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Captulo 2. LOS AMINOCIDOS, EL ENLACE PEPTDICO Y LA

ESTRUCTURA SECUNDARIA

Javier Sancho

jsancho@unizar.es

Departamento de Bioqumica y Biologa Molecular y Celular & Instituto de

Biocomputacin y Fsica de Sistemas Complejos. Universidad de Zaragoza

1. Frmula general y estereoqumica de los aminocidos

2. Estructura y clasificacin de los 20 aminocidos codificados genticamente

3. Ionizacin e hidrofobia de los aminocidos

4. Los pptidos: concepto y nomenclatura

5. Pptidos naturales de origen proteico y no proteico

6. Sntesis qumica y secuenciacin de pptidos y protenas.

7. El enlace peptdico: Naturaleza y propiedades

8. Restricciones conformacionales de los polipptidos: el diagrama de Ramachandran

y los rotmeros de las cadenas laterales

9. Los elementos de estructura secundaria

10. Las hlices 11. Las lminas 12. Giros y bucles

13. Necesidad de la estructura secundaria

1. Frmula general y estereoqumica de los aminocidos

Las protenas son polmeros lineales que resultan de la condensacin de

aminocidos. Conviene familiarizarse con la estructura y caractersticas de los distintos

aminocidos desde el primer momento porque las propiedades biolgicamente

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relevantes de las protenas derivan de las propiedades fisicoqumicas de los

aminocidos. Con excepciones poco relevantes, en las protenas vamos a encontrar 20

aminocidos distintos, responsables de la versatilidad estructural y funcional que las

caracteriza. Ningn otro tipo de molcula natural o sinttica manifiesta una variedad de

formas y funciones comparable a la de las protenas. Veamos de cerca sus

constituyentes.

Un aminocido es una pequea molcula orgnica que contiene, al menos, un grupo

amino (-NH2), de naturaleza bsica, y un grupo carboxilo (-COOH), de carcter cido.

Aunque los seres vivos sintetizan para distintos propsitos tipos diversos de

aminocidos, sin duda los ms importantes son los que forman parte de las protenas,

todos los cuales pertenecen a la clase de los -aminocidos. stos se caracterizan (FIGURA 1) por presentar los grupos cido y amino unidos al mismo tomo de carbono

(que se denomina carbono ). Adems, a este carbono se une, como tercer sustituyente, un tomo de hidrgeno y, como cuarto sustituyente, un grupo adicional de

tamao y caractersticas diversas, que diferencia a cada aminocido de los dems. Al

cuarto sustituyente se le denomina cadena lateral del aminocido y, a menudo, se le

representa de forma simplificada por la letra R. Al ser los cuatro sustituyentes del

carbono distintos y adoptar una disposicin tetradrica en torno a l, los -aminocidos presentan isomera ptica, de modo que la imagen especular de un

aminocido no es idntica al original (FIGURA 2). As, dependiendo de la disposicin

espacial de los cuatro sustituyentes, los aminocidos pueden ser D o L. Esta

denominacin histrica deriva del parecido que presentan, respectivamente, con las

frmulas tridimensionales del D y del L gliceraldehdo (FIGURA 3). La denominacin

D y L, introducida por Fischer en 1891, no es ya utilizada habitualmente por los

qumicos, que prefieren distinguir a cualquier pareja de compuestos especulares

denominndolos R o S, segn la nomenclatura introducida por Cahn, Ingold y Prelog en

1956. Sin embargo, en Bioqumica se sigue utilizando la nomenclatura L/D quiz

porque la nueva denominacin R/S, aunque ms clara y general, distingue a la L-

cistena (que es R) de los dems L-aminocidos (que son S), a pesar de su evidente

similitud estructural. Todos los aminocidos que aparecen en las protenas son L.

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2. Estructura y clasificacin de los 20 aminocidos codificados genticamente

Las protenas se sintetizan en los ribosomas siguiendo las instrucciones codificadas

en molculas de RNA mensajero. El cdigo molecular (conocido como cdigo

gentico) utilizado por la maquinaria celular de sntesis de protenas incluye 20

instrucciones (en forma de tripletes de bases del RNA denominados codones) que

corresponden a la orden de incorporacin a la protena en sntesis de uno de entre 20

aminocidos posibles. Estos 20 aminocidos (todos ellos y L) se conocen como aminocidos codificados genticamente o proteinognicos (FIGURA 4). Algunas

protenas contienen otros aminocidos, normalmente en baja proporcin, que son

siempre resultado de alteraciones qumicas (a menudo catalizadas por enzimas) que

sufren los aminocidos codificados genticamente despus de su incorporacin a la

protena en el ribosoma. Estas modificaciones se denominan postraduccionales, pues

tienen lugar despus de la traduccin a protena de la informacin gentica contenida

en el RNA mensajero.

Para explicar y destacar las propiedades que distinguen a los diferentes aminocidos

suele recurrirse a su clasificacin en grupos, atendiendo fundamentalmente a las

propiedades fisicoqumicas de su cadena lateral (FIGURA 5). Como es bien sabido,

cualquier clasificacin encierra una simplificacin que debe tener como virtud

destacada la de proporcionar ayuda mnemotcnica. No debe sorprendernos, por tanto,

encontrar en distintos libros de texto clasificaciones que difieren en los detalles y que

agrupan a los aminocidos de diversas maneras. Lo importante en conocer la estructura

y caractersticas principales de cada uno de ellos. Quiz la divisin ms generalmente

aceptada de los aminocidos es la que los distingue en dos grupos (de frontera no

demasiado precisa): los polares y los apolares. Atendiendo a la presencia o ausencia de

dobles enlaces conjugados, los aminocidos apolares se pueden subdividir en alifticos

(glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina y metionina) y aromticos

(fenilalanina, tirosina y triptfano). Y aqu comienzan las objeciones que se pueden

hacer a cualquier clasificacin pues, por ejemplo, no tiene mucho sentido considerar

como apolar a la glicina cuya cadena lateral en un simple tomo de hidrgeno, que

adems no es demasiado apolar, o a la tirosina que, al extremo de su cadena lateral

aromtica, contiene un grupo -OH. Como ya ha quedado dicho que las clasificaciones

simplifican, vamos a proseguir. A los aminocidos polares, resulta apropiado

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subdividirlos en neutros (serina, treonina, cistena, asparragina, glutamina) y cargados.

stos, a su vez, pueden ser cidos (asprtico, glutmico) o bsicos (lisina, arginina,

histidina). Veamos ahora los 20 aminocidos, uno a uno, destacando algunas de sus

propiedades ms interesantes.

