando se unen de esta manera dos aminoácidos se llama dipéptido. Es posible seguir agregando unidades aminoacídicas con el mismo tipo de unión para formar tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, etc. En general diremos que los polipéptidos son los polímeros formados por más de "diez" aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Cuando la cadena polipeptídica tiene masa molecular mayor de 6.000 Da* (lo cual corresponde a polímeros de más de 50 unidades aminoacídicas), la molécula es considerada una proteína. Por debajo de esa masa, se acostumbra designar a estas moléculas como péptidos, pero la realidad es que no hay un límite preciso entre péptidos y proteínas; el límite de 6.000 Da es arbitrario y se ha elegido porque es la masa aproximada de la insulina, hormona producida en el páncreas y primera proteína cuya estructura completa fue conocida con exactitud. *Da (Dalton): El dalton (Da) o unidad de masa atómica (uma) se define como la 1/12 de la masa de un átomo de 12C. Generalmente, el dalton se usa para expresar la masa de las proteínas. 14  Todas las cadenas polipeptídicas tienen un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo αα-amino libre; que, por convención, se considera a éste como el comienzo de la cadena y se lo escribe hacia la izquierda. A este extremo se lo llama amino-terminal o N-terminal. La otra punta de la cadena posee libre el grupo carboxilo unido al carbono αα; y será considerado el extremo final, llamado carboxilo-terminal o C- terminal. A este extremo se lo escribe hacia la derecha. Como se puede deducir de la reacción que representa la formación del enlace peptídico, los aminoácidos constituyentes de péptidos o proteínas pierden en la unión peptídica un H del grupo amina y el OH del carboxilo; por ello, una vez integradas en la cadena, las unidades que forman el polímero son restos o residuos de aminoácidos. Características estructurales del enlace peptídico Es importante analizar la estructura del enlace peptídico para poder comprender las restricciones estructurales de las cadenas polipeptídicas que van a condicionar la distribución en el espacio de los átomos (conformación) de las proteínas. Mediante estudios de difracción de rayos X, Linus Pauling y Robert Corey demostraron que el enlace peptídico tiene una estructura plana y rígida. Esto se debe a que existe un fenómeno de resonancia de los electrones del grupo carbonilo entre los tres átomos del enlace O-N-C que hace que el enlace C-N tenga un cierto carácter de doble enlace (carácter intermedio entre el de un enlace simple y uno doble) que no permite la rotación sobre su eje. Esta limitación de rotación o de giro del enlace C-N tiene varias consecuencias: a) Los cuatro átomos directamente vinculados con el enlace peptídico (C, O, N e H) y los dos carbonos α a unidos al C y al N se encuentran en un mismo plano (plano amida). b) El O del carbonilo (=CO) y el H unido al nitrógeno, sólo pueden quedar en dos posibles configuraciones alrededor de este enlace: cis, cuando quedan del mismo lado del eje, y trans, con ambos átomos en posiciones alternas. En las proteínas encontradas en la naturaleza ambos átomos quedan en posición trans, al igual que los dos carbonos α. c) La cadena lateral (R) y el H unidos a los carbonos α se proyectan fuera del plano que contiene a los otros átomos. 15  Modelo molecular de una unión peptídica: Los cuatro átomos directa- mente vinculados al enlace peptídico (C, O, N e H) se encuentran en el mismo plano, al igual que los C α unidos al C y al N. Los Cα pueden rotar libremente. Sin embargo, las uniones de los carbonos α (Cα-C y N-C α) son simples y permiten libre rotación. En consecuencia, la orientación que adopten esos enlaces determinará la disposición de la cadena en el espacio. Las figuras muestran una representación simplificada de la cadena polipeptídica (a); pero que en realidad, el esqueleto básico de la cadena es mejor esquematizado por una sucesión de planos articulados a nivel de los carbonos α (es decir que cada carbono α, excepto el primero y el último, pertenecen a dos planos amida), que pueden formar distintos ángulos entre sí como se ve en (b). (a) (a) Representación sim- plificada de un trozo de polipéptido: R 1 , R 2 , R 3 , etc. indican las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos. (b) (b) (b) Representación es- α quemática de un trozo de polipéptido: Se indi- can los planos que com- prenden a todos los áto- mos comprometidos en cada unión peptídica. Es necesario que recuerdes estas características estructurales del enlace peptídico para poder comprender la estructura secundaria de las proteínas, tema que abordaremos más adelante 16 Nomenclatura Los péptidos se nombran siguiendo el orden de los restos de aminoácidos integrantes a partir del que posee el grupo αα -amina libre. Cada residuo de aminoácido se indica por la raíz de su nombre seguida por el sufijo "il"; y el último residuo (con el grupo carboxilo libre) se menciona con su nombre completo. Por ejemplo, en el caso del hexapéptido formado por serina, ácido aspártico, tirosina, lisina, alanina y cisteína, el nombre será seril-aspartil- tirosil-lisil-alanil-cisteína, que puede abreviarse ser-asp-tyr-lys-ala-cys, o SDYKAC. En la siguiente imagen se muestra otro ejemplo, en este caso del heptapétido aspartil-lisil-glutaminil-seril-alanil-arginil-fenilalanina: ¿Podrías escribir el nombre del siguiente péptido, mediante los tres tipos de notaciones (el nombre completo, con el código de 3 letras y con el código de 1 letra)? Según el número de residuos aminoacídicos que lo conforman, ¿Qué tipo de péptido es? 17 Propiedades ácido-base de péptidos Veremos ahora cómo se originan las propiedades ácido-base de los péptidos. Como los grupos carboxilo y α-amino involucrados en las uniones peptídicas han perdido OH y H respectivamente, ya no pueden ionizarse. Por lo tanto, las propiedades ácido-base de los péptidos estarán determinadas por los grupos amina y carboxilo terminales y por los grupos ionizables de las cadenas laterales de sus residuos aminoacídicos (-COOH, -NH2 , -SH). El pH del medio influye sobre la magnitud y el signo de la carga neta de un péptido de manera análoga a la que describimos para los aminoácidos. Los péptidos en general, y por lo tanto las proteínas también, tienen una carga neta dependiendo de los aminoácidos que los constituyen y del pH del medio en el que se encuentran. El comportamiento ácido-base y la carga neta de las proteínas van a estar determinados por el estado de ionización de los grupos amino y carboxilo terminales y por el de los grupos de las cadenas laterales ionizables. Al igual de lo que ocurre con los aminoácidos, los péptidos presentarán una carga neta cero (donde existe un equilibrio entre cargas positivas y negativas) sólo a un determinado valor de pH del medio, que también se denomina punto isoeléctrico (pI). Además, cualquier proteína tendrá una carga neta positiva si se encuentra en un medio cuyo pH esté por debajo de su pI, debido a que los grupos carboxilo libres de sus aminoácidos estarán en forma neutra (-COOH) pero los grupos amino estarán protonados ( ). De igual forma, si la proteína se encuentra en un medio con un pH superior a su pI, estará cargada negativamente, ya que en este caso los grupos carboxilo estarán desprotonados ( ) y los grupos amino se encontrarán en su forma neutra (-NH 2). En el pI se equilibran las cargas positivas y negativas, por lo que la proteína presenta mayor facilidad para ser precipitada al disminuir su solubilidad. Esta propiedad se utiliza en experimentación, utilizando una técnica que consiste en cambiar el pH de la disolución en la que se encuentran las proteínas hasta llevarlo a su pI. En este punto, las proteínas precipitan, lo que permite su purificación. 