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Proteinas

El documento habla sobre las proteínas. Explica que las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Discute las 20 clases de aminoácidos que componen las proteínas y sus propiedades. También describe las características y funciones de las proteínas en el cuerpo.

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tema 2 Proteínas COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 57 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 59 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 |. |. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 | | | | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 61 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 63 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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 65 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): COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES + – 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 67 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 69 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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 71 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 73 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). COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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-
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 75 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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-
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 77 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 79 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 | | || | | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES || 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 81 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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:
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 83 pH 10 8 6 4 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
84 PROTEÍNAS Solubilidad y precipitación La solubilidad de una proteína es función de la composición iónica del medio (Na+, K+, Ca++, Mg++), de la fuerza iónica µ y del pH. También depende de las proporcio- nes y distribución de los grupos hidrófílicos polares (amigos del agua, gran viscosi- dad) y de los hidrofóbicos no polares (enemigos del agua, escasa viscosidad), en la molécula, del momento dipolar resultante en la proteína y de la temperatura. Los grupos polares iónicos de las moléculas de proteína entran en interacción elec- trostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes, con tenden- cia a formar agregados, lo cual disminuye la solubilidad. Esta interacción entre gru- pos cargados de la proteínas disminuye en agua pura, con una constante dieléctrica COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES alta; esto es, el grado de interacción es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del disolvente. Las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. La adición de un disolvente orgánico, como acetona o alcohol, a una solución de proteína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza tam- bién algunas de las moléculas de agua asociadas con la proteína, y reduce la con- centración del agua presente en la solución. Estos efectos tienden a disminuir la so- lubilidad de la proteína, y por ello se utiliza frecuentemente la adición de estos di- solventes para precipitar proteínas de sus soluciones. Si se agregan a una solución de proteína en agua pura pequeñas cantidades de sal, disminuye el coeficiente de actividad de la proteína y su solubilidad aumenta. Este fenómeno, llamado disolución salina o “salting in”, se debe a las fuerzas de atrac- ción entre los iones de la proteína y los iones de la sal. A concentración de sal baja el aumento en el logaritmo de la solubilidad de la proteína es proporcional a la fuerza iónica del disolvente. El “salting in” se explica porque al añadir una pequeña cantidad de iones extraños se aumenta el desorden molecular, con ello la entropía se hace mayor y no habiendo variación de entalpía, el cambio de energía libre es negativo y esto supone una tendencia espontánea al aumento de la solubilidad. Ahora bien, a concentraciones elevadas de sales muy solubles, como sulfato amó- nico, se observa precipitación salina o “salting out” de las proteínas, la cual depen- de de la disminución de la actividad del agua, lo que a su vez disminuye las inte- racciones solubilizantes entre el agua y los grupos de la proteína. Es decir, que cuando aumenta mucho la cantidad de iones extraños, la interacción proteína-pro- teína se hace mayor que la interacción proteína-agua, baja la movilidad de las car- gas proteicas y las proteínas precipitan. La solubilidad, S, de muchas proteínas a concentraciones altas de sal, disminuye lo- garítmicamente a medida que aumenta la concentración de sal:
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 85 log S = β – Ks µ Relación de Cohn Donde: S = solubilidad de la proteína en la solución salina; µ = fuerza iónica de la solución salina; β = solubilidad de la proteína en agua pura (en general, hipotética y obtenida por extrapolación de la curva de solubilidad para µ = 0); Ks = constante de precipitación salina. Esta relación se puede presentar gráficamente de la siguiente forma: log S (g/litro) COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES R | | | b | S | | | | T m La fuerza iónica de una sal ionizada es igual a la mitad de la suma de la concentra- ción de cada ion multiplicada por el cuadrado de la valencia de este ion: 1 µ= 2 ∑ cZ 2 Ejemplo: Para una solución 0,1 M de NaCl, la fuerza iónica será: 1 µ= [( 0,1) ⋅ 12 + ( 0,1) ⋅ 12 ] = 0,1 2 para una solución de iones monovalentes la concentración molar es igual a la mola- ridad. Para una solución de Na2SO4: 1 µ= ( 0,2 ⋅ 12 + 0,1 ⋅ 2 2 ) = 0,3 2
86 PROTEÍNAS El factor actividad depende de la naturaleza del ion considerado, de su concentra- ción y de su carga o valencia, así como de la formación de otros iones en la diso- lución: − log f = 0,5 ⋅ Z i2 µ El efecto de una sal neutra K2SO4, sobre la solubilidad de la carbonilhemoglobina, a su pH isoeléctrico: log S COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 0,6 0,4 0,2 0,0 –0,2 m 1 2 Vemos que la fuerza iónica baja hace que la proteína se solubilice, aumenta la so- lubilidad. Pero cuando se hace elevada, disminuye la solubilidad y la proteína pre- cipita. El pH de la solución también influye en la solubilidad de la proteína. La dependen- cia se indica en la gráfica siguiente para distintos valores de la concentración de sal: S 0,010 M 0,005 M 0,001 M pH
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 87 Las proteínas pueden precipitarse de sus soluciones por diversos iones positivos o negativos. Los iones positivos de uso más común para precipitar proteínas son los metales pesados: Zn++, Cd++, Hg++, Fe+++, ... Estos iones precipitan proteínas de soluciones a pH superior al isoeléctrico de cada proteína, porque a este pH la proteína está disociada como proteína negativa que se combina con el ion metálico positivo para dar un precipitado insoluble de proteina- to del metal. Los iones negativos se combinan con proteínas en forma de proteína positiva (el pH de la solución es ácido respecto del punto isoeléctrico de la proteína) y forman COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES sales de proteínas. Entre los precipitantes de las proteínas por acción de iones nega- tivos figuran los ácido wolfrámico, pícrico, tánico, trocloroacéitco, etc. CLASIFICACIÓN DE PROTEÍNAS Por su composición • Simples. • Conjugadas. Simples u Holoproteínas: Son aquellas que por hidrólisis total dan sólo aminoáci- dos: • Albúminas. • Globulinas. • Glutelinas. • Prolaminas. • Protaminas. • Histonas. R Elastina. | Colágeno. • Escleroproteínas: S | Queratina. T Conjugadas o Heteroproteínas: Son aquellas que por hidrólisis producen no sola- mente aminoácidos sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no aminoácido se denomina grupo prostético. Las proteínas conjugadas se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo prostéticos: • Nucleoproteínas: Su grupo prostético son los ácidos nucleicos. • Lipoproteínas: Su grupo prostético son fosfolípidos, colesterol, triglicéridos.
88 PROTEÍNAS • Glucoproteínas: Cuyo grupo prostético son los carbohidratos. Por hidrólisis dan aminoazúcares y monosacáridos y/o derivados de estos. • Fosfoproteínas: Su grupo prostético contiene fósforo, en forma de ácido orto- fosfórico. • Cromoproteínas: Son proteínas conjugadas con un grupo cromoforo (sustancia coloreada que contiene un metal). • Metaloproteínas: Contienen metales dentro de la misma molécula proteica. • Hemoproteínas: Cuyo grupo prostético es la ferroprotoporfirina. • Flavoproteínas: Cuyo grupo prostético es flavin-nucleótido. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES Por sus propiedades físicas y su solubilidad • Albúminas: Son solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Coagulan con el calor. Precipitan en disolución con sulfato amónico a saturación. • Globulinas: Solubles en agua. Coagulan por el calor. Precipitan con sulfato amónico por semisaturación. Solubles en soluciones de ácidos y bases fuertes. • Glutelinas: Solubles en soluciones de ácidos y bases diluidas. Insolubles en di- solventes neutros. Coagulan por el calor. Se encuentran en el trigo. • Prolaminas: Solubles en alcohol al 70 a 80%. Insolubles en agua, disolventes neutros y alcohol absoluto. No son coagulables por el calor. Son ricas en Proli- na, de ahí su nombre. • Protaminas: Solubles en agua y en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son polipéptidos básicos. • Histonas: Solubles en agua y ácidos diluidos. Insolubles en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son muy básicas. • Escleroproteínas: Insolubles en agua, soluciones salinas, ácidos y bases diluidos y alcohol. Forman parte de los tejidos de sostén y revestimiento. Por su conformación Conformación de una proteína es la forma tridimensional característica que posee en su estado nativo. • Fibrosas: Constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resistentes, insolubles en agua o en disoluciones salinas diluidas. Son elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales supe- riores: – Colágeno: Tendones y matriz de los huesos. – Elastina: Tejido conjuntivo elástico (ligamentos). – Queratinas: Cabello, cuerno, uñas, plumas, pelos.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 89 • Globulares: Constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructuralmente de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas. Son solubles en agua. Su función en la célula es dinámica. – Enzimas (la mayor parte). – Anticuerpos. – Proteínas de transporte: Albúmina y hemoglobina. – Proteínas básicas: Protaminas, Histonas. Por sus grupos prostéticos COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES Son las proteínas conjugadas que se clasifican atendiendo a la naturaleza de su gru- po prostético. Son heteroproteínas ya estudiadas anteriormente. Por su función biológica • Enzimas: Son catalizadores biológicos muy específicos. Algunas enzimas son más especializadas y además de su actividad catalítica tienen función regulado- ra, son las enzimas alostéricas. La mayoría son proteínas globulares: – Hexoquinasa: Fosforila la glucosa. – DNA-polimerasa: Replica y repara el DNA. • Proteínas de reserva: Almacenan aminoácidos como elementos nutritivo. – Ovoalbúmina (clara de huevo). – Caseína (leche). • Proteínas transportadoras: Son capaces de unirse y transportar tipos específicos de moléculas. – Seroalbúmina: Transporta ácidos grasos libres en la sangre entre el tejido adiposo y otros órganos. – Hemoglobina: Transporta O2 en la sangre. – Mioglobina: Transporta O2 en el músculo. – β-Lipoproteína: Transporta lípidos en sangre. • Proteínas protectoras: Tienen función de defensa: – Anticuerpos: Forman complejos con proteínas extrañas. – Fibrinógeno: Precursor de la fibrina en la coagulación. – Proteína del complemento: Forman complejos con algunos sistemas extraños (bacterias). • Proteínas contráctiles: Actúan como elementos esenciales en sistemas motiles y contráctiles:
90 PROTEÍNAS – Miosina: Filamentos estacionarios de las miofibrilla. – Actina: Filamentos móviles de las miofibrillas. • Hormonas: Son moduladoras de las funciones del organismo: – Insulina: Regula el metabolismo de la glucosa. – Hormona del crecimiento: Estimula el crecimiento de los huesos. • Proteínas estructurales: Actúan como elementos estructurales, son las Esclero- proteínas estudiadas anteriormente: – Colágeno: Tejido conectivo fibroso (tendones, hueso, cartílago). – Elastina: Tejido conectivo elástico (ligamentos) COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES – Queratinas: Piel, plumas, uñas, pezuñas. PREGUNTAS TEST 1. El grupo hidroxilo fenólico está 4. ¿Cuál de los siguientes aminoá- presente en la molécula de: cidos presenta la fórmula mole- a) Lisina. cular C6H15O2N4? b) Prolina. a) Arginina. c) Tirosina. b) Histidina. d) Treonina. c) Metionina. e) Histidina. d) Lisina. e) Triptófano. 2. El ácido α-amino, β-fenilpro- piónico es el aminoácido: 5. Una de las siguientes fórmulas a) Treonina. moleculares es correcta: b) Fenilalanina. a) Histidina: C6H9O2N2. c) Leucina. b) Arginina: C6H12O2N4. d) Prolina. c) Metionina: C5H15O2N4. e) Triptófano. d) Valina: C5H11ON. e) Serina: C3H7O3N. 3. ¿Cuál de los siguientes grupos está presente en la estructura 6. Un aminoácido, que en forma de la Histidina? no ionizada posee 5 átomos de a) Guanidínico. carbono y uno de azufre, po- b) γ-carboxílico. dría ser: c) ε-amino. a) Glutamina. d) Imidazol. b) Metioninas. e) Sulfhidrilo. c) Cistina. d) Valina.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 91 e) Cistina. a) Enlaces por puente de hidró- geno. 7. De los siguientes aminoácidos, b) Interacciones iónicas. ¿cuál es más polar a pH 7? c) Interacciones de Van der Wa- a) Leucina. als. b) Fenilalanina. d) Enlaces disulfuro. c) Cisteína. e) Enlaces covalentes. d) Valina. e) Metionina. 12. Uno de los siguientes aminoá- cidos corresponde al ácido al- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 8. De los siguientes aminoácidos, fa-amino, beta-hidroxi-butírico ¿cuál tiene sus grupos amino y ¿Cuál? carboxilo ionizado a pH = 6? a) Alanina. a) Lisina. b) Serina. b) Tirosina. c) Treonina. c) Asparagina. d) Glicocola. d) Histidina. e) Histidina. e) Ácido Aspartico. 13. ¿Cuál de los siguientes aminoá- 9. ¿Cuál de los siguientes aminoá- cidos no es esencial? cidos presenta carácter básico? a) Metionina. a) Lisina. b) Alanina. b) Ácido Glutámico. c) Lisina. c) Prolina. d) Treonina. d) Glutamina. e) Isoleucina. e) Alanina. 14. Aminoácidos no proteicos: ¿Cuál 10. ¿Cuál de las siguientes proteí- de las siguientes afirmaciones nas se clasifica como simple, fi- es verdadera? brosa y con función estructu- a) La β-Alanina se incorpora a la ral? estructura de la coenzima A. a) Albúmina. b) La Citrulina no interviene en b) Elastina. el llamado “ciclo de la urea”. c) Inmunoglobulinas. c) La Taurina no se conjuga con d) Insulina. los ácidos biliares en el híga- e) Hemoglobina. do. d) El ácido γ-aminobutírico po- 11. ¿Cuál de los siguientes enlaces see actividad antitumoral. no participa en la estabilización e) La Azaserina es un agente quí- de la estructura cuaternaria de mico para la transmisión del proteínas? impulso nervioso.
