Notas detalladas: Aminoácidos, proteínas y enzimas

Notas detalladas: Aminoácidos, proteínas y enzimas

  • Función de los aminoácidos

    • Son monómeros que forman proteínas.
    • Cada aminoácido se distingue por su cadena lateral (R).
    • Estructura básica de un aminoácido:
      1) Carbono central (α)
      2) Grupo amino (-NH₂)
      3) Grupo carboxilo (-COOH)
      4) Hidrógeno (H)
      5) Cadena lateral (R).

  • Estereoquímica de los aminoácidos

    • El carbono alfa (α) es asimétrico (quiral), existiendo dos estereoisómeros o enantiómeros (L y D).
    • Los enantiómeros rotan en direcciones opuestas en el plano de la luz polarizada (actividad óptica).
    • En la naturaleza los aminoácidos de las proteínas son predominantemente L.

  • Propiedades ácido-base de los aminoácidos

    • Los aminoácidos son anfóteros, comportándose como ácido o base según el pH de la solución.
    • Anfóteros: una sustancia que puede comportarse como ácido cediendo protones (H⁺) y como base aceptando protones.
    • Todos tienen un grupo -NH₂ (base) que puede aceptar un protón y un grupo -COOH (ácido) que puede donar un protón.

Ion dipolar (Zwitterion) y punto isoeléctrico

  • Zwitterión: forma en la que los aminoácidos tienen carga tanto positiva como negativa, pero carga neta cero.
  • Carga neta cero: grupo carboxilo descrito como (-COOH⁻) cuando está desprotonado y grupo amino protonado (NH₃⁺); la suma de cargas resulta en 0.
  • Punto isoeléctrico (pI): pH al cual la carga neta del aminoácido es cero.
    • Sin cadena lateral ionizable: pI=pK<em>1+pK</em>22pI = \frac{pK<em>1 + pK</em>2}{2}
    • Con cadena lateral ionizable: se usa el promedio de los pK de los grupos que definen la zona zwitterion.
  • Cadena lateral ionizable: cuando la R tiene grupos funcionales con capacidad ácido-base.
    • Ácidos: tienen grupo carboxilo extra, pueden perder H⁺ (carga negativa).
    • Ejemplos: Ácido Aspártico (Asp, D); Ácido Glutámico (Glu, E).
    • Básicos: tienen grupo amino extra, pueden aceptar H⁺ (carga positiva).
    • Ejemplos: Lisina (Lys, K); Arginina (Arg, R); Histidina (His, H).
    • Otros con grupos que pueden ionizarse: Tirosina (Tyr, Y) con grupo fenol (-OH); Cisteína (Cys, C) con grupo sulfhidrilo (-Sh).
  • Titulación y cálculo de pI
    • Titulación con una base fuerte (p. ej., NaOH) para calcular el pI.
    • Ejemplo de cálculo para Glutámico (con cadena lateral ionizable):
    • pK₁ (COOH) = 2.2
    • pK_r (grupo R) = 4.2
    • pK₂ (NH₃⁺) = 9.7
    • COOH y grupo R son los más cercanos a la zona zwitterión.
    • pI: pI=pK<em>1+pK</em>r2=2.2+4.22=3.2.pI = \frac{pK<em>1 + pK</em>r}{2} = \frac{2.2 + 4.2}{2} = 3.2.

Nomenclatura y clasificación (abreviaturas comunes)

  • Alanina — Ala — A
  • Arginina — Arg — R
  • Asparagina — Asn — N
  • Ácido Aspartínico — Asp — D
  • Cisteína — Cys — C
  • Glutamina — Gln — Q
  • Ácido Glutámico — Glu — E
  • Glicina — Gly — G
  • Histidina — His — H
  • Isoleucina — Ile — I
  • Leucina — Leu — L
  • Lisina — Lys — K
  • Metionina — Met — M
  • Fenilalanina — Phe — F
  • Prolina — Pro — P
  • Serina — Ser — S
  • Treonina — Thr — T
  • Triptófano — Trp — W
  • Tirosina — Tyr — Y
  • Valina — Val — V

Clasificación de aminoácidos y funciones

  • A.A. apolares (alifáticos): tienden a situarse en el interior de las proteínas

    • Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina.

  • A.A. aromáticos: absorben luz UV

    • Fenilalanina, Tirosina, Triptófano.

  • A.A. polares sin carga: pueden formar puentes de hidrógeno

    • Serina, Treonina, Cisteína, Prolina, Asparagina, Glutamina.

  • A.A. polares con carga: a pH fisiológico

    • Básicos (cargados positivamente): Lisina, Arginina, Histidina.
    • Ácidos (cargados negativamente): Ácido Aspartico, Ácido Glutámico.

