Organització molecular dels éssers vius (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Química - 1º curso
Asignatura Fonaments de Biologia Molecular i Cel·lular
Año del apunte 2014
Páginas 20
Fecha de subida 16/11/2014
Descargas 34
Subido por

Vista previa del texto

ORGANITZACIÓ MOLECULAR DELS ÉSSERS VIUS CONCEPTE GENERAL DE BIOQUÍMICA La bioquímica estudia les reaccions químiques en els éssers vius. Pretén descriure la estructura, organització i funcions de la matèria viva en termes moleculars.
La bioquímica neix em una època en la que es creia que les substàncies existents a la matèria viva eren diferents de les de la matèria inanimada i que no es comportaven segons les lleis de la física ni de la química.
Friedrich Wöhler sintetitza urea al laboratori a partir de compostos inorgànics al 1828. Tot i així, el vitalisme sosté que si bé no els compostos i les reaccions de la matèria viva només es poden donar en cèl·lules vives.
Friedrich Kühne, a l'any 1878, inventa la paraula enzim per emfatitzar que hi ha quelcom que catalitza les reaccions que fan possible processos biològics.
L'any 1897, Edudard Büchner, obre el camí a l'ànalisis dels processos bioquímics in vitro.
Un dels darrers refugis del vitalisme postulava que les estructures dels enzims eren massa complexes per a ser descrites en termes químics. L'any 1926 James Sumner cristal·litza la ureasa i desmostra que està feta de proteïna.
ELEMENTS QUÍMICS A LA MATÈRIA VIVA Només uns 30 elements químics estan presents als èssers vius. L'H, Na, K, Cs, C, N, O, P, S, Cl són els més abundants a tots els organismes vius; mentres l'H, C, N, O constitueixen el 99% dels àtoms presents al cos humà. La química de la vida, doncs, està basada en la química dels elements més lleugers. El C, N, O, H, P i S constitueixen més del 92% del pes sec dels ésser vius ja que són el elements més lleugers capaços de formar enllaços covalents estables. La complexitat estructural de les biomolècules requereix que estiguin formades per elements capaços de formar enllaços estables.
La composició dels éssers vius és molt diferent a la composició de l'escorça terrestre i a la composició de l'Univers.
L'aigua representa el 70% del pes de les cèl·lules, és per aquesta raó que l'O i l'H són els elements més abundants. La majoria de reaccions intracel·lulars tenen lloc en un entorn aquós també. A més a més, totes les estructures i funcions cel·lulars estan adaptades a les propietats físiques i químiques de l'H₂O.
Hi ha altres elements com el Mn o e Mo que són necessaris pels humans.
EL CARBONI PARTICIPA EN MOLTS ENLLAÇOS El fet que sigui el C l'element més abundant s'explica perquè és l'element químicament més versàtil: pot establir enllaços covalents senzills, dobles i triples. La estabilitat de l'enllaç C-C li permet formar cadenes de longitud pràcticament il·limitada, aquestes poden ser lineals, ramificades i cícliques.
GRUPS FUNCIONALS DE LES BIOMOLÈCULES Les molècules formades per esquelets d'àtoms de C poden portar una gran varietat de grups funcionals units, el que els hi confereix a cadascun unes característiques estructurals i de reactivitat pròpies.
JERARQUIA ESTRUCTURAL DE LES BIOMOLÈCULES Després de l'aigua, les biomolècules més abundants són macromolècules. Les macromolècules cel·lulars són polímers formats per la unió covalent de monòmers més petits. Uns 50 compostos diferents són els precursors de la majoria de macromolècules dels éssers vius.
Hi ha un altre grup de biomolècules petites que són específiques per a determinats tipus de cél·lules o organismes.
Els assemblatges supramoleculars són agrupaments organitzats de macromolècules (que són alhora molècules polimèriques).
Els éssers vius estan constituïts de manera jeràrquica. Els organismes multicel·lulars estan formats per òrgans, fets de teixits formats per cèl·lules, a la vegada formades per orgànuls subcel·lulars.
IMPORTÀNCIA BIOLÒGICA DE L'AIGUA • És l'entorn per molts ésser vius • Actua com a dissolvent • Actua com metabòlit • Actua com amortidor de temperatura ESTRUCTURA I PROPIETATS DE L'AIGUA La geometria de l'aigua és aproximadament tetraèdrica, en la que l'àtom d'O estaria al centre del tetràedre i els dos àtoms d'H a 2 extrems. L'angle delimitat pels dos enllaços amb els H és 104,5°.
Donat que l'O és molt més electronegatiu que l'H, els electrons compartits de l'enllaç O-H estan més a la vora de l'O que de l'H, i per tant, l'O té una certa càrrega negativa i els H, positiva. Per tant, l'aigua és una molècula molt polar.
