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PROTEÍNAS

GENERALIDADES Las proteínas son constituyentes esenciales de todos los organismos. La mayoría de las tareas que realizan las células requieren proteínas. La diversidad de funciones que pueden realizar es asombrosa. Por ejemplo, en los animales, las proteínas son los componentes estructurales principales del músculo, el tejido conjuntivo, las plumas, las uñas y el pelo. Además de servir como materiales estructurales en todos los seres vivos, las proteínas participan en funciones tan diversas como la regulación metabólica, el transporte, la defensa y la catálisis. La diversidad funcional que exhiben esta clase de biomoléculas está relacionada directamente con las posibilidades de combinación de las unidades monoméricas, los 20 aminoácidos. PROPIEDADES Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas desempeñan un papel fundamental en los seres vivos y son las biomoléculas más versátiles y más diversas. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las que destacan:     

La estructural  colágeno y queratina, La reguladora  insulina y hormona del crecimiento, Transportadora  hemoglobina, Defensiva  anticuerpos, Enzimática o contractil  actina y miosina.

Las proteínas de todo ser vivo están determinadas mayoritariamente por su genética (con excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no ribosomal), es decir, la información genética determina en gran medida qué proteínas podría tener una célula, tejido u organismo. Las proteínas se sintetizan dependiendo de como se encuentren regulados los genes que las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores externos. El estudio de las proteínas expresadas en un momento determinado es denominado proteoma. Las proteínas además presentan las siguientes propiedades:

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Solubilidad  Se mantiene siempre y cuando los enlaces fuertes y débiles estén presentes. Si se aumenta la temperatura y el pH, se pierde la solubilidad.



Capacidad Electrolítica  Se determina a través de la electrólisis, en la cual si las proteínas se trasladan al polo positivo es porque su radical tiene carga negativa y viceversa.



Especificidad  Cada proteína tiene una función específica que está determinada por su estructura primaria.



Amortiguador de pH  (conocido como efecto tampón) Actúan como amortiguadores de pH debido a su carácter anfótero, es decir, pueden comportarse como ácidos (soltando electrones (e)) o como bases (tomando electrones).

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas se clasifican de la siguiente manera: Según su forma 

Fibrosas: presentan cadenas polipéptidas largas y una atípica estructura secundaria. Son insolubles en agua y en soluciones acuosas. Algunos ejemplos de estas son la queratina, colágeno y fibrina.



Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de las proteínas y grupos hidrófilos hacia afuera, lo que produce que sean solubles en solventes polares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas, proteínas de transporte, son ejemplo de proteínas globulares.



Mixtas: posee una parte fibrilar (en el centro de la proteína) y otra parte globular (en los extremos). Como por ejemplo, albúmina, queratina.

Según su composición química 

Simples: su hidrólisis sólo produce aminoácidos. Ejemplos de estas son la insulina y el colágeno (globulares y fibrosas).

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

Conjugadas o heteroproteínas: su hidrólisis produce aminoácidos y otras sustancias no proteicas llamadas grupo prostético.

FUENTES DE PROTEÍNAS Las fuentes dietéticas de proteínas incluyen carne, huevos, granos, legumbres y productos lácteos tales como leche y queso. Las fuentes animales de proteínas poseen los 20 aminoácidos. Las fuentes vegetales son deficientes en aminoácidos y se dice que sus proteínas son incompletas. Por ejemplo, la mayoría de las legumbres típicamente carecen de cuatro aminoácidos incluyendo el aminoácido esencial metionina, mientras los granos carecen de todos, tres o cuatro aminoácidos incluyendo el aminoácido esencial lisina. AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación que libera agua formando un enlace peptídico.

Figura1. Formación de enlace peptídico

Estos dos restos aminoacídicos forman un dipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así, sucesivamente para formar un polipéptido.