18 Péptidos de importancia biológica En la naturaleza, tanto en los vegetales como en los animales, existen muchos péptidos que cumplen importantes funciones. Conforman un conjunto muy variado en composición y funciones. Si bien en general están constituidos por aminoácidos unidos como se ha descripto anteriormente, algunos de ellos suelen presentar características peculiares: uniones peptídicas atípicas, presencia de aminoácidos o derivados de aminoácidos no habituales en proteínas, formación de estructuras cíclicas, etc. En muchos péptido se ha podido conocer y establecer con precisión la relación entre número, calidad, ordenamiento y la disposición espacial de los aminoácidos, con la actividad biológica de la molécula proteica. Esto permitió ratificar la importancia de los aspectos estructurales de estos compuestos como determinante de su papel funcional en el organismo. A continuación veremos algunos péptidos que desempeñan un rol fundamental en el organismo: Glutatión: Uno de los péptidos más ampliamente distribuidos en la naturaleza, ya que se encuentra en bacterias, vegetales y animales, es el glutatión. Se trata de un tripéptido, formado por ácido glutámico, cisteína y glicina, en ese orden. Entonces según lo estudiado sobre la nomenclatura de los péptidos, ¿cómo se debería llamar también al glutatión? El ácido glutámico (que tiene un grupo -COOH adicional en el carbono γ...*)..se une por el carboxilo γ o distal al grupo amina de la cisteína; tratándose de unión peptídica atípica. Por este motivo, al glutatión se lo denomina γ-glutamil-cisteinil-glicina. Al oxidarse forma un puente disulfuro (-S-S-) con otra molécula de glutatión reducida en una reacción química reversible. La especie reducida posee el grupo -SH libre, mientras que la oxidada, un enlace covalente que une a los dos S. La principal función del glutatión está vinculada a su poder reductor. Para ello, participa en sistemas enzimáticos de óxido - reducción con la * Carbono gamma ( γ): En química orgánica, la posición alfa se refiere al primer átomo de carbono unido al grupo funcional (en el caso de los aminoácidos, el grupo funcional prioritario es el carboxilo). Por extensión, el segundo átomo está en la posición beta, el tercero en posición gamma y así consecutivamente. 19 finalidad de mantener reducidos los grupos -SH de otras proteínas. También, en los glóbulos rojos disminuye la formación de metahemoglobina (hemoglobina con el hierro en estado oxidado, que no puede transportar oxígeno), y en otras células contribuye a prevenir daños oxidativos. ß γ α glutamato cisteína glicina Glutatión (reducido): Estructura representa- Glutatión (oxidado): Dos molé- da mediante fórmulas de líneas y ángulos. culas de glutatión se unen Reconocer la posición del carboxilo γ , mediante puente disulfuro involucrado en enlace peptídico con la cisteína. Hormonas o factores liberadores de hormonas: Existen muchos péptidos que cumplen funciones como hormonas o factores liberadores de hormonas. Ejemplos de estos son la Angiotensina II (octapéptido) que tiene función hipertensora, la vasopresina (nonapéptido) que participa en la regulación del balance hídrico del organismo, y la oxitocina (nonapéptido) que estimula la contracción uterina y la eyección de la leche materna, entre otros. Encefalinas: Están presentes en el sistema nervioso central; producen analgesia al unirse a receptores específicos en células del cerebro. Antibióticos: Muchos antibióticos (medicamentos que combaten infecciones causadas por bacterias en los seres humanos y los animales) tienen naturaleza polipeptídica. Éstos son producidos por microorganismos y tienen efectos tóxicos sobre otros microorganismos. Ellos mismos son péptidos o contienen un componente peptídico como parte de su molécula. Algunos de estos antibióticos tienen una estructura cíclica y a menudo contienen D- aminoácidos. Un ejemplo de este tipo de antibiótico es la bacitracina. Aspartamo: Es un dipéptido artificial comercializado como edulcorante. Es 200 veces más dulce que el azúcar común -sacarosa-, pero sin poder calórico. Se encuentra en muchos alimentos dietéticos (bebidas, golosinas, etc.). Podríamos mencionar varios ejemplos más, pero con esta breve lista nos damos una idea de la diversidad de funciones de este tipo de sustancias. 20  PROTEÍNAS Recordemos que, de manera arbitraria, hablaremos de proteínas cuando la masa molecular de la cadena polipeptídica sea mayor a 6000 Da (aproximadamente 50 unidades aminoacídicas). Propiedades generales de las proteínas Propiedades ácido-base Todos los conceptos expuestos hasta el momento respecto a estas propiedades, pero de los péptidos, también se aplican a las proteínas. α En la cadena polipeptídica, los restos de grupos carboxilo y α-amina que participan en las uniones peptídicas no son ionizables. Sólo pueden ionizarse aquellos que se encuentran libres, como el grupo α α-amino del extremo N-terminal y el carboxilo del extremo C-terminal. Obviamente, esos dos grupos, por sí solos, no tendrían gran incidencia en las propiedades ácido-base de una macromolécula. La carga eléctrica de una proteína depende de la ionización de los grupos ionizables existentes en las cadenas laterales de los restos aminoacídicos componentes. Por ejemplo, la presencia de abundantes residuos de lisina, arginina o histidina en la molécula le otorgan carácter básico. Lisina y arginina poseen grupos amino adicionales que aceptan protones y adquieren carga positiva. La histidina posee el núcleo imidazol en el cual uno de sus nitrógenos puede fijar un protón. En cambio, si hay predominio de restos de aspartato y glutamato en una proteína, ésta tendrá propiedades acídicas, debidas al carboxilo adicional de estos aminoácidos capaz de liberar un ion hidrógeno y adquirir carga negativa. El grupo fenólico de la tirosina y el sulfhidrilo de la cisteína tienen carácter débilmente ácido. La presencia de estos grupos confiere a las proteínas capacidad amortiguadora o buffer*, ya que captan o liberan protones según la *Buffer: Los buffers, también llamados soluciones amortiguadoras o "tampones", son soluciones que mantienen el pH de una solución constante (dentro de ciertos límites). Como el pH de una solución depende únicamente de la concentración de protones, entonces, un buffer debe mantener esta concentración constante. Esto se logra porque el componente ácido de la solución amortiguadora neutraliza a los OH- que aparecen; mientras que el componente básico de la disolución amortiguadora neutraliza al los H+que pudieran presentarse. 21 mayor o menor concentración de iones H + en el medio. Sin embargo, en los límites de pH de las células (aproximadamente entre 6,0 y 8,0), sólo los restos de histidina actúan significativamente como amortiguador, pues el pK de su estructura ionizable en su núcleo imidazol (pK=6,0) está más próximo a aquellos valores de pH. Un ejemplo de este poder tamponante se produce en la hemoglobina. En esta proteína, los protones liberados durante el metabolismo celular se unen a los residuos de His evitando una disminución del pH y cambiando, además, su afinidad por el oxígeno. En soluciones muy ácidas, la mayor parte de los grupos amino libres captan iones hidrógeno, mientras la mayoría de los grupos acídicos están no ionizados por lo que la proteína presenta una carga neta positiva. Por el contrario, en una solución fuertemente alcalina, los grupos amino libres (en realidad los grupos amonios) ceden protones, quedan no ionizados, y los grupos carboxilos se ionizan, por lo que, en este medio la proteína presenta una carga total o neta negativa. Recordemos nuevamente que el pH de un medio depende únicamente de la concentración de protones que hay en ese medio, y analicemos la siguiente situación: Si a una dispersión de proteína de pH netamente ácido (la proteína tendrá carga neta positiva) se le agrega un álcali, de modo que el pH suba progresivamente (porque los OH - del álcali reaccionarán con los H....del medio disminuyendo la concentración de los mismos), se producirán cambios en la magnitud y signo de la carga neta de la proteína, puesto que sus grupos ionizables irán liberando iones hidrógeno para mantener la concentración de estos iones constante. La carga positiva inicial de la proteína se reduce ya que los grupos más acídicos (-COOH) ceden sus protones y se hacen electronegativos. En el transcurso de la adición de álcali, llega un momento en el cual el número de cargas positivas es igual al de cargas negativas. En este instante, la molécula tiene carga total igual a cero y el pH de la dispersión en el que se igualan las cargas positivas y negativas se llama, como ya conocemos, punto isoeléctrico (pI o pHi). Si el pH del medio sigue aumentando, también liberan protones los grupos de carácter ácido más débil (-SH, fenol, ) y la proteína se torna progresivamente más electronegativa. 