  • A.A. esenciales: deben ser incorporados por la dieta

    • Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano, Valina.

  • Funciones de los aminoácidos

    • Estructural: forman proteínas.
    • Reguladora y señalización: precursor de hormonas y neurotransmisores (ejemplos: tirosina, triptófano).
    • Metabólica y energética: participan en síntesis de glutatión, proliferación de linfocitos, etc.

  • Enlace peptídico

    • Enlace covalente (anida) entre grupo amino de un aminoácido y grupo carboxilo de otro.
    • Reacción de condensación: liberación de agua (H₂O).
    • Forma la cadena polipeptídica.

  • Nomenclatura de péptidos

    • Se nombra de izquierda a derecha (N-terminal a C-terminal).
    • Dipéptido: 2 aminoácidos.
    • Tripéptido: 3 aminoácidos.
    • Oligopéptido: > 10 aminoácidos.
    • Polipéptido: ≈ entre 10 y cualquier longitud mayor.
    • Proteína: generalmente > 50 aminoácidos.

Grupos terminales y polianfolito en proteínas

  • Grupo amino terminal (G. amino terminal): -NH₂ o -NH₃⁺; átomo de nitrógeno unido al carbono α de los aminoácidos.
    • En las proteínas el extremo amino libre de un extremo de la cadena polipeptídica se llama extremo N-terminal.
    • Puede aceptar un protón (H⁺), por eso actúa como base.
  • Grupo carbono terminal (G. C-termino): -COOH o -COO⁻; formado por un carbono con enlace doble a oxígeno y grupo -OH.
    • En las proteínas, el carboxilo libre del otro extremo se llama extremo C-terminal.
    • Puede perder un protón (H⁺), por eso actúa como ácido.
  • Propiedad polianfólica: los péptidos tienen grupos amino y carboxilo terminales, y aminoácidos con cadenas laterales ionizables.

Estructura tridimensional de las proteínas

  • Niveles de organización

    • Estructura primaria: secuencia lineal de aminoácidos; determinada por el código genético.
    • Estructura secundaria: arreglos locales de la cadena polipeptídica (hélice α y lámina β).
    • Estructura terciaria: conformación tridimensional global de una molécula de proteína.
    • Estructura cuaternaria: arreglo de dos o más subunidades polipeptídicas.

  • Estructura secundaria

    • Hélice α: estabilizada por puentes de hidrógeno entre el oxígeno del carbonilo y el hidrógeno de la amida; ≈ 3.6 residuos por vuelta.
    • Lámina β: estabilizada por puentes de hidrógeno entre cadenas polipeptídicas adyacentes; pueden ser paralelas o antiparalelas.
    • Bucles y giros: regiones de estructura no repetitiva que conectan α y β; contienen Lisina y Prolina.

  • Estructura tridimensional terciaria

    • Conformación tridimensional única en la proteína plegada.
    • Estabilizada por:
    • Puentes disulfuro (enlaces covalentes).
    • Atracciones electrostáticas (puentes salinos).
    • Puentes de hidrógeno.
    • Interacciones hidrofóbicas.

  • Proteínas y su clasificación estructural

    • Proteínas fibrosas: estructura alargada, un único tipo de estructura secundaria, función estructural.
    • Ejemplos: Queratinas (a) y (b): pelo, uñas; plumas y escamas.
    • Fibroína: seda, láminas β antiparalelas.
    • Colágeno: tejido conectivo, triple hélice; requiere vitamina C para la hidroxilación de prolina y lisina.
    • Proteínas globulares: estructuras compactas con diversas funciones; poseen motivos y dominios.
    • Motivos: patrones de plegamiento característicos.
    • Dominios: regiones de las cadenas polipeptídicas que se pliegan de forma estable e independiente.

  • Estructura cuaternaria

    • Arreglo de dos o más subunidades polipeptídicas.
    • Asociación homotípica (subunidades iguales) o heterotípica (subunidades diferentes).

  • Plegamiento proteico

    • La secuencia de aminoácidos determina la estructura tridimensional nativa.
    • Proceso termodinámicamente favorecido (ΔG < 0).
    • Energía libre de Gibbs: ΔG (o ΔG‡ para la barrera de activación).

  • Chaperonas

    • Proteínas que ayudan al plegamiento correcto y previenen el plegamiento inadecuado.
    • El plegamiento incorrecto puede llevar a agregados amiloides y enfermedades (p. ej., Alzheimer, Parkinson, enfermedades priónicas).

Desnaturalización de proteínas

  • Pérdida de la estructura tridimensional.
  • Causada por: pH extremo, altas temperaturas, solventes orgánicos, detergentes.
  • Puede ser reversible (renaturalización) o irreversible.