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Los aminoácidos están formados por un carbono alfa unido a un grupo carboxilo, un grupo amino, un hidrógeno y una cadena R de composición variable, que determina las propiedades de los diferentes aminoácidos; existen cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de aminoácidos diferentes. En los aminoácidos naturales, el grupo amino y el grupo carboxil se unen al mismo carbono que recibe el nombre de alfa asimétrico. La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos o simplemente péptidos. Se hablará de proteína cuando la cadena polipeptídica supere los 50 aminoácidos o el peso molecular total supere los 5.000 uma. Existen unos 20 aminoácidos distintos componiendo las proteínas. La unión química entre aminoácidos en las proteínas se produce mediante un enlace peptídico. Ésta reacción ocurre de manera natural en los ribosomas, tanto del retículo endoplasmático como del citosol.

Figura 2. Estructura de los 20 aminoácidos que pueden componer a las proteínas

Estructura general de un aminoácido La estructura general de un aminoácido se establece por la presencia de un carbono central alfa (en negro) unido a: un grupo carboxilo (rojo), un grupo amino (verde), un hidrogeno (negro) y la cadena lateral (azul), tal como se muestra a continuación: M.C Veshalica Palacios Quezadas

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Figura 3. Estructura general de un aminoácido

donde "R" representa la cadena lateral, específica para cada aminoácido. Técnicamente hablando, se les denomina alfa-aminoácidos, debido a que el grupo amino (–NH2) se encuentra a un átomo de distancia del grupo carboxilo (–COOH). Como dichos grupos funcionales poseen H en sus estructuras químicas, son grupos susceptibles a los cambios de pH, por eso, en el pH de la célula, prácticamente ningún aminoácido se encuentra de esa forma, sino que se encuentra ionizado.

Figura 4. Formas ionizadas de los aminoácidos

Los aminoácidos a pH bajo (ácido) se encuentran mayoritariamente en su forma catiónica (con carga positiva), y a pH alto (básico) se encuentran en su forma aniónica (con carga negativa). Sin embargo, existe un pH especifico para cada aminoácido, donde la carga positiva y la carga negativa se encuentran en equilibrio, y el conjunto de la molécula es eléctricamente neutro. En éste estado se dice que el aminoácido se encuentra en su forma de zwitterion. Clasificación de los aminoácidos

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Existen muchas formas de clasificar los aminoácidos, las dos formas que se presentan a continuación son las más comunes. Según las propiedades de su cadena Otra forma de clasificar los aminoácidos de acuerdo a su cadena lateral. Los aminoácidos se clasifican habitualmente según las propiedades de su cadena lateral: 

Neutros polares, polares o hidrófilos: Serina (Ser,S), Treonina (Thr,T), Cisteína (Cys,C), Asparagina (Asn,N), Glutamina (Gln,Q) y Tirosina (Tyr,Y).



Neutros no polares, apolares o hidrófobos: Glicina (Gly,G), Alanina (Ala,A), Valina (Val,V), Leucina (Leu,L), Isoleucina (Ile,I), Metionina (Met,M), Prolina (Pro,P), Fenilalanina (Phe,F) y Triptófano (Trp,W).



Con carga negativa, o ácidos: Ácido aspártico (Asp,D) y Ácido glutámico (Glu,E).



Con carga positiva, o básicos: Lisina (Lys,K), Arginina (Arg,R) e Histidina (His,H).



Aromáticos: Fenilalanina (Phe,F), Tirosina (Tyr,Y) y Triptofano (Trp,W) (ya incluidos en los grupos neutros polares y neutros no polares).

Según su obtención A los aminoácidos que necesitan ser ingeridos por el cuerpo para obtenerlos se les llama esenciales, la carencia de estos aminoácidos en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Para el ser humano, los aminoácidos esenciales son:        

Valina (Val) Leucina (Leu) Treonina (Thr) Lisina (Lys) Triptófano (Trp) Histidina (His) Fenilalanina (Phe) Isoleucina (Ile)

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Arginina (Arg) (Requerida en niños y tal vez ancianos) Metionina (Met)

Según su capacidad de síntesis Aminoácidos esenciales o indispensables: los organismos superiores no los sintetizan, es necesario incluirlos en la dieta. Estos son:     

Valina (Val) Leucina (Leu) Metionina (Met) Triptófano (Trp) Histidina (His)

A los aminoácidos que pueden ser sintetizados por el cuerpo se les conoce como No Esenciales y son:          

