Bioquimica estructural

tema 2

Proteínas

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DEFINICIÓN, CONCEPTO Y SIGNIFICACIÓN BIOLÓGICA.
AMINOÁCIDOS: SUS CLASES Y PROPIEDADES GENERALES

Las proteínas son sustancias orgánicas nitrogenadas complejas que se hallan en las
células animales y vegetales. Son polímeros lineales en los que las unidades mo-
noméricas son los aminoácidos, que se pliegan en una notable diversidad de formas
tridimensionales, que les proporcionan una correspondiente variedad de funciones.
Actúan como componentes estructurales de mensajeros y de receptores de mensaje-
ros. Algunas proteínas se unen al DNA y regulan la expresión de los genes; otras
participan en la replicación, la transcripción y la traducción de la información
genética; otras están relacionadas con el sistema inmunitario (inmunoglobulinas);
con la contracción muscular (actina y miosina); con el transporte de oxígeno y la
respiración celular (hemoglobina y citocromos).

Quizás las proteínas más importantes sean las enzimas, catalizadores que determi-
nan el ritmo y el rumbo de toda la bioquímica.

Las proteínas son componentes esenciales de todas las células vivas. Su misión en
el organismo es de dos tipos: Una de tipo estructural, formando parte del propio or-
ganismo y otra de tipo funcional.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

• El peso molecular de las proteínas varía entre 5.000 y varios millones.
• Constan de 20 aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos.
• En las proteínas globulares solubles, las cadenas peptídicas están plegadas for-
mando estructuras complejas.
• Como su conformación se mantiene por fuerzas débiles, es fácilmente alterada
por un ligero cambio de pH, temperatura o disolventes.
• Son muy reactivas porque tienen muchas cadenas laterales con restos de ami-
noácidos con grupos aniónicos o catiónicos.

54 PROTEÍNAS

• La hidrólisis parcial de una proteína, realizada por medio de ácidos, bases o en-
zimas conduce a la obtención de moléculas más pequeñas. Si se efectúa la
hidrólisis total se obtienen los aminoácidos que la componen.

AMINOÁCIDOS: SUS CLASES Y PROPIEDADES GENERALES

Las proteínas están constituidas por la concatenación de unas sustancias químicas
denominadas aminoácidos. Son éstos la unidad estructural de las proteínas. Por
hidrólisis de proteínas se han identificado 20 aminoácidos distintos.

Un aminoácido, de ahí su nombre, posee dos grupos funcionales característicos:
un grupo amino – NH2 y un grupo carboxílico – COOH. Hay aminoácidos con
un solo grupo amino y un solo grupo carboxílico, denominándose entonces mo-
noamino-monocarboxílicos. Hay otros, sin embargo, que poseen más de un gru-
po amino o más de un grupo carboxílico. Un aminoácido con un grupo amino y
dos grupos carboxílicos, por ejemplo, recibiría el nombre de monoamino-dicar-
boxílico.

En general, todos los aminoácidos de un hidrolizado de proteína son del tipo alfa,
que corresponde a la siguiente fórmula general:

NH2
|
R – C – COOH
|
H

donde R representa el esqueleto carbonado característico del aminoácido en cues-
tión y que es el que le distingue de los demás.

Al carbono poseedor de los grupos amino y carboxilo se le denota como carbono
alfa (Cα) y a los siguientes carbonos de R se les nombra con las letras sucesivas del
alfabeto griego, es decir: Cβ, Cγ , Cδ, Cκ, etc.

Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen unos que pueden
ser sintetizados por las células del organismo humano a partir de materiales senci-
llo que contengan C, O, H y N, pero otros tienen que adquirirse necesariamente con
la dieta. Estos últimos se denominan “aminoácidos esenciales” para la especie hu-
mana, y son: valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, fenilalinina, triptófano
y lisina.

BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 55

Clasificación de aminoácidos

Se pueden clasificar atendiendo a su carácter ácido o básico. Así podrían ser:

• Neutros: Alifáticos, aromáticos, azufrados, secundarios.
• Ácidos.
• Básicos.

No obstante, tiene más interés y significación el método de clasificación basado en la
polaridad de sus grupos R, cuando se hallan en disolución acuosa, a pH próximo a 7,0:

Aminoácidos con grupos R no polares

Estos grupos R son de naturaleza hidrocarbonatada y poseen carácter hidrófobo.

Alanina (ALA) (A) CH3 – CH – COOH
|
NH2 Ácido amino propiónico

CH3
Valina (VAL) (V) CH – CH – COOH
CH3 / |
NH2 Ácido α-amino isovaleriánico

CH3
Leucina (LEU) (L) CH – CH2 – CH – COOH
CH3 / |
NH2
Ácido α-amino isocaproico

NH2
|
Isoleucina CH3 – CH2 – CH – CH – CHOH
(ILEU) (I) |
CH3
Ácido α-amino, β-metil valeriánico

H
|
Prolina (PRO) (P) C – COOH
/
H2C NH
| |
H2C — CH2 Ácido pirrolidín 2-carboxílico

56 PROTEÍNAS

Fenilalanina CH2 – CH – COOH
(PHE) (F) |
NH2
Ácido α-amino, β-fenil propiónico

Triptófano C – CH2 – CH – COOH
(TRP) (W) || |
CH NH 2
N
|

H
Ácido α-amino, β-3-indol propiónico

Metionina CH3 – S – CH2 – CH2 – CH – COOH
(MET) (W) |
NH2
Ácido α-amino, γ-metiltio n-butírico

Aminoácidos con grupos R polares sin carga

Sus grupos R son más solubles en agua porque sus grupos funcionales establecen
enlaces de hidrógeno con ella.