22 Habiendo analizado la situación recién descripta, diremos entonces que dos proteínas con diferente cantidad de grupos ácidos y básicos libres, tendrán distinta carga neta a un determinado pH. La magnitud de la carga eléctrica de una proteína es proporcional a la diferencia entre el pH del medio y su pHi. Por ende, una proteína: será más electropositiva cuanto más ácido sea el medio con respecto al punto isoeléctrico; por otro lado, la carga electronegativa será tanto mayor cuanto más alcalino sea el pH del medio con relación al pHi de la proteína. Esta propiedad de las proteínas es el fundamento de una técnica utilizada en los laboratorios para separar proteínas presentes en una mezcla, como por ejemplo las proteínas del plasma sanguíneo. Esta técnica se llama electroforesis y la estudiarás con profundidad más adelante en otra asignatura. Masa molecular Las proteínas difieren considerablemente entre sí en forma, tamaño y masa molecular. Las proteínas más pequeñas tienen alrededor de 6.000 Da, mientras las de mayor tamaño alcanzan varios millones. Conociendo la masa molecular de una proteína se puede establecer aproximadamente el número de aminoácidos que la integran. Para ello basta dividir su masa por 120 que es el valor promedio de masa para los restos aminoacídicos. ¿Podrías estimar cuántos aminoácidos conforman, aproximadamente, a la albúmina, que es la proteína más abundante de nuestra sangre, sabiendo que su masa molecular es 67 kDa? Dato: 1 kDa = 1000 Da La determinación de la masa molecular se puede realizar por diferentes métodos como la ultracentrifugación, la cromatografía de filtración en geles, la electroforesis en geles, la centrifugación en gradientes de densidad, etc.; los cuales permiten conocer con buena aproximación la masa molecular de proteínas. 23  Solubilidad La mayoría de las proteínas son solubles en agua o en dispersiones acuosas y su estabilidad se debe a varios factores: Uno de los más importantes es la propiedad de las partículas dispersas de interactuar con moléculas de solventes polares como el agua, que forman una cubierta denominada capa de solvatación (de hidratación cuando el solvente es agua). El agua aísla entre sí a grupos de cargas opuestas en diferentes moléculas e impide que éstas tiendan a agregarse y precipitar. La presencia de grupos funcionales ionizados, como , -COO- y otros grupos polares (-OH, -SH, =NH) atraen moléculas de agua, que se orientan a su alrededor, formando la capa de hidratación. Las diferencias de solubilidad entre distintas proteínas pueden deberse a su diverso grado de hidratación, determinado a su vez por el número de grupos polares. Pero a su vez es necesario tener en cuenta también la presencia de grupos no polares que repelen el agua, como los aminoácidos con núcleos aromáticos o cadenas alifáticas, cuyo número y distribución influyen en el grado de solvatación. Otro factor que influye en la estabilidad de las proteínas en una solución es la carga eléctrica neta o total de la molécula, de igual signo para todas las moléculas de una misma proteína y, por lo tanto, origina fuerzas de rechazo mutuo e impide su agrupamiento y precipitación. El valor de la carga neta puede ser diferente para distintas proteínas en similares condiciones de medio y ello explica su diferente grado de solubilidad. La solubilidad de las proteínas también varía con el pH, la temperatura y la presencia de sales inorgánicas o solventes no polares en el medio. La conducta frente a estos factores es distinta para diferentes proteínas, lo cual se aprovecha en métodos de fraccionamiento. Veremos solo el efecto del pH: Efecto del pH: El pH es un factor importante en la solubilidad de una proteína por que de él depende la magnitud de la carga eléctrica neta de la molécula. La carga eléctrica total de una molécula proteínica es nula en su punto isoeléctrico y, en consecuencia, 24  la solubilidad será mínima a ese pH. Esta propiedad puede ser utilizada para separar proteínas de una mezcla modificando el pH hacia valores en los cuales una de ellas tiende a precipitar, mientras las restantes, de diferente pI, no son afectadas (separación isoeléctrica). En el pI la carga neta es cero, las fuerzas de repulsión entre las moléculas desaparecen lo que permite el establecimiento de inter- acciones intermoleculares, y la precipitación puede producirse direc- tamente o luego de la adición de agentes que actúen sobre la capa de solvatación. En la siguiente imagen se esquematiza la relación de la solubilidad de una proteína con el pH del medio. Efecto del pH del medio sobre la solubilidad de una proteína: Tanto cuando el pH de la solución es mayor al pI como cuando es menor, la proteína tiene carga neta, y las fuerzas de repulsión entre sus moléculas impiden que la proteína precipite, manteniéndola en solución. Cuando el pH del medio es igual al pI de la proteína, ésta tiene carga neta cero. En esta condición desapare- cen las fuerzas de repulsión, permitien- do el establecimiento de interacciones intermoleculares, lo que permite la agregación y posterior precipitación de la proteína. Resolvé esta situación: Hay 4 proteínas diferentes A, B, C, D disueltas en la misma solución. Sus pI son: 10,2; 6,7; 4,5 y 4,0 respectivamente. Si la solución se lleva a un pH de 6,8, ¿Cuál de las 4 proteínas tendrá menor solubilidad, y precipitará más fácilmente? Forma molecular Cada proteína tiene, al estado natural, una forma molecular característica y de acuerdo con esto se consideraran dos grandes categorías: globulares y fibrosas. 25  Proteínas globulares Son aquellas en las cuales la molécula se pliega sobre sí misma para formar un conjunto compacto semejante a un esferoide u ovoide, con sus tres ejes de similar longitud. En general, son proteínas de gran actividad funcional, como enzimas, anticuerpos, hormo- nas, hemoglobina, etc. Son solubles en medios acuosos. Proteína globular Proteínas fibrilares o fibrosas En ellas las cadenas polipeptídicas se ordenan paralelamente, formando fibras o hebras, en las cuales el eje longitudinal predomina notablemente sobre los transversales. Son poco solubles o insolubles en agua y participan en la constitución de estructuras de sostén, como fibras del tejido conjuntivo y otras formaciones tisulares de gran resistencia física. Proteína fibrosa Estructura molecular Cada proteína tiene una estructura tridimensional característica que es indispensable para que desempeñe su función específica. En las condiciones celulares, las proteínas se encuentran en unas confor- maciones limitadas que son las más estables desde el punto de vista energético. Estas disposiciones espaciales, en las que son capaces de desempeñar su función, se denominan conformaciones nativas. La estructura de las proteínas es muy compleja, razón por la cual se la describe en distintos niveles de organización: Estructura primaria. Se refiere al número e identidad de los aminoácidos que componen la molécula y al ordenamiento o secuencia de esas unidades en la cadena polipeptídica. La unión peptídica sólo permite formar estructuras lineales, por ello, las cadenas no presentan ramifica- ciones. 