Alanina (Ala) Prolina (Pro) Glicina (Gly) Serina (Ser) Cisteina (Cys) Asparagina (Asn) Glutamina (Gln) Tirosina (Tyr) Ácido aspártico (Asp) Ácido glutámico (Glu)

Estas clasificaciones varían según la especie. Se han aislado cepas de bacterias con requerimientos diferenciales de cada tipo de aminoácido. Los datos actuales, en cuanto a numero de aminoácidos (aa) y de enzimas de ARNt sintetasas, contradicen hasta el momento, puesto que se ha comprobado que existen 22aa distintos que intervienen en la composición de las cadenas polipeptídicas y que las enzimas ARNt sintetasas que no son siempre exclusivas para cada aa. El aa número 21 es la Selenocisteína que aparece en eucariotas y procariotas y el numero 22 la Pirrolisina, que aparece solo en archaebacteria. Propiedades de los aminoácidos 

Ácido-básicas: Comportamiento de cualquier aminoácido cuando se ioniza. Cualquier aminoácido puede comportarse como ácido y como base, se denominan sustancias anfóteras.

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Cuando una molécula presenta carga neta cero está en su punto isoeléctrico. Si un aminoácido tiene un punto isoeléctrico de 6,1 a este valor de pH su carga neta será cero. Los aminoácidos y las proteínas se comportan como sustancias tampón. 

Ópticas: Todos los aminoácidos excepto la glicina, tienen el carbono alfa asimétrico lo que les confiere actividad óptica; esto es, que desvían el plano de polarización cuando un rayo de luz polarizada se refracta en la molécula. Si el plano es a la derecha, se denominarán dextrógiras y las que lo desvían a la izquierda se denominan levógiras. Además, cada aminoácido puede presentar configuración D o L dependiendo de la posición del grupo amino en el plano. Esta última configuración D o L es independiente de las formas dextrógira o levógira. Según el isómero, desviará el rayo de luz polarizada hacia la izquierda (levógiro) o hacia la derecha (dextrógiro) el mismo número de grados que su esteroisómero. El hecho de que sea dextrógiro no quiere decir que tenga configuración D. La configuración D o L depende de la posición del grupo amino (L si está a la izquierda según la representación de Fisher)

Figura 5. Configuración L y D de los aminoácidos

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Químicas: Las que afectan al grupo carboxilo (descarboxilación), las que afectan al grupo amino (desaminación), las que afectan al grupo R.

Reacciones de los aminoácidos Los grupos funcionales de las moléculas orgánicas determinan las reacciones que pueden experimentar. Los aminoácidos con sus grupos carboxilo, amino y varios grupos R pueden experimentar numerosas reacciones químicas. Sin embargo, dos reacciones son de especial de interés debido a su efecto sobre la estructura proteica: a) Formación de enlace peptídico. b) Formación de puentes disulfuro. Formación de enlace peptídico Los polipéptidos son polímeros lineales formados por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Los enlaces peptídicos son enlaces amida que se forman cuando el par de electrones sin compartir del átomo de nitrógeno -amino de un aminoácido ataca al carbono -carboxilo de otro en una reacción de sustitución nucleófila. Dado que esta reacción es una deshidratación, los aminoácidos unidos se denominan residuos de ácido. Cuando 2 moléculas de aminoácido se unen, el producto se llama dipéptido.

Figura 6. Formación de enlace peptídico

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Por ejemplo, la glicina y la serina pueden formar los dipéptidos glicilserina y serilglicina. Al añadirse los aminoácidos y alargarse la cadena, el prefijo refleja el número de residuos. Por ejemplo un tripéptido contiene 3 residuos de aminoácido, un tetrapéptido 4, y así sucesivamente. El residuo de aminoácido con el grupo amino libre se denomina residuo N-terminal y se escribe a la izquierda. El grupo carboxilo libre es el residuo C-terminal y aparece a la derecha. Los péptidos se nombran utilizando su secuencia de aminoácidos, empezando por su residuo N-terminal. Ejemplo:

