Principios de Estructura de Proteínas

Departamento de Biología Molecular, Facultad de Ciencias Biológicas

UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

Proyecto 97-003

CAPITULO 1: LOS AMINOACIDOS

INTRODUCCION

En esta sección se revisarán las propiedades de los 20 aminoácidos naturales, entendiéndose por "aminoácidos naturales" aquellos que se encuentran formando parte de las proteínas genéticamente codificadas. Además de estos aminoácidos en los organismos vivos se encuentran y participan de los procesos biológicos otros aminoácidos diferentes de los antes mencionados.

Los aminoácidos naturales se caracterizan por presentar un grupo amino y un grupo carboxilo unidos al carbono central llamado alfa, por lo que se denominan alfa aminoácidos. Este carbono posee además, como sustituyentes un átomo de hidrógeno y una cadena lateral, llamado grupo R, que en la naturaleza origina los 20 tipos de aminoácidos diferentes que pueden formar parte de las proteínas. Esto sustitución determina que este carbono alfa sea un centro quirálico, sus cuatro sustituyentes son diferentes, por lo tanto presenta actividad óptica rotatoria, es decir desvía el plano de la luz polarizada.

Los 20 aminoácidos naturales que forman parte de las proteínas son de la forma L. La forma L- corresponde a la forma que presenta igual configuracion que el L-glicerahdehido y no debe confundirse con levorotatoria que es el estereoisomero que rota el plano de luz polarizada a la izquierda. Solamente uno de los 20 aminoácidos no pertenece a la forma L, la Glicina. La glicina tiene como cadena lateral un átomo de hidrógeno, lo que quiere decir que el carbono alfa de este aminoácido tiene dos átomos de hidrógeno como sustituyentes de modo que es un carbono aquirálico o no-quiral. Por lo tanto no se le puede aplicar la terminología L- o D- .

Para saber si la configuración de un aminoácido corresponde al isómero L- o D-, imaginemos que miramos a lo largo del enlace Hidrógeno-Carbono alfa de este como se presenta en el esquema de más abajo. En este esquema, si se comienza por el grupo carboxílico CO, se continua con el grupo R y finalmente el grupo NH2, en sentido horario ( giro en sentido de los punteros del reloj) se forma la palabra CORN, y el isómero corresponde al tipo L-; por el contrario si el movimiento es antihorario, el isómero corresponde al tipo D-. La nomenclatura L-/D- provienen del hecho que en la proyección de Fischer de este compuesto el grupo Amino está al lado izquierdo (Left ).

 Los aminoácidos pueden ser divididos en varias clases diferentes basándose en sus propiedades fisicoquímicas de las cadenas laterales o grupos R.

El esquema de abajo muestra el código de colores que se utilizará en el presente capítulo para los diferentes tipos de átomos. En las estructuras no se presentan los átomos de hidrógeno para mayor claridad y debido a que estos no son localizados en la mayoría de las estructuras de proteínas obtenidas por difracción de rayos-X. En los diagramas de los aminoácidos estos se muestran como residuos, es decir el grupo carboxilo y el grupo amino tal como se encuentran en los polipeptidos.

 La cadena lateral o radical o grupo R, dependiendo de los grupos funcionales que posea se clasifican en alifáticas, aromáticas, acídicas, básicas o neutras polares. Sin embargo, la Prolina tiene una estructura singular ya que su cadena lateral se cicla con el grupo alfa amino del mismo aminoácido, constituyendo un iminoácido.

AMINOACIDOS HIDROFOBICOS ALIFATICOS

Hay cuatro aminoácidos en esta clase, como se muestra a continuación. Sus cadenas laterales consisten de grupos metilénicos o metílicos. Estos aminoácidos, generalmente, están ubicados en el interior de las proteínas debido a su naturaleza hidrofóbica. Como se puede apreciar en el esquema todas las cadenas son bifurcadas a excepción de la Alanina. En el caso de la Val e Ile la bifurcación es cercana a la cadena principal y puede, por lo tanto, restringir la conformación de la cadena por impedimento estérico.

AMINOACIDOS HIDROFOBICOS AROMATICOS

De los tres residuos representantes de esta clase solo Fenilalanina es enteramente apolar. La tirosina posee un hidróxilo fenólico y el triptofano tiene un átomo de nitrógeno en su anillo indólico. Estos residuos casi siempre se ubican internalizados hacia el interior hidrofóbico de la proteína ya que su naturaleza es predominantemente no polar. Sin embargo, los átomos polares de la tirosina y el triptofano les permiten establecer interacciones puente hidrógeno con otros residuos o incluso con moléculas de solvente.