26  Estructura secundaria. Es la disposición espacial regular y repetitiva que adopta la cadena polipeptídica, que generalmente es mantenida por puentes de hidrógeno. Estructura terciaria. Se refiere a la arquitectura o conformación tridimensional completa de la proteína. Estructura cuaternaria. Se aplica sólo a proteínas constituidas por dos o más cadenas polipeptídicas y refiere a la disposición espacial de esas cadenas y a los enlaces que se establecen entre ellas. ¿Estas listo/lista para aprende más sobre estas estructuras? Estructura primaria Cuando se somete una proteína a hidrólisis completa quedan en libertad los aminoácidos constituyentes, los cuales pueden ser entonces identificados y cuantificados. Esta será la composición global de aminoácidos de la proteína que, si bien esta información tiene interés, nada dice acerca de la manera en la cual las unidades se disponen en la cadena o, en otros términos, sobre su secuencia u ordenamiento. A esta secuencia nos referimos al hablar de estructura primaria. Cada proteína se caracteriza por poseer una composición definida de aminoácidos y especialmente por la secuencia según la cual las unidades se ordenan. Es decir, cada proteína se caracteriza por el orden concreto en que los aminoácidos se disponen en la cadena. El ensamble de los aminoácidos en cada una de las proteínas constituyentes de los seres vivos se realiza según instrucciones contenidas en los genes. En este sentido, el orden de las unidades que forman el material genético (nucleótidos del ADN) se asimila a un "mensaje en código" que indica la secuencia en la cual deben ir insertándose los aminoácidos cuando se sintetiza la proteína. El mecanismo de la síntesis proteica la verás más adelante en otra asignatura. Aprenderás que la célula tiene una maquinaria muy especializada para llevar adelante este asombroso proceso. Los veinte aminoácidos diferentes pueden constituir, al asociarse mediante enlaces peptídicos, moléculas de proteínas de cientos y hasta miles de unidades, haciendo que el número de asociaciones diferentes 27 teóricamente posible sea enorme. Para dar una idea de la magnitud de esos números, basta calcular las combinaciones distintas que se pueden obtener con los veinte aminoácidos, formando cadenas en las cuales sólo 18 se presente una vez cada uno de ellos. El resultado es 2. 10 variedades diferentes. ¡Y eso es para un péptido de solo 20 aminoácidos (icosapéptido), una molécula muy pequeña comparada con el promedio de las proteínas (más de 300 aminoácidos)! Si se aumenta el número total de unidades y se da la posibilidad de repetir cualquiera de ellas en distintas proporciones, puede obtenerse una cantidad casi infinita de polímeros diferentes. Sin embargo, debe aclararse que no todas las combinaciones posibles se dan en la naturaleza, porque muchas de ellas no tienen una capacidad funcional. No obstante, sin dudas es evidente el enorme potencial de variación molecular implícito en la estructura de proteínas. Importancia de la estructura primaria de proteínas: La secuencia de aminoácidos es el principal determinante de su conformación, propieda- des y características funcionales. Los requerimientos estructurales para que una proteína cumpla correctamente su papel fisiológico son muy rigurosos. No sólo es necesario mantener el número y tipo de aminoácidos que conforman a la proteína, sino que además, cada uno de ellos debe ocupar una posición definida en la cadena. Tal es así que alteraciones en ese ordenamiento, o sustituciones de determinados aminoácidos por otros, pueden afectar la capacidad funcional de la molécula y hasta tornarla inútil. Como se mencionó más arriba, las células sintetizan sus proteínas ensamblando aminoácidos según instrucciones precisas. Estas instruccio- nes están contenidas en el ácido desoxirribonucleico (ADN) que forma el material genético. Modificaciones de ese material genético, llamadas mutaciones, pueden conducir a "errores" en la síntesis y a la producción de proteínas anormales. Existe un gran grupo de enfermedades heredita- rias que tiene su origen en este fenómeno. En general, la estructura primaria de una proteína encargada de una función determinada es idéntica en todos los individuos de la misma especie, pero presenta diferencias con la proteína homóloga de otras especies. Sin embargo, 28 existen proteínas que difieren aun entre individuos de una especie. Estas diferencias inter e intraespecíficas tienen gran interés desde el punto de vista médico. El organismo humano, y el de muchos animales, presentan la capacidad para detectar la entrada de proteínas extrañas, distintas en estructura primaria de las constituyentes de sus propios tejidos, e iniciar una respuesta llamada "reacción inmunitaria". Esta reacción lleva a la producción de anticuerpos específicos, con capacidad para unirse a la proteína "intrusa" y promover su destrucción. Este tipo de respuesta es uno de los mecanismos de defensa natural contra agentes extraños. Un ejemplo de esto es la alergia* a la proteína de la leche de vaca que generan algunos bebés cuando son alimentados con leche de vaca en lugar de leche humana. Las proteínas de la leche de ambas especies tienen diferencias estructurales sustanciales y, a veces, al ser ingeridas por el bebé éstas proteínas son reconocidas como extrañas en el organismo del bebé y se inicia la producción de anticuerpos, lo que conduce a la aparición de síntomas, que pueden llegar a ser de una gravedad considerable. Proteínas como la hemoglobina, que cumplen la misma función en distintos animales (transporta O2 en el organismo), presentan diferencias interespecíficas en su estructura primaria. Sin embargo, todas las hemoglobinas exhiben notables semejanzas: poseen cadenas polipeptídicas de longitud idéntica o casi idéntica, en muchas posiciones de la cadena coinciden los mismos restos de aminoácidos y su conformación general es muy similar. Estas similitudes sugieren que las hemoglobinas de distintas especies derivaron de un gen ancestral común. La diversificación del material genético, por mutaciones sucesivas en el curso de la evolución, ha generado la variedad existente. En este sentido, toma particular interés el análisis comparativo de las secuencias de aminoácidos en proteínas homólogas presentes en organismos de diversos niveles de la escala biológica. Por ejemplo, la insulina de cerdo difiere en un solo aminoácido de la humana y la de bovino difiere en tres. Si bien durante años se usaron estas insulinas *Alergia: reacción o respuesta inmunitaria a sustancias que generalmente no son dañinas. 29 de origen animal como tratamiento para personas con la enfermedad Diabetes Mellitus (enfermedad que se basa en problemas con la insulina), esa pequeña diferencia en la estructura primaria es suficiente para que algunos pacientes desarrollaran alergia y debieran abandonar el trata- miento. Estructura secundaria Para abordar esta estructura, debemos recordar las características estructurales del enlace peptídico, que se deprenden del hecho de que este enlace posee un carácter intermedio entre el de un enlace simple y uno doble, lo cual otorga cierta "rigidez" a la unión C-N y no permite la rotación libre de esos átomos. Pero, en cambio, las uniones de los carbonos α (C α -C y N-C α ) son simples y permiten libre rotación. En consecuencia, la disposición espacial que adopte la cadena polipeptídica dependerá de la orientación de los enlaces entre los átomos -C-N-C α - que se suceden en forma repetitiva constituyen- do la "columna vertebral" de la proteína. A fines de la década del 40', Pauling y Corey realizaron un análisis de longitudes de enlaces y de los ángulos formados por los mismos, mediante difracción de rayos X confirmando los modelos teóricos y permitieron a esos autores proponer dos tipos de estructuras periódicas, repetitivas, para las proteínas: la hélice α y la hoja plegada o lámina β (las letras α y β sólo indican el orden en el cual ambas estructuras fueron propuestas por los investigadores menciona- dos). Hélice α : Esta estructura presenta una disposición de la cadena enrollada sobre un eje central, como si estuviera envolviendo un cilindro. Una vuelta completa de la hélice cubre una distancia de 0,54 nm a lo largo del eje y requiere 3,6 restos aminoacídicos. Esto