Tema 3. ESTRUCTURA, CLASSIFICACIÓ I PROPIETATS DELS AMINOÀCIDS (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Estructura i funció de biomolècules
Año del apunte 2016
Páginas 14
Fecha de subida 17/03/2016
Descargas 5
Subido por

Vista previa del texto

Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules TEMA 3: ESTRUCTURA, CLASSIFICACIÓ I PROPIETATS DELS AMINOÀCIDS    Tipus de proteïnes i les seves funcions Estructura química, propietats i classificació dels aminoàcids Pèptids i enllaç peptídic TIPUS DE PROTEINES I FUNCIONS - - 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 són les molècules estructuralment més complexes i funcionalment més sofisticades que es coneixen, ja que són les encarregades de fer moltes coses. Entre les proteïnes i el DNA, les proteïnes fan moltíssimes més funcions diferents. El DNA només fa de magatzem.
Les proteïnes executen quasi totes les funcions de les cèl·lules: Proteïnes: Responsables del funcionament biològic. Classificació en funció del que fan: - - Catàlisi: DNA polimerasa (replicació de l’ADN). Que sigui enzims, que accelerin una reacció.
Transport: Hemoglobina (transport O2 a la sang). L’oxigen necessita un transportador que el porti des d’on s’absorbeix fins on es requereix.
Estructural: Col·lagen (teixit connectiu); queratina (cabells, ungles, banyes, plomes) Motors moleculars: Miosina (teixit muscular), actina (teixit muscular, mobilitat cel·lular) Regulació: Insulina (entrada de glucosa de la sang) Com que fan treballs de moltes classes, en funció de la tipologia de la funció requerirà una estructura o una altre. Per tant, una altre manera de classificar-les serà en funció de la seva estructura tridimensional. (minut 33:47 dia 17) Segons la seva estructura 3-D es classifiquen en: - Proteïnes fibroses: Són de forma allargada i solen tenir funcions estructurals. Mentre que algunes són intracel·lulars, com la queratina, altres són 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 són proteïnes globulars.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Estructura química, propietats i classificació dels aminoàcids Les proteïnes són heteropolímers d’α-aminoàcids.
Els aminoàcids tenen un seguit de propietats que els permeten poder dur a terme una gran varietat de funcions biològiques: - Capacitat de polimeritzar Propietats àcid-base Varietat de propietats físiques Varietat de grups químics funcionals El grup amí i el grup carboxil es troben units al mateix àtom de C (Que s’anomena Cα) A pH fisiològic el grup carboxil està desprotonat i el grup amí està protonat. A pH 7 el grup amí està carregat positivament i el grup carboxil negativament, per tant el sumatori és 0.
Si a pH 7 tenim l’amí protonat i el carboxil desprotonat, quin pKa és més gran o més petit el de l’amí o el del carboxil? El pKa de l’amí serà més gran que 7, ja que no fa funció d’àcid, és una base. I tenen un grup carboxil que a pH fisiològic fa d’àcid, el pKa del carboxil serà inferior a 7.
Els aminoàcids tots tenen com a mínim un grup que funciona com a base i un grup que funciona com a àcid. Independentment que després el radical R pugui aportar més grups.
Els aminoàcids els podem anomenar de diferents maneres en funció de si utilitzem: - Convenció orgànica: comença per un extrem Convenció bioquímica: comença pel Carboni α i va baixant al llarg de la cadena lateral.
Exemple: Lisina α – aminoàcids a les proteïnes:     El Carboni α sempre té 4 substituents i és tetraèdric Tots (excepte la glicina) són quirals Tots (excepte la prolina) tenen un grup carboxil acídic i un grup amí bàsic Cada aminoàcid té un quart substituent únic R CLASSIFICACIÓ DELS AMINOÀCIDS Els aminoàcids comuns es poden classificar en cinc grups en funció de les seves cadenes laterals (grups R): - Apolars, alifàtics (7) - Aromàtics (3) - Polars, sense càrrega (5) - Carregats positivament (a pH fisiològic), (bàsics) (3) - Carregats negativament (a pH fisiològic) (2) Anna Jiménez Pouget - Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Apolars, alifàtics (7) No podrà formar ponts d’hidrogen amb el solvent, no podrà fer jocs amb l’aigua. Quan una proteïna té alguns aminoàcids hidrofòbics exposats al solvent tendiran a fugir del solvent, i en les proteïnes en les que formin part, aquests aminoàcids tindran unes conseqüències perquè estiguin allà.