Glicina o glicocola H – CH – COOH
(GLY) (G) |
NH2 Ácido amino acético

Serina (SER) (S) HO – CH2 – CH – COOH
|
NH2
Ácido α-amino, β-hidroxipropiónico

OH
|
Treonina CH3 – CH – CH – COOH
(THR) (T) |
NH2
Ácido α-amino, β-hidroxi-n-butírico


Tirosina (TYR) (Y) OH CH2 – CH – COOH
|
NH2
Ácido α-amino, β-hidroxi-fenil propiónico

H2N
Asparagina / C – CH2 – CH – COOH
(ASN) (N) O |
NH2
γ-amida del ácido α-amino succínico

O
Glutamina C – CH2 – CH2 – CH – COOH
(GLN) (Q) H2N / |
NH2
δ-amida del ácido a-amino glutárico

Cisteína (CYS) (C) SH – CH2 – CH – COOH
|
NH2
Ácido α-amino, β-mercapto propiónico

La cisteína tiene la particularidad de poder encontrarse en las proteínas en for-
ma de:

NH2
|
Cistina S – CH2 – CH – COOH
|
S – CH2 – CH – COOH
|
NH2

Aminoácidos con grupos R cargados negativamente

Son los aminoácidos ácidos, ya que sus grupos R poseen una carga negativa neta a
pH 7,0.

OH
Ácido aspártico / C – CH2 – CH – COOH
(ASP) (D) O |
NH2 Ácido α-amino succínico

58 PROTEÍNAS

OH
Ácido glutámico / C – CH2 – CH2 –CH – COOH
(GLU) (E) O |
NH2
Ácido α-amino glutárico

Aminoácidos con grupos R cargados positivamente

Son los aminoácidos básicos, en los que los grupos R poseen una carga positiva
neta a pH 7,0.

Lisina (LYS) (K) H2N – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
|
NH2
Ácido α-amino ε-amino caproico

Arginina H2N – C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
(ARG) (R) || |
NH NH2
Ácido α-amino δ-guanidín n-valeriánico

Histidina HC = C – CH2 – CH – COOH
(HIS) (H) | | |
N NH NH2
/
C
|
H Ácido α-amino, β-imidazol propiónico

Todos los aminoácidos, a pH 7,0, tienen sus grupos amino y carboxilo de las cade-
nas laterales ionizados, exceptuando la histidina en la que el grupo imidazol se io-
niza a partir de pH 6,0.

Los grupos α-amino y α-carboxílico también resultan ionizados a pH 7.

Propiedades generales de los aminoácidos

Isomería de los aminoácidos

Todos los aminoácidos, a excepción de a glicocola o glicina, poseen átomos de car-
bono asimétricos. Por lo tanto, presentan actividad óptica.


Algunos aminoácidos aislados a partir de las proteínas son dextrorrotatorios (Ala,
Ileu, Glu, etc.), mientras que otros son levorrotatorios (Trp, Leu, Phe).

También los aminoácidos presentan el fenómeno de la esteroisomería. Para su estu-
dio, hay que basarse en la estructura de los dos isómeros posibles del gliceraldehí-
do, designados convencionalmente por L y D.

O O
C/ C/
|. H |. H
H – C – OH OH – C – H
|. |.

C H2OH C H2OH
D-gliceraldehído L-gliceraldehído

En virtud a esta referencia, los dos isómeros posibles de la alanina se nombrarían:

COOH COOH
| |
H – C – NH2 H2N – C – H
| |
CH3 CH3
D-alanina L-alanina

Así, el grupo carboxilo del átomo de carbono asimétrico de la alanina, o de cual-
quier otro aminoácido, puede relacionarse estéricamente con el grupo aldehído del
átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído; el grupo amino sustituyente del
aminoácido, con el grupo hidroxilo del gliceraldehído, y el grupo R del aminoácido
con el grupo – CH2OH del gliceraldehído.

De esta manera los estereoisómeros de todos los aminoácidos que aparecen en la
naturaleza pueden relacionarse estructuralmente con los dos estereoisómeros del
gliceraldehído, designándose por L o por D, según se relacionen con el L-gliceral-
dehído o con el D-gliceraldehído, respectivamente. Esta nomenclatura es indepen-
diente de la dirección de rotación del plano de la luz polarizada que muestren los
isómeros. Los símbolos L y D se refieren así a la configuración absoluta y no a la
dirección de rotación.

Todos los aminoácidos que se han hallado en las proteínas pertenecen a la serie L.
Excepcionalmente se han encontrado algunos de la serie D en determinadas estruc-
turas celulares, hormonas, etc.

Cuando una aminoácido se obtiene en el laboratorio mediante simples reacciones
químicas, se consigue generalmente una forma ópticamente inactiva, denominada

60 PROTEÍNAS

“mezcla racémica”, que esta constituida por una mezcla equimolecular de isómeros
D y L, simbolizada por DL.

Aquellos aminoácidos que posean dos átomos de carbono asimétricos presentan
cuatro estereoisómeros. En el caso de la treonina se conocen los cuatro. La forma
aislada de los hidrolizados de proteínas se designa como L y su imagen especular
como D. Aparte, existen otras dos formas llamadas diasteroisómeros o formas alo.

COOH COOH COOH COOH
| | | |
H 2N – C – H H2N – C – H H – C – NH2 H – C – NH2
| | | |

H – C – OH OH – C – H OH – C – H H – C – OH
| | | |
CH3 CH3 CH3 CH3
L-treonina L-alo-treonina D-treonina D-alo-treonina

Siempre que un aminoácido tenga más de un átomo de carbono asimétrico, se toma
la posición del carbono alfa como base para asignarle la configuración.

La cistina, dos moléculas de cisteína unidas por un puente de sulfuro, puede adop-
tar una forma en que los pares de átomos de carbono asimétricos sean la imagen en
el espejo uno del otro. Cuando eso ocurre, el isómero se halla compensado interna-
mente y se denomina forma meso.

COOH COOH COOH COOH
| | | |
H2N – C – H H2N – C – H H – C – NH2 H – C – NH2
| | | |
CH2 – S – S – CH2 CH2 – S – S – CH2
L-cistina D-cistina

COOH COOH
| |
H2N – C – H H – C – NH2
| |
CH2 – S – S – CH2
Meso-cistina

Propiedades ácido-base de los aminoácidos

Un aminoácido simple (con grupo R no polar), a pH neutro, es una molécula eléc-
tricamente neutra. Esta neutralidad no se debe a que no tenga cargas sino a que su


grupo carboxilo está cargado negativamente y el grupo amino positivamente, confi-
riendo al aminoácido una carga global nula:

H
| –
R – C – COO
| +
NH3

Este tipo de iones dipolares se llama “zwiteriones”.