92 PROTEÍNAS 15. De los siguientes compuestos, a) Prolina-Isoleucina. ¿cuál pertenece a los denomi- b) Usoleucina-Metionina. nados aminoácidos no protei- c) Treonina-Arginina. cos? d) Triptófano-Treonina. a) Hidroxiprolina. e) Treonina-Isoleucina. b) Hidroxilisina. c) Desmosina. 19. En los aminoácidos, se ha to- d) Alanina. mado como patrón de referen- e) Azaserina. cia para el estudio de los este- roisómeros: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 16. En relación con la actividad óp- a) El ácido Láctico. tica de aminoácidos: b) El ácido Tartárico. a) Los aminoácidos naturales c) El Gliceraldehído. normalmente son de la familia d) La Alanina. D. e) Ninguno de éstos. b) Sólo hay un aminoácido, la Glicina, que posee dos carbo- 20. Se denomina punto isoeléctrico nos asimétricos. de un aminoácido: c) La actividad óptica se debe a a) Aquel valor de pH para el cual la presencia de carbonos asi- la concentración de la forma métricos y a la asimetría mo- aniónica es igual a la de la for- lecular de la molécula. ma catiónica. d) Todos los aminoácidos son b) pI = pK1 + pK2. ópticamente activos. c) Aquel valor del pH en el que e) Nada de lo anterior es cierto. el aminoácido se desplazaría al ser sometido a una campo 17. Una mezcla racémica es: eléctrico. a) Una aminoácido con dos car- d) Aquel valor del pH en el que bonos asimétricos. el aminoácido existe en forma b) Un aminoácido que presenta catiónica. una plano de simetría. e) Aquel valor del pH en el que c) Una forma activa de un ami- el aminoácido está en forma noácido. aniónica. d) Una mezcla equimolecular de dos antípodas ópticos. 21. Los pK, de un aminoácido re- e) Dos moléculas de Cisteína. sultaron ser: 2,1; 3,9 y 9,8. Se puede indicar que se trata de: 18. Entre los siguientes pares de a) Lisina. aminoácidos hay uno que tiene b) Histidina. 2 carbonos asimétricos en cada c) Alanina. aminoácido: d) Cisteína.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 93 e) Ácido Glutámico. b) Ioduro de Metilo. c) Nitroprusiato sódico. 22. Los pK, de un aminoácido son: d) Cloruro de dansilo. 2,2; 9,1 y 12,5. Se puede intuir e) Fenilisotiocianato. que se trata de: a) Ácido Aspartico. 27. En relación a la reacción de los b) Arginina. aminoácidos con ninhidrina. c) Valina. ¿Cuál de las siguientes afirma- d) Glutamina. ciones es falsa? e) Leucina. a) Permite determinar cuantitati- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES vamente los aminoácidos. 23. El anillo del indol es propio de: b) La Ninhidrina es reducida. a) Tirosina. b) Glicina. c) Se obtiene CO2 en la reacción c) Triptófano. d) El aminoácido se transforma d) Histidina. en un aldehído con dos áto- e) Fenilalanina. mos de carbono menos. e) Se obtiene amoniaco en la re- 24. ¿Cuál de los siguientes aminoá- acción. cidos contiene azufre y no se encuentra en las proteínas? 28. Reacciones de aminoácidos azu- a) Homocisteína. frados: b) Homoserina. a) La Cisteína, produce una colo- c) Metionina. ración rojo-violácea con nitro- d) Cisteína. prusiato sódico. e) Serina. b) La Cisteína, forma un color rojo con nitrato de mercurio. 25. En las reacciones de aminoáci- c) La Cisteína, produce un color dos debidas al grupo amino, el amarillo con Ninhidrina. dinitrofluorbenceno es el reac- d) La Cisteína forma mercápti- tivo de: dos con el ion plata. a) La reacción de Edman. e) a y d son ciertas. b) La reacción de la Ninhidrina. c) La reacción de Sanger. 29. La formación de betaínas se d) La reacción de Millón. produce por: e) Reacción de formación de a) Metilación de aminoácido. mercáptidos. b) Tratar con ácido perfórmico. 26. En la reacción de Edman, el re- c) Con formol. activo es: d) Con amoniaco. a) Dinitrofluorobenceno. e) Con cloruro de dansilo.
94 PROTEÍNAS 30. ¿Cuál de estas reacciones es de- b) Triptófano. bida al grupo carboxílico? c) Glutamina. a) Reacción de Sanger. d) Aspártico. b) Reacción de Edman. e) Prolina. c) Reacción de Millón. d) Reacción de formación de 35. Se practicó la electroforesis so- amidas. bre papel a pH próximo a 7, de e) Reacción de formación de be- una mezcla de glicocola, alani- taínas. na, glutámico, lisina y arginina. ¿Cuál de ellos se mueve hacia el COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 31. El reactivo de Edman reacciona ánodo? en un péptido con: a) Glicocola. a) Grupos indólicos. b) Alanina. b) Grupos cisteína. c) Glutámico. c) Grupos amino terminales. d) Lisina. d) Grupo α-amino del enlace e) Arginina. peptídico. e) Grupos carboxilo terminales. 36. Enlace peptídos: 32. La ninhidrina reacciona con los a) No existe libre rotación en el aminoácidos debido a una: / – enlace – NH – C . a) Deshidrogenación. b) No existe libre rotación en el b) Reducción del grupo amino. – enlace / C – CO –. c) Segmentación de la cadena la- teral. c) Existe libre rotación sobre el d) Descarboxilación oxidativa. – / eje del enlace / C – N . e) Nada de lo anterior es cierto. d) Existe libre rotación en los en- – – laces / C – NH– y / C – CO –. 33. Todas las siguientes son proteí- nas globulares excepto una que e) Nada de lo anterior es cierto. es fibrosa: a) Histona. 37. Enlace peptídico: b) Queratina. a) Todos los átomos de carbono c) Protamina. participantes poseen hibrida- d) Albúmina. ciones sp2. e) Globulinas. b) La orientación geométrica de los átomos de O y de H en el 34. ¿Cuál de los siguientes aminoá- enlace peptídico es de tipo cidos es esencial en la dieta hu- Cis. mana? c) La orientación geométrica de a) Alanina. los átomos de O y de H en el
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 95 enlace peptídico es de tipo b) Tiene siempre una configura- Trans. ción helicoidal levógira. d) La gran estabilidad del enlace c) Cada vuelta de hélice com- peptídico se debe a que pre- prende 3,6 residuos de ami- senta una hibridación sp3. noácidos. e) Todo lo anterior es cierto. d) Es la adoptada por la fibroína de la seda. 38. En relación a los enlaces peptí- e) Se estabiliza por la presencia dicos: de enlaces disulfuros. a) Los grupos R unidos a los car- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES bonos α, están dispuestos de 41. Niveles de estructuras en pro- un modo repetitivo Cis. teínas: b) Los carbonos α tienen hibri- 2 a) La cuaternaria hace referencia dación sp . a la asociación de subunidades c) El número de átomos que semejantes o diferentes de la guardan coplanaridad es cua- proteína en oligómeros, esta- tro. bilizados por fuerzas no cova- – d) El enlace / C –N – del agru- lentes. pamiento amídico posee cierto b) La primaria se refiere a la carácter de doble enlace. orientación geométrica de la cadena polipeptídica que sirve e) El enlace / C = O del enlace de esqueleto al polímero. peptídico no posee carácter de enlace simple. c) La secundaria se refiere a la ar- quitectura tridimensional com- 39. Estructura en hoja plegada de pleta de la proteína, incluyen- proteínas: do la orientación de los posi- bles grupos prostéticos. a) Se estabiliza por puentes de hidrógeno intracatenarios. d) La terciaria se refiere a la agre- b) Predomina en las proteínas gación de las cadenas polipep- globulares. tídicas. c) No se encuentra en las proteí- e) Todo lo anterior es cierto. nas fibrosas. d) Se estabiliza por puentes de 42. Cuando se habla de estructura hidrógeno intercatenarios. secundaria y terciaria de una e) Nada de lo anterior es cierto. proteína, se hace referencia, principal y respectivamente a: 40. La estructura α-hélice de las a) Interacciones electrostáticas. proteínas: b) Secuencia de aminoácidos; a) Se estabiliza por puentes de enlaces por puentes de hidró- hidrógeno intermoleculares. geno.