La glicina es el menor y, como su cadena lateral es un tomo de hidrgeno, dos de

los cuatro sustituyentes del carbono son iguales, de modo que no existen la L y la D glicina, pues no aparece isomera ptica. Es, adems, el aminocido que ms

flexibilidad proporciona a las protenas pues su pequea cadena lateral no obstaculiza el

movimiento de los aminocidos que lo flanquean (ver ms adelante el diagrama de

Ramachandran). La alanina, tiene como cadena lateral un grupo metilo (-CH3) y se

utiliza a menudo como aminocido de referencia para determinar las propiedades de los

dems aminocidos, que pueden considerarse derivados de l. Es apolar y no puede

participar en ningn mecanismo cataltico por lo que su funcin es meramente

estructural. Igual cometido tienen otros aminocidos alifticos mayores, como la

valina, la leucina o la isoleucina. La isoleucina, como su nombre indica es un ismero

de la leucina y presenta una cadena lateral con los mismos tomos que sta, pero

encadenados de manera distinta. La isoleucina se caracteriza por presentar en la cadena

lateral un segundo carbono asimtrico que siempre tiene la configuracin S. Tanto la

valina como la isoleucina confieren cierta rigidez a las protenas al presentar una

ramificacin de la cadena lateral en el carbono . La prolina, en sentido estricto, no es un aminocido sino un iminocido, pues la cadena lateral termina unindose por su

extremo con el grupo amino. A causa de ello, la prolina es particularmente rgida y, adems, su grupo amino no puede actuar como donador en puentes de hidrgeno. La

metionina es un tioeter que incluye un tomo de azufre en la cadena lateral. Aunque es

un aminocido apolar, el tomo de azufre aparece ocasionalmente implicado en

reacciones bioqumicas en algunas enzimas. Los aminocidos aromticos son los

responsables de la absorbancia a 280 nm, tpica de las protenas (FIGURA 6). Gracias a

ellos, la concentracin de una disolucin proteica se puede medir con comodidad y de

forma no destructiva con un simple espectrofotmetro. Quien trabaje con una protena

pura y de composicin conocida, que se olvide de los mtodos colorimtricos (Biuret,

Lowry, Bradford) y utilice el coeficiente de extincin de la protena calculado a partir

del contenido de tirosinas y triptfanos! (ver captulo 6). Las nubes de los anillos

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aromticos de estos tres aminocidos pueden actuar como aceptoras de puentes de

hidrgeno y tambin pueden formar interacciones con grupos cargados positivamente

(cadenas laterales de aminocidos bsicos o ligandos catinicos). Tanto la tirosina

como el triptfano (ste con menos frecuencia) aparecen implicados en los mecanismos

de catlisis de algunas enzimas.

En cuanto a los aminocidos polares, dos de ellos son alcoholes (serina y treonina) y

uno es un tiol (un alcohol con azufre en lugar de oxgeno: la cistena). La treonina, de

forma anloga a la isoleucina, presenta un segundo centro quiral (que es R) en el

carbono de la cadena lateral. La serina y la cistenas son parte esencial del centro cataltico de muchas enzimas por la capacidad de sus grupos OH- y SH- de actuar como

nuclefilos y atacar a grupos deficitarios en electrones de otras molculas (protenas,

grasas) promoviendo cambios qumicos, a menudo hidrlisis. En realidad, la serina

necesita un entorno especial para poder actuar como nuclefilo pues debe liberar antes

el hidrgeno de su grupo OH-, lo que en condiciones normales no es favorable. La

cistena, pierde el hidrgeno equivalente con ms facilidad. Es de notar sin embargo

que, si no est ionizada, no es tan polar como la serina o la treonina. Una peculiaridad

de la cistena es que se puede oxidar y condensarse con otra cistena formando un

puente disulfuro (-S-S-) que tiene carcter covalente y sirve para entrecruzar dos

regiones de una protena o dos subunidades de un complejo proteico (FIGURA 7). Las

protenas que presentan puentes disulfuro son normalmente extracelulares, pues el

potencial rdox del interior de la clula es reductor y destruye los puentes disulfuro.

Aunque los puentes disulfuro estabilizan notablemente las protenas que los contienen,

conviene recordar que la mayor parte de las protenas carecen de puentes disulfuro y

son perfectamente estables. Otros dos aminocidos polares son la asparragina y la

glutamina, cuyas cadenas laterales contienen grupos amida (estos grupos no son apenas

cidos ni bsicos de modo que permanecen neutros a pHs fisiolgicos). Como sus

nombres indican, son las amidas de los cidos asprtico y glutmico. Estos cidos, por

su parte, pertenecen al grupo de los aminocidos cargados, pues sus cadenas laterales

poseen un grupo carboxilo adicional que se encuentra frecuentemente ionizado (cargado

negativamente) a pH neutro. Participan en mecanismos de catlisis cido/base.

Finalmente los aminocidos histidina, lisina y arginina poseen grupos bsicos (imidazol,

amino y guanidinio) que captan protones y se cargan positivamente a pH neutro. La

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histidina, por su pKa prximo a 7, es el catalizador cido/base por excelencia de las

enzimas.

Los aminocidos poseen abreviaturas que es conveniente conocer (FIGURA 4). Las

hay de dos clases. La ms sencilla de recordar es la que sustituye el nombre de un

aminocido por tres letras de su nombre en ingls (casi siempre las tres primeras). Sin

embargo hace tiempo que, por ahorrar espacio, se est imponiendo una nomenclatura

distinta en la que cada aminocido es identificado por una sola letra. En muchos casos

se trata de su inicial, pero no siempre es as pues hay aminocidos cuyos nombres

comienzan por la misma letra. La nomenclatura de una letra es la preferida para escribir

y registrar las secuencias de protenas y es la que se debe utilizar casi siempre para

realizar bsquedas informticas en las bases de datos bioqumicos internacionales por lo

que hay que conocerla, aprenderla y sentirse cmodo con ella.

3. Ionizacin e hidrofobia de los aminocidos

Como hemos indicado, todos los aminocidos poseen un grupo cido y un grupo

amino ionizables. Las curvas de titulacin de los aminocidos ayudan a comprender

como vara su carga en funcin del pH. Para un aminocido neutro la curva de

titulacin (FIGURA 8) refleja que hay dos zonas de pH en las que la adicin de

cantidades moderadas de lcali o de cido apenas modifica el pH. Estas zonas se

centran en los pKas de los grupos COOH y NH2 del aminocido, que ejercen as un

efecto tampn. Para estos aminocidos, el punto isoelctrico (el pH en que el promedio

de las molculas es neutro) es simplemente la media aritmtica de los dos pKas. Para

los aminocidos ionizables, existe una tercera zona de pH ms estable localizada en

torno al pKa de su cadena lateral (cida o bsica). Para estos aminocidos, el punto

isoelctrico es, aproximadamente, la media aritmtica de los pKas que delimitan el

intervalo de pH en que predomina la forma del aminocido sin carga neta.

Para comprender el comportamiento en solucin de las protenas hay que tener

siempre presente que los grupos carboxilo y amino, comunes a todos los aminocidos,

desaparecen cuando los aminocidos se polimerizan para formar las protenas. Slo el

grupo amino del aminocido que ocupa uno de los extremos y el grupo carboxilo del

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aminocido al otro extremo de la protena sobreviven a la polimerizacin (FIGURA 9).

A pesar de ello, las protenas presentan numerosos grupos cargados que corresponden a

los residuos cuyas cadenas laterales son ionizables (FIGURA 4). Estos residuos hacen

posible la solubilidad en agua de buena parte de las protenas.

La hidrofobia de algunos aminocidos, es decir, su tendencia a rehuir el contacto con

el agua, es una de las propiedades fundamentales que determinan la estructura de las

protenas. Se puede cuantificar mediante sencillos experimentos de reparto en fase

acuosa y fase orgnica (de compuestos que simulan a los aminocidos en las protenas:

en concreto, sus N-acetil carboxiamidas) y expresarse en trminos de energa (FIGURA

10). En general, los aminocidos ms apolares son ms hidrfobos. Por otro lado, la

tendencia de los aminocidos a aparecer en el interior de las protenas o en el exterior se

puede cuantificar a partir de las estructuras tridimensionales de las protenas por el

simple procedimiento de contar cuntas veces aparece un determinado residuo en la

superficie y cuantas en el interior (FIGURA 11). Con este dato se calcula una energa

estadstica de reparto entre el interior y el exterior de las protenas, que se puede

comparar con la escala de hidrofobia. La razonablemente buena correlacin que se ha

encontrado entre estas dos escalas de energa indica que la evolucin ha seleccionado

protenas con secuencias capaces de plegarse de modo que los aminocidos hidrfobos

se oculten en el interior de la estructura y los polares aparezcan decorando la superficie.