Por su estructura de “zwiterión”, los aminoácidos pueden actuar como ácidos débi-

les o como bases débiles. Se dice de la sustancia con ese comportamiento que tie-
nen propiedades anfóteras.

El grupo carboxílico puede liberar un protón, actuando como ácido:

H H
| | –
R – C – COOH R – C – COO
| |
NH2 H+ NH2

El grupo amino puede captar un protón, actuando como una base:

H H+ H
| |
R – C – COOH R – C – COOH
| | +
NH2 NH3

Un aminoácido puede, en solución, presentarse de las siguientes formas:

H H H
| –
| |
R – C – COO R – C – COOH R – C – COO–
| | + |
NH2 NH3 NH3+
forma forma forma dipolar o
aniónica (Aa–) catiónica (+Aa) zwiterión (+Aa–)

A pH bajo, el aminoácido existe en su forma catiónica y al ir aumentando éste, el
aminoácido toma sucesivamente las formas dipolar y aniónica:

+ 1→

Aa ← 

+ 2 →

Aa − ←  Aa −


62 PROTEÍNAS

Las constantes de equilibrio de estas dos reacciones son, respectivamente:

+ K1
Aa − ←→ Aa − + H + + K 2
Aa − ←→ Aa − + H +
 

[ + Aa − ] [H + ] [anión] [H + ]
K1 = K2 =
[catión] [ + Aa − ]

Se define como punto isoeléctrico de un aminoácido a aquel valor de pH para el
cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica, es de-

cir, que el aminoácido no tiene una carga neta.

En las circunstancias del punto isoeléctico se verifica: [anión] = [catión]. Multipli-
cando K1 por K2:

[ + Aa − ] [anión] [H + ]2
K1 ⋅ K 2 = = [H + ]2
[catión] [ + Aa − ]

Tomando logaritmos:

log K1 + log K2 = 2 log [H+]

y cambiando de signo:

(–log K1) + (–log K2) = 2 (–log [H+])

De donde se deduce:

pK1 + pK2 = 2pI

1
pI = (pK1 + pK 2 )
2

Estudiemos, como aplicación, el caso de la Alanina: se trata de un α-aminoácido
sencillo, monoamino y monocarboxílico, que puede ceder dos protones durante su
valoración completa con una base.

A continuación representamos la curva de valoración bifásica de la Alanina. En ella
se comprueba cómo los valores de los pK′ de las dos etapas de disociación se en-
cuentran lo suficientemente separados para mostrar dos ramas bien distintas.


Los valores aparentes de pK′ para las dos etapas de disociación pueden extrapolar-
se a partir de los puntos medios de cada etapa. Son: pK′1 = 2,34 y pK′2 = 9,69.

14
NH 2
|
R - CH COO -
-
pH
pK ¢2 = 9,69
+
NH 3
|

6,2 R - CH COO -
- pI
+
NH 3
|
R - CH COOH
-

pK1 = 2,34
¢
1

–
0,5 1 1,5 Eq. de OH

Cuando el valor de pH es 2,34, punto medio de la primera etapa, se hallan presen-
tes concentraciones equimolares del dador de protones y del aceptor:

(R – CH – COOH) (R – CH – COO–)
+
| +
|
NH3 NH3
Dador Aceptor

A pH 9,69, están presentes concentraciones equimolares de:
–
(R – CH – COO ) y de (R – CH – COO–)
+
| |
NH3 NH2

Cada una de las dos ramas de la curva bifásica puede expresarse matemáticamente,
con una buena aproximación, mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch;
esto significa que podemos calcular las relaciones de las especies iónicas a cual-
quier pH, si se conocen los valores de pK′.

Cuando el pH es 6,02, existe un punto de inflexión entre las dos ramas separadas
de la curva de valoración de la Alanina. Para este valor de pH la molécula no posee

64 PROTEÍNAS

carga eléctrica efectiva, y no se desplazará en un campo eléctrico. Corresponde,
pues, tal valor al llamado “punto isoeléctrico”, cuyas característica fueros expues-
tas con anterioridad.

Aminoácidos no proteicos

Además de los aminoácidos citados anteriormente, presentes con mayor o menor
frecuencia en las proteínas humanas, se conocen cerca de 150 aminoácidos encon-
trados en diferentes células en forma libre o combinada. Así es posible encontrar
β-, γ- y δ-aminoácidos, nunca presentes en las proteínas naturales. Otros aminoáci-

dos poseen configuración D, en lugar de la forma L habitual, ejemplo: el ácido D-
Glutámico, de la pared celular bacteriana.

Citaremos algunos aminoácidos no proteicos de interés especial:

a) β-Alanina. Precursor del ácido Pantoténico. El ácido Pantoténico es una vitami-
na indispensable para el crecimiento de los animales superiores:

NH2
|
CH2 – CH2 – COOH

En forma de Panteteína (un derivado del ácido Pantoténico) la β-Alanina se in-
corpora a la estructura de la Coenzima A. Se encuentra igualmente este aminoá-
cido no proteico en los seres superiores como producto degradativo de las bases
pirimidínicas.

b) Citrulina. Intermediario en la síntesis de Arginina y en el ciclo de la Urea, pro-
ceso hepático encaminado a eliminar NH3 (resultado de la degradación de las
proteínas) en forma de Urea.

O
||
H2N – C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
|
NH2
Citrulina

c) Ornitina. Idéntica función a la anterior:

NH2
|
H2N – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
Ornitina


d) Ácido γ-amino butírico (GABA). Agente químico para la transmisión del im-
pulso nervioso. Se encuentra en el cerebro:

NH2
|
CH2 – CH2 – CH2 – COOH
γ-amino butírico

e) Azaserina. Sustancia con ligera actividad antitumoral (antibiótico derivado de
especias de Streptomyces):

C5O4H8N3

NH2
+ |
N ≡ N – CH2 – CO – O – CH2 – CH – COOH
[O - (2) diazo acetilserina]

f) Ácido β-amino-isobutírico. Producto final del metabolismo de las Pirimidíni-
cas. Se encuentra en la orina de pacientes con una enfermedad metabólica here-
ditaria.