96 PROTEÍNAS c) Enlaces por puente de hidró- d) Las hojas β-antiparalelas son geno; enlaces hidrofóbicos y más estables que las paralelas. otros tipos de enlaces. e) Las hojas β-paralelas son más d) Fuerzas de Van der Waals; estables que las antiparalelas. fuerzas repulsivas. e) Enlaces disulfuros; enlaces 46. ¿Qué afirmación es cierta te- covalentes coordinados. niendo en presente el tipo de enlace característico de las ho- 43. Se denomina oligómera a la jas β? proteína que tiene: a) Las hojas antiparalelas tienen COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES a) Varios puentes de hidrógeno. puentes de hidrógeno perpen- b) Estructura de hoja plegada. diculares a las hebras. c) Varios enlaces covalentes. b) Las hojas antiparalelas tienen d) Varias cadenas polipeptídicas. enlaces de hidrógeno que for- e) Pocos aminoácidos. man ángulo con respecto a las hebras enlazadas. 44. En la estructura cuaternaria, el c) Las hojas paralelas y antipara- término protómero indica: lelas tienen el mismo tipo de a) La secuencia de aminoácidos. enlace, espaciados regular- b) La estructura global de la pro- mente. teína. d) Las hojas paralelas tienen en- c) El conjunto de las cadenas po- laces de hidrógeno perpendi- lipeptídicas. culares a las hebras, alternan- d) Cada una de las cadenas poli- do los próximos con los más peptídicas individuales. espaciados. e) Nada de log anterior es cierto. e) Las hojas paralelas presentan generalmente enlaces intramo- 45. Referente a la estructura en leculares. hoja plegada o Beta, ¿qué afir- mación es cierta? a) La estructura en hojas Beta 47. ¿Cuál de las siguientes interac- paralelas tiene lugar con 2 he- ciones contribuye al manteni- bras solamente. miento de la estructura prima- b) Las hojas β-antiparalelas ne- ria de las proteína? cesitan fundamentalmente al a) Interacciones de Van der Waals. menos cinco hebras. b) Puentes de hidrógeno. c) Las hojas β-antiparalelas están c) Fuerzas hidrófobas. generalmente ocultas, protegi- das por otra cadena, frecuente- d) Enlaces covalentes. mente hélices α. e) Interacciones electrostáticas.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 97 48. El ácido perfórmico se usa en el c) Es un tipo de estructura se- estudio de la conformación de cundaria. proteínas porque: d) Se estabiliza por interacciones a) Rompe enlaces disulfuro. hidrófobas. b) Sirve para conocer el aminoá- e) Los residuos de prolina tien- cido NH2 terminal. den a modificar la estructura c) Sirve para conocer el aminoá- de la hélice. cido COOH. d) Cuantifica los enlaces por 52. La desnaturalización de las pro- puentes de hidrógeno. teínas: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES e) Analiza los aminoácidos bási- a) Aumenta la solubilidad. co presentes. b) Disminuye la solubilidad. c) Facilita su cristalización. 49. La estructura secundaria en d) No se produce con concentra- alfa-hélice se rompe si en la se- ciones altas de urea. cuencia de aminoácidos está: e) Implica disminución de la en- a) Tirosina. tropía. b) Fenilalanina. c) Valina. 53. Las curvas de valoración ácido- d) Prolina. base de las proteínas: e) Leucina. a) No se alteran en presencia de ciertas sales o iones. 50. La desnaturalización de las pro- b) Pueden dar una idea cualitati- teínas: va de los aminoácidos presen- a) Aumenta la solubilidad. tes que poseen grupos ioniza- b) Sólo altera su estructura pri- bles. maria. c) Indican que el pI es el pH al c) Aumenta su reactividad quí- cual la proteína presenta má- mica. xima carga neta. d) Disminuye la resistencia a la d) Indican que el mayor poder hidrólisis por las enzimas pro- amortiguador de las proteínas teolíticas. existe a pH fisiológicos. e) Aumenta su estructura helicoi- e) Nada de lo anterior es cierto. dal. 54. En relación con las propiedades 51. ¿Cuál de las siguientes afirma- de proteínas es cierto que: ciones sobre la hélice α es falsa? a) Las proteínas son muy solu- a) Se estabiliza por enlaces intra- bles en disoluciones concen- moleculares de hidrógeno. tradas de sales. b) Contiene 3,6 restos de ami- b) Siempre el punto isoeléctrico noácidos por vuelta de hélice. es igual al isoiónico.
98 PROTEÍNAS c) A mayor constante dieléctrica e) Nada de lo anterior es cierto. del disolvente, las proteínas tienden a aumentar su solubi- 58. De las siguientes proteínas, cua- lidad. les no son heteroproteínas: d) En el punto isoeléctrico es a) Metaloproteínas. máxima la conductibilidad b) Fosfoproteínas. eléctrica de las proteínas. c) Albúminas. e) Los electrolitos de alta fuerza d) Nucleoproteínas. iónica aumentan la solubilidad e) Lipoproteínas. proteica. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 59. De las siguientes proteínas hay 55. La fuerza iónica molar de una una simple y fibrosa. ¿Cuál? disolución 0,1 M de sulfato só- a) Albúmina. dico es: b) Protaminas. a) 0,1. c) Glutelinas. b) 0,3. d) Colágeno. c) 0,45. d) 0,5. e) Globulinas. e) 0,6. 60. En relación con las proteínas de 56. El método de COHN, se utiliza las siguientes afirmaciones, una para precipitar proteínas del es falsa. ¿Cuál? plasma. ¿Cuál es el reactivo a) Las protaminas son proteínas utilizado? globulares. a) Sulfato amónico. b) Las Albúminas son solubles b) Acetona. en agua. c) Metales divalentes. c) La elastina es una proteína d) Ácido fosfórico y fosfato di- globular. sódico. d) El colágeno es una proteína fi- e) Alcohol a distintos valores del brosa. pH. e) Las Glutelinas no son proteí- nas conjugadas. 57. La adición de acetona a una di- solución de proteínas hace que: 61. Las homoproteínas son: a) La constante dieléctrica del a) Proteínas simples. disolvente disminuya. b) Proteínas constituidas por ami- b) Aumenten las fuerzas de inte- noácidos y otros compuestos racción electrostática entre las no aminoacídicos. moléculas de las proteínas. c) Son cromoproteínas. c) Precipiten las proteínas. d) Son lipoproteínas. d) a, b y c son ciertas. e) Nada de lo anterior es cierto.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 99 62. Proteínas conjugadas, ¿Qué afir- d) Las Histonas son solubles en mación es cierta? agua y ácidos diluidos. a) Las lipoproteínas se conjugan e) Las Lipoproteína son proteí- con esfingosina. nas conjugadas que no contie- b) Las cromoproteínas contienen nen colesterol ni fosfolípidos. elementos metálicos dentro de la misma molécula proteica. 64. ¿Cuál de las siguientes proteí- c) Las escleroproteínas pertene- nas pertenece a las denomina- cen a este grupo. das contráctiles? a) Actina. d) Las Glucoproteínas contienen COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES b) Colágeno. glúcidos. c) Mioglobina. e) Las Histonas son proteínas d) Caseína. conjugadas. e) Albúmina. 63. En relación a las proteínas, 65. Una de las siguientes proteínas ¿Qué afirmación es falsa? no pertenece a las denominadas a) Las Glutelinas son insolubles transportadoras. ¿Cuál? en agua. a) Seroalbúmina. b) La Prolaminas son solubles en b) Mioglobina. alcohol de 70-80%. c) Miosina. c) Las Escleroproteínas son pro- d) Hemoglobina. teína fibrosas insolubles. e) β-lipoproteína. RESPUESTAS RAZONADAS 1. C: La tirosina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R polares sin carga, su formula estructural es: NH2 | HO CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-hidroxi fenil propiónico. 2. B: La fenilalanina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R no polares, su fórmula estructural es:
100 PROTEÍNAS NH2 | CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-fenil propiónico. 3. D: La histidina pertenece al grupo de los aminoácidos en grupos R cargados positivamente, su formula estructural es: NH2 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES | HC == C – CH2 – CH – COOH |+ | HN NH / CH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-imidazol propiónico. 4. A: La arginina tiene por formula estructural: + NH2 NH2 || | NH2 – C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH que corresponde a la fórmula molecular C6H15O2N4. 5. E: La fórmula estructural de la serina es: NH2 | OH – CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-hidroxipropiónico. 6. B: La metionina tiene por formula estructural: NH2 | CH3 – S – CH2 – CH2 – CH – COOH que corresponde a la fórmula molecular C5H11O2N5 y al nombre químico de ácido α-amino, γ-metil-tio-n-butírico.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 101 7. C: La cisteína, que pertenece al grupo de aminoácidos con grupos R polares sin carga, contiene el grupo – SH que puede formar enlaces de hidrógeno con el agua. 8. D: Todos los aminoácidos a pH = 7 tienen sus grupos amino y carboxilo io- nizados, exceptuando la histidina que los tiene a pH = 6. 9. A: La lisina, ya que a pH = 7 el grupo R posee una carga neta positiva, lo que hace que sea una aminoácido básico. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES NH2 | H3N+ – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH Ácido α-amino ε-amino-caproico 10. B: Elastina, pertenece a las escleroproteínas juntamente con el colágeno y queratinas, son proteínas fibrosas, insolubles y con función estructural. 11. D: La estructura cuaternaria se estabiliza por todo tipo de interacciones me- nos las covalentes, las fuerzas de unión son por ello no covalentes y el enla- ce disulfuro es una unión covalente. 12. C: La función alcohol está presente en la molécula de treonina, su fórmula estructural es: OH NH2 | | CH3 – CH – CH – COOH que corresponde al nombre químico: ácido α-amino, β-hidroxi-n-butírico. 13. B: Corresponde a la alanina, que es un aminoácido que no es necesario ad- quirirlo necesariamente con la dieta. 14. A: La β-alanina es un precursor del ácido pantoténico, vitamina indispensa- ble para el crecimiento de los animales superiores, en forma de pantoteína se incorpora a la estructura de la coenzima A. 15. E: La azaserina es una sustancia con actividad antitumoral, su fórmula mo- lecular es C5O4H7N3 y la estructural:
102 PROTEÍNAS NH2 | N ≡ N = CH – C – O – CH2 – CH – COOH || O 16. C: Carbonos asimétricos son aquellos que están unidos a 4 sustituyentes dis- tintos, pero si no existe asimetría molecular no se produce el giro del plano de la luz polarizada, se forma por ello un isómero inactivo. 17. D: Un racémico es una mezcla equimolecular de dos isómeros D y L, deno- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES minados antípodas ópticos, se representa por DL y es un isómero inactivo por compensación. 18. E: La treonina y la isoleucina presentan ambos dos carbonos asimétricos en su molécula, como podemos ver en sus fórmulas estructurales: NH2 OH NH2 | | | CH3 – CH2 – *CH – CH – COOH CH3 – CH – CH – COOH | * * * CH3 Isoleucina Treonina 19. C: En los aminoácidos se toma como patrón de referencia para el estudio de los esteroisómeros el gliceraldehído. Cualquier aminoácido puede relacionar el grupo NH2 estéricamente con el grupo hidroxilo del átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído, el grupo carboxilo con el grupo aldehído y el grupo R a su vez con el grupo – CH2OH del gliceraldehído. 20. A: Se denomina pI de un aminoácido el valor del pH para el cual el número de cargas negativas es igual al número de cargas positivas, es decir: [anión] = [catión] y el aminoácido no se desplaza al ser sometido a un campo eléc- trico. 21. E: El ácido glutámico es el único aminoácido de los propuestos que en su grupo R posee carga negativa, luego es ácido como nos indica su pKa. 22. B: La arginina es el único aminoácido de los propuestos con un grupo R car- gado positivamente, y por ello aminoácido básico. Su pI será: pK 1 + pK 2 (9,1 + 12,5) pI = = = 10,8 2 2
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 103 23. C: El triptófano tiene por fórmula estructural: C – CH2 – CH – COOH || | CH NH2 N | H y su fórmula química es: ácido α-amino, β-3-indol propiónico. 24. A: La homocisteína es un intermediario en la síntesis de cisteína, además de COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES ser un precursor en el ciclo de los metilos activados. Su fórmula estructural es: NH2 | HOOC – CH – CH2 – CH2 – SH 25. C: Reacción de Sanger determina cuantitativamente grupos amino termina- les, utiliza como reactivo el dinitrofluorobenceno, formándose dinitrofenil- aminoácido y se libera ácido fluorhídrico. 26. E: El reactivo utilizado en la reacción de Edman es el fenilisotiocianato, que reacciona con la amina en un medio alcalino débil, formando un compuesto que se cicla en un medio ácido débil con pérdida de una molécula de agua dando feniltiohidantoína. Este método permite identificar en una proteína los aminoácidos con grupo amino libre. 27. D: La ninhidrina decarboxila, desamina y reduce al aminoácido gracias a su poder oxidante. Se utiliza esta reacción para determinar cuantitativamente los aminoácidos de una proteína. 28. E: La cisteína por poseer un grupo sulfhídrilo activo produce una coloración rojo-violácea con nitroprusiato sódico y forma mercáptidos, por la misma razón, con los iones plata o mercurio. 29. A: Las betaínas se producen por metilación del aminoácido en el grupo ami- no, pueden ser mono, di o trisustituidas según tengan uno, dos o tres metilo, respectivamente. 30. D: El grupo carboxilo de un aminoácido forma por reacción con un alcohol un éster; si el éster formado se hace reaccionar con amoniaco se forma una amida.