Les atraccions electrostàtiques entre els dipols de dues molècules d'aigua tentn tendència a orientar-les, de forma que l'enllaç O-H d'una molècula d'aigua interacciona amb un dels parells d'electrons no compartits (de l'O) d'una molècula d'aigua veïna. Això resulta en un enllaç intermolecular que es coneix com pont d'hidrogen.
Els dos parells d'electrons no compartits de l'O són acceptors de ponts d'H, mentre els grups -OH són donadors de ponts d'H. Per tant, cada molècula d'aigua és, a la vegada, donadora i receptora de ponts d'H.
ÉS L'ENTORN PER MOLTS ÉSSERS VIUS En l'aigua líquida els ponts d'H es formen i trenquen constantment, creant-se agrupacions transitòries de molècules. En canvi, quan l'aigua es congela, els ponts entre les molècules d'aigua passen a ser més regulars i definits i es crea una xarxa tetraèdrica en la que cada molècula està unida a quatre molècules d'aigua mitjançant ponts d'H. En estat sòlid la densitat de l'aigua és menor que la que té com estat líquid, això permet la vida dels organismes aquàtics.
L'AIGUA ÉS EL DISSOLVENT UNIVERSAL El caràcter polar de l'aigua fa que sigui un dissolvent excel·lent per materials polars i iònics, que s'anomenen hidrofílics. Les substàncies apolars són pràcticament insolubles en aigua, són hidrofòbiques.
L'aigua té una elevada constant dielèctrica.
Per altra part, gasos no-polars com l'O₂ i el N₂ són molt poc solubles en l'aigua, amb el que molts organismes contenen proteïnes transportadores per facilitat el transport d'aquestes molècules.
Les molècules polars no carregades interaccionen per ponts d'H amb molècules d'aigua, de forma que també són solubles.
L'aigua és el medi intracel·lular i extracel·lular, que permet la mobilitat de ions i molècules, gràcies a la seva polaritat i a la seva tendència a formar ponts d'hidrogen. Quan substàncies hidrofòbiques es posen en contacte amb l'aigua, aquesta forma al seu voltant unes estructures denominades clatrats, de forma que és més favorable que dos clatrats s'uneixin formant-ne un més gran, que la presència de dos clatrats individuals separats. Les molècules hidrofòbiques tendeixen a formar agregats. Aquest fenomen es coneix com efecte hidrofòbic i és molt important en el plegament de proteïnes i en l'assemblatge de bicapes lipídiques.
MOLÈCULES AMFIPÀTIQUES Algunes molècules tenen una part polar i una part apolar, essent, per tant, hidrofíliques i hidrofòbiques simultàniament: se les anomena amfipàtiques. Algunes molècules amfipàtiques, adopten l'estructura de micel·la en dissolució aquosa, d'altres, la de bicapa.
Les forces que mantenen unides les regions apolars de les molècules s'anomenen interaccions hidrofòbiques.
ACTUA COM METABÒLIT Es descriu metabolisme com totes les reaccions químiques que tenen lloc dintre de les cèl·lules i metabòlits els compostos que hi intervenen. Tant els substrats com els productes de les reaccions metabòliques depenen de l'aigua per ser transportats disn i fora de les cèl·lules. L'aigua actua com a metabòlit de moltes reaccions.
Quan l'aigua actua com a reactiu i trenca una molècula en d'altres més petites, es parla de reacció d'hidròlisi. Quan l'aigua es forma com a conseqüència de la unió de dues molècules, parlem de condensació.
ACTUA COM AMORTIDOR DE TEMPERATURA A les cèl·lules la major part de reaccions estan catalitzades per enzims, que són sensibles a la temperatura, però donat l'elevat calor específic de l'aigua, la seva temperatura no varia apreciablement.
INTERACCIONS FEBLES NO COVALENTS Les macromolècules es mantenen unides mitjançant enllaços covalents forts, però, tot i així, les estructures de la majoria de macromolècules estan definides per l'elevat nombre d'interaccions no-covalents que es formen entre les diferents parts de la mateixa molècula.
Malgrat que les interaccions no covalent siguin febles, el seu efecte acumulatiu fa que siguin finalment molt importants en determinar l'estructura de les biomolècules: l'estructura més estable de les macromolècules és aquella en la que s'estableixen un nombre màxim d'interaccions febles.
També són importants en la interacció entre macromolècules.
Exemple. En el DNA, tots els àtoms estan molt propers de forma que es formen moltes forces de van der Waals, que són importants en el manteniment de l'estructura final. També es veuen els ponts d'hidrogen que s'estableixen entre les bases nitrogenades a l'interior de la doble hèlix.
PONTS D'HIDROGEN Un pont d'hidrogen és una interacció entre un àtom d'hidrogen unit covalentment a un grup donador i un parell d'electrons lliures d'un grup acceptor.