AMINOACIDOS POLARES NEUTROS

Como se puede ver más abajo hay varias cadenas alifáticas pequeñas que contienen grupos polares que son ionizables. La serina y treonina tienen grupos hidróxilos en sus cadenas laterales, estos grupos si poseen la geometría adecuada pueden formar puentes de hidrógeno con los átomos de la cadena principal. De esta forma pueden influir en la conformación, local del polipeptido, también se conoce que residuos como serina y asparragina pueden adoptar conformaciones que la mayoría de los otros aminoácidos no pueden tener. Los aminoácidos asparragina y glutamina poseen grupos amida en sus cadenas laterales los cuales generalmente están estableciendo puentes de hidrógeno con otros centros disponibles al interior de la proteína

Hay dos aminoácidos que contienen átomos de azufre: metionina y císteina los cuales tienen un carácter marcadamente no polar. En efecto metionina podría ser clasificado como un residuo hidrofóbico ya que casi siempre esta asociado con el centro hidrofóbico de la proteína. La císteina es el único aminoácido que puede formar un enlace covalente con otro residuo de císteina y entrecruzar la cadena polipeptídica. Este puente disulfuro implica que se forma un enlace -S-S- entre dos císteina espacialmente adyacentes en la molécula de proteína. La gran fuerza cohesiva de ciertas proteínas, por ejemplo las queratinas de la concha de tortuga, puede ser atribuida al gran numero de puentes disulfuro que se establecen entre las moléculas de queratinas. Los puentes disulfuro son sensibles a agentes reductores los cuales convierten a ambos átomos a su forma reducida: grupos -SH. Las cisteinas frecuentemente forman parte de los sitios de unión de metales ya que su grupo sulfuro puede formar enlace covalente dativos con ciertos iones metálicos. Además, junto con serina se encuentran en los sitios activos de enzimas donde juegan un rol catalítico.

AMINOACIDOS ACIDOS

Dos aminoácidos, ácidos aspártico y glutámico, tienen un grupo carboxilo en su cadena lateral y por lo tanto están cargados negativamente a pH fisiológico. La fuerte naturaleza polar de estos residuos les significa que ellos muy a menudo se encuentran en la superficie de las proteínas globulares donde pueden interaccionar favorablemente con las moléculas de solvente. Estos residuos tambien pueden formar interacciones electrostaticas con aminoácidos cargados positivamente, es decir aminoácidos básicos. Aspartato y glutamato también pueden desempeñar roles catalíticos en el sitio activo de enzimas y formar parte de sitios de unión de iones metálicos, dada su alta capacidad de unión.

AMINOACIDOS BASICOS

De los aminoácidos con cadenas laterales básicas la histidina tiene el valor de pKa más bajo (alrededor de 6) y por lo tanto, a pH fisiológico se presenta como neutro. Este aminoácido se presenta muy frecuentemente en el sitio activo de enzimas ya que puede actuar muy eficientemente como catalizador acido-base. También puede actuar como ligando de iones metálicos en varias familias de proteínas . Las cadenas laterales de lisina y arginina son con un carácter básico más fuerte y por lo mismo se presentan cargadas positivas a pH fisiológico. Generalmente se presentan solvatadas, es decir en interacción con moléculas de solvente pero ocasionalmente se pueden presentar al interior de la proteína donde establecen interacciones electrostáticas con grupos cargados negativamente como Asp y Glu. Lisina y Arginina juegan un importante rol en las proteínas que unen aniones interaccionando electrostaticamente con los ligandos.

AMINOACIDOS DE IMPORTANCIA CONFORMACIONAL

La Glicina y la Prolina son aminoáciods singulares ya que estos parecen tener una influencia directa en la conformación de la cadena polipeptidica. La Glicina esencialmente debido a la falta de cadena lateral ( es solo un átomo de hidrógeno) puede adoptar conformaciones estericamente impedidas para los otros aminoácidos. Esto le confiere un alto grado de flexibilidad local a a la cadena. En consecuencia la glicina se encuentra frecuentemente en las regiones de vueltas donde la cadena polipeptidica debe formar horquilla para girar. La Glicina es muy abundante en ciertas proteínas globulares debido a su gran flexibilidad y por su pequeño tamaño lo cual permite que cadenas polipeptidicas adyacentes establezcan un contacto más estrecho. En contraste, la Prolina es el aminoácido natural más rígido ya que su cadena lateral se cicla y une covalentemente con el nitrógeno del grupo amino de la cadena principal.

La estructura tridimensional y la función de las proteínas son dependientes de la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica. A continuación se discuten algunas propiedades de los aminoácidos que tienen importancia en el contexto de la estructura de las proteínas:

Tamaño

El interior de las proteínas tiene una densidad de empaquetamiento similar a los sólidos orgánicos; esto debido a que las superficies de Van der Waals complementarias se ponen en contacto al plegarse la(s) cadena(s), llenando casi todo el espacio en el interior. Es este empaquetamiento tan estrecho que confiere rigidez a la estructura.
Por lo tanto, si una mutación lleva a reemplazar una cadena lateral pequeña por una grande, la conformación plegada no podrá acomodar este nuevo residuo y su plegamiento será diferente del anterior, sin la mutación. Por otra parte, las cavidades en la estructura son desfavorable, así el reemplazo de una cadena lateral grande por una pequeña también tenderá a desestabilizar el plegamiento, (aunque las cavidades podría ser llenadas por moléculas de solvente, dependiendo de la naturaleza de los grupos intercambiados).