Mioglobina y Hemoglobina

  • Similitudes estructurales

    • Relación evolutiva; cada una contiene un grupo prostético hemo (Fe(II) complejo con protoporfirina IX).

  • Funciones fisiológicas

    • Mioglobina: almacenamiento de oxígeno en músculo; alta afinidad por O₂.
    • Hemoglobina: transporte de oxígeno desde pulmones a tejidos y CO₂ desde tejidos a pulmones; también participa en eliminación de CO₂.

  • Estructura

    • Mioglobina: una cadena polipeptídica + grupo hemo (holoproteína = apoenzima + grupo prostético).
    • Hemoglobina: cuatro cadenas polipeptídicas (2 α y 2 β) y cuatro grupos hemo; estructura cuaternaria.

  • Unión de oxígeno

    • El grupo hemo se une de forma no covalente a una hendidura hidrofóbica de la proteína.
    • Fe(II) forma 6 enlaces: 4 con N de la protoporfirina, 1 con la histidina proximal (His F8 o His F93) y 1 con O₂.
    • La histidina distal (His E7) estabiliza la unión de O₂.
    • La unión de O₂ cambia el color de la proteína.

  • Curvas de saturación

    • Mioglobina: curva hiperbólica; P50 baja (alta afinidad).
    • Hemoglobina: curva sigmoidea debido a la cooperación entre subunidades.

  • Transporte de oxígeno por hemoglobina

    • En pulmones: Hb saturada con ~97% de O₂.
    • En tejidos: Hb libera ~75% de O₂.
    • La unión cooperativa facilita la liberación eficiente en tejidos.

  • Efectos alostéricos de la hemoglobina

    • Modifican la afinidad por O₂.
    • Modelos de unión alostérica:
    • KNF (Modos secuenciales): la unión de O₂ a una subunidad favorece la transición a alta afinidad en las adyacentes.
    • MWC (Modelo cúbico o físico) (simétrico): equilibrio entre T (baja afinidad) y R (alta afinidad); la unión de ligando desplaza el equilibrio hacia R.

  • Efecto Bohr

    • Disminución del pH disminuye la afinidad de Hb por O₂, facilitando la liberación en tejidos (los H⁺ favorecen la conformación desoxihidratada, T).

  • 2,3-Bisfosfoglicerato (2,3-BPG)

    • Producto de la glicólisis anaeróbica; aumenta en ejercicio e hipoxia.
    • Disminuye la afinidad de Hb por O₂; se une a la hemoglobina del adulto.

  • Variantes de la hemoglobina

    • Mutaciones en genes de la Hb pueden causar patologías (p. ej., drepanocitosis Hb S, talasemias).

  • Drepanocitosis (Anemia falciforme)

    • Mutaciones en la cadena β (Glu → Val) que provocan que la Hb S se agrupe desoxigenada, deformando eritrocitos.

  • Talasemias

    • Disminución o ausencia de producción de una o más cadenas de globina; causa malformaciones y anemia.

  • Catálisis enzimática

    • Las enzimas son catalizadores biológicos, en su mayoría proteínas globulares; aceleran reacciones disminuyendo la energía de activación y no se consumen en la reacción.

Enzimas: catálisis, cinética y regulación

  • Especificidad enzimática

    • Las enzimas son muy específicas por el sustrato.
    • Complejo enzima-sustrato: E+S⇌ES→E+PE + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P

  • Clasificación enzimática (criterios generales)

    • Óxido-reductasas: reacciones de óxido-reducción.
    • Transferasas: transferencia de grupos funcionales.
    • Hidrólasas: hidrólisis (ruptura de enlaces con agua).
    • Liasas: adición a dobles enlaces o eliminación para formar dobles enlaces.
    • Isomerasas: isomerizaciones.
    • Ligasas: formación de enlaces con aporte de ATP.
    • Ejemplo de clasificación (nomenclatura): ATP + D-Glucosa → ADP + D-Glucosa-6-fosfato (2.7.11).

  • Cofactores y coenzimas

    • Cofactor: componente no proteico necesario para la actividad enzimática.
    • Grupos prostéticos: unión covalente o no covalente.
    • Iones metálicos: pueden actuar como cofactores.
    • Coenzimas: cofactor orgánico, a menudo derivado de vitaminas.
    • Apoenzimas (sin cofactor) + Cofactor = Holoenzima (enzima activa).
    • Vitaminas como coenzimas: por ejemplo, FAD, NAD, Coenzima A.

  • Energía de activación (Ea)

    • Energía necesaria para que el sustrato se transforme en producto.
    • La enzima disminuye la Ea.