Es defineix la longitud del pont d'hidrogen com la distància entre els centres dels àtoms donador i acceptor.
Els ponts d'hidrogen son direccionals.
INTERACCIONS IÒNIQUES Són interaccions electrostàtiques entre àtoms amb càrrega oposada. Encara que són molt fortes en absència d'aigua, ho són molt menys en la seva presència.
L'energia implicada en l'atracció electrostàtica entre dos àtoms dependrà de la magnitud de les seves càrregues q₁ i q₂, la distància entre les càrregues (r) i la constant dielèctrica del solvent (D).
Llei de Coulumb: F= k⋅q1⋅q2 D⋅r 2 Un pont salí és una combinació de dues interaccions no-covalents: pont d'hidrogen i interacció iònica.
INTERACCIONS HIDROFÒBIQUES Es donen entre regions apolars. L'absència d'interaccions entre els grups no polars i l'aigua determina la interacció de grups no polars entre ells; aquestes són les anomenades interaccions hidrofòbiques.
INTERACCIONS DE VAN DER WAALS Quan dos àtoms (que no formen enllaç covalent, ni pont d'hidrogen ni estan units per cap interacció iònica) es van apropant, la energia de la interacció és la suma de l'energia d'atracció i la de repulsió. Es defineix el radi de van der Waals de l'àtom R com r v =2⋅R i r v =R1⋅R2 Cada àtom te un radi de van der Waals característic, que mesura la màxima distància a la que permet apropar-se un altre àtom.
BIOMOLÈCULES I pH El pH afecta a l'estructura i activitat de les biomolècules. Així les cèl·lules mantenen un pH citosòlic constant proper a pH 7. En organismes multicel·lulars, el pH dels fluids extracel·lulars també està molt regulat. El pH de la sang es manté molt proper a 7,4. Quan està per sota d'aquest valor la condició s'anomena acidosi i si és superior a 7,4, la condició s'anomena alcalosi.
Aquesta constància de pH s'assoleix mitjançant tampons (solucions amortidores) biològics: barreges d'àcids febles i de les seves bases conjugades.
El punt en el que menys varia el pH en afegir base (es diu “on la capacitat de tamponament és màxima” és aquell en el que el pH=pK, que es dona quan les concentracions d'àcid i base conjugada són iguals. De totes formes, la zona de tamponament s'estén una unitat de pH per damunt i per davall del pK.
L'equació que s'empra per a calcular el pH d'una dissolució que conté una barreja d'àcid i base −1 conjugada és l'equació de Henderson-Hasselbach: [ A] pH = pK a +log( ) [ HA] Per mantenir un pH, per exemple, 7,4 els àcids febles adients haurien de tenir pKs entre 6,5 i 8.
Exemple. El parell àcid acètic/acetat actua com amortidor perquè pot absorbir H⁺ o OH⁻. Imaginem que la [àcid acètic]=[acetat], per tant pH=pK=4,76. Si s'afegeix una mica de OH⁻ aquest reacciona amb l'àcid acètic donant H₂O i Ac⁻: el resultat final és una lleugera disminució de [Hac] i un lleuger augment de la [Ac⁻]. En traslladar les concentracions resultants a l'equació de HendersonHasselbach, es veu que el pH variaria molt poc.
Si s'afegeix una mica d'àcid, reaccionarà amb l'acetat Ac⁻, formant-se Hac amb el que augmentarà la concentració [Hac] i disminurià la [Ac⁻], amb el que la relació [Ac⁻]/[HAc] serà una mica més petita que 1, però el seu log serà un valor negatiu molt petit, amb el que pH només baixarà una mica.
TAMPÓ SANGUINI HCO₃⁻/CO₂ El pH es manté a 7,4 perquè la [HCO₃⁻]>[CO₂] i a part també és molt important el fet que sigui un sistema tampó obert: quan, per exemple, hi ha un procés metabòlic que genera H⁺, aquests reaccionarien amb HCO₃⁻ donant CO₂. En ser obert, el que succeeix és que augmenta la freqüència respiratòria i per tant augmenta l'expulsió de CO₂ pels pulmons, mantenint constant la [CO₂].
El centre respiratori regula la freqüència i profunditat de la respiració: quan augmenta la [CO₂] augmenta la freqüència respiratòria, amb el que la [CO₂] torna als seus nivells usuals. La [HCO₃⁻] també està regulada.
Es dóna acidosi respiratòria quan el pH de la sang disminueix com a resultat d'una resporació restringida.
Es dóna una acidosi metabòlica quan la disminució de pH de la sang resulta d'una acumulació de substàncies àcides alliberades a la sang. En aquestes condicions la resposta seria un augment de la freqüència respiratòria per a disminuir la [CO₂] dissolta en sang.
