El
estudio de las proteínas ocupa a los
bioquímicos al desear comprender las composiciones, formas tridimensionales y
actividades químicas.
Algunas
funciones biológicas son:
A.
Muchas proteínas actúan como enzimas,
los catalizadores bioquímicos. Las enzimas catalizan casi todas las reacciones
que suceden en los organismos vivos.
B.
Algunas proteínas se unen con otras
moléculas para su almacenamiento y transporte.
C.
Algunas proteínas, como la tubulina,
actina y colágena, proporcionan soporte y forma a las células, y en
consecuencia a los tejidos y los organismos.
D. Los
conjuntos de proteínas pueden efectuar trabajo mecánico, como el movimiento de
flagelos, la separación de cromosomas en la mitosis y la contracción de los
músculos.
E.
Muchas proteínas desempeñan un papel
en la descodificación de la información celular.
F.
Algunas intervienen en la traducción, mientras
que otras juegan un papel en la regulación de la expresión genética al unirse a
los ácidos nucleicos. Algunas proteínas son hormonas que regulan las
actividades bioquímicas en las células o los tejidos blancos; otras proteínas
sirven como receptores de las hormonas.
G. Algunas
proteínas desarrollan funciones muy especializadas. Por ejemplo, los anticuerpos
defienden a los vertebrados contra infecciones bacterianas y víricas, y las
toxinas, que producen algunas bacterias, matan organismos mayores.
Estructura de los aminoácidos
Todos
los organismos emplean los mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para
armar las moléculas de proteína. A estos 20 aminoácidos se les llama
aminoácidos comunes, estándar o normales. Se puede obtener una cantidad enorme
de polipéptidos al unir los 20 aminoácidos comunes. Los aminoácidos se llaman
así porque son derivados aminados de ácidos carboxílicos. En los 20 aminoácidos
comunes, los grupos amino y carboxilo están unidos al mismo átomo de carbono:
el átomo de carbono . Los
estereoisómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero
difieren en el orden o configuración de sus átomos en el espacio. Los dos
estereoisómeros son moléculas distintas que no se pueden interconvertir con
facilidad entre sí ya que un cambio de configuración requiere romper uno o más enlaces.
Los estereoisómeros de aminoácidos no son imágenes especulares (es decir, imágenes
en espejo) superponibles; a dichos estereoisómeros se les llama enantiómeros.
Estructura de los aminoácidos
La
estructura de los 20 aminoácidos se encuentra en proyecciones de Fischer. Se usan las abreviaturas de tres y de
una letra para indicar cada aminoácido.
En
los organismos vivos hay más de 200 aminoácidos diferentes. Además de los
normales, que están incorporados en las proteínas, todas las especies contienen
una diversidad de aminoácidos L que son precursores de los aminoácidos comunes,
o bien son intermediarios en otras rutas bioquímicas. Algunos
aminoácidos comunes sufren modificaciones químicas para producir aminas con
importancia biológica. Se sintetizan con reacciones catalizadas por enzimas, que
incluyen descarboxilación y desaminación.
A. Grupos R alifáticos
La glicina (Gly, G) es el aminoácido más pequeño
porque su grupo R no es más que un átomo de hidrógeno; en consecuencia, el
carbono alfa de la glicina no es quiral.
Hay
cuatro aminoácidos: alanina (Ala, A), valina (Val, V), leucina (Leu, L) y el isómero
estructural de la leucina, isoleucina (Ile, I), que tienen cadenas laterales
alifáticas saturadas.
La
alanina, valina, leucina e isoleucina desempeñan un papel importante en el
establecimiento y mantenimiento de las estructuras tridimensionales de las
proteínas por su tendencia a agruparse lejos del agua. La valina, leucina e
isoleucina se conocen como aminoácidos de cadena ramificada porque sus cadenas
laterales de átomos de carbono contienen ramificaciones. Los tres aminoácidos
son muy hidrofóbicos.
B.Grupos R aromáticos
La fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y el
triptófano (Trp, W) presentan cadenas laterales con grupos aromáticos. En el
caso de la fenilalanina es una cadena hidrofóbica bencílica. La tirosina se
parece estructuralmente a la fenilalanina.
La
cadena lateral del triptófano contiene un grupo indol bicíclico. La tirosina y
el triptófano no son tan hidrofóbicos.
C. Grupos R sulfurados
La
metionina (Met, M) y la cisteína (Cys, C) son los dos aminoácidos azufrados. La
metionina contiene un grupo tioéter metilo, no polar, en su cadena lateral, lo
que la convierte en uno de los aminoácidos más hidrofóbicos. La metionina
desempeña un papel especial en la síntesis de proteínas. La estructura de la
cisteína se parece a la de la alanina, con un átomo de hidrógeno reemplazado
por un grupo sulfhidrilo .
D.
Cadenas
laterales con grupos alcohol
La
serina (Ser, S) y la treonina (Thr, T) tienen cadenas laterales polares sin
carga que contienen grupos beta-hidroxilo. Estos grupos alcohol dan carácter
hidrofílico a las cadenas laterales alifáticas.
E.
Grupos
R básicos
La
histidina (His, H), lisina (Lys, K) y arginina (Arg, R) presentan cadenas
laterales hidrofílicas que son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH
7.