produce que los aminoácidos que estén en una distancia de tres o cuatro residuos se encuentren espacialmente muy cercanos, mientras que los que se encuentran a una distancia de dos residuos se sitúen en lados opuestos. El giro se hace en el sentido de las agujas del reloj y por ello se dice que la hélice es dextrógira o derecha. Este tipo de estructura secundaria se mantiene por uniones puente de 30 hidrógenos intracatenarios que se establecen entre dos átomos electro- negativos. En la cadena polipeptídica, el hidrógeno unido al N de un grupo amina es atraído por el oxígeno de un grupo carbonilo. En la hélice, cada grupo =CO de un enlace peptídico forma un puente de hidrógeno con el grupo =NH del enlace peptídico de un resto aminoacídico situado cuatro lugares más adelante en la cadena, cuando ésta ha dado una vuelta completa y ambos grupos quedan vecinos. La disposición trans de esos grupos permite la formación del puente de hidrógeno que, si bien cuando está aislado es débil, la existencia de gran cantidad de ellos a lo largo de la hélice hace de ésta una estructura muy estable y compacta. (a) (b) Estructura de la α hélice: (a) Esquema del giro de una hélice dextrógira. (b) Esquema de una hélice estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios en- tre el grupo carbonilo (=CO) y el grupo amino (=NH) de dos enlaces peptídicos. Para que la hélice α α pueda formarse, la estructura primaria debe cumplir ciertas condiciones, como por ejemplo, la presencia de prolina es incompatible con la hélice α porque provoca una torsión de la cadena que interrumpe la regularidad en la orientación de los enlaces. Esto se debe a que el carbono α, incluido en el núcleo pirrolidina de este aminoácido, no puede rotar, forzando una posición fija en la cadena. Por otra parte, la presencia de restos voluminosos, con carga (como los de arginina, lisina y ácido glutámico), localizados próximos entre sí, originan fuerzas electrostáticas que afectan la disposición espacial de la cadena e impiden la formación de hélices αα. Otra característica importante para destacar de esta conformación es que las cadenas laterales de los aminoácidos se disponen hacia el exterior de la hélice evitando interferencias estéricas* con el esqueleto polipeptídico. *Interferencia estérica: interferencia causada por la influencia del volumen de un grupo funcional de una molécula. 31 Lámina β: Esta es otra estructura con un patrón periódico. Aquí, la cadena polipeptídica se encuentra más extendida que en la hélice α α. Cada resto de aminoácido cubre un espacio de 0,35 nm en lugar de 0,15 nm. Cuando dos o más cadenas así extendidas se disponen paralelas unas a otras, éstas se aparean estableciéndose entre ellas puentes de hidrógenos entre los grupos =NH de una de las cadenas con grupos =CO de otra. Se forman así estructuras laminares que presentan un plegamiento en zigzag, como muestran las figuras (estructura en lámina plegada). Cabe aclarar que los grupos =CO y =NH involucrados en estos puentes de hidrógeno son los comprometidos en enlaces peptídicos. Estructura de la lámina β paralela: Esquema de la → disposición de las cadenas polipeptídicas en la lámina β paralela. Se observa la → presencia de puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace peptídico de segmentos de cadenas que → se disponen en forma paralela. La dirección de las → hebras (amino carboxilo) queda indicado por las flechas. Hay dos tipos de láminas β, dependiendo de la orientación que presenten las hebras que la componen. Si todas las cadenas apareadas tienen el → mismo sentido (N-terminal C-terminal), se llama lámina β paralela; si marchan en direcciones opuestas o alternadas, originan una lámina β antiparalela. Esto último puede ocurrir cuando, a veces, una cadena hace un giro y vuelve sobre sí misma, formando una horquilla. En este caso el apareamiento será antiparalelo. Formación de una horquilla: La cadena polipeptídica da un giro de 180° y vuelve sobre si misma, permitiendo que ambos segmentos antiparalelos se dispongan formando una lámina β antiparalela. 32  Estructura de la lámina β antiparalela: Esquema → de un segmento de lámina β antiparalela. Las cadenas se disponen con los extre- → mos amino y carboxilo en direcciones opuestas co- mo se indican con las flechas. → Disposición al azar: En ciertas proteínas se presentan otros tipos de estructura secundaria dando lugar a cadenas polipeptídica que no poseen una estructura regular, en cuyo caso se habla de disposición o enrollamiento al azar. Esto no significa, sin embargo, que la cadena siga una orientación totalmente aleatoria y en general, se tiende a adoptar la disposición espacial termodinámicamente más favorable. Por lo general, se considera a cualquier segmento no laminar o no helicoidal de la cadena polipeptídica como una orientación al azar muy ordenada. En una misma molécula suelen encontrarse distintos tipos de estructura secundaria. Una proteína globular, por ejemplo, no podría estar constituida en su totalidad por una hélice α α, pues en ese caso habría un gran predominio del eje longitudinal y su forma correspondería a una proteína fibrosa. Frecuentemente se encuentran hélices αα , o láminas β, en varios segmentos de una molécula, conectadas entre sí por trozos de disposición al azar. Entonces, en este tipo de proteínas pueden coexistir las siguientes combinaciones de estructura secundaria: hélice α , lámina β y al azar; hélice α y al azar; lámina β y al azar. También es podible que toda la cadena tenga una disposición al azar. En cambio, las proteínas fibrosas presentan exclusivamente estructuras en hélice α o en lámina β. 33 En la siguiente imagen se representa una proteína globular formada por segmentos de hélice α y de lámina plegada β unidos por trozos de disposición al azar. Molécula de una proteína globular: La molécula está formada por segmentos de hélice α y de lámina β unidos por trozos de disposición al azar. En el esquema se representan las hélices α como hélices, y los segmentos que forman la lámina β, como flechas planas. Estructura terciaria Ahora veremos la arquitectura total de la molécula proteínica, la cual determina una conformación tridimensional característica para cada una de ellas. De acuerdo con la forma final se clasificará a las proteínas, en globulares y fibrosas, como vimos anteriormente. En las proteínas fibrosas o fibrilares su conformación se explica entendiendo que toda la molécula debe disponerse exclusivamente en hélice, o en lámina plegada, lo cual determina un predominio del eje longitudinal sobre los transversales. En las proteínas globulares, en cambio, si bien pueden existir porciones de la cadena que adoptan estructuras en hélice α o en lámina β, son necesarios segmentos dispuestos al azar entre las zonas estructuradas para permitir plegamientos indispensables con el fin de alcanzar una conformación esferoidal. La disposición tridimensional finalmente adoptada por la molécula se mantiene gracias a uniones e interacciones de las cadenas laterales de residuos aminoacídicos del polipéptido. También es necesario tener en cuenta factores de orden termodinámico, ya que se debe alcanzar la forma más estable, y ésta será la de menor energía libre. Las fuerzas responsables del mantenimiento de la estructura terciaria son de distinto tipo: 34 1) Fuerzas de atracción o repulsión electrostática: Cuando grupos con carga eléctrica positivas, como los-NH3+de la lisina y la arginina, quedan enfrentados con grupos de signo opuesto, como los -COO del aspartato y del glutamato, forman enlaces iónicos, de tipo salino, capaces de mantener aproximadas zonas distantes de la cadena. Si los grupos tienen igual signo, el efecto será de repulsión y alejamiento de los sectores correspondientes. Según lo que vimos sobre las propiedades ácido-base de los aminoácidos, las cuales dependían del pH del medio, estos grupos podrían perder sus cargas eléctricas y, por lo tanto, estas interacciones pueden verse alteradas por modificaciones del pH. 2) Puentes de hidrógeno: Se establecen entre el oxígeno del carbonilo del grupo carboxilo libre, presente en restos de ácidos aspártico o glutámico, o el nitrógeno del núcleo imidazol de histidina, con el hidrógeno de grupos -OH de la serina, treonina o tirosina. Fijate que se trata de uniones entre grupos distintos de los que estabilizan las estructuras secundarias. 