 Glicina (Gly, G)  únic aminoàcid amb un carboni α que no és quiral. No donarà lloc a estereoisomeria. La seva cadena lateral no té cap tipus de joc, no és un aminoàcid hidrofòbic, bàsicament és un esquelet hidrofòbic.
 Alanina (Ala, A)  només té com a substituent un metil, però ja és apolar.
 Prolina (Pro, P)  té una cadena lateral d’estructura cíclica per la que el Cα està unit al grup amí. Això ofereix una rigidesa en els llocs de les proteïnes que tinguin Prolina. És hidrofòbica, i a més a més, l’anell el fa amb la seva part nuclear de l’estructura de l’aminoàcid. Els AA hidrofòbics acostumen a agrupar-se a l’interior.
 Valina (Val, V)  introdueix una ramificació amb dos metils més (allarguem la cadena però no aportem solubilitat)  Leucina (Leu, L)  encara més metils  Isoleucina (Ile, I)  encara més metils, sense aportar cap grup polar. Com més llarga és la cadena hidrocarbonada més hidrofòbic és. Com més metils, més hidrofòbic és.
 Metionina (Met, M)  a més de metils té un sofre en la seva cadena lateral.
Anna Jiménez Pouget - Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Aromàtics  Fenilalanina (Phe, F)  Tirosina (Tyr, Y)  tot i ser hidrofòbica, al tenir un OH en el benzè és una mica polar, l’hidroxil pot formar ponts d’hidrogen amb el solvent.
 Triptòfan (Trp, W) Si tinc un volum gros en la cadena lateral serà més difícil fer determinats plegaments. Tots els anells són força hidrofòbics. Els anells tendiran a establir grups.
El fet de tenir un anell, ple de dobles enllaços, tenen molta ressonància, moltes estructures ressonants, els dobles enllaços s’estan movent constantment en l’anell, això permet la capacitat d’absorbir llum, sempre i quan hi hagi algun dels tres. El triptòfan és el que més llum absorbeix perquè té dos residus aromàtics, més dobles enllaços. De tot l’espectre de la llum, on tenen la capacitat màxima per absorbir llum és al voltant dels 280nm, correspon a la llum ultraviolada.
- Polar, grups R sense càrrega  Serina (Ser, S)  Treonina (Thr, T) 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. Els trobarem barrejats pel solvent. No estan carregats però tenen grups que poden ser donadors o acceptors de ponts d’hidrogen amb el solut.
 Cisteïna (Cys, C)  té un grup tiol SH, que en la forma oxidada pot formar un enllaç covalent amb una altre cisteïna, necessiten que les dues estiguin suficientment properes a l’espai. Formarà ponts disulfur tant inter com intracatenari, entre una mateixa cadena o diferents cadenes.
 Asparagina (Asn, N)  Glutamina (Gln, Q) Anna Jiménez Pouget - Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Carregats positivament Seran grups bàsics. Carregats (+) a pH neutre tendeixen a localitzar-se a la superfície, si es troben al centre de la proteïna la seva càrrega ha de ser neutralitzada.
 Lisina (Lys, K)  el pKa esta al voltant de 12, sempre estarà amb càrrega positiva.
 Arginina (Arg, R)  el pKa esta al voltant de 12, sempre estarà amb càrrega positiva.
 Histidina (His, H)  el seu pKa esta al voltant de 6.1, depenent del pH pot tenir carrega o no.
- Carregats negativament Carregats (-) a pH neutre; tendeixen a localitzar-se a la superfície; si es troben al “core” de la proteïna la seva càrrega ha de ser neutralitzada.
 Aspartat (Asp, D)  Glutamat (Glu, E) Les taules ens donen informació del pKa del grup carboxil, de l’amí de la cadena lateral.
Ens diu el punt isoelèctric: pH en el qual una molècula té carrega neta 0. I l’índex d’hidropaticitat o hidrofobicitat, índex petits volen dir que no són hidrofòbics.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Aminoàcids poc comuns Present en un nombre molt restringit d’enzims, tant de procariotes, com d’archae i d’eucariotes.