Parlem d'alcalosi respiratòria quan augmenta el pH de la sang com a conseqüència d'una respiració excessiva. La hiper-ventilació fa que disminueixi molt la [CO₂] dissolta, amb el que el pH augmentaria. La resposta fisiològica podria ser un desmai, que disminuiria la freqüència respiratòria, permetent que els nivells de [CO₂] augmentessin fins al seu nivell normal.
Els canvis en [CO₂] dissolt s'efectuen en segons, mitjançant la respiració. Els canvis en [HCO₃⁻] són més lents essent els ronyons els òrgans encarregats d'eliminar l'excés de HCO₃⁻.
PROTEÏNES: ESTRUCTURA PRIMÀRIA I FUNCIONS BIOLÒGIQUES Les proteïnes són les biomolècules més abundants de les cèl·lules, constituint, aproximadament, el 15% del seu pes total. Des d'un punt de vista químic, les proteïnes son les molècules estructuralment més complexes i funcionalment més sofisticades que es coneixen.
La funció d'una proteïna depèn de la seva estructura primària. Les proteïnes executen moltes funcions de les cèl·lules: • RECONEIXEMENT ESPECÍFIC D'ALTRES MOLÈCULES Les molècules que uneixen les proteïnes (que anomenem lligands) poden ser petites, com l'oxigen o grans, com la proteïna d'unió a seqüències específiques de DNA.
• REACCIONS DE CATÀLISI Quasi totes les reaccions químiques que tenen lloc en els ésser vius estan catalitzades per enzims i la majoria d'enzims són proteïnes. La eficiència catalítica dels enzims és enorme.
• ACTUEN COM INTERRUPTORS MOLECULARS Les proteïnes són molècules flexibles que poden canviar de conformació en resposta a la unió de lligands. Aquests canvis de conformació poden ser emprats per la cèl·lula com “interruptors moleculars”, que servirien per a controlar processos cel·lulars.
• FUNCIONS ESTRUCTURALS Alguns dels elements estructurals dels ésser vius estan formats per proteïnes. Per exemple, el col·lagen, que és la proteïna més abundant als vertebrats, dóna consistència estructural al teixit conjuntiu (ossos, tendons, lligaments, etc.).
• ACTUEN COM MOTORS MOLECULARS Altres actuen com motors moleculars movent orgànuls intracel·lulars dintre del citoplasma o separant els cromosomes durant la divisió cel·lular o realitzant la contracció muscular.
Un múscul esquelètic està format per la agrupació de fibres musculars, essent cada fibra muscular una cèl·lula multinuclear que conté aproximadament 1000 miofibril·les, consistint cadascuna d'un conjunt de filaments gruixuts i prims units a altres proteïnes.
La extraordinària versalitat de les proteïnes deriva: • de la diversitat de seqüències i diversitat química de les cadenes laterals dels aminoàcids que les formen • del gran nombre de formes en que les cadenes polipeptídiques es poden plegar.
Teòricament hi ha un nombre enorme de proteïnes diferents: donat que hi ha 20 possibilitats diferents per cada residu d'aminoàcid en una cadena polipeptídica, per a una proteïna de n residus, hi ha 20ⁿ seqüències possibles.
Les proteïnes més freqüents tenen una longitud entre 100 i 1000 residus d'aminoàcids.
Anomenem pèptids a les seqüències de menys de 40 residus..
Una de les proteïnes més gran és la titina.
CLASSIFICACIÓ DE PROTEÏNES Segons la seva estructura 3D es classifiquen en: • Proteïnes fibroses. Son de forma allargada i solen tenir funcions estructurals. Mentre que algunes son intracel·lulars, com la queratina, altres son extracel·lulars, com el col·lagen.
• Proteïnes globulars. Tenen una forma compacta, de vegades quasi esfèrica, però amb una superfície irregular. La majoria d'enzims son proteïnes globulars.
ESTRUCTURA QUÍMICA, PROPIETATS I CLASSIFICACIÓ DELS AMINOÀCIDS Els aminoàcids són les unitats monomèriques que constitueixen les proteïnes. Els 20 aminoàcids trobats usualment a les proteïnes s'anomenen α-amino àcids, perquè tenen un grup amino i un grup carboxil units al mateix àtom de C (que s'anomena carboni α) CLASSIFICACIÓ D'AMINOÀCIDS Els aminoàcids poden classificar-se per les propietats químiques de les seves cadenes laterals (grups R) • GRUP R APOLAR ALIFÀTIC Glycine, Alanine, Proline, Valine, Leucine, Isoleucine i Methionine.
• GRUP R AROMÀTIC Les cadenes laterals d'aquests aminoàcids tenen un anell aromàtic.
Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophan.