H2N-Tyr-Ala-Cys-Gly-COOH Es un tetrapéptido denominado tirosilalanilcisteinilglicina. Los polipéptidos grandes tienen estructuras tridimensionales bien definidas. Esta estructura, que se denomina conformación nativa de la molécula, es una consecución directa de su secuencia de aminoácidos (el orden en que están unidos los aminoácidos). Dado que todos los enlaces que conectan a los residuos de aminoácido constan de enlaces sencillos, puede esperarse que cada polipéptido experimente cambios conformacionales constantes producidos por la rotación alrededor de los enlaces sencillos. Sin embargo, la mayoría de los polipéptidos se pliega espontáneamente en una única forma biológicamente activa. Formación de puentes disulfuro Un puente disulfuro es un enlace covalente formado por dos grupos sulfhidrilo (-SH), cada uno de ellos perteneciente a un residuo de cisteína, se unen de manera covalente para formar un residuo de cistína. Los dos residuos que forman al puente, pueden estar separados por muchos aminoácidos en la secuencia o bien pueden pertenecer a diferentes cadenas polipeptídicas; el plegamiento de la(s) cadena(s) polipeptídicas, lleva a los residuos de cisteína a estar muy próximos, lo que permite la formación del enlace disulfuro.

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La formación de este enlace estabiliza la estructura tridimensional de la proteína:

Figura 7. Formación de puente disulfuro

PÉPTIDOS Los péptidos son un tipo de moléculas formadas por la unión de varios aminoácidos mediante enlaces peptídicos. Los péptidos, al igual que las proteínas, están presentes en la naturaleza y son responsables de un gran número de funciones, muchas de las cuales todavía no se conocen. La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido:   

Oligopéptido: Número de aminoácidos < 10. Polipéptido: Número de aminoácidos > 50. Proteína: Número de aminoácidos > 100.

Las proteínas con una sola cadena polipeptídica se denominan proteínas monoméricas, mientras que las compuestas de más de una cadena polipeptídica se conocen como proteínas multiméricas. Los péptidos se diferencian de las proteínas en que son más pequeños (tienen menos de diez mil o doce mil Daltons) y que las proteínas pueden estár formadas por la unión de varios polipéptidos y a veces grupos prostéticos.

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Un ejemplo de polipéptido es la insulina la cual se compone de 55 aminoácidos y se conoce como una hormona de acuerdo a la función que tiene en el organismo de los seres humanos.

Estructura primaria de la Insulina: consta de dos cadenas de AA enlazadas por puentes disulfuro entre las cisteínas

Estructura tridimensional de la insulina

Figura 8. Estructura de la insulina

ESTRUCTURAS DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas, son moléculas extraordinariamente complejas. Se han diferenciado varios niveles en la organización estructural de las proteínas. Estructura primaria La estructura primaria de las proteínas viene determinada por la secuencia de aminoácidos en la cadena proteíca, es decir, el número de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados. Conocer la estructura primaria de una proteína no solo es importante para entender su función (ya que ésta depende de la secuencia de aminoácidos y de la forma que adopte), sino también en el estudio de enfermedades genéticas. Es posible que el origen de una enfermedad genética radique en una secuencia anormal. Esta anomalía, si es severa, podría resultar en que la función de la proteína no se ejecute de manera adecuada o, incluso, en que no se ejecute en lo absoluto.

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Figura 9. Estructura primaria de las proteínas

Estructura secundaria La estructura secundaria de las proteínas consta de varios patrones repetitivos. Los tipos de estructura secundaria que se observan con mayor frecuencia son la hélice y la lámina plegada . Tanto la hélice  como la lámina plegada  están estabilizadas por los enlaces de hidrógeno entre los grupos carbonilo y N-H del esqueleto polipeptídico. Hélice  Esta estructura es una espiral que consiste de residuos de aminoácidos empaquetados formando un núcleo, en donde las cadenas laterales de los residuos se encuentran hacia fuera del eje central para evitar interferencias estéricas (de tamaño):