 Selenocisteïna  L-Pirrolisina  trobat en un enzim d’un microbi metanogènic (que pot fabricar metà).
IONITZACIÓ DELS AMINOÀCIDS: COMPORTAMENT ÀCID-BASE - A pH àcid, el grup carboxil està protonat i l’aminoàcid està en la seva forma catiònica.
A pH neutre, el grup carboxil està desprotonat però el grup amí està protonat. La càrrega neta és zero; aquests ions s’anomenen Zwitterions A pH bàsic, el grup amí és neutre –NH2 i l’aminoàcid està en forma aniònica.
Els aminoàcids tenen corbes de titulació característiques En els aminoàcids trobem dues corbes perquè tenen dos punts ionitzables. Un a pH àcid, del grup carboxil i un de bàsic del grup amí.
Si l’aminoàcid no té cap grup lateral que aporti càrrega, cap grup ionitzable. El punt isoelèctric el puc calcular fent la mitjana del pKa àcid i el pKa bàsic.
- El punt isoelèctric (pI) és el pH al què la càrrega elèctrica neta és 0. A l’exemple el pI = (pK 1 + pK2)/2 - Els aminoàcids poden actuar com a amortidors, al menys, en dos rangs de pH Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Els aminoàcids amb grups R ionitzables tenen corbes de titulació més complexes (Tyr, Cys, Lys, Arg, His, Asp, Glu) Si tenen un grup ionitzable extra, he de mirar de saltar-me el pH d’un dels àcids, però no dels dos. El punt isoelèctric serà la mitjana dels dos pKa dels grups àcids. Ens quedarem per damunt d’un dels pKa i per sota de l’altre. Si té un amí extra en la cadena lateral, buscarem un punt on un amí estigui protonat i l’altre ja hagi donat el seu protó, i això ho aconseguirem fent la mitjana dels dos grups bàsics.
pI = (pK1 + pKR)/2 ESTEREOQUÍMICA (CONFIGURACIÓ) DELS AMINOÀCIDS Activitat òptica Tots els aminoàcids, excepte la Gly, tenen activitat òptica: és a dir que giren el pla de la llum polaritzada. És una propietat característica de les molècules quirals.
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 (2 enantiòmers o isòmers òptics). Excepte la Glicina.
Els aminoàcids poden desviar el pla de la llum polaritzada excepte la glicina.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules CONSTITUCIÓ, CONFIGURACIÓ I CONFORMACIÓ Constitució: Naturalesa i seqüència dels enllaços entre àtoms. No ens dóna informació de com es disposen a l’espai.
Ex. Les molècules CH3-O-CH3 i CH3-CH2OH tenen una constitució diferent. (esta malament l’exemple?) Configuració: La configuració d’una molècula de constitució definida es pot definir com la disposició dels seus àtoms a l’espai. Un polímer té la seva conformació fins que reacciona químicament. Un canvi en la configuració implica trencament d’enllaços químics. Es consideren equivalents les disposicions d’àtoms a l’espai en què les diferències siguin interpretables per gir al voltant d’un o més enllaços senzills.
Conformació: les conformacions d’una molècula de configuració definida són les diferents disposicions relatives dels seus àtoms a l’espai, interpretables per gir al voltant d’un o més enllaços senzills.
La convenció L – D de Fischer Algunes molècules polaritzen la llum cap a l’esquerra (L o -) i altres cap a la dreta (D o +) En els aminoàcids, quan hi ha H3N+ (considerat el grup funcional) a l’esquerra és la L, i si el grup funcional queda a la dreta passa a ser el D.
Col·locant el carboxil en la part de dalt més allunyada. Tots els aminoàcids derivats de les proteïnes tenen la configuració L. Però això no vol dir que no existeixin fora de la cèl·lula.
Si tinc més d’un centre quiral la convenció de Fischer és queda curta.
Convenció R – S Va en funció del pes atòmic. L’hidrogen és el grup que es posa més allunyat de l’observador. Si gira en sentit horari és R i si és en sentit antihorari és S. La majoria d’α-aminoàcids L són quasi sempre de configuració R, excepte en el cas de la Cisteïna (Cys), degut a que té un grup tiol, que serà prioritari.