Aquestes cadenes fan que els tres aminoàcids absorbeixin a la zona de 280nm. Les proteïnes poden ser detectades mitjançant la seva absorbància a 280nm.
• GRUP R POLAR SENSE CÀRREGA Les cadenes laterals d'aquests aminoàcids són més hidrofíliques que les dels apolars, perquè contenen grups funcionals que poden formar ponts d'hidrogen amb l'aigua.
Serine, Threonine, Cysteine, Asparagine, Gutamine.
Les cadenes laterals de dos aminoàcids Cys poden reaccionar i formar la cistina, en la que dues cisteïnes estan unides covalentment per un pont disulfur. Aquests ponts disulfur són importants en les estructures d'algunes proteïnes, ja sigui formant unions covalents entre diferents parts d'una mateixa cadena polipeptídica o bé, entre dues cadenes polipeptídiques diferents.
• GRUP R CARREGAT POSITIVAMENT Les cadenes laterals d'aquests aminoàcids tenen càrrega positiva a pH 7.
Lysine, Arginine, Histidine • GRUP R CARREGAT NEGATIVAMENT Aspartate, Glutamate.
A part dels 20 aminoàcids que hem comentat fins ara, n'hi ha 2 més que també son incorporats a les proteïnes durant la seva síntesi als ribosomes, encara que la seva presència està restringida a molt poques proteïnes. Són la Selenocysteine i la L-Pirrolisina.
AMINOÀCIDS NO ESTÀNDARD Aquests aminoàcids inusuals presents a les proteïnes es formen per modificació d'aminoàcids estàndard pre-existents: • 4-hidroxiprolina (paret cel·lular plantes i col·lagen) • 5-hidroxilisina (en col·lagen, proteïna del teixit conjuntiu) • 6-N-metil-lisina (en miosina, proteïna del múscul) • Ornitina i citrulina (intermediaris del cicle de la urea) PROPIETATS DELS AMINOÀCIDS La forma predominant de l'aminoàcid en dissolució dependrà del pH de la dissolució i de quin sigui l'aminoàcid. De totes formes, a pH fisiològic, els grups amino i carboxil estaran carregats, forma que es coneix com zwitterió.
Es pot deduir la càrrega de l'aminoàcid en funció del pH. El punt isoelèctric (pI) és aquell pH en el que la càrrega neta global de l'aminoàcid és 0. A pH>pI la càrrega neta és negativa; a pH<pI la càrrega és positiva. pI = pK 1 + pK 2 2 La corba de titració de la Glicina és molt semblant a la de tots els α-aminoàcids amb cadenes R sense grups ionitzables. Aquesta corba té 2 fases que corresponen a les desprotonacions dels 2 grups ionitzables. Hi ha 2 regions de tamponament que corresponen als pKs dels grups ionitzables.
El pI de la Glicina és de 5,97. El de la Histidina és 7,59. I el del Glutamat 3,22.
ACTIVITAT ÒPTICA Tots els aminoàcids, excepte la Gly, tenen activitat òptica: és a dir, que giren el pla de la llum polaritzada.
Una mesura quantitativa de l'activitat òptica d'una molècula és la rotació específica, [α]²⁵D: rotació observada ( graus) [α ] 25= D pas òptic( dm)⋅concentració( gr / L) Atenent-nos en aquestes determinacions experimentals, les molècules es defineixen com dextrorotatòries (prefix (+)) o levorotatòries (prefix (-)).
L'activitat òptica és una propietat característica de molècules quirals: una molècula quiral és aquella que no és superposable a la seva imatge especular (dues molècules es consideren superposables. Si es poden posar una damunt de l'altra de manera que totes les seves parts coincideixen). En general la quiralitat de una molècula pot ser deguda a la presència d'un centre quiral, un eix quiral o un pla quiral. El centre quiral més freqüent és el carboni asimètric: un carboni amb 4 substituents diferents. Per tant, una molècula amb un carboni asimètric té un centre quiral i, per tant la molècula no és superposable a la seva imatge especular: pot existir en dues configuracions diferents. Aquestes dues configuracions no superposables que poden tenir les molècules amb un carboni asimètric s'anomenen enantiòmers o isòmers òptics.
CONSTITUCIÓ, CONFIGURACIÓ I CONFORMACIÓ Constitució. Naturalesa i seqüència dels enllaços entre àtoms.
Configuració. La configuració d'una molècula de constitució definida es pot definir com la disposició dels seus àtoms al espai.
Conformació. Les conformacions d'una molècula de configuració definida són les diferents disposicions relatives dels seus àtoms al espai, interpretables per gir al voltant d'un o més enllaços senzills.
Hi ha dues convencions per assignar les configuracions de les molècules amb C asimètrics: convenció de Fischer (nomenclatura D, L) i convenció de Cahn-Ingold-Prelog (sistema R, S).