H2N – CH2 – CH – COOH
|
CH3
β-amino-isobutírico

g) Taurina. Se conjuga con los ácidos biliares en el hígado. Procede de una des-
carboxilación y oxidación de la cisteína:

CH2 – CH2 – SO3H
|
NH2
Taurina

Reacciones químicas características de los aminoácidos

Las propiedades químicas de los aminoácidos van asociadas a sus grupos funciona-
les de manera que existen unas reacciones específicas del grupo carboxilo, otras del
grupo amino y otras del grupo R de cada aminoácido. También hay aminoácidos
que tienen reacciones específicas propias.

66 PROTEÍNAS

Propiedades del grupo carboxilo

1. Formación de ésteres: Se produce si previamente se ha bloqueado el grupo ami-
no, consiguiendo un ácido:

+
NH3 Cl–
+
NH3 HCl
| –
|
R – C – COO R – C – COOH
| |
H H
Clorhidrato de aminoácido

+ –
OH – R′ NH3 Cl
| O
/ + H2O
R–C–C
| O – R′
H
Éster

2. Formación de amidas al reaccionar con el amoniaco:

NH3 Cl–
+

| /O
Éster + NH3 R–C–C + R′ – OH
| NH2
H
Amida Alcohol

3. Formación de sales:

• en el grupo carboxilo:

NH2
| /O
R–C–C – + ; M+ = metal (catión)
| OM
H

• en el grupo amino:

H
| –
R – C – COOH ; A = ácido (anión)
| + –
NH3 A


4. Formación de haluros de acilo:

NH2
| /O
R–C–C
| X
H

donde X puede reemplazarse por cualquier halógeno.

5. Formación de aminas, por decarboxilación: En ese tipo de reacciones actúan
unas enzimas denominadas genéricamente decarboxilasas.

NH2
|
R – C – COOH R – CH2 – NH2
|
H CO2 Amina

Propiedades del grupo amino

6. Desaminación:

• por oxidación: desaminación oxidativa:

H [O]
|
R – C – COOH R – CO – COOH + NH3
|
NH2 cetoácido + amoniaco

• por acción del ácido nitroso:

H H
| |
R – C – COOH + HNO2 R – C – COOH + N2 + H2O
| |
NH2 OH
Hidroxiácido

Por esta última reacción se pueden determinar volumétricamente los aminoáci-
dos, en función del nitrógeno formado.

7. Reacción de adición con formol:

68 PROTEÍNAS

H H
| |.
R – C – COOH + 2 HCHO R–C
| |. CH2OH
NH2 N/ CH OH
2

El compuesto resultante es un ácido que se puede determinar por adición de
sosa (Método de Sorensen).

8. Formación de betaínas: Se producen por metilación del aminoácido por la intro-
ducción de uno, dos o tres grupos metilos, obteniéndose las llamadas betaínas

mono, di y trisustituidas.

+
NH3 NH2 – CH3
| |
R – C – COO– + ICH3 R – C – COO– + HI
| |
H Ioduro H
de metilo Betaína

9. Reacción con el dinitrofluorobenceno: Reacción de Sanger:

El dinitrofluorobenceno (DNFB) se combina con la amina del aminoácido li-
berándose ácido fluorhídrico y se forma un dinitrofenilaminoácido (DNP-aa):

NO2
F
+ H2N – CH – COOH
|
O2N R
DNFB

NO2
NH – CH – COOH
|
R + HF
O2N
DNP-aa

Esta reacción se puede utilizar para establecer la identidad del aminoácido ter-
minal de una proteína portadora del grupo amino libre y también es muy útil
para conocer el número exacto de cadenas que contiene una molécula de


proteína puesto que la reacción solo se produce con grupos amino libres. Sin
embargo, actualmente este método es muy poco usado, pues el procedimiento
con el DNFB no puede repetirse secuencialmente.

10. Reacción con el fenilisotiocianato: Reacción de Edman:

El fenilisotiocianato (PITC) reacciona con la amina en un medio alcalino débil:

(OH –) débil
N = C = S + H2N – CH – COOH
|

R
PITC

S ácido
|| calor
NH – C – NH – CH – COOH H2O
|
R
Feniltiocarbamil-aa (PTC-aa)

N—C=S
| |
CO NH
/
CH
|
R PTH-aa

Se produce un feniltiocarbamil derivado del aminoácido, que se cicla en medio
ácido débil o por acción del calor. El feniltiohidantoin-aminoácido (PTH-aa)
producido es característico del aminoácido, ya que su naturaleza depende de la
del grupo R, y se puede identificar cromatográficamente.

La degradación de Edman es el método actualmente preferido para la identifi-
cación de aminoácidos N-terminales, ya que realizándola secuencialmente
puede llegar a determinarse hasta una secuencia de 25 aminoácidos.

11. Reacción con la ninhidrina:

Esta reacción tiene un gran interés, ya que da lugar a una reacción coloreada
de los aminoácidos, ampliamente utilizada para la identificación y sobre todo
para su determinación cuantitativa.

70 PROTEÍNAS

La ninhidrina decarboxila y desamina al aminoácido gracias a su fuerte poder
oxidante. La ninhidrina reducida formada reacciona con una molécula de nin-
hidrina no reducida y con el amoniaco resultante de la desaminación para for-
mar un compuesto complejo que presenta coloración violeta. De esta forma se
pueden determinar cuantitativamente los aminoácidos por espectrofotometría,
y también por gasometría, gracias al dióxido de carbono que se forma.

La coloración violeta es sensiblemente la misma para todos los aminoácidos.
Su espectro de absorción presenta un máximo de 570 nm.

Algunos aminoácidos en particular, como la prolina y la hidroxiprolina, dan con
la ninhidrina una coloración amarilla, con un máximo de absorción en 440 nm.

CO OH CO OH
/ /
C C
/ /
CO OH CO OH
Nihidrina Hidrindantina

/O
+ + R–C

H
NH2 + CO2
|
R – CH – COOH + NH3
α-aminoácido
Ninhidrina = Hidrato de Tricetohidrindeno

Reacciones específicas de algunos aminoácidos

La cisteína es capaz, gracias a su grupo sulfhidrilo activo, de dar mercáptidos con
el ion plata o mercurio, liberándose un hidrogenión. Así se inactivan los grupos
sulfhidrilos.