Figura 10. Estructura de la hélice alfa M.C Veshalica Palacios Quezadas

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Un grupo muy diverso de proteínas contiene estructuras hélice-: las queratinas, que es un grupo de proteínas fibrosas poseen estructuras que están básicamente compuestas por ésta estructura secundaria. Estas proteínas son los componentes mayoritarios del pelo y la piel. La rigidez de estos tejidos depende de la presencia de puentes disulfuro en las proteínas. A diferencia de las queratinas, la hemoglobina posee sólo el 80 % de hélice- y es una proteína globular y flexible. Puentes de hidrógeno. Una hélice- está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los oxígenos de los grupos carbonilo del enlace peptídico y los hidrógenos de las amidas que son parte del esqueleto del polipéptido. Los puentes de hidrógeno se forman desde el grupo carbonilo de un enlace peptídico hasta el hidrógeno de la amida del cuarto enlace peptídico siguiente (o anterior en la parte media de la hélice), esto le da a la estructura su carácter helicoidal. De tal forma que todos los residuos que participan en la hélice están unidos por puentes de hidrógeno.

Figura 11. Puentes de hidrógeno de la estructura de la hélice alfa

Número de aminoácidos por vuelta de hélice. Cada vuelta de una hélice-alfa contiene 3.6 residuos; lo anterior indica que los residuos que están espaciados cada tres o cuatro residuos en la secuencia primaria, quedan estrechamente unidos por puentes de hidrógeno cuando se adquiere esta estructura secundaria.

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Algunos aminoácidos no permiten la formación de hélice-. La prolina no permite la formación de esta estructura secundaria porque su grupo amino no es geométricamente compatible con la espiral derecha de la hélice-alfa; por el contrario produce un cambio en la estructura que interrumpe la estructura helicoidal. Una gran número de aminoácidos cargados como glutamato, aspartato, histidina, lisina o arginina, pueden también interrumpir la estructura helicoidal al formar enlaces iónicos o al repelerse electrostáticamente. Finalmente, los aminoácidos con cadenas laterales voluminosas como el triptofano o aquellos que las tienen ramificadas en el carbono beta, es decir, el primer carbono del grupo R, como la valina o isoleucina pueden, dependiendo del número presente, interferir con la formación de la estructura secundaria. Láminas plegadas  Cuando la cadena principal se estira al máximo que permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada estructura beta. Se forman cuando se alinean de lado 2 ó más segmentos de cadenas polipetídicas. Cada segmento individual se denomina cadena . En lugar de estar enrollada, la cadena , está totalmente extendida. Las lámina plegadas , están estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los grupos N-H y carbonilo del esqueleto polipeptídico de cadenas adyacentes.

Figura 12. Puentes de hidrógeno de las láminas plegadas beta

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Figura 13. Estructura de la lámina beta plegada

Giro  Como la proteína se pliega sobre sí misma ha de cambiar de dirección y ser estable. De todos los giros éste es el más estable y frecuente. Es un elemento de estructura secundaria porque está estabilizado por puentes de hidrógeno entre el carbonilo y el amino del enlace peptídico. Está formado por 4 aminoácidos y estabilizado por un puente de hidrógeno formado entre el carbonilo del primer aminoácido y el amino del cuarto. Como hay poco espacio uno de los aminoácidos será pequeño, el tercero suele ser glicina y otro prolina, que tiene problemas de tipo estérico pero es el que se necesita para cambiar la dirección. Hay 2 tipos de láminas plegadas : a) Paralelas: las cadenas polipeptídicas están colocadas en la misma dirección. Van de grupo amino a grupo carboxilo.

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Figura 14. Láminas beta paralelas

b) Antiparalelas: van en direcciones opuestas. Una va de amino a carboxilo y otra de carboxilo a amino. Las antiparalelas son más estables que las paralelas, debido a que se forman enlaces de hidrógeno totalmente colineales.

Figura 15. Láminas beta antiparalelas

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Muchas proteínas globulares contienen combinaciones de estructuras secundarias de hélice  lámina plegada , estos patrones se denominan estructuras supersecundarias. Diferencias con la hélice  La cadena polipeptídica está lo más extendida posible. 

Distancia entre aminoácidos 3.5 angstroms.