La razn es que esta distribucin estabiliza el estado plegado del polipptido (ver

captulo 7).

Aprovechando la carga de los aminocidos y su hidrofobia, se han desarrollado

tcnicas que permiten separarlos mediante cromatografas de intercambio inico o de

fase reversa, que son fciles de automatizar y estandarizar. En general, como pocos

aminocidos presentan propiedades espectroscpicas que faciliten su deteccin, es

habitual hacerlos reaccionar antes (o despus) con algn reactivo coloreado o

fluorescente.

4. Los pptidos: concepto y nomenclatura

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Los pptidos son el resultado de la unin covalente de aminocidos mediante enlaces

amida formados por condensacin, con liberacin de una molcula de agua, de un grupo

carboxilo de un aminocido y un grupo amino de otro (FIGURA 12). Los enlaces

amida que unen los aminocidos de las protenas reciben el nombre de enlaces

peptdicos. Los pptidos (al igual que las protenas) presentan en sus extremos, un

grupo amino y un grupo carboxilo sin reaccionar. Para especificar la frmula de un

pptido sencillo (y de una protena) basta con enumerar los aminocidos que lo

componen, comenzando por el que tiene libre su grupo -amino (el aminocido N-terminal) y terminando por el que presenta libre su grupo -carboxilo (aminocido C-terminal). Aunque para pptidos cortos se puede utilizar la notacin de tres letras, las

secuencias de protenas se escriben en cdigo de una letra. Para nombrar un pptido

(FIGURA 9), se lee su secuencia, comenzando por el aminocido N-terminal y

sustituyendo las dos ltimas letras de cada aminocido por una l (ej: alaninaalanil; pero el triptfano se nombra triptofanil!).

Los pptidos tienen un nmero de aminocidos bajo (entre 2 y pocas decenas) y una

conformacin muy flexible en solucin. De hecho, la diferencia tradicional que se

establece entre un pptido grande y una protena pequea es que la ltima presenta una

conformacin definida, mucho menos flexible. Recientemente, se ha descubierto que

algunas protenas presentan una conformacin desordenada y flexible, como la de los

pptidos que, sin embargo, se ordena cuando interaccionan con otras macromolculas

de la clula.

5. Pptidos naturales de origen proteico y no proteico

Algunos pptidos se sintetizan en el ribosoma en forma de polipptidos precursores

ms largos, que son a continuacin parcialmente hidrolizados en la clula dando lugar a

un nmero variable de pptidos (iguales o distintos). Estos pptidos poseen a menudo

potentes actividades biolgicas (la vasopresina eleva presin sangunea y aumenta la

reabsorcin de agua en el rin; la encefalina disminuye la sensacin de dolor; la

oxitocina provoca la contraccin del tero) y, en ocasiones, presentan marcadas

modificaciones postraduccionales. Algunos pptidos, por el contrario, son sintetizados

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en rutas metablicas ordinarias con participacin de enzimas. Suelen ser cortos y, a

menudo, muestran peculiaridades, como ser cclicos o contener D-aminocidos.

Aunque la sntesis de pptidos mediante reacciones enzimticas convencionales permite

introducir mayor variedad qumica, es fcil comprender que resultara imposible que las

protenas se sintetizaran de esta manera, entre otras razones porque para sintetizar cada

protena haran falta tantas enzimas especficas como residuos contuviese. Cada una de

estas enzimas, por ejemplo, catalizara la unin especfica de un trozo de la protena con

el siguiente aminocido de la secuencia. Estas enzimas, a su vez, deberan ser

sintetizadas con la participacin de un nmero ingente de otras enzimas, y as

sucesivamente. El ribosoma, con su peculiar falta de especificidad de sustrato, resulta

de lo ms conveniente.

6. Sntesis qumica y secuenciacin de pptidos y protenas.

Los pptidos se sintetizan fcilmente en el laboratorio mediante la tcnica de fase

slida. Aunque el rendimiento de cada reaccin individual de condensacin es muy

elevado, el rendimiento neto (el producto de los rendimientos de cada etapa) es bajo.

Adems, separar la secuencia deseada de las impurezas que se van acumulando en el

proceso (todas con secuencias muy parecidas) es difcil, por lo que no resulta prctico

sintetizar protenas por fase slida. Para sintetizar protenas se recurre habitualmente a

tcnicas de Biologa Molecular que incluyen la clonacin del gen y su expresin en un

organismo adecuado. La sntesis en fase slida permite, por otra parte, la preparacin y

ensayo de pptidos artificiales. stos pueden tener, tambin, potentes efectos

biolgicos. El aspartamo (FIGURA 13), por ejemplo, es mucho ms dulce que el

azcar.

La determinacin de la secuencia de aminocidos de un pptido (su secuenciacin)

se realiza de forma muy sencilla y automtica utilizando ciclos de la reaccin de

Edman, que permite separar y derivatizar el aminocido N-terminal de un pptido, que

es despus identificado cromatogrficamente. Ms all del aminocido 20 30, sin

embargo, el resultado de la secuenciacin ya no es fiable. Los pptidos se pueden

secuenciar tambin por espectrometra de masas, tcnica que est experimentando un

gran desarrollo en la actualidad y que previsiblemente, sustituir a la secuenciacin de

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Edman. El procedimiento consiste en fragmentar los pptidos automticamente y

deducir, de la masa de los fragmentos, la secuencia.

Para secuenciar protenas, se rompen primero en pptidos de tamao adecuado

(utilizando enzimas o reactivos que cortan en sitios especficos) que se separan por

cromatografa. Es necesario realizar dos roturas con reactivos de corte diferentes para

poder obtener dos conjuntos de pptidos, todos los cuales son secuenciados. Los

pptidos de un conjunto presentan secuencias que se solapan con las de los pptidos del

otro grupo y, por comparacin, se puede establecer el orden en que se encadenan los

pptidos en la protena entera. En la actualidad, es extraordinariamente ms fcil y

rpido determinar la secuencia de una protena por secuenciacin de su gen y traduccin

de la secuencia de nucletidos a aminocidos, utilizando el cdigo gentico. Este

procedimiento, sin embargo, no identifica las posibles modificaciones

postraduccionales que puede portar una protena, ni tampoco la presencia y posicin de

posibles puentes disulfuro. De nuevo, la espectrometra de masas est resultando una

ayuda importantsima para resolver este problema.

7. El enlace peptdico: Naturaleza y propiedades

Hemos visto que el enlace peptdico es el resultado de la condensacin del grupo

carboxilo de un aminocido con el grupo amino de otro, y que en esta reaccin se libera

agua (FIGURA 12). La condensacin, al tener lugar en disolvente acuoso, no es

espontnea y por ello la sntesis de protenas requiere aporte de energa (los

aminocidos son activados in vivo cuando se acoplan a sus RNAs de transferencia). El

enlace peptdico, como en general cualquier enlace amida, presenta resonancia entre dos

formas extremas de representarlo: la forma neutra con un enlace sencillo uniendo el

carbono carbonlico del primer aminocido (aminocido i) y el nitrgeno amnico del

segundo (i+1), y la forma con separacin de cargas en que los dos tomos se encuentran

unidos por un enlace doble (FIGURA 14). La razn es que, al formarse el enlace

peptdico, el nitrgeno conserva un par de electrones que puede compartir con el

carbono al que est unido. Para que esto ocurra, el carbono debe perder uno de sus

enlaces con el oxgeno vecino. El resultado de este reajuste electrnico es la forma con

cargas y enlace doble C=N. En la realidad, el enlace peptdico no adopta ninguna de las

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dos situaciones extremas sino que es un hbrido resonante de ambas, y sus propiedades

son intermedias. As, su distancia de enlace (1.32 ) es ms corta que la de un enlace

sencillo C-N (1.49 ), pero algo mayor que la de un enlace doble C=N (1.27), lo que

indica que su fortaleza en intermedia.