104 PROTEÍNAS 31. C: El reactivo de Edman, el fenilisotiocianato, permite identificar en una proteína los aminoácidos cuyo grupo amino esta libre, es decir, los grupos amino terminales. 32. D: La ninhidrina decarboxila oxidativamente al aminoácido debido a su gran poder oxidante. 33. B: La queratina pertenece a las escleroproteínas, que son proteínas fibrosas. 34. B: Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen aminoá- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES cidos que tienen que adquirirse necesariamente con la dieta, se denominan aminoácidos esenciales, y son: valina, leucina, isoleucina, treonina, metioni- na, triptófano y lisina. 35. C: El ánodo es el polo positivo, luego se moverá hacia él aquel aminoácido que tenga, a ese pH, carga neta negativa. Los aminoácidos que tienen dicha carga son: el ácido aspártico y el ácido glutámico. 36. D: Todos los átomos que forman el enlace peptídico están en el mismo pla- no, razón por la cual la cadena proteica sólo puede girar por los Cα. La rota- ción es alrededor del enlace simple Cα – N y alrededor del eje Cα – C. 37. C: Los átomos de O y de H en el enlace peptídico distan 4,04 Å en la dispo- sición trans y solamente 2,8 Å en las cis; las fuerzas de interacción e impedi- mentos estéricos están reducidos al mínimo en la configuración trans, que está por ello favorecida. 38. D: El hecho de que los átomos participantes en el enlace peptídico están en un mismo plano le confiere una gran estabilidad. Esta estabilidad se explica mediante la resonancia entre las estructuras que los forman: È O .. C .. O .. / a r Ca .. .. C–N / C = N / .. / H Ca H Ca Por efecto de esta resonancia los enlaces C – N y C = O son intermedios en- tre sencillo y doble.
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 105 39. D: A diferencia de la hélices α, en las que los enlaces tienen lugar intracade- na, las estructuras planas se relacionan entre sí por puentes de hidrógeno in- tercadena. 40. C: Una hélice queda definida por tres parámetros: n = número de aminoáci- dos por vuelta de hélice, d = distancia entre elementos iguales de dos ami- noácidos consecutivos medida en la dirección del eje principal, y p = paso de hélice, que es la distancia entre elementos homólogos medida en la direc- ción del eje principal de la hélice. Para la hélice α, n = 3,6. 41. A: La estructura cuaternaria de proteínas hace referencia a la asociación de COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES subunidades semejantes o diferentes en oligómeros, estabilizados por fuer- zas no covalentes. 42. C: La estructura secundaria de proteínas se estabiliza por puentes de hidró- geno, mientras que la estructura terciaria se mantiene por uniones salinas, enlaces de hidrógeno, puentes S – S, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrófobas y otros tipos de enlace. 43. D: Se denomina oligómera la proteína que está formada por varias cadenas polipeptídicas, son estas proteínas las que poseen el nivel cuaternario o es- tructura cuaternaria. 44. D: El término protómero equivale a cada una de las cadenas polipeptídicas individuales que forman la proteína oligomérica. 45. D: La estructura β-paralela casi nunca tiene lugar en hojas de menos de cin- co hebras, las hojas β-paralelas están casi siempre ocultas, protegidas por otras cadenas polipeptídica, mientras que las hojas β-antiparalelas frecuente- mente toman la disposición de un cordón de dos hebras solamente; las hojas antiparalelas generalmente tienen un lado expuesto al solvente y el otro lado oculto, por lo tanto presentan una alternancia de hidrofobidicidad. Estos tres requerimientos de las hojas paralelas (regularidad, tamaño y protección), su- gieren que la estructura paralela es menos estable que la antiparalela. 46. A: Las hojas β pueden interactuar en orientación paralela o antiparalela, y cada una de ellas tiene un tipo característico de puentes de hidrógeno. Las hojas antiparalelas tienen los puentes de hidrógeno perpendiculares a las hebras. 47. D: La estructura primaria se refiere a la disposición de los aminoácidos inte- grantes de la cadena, así como su orden o secuencia y disposición de enlace
106 PROTEÍNAS peptídico. Un péptido se forma uniendo, cabeza con cola, los aminoácidos. El grupo amino de una unidad se une al grupo carboxilo de la siguiente, eli- minando una molécula de agua y formando un enlace peptídico, que es un enlace covalente. 48. A: Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una pro- teína, se debe observar si esta consta de varias cadenas polipeptídicas y, en caso de que fuera así, y estas estén unidas por enlaces covalentes, el primer paso a seguir es la ruptura de estos enlace. Los enlaces cruzados covalentes – S – S –, pueden escindirse por oxidación con ácido perfórmico. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 49. D: Hay aminoácidos que permiten hélice α estable. Otros que la inestabili- zan y rompen, estos son la prolina y la hidroxiprolina. 50. C: La desnaturalización produce cambios en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de una molécula proteica: altera la estructura interna y disposi- ción de las cadenas peptídicas, disminuye la simetría (pérdida helicoidal), por ello aumenta la reactividad química, en particular en grupos ionizables y sulfhidrilo. 51. D: Las proposiciones a, b, c y e son correctas, la d es falsa ya que la hélice α se estabiliza por enlaces intramoleculares de hidrógeno. 52. B: La desnaturalización de las proteínas disminuye la solubilidad, ya que au- menta la reactividad y las interacciones proteicas son mayores que las inte- racciones con el agua, por ello la proteína precipita. 53. B: Pueden dar una idea cualitativa de los aminoácidos presentes que poseen grupos ionizables, ya que representamos pH frente a equivalentes de OH– añadidos, y sabemos que los aminoácidos en soluciones ácidas existen en forma de catión, y cuando titulamos con álcalis (aumentando el pH) mues- tran etapas de disociación de ion H+, bien sucesivas o superpuestas con for- mación de zwiteriones y, finalmente, aniones proteínicos. 54. C: Los grupos iónicos de las molecular de proteína entran en interacción electrostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes con tendencia a formar agregados y oposición a la solubilidad. Esta interacción entre grupos cargados de las proteínas disminuye en agua pura con una cons- tante dieléctrica alta, las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. 55. B: La fuerza iónica viene dada por la expresión siguiente:
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 107 1 u= 2 ∑ cZ 2 donde c = concentración y Z = carga o valencia. + – Na2SO4 = 2 Na + SO 4 1 0,2 + 0,4 u= ( 0,2 ) (12 ) + ( 0,1) ( 2 2 ) = = 0,3 2 2 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 56. E: Para la obtención de las distintas proteínas a partir de grandes cantidades de plasma sanguíneo se utiliza el denominado método de COHN de fraccio- namiento. Consiste en variar el pH y la concentración de alcohol y nos pre- cipitan distintas fracciones conteniendo distintas proteínas. 57. D: La adición de un disolvente orgánico, como acetona, a una solución de pro- teína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza algu- nas de las moléculas de agua asociadas con la proteína y reduce la concentra- ción de agua presente en la solución, luego aumenta las fuerzas de interacción electrostática entre las moléculas de las proteínas y éstas tienden a precipitar. 58. C: Las albúminas son homoproteínas, proteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 59. D: El colágeno es una escleroproteína, que son proteínas fibrosas, simples e insolubles en agua y soluciones acuosas. 60. C: La elastina es una proteína fibrosa, es una escleroproteína. 61. A: Las homoproteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 62. D: Las glucoproteínas son proteínas conjugadas, son heteroproteínas consti- tuidas por aminoácidos y glúcidos como grupo prostético. 63. E: Las lipoproteínas son proteínas conjugadas que contienen triacilglicéri- dos u otros lípidos como el colesterol los fosfolípidos. 64. A: La actina actúa como elemento esencial en los sistemas móviles y contráctiles, concretamente en los filamentos móviles de las miofibrillas. 65. C: La miosina no es una proteína transportadora sino contráctil, se encuentra en los filamentos estacionarios de las miofibrillas.

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  • 1.
    tema 2 Proteínas COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
  • 2.
    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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
  • 3.
    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: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
  • 4.
    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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
  • 5.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 57 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
  • 6.