Es va suposar que l'enantiòmer que girava el pla de la llum polaritzada a l'esquerra tindria la configuració de la L-gliceraldehid. A l'any 1951 es va confirmar.
Els compostos quirals amb una configuració relacionada amb la del L-gliceraldehid, son designats L, mentre que els relacionats amb el D-gliceraldehid, s'anomenen D.
Tots els α-aminoàcids derivats de les proteïnes tenen la configuració L.
S'utilitzen les fórmules de projecció de Fischer per a dibuixar al paper informació sobre la disposició dels àtoms de la molècula a l'espai. Per a dibuixar una projecció de Fischer s'orienta la molècula de forma que el C tetraèdric estigui en el pla del paper. Els àtoms o grups que quedin per sota del pla del paper, es dibuixen en ser projectats en una línia vertical que passi pel centre, a dalt i a baix del carboni. Els que quedin per damunt del paper, es projecten en una línia horitzontal, a dreta i esquerra del carboni.
Per tant, per la convenció de Fischer, L i D es refereixen a la configuració absoluta de la molècula a la disposició a l'espai dels quatre substituents al voltant d'un centre quiral, no a les propietats òptiques de la molècula.
No es pot predir a partir de la configuració d'un enantiòmer cap on ni en quants graus girarà el pla de polarització de la llum polaritzada.
SISTEMA RS Hi ha un altre sistema per a especificar la configuració absoluta dels C-asimètrics, és el sistema RS.
A cada grup unit al C quiral se li assigna una prioritat, segons el seu numero atòmic (com més alt sigui, més prioritat). S'orienta la molècula de forma que el grup amb menys prioritat estigui lluny de l'observador. Si la prioritat dels altres 3 grups disminueix girant en el sentit de les agulles del rellotge, la seva configuració és R; si es en sentit contrari, S.
En el cas dels α-aminoàcids la configuració L correspon quasi sempre a la configuració S. En el cas de la Cys, però, la configuració L correspon a la R.
Hi ha α-aminoàcids amb dos centre quirals, com per exemple L-lle i L-Thr. En aquests casos si volem especificar la configuració dels dos C asimètric, empraríem la notació RS.
Les proteïnes naturals només contenen L-aminoàcids, encara que a la Natura també pode, trobar D-aminoàcids en alguns pèptids petits i també es troben polpèptids amb alguns aminoàcids D, generats post-traduccionalment per inversió enzimàtica de L-aminoàcids.
Al laboratori s'han fet proteïnes senceres fetes només amb D-aminoàcids i les propietats que tenen no són especialment diferents.
Alguns aminoàcids i alguns compostos derivats d'ells realitzen altres funcions, apart d'estar presents en proteïnes.
PÈPTIDS I ENLLAÇ PEPTÍDIC Els pèptids són polímers lineals d'aminoàcids que s'uneixen formant un enllaç covalent entre el grup amino d'un aminoàcid i el grup carboxil d'un altre, resultant en un enllaç peptídic.
L'enllaç peptídic és un enllaç amida i en la seva formació es perd una molècula d'aigua (reacció de condensació).
Termodinàmicament la reacció més favorable seria la hidròlisi del pèptid.
CARACTERÍSTIQUES DE L'ENLLAÇ PEPTÍDIC L'enllaç peptídic és pla i rígid, tenint per tant característiques de doble enllaç. Això pot explicar-se per l'existència de formes ressonants (conseqüència de la deslocalització d'electrons en varis àtoms) La longitud de l'enllaç C-N d'un enllaç peptídic és 1,32 Å, entremig dels 1,49 Å d'un enllaç senzill CN i dels 1,27 Å d'un enllaç doble C=N.
L'enllaç peptídic entre els aminoàcids de les proteïnes quasi sempre té la configuració trans (l'H i l'O estàn a diferents costats del doble enllaç).
A part del seu caràcter parcial de doble enllaç, l'enllaç peptídic té una altre propietat: es comporta com un dipol, fent que cada enllaç peptídic tingui un moment dipolar. Aquesta polaritat pot fer contribucions significatives al comportament de les proteïnes plegades.
Una sèrie d'aminoàcids units per enllaços peptídics formen una cadena polpeptídica, on cada aminoàcid és un residu. Una cadena polpeptídica té polaritat: hi ha un grup α-amino a un extrem i un grup α-carboxil a l'altre. Per convenció la seqüència d'aminoàcids dels pèptids i proteïnes, s'escriu començant pel residu N-terminal.
La majoria de pèptids naturals tenen entre 50 i 1000 aminoàcids i es coneixen com proteïnes.
Quan són molt curts, es coneixen com oligopèptids o simplement pèptids.