F. Grupos
R ácidos y sus amidas derivadas
El aspartato (Asp, D) y el glutamato (Glu, E) son
aminoácidos dicarboxílicos y tienen cadenas laterales hidrofílicas con carga
negativa a pH 7.
La
asparagina (Asn, N) y la glutamina (Gln, Q) son las amidas del ácido aspártico
y el ácido glutámico, respectivamente.
Otros aminoácidos y derivados de
aminoácido
Algunos
aminoácidos comunes sufren modificaciones químicas para producir aminas con
importancia biológica. Se sintetizan con reacciones catalizadas por enzimas, que
incluyen descarboxilación y desaminación. Los mamíferos pueden sintetizar la
histamina a partir de la histidina. En la médula adrenal, la tirosina se
metaboliza a epinefrina, que también se conoce como adrenalina.
Característica estructural de los
aminoácidos
- · Carbono alfa es un centro quiral.
·
Tienen estructura tetraédrica.
·
Tienen dos enantiometros.
·
Configuración absoluta L o D.
Ionización de los aminoacidos
Las
propiedades físicas de los aminoácidos reciben influencias de los estados
iónicos de los grupos alfa -carboxilo y alfa-amino y de todos los grupos
ionizables que haya en las cadenas laterales. Cada grupo ionizable guarda relación
con un valor específico de pKa, que corresponde al pH al que son iguales las
concentraciones de las formas protonada y no protonada Cuando el pH de la
solución es menor que el pKa, predomina la forma protonada y el aminoácido es
entonces un ácido real, capaz de donar un protón. Cuando el pH de la solución
es mayor que el pKa del grupo ionizable, la forma no protonada de ese grupo
predomina, y el aminoácido existe en forma de base conjugada, que es aceptora
de protones. Cada aminoácido tiene al menos dos valores de pKa que corresponden
a la ionización de los grupos alfa -carboxilo y alfa-amino.
Unión de aminoácidos por enlace
peptídico
El
enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace de amida y se llama
enlace peptídico, o enlace de péptido. Esta unión se puede concebir como el resultado
de una condensación simple del grupo carboxilo alfa de un aminoácido con el grupo amino alfa de otro.
Los
grupos que intervienen en los enlaces peptídicos no tienen cargas iónicas.
Tecnicas de purificación de las
proteínas
La
mayor parte de las técnicas de purificación se lleva a cabo entre 0 y 4°C para
minimizar los procesos dependientes de la temperatura, como la degradación y la
desnaturalización (desdoblado) de la proteína. El primer paso en la
purificación de una proteína es preparar una solución de proteínas. El
siguiente paso de la purificación es, con frecuencia, una relativamente
separación cruda, o fraccionamiento, procedimiento que aprovecha las distintas
solubilidades de las proteínas en soluciones salinas. Se
mezcla suficiente sulfato de amonio con la solución de proteínas para
precipitar a las impurezas menos solubles, que se eliminan por centrifugación.
La
proteína objetivo, y otras más, con mayor solubilidad, permanecen en el líquido
que se llama fracción sobrenadante. A continuación se añade más sulfato de
amonio a la fracción sobrenadante y se precipita la proteína que se desea. La
mezcla se centrifuga, se separa el líquido y el precipitado se disuelve en un
volumen mínimo de solución amortiguadora. En el caso típico, el
fraccionamiento con sulfato de amonio obtiene una purificación del doble al
triple (es decir, de la mitad a dos terceras partes de las proteínas no
deseadas se eliminan de la fracción que resulta, de proteína enriquecida). En
este momento, el solvente que contiene sulfato de amonio residual se intercambia
por diálisis por una solución amortiguadora adecuada para cromatografía. En la
diálisis, se coloca una solución de la proteína en un cilindro de tubo de
celofán sellado en un extremo. A continuación el tubo se sella en el otro
extremo y se suspende dentro de un gran volumen de solución amortiguadora.
Las
técnicas cromatográficas se clasifican de acuerdo con el tipo de matriz. En la cromatografía
de intercambio iónico la matriz tiene cargas positivas (resinas de intercambio de
aniones) o cargas negativas (resinas de intercambio de cationes).
La
cromatografía por filtración en gel separa a las proteínas con base en su
tamaño molecular.
La
cromatografía de afinidad es el tipo de cromatografía en columna más selectivo.
Se
basa en interacciones específicas de unión entre la proteína deseada y alguna otra
molécula enlazada en forma covalente a la matriz de la columna.
Tecnicas analíticas
A.
Electroforesis en gel de
poliacrilamida: las muestras de proteína se colocan en una matriz de gel de
poliacrilamida con muchos enlaces cruzados y se aplica un campo eléctrico.
B.
Espectrometría de masas, como indica
el nombre, es una técnica que determina la masa de una molécula. El tipo más
sencillo de espectrómetro de masas mide el tiempo que tarda una molécula
cargada, en fase gaseosa, para trasladarse desde su punto de inyección hasta un
detector sensible.
C.
Espectrometría de masas por
electroaspersión: la solución de proteína se bombea a través de una aguja
metálica, a alto voltaje, para crear diminutas gotitas. El líquido se evapora
con rapidez en un vacío y las proteínas cargadas se enfocan hacia un detector
mediante un campo magnético.
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