La consecuencia ms importante es, sin duda, que el enlace peptdico presenta un

cierto carcter de enlace doble que va a determinar, como veremos, buena parte de las

propiedades conformacionales de las protenas. Una caracterstica fundamental de los

enlaces dobles es que se debilitan tanto, cuando las dos partes de la molcula unidas por

ellos rotan una respecto a la otra, que tal rotacin en la prctica no se produce. Por

tanto, los tomos unidos por el enlace doble y los que estn unidos a ellos permanecen

de forma estable en un mismo plano (FIGURA 15). Esto se traduce, en el caso de los

enlaces peptdicos, en que el C carbonlico, con su oxgeno y su carbono (los tres tomos del primer aminocido: i), y el nitrgeno, con su hidrgeno y su carbono (del aminocido siguiente: i+1) son coplanares. Estos seis tomos forman el plano peptdico

que enlaza los dos aminocidos. Como ocurre en cualquier compuesto orgnico con

enlaces dobles en que cada uno de los dos tomos as enlazados presentan sus dos

sustituyentes adicionales distintos, el enlace peptdico puede ser cis o trans (FIGURA

16). El enlace es cis cuando los dos carbonos se encuentran en el mismo semiplano de los definidos por el eje del enlace doble, y es trans cuando cada carbono alfa queda

en un semiplano distinto. Aunque la barrera de energa entre los dos ismeros no es

demasiado elevada (es mucho menor que en el caso de un autntico enlace doble C=N),

basta para que en la prctica cada enlace peptdico est permanentemente en una de las

dos formas. En general, la forma trans es la de menor energa porque es la que sita a

los sustituyentes voluminosos (carbonos alfa con sus cadenas laterales) ms alejados y

por tanto con menor conflicto estrico. La inmensa mayora de los enlaces peptdicos

de las protenas son, por esta razn, trans. La prolina, sin embargo, es especial debido a

que su cadena lateral est unida covalentemente al nitrgeno del enlace peptdico. Para

la prolina, la forma trans, con mayor impedimento estrico que en los dems

aminocidos, es slo un poco ms estable que la forma cis, de modo que no resulta

inusual encontrar algunas de las prolinas de las protenas formando enlaces X-Pro de

tipo cis (FIGURA 17). Esta circunstancia complica el mecanismo de plegamiento de

las protenas que contienen enlaces de este tipo, hacindolo algo ms lento (ver captulo

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8). Otra caracterstica notable de los enlaces peptdicos es que los enlaces C=O y N-H

estn polarizados y, como son paralelos y el sentido de sus dipolos es el mismo,

determinan que el enlace peptdico lleva asociado un dipolo (FIGURA 18; ver ms

adelante la estructura de las hlices ).

8. Restricciones conformacionales de los polipptidos: el diagrama de

Ramachandran y los rotmeros de las cadenas laterales

El enlace peptdico introduce las principales restricciones que limitan las

conformaciones que puede adoptar un polipptido (y de esta manera contribuye a

estabilizar las protenas; ver captulo 7). La flexibilidad de las molculas depende del

nmero de sus enlaces que permiten rotaciones de una parte de la molcula respecto al

resto. Ya hemos visto que el enlace peptdico por su carcter de enlace doble no

permite la rotacin. As, el ngulo de rotacin en torno a un enlace peptdico

(denominado slo puede tomar dos valores: 0, cuando el enlace es cis, y 180, que es un enlace trans. Cualquier otro valor sera muy desestabilizador, pues rompera la

resonancia del enlace peptdico que se convertira en un enlace sencillo ordinario.

Cualquier polipptido puede ser considerado como una sucesin de planos peptdicos

engarzados en los carbonos . Cada plano peptdico contiene tomos de dos residuos consecutivos. A su vez, cada carbono forma parte de dos planos peptdicos (anterior y posterior). La orientacin de estos dos planos respecto al plano adicional formado por

el propio carbono , su hidrgeno y el primer tomo de su cadena lateral est determinada por los ngulos y . El ngulo mide el giro en torno al enlace que une el carbono de un residuo i con el N (situado en el plano peptdico anterior) del mismo residuo. El ngulo mide el giro en torno al enlace que une el carbono con el C del mismo residuo en el plano peptdico posterior. La conformacin global de una protena

queda perfectamente definida por los valores de los ngulos y de sus carbonos , conocidos los cuales se puede trazar el discurrir del polipptido en el espacio, lo que

equivale a conocer su estructura tridimensional a baja resolucin. Los enlaces N-C y

C-C son enlaces sencillos de modo que los ngulos y no estn fijados a priori como el ngulo . Sin embargo, no pueden adoptar valores cualesquiera porque en

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algunos de ellos se producen choques estricos (FIGURA 20) entre los planos anterior y

posterior o con la cadena lateral del residuo. Ramachandran y colaboradores

determinaron los valores permitidos de los ngulos y . Como los valores permitidos para cualquiera de estos ngulos depende del valor concreto que adopta el otro, idearon

una representacin conjunta de los valores permitidos de los dos ngulos que se conoce

como diagrama de Ramachandran (FIGURA 21). En este diagrama, las coordenadas de

cada punto representan a una pareja de valores de ngulos y . Con frecuencia, se dibujan sombreadas las zonas en que aparecen parejas de valores permitidos. El

diagrama es muy similar para los distintos aminocidos (salvo para la glicina) y consiste

en dos grandes zonas permitidas con valores negativos del ngulo y una pequea regin con valor positivo de dicho ngulo. La glicina, cuya escueta cadena lateral no

provoca conflicto estrico con los planos peptdicos, dispone de zonas ms amplias en

el diagrama de Ramachandran que se consideran permitidas desde un punto de vista

energtico. Por ello permiten giros peculiares del polipptido que ningn otro residuo

puede facilitar. En las protenas, los residuos adoptan, con muy pocas excepciones

valores de ngulos y permitidos (FIGURA 22). Enseguida veremos la relacin entre estos valores y los elementos de estructura secundaria ms importantes. Hay que

aclarar que la terminologa de valores permitidos y valores no permitidos no es

demasiado afortunada. Por un lado, en la frontera entre las dos clases de valores no se

produce un salto brusco, sino que la energa va aumentando segn los valores de los

ngulos se adentran en la zona no permitida (a veces en el diagrama de Ramachandran

se utilizan distintas intensidades de sombreado para sugerirlo). Por otro lado, el coste

energtico de adoptar valores no permitidos, aunque considerable, no es siempre tan

elevado que no pueda ser compensado, en ocasiones, por el establecimiento de nuevas

interacciones estabilizantes. De hecho, aunque de forma rara, a veces se encuentra en

las protenas algn residuo con valores no permitidos. Se ha sugerido que estos

residuos desempean, en algn caso, papeles destacados en la funcin de su protena.