  • Mecanismos de catálisis enzimática

    • Complementariedad geométrica: modelo llave-recta (cerradura) y ajuste inducido.
    • Catálisis por proximidad: acercamiento de los sustratos.
    • Catálisis por deformación: distorsión del sustrato para facilitar la reacción.
    • Catálisis ácido-base general: transferencia de protones.
    • Catálisis covalente: formación de un enlace covalente transitorio entre la enzima y el sustrato.

  • Factores que afectan la actividad enzimática

    • Concentración de la enzima: a mayor concentración, mayor velocidad (si el sustrato no es limitante).
    • Concentración del sustrato: la velocidad aumenta hasta la Vmax.
    • Temperatura: cada enzima tiene una temperatura óptima; temperaturas muy altas causan desnaturalización.
    • pH: cada enzima tiene un pH óptimo.

  • Cinética Enzimática

    • Ecuación de Michaelis-Menten: v=V<em>max⁡[S]K</em>m+[S]v = \frac{V<em>{\max} [S]}{K</em>m + [S]}
    • $V_{\max}$: velocidad máxima de la reacción.
    • $Km$: constante de Michaelis-Menten, representa la concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de $V{\max}$; indica la afinidad de la enzima por el sustrato (un Km menor = mayor afinidad).

  • Inhibición de la actividad enzimática

    • Inhibidor: sustancia que disminuye la actividad enzimática.
    • Enlaces reversibles:
    • Competitiva: el inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo.
    • No competitiva: el inhibidor se une a un sitio distinto al sitio activo.
    • Acompetitiva (uncompetitive): el inhibidor se une solo al complejo enzima-sustrato.
    • Inhibición irreversible:
    • Unión covalente del inhibidor a la enzima.
    • Inhibidores suicidas: se transforman en un inhibidor irreversible en el sitio activo.

  • Regulación de la actividad enzimática

    • Disponibilidad del sustrato.
    • Regulación por retroalimentación (inhibición por el producto final).
    • Activación/inhibición alostérica.
    • Modificaciones covalentes (p. ej., fosforilación).
    • Activación proteolítica (zimógenos).

  • Isoenzimas

    • Formas moleculares diferentes de una misma enzima.
    • Catalizan la misma reacción, pero con Km y $V_{\max}$ diferentes.

Notas sobre fórmulas y conceptos clave

  • Enlace peptídico (condensación):
    • Enlace entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro.
    • Proceso de condensación con liberación de agua.
  • Niveles de organización y ejemplos de componentes estructurales:
    • Colágeno: triple hélice, requiere vitamina C para la hidroxilación de prolina y lisina.
    • Queratinas, fibroína, elastina (menciones de ejemplos en las categorías fibrosas/globulares).
  • Modelos alostéricos de hemoglobina (KNF y MWC) se mencionan para explicar la cooperatividad de unión de O₂.
  • Efecto Bohr: disminución de pH reduce la afinidad de Hb por O₂, facilitando la liberación en tejidos.
  • 2,3-BPG: factor que reduce la afinidad de Hb por O₂ en sangre adulta, especialmente relevante en condiciones de hipoxia o ejercicio.

Notas de formulación y ejemplos numéricos

  • pK values de ejemplo para Glutámico (con cadena lateral ionizable):
    • pK1 = 2.2, pKr = 4.2,
      pK_2 = 9.7.
  • Cálculo del pI en el ejemplo:
    • pI=pK<em>1+pK</em>r2=2.2+4.22=3.2.pI = \frac{pK<em>1 + pK</em>r}{2} = \frac{2.2 + 4.2}{2} = 3.2.

Resumen práctico para examen

  • Conoce la estructura básica y las diferencias entre aminoácidos, péptidos y proteínas.
  • Domina la clasificación de AA y sus propiedades físico-químicas (puntos isoeléctricos, cadenas laterales, estados de protonación).
  • Comprende el concepto de enlace peptídico y la nomenclatura de péptidos y proteínas.
  • Entiende los niveles de organización de las proteínas y ejemplos de estructuras ( α-helix, β-lámina, dominios y motivos).
  • Reconoce la diferencia entre proteínas fibrosas y globulares y ejemplos clave (colágeno, queratina, mioglobina, hemoglobina).
  • Domina conceptos de plegamiento, chaperonas y desnaturalización, así como la relación entre estructura y función.
  • Memoriza la base de la cinética enzimática y la relevancia de $V{max}$ y $Km$.
  • Diferencia inhibición competitiva, no competitiva, acompetitiva e irreversible, y entiende la regulación alostérica y el papel de los modificadores covalentes.
  • Conoce modelos alostéricos (KNF y MWC) y conceptos de efecto Bohr y 2,3-BPG en la hemoglobina.
  • Relaciona enzimas con cofactors y coenzimas, y la idea de Apoenzima vs Holoenzima.