    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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
  • 7.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 59 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 |. |. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    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 | | | | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
  • 9.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 61 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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 − 
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    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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
  • 11.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 63 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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 65 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): COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES + – 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
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 67 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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:
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    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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 69 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 | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 71 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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 73 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). COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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-
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 75 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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    76 PROTEÍNAS Hélices Plano amida H N C y O H a CARBONO F R FIGURA 5. H N C COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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-
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 77 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 79 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 | | || | | COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES || 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.
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    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- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
  • 29.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 81 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. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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.
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    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 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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:
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 83 pH 10 8 6 4 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 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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    84 PROTEÍNAS Solubilidad y precipitación La solubilidad de una proteína es función de la composición iónica del medio (Na+, K+, Ca++, Mg++), de la fuerza iónica µ y del pH. También depende de las proporcio- nes y distribución de los grupos hidrófílicos polares (amigos del agua, gran viscosi- dad) y de los hidrofóbicos no polares (enemigos del agua, escasa viscosidad), en la molécula, del momento dipolar resultante en la proteína y de la temperatura. Los grupos polares iónicos de las moléculas de proteína entran en interacción elec- trostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes, con tenden- cia a formar agregados, lo cual disminuye la solubilidad. Esta interacción entre gru- pos cargados de la proteínas disminuye en agua pura, con una constante dieléctrica COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES alta; esto es, el grado de interacción es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del disolvente. Las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. La adición de un disolvente orgánico, como acetona o alcohol, a una solución de proteína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza tam- bién algunas de las moléculas de agua asociadas con la proteína, y reduce la con- centración del agua presente en la solución. Estos efectos tienden a disminuir la so- lubilidad de la proteína, y por ello se utiliza frecuentemente la adición de estos di- solventes para precipitar proteínas de sus soluciones. Si se agregan a una solución de proteína en agua pura pequeñas cantidades de sal, disminuye el coeficiente de actividad de la proteína y su solubilidad aumenta. Este fenómeno, llamado disolución salina o “salting in”, se debe a las fuerzas de atrac- ción entre los iones de la proteína y los iones de la sal. A concentración de sal baja el aumento en el logaritmo de la solubilidad de la proteína es proporcional a la fuerza iónica del disolvente. El “salting in” se explica porque al añadir una pequeña cantidad de iones extraños se aumenta el desorden molecular, con ello la entropía se hace mayor y no habiendo variación de entalpía, el cambio de energía libre es negativo y esto supone una tendencia espontánea al aumento de la solubilidad. Ahora bien, a concentraciones elevadas de sales muy solubles, como sulfato amó- nico, se observa precipitación salina o “salting out” de las proteínas, la cual depen- de de la disminución de la actividad del agua, lo que a su vez disminuye las inte- racciones solubilizantes entre el agua y los grupos de la proteína. Es decir, que cuando aumenta mucho la cantidad de iones extraños, la interacción proteína-pro- teína se hace mayor que la interacción proteína-agua, baja la movilidad de las car- gas proteicas y las proteínas precipitan. La solubilidad, S, de muchas proteínas a concentraciones altas de sal, disminuye lo- garítmicamente a medida que aumenta la concentración de sal:
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 85 log S = β – Ks µ Relación de Cohn Donde: S = solubilidad de la proteína en la solución salina; µ = fuerza iónica de la solución salina; β = solubilidad de la proteína en agua pura (en general, hipotética y obtenida por extrapolación de la curva de solubilidad para µ = 0); Ks = constante de precipitación salina. Esta relación se puede presentar gráficamente de la siguiente forma: log S (g/litro) COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES R | | | b | S | | | | T m La fuerza iónica de una sal ionizada es igual a la mitad de la suma de la concentra- ción de cada ion multiplicada por el cuadrado de la valencia de este ion: 1 µ= 2 ∑ cZ 2 Ejemplo: Para una solución 0,1 M de NaCl, la fuerza iónica será: 1 µ= [( 0,1) ⋅ 12 + ( 0,1) ⋅ 12 ] = 0,1 2 para una solución de iones monovalentes la concentración molar es igual a la mola- ridad. Para una solución de Na2SO4: 1 µ= ( 0,2 ⋅ 12 + 0,1 ⋅ 2 2 ) = 0,3 2
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    86 PROTEÍNAS El factor actividad depende de la naturaleza del ion considerado, de su concentra- ción y de su carga o valencia, así como de la formación de otros iones en la diso- lución: − log f = 0,5 ⋅ Z i2 µ El efecto de una sal neutra K2SO4, sobre la solubilidad de la carbonilhemoglobina, a su pH isoeléctrico: log S COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 0,6 0,4 0,2 0,0 –0,2 m 1 2 Vemos que la fuerza iónica baja hace que la proteína se solubilice, aumenta la so- lubilidad. Pero cuando se hace elevada, disminuye la solubilidad y la proteína pre- cipita. El pH de la solución también influye en la solubilidad de la proteína. La dependen- cia se indica en la gráfica siguiente para distintos valores de la concentración de sal: S 0,010 M 0,005 M 0,001 M pH
  • 35.
    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 87 Las proteínas pueden precipitarse de sus soluciones por diversos iones positivos o negativos. Los iones positivos de uso más común para precipitar proteínas son los metales pesados: Zn++, Cd++, Hg++, Fe+++, ... Estos iones precipitan proteínas de soluciones a pH superior al isoeléctrico de cada proteína, porque a este pH la proteína está disociada como proteína negativa que se combina con el ion metálico positivo para dar un precipitado insoluble de proteina- to del metal. Los iones negativos se combinan con proteínas en forma de proteína positiva (el pH de la solución es ácido respecto del punto isoeléctrico de la proteína) y forman COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES sales de proteínas. Entre los precipitantes de las proteínas por acción de iones nega- tivos figuran los ácido wolfrámico, pícrico, tánico, trocloroacéitco, etc. CLASIFICACIÓN DE PROTEÍNAS Por su composición • Simples. • Conjugadas. Simples u Holoproteínas: Son aquellas que por hidrólisis total dan sólo aminoáci- dos: • Albúminas. • Globulinas. • Glutelinas. • Prolaminas. • Protaminas. • Histonas. R Elastina. | Colágeno. • Escleroproteínas: S | Queratina. T Conjugadas o Heteroproteínas: Son aquellas que por hidrólisis producen no sola- mente aminoácidos sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no aminoácido se denomina grupo prostético. Las proteínas conjugadas se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo prostéticos: • Nucleoproteínas: Su grupo prostético son los ácidos nucleicos. • Lipoproteínas: Su grupo prostético son fosfolípidos, colesterol, triglicéridos.
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    88 PROTEÍNAS • Glucoproteínas: Cuyo grupo prostético son los carbohidratos. Por hidrólisis dan aminoazúcares y monosacáridos y/o derivados de estos. • Fosfoproteínas: Su grupo prostético contiene fósforo, en forma de ácido orto- fosfórico. • Cromoproteínas: Son proteínas conjugadas con un grupo cromoforo (sustancia coloreada que contiene un metal). • Metaloproteínas: Contienen metales dentro de la misma molécula proteica. • Hemoproteínas: Cuyo grupo prostético es la ferroprotoporfirina. • Flavoproteínas: Cuyo grupo prostético es flavin-nucleótido. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES Por sus propiedades físicas y su solubilidad • Albúminas: Son solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Coagulan con el calor. Precipitan en disolución con sulfato amónico a saturación. • Globulinas: Solubles en agua. Coagulan por el calor. Precipitan con sulfato amónico por semisaturación. Solubles en soluciones de ácidos y bases fuertes. • Glutelinas: Solubles en soluciones de ácidos y bases diluidas. Insolubles en di- solventes neutros. Coagulan por el calor. Se encuentran en el trigo. • Prolaminas: Solubles en alcohol al 70 a 80%. Insolubles en agua, disolventes neutros y alcohol absoluto. No son coagulables por el calor. Son ricas en Proli- na, de ahí su nombre. • Protaminas: Solubles en agua y en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son polipéptidos básicos. • Histonas: Solubles en agua y ácidos diluidos. Insolubles en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son muy básicas. • Escleroproteínas: Insolubles en agua, soluciones salinas, ácidos y bases diluidos y alcohol. Forman parte de los tejidos de sostén y revestimiento. Por su conformación Conformación de una proteína es la forma tridimensional característica que posee en su estado nativo. • Fibrosas: Constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resistentes, insolubles en agua o en disoluciones salinas diluidas. Son elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales supe- riores: – Colágeno: Tendones y matriz de los huesos. – Elastina: Tejido conjuntivo elástico (ligamentos). – Queratinas: Cabello, cuerno, uñas, plumas, pelos.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 89 • Globulares: Constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructuralmente de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas. Son solubles en agua. Su función en la célula es dinámica. – Enzimas (la mayor parte). – Anticuerpos. – Proteínas de transporte: Albúmina y hemoglobina. – Proteínas básicas: Protaminas, Histonas. Por sus grupos prostéticos COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES Son las proteínas conjugadas que se clasifican atendiendo a la naturaleza de su gru- po prostético. Son heteroproteínas ya estudiadas anteriormente. Por su función biológica • Enzimas: Son catalizadores biológicos muy específicos. Algunas enzimas son más especializadas y además de su actividad catalítica tienen función regulado- ra, son las enzimas alostéricas. La mayoría son proteínas globulares: – Hexoquinasa: Fosforila la glucosa. – DNA-polimerasa: Replica y repara el DNA. • Proteínas de reserva: Almacenan aminoácidos como elementos nutritivo. – Ovoalbúmina (clara de huevo). – Caseína (leche). • Proteínas transportadoras: Son capaces de unirse y transportar tipos específicos de moléculas. – Seroalbúmina: Transporta ácidos grasos libres en la sangre entre el tejido adiposo y otros órganos. – Hemoglobina: Transporta O2 en la sangre. – Mioglobina: Transporta O2 en el músculo. – β-Lipoproteína: Transporta lípidos en sangre. • Proteínas protectoras: Tienen función de defensa: – Anticuerpos: Forman complejos con proteínas extrañas. – Fibrinógeno: Precursor de la fibrina en la coagulación. – Proteína del complemento: Forman complejos con algunos sistemas extraños (bacterias). • Proteínas contráctiles: Actúan como elementos esenciales en sistemas motiles y contráctiles:
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    90 PROTEÍNAS – Miosina: Filamentos estacionarios de las miofibrilla. – Actina: Filamentos móviles de las miofibrillas. • Hormonas: Son moduladoras de las funciones del organismo: – Insulina: Regula el metabolismo de la glucosa. – Hormona del crecimiento: Estimula el crecimiento de los huesos. • Proteínas estructurales: Actúan como elementos estructurales, son las Esclero- proteínas estudiadas anteriormente: – Colágeno: Tejido conectivo fibroso (tendones, hueso, cartílago). – Elastina: Tejido conectivo elástico (ligamentos) COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES – Queratinas: Piel, plumas, uñas, pezuñas. PREGUNTAS TEST 1. El grupo hidroxilo fenólico está 4. ¿Cuál de los siguientes aminoá- presente en la molécula de: cidos presenta la fórmula mole- a) Lisina. cular C6H15O2N4? b) Prolina. a) Arginina. c) Tirosina. b) Histidina. d) Treonina. c) Metionina. e) Histidina. d) Lisina. e) Triptófano. 2. El ácido α-amino, β-fenilpro- piónico es el aminoácido: 5. Una de las siguientes fórmulas a) Treonina. moleculares es correcta: b) Fenilalanina. a) Histidina: C6H9O2N2. c) Leucina. b) Arginina: C6H12O2N4. d) Prolina. c) Metionina: C5H15O2N4. e) Triptófano. d) Valina: C5H11ON. e) Serina: C3H7O3N. 3. ¿Cuál de los siguientes grupos está presente en la estructura 6. Un aminoácido, que en forma de la Histidina? no ionizada posee 5 átomos de a) Guanidínico. carbono y uno de azufre, po- b) γ-carboxílico. dría ser: c) ε-amino. a) Glutamina. d) Imidazol. b) Metioninas. e) Sulfhidrilo. c) Cistina. d) Valina.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 91 e) Cistina. a) Enlaces por puente de hidró- geno. 7. De los siguientes aminoácidos, b) Interacciones iónicas. ¿cuál es más polar a pH 7? c) Interacciones de Van der Wa- a) Leucina. als. b) Fenilalanina. d) Enlaces disulfuro. c) Cisteína. e) Enlaces covalentes. d) Valina. e) Metionina. 12. Uno de los siguientes aminoá- cidos corresponde al ácido al- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 8. De los siguientes aminoácidos, fa-amino, beta-hidroxi-butírico ¿cuál tiene sus grupos amino y ¿Cuál? carboxilo ionizado a pH = 6? a) Alanina. a) Lisina. b) Serina. b) Tirosina. c) Treonina. c) Asparagina. d) Glicocola. d) Histidina. e) Histidina. e) Ácido Aspartico. 13. ¿Cuál de los siguientes aminoá- 9. ¿Cuál de los siguientes aminoá- cidos no es esencial? cidos presenta carácter básico? a) Metionina. a) Lisina. b) Alanina. b) Ácido Glutámico. c) Lisina. c) Prolina. d) Treonina. d) Glutamina. e) Isoleucina. e) Alanina. 14. Aminoácidos no proteicos: ¿Cuál 10. ¿Cuál de las siguientes proteí- de las siguientes afirmaciones nas se clasifica como simple, fi- es verdadera? brosa y con función estructu- a) La β-Alanina se incorpora a la ral? estructura de la coenzima A. a) Albúmina. b) La Citrulina no interviene en b) Elastina. el llamado “ciclo de la urea”. c) Inmunoglobulinas. c) La Taurina no se conjuga con d) Insulina. los ácidos biliares en el híga- e) Hemoglobina. do. d) El ácido γ-aminobutírico po- 11. ¿Cuál de los siguientes enlaces see actividad antitumoral. no participa en la estabilización e) La Azaserina es un agente quí- de la estructura cuaternaria de mico para la transmisión del proteínas? impulso nervioso.