3) Puentes disulfuro: Se forman por el enfrentamiento de los grupos sulfhidrilos (-SH) de dos residuos de cisteína que, por oxidación, estable- cen una unión covalente -S-S- (puente disulfuro). Este tipo de enlace, frecuente en la estructura de proteínas, fija de una manera cercana dos zonas muy alejadas en la secuencia. Este tipo de enlace se puede dar entre dos cisteínas de la misma cadena polipeptídica (intracatenario) o también puede establecerse entre dos cisteínas de cadenas diferentes (intercatenario). Formación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de residuos de Cys: Los grupos sulfhidrilos de dos residuos de Cys, en condiciones oxidativas, reaccionan formando un enlace covalente denominado puente disulfuro. 35  Puentes disulfuro en la inmunoglo- bulina G: Esta molécula, formada por 4 cadenas polipeptídicas, presenta puentes disulfuro de dos tipos, intracatenarios (en azul) e inter-catenarios (en rojo). 4) Interacciones de cadenas laterales hidrofóbicas: Estas interacciones se establecen por la presencia de restos aminoacídicos hidrofóbicos como los de leucina, isoleucina, valina, metionina, fenilalanina, triptófano, etc. que presentan cadenas laterales apolares. Estas cadenas tienden a alejarse del contacto con el agua y provocan plegamientos que agrupan los restos hidrófobos, por medio de interacciones hidrofóbicas, en el interior de la molécula, formando un núcleo central de naturaleza apolar (hidrofóbico). 5) Papel de cadenas laterales hidrofílicas: A diferencia de lo mencionado en el punto 4, cuando se presentan restos de aminoácidos con grupos hidrofílicos (-COO -, - NH, -OH, etc.) tienden a ubicarse hacia el exterior de la molécula, en contacto con el solvente polar (agua). Cuando la proteína se encuentra en un entorno de moléculas apolares, como sucede cuando algunas proteínas atraviesan la doble capa lipídica de la membrana celular, la disposición se invierte; los aminoácidos de cadena hidrófoba son los que interaccionan con el medio que los rodea. 6) Fuerzas de Van der Waals: Estas interacciones se originan como consecuencia de que la nube electrónica de cada átomo sufre fluctuaciones, generando asimetrías en la distribución de cargas eléctricas y dando lugar a dipolos transitorios. Cuando dos átomos no unidos entre sí por enlaces covalentes se aproximan a una distancia 36 suficientemente pequeña (0,3 a 0,4 nm), el dipolo transitorio de un átomo induce un dipolo opuesto en el otro y ello determina atracción mutua. Este tipo de Fuerzas de Van der Waals, llamadas específicamente fuerzas de London, son muy débiles, pero en conjunto tienen un efecto importante en la determinación de la estructura tridimensional de las proteínas. En la siguiente imagen se resume las fuerzas que contribuyen al mantenimiento de la estructura terciaria. Ellas sostienen los pliegues de la cadena y determinan la forma general. Fuerzas que mantienen la estructura terciaria de una cadena polipeptídica: I. Atracciones electrostáticas, II. Puente de Hidrógeno, III. Interacciones de cadena o grupos no polares, IV. Puente disulfuro (intracatenario), V. Grupos hidrofílicos orientados hacia el exterior. Antes de continuar, es importante que prestes atención y distingas los tipos de enlaces que mantienen la estructura secundaria y la terciaria. Recordá que la secundaria en mantenida por puentes de hidrógeno entre los grupos carbonilo y amino involucrados en enlaces peptídicos. La estructura terciaria se estabiliza por una serie de diferentes interacciones y uniones, dentro de la cuales puede ser puentes de hidrógeno, pero en este se trata de uniones entre grupos distintos de los que estabilizan las estructuras secundarias. 37 Estructura cuaternaria Hasta aquí se ha hablado de las proteínas constituidas por una cadena polipeptídica. Pero existen muchas formadas por más de una cadena; se trata de proteínas oligoméricas, en las cuales cada una de las cadenas representa una subunidad. Por ejemplo, la insulina está formada por dos subunidades (dímero), la hemoglobina y la enzima lactato deshidrogena- sa, por cuatro (tetrámero), etc. Las cadenas pueden ser iguales o distintas y en ambos casos las cadenas tienen su estructura tridimensional característica. La estructura cuaternaria refiere a la disposición espacial o tridimen- sional de las subunidades polipeptídicas constituyentes de esas mo- léculas compuestas. Las subunidades se mantienen unidas gracias a la existencia de interacciones no covalentes como: puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de van de Waals, etc. y, de forma adicional, pueden unirse mediante enlaces covalentes tipo puentes disulfuro intercatenarios establecidos entre residuos de cisteínas de cadenas polipeptídicas diferentes. se hace obvio que sólo las proteínas cuyas moléculas están formadas por varias subunidades polipeptídicas pueden presentar estructura cuaternaria. Consideraciones sobre la estructura de las proteínas A partir de todo lo que vimos sobre los distintos niveles de organización de una proteína, se puede deducir el papel primordial de la estructura primaria como determinante de la conformación de una proteína. Las fuerzas e interacciones que mantienen las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria resultan de la presencia de determinados aminoácidos en posiciones definidas. Por esta razón, algunos cambios en la secuencia pueden causar profundas modifica- ciones conformacionales. Cuando vimos la estructura primaria, se destacó la posibilidad teórica de obtener un número casi infinito de secuencias diferentes ensamblando aminoácido al azar. Sin embargo, después de haber analizado otros aspectos estructurales, como los referidos a la conformación de la 38 molécula, es necesario aceptar que no todas las secuencias teóricamente posibles son viables; la formación de hélices α o láminas β tienen requerimientos en relación con la composición en aminoácidos de la cadena. Si se disponen unidades al azar se puede comprobar que no todos los polipéptidos posibles son capaces de formar estructuras secundarias y terciarias estables, o alcanzar conformaciones compatibles con el ejercicio de una función determinada. Las moléculas proteicas presentes en los seres vivos actuales son el fruto de una lenta evolución, durante la cual se han ido seleccionando las secuencias más aptas para el cumplimiento de un determinado papel fisiológico. Frente a la diversidad del mundo biológico debe reconocerse la existencia de proteínas homólogas*, con caracteres comunes, pero de muy distinto origen. Aun cuando posean diferencias de mayor o menor cuantía en sus secuencias, presentan notables similitudes en estructuras secundarias y terciarias. Es evidente que, en el curso de la evolución, se han conservado las posiciones críticas, mientras los cambios sufridos en otros aminoácidos no han modificado las propiedades fisicoquímicas como para alterar significativamente la conformación total de la molécula. Se pudo comprobar la existencia de elementos estructurales comunes presentes en muchas proteínas. Especialmente en proteínas globulares, se encuentran segmentos de la molécula constituidos por asociaciones de hélices α y láminas β en disposiciones relativas más o menos estables. Estos conjuntos estructurales se comportan como una unidad y reciben el nombre de dominios. Un dominio es un sector de la molécula con estructuras y plegamientos definidos, frecuentemente relacionados con misiones funcionales específicas. En el campo de los dominios el proceso de la evolución ha sido conservador, procurando mantener invariables las conformaciones que han probado ser eficientes. Para cerrar esta idea, es importante volver a destacar que la estructura primaria es la principal responsable de la conformación finalmente adoptada por la molécula de proteína. Las estructuras secundaria y terciaria son el resultado de interacciones y uniones de diverso tipo entre grupos funcionales de residuos aminoacídicos, a veces muy *Proteínas homólogas: Proteínas que cumplen igual función en especies muy alejas entre si. Presentan un mismo origen evolutivo. 