PROPIETATS ÀCID-BASE DELS PEPTÍDS Les propietats àcid-base dels pèptids depenen dels seus grups amino i carboxil terminals i de la presència de grups ionitzables a les cadenes laterals.
Cada pèptid té un pI que depèn de la seva composició en aminoàcids. A pH>pI, la càrrega del peptíd serà negativa i quan el pH<pI serà positiva.
ALGUNS PÈPTIDS RELLEVANTS Aspartame. És un edulcorant, 200 vegades més dolç que el sucre.
Vasopresina. Pèptid de 9 aminoàcids que s'allibera a la sang i regula la retenció d'aigua.
Oxitocina. Pèptid de 9 aminoàcids que estimula la contracció de l'úter durant el part.
Glucagon. Pèptid de 29 aminoàcids que regula processos metabòlics.
Insulina. Dues cadenes de 30 i 21 aminoàcids unides per ponts disulfur.
Α-amanitina. Pèptid cíclic de 8 aminoàcids del bolet.
Ciclosporina. És un pèptid cíclic format per 11 aminoàcids, un dels quals té la configuració D.
S'emprà per evitar les reaccions de rebuig que tenen lloc desprès dels transplantaments.
ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LES PROTEÏNES NIVELLS D'ESTRUCTURACIÓ DE LES PROTEÏNES • Estructura primària. Es refereix a l'estructura covalent de la proteïna, això vol dir la seqüència d'aminoàcids, però també detallant els ponts disulfur, modificacions per fosforilació, etc.
• Estructura secundària. Es refereix a l'ordenament a l'espai de regions locals de la proteïna, emfatitzant la conformació de la cadena principal.
• Estructura terciària. Es refereix a l'ordenament a l'espai de tots els àtoms de tots els aminoàcids de la proteïna, és a dir, la estructura 3D completa de la proteïna.
• Estructura quartenària. La presten les proteïnes que tenen més d'una cadena polipeptídica. Es refereix a l'ordenament a l'espai de les subunitats i a la naturalesa dels seus contactes mutus.
Hi ha dues unitats d'organització que son importants per a entendre la estructura i funció de les proteïnes: • Motiu estructural. Combinació simple d'uns quants elements d'estructura secundària amb un disposició geomètrica específica.
• Domini estructural. Part de la proteïna que pot adoptar una estructura 3D estable per ella mateixa.
CADENA PRINCIPAL D'UNA PROTEÏNA Una cadena polipeptídica consisteix en un polímer lineal d'aminoàcids, connectats per enllaços peptídics. Les cadenes polipeptídiques estàn formades per una part que es repeteix de forma regular, l'anomenada cadena principal i una part variable que comprèn les cadenes laterals.
Donat el caràcter parcial de doble enllaç de l'enllaç C-N, aquest no pot girar lliurament, però en canvi si que estan permeses les rotacions al voltant dels enllaços N-Cα I Cα-C. Les rotacions al voltant d'aquests enllaços es descriuen com angles dièdrics. S'anomena phi (Φ) l'angle de torsió al voltant de l'enllaç N-Cα i psi (Ψ) a l'angle de torsió al voltant de l'enllaç Cα-C. L'àngle dièdric està definit per quatre àtoms: C', N, Cα i C'. L'angle dièdric al voltant de l'enllaç C-N no permet rotació al seu voltant: normalment és proper a 180° (trans), però de vegades ho pot ser a 0°(cis).
Per tant, cada aminoàcid està associat amb dos angles Φ i Ψ. La conformació de tota la cadena principal de la proteïna està completament determinada quan es donen els angles Φ i Ψ per cada aminoàcid.
La majoria de combinacions d'angles produiran col·lisions entre àtoms de diferents unitats o entre cada unitat i la cadena lateral unida al Cα. Aquestes col·lisions s'anomenen impediments estèrics.
Encara que en principi els valors de Φ i Ψ poden anar de -180° a + 180°, moltes combinacions no estan permeses per impediment estèric (dos àtoms no poden estar al mateix lloc al mateix temps).
ESTRUCTURA SECUNDÀRIA. DESCRIPCIÓ DE LA HÈLIX α I DE LA FULLA β A l'any 1951, Pauling i Corey varen proposar dues estructures: la hèlix α i la conformació β. Encara que la hèlix α i la conformació β siguin dos tipus d'estructura secundària molt diferents, ambdues resulten de la formació de ponts d'H entre els grups C=O i H-N de la cadena principal de la proteïna.
HÈLIX α En aquesta estructura la cadena principal està enroscada al voltant d'un eix imaginari que passa pel seu interior, estant els grups R projectats cap a fora de la hèlix.