Adems de las restricciones conformacionales derivadas de los enlaces peptdicos,

las protenas ven limitadas an ms sus conformaciones posibles porque los ngulos de

rotacin de las cadenas laterales no adoptan valores al azar sino, con mucha frecuencia,

los que conducen a conformaciones ms estables. Los ngulos de rotacin en torno a

enlaces sencillos de las cadenas laterales (FIGURA 23) se denominan 1, 2, etc. El

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ngulo 1,por ejemplo, es el del enlace entre el carbono del residuo y el carbono (el primero de la cadena lateral). En general, los enlaces sencillos (los ms abundantes en

las cadenas laterales) tienden a preferir los ngulos que sitan a los sustituyentes de los

tomos enlazados lo ms alejados que sea posible. Estas conformaciones se denominan

alternadas (a diferencia de las conformaciones eclipsadas en que los sustituyentes estn

ms prximos) (FIGURA 24). Para el ngulo 1 hay tres conformaciones alternadas distintas que se denominan gauche+, gauche- y trans.

(http://pps.life.nthu.edu.tw/PPS2/course/section3/conform.html). Las ms estables son

la gauche+ y despus la trans. Cada una de las conformaciones que puede adoptar la

cadena lateral de un residuo de una protena se denomina rotmero. Cuanto mayor es

una cadena lateral (salvo que sea aromtica y sus enlaces dobles no permitan la

rotacin), mayor es el nmero de rotmeros distintos (y con distinta energa) en que se

puede disponer. En una protena nativa, cada residuo adopta la conformacin de uno de

sus posibles rotmeros.

Tomamos aliento para anotar lo siguiente. Podra parecer en este punto que las

conformaciones posibles de cualquier polipptido quedan al final restringidas a un

nmero muy limitado. Nada ms lejos de la realidad! A pesar de todas las

restricciones estudiadas en este epgrafe, el nmero de conformaciones posibles de una

protena pequea es tan astronmicamente elevado que nos fascina e intriga

extraordinariamente (ver captulo 8) cmo puede preferir entre todas, con tanta

precisin y en tan poco tiempo, la que es caracterstica de su forma nativa.

9. Los elementos de estructura secundaria

El diagrama de Ramachandran (FIGURA 22) muestra claramente que existen, grosso

modo, dos zonas de ngulos y permitidos, ambas con valores negativos del ngulo , que se diferencian por el valor positivo o negativo del ngulo . Al analizar la estructura tridimensional de cualquier protena, se aprecian regiones en las que los

carbonos de varios residuos consecutivos adoptan ngulos y similares, que caen, todos ellos, en una de las dos zonas permitidas del diagrama de Ramachandran. Este

simple hecho determina que la cadena polipeptdica adopte, en dichas regiones, una

15

disposicin peridica de sus unidades peptdicas (FIGURA 25). Las dos disposiciones

peridicas tienen, respectivamente, forma de hlice o de cadena extendida y se conocen

como hlice y hebra . La asociacin mediante puentes de hidrgeno de varias hebras adyacentes da lugar a las lminas .

10. Las hlices

Una hlice es cualquier secuencia de 5 o ms aminocidos consecutivos de una protena con ngulos de ~ -57 y de ~ -47 (FIGURA 26). Al adoptar estos ngulos, el grupo CO del aminocido i queda a la distancia y orientacin adecuadas para

formar un puente de hidrgeno con el NH del aminocido i+4. Los 4 grupos CO del

extremo carboxilo de la hlice y los 4 grupos NH del extremo amino no cumplen esta

regla, sencillamente, porque la hlice termina en ellos. Las hlices completan una vuelta alrededor de su eje cada 3.6 aminocidos, recorrido en el que avanzan 0.54 nm a

lo largo del eje (cada residuo avanza 1.5 ). Como los planos de los enlaces peptdicos

quedan dispuestos de forma casi paralela al eje de la hlice, sus dipolos quedan

automticamente alineados. Por su parte, las cadenas laterales de los residuos salen del

"cilindro" de la hlice apuntando hacia el exterior de forma no enteramente

perpendicular, sino inclinadas ligeramente hacia el extremo amino (FIGURA 27). Las

hlices, en general, son objetos quirales, no idnticos a sus imgenes especulares. Las

hlices de las protenas son de tipo R (FIGURA 28). Aunque una hlice puede tener cualquier longitud a partir de 5 residuos, las hlices de las protenas globulares

solubles en medio acuoso constan, en promedio, de unos 12 residuos. Sin embargo, las

hlices transmembrana caractersticas de las protenas que atraviesan las membranas

biolgicas suelen ser bastante ms largas.

La existencia de hlices en las protenas fue predicha, antes de ser observada, por Pauling y Corey, quienes propusieron un modelo ideal. Respecto a este modelo, las

hlices de las protenas presentan con frecuencia distorsiones (FIGURA 29) causadas por el empaquetamiento especfico de los tomos de la superficie de cada hlice con el

resto de la protena de la que forma parte, por la presencia de prolinas (cuya cadena

lateral produce impedimento estrico y su N no puede formar puente de hidrgeno), y,

16

en el caso de hlices de la superficie, como consecuencia de sus interacciones con el

agua, que se optimizan cuando la hlice se curva ligeramente para permitir puentes de

hidrgeno entre los grupos CO de la hlice y las molculas de agua. Adems no es

infrecuente que en el extremo carboxilo de las hlices , la ltima vuelta presente estructura de hlice 3 (ver ms adelante).

La estabilidad de las hlices depende de: los aminocidos que la componen, de la posicin que ocupan esos aminocidos en la hlice, de las interacciones que se puedan

establecer entre cadenas laterales dispuestas a i, i+3 o a i, i+4 (que quedan una encima

de la otra, FIGURA 27), y de las interacciones de empaquetamiento con el resto de la

protena

(http://wwwbioq.unizar.es/departamento/investigacion/JSS/PFS/alfahelix.html). Salvo

este ltimo factor, que es ms difcil de calcular, la energtica de las hlices se conoce razonablemente bien, de modo que se puede calcular si una secuencia de aminocidos

determinada formar por s sola una hlice al disolverla en agua (http://www.embl-heidelberg.de/Services/serrano/agadir/agadir-start.html).

Por otra parte, el grado de exposicin al disolvente de una hlice de una protena se puede deducir fcilmente utilizando la representacin denominada rueda helicoidal

(FIGURA 30). Cuando los residuos polares se agrupan en una cara y los apolares en

otra, se trata de una hlice anfiptica (con dos pasiones: el agua y la membrana). Si,

en cambio, la prctica totalidad de la hlice consta de residuos apolares, se trata de una

hlice enterrada en el interior de la estructura proteica y, si consta de residuos

esencialmente polares, se trata de una hlice totalmente expuesta (no son frecuentes,

pero en ocasiones aparecen conectando dos dominios de una protena).

Adems de las hlices , un polipptido puede, en principio, adoptar otras conformaciones helicoidales. As, las hlices con puentes de hidrgeno entre los

aminocidos i e i+3 se denominan hlices 310 (y aparecen en ocasiones en el extremo

carboxilo de las hlices , como se ha comentado). Por su parte, las hlices con puentes de hidrgeno entre los aminocidos i e i+5 se denominan hlices y son muy poco frecuentes.