39 alejados entre si en la secuencia de la cadena. Estas interacciones promueven y mantienen los plegamientos de la cadena polipeptídica determinantes de la disposición tridimensional característica de la proteína "nativa". El proceso por el cual se obtiene la conformación correcta tiene gran importancia, es cuidadosamente regulado y facilitado por moléculas auxiliares. Proteínas defectuosamente plegadas pueden ser causa de serios trastornos y enfermedades, que verás a lo largo de la carrera. A modo de repaso, en la siguiente imagen se representa los diferentes niveles de organización de las proteínas: Secuencia de aminoácidos Disposición espacial, regular de la cadena polipeptídica Conformación tridimensional Proteínas compuestas por más de una cadena polipeptídica 40 Desnaturalización de las proteínas El correcto desempeño funcional de una proteína requiere una conformación adecuada, lo cual exige mantener sus estructuras (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria) sin modificaciones. Pero cuando las proteínas son sometidas a la acción de agentes físicos como calor, radiaciones, congelamientos repetidos, grandes presiones, etc., o a la acción de agentes químicos como ácidos o álcalis concentrados, solventes orgánicos, soluciones concentradas de urea, etc., pueden sufrir "alteraciones" en su conformación debido a que se afectan las fuerzas o uniones que la mantienen. La desorganización de la estructura molecular lleva a la pérdida de propiedades y funciones naturales de la proteína. Por eso se llama a este proceso desnaturalización, que comprende la ruptura de las uniones y fuerzas que mantienen las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria. Esto provoca que la molécula se desenrolle y pierda su conformación normal. Esta modificación estructural conduce a la pérdida de su función En general, los agentes desnaturalizantes no atacan las uniones peptídicas, razón por la cual la estructura primaria de una proteína desnaturalizada no será afectada. Es común que la desnaturalización produzca insolubili- zación de la proteína. La causa más común de desnaturalización es el calor y un ejemplo de su efecto es algo que podemos ver en nuestro vida cotidiana. ¿Te imaginas que proteína sufre este efecto? De hecho es una proteína muy común en nuestra dieta y el calor produce su desnaturalización acompañada, en este caso, por una coagulación que se exterioriza por la aglomeración de todas las moléculas en una masa sólida. Esta biomolécula es la proteína de la clara del huevo y es el ejemplo más frecuente de este efecto. Generalmente la desnaturalización es un proceso irreversible, como se puede ver justamente en la clara del huevo endurecida por el calor, que no puede volver a su estado original. En cambio, cuando la desorganización molecular no es muy intensa y si se restablecen las condiciones fisiológicas, la proteína puede retomar su conformación original (nativa) y recuperar su función cuando se elimina el agente 41 desnaturalizante. En este caso, se dice que el proceso es reversible y se denomina renaturalización. Proteína nativa Proteína desnaturalizada Desnaturalización y renaturalización: Las variaciones en el medio (aumento de temperatura, cambios en el pH, presencia de sales, etc.) alteran las interacciones que mantienen la conformación nativa de la proteína y producen su desnaturalización. Clasificación de las proteínas Las proteínas pueden clasificarse en dos grandes grupos: proteínas simples y proteínas conjugadas. Ahora nos tomaremos el tiempo para describir y mencionar algunos ejemplos de gran interés biológico. Proteínas simples En un principio en esta categoría sólo se incluían proteínas cuya hidrólisis total producía sólo aminoácidos, pero la disponibilidad de métodos más sensibles ha permitido detectar, en la mayoría de ellas, la presencia de carbohidratos asociados a la molécula. Sin embargo se las sigue clasificando dentro de este grupo teniendo en cuenta la reducida proporción de glúcidos que contienen con respecto a la masa de proteína. Existe una gran cantidad de proteínas simples en los seres vivos, pero en este espacio mencionaremos algunos ejemplos, y más adelante, en otras asignaturas, estudiarás más profundamente algunas de ellas. Albúminas: son proteínas solubles en agua. Están constituidas por una única cadena y pertenecen al tipo de proteínas globulares. Se 42  encuentran en tejidos animales y vegetales. Para denominarlas se les asigna nombres que indican su procedencia, por ejemplo, ovoalbúmina (del huevo), lactoalbúmina (de la leche), seroalbúmina (del suero), legumelina (de legumbres). Globulinas: Son proteínas insolubles en agua pura y suelen estar integradas por varias cadenas polipeptídicas. La molécula tiene forma ovoide, por lo que son proteínas globulares. En el plasma sanguíneo existe gran variedad de estas y podemos encontrarlas también en clara de huevo (ovoglobulina), en la leche (lactoglobulina), y en tejidos animales y vegetales. Histonas: Fuertemente básicas (por la alta proporción de aminoácidos básicos), tienden a formar complejos con compuestos acídicos como los ácidos nucleicos; específicamente se asocian a ADN, encontrándolas en el núcleo de las células. Protaminas: También de carácter básico y de molécula relativamente pequeña. Están asociadas a ácidos nucleicos en esperma de peces. Glutelinas y gliadinas: Se encuentran principalmente en granos de cereales, como por ejemplo el trigo y el maíz. Son proteínas pobres desde el punto de vista nutritivo, ya que no poseen todos los aminoácidos esenciales (enseguida veremos cuáles son) en proporciones adecuadas. Son de gran interés en la Medicina, ya que existen cuadros patológicos debidos a intolerancia a este tipo de proteínas, como la enfermedad celíaca. Escleroproteínas: También llamadas albuminoides, son proteínas fibrilares, insolubles y presentes sólo en tejidos animales. Integran tejidos de sostén y de gran resistencia física. Los miembros más importantes de este grupo son queratinas, colágeno y elastina. Queratina. Es característica del tejido epidérmico. Predomina en la compoisición del pelo, uñas, lana, plumas, cuernos y pezuñas. Colágeno. Es el material de las fibras colágenas de tejido conjuntivo. Por cocción se transforma en gelatina. Elastinas. Son proteínas de fibras elásticas de tejido conjuntivo. 43  Proteínas conjugadas En este tipo de proteínas se asocian una proteína simple y otro tipo de compuesto. A la porción proteica se la llama corrientemente apoproteína, mientras que el otro componente recibe el nombre de grupo prostético. Según las características del grupo prostético, las proteína conjugadas se agrupan en diferentes categorías: Nucleoproteínas: La porción proteínica está representada por una proteína simple, fuertemente básica, como las histonas, unida al grupo prostético por medio de enlaces del tipo salino. El grupo prostético está constituido por ácidos nucleicos, compuestos de gran tamaño con importantes funciones biológicas, y que los estudiare- mos más adelante. Cromoproteínas: Están formadas por una proteína simple asociada a un grupo prostético coloreado. En esta categoría se encuentran muchas proteínas de gran importancia, como la hemoglobina que transporta el oxigeno en la sangre, los citocromos y las flavoproteínas que participan en procesos de oxidorreducción, etc. Glicoproteínas: Son proteínas unidas a hidratos de carbono. Estos pueden ser mono, oligo o polisacáridos, fijados a uno o a muchos sitios de la cadena polipeptídica por enlaces tipo N-glicosídico (al nitrógeno del grupo amida de restos asparragina), o tipo O-glicosídico (al grupo hidroxilo de residuos serina o treonina). Frecuentemente al grupo prostético lo forman heteropolisacáridos que llegan a constituir una porción considerable de la molécula. Fosfoproteínas: Como la caseína de la leche y la vitelina de la yema de huevo, que actúan como reservorios de fosfato. Por otra parte, la unión covalente reversible de grupos fosforilo al hidroxilo de restos serina, treonina o tirosina, constituye un mecanismo de regulación de la función de muchas proteínas. Lipoproteínas: En ellas el grupo prostético está representado por lípidos de diverso tipo. Los complejos entre fosfolípidos y proteínas están ampliamente distribuidos en tejidos animales. En el plasma sanguíneo, las lipoproteínas cumplen la misión de transportar lípidos insolubles en el medio acuoso, función importantísima que la veremos detalladamente en otra asignatura. 