Estructura mantenida por puentes de hidrógeno, pero en lugar de formar puentes entre elementos de la misma cadena es con elementos de cadenas distintas (o de la misma que da la vuelta). Los puentes de hidrógeno se establecen perpendiculares al eje de la lámina. Todos los carbonilo forman puentes de hidrógeno con los amino, por lo que es igual de estable que la -hélice. Cuando hay 2 trozos existen 2 posibilidades: - Si los 2 segmentos tienen direcciones distintas la hoja plegada es antiparalela. Como los puentes de hidrógeno son enlaces direccionales es más estable. - Si los 2 segmentos tienen direcciones iguales la hoja plegada es paralela. Las cadenas laterales van por encima y por debajo alternativamente porque la configuración del enlace es trans.

- Las cadenas laterales están más próximas que en la -hélice, por lo que sólo es compatible con aminoácidos de cadena lateral muy corta: glicina, alanina y serina (son los más pequeños). Los otros aminoácidos sufren repulsiones de tipo estérico. En realidad como la cadena está un poco retorcida cadenas más grandes caben. Estructura terciaria Aunque las proteínas globulares suelen contener cantidades significativas de elementos estructurales secundarios, otros factores contribuyen a su estructura. El término estructura terciaria señala las conformaciones tridimensionales únicas que asumen las proteínas globulares al plegarse en sus estructuras nativas. El plegamiento proteico se produce como consecuencia de las interacciones entre las cadenas laterales en su estructura primarias. M.C Veshalica Palacios Quezadas

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La estructura terciaria tiene varias características importantes: 1. Muchos polipéptidos se pliegan de forma que los residuos de aminoácido distantes de la estructura primaria quedan cerca. 2. Las proteínas globulares son compactas debido al empaquetamiento al plegarse la cadena polipeptídica. Durante este proceso, las moléculas de agua quedan excluidas del interior de la proteína permitiendo las interacciones entre los grupos polares y apolares. 3. Las proteínas globulares grandes suelen contener varias unidades compactas llamadas dominios, los cuales son segmentos estructuralmente independientes que poseen funciones específicas. La estructura terciaria se estabiliza por las interacciones siguientes: 1. Interacciones hidrófobas: Al plegarse, los grupos R hidrófobos se acercan debido a que son excluidos del agua. Las moléculas del agua muy ordenadas en cubiertas de solvatación se liberan del interior, aumentando la entropía de las moléculas del agua. Esta variación de entropía favorable es la fuerza impulsora fundamental en el plegamiento proteico. 2. Interacciones electrostáticas: Se produce entre los grupos iónicos de carga opuesta, se denominan puentes salinos, son enlaces no covalentes y solo son significativos donde está excluida el agua; se requiere de una gran energía para eliminar las moléculas de agua de los grupos iónicos cerca de la superficie. Los puentes salinos contribuyen a las interacciones entre las subunidades adyacentes de las proteínas complejas 3. Enlaces de hidrógeno: Se forman dentro del interior de la proteína y sobre su superficie. Se pueden formar puentes de hidrógeno entre ellas, las cadenas laterales polares de lo aminoácidos que puedan interaccionar con el agua ó con el esqueleto polipeptídico. La presencia de agua impide la formación de puentes de hidrógeno con otras especies. 4. Enlaces covalentes: Los más destacados son los puentes disulfuro, estos se encuentran frecuentemente en muchas proteínas extracelulares. M.C Veshalica Palacios Quezadas

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Estos enlaces protegen, en parte a la estructura proteica de los cambios adversos de pH ó de concentración salina.

Figura 16. Interacciones moleculares de la estructura terciaria

Estructura cuaternaria Muchas proteínas están formadas por varias cadenas polipeptídicas. Cada componente peptídico se denomina subunidad. Las subunidades en un complejo proteico pueden ser idénticas ó bastante diferentes. Las proteínas en las cuales sus subunidades son idénticas se denominan oligómeros, los cuales a su vez están formados por protómeros. Muchas proteínas protoméricas.

oligoméricas

contienen

2

ó

4

subunidades

Las subunidades se ensamblan y se mantienen unidas por interacciones no covalentes (como el efecto hidrófobo), interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno, así como entrecruzamientos covalentes.