17

11. Las lminas

Cuando 2 o ms aminocidos consecutivos de una protena adoptan ngulos de ~ -140 y de ~ +130, aparece una hebra , que es sencillamente la conformacin extendida estable del polipptido (FIGURA 31). En una hebra , cada residuo avanza 3.5 a lo largo del eje de la hebra. Cuando 2 o ms hebras se sitan una al lado de la otra y establecen puentes de hidrgeno entre ellas, aparece una lmina . Todos los grupos CO y NH de una hebra forman puentes de hidrgeno con los de hebras adyacentes, salvo los que definen los bordes izquierdo y derecho de la lmina. Las

lminas pueden ser paralelas, antiparalelas o mixtas. Una lmina es paralela (FIGURA 32) cuando todas las hebras que la componen se disponen en el mismo

sentido bioqumico (NC) de modo que los extremos N de cada una de ellas (los C tambin, claro) quedan agrupados. Para conseguir esto, la protena debe reandar el

camino recorrido por cada hebra en sentido contrario antes de disponer otra hebra al

lado de la primera. Las lminas antiparalelas, sin embargo, disponen sus hebras

contiguas alternando los dos sentidos posibles (NC y CN). Para ello, cuando una hebra termina, basta con que el polipptido cambie de sentido y se disponga en paralelo

para dar lugar a la siguiente hebra. Una lmina mixta est formada por hebras algunas

de las cuales se disponen de forma paralela y otras antiparalela. En las protenas

solubles las hebras antiparalelas son las ms frecuentes; en protenas transmembrana

son las nicas descritas hasta el momento.

La razn de denominar lminas a las agrupaciones de hebras, asociadas por puentes

de hidrgeno, es que, al disponerse las hebras unas al lado de otras, forman en conjunto

una superficie que, a primera vista, parece plana. De esta superficie salen las cadenas

laterales de los residuos de las hebras (FIGURA 33). En cada hebra, si un residuo i

sobresale, ms o menos perpendicularmente de una de las caras de la lmina, el

siguiente residuo, i+1, sobresale por la otra cara de modo que todos los residuos pares

de una hebra apuntan hacia el mismo semiespacio y los impares hacia el contrario. En

realidad, las hebras de las lminas suelen formar entre s ngulos de ~ 25, por lo que las

lminas estn alabeadas (un buen momento para consultar el Diccionario de la Real

18

Academia?). Un plano alabeado, tambin es un objeto quiral y puede estar alabeado a

izquierdas o a derechas. Las lminas de las protenas estn alabeadas a izquierdas.

Las lminas son ms o menos estables dependiendo de los aminocidos que las componen, de las interacciones que establecen las cadenas laterales de hebras

adyacentes y del empaquetamiento de la lmina con el resto de la protena de la que

forma parte. En general, la energtica de las lminas se comprende peor que la de las hlices , entre otras razones, porque tienden a ser insolubles en agua y, por tanto, ms difciles de estudiar.

12. Giros y bucles

Si las protenas slo contuviesen hlices o hebras , no seran otra cosa que filamentos extraordinariamente alargados de escasa utilidad. Para adquirir estabilidad

conformacional y poder generar complejas superficies de interaccin, la mayor parte de

las protenas adoptan estructuras globulares (es decir: sus formas son groseramente

esfricas). Para conseguir estas formas, el polipptido debe cambiar de direccin varias

veces, volver sobre s mismo y construir, adosando sus elementos de estructura

secundaria, algo parecido a una esfera. Las regiones en las que la cadena polipeptdica

cambia de direccin carecen de la repeticin de valores de ngulos y caracterstica de las hlices y hebras (de otra manera no habra cambio de direccin) y se denominan genricamente bucles. Los bucles pueden ser de distinta longitud y

aparecen, tpicamente, en la superficie de las protenas. Los bucles ms cortos se

denominan giros reversos y estn formados por tan slo cuatro residuos: los i e i+3

enlazados por puente de hidrgeno entre sus grupos CO y NH, respectivamente, y los

i+1 e i+2 sin enlazar. Hay dos tipos principales de giros reversos (tipos I y II) que se

diferencian en los ngulos y que adoptan los residuos i+1 e i+2 (FIGURA 34). Por otra parte, los giros cortos de cuatro residuos que conectan con frecuencia hebras de lminas antiparalelas se denominan giros de tipo I y II y sus residuos i+1 e i+2 presentan ngulos perfectamente definidos pero distintos de los caractersticos de los

giros reversos. En los giros abundan los residuos de glicina dado que los ngulos que

19

deben adoptar algunos de sus residuos se localizan en zonas del diagrama de

Ramachandran que estn prohibidas para los dems aminocidos.

13. Necesidad de la estructura secundaria

Recordemos una vez ms que en el diagrama de Ramachandran hay dos regiones

permitidas principales, una de las cuales permite la formacin de hlices cuando varios residuos consecutivos localizan sus ngulos en ella, y otra que permite la

aparicin de las hebras que constituyen, por asociacin, las lminas . Podra parecer, por tanto, que el hecho de que aproximadamente dos tercios de los residuos de las

protenas aparezcan formando parte de elementos de estructura secundaria responde

simplemente a las restricciones conformacionales impuestas por la geometra del enlace

peptdico. Sin embargo, tambin hemos visto que nada impide a largos segmentos de

las protenas adoptar conformaciones no peridicas (bucles) en las que los ngulos son

los mismos que los de las hlices o hebras, con la nica diferencia de que a lo largo de

dichas secuencias los ngulos helicoidales y de hebra se alternan de forma ms o menos caprichosa. La ubicuidad de la estructura secundaria en el interior de las

protenas exige, pues, una explicacin adicional. El hecho es que, aunque cuando una

protena se pliega para adoptar su conformacin nativa los residuos apolares tienden a

situarse en el interior mientras que los polares casi exclusivamente aparecen en la

superficie, el enterramiento de un residuo apolar arrastra necesariamente, sin

escapatoria, a los enlaces peptdicos a los que est asociado, y stos poseen grupos

polares (CO y NH). En el estado desplegado estos grupos polares interaccionan

favorablemente con el agua pero, al plegarse la protena, pierden tales interacciones lo

que significa que, si no ocurriera nada ms, centenares de enlaces de hidrgeno deberan

destruirse para poder plegar una protena y el proceso sera desfavorable. Para evitar

esta situacin, los grupos polares que quedan en el interior de las protenas

(fundamentalmente los CO y NH de los enlaces peptdicos), buscan pareja y establecen

puentes de hidrgeno con grupos vecinos. El emparejamiento debe ser maximizado para

evitar la destruccin neta de puentes de hidrgeno y es aqu donde los elementos de

estructura secundaria permiten, mucho mejor que las estructuras no peridicas,

emparejar los grupos polares de una forma eficaz. En el caso de las hlices , la propia

20

secuencia se encarga de formar todos los puentes de hidrgeno necesarios (utilizando

sus propios grupos peptdicos) y, en el caso de las hebras la disposicin estirada de las mismas permite, de forma sencilla, emparejar sus grupos peptdicos polares con los

de las hebras vecinas. En cuanto a los grupos polares de los extremos de las hlices o

de los bordes de las lminas, al quedar de forma natural situados cerca de la superficie

de la protena, pueden fcilmente encontrar molculas de agua con las que formar

puentes de hidrgeno. Aunque no est claro todava, por sorprendente que parezca, si

los puentes de hidrgeno de las protenas las hacen ms estables (pues se forman a

expensas de la rotura de puentes semejantes con las molculas del disolvente en el

estado desplegado; ver captulo 7), resulta evidente que todos los grupos polares que

quedan enterrados en la estructura nativa deben tener pareja y que los elementos de

estructura secundaria son probablemente la nica forma capaz de garantizar el

emparejamiento de todos los grupos polares del enlace peptdico y, al mismo tiempo, la

adopcin de una estructura compacta, estable, sin huecos en el interior. Por esta razn,

los puentes de hidrgeno son probablemente el tipo de interaccin que ms

directamente contribuye a establecer la estructura tridimensional de las protenas. En

cuanto a los bucles que conectan a los distintos elementos de estructura secundaria de

una protena, su localizacin en la superficie proteica garantiza la buena solvatacin de

sus grupos peptdicos y les permite adoptar conformaciones variadas.