44  Metaloproteínas: Conjunto numeroso de proteínas conjugadas con elementos metálicos como grupo prostético (Fe, Cu, Zn, Mg, Mn), esenciales para su estructura y función. Las proteínas en la alimentación Las proteínas tiene gran importancia como integrantes de la dieta. Los glúcidos y lípidos de los alimentos cumplen principalmente una función de aporte energético; en las proteínas, el papel energético es secundario. Ellas suministran las unidades o bloques estructurales (aminoácidos) necesarios para la síntesis de proteínas constituyentes del propio organismo. Su función principal es estructural o plástica, no reemplazable por otros principios de la dieta. Del total de aminoácidos existentes en las proteínas, ocho (fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina) no pueden ser sintetizados por el organismo humano. Dichos aminoácidos son designados esenciales o indispensables y deben ser necesariamente suministrado con las proteínas de los alimentos a fin de mantener el funcionamiento del organismo. Otros dos aminoácidos (arginina e histidina) se sintetizan en tejidos humanos a un ritmo insuficiente para atender demandas incrementadas como las del crecimiento, embarazo o lactancia. En esos casos, arginina e histidina también deben considerarse indispensables. Desde el punto de vista nutritivo, la calidad o "valor biológico" de las proteínas de la dieta depende de su contenido en aminoácidos esenciales. Proteínas de origen animal (carnes rojas y blancas, vísceras, leche, huevos) tienen, en general, mayor biólogo valor biológico que las de alimentos vegetales. Por esta razón, una dieta adecuada debe incluir proteínas de origen animal de alto valor biológico. ¿Y, cómo hacés para acordarte el nombre de todos los aminoácidos esenciales? Existen "reglas mnemotécnicas" (una oración que ayuda de manera artificiosa a relacionar palabras, con el objetivo de memorizar conceptos con más facilidad) que contribuyen a recordarlos de una manera fácil. Podés buscar alguna que te ayude a memorizarlos. 45 Estructura de proteínas y función La hemoglobina como ejemplo Todos los conceptos expuestos sobre la estructura de proteínas son mejor interpretados con ejemplos concretos. Además, aprovecharemos para integrar todos los conocimientos adquiridos. Hablaremos de una proteína en especial, que tiene las siguientes características: Proteína globular compuesta por cuatro subunidades. Unida a un núcleo porfirínico coloreado que contiene un átomo de hierro. Responsable del transporte de "oxígeno" desde los pulmones a los tejidos y de llevar el "dióxido de carbono" de vuelta a los pulmones, dentro de los glóbulos rojos. ¿Sabés a quién nos referimos? ¿Te animás a clasificarla según lo aprendido? Estamos hablando de una biomolécula llamada hemoglobina (Hb). Es una proteína conjugada cuya porción proteínica es la globina y el grupo prostético es el hem o hemo, al cual debe su intenso color rojo. Pertenece a las llamadas hemoproteínas, cromoproteínas de gran importancia funcional. Entre las hemoproteínas también encontramos a los citocromos, sustancias que actúan como transportadores de electrones, a la catalasa, la peroxidasa y a otras enzimas, a la mioglobina, encargada del transporte y reserva de oxígeno en el músculo, la hemoglobina que, como dijimos arriba, es la responsable del transporte del oxígeno en la sangre, etc. Continuemos con la descripción de la hemoglobina... Es una proteína tetramérica (cuatro subunidades), integrada por cuatro cadenas de globinas, cada una asociada a un grupo hemo. Como dato adicional te contamos que la mioglobina tiene un tamaño y una estructura semejante a una de las subunidades de la hemoglobina. Grupo hemo: Es un derivado de una porfirina llamada protoporfirina III, que a su vez ésta deriva del núcleo porfina, gran anillo o macrociclo formado por cuatro grupos pirrol unidos entre sí por puentes metenilo (=CH-). 46  Las porfirinas se caracterizan por su capacidad para formar complejos con metales. El hemo está formado por protoporfirina III con un átomo de hierro "engarzado" en el centro del anillo tetrapirrólico. El hierro del hemo de la hemoglobina es bivalente o ferroso ( ). Este........ forma seis enlaces covalentes coordinados, aceptando pares de electrones no compartidos de otros ligandos*. Cuatro de los enlaces coordinados unen el a los átomos de N de los pirroles, el quinto liga el hemo a un N del núcleo imidazol de un resto histidina presente en la globina. Una molécula de puede unirse al mediante el sexto enlace coordinado. Sólo cuando el hierro del hemo está al estado ferroso (ferrohemo), la hemoglobina puede formar oxihemoglobina y cumplir su función de transporte de oxígeno. Si el hierro se oxida a férrico ( ), el hemo se convierte en hematina, o ferrihemo, y la hemoglobina se transforma en metahemoglobina, incapaz de transportar oxígeno. (a) Puente (b) (c) (d) metenilol 2 3 1 4 I II 2+ 8 IV III 5 7 6 Pirrol PORFINA PORFIRINA HEMO Cadena de globina PROTOPORFIRINA IIII (a) Estructura del macrociclo porfina. Los pirroles se numeran del I al IV. Los números 1 a 8 indican posiciones de átomos de hidrógeno unidos a carbonos de los grupos pirrol. (b) Cuando los hidrógenos de las posiciones 1 a 8 se sustituyen por restos carbonados, la porfina se convierte en porfirina. Las porfirinas reciben distintos nombres, según el tipo de sustituyentes. La protoporfirina III contiene grupos metilo en las posiciones 1, 3, 5 y 8; vinilo en 2 y 4 y propioni- lo en 6 y 7. La protoporfirina III es la porfirina del hemo. (c) El hemo está formado por la protoporfirina III con un átomo de hierro "engarzado" en el centro del anillo tetrapirrólico. El hierro está como ferroso ( ), y éste se une mediante enlaces coordinados a los 4 átomos de N de los pirroles. (d) Mediante un quinto enlace coordinado se liga el hemo al un átomo de N del núcleo imidazol de un resto de histidina presenta en la globina. Una molécula de puede unirse al hemo mediante un sexto enlace coordinado. *Ligando: átomo o grupo de átomos que participa en un enlace coordinado cediendo dos electrones no compartidos. 47 Globina: La hemoglobina, como ya dijimos, es una molécula tetramérica. Está constituida por la asociación de dos cadenas polipeptídicas de 141 aminoácidos cada una y otras dos cadenas de 146 aminoácidos. Las cadenas se designan con letras del alfabeto griego. Hay dos tipos de cadenas de 141 aminoácidos (alfa o dseta) y varios tipos de 146 aminoácidos (beta, delta, gama o épsilon). Las diversas cade- nas difieren en la composición de aminoácidos y en la carga neta toral a un determinado pH. En la hemoglobina, la asociación de cadenas tiene la particularidad de que las dos cadenas de 141 aminoácidos deben ser iguales y las dos de 146 también. Se dice entonce que, las cadenas de globina deben ser iguales de a pares. Estas cadenas, al combinarse pueden dar lugar a distintos tipos de hemoglobina, que difieren en en la estructura primaria de las cadenas de globina, pero la estructura del hemo es siempre la misma. Los distintos tipos de hemoglobina, en el ser humano, aparecen en sus diferentes etapas de desarrollo, d