H Ag+ H
| |
HS – CH2 – C – COOH AgS – CH2 – C – COOH + H+
| |
NH2 NH2
Cisteína Mercaptido Argéntico de Cisteína


Los aminoácidos con grupos fenólicos, como la Tirosina, dan una reacción carac-
terística al calentarse con nitrato de mercurio, Hg(NO3)2, en ácido nítrico, produ-
ciéndose una reacción de coloración roja. Es la llamada reacción de Millon.

Los aminoácidos que poseen grupos sulfhidrilos que estén libre, así, por ejemplo,
la cisteína, producen una coloración roja en una reacción con nitroprusiato sódico
en solución amoniacal diluida. Esta reacción se conoce por el nombre de ensayo
con nitroprusiato.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL

DE LA MOLÉCULA PROTEICA

Cada tipo de molécula proteica posee, en su estado activo, una forma tridimensio-
nal característica que es conocida como su conformación o estructura.

El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal funcionamiento
de la proteína en cuestión, y una perdida de esta conformación suele implicar una
alteración en la misión biológica de la molécula proteica.

Esta organización en la estructura de una proteína se realiza a cuatro niveles dife-
rentes, a saber:

• Nivel primario de organización o estructura primaria: Se refiere a la com-
posición cuantitativa de los aminoácidos integrantes de la cadena, así como a su
orden o secuencia y a la disposición de enlace péptico.
• Nivel secundario de organización o estructura secundaria: Es la referente a
la disposición espacial de la cadena proteica, especialmente a la formación de
estructuras planas o filamentosas, predominando la dimensión longitudinal. Es
decir, describe el plegamiento local de la cadena a través de las unidades estruc-
turales que aparecen en las proteínas.
• Nivel terciario de organización o estructura terciaria: Es la conformación
tridimensional completa de la cadena polipeptídica. Las interacciones locales
entre aminoácidos próximos originan hélices α, hojas β u otras formas de es-
tructura secundaria. Estos subconjuntos se organizan en dominios, que com-
prenden entre 30 y 150 aminoácidos, y que actúan a modo de unidades más o
menos coherentes. La disposición geométrica de los dominios es lo que consti-
tuirá la estructura terciaria.
• Nivel cuaternario de organización o estructura cuaternaria: Solamente
poseen este nivel aquellas proteínas formadas por varias cadenas polipeptídi-
cas; se refiere a las diversas interrelaciones que pueden ocurrir entre dichas
cadenas.

72 PROTEÍNAS

Estructura primaria

Las proteínas están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas, cada una
de las cuales posee cien o más restos aminoácidos, unidos entre sí covalentemente
por enlaces peptídicos. Todas las proteínas están constituidas por un conjunto bási-
co de 20 aminoácidos, ordenador en diversas secuencias específicas.

Mediante estudios con rayos X se ha comprobado que en una cadena peptídica los
átomos están dispuestos en forma de zig-zag con un ángulo de aproximadamente
120º, siendo Cα, C y N los átomos que se sitúan en los que podríamos llamar línea
principal de la cadena, mientras que los grupos R, el O y el H se extienden hacia

los lados de la cadena.

Así, tendríamos un tripéptido:

O H R H O H
|| | || R
H2N C Ca N C Ca
Ca N C Ca N COOH
R | || |
H H O R H H

FIGURA 1.

La unión entre el C del grupo carboxílico y el N del grupo amino, en el enlace de
tipos peptídico, se explica mediante la resonancia entre las estructuras:

O R′ O– R′
C–N/ /
C = N+ FIGURA 2.
R/ H
R
/ H

que le confiere una natu- Ca
raleza muy semejante a H
la de la hibridación sp2
del carbono en la forma-
ción de eteno (figura 3). C N

Por efecto de esta reso-
nancia, los enlaces C – N O Ca
y C – O son intermedios
entre sencillo y doble. La sp2
propiedad fundamental
del enlace peptídico es FIGURA 3.


que todos los átomos que lo forman han de estar en un mismo plano, por lo que la
cadena proteica sólo puede girar por sus Cα, pero nunca por el enlace peptídico.

Estudios de modelos peptídicos utilizando el método de difracción de rayos X hi-
cieron posible medir las diversas distancias interatómicas, que resultan ser, para el
enlace C – O de 1,23 Å, y para el C – N de 1,32 Å.

Estas dimensiones son intermedias entre el enlace sencillo (C – O: 1,43 Å, C – N: 1,47
Å) y enlace doble (C – O: 1,21 Å, C – N: 1,29 Å). Esto indica que la unión peptídica
existe en un estado de resonancia entre reuniones dobles y simples (figura 4).

H
R
carbono a
H
1,51 1,02
1,325
N FIGURA 4.
C
1,455
1,23
carbono a
O
H
R

La unión peptídica es plana, esta unidad planar que es rígida, es el resultado de la es-
tabilización por resonancia del enlace peptídico, y es común a las estructuras protei-
cas. Además, la orientación del oxígeno del carbonilo y del hidrógeno amídico es
“trans” con respecto a la unión peptídica, al igual que la de los carbonos alfa. La
configuración “cis” no es favorable debido a impedimentos estéricos. Esto hace que
los grupos R están situados alternativamente a uno y otro lado de la columna verte-
bral polipeptídica. El enlace peptídico impone, por tanto, restricciones significativas
acerca del número de conformaciones que puede adoptar una cadena polipeptídica.

La información necesaria para definir la estructura en tres dimensiones de una pro-
teína reside en su secuencia de aminoácidos. A medida que se construye la cadena
en el ribosoma, se pliega en la configuración que minimiza la energía libre; en otras
palabras, la cadena adopta la conformación más estable.

Los 20 aminoácidos están construidos sobre un plan común. Tienen un grupo ami-
no (NH2) en un extremo y un grupo de ácido carboxílico (COOH) en el otro; ambos
grupos están enlazados a un átomo de carbono central, llamado carbono alfa. Tam-
bién están enlazados al carbono alfa un átomo de hidrógeno y un cuarto grupo, la

74 PROTEÍNAS

denominada cadena lateral. Es en la naturaleza de su cadena lateral en lo único que
difieren los aminoácidos.

El esqueleto de la proteína se construye uniendo, cabeza con cola, los aminoácidos: el
grupo amino de una unidad se enlaza al grupo carboxílico de la siguiente. La fisión se
logra eliminando una molécula de agua, para forma un enlace carbono-nitrógeno de-
nominado enlace peptídico, y la cadena proteica recibe el nombre de polipéptido.