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Figura 17. Formación de la estructura cuaternaria de las proteínas

Las interacciones de las subunidades están afectadas por los ligandos (moléculas que se unen a lugares específicos en moléculas mayores). Existe un fenómeno llamado alosterismo, el cual consiste en unir un ligando a un lugar específico en una proteína, lo cual desencadena un cambio conformacional que altera su afinidad con otros ligandos. Los cambios conformacionales inducidos por un ligando se denominan transiciones alostéricas, y los ligandos que los desencadenan efectores ó moduladores.

Figura 18. Estructura de la hemoglobina, ejemplo clásico de la estructura cuaternaria

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DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS En términos generales, el significado de la palabra desnaturalización es alejarse de la forma natural; en un sentido termodinámico se refiere a un cambio de estado ordenado de las moléculas a otro desordenado, lo que trae consigo un incremento de la entropía del sistema. En este proceso se pierden estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, sin que haya una hidrólisis del enlace peptídico; es decir, los enlaces principalmente afectados son los de hidrógeno, los hidrófobos y los iónicos y, en ocasiones los disulfuro. Cuando una proteína sufre la ruptura de las uniones disulfuro que estabilizan su estructura terciaria es difícil que regrese a su estado natural; pero en ocasiones este proceso puede ser reversible como sucede con la reactivación de algunas enzimas. Cuando se lleva a cabo la desnaturalización, la proteína se desdobla ó se distiende, expone sus grupos hidrófobos internos al exterior y adquiere una conformación al azar, que depende de la intensidad del tratamiento que se le aplique, así como las fuerzas que estabilizan su estructura. Cada polipéptido tiene una sensibilidad muy específica a los agentes físicos y químicos que aceleran este fenómeno. Las principales condiciones desnaturalizan son las siguientes: 1)Acidos y bases fuertes: Los cambios de pH dan lugar a la protonación de algunos grupos laterales de la proteína, lo cual altera los patrones de enlace del hidrógeno y los puentes salinos. Al acercarse la proteína a su punto isoeléctrico, esta se hace insoluble y precipita la disolución. 2) Disolventes orgánicos: Los disolventes orgánicos son hidrosolubles, interfieren con las interacciones hidrófobas, ya que interaccionan con los grupos R apolares y forman enlaces de hidrógeno con el agua y los grupos polares de la proteína. 3) Detergente: Estas moléculas anfipáticas rompen las interacciones hidrófobas, haciendo que se desplieguen las proteínas en cadenas polipeptídicas extendidas (las moléculas anfipáticas contienen simultáneamente componentes hidrófobos e hidrófilos).

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4) Agentes reductores: Los agentes reductores, convierten los puentes disulfuro en grupos sulfhidrilos. Por ejemplo, la urea rompe los enlaces de hidrógeno y las interacciones hidrófobas. 5) Concentración salina: La unión de iones salinos a los grupos ionizables de una proteína disminuye la interacción entre los grupos de carga opuesta sobre la molécula proteica, Las moléculas de agua pueden formar esferas de solvatación alrededor de estos grupos. Cuando se añaden grandes cantidades de sal a una proteína en disolución se forma un precipitado. El gran número de iones salinos puede competir de forma eficaz con la proteína por las moléculas de agua, es decir, se eliminan las esferas de solvatación que rodean a los grupos ionizados de la proteína. Las moléculas proteicas se agregan y luego precipitan. Este proceso se denomina salting out. Debido a que el “salting out” es reversible, suele emplearse como un primer en la purificación de proteínas. 6) Iones metálicos pesados: Los metales pesados pueden afectar de varias maneras las proteínas. Pueden romper los puentes salinos al formar enlaces iónicos con los grupos con carga negativa. Los metales pesados también pueden formar enlaces sulfidrilo, un proceso que puede dar lugar a cambios significativos en la estructura y función proteica. 7) Cambios de temperatura: Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de vibración molecular. Finalmente se rompen las interacciones débiles como los enlaces de hidrógeno y la proteína se despliega. 8) Agresión mecánica: Las acciones de agitación y trituración rompen el delicado equilibrio de fuerzas que mantiene la estructura proteica. Por ejemplo cuando se bate vigorosamente la clara de huevo.

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Figura 19. Ejemplo de desnaturalización de proteínas

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