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    92 PROTEÍNAS 15. De los siguientes compuestos, a) Prolina-Isoleucina. ¿cuál pertenece a los denomi- b) Usoleucina-Metionina. nados aminoácidos no protei- c) Treonina-Arginina. cos? d) Triptófano-Treonina. a) Hidroxiprolina. e) Treonina-Isoleucina. b) Hidroxilisina. c) Desmosina. 19. En los aminoácidos, se ha to- d) Alanina. mado como patrón de referen- e) Azaserina. cia para el estudio de los este- roisómeros: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 16. En relación con la actividad óp- a) El ácido Láctico. tica de aminoácidos: b) El ácido Tartárico. a) Los aminoácidos naturales c) El Gliceraldehído. normalmente son de la familia d) La Alanina. D. e) Ninguno de éstos. b) Sólo hay un aminoácido, la Glicina, que posee dos carbo- 20. Se denomina punto isoeléctrico nos asimétricos. de un aminoácido: c) La actividad óptica se debe a a) Aquel valor de pH para el cual la presencia de carbonos asi- la concentración de la forma métricos y a la asimetría mo- aniónica es igual a la de la for- lecular de la molécula. ma catiónica. d) Todos los aminoácidos son b) pI = pK1 + pK2. ópticamente activos. c) Aquel valor del pH en el que e) Nada de lo anterior es cierto. el aminoácido se desplazaría al ser sometido a una campo 17. Una mezcla racémica es: eléctrico. a) Una aminoácido con dos car- d) Aquel valor del pH en el que bonos asimétricos. el aminoácido existe en forma b) Un aminoácido que presenta catiónica. una plano de simetría. e) Aquel valor del pH en el que c) Una forma activa de un ami- el aminoácido está en forma noácido. aniónica. d) Una mezcla equimolecular de dos antípodas ópticos. 21. Los pK, de un aminoácido re- e) Dos moléculas de Cisteína. sultaron ser: 2,1; 3,9 y 9,8. Se puede indicar que se trata de: 18. Entre los siguientes pares de a) Lisina. aminoácidos hay uno que tiene b) Histidina. 2 carbonos asimétricos en cada c) Alanina. aminoácido: d) Cisteína.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 93 e) Ácido Glutámico. b) Ioduro de Metilo. c) Nitroprusiato sódico. 22. Los pK, de un aminoácido son: d) Cloruro de dansilo. 2,2; 9,1 y 12,5. Se puede intuir e) Fenilisotiocianato. que se trata de: a) Ácido Aspartico. 27. En relación a la reacción de los b) Arginina. aminoácidos con ninhidrina. c) Valina. ¿Cuál de las siguientes afirma- d) Glutamina. ciones es falsa? e) Leucina. a) Permite determinar cuantitati- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES vamente los aminoácidos. 23. El anillo del indol es propio de: b) La Ninhidrina es reducida. a) Tirosina. b) Glicina. c) Se obtiene CO2 en la reacción c) Triptófano. d) El aminoácido se transforma d) Histidina. en un aldehído con dos áto- e) Fenilalanina. mos de carbono menos. e) Se obtiene amoniaco en la re- 24. ¿Cuál de los siguientes aminoá- acción. cidos contiene azufre y no se encuentra en las proteínas? 28. Reacciones de aminoácidos azu- a) Homocisteína. frados: b) Homoserina. a) La Cisteína, produce una colo- c) Metionina. ración rojo-violácea con nitro- d) Cisteína. prusiato sódico. e) Serina. b) La Cisteína, forma un color rojo con nitrato de mercurio. 25. En las reacciones de aminoáci- c) La Cisteína, produce un color dos debidas al grupo amino, el amarillo con Ninhidrina. dinitrofluorbenceno es el reac- d) La Cisteína forma mercápti- tivo de: dos con el ion plata. a) La reacción de Edman. e) a y d son ciertas. b) La reacción de la Ninhidrina. c) La reacción de Sanger. 29. La formación de betaínas se d) La reacción de Millón. produce por: e) Reacción de formación de a) Metilación de aminoácido. mercáptidos. b) Tratar con ácido perfórmico. 26. En la reacción de Edman, el re- c) Con formol. activo es: d) Con amoniaco. a) Dinitrofluorobenceno. e) Con cloruro de dansilo.
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    94 PROTEÍNAS 30. ¿Cuál de estas reacciones es de- b) Triptófano. bida al grupo carboxílico? c) Glutamina. a) Reacción de Sanger. d) Aspártico. b) Reacción de Edman. e) Prolina. c) Reacción de Millón. d) Reacción de formación de 35. Se practicó la electroforesis so- amidas. bre papel a pH próximo a 7, de e) Reacción de formación de be- una mezcla de glicocola, alani- taínas. na, glutámico, lisina y arginina. ¿Cuál de ellos se mueve hacia el COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 31. El reactivo de Edman reacciona ánodo? en un péptido con: a) Glicocola. a) Grupos indólicos. b) Alanina. b) Grupos cisteína. c) Glutámico. c) Grupos amino terminales. d) Lisina. d) Grupo α-amino del enlace e) Arginina. peptídico. e) Grupos carboxilo terminales. 36. Enlace peptídos: 32. La ninhidrina reacciona con los a) No existe libre rotación en el aminoácidos debido a una: / – enlace – NH – C . a) Deshidrogenación. b) No existe libre rotación en el b) Reducción del grupo amino. – enlace / C – CO –. c) Segmentación de la cadena la- teral. c) Existe libre rotación sobre el d) Descarboxilación oxidativa. – / eje del enlace / C – N . e) Nada de lo anterior es cierto. d) Existe libre rotación en los en- – – laces / C – NH– y / C – CO –. 33. Todas las siguientes son proteí- nas globulares excepto una que e) Nada de lo anterior es cierto. es fibrosa: a) Histona. 37. Enlace peptídico: b) Queratina. a) Todos los átomos de carbono c) Protamina. participantes poseen hibrida- d) Albúmina. ciones sp2. e) Globulinas. b) La orientación geométrica de los átomos de O y de H en el 34. ¿Cuál de los siguientes aminoá- enlace peptídico es de tipo cidos es esencial en la dieta hu- Cis. mana? c) La orientación geométrica de a) Alanina. los átomos de O y de H en el
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 95 enlace peptídico es de tipo b) Tiene siempre una configura- Trans. ción helicoidal levógira. d) La gran estabilidad del enlace c) Cada vuelta de hélice com- peptídico se debe a que pre- prende 3,6 residuos de ami- senta una hibridación sp3. noácidos. e) Todo lo anterior es cierto. d) Es la adoptada por la fibroína de la seda. 38. En relación a los enlaces peptí- e) Se estabiliza por la presencia dicos: de enlaces disulfuros. a) Los grupos R unidos a los car- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES bonos α, están dispuestos de 41. Niveles de estructuras en pro- un modo repetitivo Cis. teínas: b) Los carbonos α tienen hibri- 2 a) La cuaternaria hace referencia dación sp . a la asociación de subunidades c) El número de átomos que semejantes o diferentes de la guardan coplanaridad es cua- proteína en oligómeros, esta- tro. bilizados por fuerzas no cova- – d) El enlace / C –N – del agru- lentes. pamiento amídico posee cierto b) La primaria se refiere a la carácter de doble enlace. orientación geométrica de la cadena polipeptídica que sirve e) El enlace / C = O del enlace de esqueleto al polímero. peptídico no posee carácter de enlace simple. c) La secundaria se refiere a la ar- quitectura tridimensional com- 39. Estructura en hoja plegada de pleta de la proteína, incluyen- proteínas: do la orientación de los posi- bles grupos prostéticos. a) Se estabiliza por puentes de hidrógeno intracatenarios. d) La terciaria se refiere a la agre- b) Predomina en las proteínas gación de las cadenas polipep- globulares. tídicas. c) No se encuentra en las proteí- e) Todo lo anterior es cierto. nas fibrosas. d) Se estabiliza por puentes de 42. Cuando se habla de estructura hidrógeno intercatenarios. secundaria y terciaria de una e) Nada de lo anterior es cierto. proteína, se hace referencia, principal y respectivamente a: 40. La estructura α-hélice de las a) Interacciones electrostáticas. proteínas: b) Secuencia de aminoácidos; a) Se estabiliza por puentes de enlaces por puentes de hidró- hidrógeno intermoleculares. geno.