Prioritats d’alguns grups funcionals: SH > OH > NH2 > COOH > CHO > CH2OH > CH3 Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules L’estructura de les molècules biològiques és important Només els L-aminoàcids són incorporats a les proteïnes (així com només els D-sucres ho són als polisacàrids). HI HA HAGUT UNA SELECCIÓ DE LES CONFIGURACIONS.
L’estructura tridimensional està determinada per la seva Configuració i Conformació AMINOÀCIDS NO-ESTÀNDARD - Aminoàcids poc comuns trobats en proteïnes:  No són incorporats pels ribosomes  Provenen d’aminoàcids estàndard que mitjançant modificacions post-traduccionals s’han afegit grups funcionals extra.
- Aminoàcids no trobats en proteïnes:  Són funcionals per ells mateixos. Exemple: dopamina, tiroxina, histamina, àcid aminobutíric… són aminoàcids que formen part de la senyalització nuclear.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules PÈPTIDS I ENLLAÇ PEPTÍDIC Per formar un enllaç peptídic, unir dos aminoàcids, és necessària una reacció de condensació que comporta l’eliminació d’una molècula d’aigua.
Reacciona el carboxil amb el grup amí. Per convenció sempre es posa a l’extrem el grup amí, i en el grup terminal el grup carboxil. Hi ha una dislocació del grup carboxil.
L’enllaç peptídic té un caràcter de doble enllaç, és parcialment rígid, és pla. L’enllaç entre C i N no és un enllaç simple, té característiques de caràcter de doble enllaç. Això serà molt important per l’estructura de la molècula que formarà definitivament. Aquest fet determina de manera fonamental el plegament de les proteïnes. Hi ha 6 àtoms que estan en un mateix pla, un pla que no pot girar, només al voltant del carboni alfa. Si hi ha un altre enllaç peptídic, el carboni alfa es troba entre dos plans, és a dir, en una cadena d’enllaços peptídics, l’únic que podrà girar serà el carboni alfa, i això restringeix molt aquesta estructura.
L’enllaç peptídic entre els aminoàcids de les proteïnes quasi sempre té la configuració trans.
Dos substituents en el mateix pla, estan en cis Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Quan un dels substituents és prolina (esta ciclada amb l’amí de la cadena principal) acostuma a estar en cis). Hi ha una restricció estructural de la possible disposició d’aquests àtoms en l’espai.
X-Pro als girs β la configuració de l’enllaç peptídic cis.
Oligopèptids: unió de pocs aminoàcids de manera covalent formant una cadena.
 di- tri- tetra- … aquest és un pentapèptid (Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu ò SGYAL)  S’anomenen començant pel residu amino-terminal que, per convenció, es situa a l’esquerra  L’aminoàcid en un pèptid s’anomena residu Mirem alguns exemples de varietats de funcions rellevants dels pèptids:  Hormones i feromones: insulina (entrada de sucre) oxitocina (part – dilatació del cèrvix)  Neuropèptids: substància P (mediador del dolor)  Antibiòtics: polimixina B (per bactèries Gram - ) bacitracina (per bactèries Gram +)  Protecció, e.x. toxines: amanitina (bolets) clorotoxina (escorpins) Proteïnes: polipèptids (α – aminoàcids covalentment units) més, en molts casos: Hi ha vegades que les proteïnes a part de tenir α-aminoàcids units covalentment, tenen algun element extra que és necessari per a la funció de la proteïna o l’enzim. Aquests elements extres poden ser els cofactors o els grups prostètics. Els cofactors s’uneixen de manera més dèbil a les proteïnes i els grups prostètics s’uneixen de manera més forta o inclús irreversible.
Les proteïnes que contenen grups prostètics. Es coneixem com a conjugats.
- Quan parlem d’apoproteïnes parlem de la proteïna sense el grup prostètic o cofactor.
- Quan parlem de holoproteïna parlem de la proteïna amb el cofactor.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules En definitiva, a vegades, necessitem la unió d’aquests elements extres per tenir la proteïna funcional.
La composició d’aminoàcids varia molt en funció dels requeriments funcionals de la proteïna.
La composició d’aminoàcids dependrà principalment de la funció de la cadena polipeptídica, el fet de tenir uns aminoàcids o uns altres implicarà que la cadena sigui d’una forma o una altra per tal de fer la seva funció determinada.