Bibliografa:

Libros recomendados:

Introduction to Protein Structure, 2nd edition, Garland Publishing, 1999. C. Branden and J. Tooze

Introduction to Protein Arquitecture, Oxford University Press, 2001. A.M. Lesk. Proteins. Structures and Molecular Properties. 2nd edition, W.H. Freeman and

Co. New York, 1994. T. E. Creighton.

Cursos en Internet:

21

Principles of Protein Structure: Internet course from Birkbeck college http://pps.life.nthu.edu.tw/PPS2/top.html

Protein architecture: in Biochemistry in 3DLehninger Principles of Biochemistry

http://www.worthpublishers.com/lehninger3d/stills/index.html

22

Leyendas de las figuras

FIGURA 1. Estructura general de los -aminocidos que forman las protenas. El denominado carbono tiene cuatro sustituyentes distintos: un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2), un tomo de hidrgeno y un grupo adicional (R),

diferente en cada uno de los aminocidos. Los grupos carboxilo y amino se representan

en su estado de ionizacin predominante a pH neutro.

FIGURA 2. Isomera ptica de los -aminocidos. Se representa, como ejemplo, un modelo de bolas y varillas de los dos ismeros pticos de la alanina Los tomos de

oxgeno se muestran en rojo, el de nitrgeno en azul oscuro, los de carbono en gris y los

de hidrgeno en azul claro. El estado de ionizacin es el que corresponde a pH neutro.

FIGURA 3. Nomenclatura D/L de los ismeros pticos de los -aminocidos. Los ismeros de los -aminocidos se denominan D o L en atencin a su semejanza con el D y L-gliceraldehido, respectivamente. Se representa la serina. Los aminocidos de las

protenas son todos L.

FIGURA 4. Propiedades y nomenclatura de los aminocidos codificados

genticamente. Se recoge, para cada aminocido, la abreviaturas de 3 y de 1 letras, la

masa molecular, los pKa de sus grupos amino y carboxilo (y de su cadena lateral, si

procede), el punto isoelctrico y la abundancia relativa en un conjunto representativo de

1150 protenas (Doolittle, R.F. (1989) en Prediction of protein structure and the

principles of protein conformation (Fasman G.D., ed)Plenum Press, New York, pp 599-

623).

FIGURA 5. Estructura covalente y clasificacin de los 20 aminocidos codificados

genticamente. Los aminocidos de cadena lateral apolar se pintan en amarillo, con un

fondo ms claro para los aromticos. Los polares neutros se pintan en verde, los

cargados positivamente en azul y los cargados negativamente en rojo.

FIGURA 6. Espectros de absorcin en el ultravioleta cercano de los aminocidos

aromticos tirosina y fenilalanina. Los espectros corresponden a disoluciones de

23

concentracin aproximada 1 mM. El espectro de la fenilalanina es de menor intensidad

y apenas contribuye a la absorbancia a 280 nm de las protenas.

FIGURA 7. Puentes disulfuro entre residuos de cistena. La oxidacin de dos

residuos de cistena que estn prximos y con la orientacin adecuada ocurre

espontneamente en la atmsfera dando lugar a un enlace covalente entre dos tomos de

azufre que se denomina puente disulfuro. Como el potencial rdox del citosol es

reductor, los puentes disulfuro slo se encuentran en protenas extracelulares. Cistina es

un nombre que se utiliza, en ocasiones, para referirse a dos cistenas unidas por puente

disulfuro.

FIGURA 8. Curvas de titulacin de los aminocidos. A la izquierda se muestra la

titulacin de la glicina, los pKa de sus grupos carboxilo y amino y su punto isoelctrico.

En las proximidades de los pKas los grupos carboxilo y amino actan como tampones.

En la parte superior se muestran las especies inicas predominantes de la glicina en las

distintas zonas de pH. A la derecha aparecen las curvas de titulacin de dos

aminocidos (histidina y glutmico) cuyas cadenas laterales tambin son ionizables.

24

FIGURA 9. Polimerizacin de aminocidos con prdida de grupos ionizables

amino y carboxilo. Al formarse los enlaces peptdicos los grupos amino y carboxilo

desaparecen como tales. En un pptido, slo los grupos amino de un extremo y

carboxilo del otro se mantienen como tales. Estos dos grupos, junto con las cadenas

laterales ionizables de algunos aminocidos son los responsables principales de la

solubilidad en agua de las protenas.

FIGURA 10. Reparto de aminocidos entre fase orgnica y agua. Para cuantificar

la tendencia de los aminocidos a agruparse evitando contacto con el agua se realizan

experimentos de reparto entre un disolvente orgnico, que se supone que representa

adecuadamente el interior apolar de las protenas, (octanol habitualmente) y agua. En

lugar de los aminocidos, se utilizan compuestos modelo (aminocidos con el extremo

amino acetilado y el extremo carboxilo amidado) que representan mejor el modo en que

aparecen en las protenas. Midiendo la concentracin de cada uno de los compuestos

modelo en las dos fases se puede determinar sus constantes de reparto y, a partir de

ellas, las energas libres de transferencia.

FIGURA 11. Energas estadsticas de reparto de residuos entre el interior y el

exterior de las protenas. Para calcularlas, se cuenta el nmero de veces en que un

residuo determinado (por ejemplo: alanina) aparece expuesto al disolvente en la

superficie de un conjunto de protenas, y el nmero de veces que aparece enterrado en el

interior de dichas protenas. Dividiendo los dos nmeros, se puede calcular, para cada

aminocido, su constante de reparto estadstico entre el interior y exterior de las

protenas y, de ah, su energa libre de tranferencia estadstica entre el interior y el

exterior. Cuando se comparan estas energas con las de reparto entre fase orgnica y

agua (FIGURA 10) se encuentra una buena correlacin lineal que indica que la

disposicin de los aminocidos en el interior o exterior de las protenas segn su

polaridad est gobernada por el efecto hidrfobo.

25

FIGURA 12. Condensacin de aminocidos. La formacin del enlace peptdico

entre dos aminocidos es una reaccin de condensacin en la que se libera una molcula

de agua. En disolucin acuosa, no es una reaccin espontnea, por lo que la sntesis de

protenas requiere energa.

FIGURA 13. Frmula del aspartamo. El aspartamo es un conocido edulcorante

artificial que consiste en un dipptido de cido asprtico y fenilalanina, con el extremo

carboxilo metilado.

FIGURA 14. Resonancia del enlace peptdico. Al formarse el enlace peptdico, el

tomo de nitrgeno conserva un par de electrones. Este par de electrones puede ser

compartido con el tomo de carbono del enlace a condicin de que ste rompa uno de

sus enlaces con el oxgeno. De esta manera, aparece una forma resonante inica, con

doble enlace, que presenta carga positiva en el nitrgeno y negativa en el oxgeno. En

realidad, como ocurre cuando cualquier molcula presenta formas resonantes, el

comportamiento del enlace peptdico refleja un compromiso entre las dos formas y, as,

su longitud es intermedia entre las de los enlaces CN sencillo y doble que se observan

en otros compuestos. Lo ms importante en que el carcter de enlace doble (aunque

parcial) que caracteriza al enlace peptdico, va a determinar muchas de las propiedades

de las protenas.

FIGURA 15. Geometra del enlace peptdico. Los tomos C, C y O del primer aminocido y los tomos N, H y C del segundo permanecen necesariamente en el mismo plano debido al carcter doble del enlace doble, que se perdera si hubiese

rotacin respecto al enlace C-N. Se muestran las distancias de enlace y los ngulos

entre los tomos del plano peptdico.