PARÀMETRES QUE DEFINEIXEN UNA HÈLIX: • Repetició de la hèlix (c). És la distància paral·lela a l'eix en que l'estructura es repeteix exactament. (Hèlix α: 18 residus) • Pas de rosca (P). És la distància paral·lela a l'eix en la que la hèlix dona una volta completa.
(Hèlix α: 5,4 Å) • Elevació (h). És la distància paral·lela a l'eix que va des de el nivell d'un residu fins al següent. (Hèlix α: 1,5 Å) • Radi (r) (Hèlix α: 2,3 Å) • Sentit de gir (Hèlix α: cap a la dreta) • El nombre de residus N per volta completa d'hèlix és N=P/h. (Hèlix α: 5,4/1,5=3,6) El sentit de gir d'una hèlix és cap a la dreta. El sentit de gir és una propietat intrínseca de la hèlix, no del punt de vista des del que se la observa.
FACTORS QUE AFECTEN LA ESTABILITAT DE L'HÈLIX α • Està estabilitzada per la formació de ponts d'H entre els C=O i H-N de la cadena principal, el grup carbonil (C=O) de cada aminoàcid forma un pont d'H amb el H-N de l'aminoàcid situat 4 posicions més endavant de la seqüència. Tots els C=O i el N-H dels enllaços peptídics dels aminoàcids dintre de la hèlix participen en la formació de ponts d'hidrogen, exceptuant el N-H d'un extrem de la hèlix i el C=O de l'altre.
• Interaccions de van der Waals òptimes entre els àtoms que queden al nucli de la hèlix α. La proximitat entre els àtoms afavoreix les interaccions de van der Waals (D).
• La posició d'un aminoàcid respecte als seus veïns és també important. En una hèlix α, les interaccions més fortes entre les cadenes laterals es donen entre aquelles cadenes separades per 3 (i també per 4) ass. en la seqüència lineal. Si aquests residus son de caràcter diferent interaccionaran favorablement. Si pel contrari una seqüència proteica té, ja sigui molts aminoàcids àcids, o bàsics, o amb cadenes laterals voluminoses, seguits, aquest segment no formarà una hèlix α.
• La Pro i la Gly estan desafavorides a les hèlixs α • La identitat dels aas. presents als extrems (amino i carboxil) de la hèlix α. Aminoàcids carregats negativament situats a l'extrem amino estabilitzen la hèlix, i aminoàcids carregats positivament situats a l'extrem carboxil estabilitzen la hèlix.
La hèlix α és un element d'estructura secundària present a les proteïnes fibroses i a les globulars.
En proteïnes globulars les hèlixs α solen tenir uns 12 residus encara que se n'han vist de 140 residus.
Encara que, en principi, els L-aminoàcids podrien formar hèlixs α cap a l'esquerra o cap a la dreta, les dextrogires estan més afavorides. Essencialment, no s'han observat hèlixs α levògires a les proteïnes.
Altres estructures helicoïdals observades en les proteïnes, apart de la hèlix α, són la hèlix 3₁₀ i la hèlix π POLARITAT DE L'ENLLAÇ PEPTÍDIC I DE LA HÈLIX α La presència d'aminoàcids amb cadenes laterals negatives a l'extrem amino i positives al carboxil està afavorida perquè neutralitzaria al dipol.
Si la hèlix està recta, l'extrem amino de la hèlix tindrà bastant càrrega positiva i el carboxil, negativa. Per tant, la hèlix α té polaritat.
CONFORMACIÓ β Formada per la interacció per ponts d'H entre vàries regions de la cadena principal. Mentre que en la hèlix α aquestes regions estan pròximes en la seqüència de la proteïna, en la fulla β, aquestes regions poden estar molt allunyades en la seqüència de la proteïna.
És una cadena principal estesa, formant zig-zag, estan els Cα dels aminoàcids adjacents a 3,5 Å de distància.
En la fulla β antiparal·lela, els trossos de cadena principal que hi intervenen tenen orientacions oposades: un va en sentit extrem amino a extrem carboxil i l'adjacent a l'inrevés. En la fulla β paral·lela estan en la mateixa orientació.
De vegades poden presentar-se havent-hi trossos de fulles paral·leles i altres antiparal·leles.
En les fulles β es formen el màxim nombre possible de ponts d'H en la cadena principal. En les cadenes externes es poden formar ponts d'hidrogen amb l'aigua o amb cadenes polar adjacents.
Per a formar una fulla β es requereixen un mínim de dues cadenes en aquesta conformació, encara que lo més típic és que n'hi hagin 4 o 5. En les fulles β, les cadenes polipeptídiques estan quasi completament estes i les cadenes laterals adjacents estan dirigides cap a costats oposats de la fulla, el que permet l'existència de fulles β amfipàtiques.
De vegades les fulles β es corben i formen estructures en “barril”, en el que les dues cadenes externes s'uneixen entre elles, tancant l'estructura.
...