Anàlisi d’aminoàcids Per saber l’estructura de la proteïna i per tant saber la seva funció, necessitem els aminoàcids que la formen. Aquesta determinació es pot fer de les següents formes: 1) Hidròlisi àcida dels enllaços peptídics 2) Derivatització dels aminoàcids lliures.
3) Cromatografia dels productes, detecció i quantificació Agafem la cadena polipeptídica, fem una hidròlisi àcida degradant tots els enllaços peptídics per tenir les unitat d’aminoàcids aïllades. Les modifiquem químicament i fem un anàlisi característic del seu comportament tot comparant-ho amb patrons que ja sabem, com es comporten. Arribarem a unes dades de X alanines, X prolines, X serines, etc, això NO ens permet endreçar-los; en segons quins mètodes o tipus d’anàlisi no cal saber l’ordre, però per determinar l’estructura de la proteïna SÍ que és molt important la relació que té un aminoàcid amb el seu aminoàcid veí per tal de saber la funció que farà la proteïna.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Seqüenciació proteica Si volem saber com estan endreçats els aminoàcids, es fa una seqüenciació proteica pel mètode de la degradació d’Edman que agafa un tros de la cadena, trenca el final N-terminal de la cadena i el detector el modifica i selecciona i el compara amb el model de tots els aminoàcids, i en base a quin s’assembla diu que és un o un altre, i així successivament fent cicles de tal manera que s’esbrini quina és la seqüència de la proteïna. És important saber quin engranatge hi ha, qui s’ajunta amb qui.
La degradació d'Edman és un mètode de seqüenciació de proteïnes. Es basa en una sèrie de reaccions cícliques que comencen pel residu amino-terminal d'un polipèptid, i que es basen en els canvis de pH al llarg de les reaccions. A mesura que passen les reaccions, s'alliberen, un a un, els diferents aminoàcids, per a després, identificar-los.
El fet de fer cicles successivament no és recomanable, per tant, per pèptids majors de 50 aa no és recomanable fer la seqüenciació proteica. Es recomana que per reduir la taxa d’error s’utilitzin enzims per tallar la cadena polipeptídica per dintre de tal manera que dividim la cadena en fragments que puguin ser analitzats. Els enzims són específics, reconeixen aminoàcids concrets, això ens permetrà reconèixer aminoàcids concrets. Un exemple d’enzims és la tripsina, que reconeix aminoàcids lisina i arginina i aleshores talla. És important saber on talla, si a l’extrem N o C terminal de la lisina: si em talla a l’extrem N terminal, se’m formarà un pèptid des de l’extrem N fins a la lisina, i des de l’extrem N de la lisina fins al final de l’altre tros, per tant la lisina es trobaria en el segon pèptid, en canvi, si talla en el C terminal, la lisina s’inclou en el primer fragment de pèptid (. Si talla en l’extrem N la lisina no queda en el primer fragment sinó en el segon, i si talla pel C-terminal, la lisina es trobarà en el primer fragment).
Hi ha altres proteases que tenen especialitats en trencar segons quint tipus d’enllaços. Fem una barreja de proteases conegudes sabent si tallen en l’extrem N o C i a partir d’això fem el nostre puzle.
Si tenim ponts disulfur a la cadena l’haurem de trencar perquè sinó faran de grapes que podran distorsionar els punts de tall i la seqüenciació.
Si un pèptid tallat amb tripsina no té ni lisina ni arginina el posarem al final.
Anna Jiménez Pouget Tema 3: Estructura i funció de biomolècules Proteïnes amb funcions similars acostumen a tenir seqüències similars Això és important per proteïnes que tenen una funció semblant perquè tenen un plegament semblant.
Les regions que admeten més variació són les estructuralment menys rellevants, les regions que admeten menys variació són les estructuralment més rellevants. Les regions que admeten més variació són les estructuralment menys rellevants, ja que així si es donés una mutació no afectaria amb gravetat al comportament de les proteïnes.
Proteïnes que tenen seqüències més diferents estaran més allunyades evolutivament que altres que en comparteixin més. Les seqüències de les proteïnes (sobretot les conservades) ens poden ajudar a elaborar un arbre genealògic per esbrinar la historia de l’evolució.
...