Las propiedades del enlace peptídico imponen ciertas restricciones en el plega-
miento de la proteína. Cada unidad de enlace peptídico se encuentra en un plano,
con lo que la cadena tiene que plegarse por medio de rotaciones de los enlaces esta-

blecidos con carbonos alfa.

Secuenciación de aminoácidos

La hidrólisis parcial de las proteínas produce mezclas complejas de péptidos dife-
rentes. Los dos mejores métodos para la separación de los distintos péptidos son:

• Cromatografía de intercambio iónico.
• Electroforesis sobre papel.

Normalmente, se hace una separación primaria en péptidos ácidos, básicos y neu-
tros mediante electroforesis a pH ligeramente ácido. Los péptidos ácidos (–) emi-
gran hacia el ánodo, los básicos (+) hacia el cátodo y los neutros no se mueven.

A continuación, cada péptido es separado mediante una segunda etapa de electrofo-
resis a pH adecuado o mediante cromatografía de intercambio iónico.

Después que los péptidos han sido aislados, cada uno se hidroliza por completo por
calefacción y se determinan los restos aminoácidos presentes por electroforesis o
cromatografía.

La determinación de los restos N-terminales de los péptidos o las proteínas, se pue-
de hacer por varios métodos:

• Reacción de Sanger, que ya ha sido estudiada.
• Reacción de dansilación, utilizando como reactivo el cloruro de dansilo.
• Reacción de Edman, también vista anteriormente.

La identificación de los restos C-terminales puede determinarse selectivamente por
medio de unas enzimas, denominadas carboxipeptidasas, que rompen hidrolítica-
mente el enlace del aminoácido C-terminal, liberándolo. Utilizando esta enzima ob-


tendremos en primer lugar un aminoácido libre y un péptido que ya tendrá un nue-
vo aminoácido C-terminal, sobre el que volverá a actuar la carboxipeptidasa. De
esta forma se irán liberando todos los aminoácidos de la cadena.

Existen otras enzimas, las aminopéptidas, que tiene especificidad por el enlace del
aminoácido N-terminal de las cadenas peptídicas.

Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una proteína, se
debe observar en primer lugar si la proteína consta de varias cadenas peptídicas y,
en caso de que fuera así, si estas cadenas están unidas por enlaces covalentes. En el
caso de que no existan enlaces covalentes entre las cadenas, éstas pueden disociar-

se tratando la proteína con ácidos o bases.

Las cadenas pueden estar unidas entre sí (enlace intercatenario) por el puente
– S – S – de una molécula de cistina, o bien una cadena simple puede poseer un en-
lace – S – S – entre dos de sus aminoácidos (enlace intracatenario). En cualquier
caso, el primer paso a seguir es la ruptura de estos enlaces disulfuro. Un ejemplo
clásico de este tipo de péptidos es la insulina.

Los enlaces cruzados – S – S – pueden escindirse por oxidación con ácido perfór-
mico, transformándose los dos restos de hemicistina en restos de ácido cisteico.

Otro método para estudiar la secuencia de aminoácidos de una cadena peptídica es
la fragmentación de las cadenas por hidrólisis parcial. Se emplea normalmente la
hidrólisis enzimática, ya que la hidrólisis ácida o básica produce normalmente la
ruptura de la totalidad de los enlaces peptídicos. Suele utilizarse la enzima Tripsina
que escinde solamente aquellos enlaces en los que la función carbonilo es aportada
por los aminoácidos lisina o arginina. El número de fragmentos resultantes será
igual al número de restos de lisina o arginina que hubiera en la cadena. Algunos de
estos fragmentos serán dipéptidos y tripéptidos, cuyos aminoácidos serán fácilmen-
te identificables mediante las reacciones comentadas anteriormente. Igualmente po-
dremos utilizar la pepsina o la quimotripsina, que rompen la cadena peptídica por
puntos distintos a los de la tripsina.

Estructura secundaria de proteínas

Se refiere a la ordenación regular y periódica en el espacio de las cadenas poli-
peptídicas a lo largo de una dirección.

Los enlaces que mantienen esta estructura son no covalentes; lo que se pretende es
adoptar conformaciones de menor energía libre y, por tanto, más estables.

76 PROTEÍNAS

Hélices
Plano amida
H
N

C y
O H
a CARBONO
F R
FIGURA 5.
H
N

C

O

Plano amida

O 1 O O O O
2 5 8 11 14
4 7 10 16
3 6 9 12 15
N N N N N

H H H H 13 H

27 cordón 310 hélice a hélice p hélice

FIGURA 6.

Hélice α

La hélice α fue descrita por Pauling en 1951, que hizo estudios de difracción de ra-
yos X de cristales de aminoácidos y pequeños péptidos.

Hélice α: Φ = 120º; ψ = 120º.

• 3,6 residuos de aminoácidos por vuelta (n).
• La distancia entre elementos iguales de dos aminoácidos consecutivos medida
en la dirección del eje principal, d = 1,5 Å.
• El paso de hélice p = nd = 5,4 Å, se define como la distancia entre elementos
homólogos medida en la dirección del eje principal de la hélice.
• Los grupos R de los aminoácidos se proyectan hacia el exterior de la hélice.
• Los puentes de hidrógeno se establecen entre el CO de un residuo y el NH del
tercer residuo que lo sigue; estos enlaces de H son paralelos al eje mayor de la
hélice, ya que los grupos CO apuntan casi directos a los NH a los que están uni-


dos. La ordenación α-helicoidal permite participar a cada enlace peptídico de la
cadena en el establecimiento de enlaces de H intracatenarios.
• La localización habitual de la hélice α es a lo largo de la parte externa de la pro-
teína, las cadenas laterales tienden a cambiar de hidrofóbicas a hidrofílicas cada
3 ó 4 residuos.
• Aminoácidos que permiten hélice α estable: Ala, Leu, Met, Phe, Tyr, Cis, His,
Asn.
– Inestabilizan la hélice α: Ser, Thr, Gly, Lys, Arg.
– Rompen la hélice α: Pro, Pro.

Hélice 310

Φ = 120º; ψ = 150º

Es la otra especie helicoidal importante en la estructura globular de proteínas.