Carga

Asp, Glu (una carga negativa), Lis y Arg (una carga positiva) están ionizados bajo la mayoría de las condiciones fisiológicas; la His está neutra o cargada positiva dependiendo de su ambiente local. Una interacción del tipo específico es la que ocurre entre dos grupos cargados con carga opuesta: esto constituye un puente salino (o par iónico). Típicamente hay un par iónico por cada 30 residuos. Una propiedad menos específica se relaciona con la carga neta de la proteína. Las proteínas son más estables en o cerca de su punto isoeléctrico ( pH al cual la proteína se encuentra con carga neta cero).

Polaridad

Las cadenas laterales cargadas y polares neutras participan en la formación de puentes de hidrógeno tanto unos con otros o con átomos polares de la cadena principal o con moléculas de solvente.

• Serina y Treonina tienen su grupo hidróxilo con hibridización sp3; ellos pueden actuar como un donante en un puente hidrógeno y como aceptor en dos enlaces.
• Tirosina tiene su grupo hidróxilo con una hibridación sp2; el cual puede actuar como un donante en un puente hidrógeno y como un aceptor en otro.
• Asp y Glu cada uno tiene dos oxígenos carboxílicos hibridizados sp2 ; cada enlace CG-OD o CD-OE tiene carácter de semi-doble enlace. Cada oxígeno puede actuar como aceptor en sendos puentes hidrógeno.
• Asn y Gln tienen un grupo carbonilo (enlace C=O), el cual puede actuar como un aceptor en dos puentes de hidrógeno, mientras el nitrógeno amida que presenta una hibridación sp2 puede donar cada uno de sus dos hidrógenos para formar puentes de hidrógeno.
• His tienen dos nitrógenos imidazólicos, cualquiera de ellos o ambos están protonados. Cada uno de estos (ND1 o NE2) pueden actuar como aceptores en un puente de hidrógeno sí está deprotonado, o puede actuar como un donante en un puente de hidrógeno sí está.
• Arg tienen un grupo guanidinio, el cual generalmente está protonado. Este grupo es planar: el átomo de carbono presenta hidridización. Cada uno de los dos grupos -NH2 puede donar dos hidrógenos y el grupo -NH puede donar uno.
• Lis puede donar tres protones en puentes de hidrógeno: el átomo NZ presenta hidridización sp3.
• Trp puede donar un hidrógeno a un puente de hidrógeno. Su átomo de nitrógeno presenta hidridización sp2.

Hidrofobicidad

Las cadenas alifáticas de Ala, Val, Leu y Ile (y Gly) contienen átomos no polares, y por lo tanto interaccionan menos favorablemente con el agua que con otros grupos apolares. Una característica general de las proteínas globulares es que dichos residuos hidrofóbicos se encuentran en el interior de la proteína mientras que los residuos polares se encuentran en la superficie. En este aspecto, el plegamiento de la proteína puede ser comparado con la formación de micelas de lípidos en solución acuosa: la cadena se ordena de forma que los grupos apolares queden internos y los grupos polares expuestos. Sin embargo, debe recordarse que todos los residuos tienen átomos polares ( N y O) de la cadena principal, y estos deben ser internalizados al momento de plegarse la cadena, de modo que de la forma en que ellos satisfacen sus capacidades de formar puentes de hidrógeno dependerá la estabilidad del plegamiento y es la base para plegamientos de orden superior que se revisará más adelante. Por otra parte varias cadenas laterales cargadas o neutras tienen una área superficial apolar significativa.

Pro también es alifática, pero tiene propiedades conformacionales singulares como se discutió anteriormente. No solamente las cadenas alifáticas son hidrofóbicas: aunque la cadena lateral de metionina (que contiene azufre) tiene un momento dipolar, también tiene un carácter apolar. Los enlaces disulfuro, formados por residuos de Cisteína también tienen un área superficial apolar. La cadena lateral de fenilalanina es fuertemente hidrofóbica, aún así su nube de electrones pi delocalizados puede formar interacciones electrostáticas débiles. El triptofano tiene la cadena lateral mas grande y la mayoría de esta tiene una superficie no-polar, a pesar de su átomo de Nitrógeno. Del mismo modo la cadena lateral de Tir, a pesar de su hidróxilo tiene carácter apolar.

A continuación se presenta una tabla con algunas de las propiedades de los aminoácidos naturales.

TABLA : ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS AMINOACIDOS NATURALES