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    96 PROTEÍNAS c) Enlaces por puente de hidró- d) Las hojas β-antiparalelas son geno; enlaces hidrofóbicos y más estables que las paralelas. otros tipos de enlaces. e) Las hojas β-paralelas son más d) Fuerzas de Van der Waals; estables que las antiparalelas. fuerzas repulsivas. e) Enlaces disulfuros; enlaces 46. ¿Qué afirmación es cierta te- covalentes coordinados. niendo en presente el tipo de enlace característico de las ho- 43. Se denomina oligómera a la jas β? proteína que tiene: a) Las hojas antiparalelas tienen COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES a) Varios puentes de hidrógeno. puentes de hidrógeno perpen- b) Estructura de hoja plegada. diculares a las hebras. c) Varios enlaces covalentes. b) Las hojas antiparalelas tienen d) Varias cadenas polipeptídicas. enlaces de hidrógeno que for- e) Pocos aminoácidos. man ángulo con respecto a las hebras enlazadas. 44. En la estructura cuaternaria, el c) Las hojas paralelas y antipara- término protómero indica: lelas tienen el mismo tipo de a) La secuencia de aminoácidos. enlace, espaciados regular- b) La estructura global de la pro- mente. teína. d) Las hojas paralelas tienen en- c) El conjunto de las cadenas po- laces de hidrógeno perpendi- lipeptídicas. culares a las hebras, alternan- d) Cada una de las cadenas poli- do los próximos con los más peptídicas individuales. espaciados. e) Nada de log anterior es cierto. e) Las hojas paralelas presentan generalmente enlaces intramo- 45. Referente a la estructura en leculares. hoja plegada o Beta, ¿qué afir- mación es cierta? a) La estructura en hojas Beta 47. ¿Cuál de las siguientes interac- paralelas tiene lugar con 2 he- ciones contribuye al manteni- bras solamente. miento de la estructura prima- b) Las hojas β-antiparalelas ne- ria de las proteína? cesitan fundamentalmente al a) Interacciones de Van der Waals. menos cinco hebras. b) Puentes de hidrógeno. c) Las hojas β-antiparalelas están c) Fuerzas hidrófobas. generalmente ocultas, protegi- das por otra cadena, frecuente- d) Enlaces covalentes. mente hélices α. e) Interacciones electrostáticas.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 97 48. El ácido perfórmico se usa en el c) Es un tipo de estructura se- estudio de la conformación de cundaria. proteínas porque: d) Se estabiliza por interacciones a) Rompe enlaces disulfuro. hidrófobas. b) Sirve para conocer el aminoá- e) Los residuos de prolina tien- cido NH2 terminal. den a modificar la estructura c) Sirve para conocer el aminoá- de la hélice. cido COOH. d) Cuantifica los enlaces por 52. La desnaturalización de las pro- puentes de hidrógeno. teínas: COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES e) Analiza los aminoácidos bási- a) Aumenta la solubilidad. co presentes. b) Disminuye la solubilidad. c) Facilita su cristalización. 49. La estructura secundaria en d) No se produce con concentra- alfa-hélice se rompe si en la se- ciones altas de urea. cuencia de aminoácidos está: e) Implica disminución de la en- a) Tirosina. tropía. b) Fenilalanina. c) Valina. 53. Las curvas de valoración ácido- d) Prolina. base de las proteínas: e) Leucina. a) No se alteran en presencia de ciertas sales o iones. 50. La desnaturalización de las pro- b) Pueden dar una idea cualitati- teínas: va de los aminoácidos presen- a) Aumenta la solubilidad. tes que poseen grupos ioniza- b) Sólo altera su estructura pri- bles. maria. c) Indican que el pI es el pH al c) Aumenta su reactividad quí- cual la proteína presenta má- mica. xima carga neta. d) Disminuye la resistencia a la d) Indican que el mayor poder hidrólisis por las enzimas pro- amortiguador de las proteínas teolíticas. existe a pH fisiológicos. e) Aumenta su estructura helicoi- e) Nada de lo anterior es cierto. dal. 54. En relación con las propiedades 51. ¿Cuál de las siguientes afirma- de proteínas es cierto que: ciones sobre la hélice α es falsa? a) Las proteínas son muy solu- a) Se estabiliza por enlaces intra- bles en disoluciones concen- moleculares de hidrógeno. tradas de sales. b) Contiene 3,6 restos de ami- b) Siempre el punto isoeléctrico noácidos por vuelta de hélice. es igual al isoiónico.
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    98 PROTEÍNAS c) A mayor constante dieléctrica e) Nada de lo anterior es cierto. del disolvente, las proteínas tienden a aumentar su solubi- 58. De las siguientes proteínas, cua- lidad. les no son heteroproteínas: d) En el punto isoeléctrico es a) Metaloproteínas. máxima la conductibilidad b) Fosfoproteínas. eléctrica de las proteínas. c) Albúminas. e) Los electrolitos de alta fuerza d) Nucleoproteínas. iónica aumentan la solubilidad e) Lipoproteínas. proteica. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 59. De las siguientes proteínas hay 55. La fuerza iónica molar de una una simple y fibrosa. ¿Cuál? disolución 0,1 M de sulfato só- a) Albúmina. dico es: b) Protaminas. a) 0,1. c) Glutelinas. b) 0,3. d) Colágeno. c) 0,45. d) 0,5. e) Globulinas. e) 0,6. 60. En relación con las proteínas de 56. El método de COHN, se utiliza las siguientes afirmaciones, una para precipitar proteínas del es falsa. ¿Cuál? plasma. ¿Cuál es el reactivo a) Las protaminas son proteínas utilizado? globulares. a) Sulfato amónico. b) Las Albúminas son solubles b) Acetona. en agua. c) Metales divalentes. c) La elastina es una proteína d) Ácido fosfórico y fosfato di- globular. sódico. d) El colágeno es una proteína fi- e) Alcohol a distintos valores del brosa. pH. e) Las Glutelinas no son proteí- nas conjugadas. 57. La adición de acetona a una di- solución de proteínas hace que: 61. Las homoproteínas son: a) La constante dieléctrica del a) Proteínas simples. disolvente disminuya. b) Proteínas constituidas por ami- b) Aumenten las fuerzas de inte- noácidos y otros compuestos racción electrostática entre las no aminoacídicos. moléculas de las proteínas. c) Son cromoproteínas. c) Precipiten las proteínas. d) Son lipoproteínas. d) a, b y c son ciertas. e) Nada de lo anterior es cierto.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 99 62. Proteínas conjugadas, ¿Qué afir- d) Las Histonas son solubles en mación es cierta? agua y ácidos diluidos. a) Las lipoproteínas se conjugan e) Las Lipoproteína son proteí- con esfingosina. nas conjugadas que no contie- b) Las cromoproteínas contienen nen colesterol ni fosfolípidos. elementos metálicos dentro de la misma molécula proteica. 64. ¿Cuál de las siguientes proteí- c) Las escleroproteínas pertene- nas pertenece a las denomina- cen a este grupo. das contráctiles? a) Actina. d) Las Glucoproteínas contienen COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES b) Colágeno. glúcidos. c) Mioglobina. e) Las Histonas son proteínas d) Caseína. conjugadas. e) Albúmina. 63. En relación a las proteínas, 65. Una de las siguientes proteínas ¿Qué afirmación es falsa? no pertenece a las denominadas a) Las Glutelinas son insolubles transportadoras. ¿Cuál? en agua. a) Seroalbúmina. b) La Prolaminas son solubles en b) Mioglobina. alcohol de 70-80%. c) Miosina. c) Las Escleroproteínas son pro- d) Hemoglobina. teína fibrosas insolubles. e) β-lipoproteína. RESPUESTAS RAZONADAS 1. C: La tirosina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R polares sin carga, su formula estructural es: NH2 | HO CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-hidroxi fenil propiónico. 2. B: La fenilalanina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R no polares, su fórmula estructural es:
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    100 PROTEÍNAS NH2 | CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-fenil propiónico. 3. D: La histidina pertenece al grupo de los aminoácidos en grupos R cargados positivamente, su formula estructural es: NH2 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES | HC == C – CH2 – CH – COOH |+ | HN NH / CH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-imidazol propiónico. 4. A: La arginina tiene por formula estructural: + NH2 NH2 || | NH2 – C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH que corresponde a la fórmula molecular C6H15O2N4. 5. E: La fórmula estructural de la serina es: NH2 | OH – CH2 – CH – COOH y su nombre químico es: ácido α-amino, β-hidroxipropiónico. 6. B: La metionina tiene por formula estructural: NH2 | CH3 – S – CH2 – CH2 – CH – COOH que corresponde a la fórmula molecular C5H11O2N5 y al nombre químico de ácido α-amino, γ-metil-tio-n-butírico.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 101 7. C: La cisteína, que pertenece al grupo de aminoácidos con grupos R polares sin carga, contiene el grupo – SH que puede formar enlaces de hidrógeno con el agua. 8. D: Todos los aminoácidos a pH = 7 tienen sus grupos amino y carboxilo io- nizados, exceptuando la histidina que los tiene a pH = 6. 9. A: La lisina, ya que a pH = 7 el grupo R posee una carga neta positiva, lo que hace que sea una aminoácido básico. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES NH2 | H3N+ – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH Ácido α-amino ε-amino-caproico 10. B: Elastina, pertenece a las escleroproteínas juntamente con el colágeno y queratinas, son proteínas fibrosas, insolubles y con función estructural. 11. D: La estructura cuaternaria se estabiliza por todo tipo de interacciones me- nos las covalentes, las fuerzas de unión son por ello no covalentes y el enla- ce disulfuro es una unión covalente. 12. C: La función alcohol está presente en la molécula de treonina, su fórmula estructural es: OH NH2 | | CH3 – CH – CH – COOH que corresponde al nombre químico: ácido α-amino, β-hidroxi-n-butírico. 13. B: Corresponde a la alanina, que es un aminoácido que no es necesario ad- quirirlo necesariamente con la dieta. 14. A: La β-alanina es un precursor del ácido pantoténico, vitamina indispensa- ble para el crecimiento de los animales superiores, en forma de pantoteína se incorpora a la estructura de la coenzima A. 15. E: La azaserina es una sustancia con actividad antitumoral, su fórmula mo- lecular es C5O4H7N3 y la estructural:
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    102 PROTEÍNAS NH2 | N ≡ N = CH – C – O – CH2 – CH – COOH || O 16. C: Carbonos asimétricos son aquellos que están unidos a 4 sustituyentes dis- tintos, pero si no existe asimetría molecular no se produce el giro del plano de la luz polarizada, se forma por ello un isómero inactivo. 17. D: Un racémico es una mezcla equimolecular de dos isómeros D y L, deno- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES minados antípodas ópticos, se representa por DL y es un isómero inactivo por compensación. 18. E: La treonina y la isoleucina presentan ambos dos carbonos asimétricos en su molécula, como podemos ver en sus fórmulas estructurales: NH2 OH NH2 | | | CH3 – CH2 – *CH – CH – COOH CH3 – CH – CH – COOH | * * * CH3 Isoleucina Treonina 19. C: En los aminoácidos se toma como patrón de referencia para el estudio de los esteroisómeros el gliceraldehído. Cualquier aminoácido puede relacionar el grupo NH2 estéricamente con el grupo hidroxilo del átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído, el grupo carboxilo con el grupo aldehído y el grupo R a su vez con el grupo – CH2OH del gliceraldehído. 20. A: Se denomina pI de un aminoácido el valor del pH para el cual el número de cargas negativas es igual al número de cargas positivas, es decir: [anión] = [catión] y el aminoácido no se desplaza al ser sometido a un campo eléc- trico. 21. E: El ácido glutámico es el único aminoácido de los propuestos que en su grupo R posee carga negativa, luego es ácido como nos indica su pKa. 22. B: La arginina es el único aminoácido de los propuestos con un grupo R car- gado positivamente, y por ello aminoácido básico. Su pI será: pK 1 + pK 2 (9,1 + 12,5) pI = = = 10,8 2 2
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 103 23. C: El triptófano tiene por fórmula estructural: C – CH2 – CH – COOH || | CH NH2 N | H y su fórmula química es: ácido α-amino, β-3-indol propiónico. 24. A: La homocisteína es un intermediario en la síntesis de cisteína, además de COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES ser un precursor en el ciclo de los metilos activados. Su fórmula estructural es: NH2 | HOOC – CH – CH2 – CH2 – SH 25. C: Reacción de Sanger determina cuantitativamente grupos amino termina- les, utiliza como reactivo el dinitrofluorobenceno, formándose dinitrofenil- aminoácido y se libera ácido fluorhídrico. 26. E: El reactivo utilizado en la reacción de Edman es el fenilisotiocianato, que reacciona con la amina en un medio alcalino débil, formando un compuesto que se cicla en un medio ácido débil con pérdida de una molécula de agua dando feniltiohidantoína. Este método permite identificar en una proteína los aminoácidos con grupo amino libre. 27. D: La ninhidrina decarboxila, desamina y reduce al aminoácido gracias a su poder oxidante. Se utiliza esta reacción para determinar cuantitativamente los aminoácidos de una proteína. 28. E: La cisteína por poseer un grupo sulfhídrilo activo produce una coloración rojo-violácea con nitroprusiato sódico y forma mercáptidos, por la misma razón, con los iones plata o mercurio. 29. A: Las betaínas se producen por metilación del aminoácido en el grupo ami- no, pueden ser mono, di o trisustituidas según tengan uno, dos o tres metilo, respectivamente. 30. D: El grupo carboxilo de un aminoácido forma por reacción con un alcohol un éster; si el éster formado se hace reaccionar con amoniaco se forma una amida.