• Tienen 3 residuos por vuelta (n = 3) y un puente de hidrógeno entre CO de un
residuo y el NH del segundo residuo que le sigue.
• Es mucho menso favorable que la hélice α para estructuras periódicas largas;
sin embargo, pequeños trozos de 310 son frecuentes.
• Los grupos CO apuntan fuera del eje de la hélice y por lo tanto el puente de H
está doblado y no es muy favorable.
• Pequeños trozos de 310 se han encontrado en:
– Lisozima.
– Hemoglobina
– Anhidrasa carbónica.

Hélice levógira

Se origina cuando el ángulo ψ (C – Cα) = 310º.

• Tiene 3 residuos de aminoácidos por vuelta.
• Los grupos CO y NH están orientados casi perpendicularmente al eje de la héli-
ce y no pueden formar puentes de hidrógeno con grupos de la misma cadena.
• Estas cadenas forman puentes de hidrógeno intercatenarios perpendiculares a
las cadenas.
• En el colágeno, 3 de estas hélices se arrollan una alrededor de otra formando
una superhélice dextrógira.
• Las secuencias que aparecen con mayor frecuencia son Gly-X-Pro, Gly-Pro-X,
Gly-X-Hpro, por lo cual esta hélice levógira se conoce como hélice poliprolina.

78 PROTEÍNAS

Estructura β u hoja β

Es el otro elemento estructural importante encontrado en proteínas globulares.

Las hojas β están “plegadas”, con Cα, sucesivamente arriba y abajo del plano de la
hoja.

Hay dos tipos de hojas β: paralelas y antiparalelas, que difieren en el patrón de
puentes de H.

• Las hojas antiparalelas tienen puentes de hidrógeno perpendiculares a las he-

bras, alternando los enlaces próximos con otros más espaciados.
• Las hojas paralelas tienen enlaces de hidrógeno espaciados regularmente que
forman ángulo respecto a las hebras al enlazarlas.
• La estructura β paralela tiene lugar en hojas con un mínimo de 5 hebras. Están
siempre completamente ocultas protegidas a ambos lados por hélice α. Es me-
nos estable que la antiparalela.
• La estructura β antiparalela frecuentemente toma la disposición de un cordón
torcido de 2 hebras solamente. Tienen un lado expuesto al solvente y el otro
oculto, por lo que presentan alternancia de hidrofobicidad.

R O H R O
| || | | ||
+
C C N C C NH3
–
/ / / / / /
O–C N C C N C
|| | | || | |
O H R O H R

R O H R O
| || | | ||
+
C C N C C NH3 FIGURA 7. Estructura en hoja
–
/ / / / / / plegada de cadenas paralelas.
O–C N C C N C
|| | | || | |
O H R O H R

H2N COOH

H2N COOH

H2N COOH


O R H O R
+
|| | | || |
H3N C C N C C
/ / / / /
C N C C N C=O
| | || | | |
–
R H O R H O

R O H R O
| || | | ||
+
C C N C C NH3 FIGURA 8. Estructura en hoja
–
/ / / / / / plegada de cadenas antiparalelas.
O–C N C C N C
| | || | |

||
O H R O H R

H2N COOH

HOOC NH2

H2N COOH

Estructura terciaria

La disposición e interelación de las cadenas plegadas de una proteína (estructura
secundaria) en una forma específica mantenida por uniones salina, enlaces de
hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas,
actuando conjuntamente proporcionan gran estabilidad a la proteína y constituyen
la estructura terciaria.

Los enlaces que mantienen esta estructura son:

Enlace covalente. Consiste, como sabemos, en una compartición de electrones,
siendo siempre un enlace fuerte, que da lugar a una gran estabilidad de la cadena
proteica. El más impotente es el llamado puente disulfuro.

Enlace iónico. Es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas de
aminoácidos, que según el pH poseerán carga eléctrica positiva o negativa. Estos
enlaces no son demasiado numerosos ya que al estar los aminoácidos en disolu-
ción, tendrán sus grupos polares saturados por los dipolos moleculares del agua.

Enlace por puente de hidrógeno. Se forman entre el C = O del grupo carboxílico
y un grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy numerosos y son de capital
importancia en la estabilización de la molécula, dada su gran cuantía.

80 PROTEÍNAS

Enlace por fuerzas de Van der Waals. Se forman entre las cadenas laterales que
poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son apolares, tiene interaccio-
nes débiles por este tipo de fuerzas. Estas interacciones son debidas a irregularida-
des en la distribución de los electrones alrededor del núcleo dando lugar a dipolos
instantáneos que implican atracciones y repulsiones de tipo electrostático.

Enlaces hidrofóbicos. Son interacciones entre las cadenas laterales no polares de
aminoácidos como la alanina, valina, etc., dentro de envolturas de agua. Estas inte-
racciones pueden tener lugar entre cadenas laterales de varias moléculas o se pue-
den presentar entre las cadenas de una misma molécula; ocurren ante la incapaci-
dad de las cadenas laterales no polares de interaccionar con el agua, ya sea iónica-

mente o a través de enlaces hidrofóbicos.

Enlace coordinado. Son estos enlaces de importancia en todas las interacciones
entre metales de transición y biomoléculas, por ejemplo Fe2+, en la hemoglobina y
citorcromos, el Co3+ en la vitamina B12.

Estructura cuaternaria

La organización de las proteínas producida por ajuste de las estructuras arrollada y
plegada, para formar una estructura funcional agregada, se llama estructura cuater-
naria. En este nivel de organización las subunidades de proteínas se conservan uni-
das esencialmente por influjo de fuerzas no covalentes. La asociación de estructu-
ras terciarias se denomina “agregado estable”. Solamente poseen este nivel aque-
llas proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas y podemos definirla como
la asociación de subunidades semejantes o diferentes de la proteína en oligómeros
(por ello las proteínas que tiene este tipo de estructura se denominan Oligoméri-
cas). Para realizar su función biológica muchas proteínas requieren más de una su-
bunidad en su estructura, por ejemplo la hemoglobina, la actomiosina, etc.

En 1976 Levitt y Chothia demostraron que las proteínas cuyas estructuras se aso-
cian hasta ese momento podrían asignarse a una de cinco clases estructurales. Es-
tas clases fueron definidas en función de la presencia y disposición de hélices α y
hojas β, elementos estructurales mayoritarios de las proteínas globulares. Estas
clases son:

1. CLASE I: Las “proteínas α totales” en la cual sólo están presentes hélices α y
se empaquetan juntas en una forma globular.

2. CLASE II: Las “proteínas β totales” en las cuales sólo están presentes estructu-
ras β generalmente como dos hojas β antiparalelas.


3. CLASE III: Las “proteínas α + β”, en las cuales están presentes estructuras α y
β pero segregadas en la estructura terciaria.

4. CLASE IV: Las “proteínas α/β” en las cuales segmentos estructurales α y β se
alternan en la estructura primaria dando una estructura terciaria que se caracteri-
za por una zona central de hebras β mayormente paralela, flanqueada a ambos
lados por hélices α.

5. CLASE V: Las “proteínas en espiral” recubren aquellas moléculas, principal-
mente pequeñas ricas en puentes disulfuro o asociadas con un cofactor grande, y
tienen una estructura secundaria pequeña.

Desnaturalización de proteínas

Cada tipo de molécula posee, en su estado nativo, una forma tridimensional carac-
terística que es conocida como su conformación o estructura.

El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal funcionamiento
de la proteína en cuestión, y una pérdida de esta conformación suele implicar una
alteración en la misión biológica de la molécula proteica.

Esta pérdida de la estructura tridimensional de una proteína, se conoce como Des-
naturalización. En la desnaturalización se producen cambios en las propiedades fí-
sicas, química y biológicas de una molécula proteica, por ejemplo:

• Disminución de la solubilidad.
• Disminución en la simetría.
• Disminución o pérdida total de la actividad biológica original.
• Aumento en la reactividad química, en particular de los grupos ionizables.
• Aumento en la susceptibilidad a la hidrólisis por medio de enzimas proteolíticas.
• Alteración en la estructura interna y disposición de las cadenas peptídicas, sin
rotura de los enlaces peptídicos.

Las principales causas de la desnaturalización son:

• Un cambio significativo en el pH de la solución de la proteína.
• Cambios de temperatura, fundamentalmente a temperaturas altas.
• Concentraciones alta de compuestos polares neutros como la urea o la guanidi-
na, ya que esos compuestos rompen los enlaces de hidrógeno formando otros
enlaces nuevos.
• Tratamiento con disolventes orgánicos, etanol, acetona, etc.

82 PROTEÍNAS

• Radiación ultravioleta.
• Vibración ultrasónica, agitación enérgica de las soluciones acuosas.

Generalmente la desnaturalización es un proceso irreversible, dependiendo éste de
la intensidad y duración del tratamiento desnaturalizante. Hay excepciones tales
como la desnaturalización de la hemoglobina con ácido y renaturalización por neu-
tralización en condiciones apropiadas. La desnaturalización de la Ribonucleasa
pancreática por acción del calor y la renaturalización por enfriamiento.

Puede afirmarse en general que la desnaturalización es reversible si no hay rotura
de los enlaces disulfuro presentes en la proteína nativa, es decir, rotura de enlaces

covalentes fuertes.

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS SOLUCIONES PROTEICAS.
SOLUBILIDAD. PRECIPITACIÓN

Las proteínas como electrólitos

Las proteínas son polielectrólitos anfóteros debido a que contienen los grupos ami-
no y carboxilo. Las propiedades electrolíticas de las proteínas están en función de
estos grupos ionizables. Cada cadena abierta de una proteína contiene sólo un gru-
po α-amino libre y un grupo α-carboxilo libre, por lo cual su influencia es relativa-
mente pequeña en cuanto a las propiedades electrolíticas. Sin embargo, varios de
los aminoácidos componentes de proteínas contienen grupos ionizables que no in-
tervienen en la formación del enlace peptídico. Tal es el caso de la lisina, la argini-
na, la histidina y el ácido glutámico, etc.

Análogamente al comportamiento de los aminoácidos en solución, se vio que las
proteínas existen como cationes complejos en solución ácida y, cuando se titulan
con álcalis (se aumenta el pH), muestran etapas de disociación de ion H+, bien su-
cesivas o superpuestas, con formación de zwiteriones y, finalmente, aniones proteí-
nicos. Aunque en los procesos de disociación de proteínas intervienen muchos gru-
pos ionizables, de los cuales varios pueden entrar en función simultáneamente, el
proceso general puede representarse por una ecuación química, la cual, sin indica-
ción de los números de cargas y de los iones hidrógeno que interviene, puede for-
mularse como sigue:

→

Proteína + ←  H + + + →

proteína zwitterión − ←  H + + proteína −
 
(catión) (ion dipolar) (anión)

Las curvas de titulación de proteínas correspondientes a los equilibrios anteriores,
son del tipo de la mostrada en la figura:


pH
10

8

6

4

2

–
Equivalentes de OH añadidos

Éste sería el caso de una curva para una proteína. Las curvas se extienden sobre
una amplia gama de pH y no muestran cambios bruscos, lo que se debe al gran nú-
mero de grupos que se ionizan sucesiva y simultáneamente para la mayor parte del
intervalo de pH. Esta característica es lo que hace que las proteínas actúan como
tampones o buffers.

El pH isoeléctrico de una proteína es aquel en el cual la proteína no emigra en un
campo eléctrico. A este pH, la proteína existe en la forma de ion dipolar o zwite-
rión, en el cual las cargas positivas son iguales a las cargas negativas, y la carga
neta es cero.

El punto isoiónico de una proteína es el pH al cual el número de iones H + disocia-
dos de la proteína es igual al número de estos iones que la proteína toma de la so-
lución.

Los valores de pH isoeléctrico e isoiónico son iguales cuando la proteína no se
combina con otros iones que el H+. En general, en presencia de sales aniones y ca-
tiones de la sal se asociarán probablemente en grados algo distintos, con las cargas
de la proteína y cambiarán apreciablemente su movilidad en un campo eléctrico y
el pH isoeléctrico.

Las proteínas actúan como amortiguadores a uno y otro lado del pH isoeléctrico.
En definitiva, la capacidad amortiguadora de las proteínas se basa en el sistema
proteína/proteinato.

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