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    104 PROTEÍNAS 31. C: El reactivo de Edman, el fenilisotiocianato, permite identificar en una proteína los aminoácidos cuyo grupo amino esta libre, es decir, los grupos amino terminales. 32. D: La ninhidrina decarboxila oxidativamente al aminoácido debido a su gran poder oxidante. 33. B: La queratina pertenece a las escleroproteínas, que son proteínas fibrosas. 34. B: Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen aminoá- COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES cidos que tienen que adquirirse necesariamente con la dieta, se denominan aminoácidos esenciales, y son: valina, leucina, isoleucina, treonina, metioni- na, triptófano y lisina. 35. C: El ánodo es el polo positivo, luego se moverá hacia él aquel aminoácido que tenga, a ese pH, carga neta negativa. Los aminoácidos que tienen dicha carga son: el ácido aspártico y el ácido glutámico. 36. D: Todos los átomos que forman el enlace peptídico están en el mismo pla- no, razón por la cual la cadena proteica sólo puede girar por los Cα. La rota- ción es alrededor del enlace simple Cα – N y alrededor del eje Cα – C. 37. C: Los átomos de O y de H en el enlace peptídico distan 4,04 Å en la dispo- sición trans y solamente 2,8 Å en las cis; las fuerzas de interacción e impedi- mentos estéricos están reducidos al mínimo en la configuración trans, que está por ello favorecida. 38. D: El hecho de que los átomos participantes en el enlace peptídico están en un mismo plano le confiere una gran estabilidad. Esta estabilidad se explica mediante la resonancia entre las estructuras que los forman: È O .. C .. O .. / a r Ca .. .. C–N / C = N / .. / H Ca H Ca Por efecto de esta resonancia los enlaces C – N y C = O son intermedios en- tre sencillo y doble.
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 105 39. D: A diferencia de la hélices α, en las que los enlaces tienen lugar intracade- na, las estructuras planas se relacionan entre sí por puentes de hidrógeno in- tercadena. 40. C: Una hélice queda definida por tres parámetros: n = número de aminoáci- dos por vuelta de hélice, d = distancia entre elementos iguales de dos ami- noácidos consecutivos medida en la dirección del eje principal, y p = paso de hélice, que es la distancia entre elementos homólogos medida en la direc- ción del eje principal de la hélice. Para la hélice α, n = 3,6. 41. A: La estructura cuaternaria de proteínas hace referencia a la asociación de COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES subunidades semejantes o diferentes en oligómeros, estabilizados por fuer- zas no covalentes. 42. C: La estructura secundaria de proteínas se estabiliza por puentes de hidró- geno, mientras que la estructura terciaria se mantiene por uniones salinas, enlaces de hidrógeno, puentes S – S, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrófobas y otros tipos de enlace. 43. D: Se denomina oligómera la proteína que está formada por varias cadenas polipeptídicas, son estas proteínas las que poseen el nivel cuaternario o es- tructura cuaternaria. 44. D: El término protómero equivale a cada una de las cadenas polipeptídicas individuales que forman la proteína oligomérica. 45. D: La estructura β-paralela casi nunca tiene lugar en hojas de menos de cin- co hebras, las hojas β-paralelas están casi siempre ocultas, protegidas por otras cadenas polipeptídica, mientras que las hojas β-antiparalelas frecuente- mente toman la disposición de un cordón de dos hebras solamente; las hojas antiparalelas generalmente tienen un lado expuesto al solvente y el otro lado oculto, por lo tanto presentan una alternancia de hidrofobidicidad. Estos tres requerimientos de las hojas paralelas (regularidad, tamaño y protección), su- gieren que la estructura paralela es menos estable que la antiparalela. 46. A: Las hojas β pueden interactuar en orientación paralela o antiparalela, y cada una de ellas tiene un tipo característico de puentes de hidrógeno. Las hojas antiparalelas tienen los puentes de hidrógeno perpendiculares a las hebras. 47. D: La estructura primaria se refiere a la disposición de los aminoácidos inte- grantes de la cadena, así como su orden o secuencia y disposición de enlace
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    106 PROTEÍNAS peptídico. Un péptido se forma uniendo, cabeza con cola, los aminoácidos. El grupo amino de una unidad se une al grupo carboxilo de la siguiente, eli- minando una molécula de agua y formando un enlace peptídico, que es un enlace covalente. 48. A: Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una pro- teína, se debe observar si esta consta de varias cadenas polipeptídicas y, en caso de que fuera así, y estas estén unidas por enlaces covalentes, el primer paso a seguir es la ruptura de estos enlace. Los enlaces cruzados covalentes – S – S –, pueden escindirse por oxidación con ácido perfórmico. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 49. D: Hay aminoácidos que permiten hélice α estable. Otros que la inestabili- zan y rompen, estos son la prolina y la hidroxiprolina. 50. C: La desnaturalización produce cambios en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de una molécula proteica: altera la estructura interna y disposi- ción de las cadenas peptídicas, disminuye la simetría (pérdida helicoidal), por ello aumenta la reactividad química, en particular en grupos ionizables y sulfhidrilo. 51. D: Las proposiciones a, b, c y e son correctas, la d es falsa ya que la hélice α se estabiliza por enlaces intramoleculares de hidrógeno. 52. B: La desnaturalización de las proteínas disminuye la solubilidad, ya que au- menta la reactividad y las interacciones proteicas son mayores que las inte- racciones con el agua, por ello la proteína precipita. 53. B: Pueden dar una idea cualitativa de los aminoácidos presentes que poseen grupos ionizables, ya que representamos pH frente a equivalentes de OH– añadidos, y sabemos que los aminoácidos en soluciones ácidas existen en forma de catión, y cuando titulamos con álcalis (aumentando el pH) mues- tran etapas de disociación de ion H+, bien sucesivas o superpuestas con for- mación de zwiteriones y, finalmente, aniones proteínicos. 54. C: Los grupos iónicos de las molecular de proteína entran en interacción electrostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes con tendencia a formar agregados y oposición a la solubilidad. Esta interacción entre grupos cargados de las proteínas disminuye en agua pura con una cons- tante dieléctrica alta, las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. 55. B: La fuerza iónica viene dada por la expresión siguiente:
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    BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL 107 1 u= 2 ∑ cZ 2 donde c = concentración y Z = carga o valencia. + – Na2SO4 = 2 Na + SO 4 1 0,2 + 0,4 u= ( 0,2 ) (12 ) + ( 0,1) ( 2 2 ) = = 0,3 2 2 COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR - CASA EDITORIAL MARES 56. E: Para la obtención de las distintas proteínas a partir de grandes cantidades de plasma sanguíneo se utiliza el denominado método de COHN de fraccio- namiento. Consiste en variar el pH y la concentración de alcohol y nos pre- cipitan distintas fracciones conteniendo distintas proteínas. 57. D: La adición de un disolvente orgánico, como acetona, a una solución de pro- teína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza algu- nas de las moléculas de agua asociadas con la proteína y reduce la concentra- ción de agua presente en la solución, luego aumenta las fuerzas de interacción electrostática entre las moléculas de las proteínas y éstas tienden a precipitar. 58. C: Las albúminas son homoproteínas, proteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 59. D: El colágeno es una escleroproteína, que son proteínas fibrosas, simples e insolubles en agua y soluciones acuosas. 60. C: La elastina es una proteína fibrosa, es una escleroproteína. 61. A: Las homoproteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 62. D: Las glucoproteínas son proteínas conjugadas, son heteroproteínas consti- tuidas por aminoácidos y glúcidos como grupo prostético. 63. E: Las lipoproteínas son proteínas conjugadas que contienen triacilglicéri- dos u otros lípidos como el colesterol los fosfolípidos. 64. A: La actina actúa como elemento esencial en los sistemas móviles y contráctiles, concretamente en los filamentos móviles de las miofibrillas. 65. C: La miosina no es una proteína transportadora sino contráctil, se encuentra en los filamentos estacionarios de las miofibrillas.