FIGURA 16. Isomera cis/trans del enlace peptdico. Al ser un enlace doble,

aparecen dos ismeros: cis (con los carbonos al mismo lado) y trans. El ismero trans es ms estable al minimizar las repulsiones estricas. Es la forma que aparece

habitualmente en las protenas.

26

FIGURA 17. Isomera cis/trans de la prolina. La prolina constituye una excepcin

al presentar poca diferencia de energa entre los ismeros cis y trans de los enlaces X-

Pro. Esto es debido a que el ismero trans est ms desestabilizado que en los otros

aminocidos por la peculiar forma de la cadena lateral de la prolina. A pesar de ello la

forma trans sigue siendo la ms estable y predomina en las protenas, aunque no es

infrecuente observar enlaces X-Pro en cis.

FIGURA 18. Momento dipolar del enlace peptdico. La polaridad de los enlaces

C=O y N-H determina que el grupo peptdico CONH presente momento dipolar. Estos

momentos se alinean en las hlices (FIGURA 26).

FIGURA 19. ngulos y de los residuos de las protenas. El ngulo mide el giro en torno al enlace que une el carbono de un residuo i con el N (situado en el plano peptdico anterior) del mismo residuo. Su valor es de 0 cuando los tomos C

(carbonlicos) de los residuos i-1 e i quedan eclipsados en cis, y aumenta su valor

cuando, mirando desde el N hacia el carbono el C del residuo i gira en el sentido de las agujas del reloj. El ngulo mide el giro en torno al enlace que une el carbono con el C del mismo residuo en el plano peptdico posterior (de forma semejante, vale

cero cuando los N de los residuos i e i+1 quedan eclipsados en cis)

(http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/misc/biop.html).

FIGURA 20. Valores prohibidos de los ngulos y Fijado el valor de uno de los dos ngulos, el otro ngulo no puede adoptar cualquier valor, pues en algunos casos

apareceran choques estricos inaceptables. Por esta razn, hay muchas parejas de

valores de los ngulos de un residuo determinado que nunca se van a dar. A estas

parejas se las considera valores prohibidos, aunque muchos de ellos lo son slo hasta

cierto punto pues, en presencia de otros efectos estabilizadores, pueden llegar a ser

observados. En la figura se representa el conflicto estrico que impide la adopcin

simultanea de valores de cero grados para los dos ngulos.

FIGURA 21. Diagrama de Ramachandran. Consiste en una representacin en dos

dimensiones de los valores posibles de los ngulos y de los residuos de las protenas. Fue concebida y caracterizada por Ramachandran y colaboradores. Es

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habitual colorear en el diagrama las zonas en que se concentran las parejas de valores

permitidas. Las zonas con color intenso son las ms favorables energticamente.

FIGURA 22. ngulos experimentales de los residuos de una protena. A la

izquierda se representan sobre el diagrama de Ramachandran los valores de los ngulos

de cada uno de los residuos de una protena de estructura tridimensional conocida (salvo

sus glicinas). Como se puede observar, con poqusimas excepciones, los ngulos recaen

en las zonas permitidas. A la derecha se representan nicamente las glicinas de la

misma protena. Se puede ver que estos residuos gozan de mayor libertad

conformacional debido a su pequea cadena lateral y que sus ngulos se adentran con

frecuencia en regiones que estn prohibidas a los dems residuos. Todas las protenas

se comportan de igual manera.

FIGURA 23. ngulos de torsin de las cadenas laterales. Adems de en torno a los

ngulos y , las protenas pueden efectuar giros en torno a algunos enlaces de sus cadenas laterales. Los ngulos de giro de estos enlaces (que conectan los carbonos y , yy, etc) se denominan 1 2 3, ...

FIGURA 24. Rotmeros de las cadenas laterales. Las distintas conformaciones que

puede adoptar un residuo al girar en torno a los enlaces de su cadena lateral se

denominan rotmeros. En general, se adoptan conformaciones alternadas (ms estables)

que reciben los nombres de trans, gauche+ y gauche, segn el valor concreto del

ngulo . Se representan las conformaciones alternada y eclipsada del etano (a) y los tres rotmeros de la serina (b).

FIGURA 25. Estructura secundaria y diagrama de Ramachandran. Los elementos

de estructura secundaria ms caractersticos de las protenas, las hlices y las hebras de las lminas , estn formados por residuos consecutivos de la secuencia cuyos ngulos y aparecen en una de las dos grandes zonas permitidas del diagrama. Por el contrario, cuando los ngulos de varios aminocidos consecutivos se reparten entre

las dos zonas, no se forma estructura secundaria sino que aparece un bucle en que el

polipptido puede cambiar de direccin. Las hlices de las protenas son R.

28

FIGURA 26. Geometra de la hlice . Las hlices contienen 3.6 residuos por vuelta y, en cada vuelta, avanzan 5.4 , por lo que cada residuo avanza 1.5 a lo largo

del eje de la hlice. Cada grupo CO (salvo los 4 del extremo C) est enlazado por

puente de hidrgeno al grupo HN del aminacido situado en posicin i+4. Los 4 grupos

HN del extremo N, obviamente, no forman puente de hidrgeno intrahelicoidal. Los

dipolos de los grupos CONH estn alineados con el eje de la hlice dando lugar a la

aparicin de carga parcial negativa en el extremo C y carga parcial positiva en el

extremo N de la hlice. Debido a esta carga parcial positiva y a la presencia de grupos

NH libres, formadores de puentes de hidrgeno, los extremos N de las hlices alfa

constituyen buenos sitios de unin de moleculas fosforiladas. Los residuos de las

hlices se caracterizan por adoptar ngulos y en torno a 58 y -47, respectivamente.

FIGURA 27. Las cadenas laterales en las hlices . Las cadenas laterales salen del cilindro abrazado por la hlice apuntando ligeramente hacia el extremo N. Sus vecinas

ms cercanas no son las cadenas laterales de los residuos que las flanquean sino las de

los residuos a i+ 3 e i+4 (que quedan justo encima en direccin C) y las de los residuos

a i-3 e i-4 (que quedan debajo). Las interacciones entre residuos con estos

espaciamientos contribuyen significativamente a estabilizar las hlices .

FIGURA 28. Quiralidad de las hlices . Las hlices son objetos quirales que presentan dos orientaciones distintas. Las hlices de las protenas son R y sus residuos describen la trayectoria de los dedos de una mano derecha al cerrarse mientras

el dedo pulgar extendido avanza por el eje de la hlice hacia el extremo C terminal.

FIGURA 29. Distorsiones de las hlices Respecto al modelo ideal, las hlices de las protenas muestran diversas distorsiones debido a la presencia ocasional de prolinas

(que producen un quiebro de la hlice, (a)), a su tendencia a curvarse para optimizar los

puentes de hidrgeno de los grupos CO con el agua (c) y, sobre todo, al

empaquetamiento con el resto de la protena (b) mediante el cual se estabiliza la

estructura tridimensional de la misma.

29

FIGURA 30. Representacin de rueda helicoidal y exposicin de la hlice al disolvente. Al representar de esta manera la posicin de las cadenas laterales de una

hlice vista desde un extremo, se puede apreciar como en las hlices anfipticas (con

una cara expuesta al disolvente y otra empaquetada contra el resto de la protena) los

residuos apolares se concentran en un lado (a), en las hlices enterradas todo son

residuos apolares (b) y en las hlices completamente expuestas (poco abundantes) los

residuos polares se distribuyen por toda la rueda (c). Esta representacin permite

predecir la exposicin al disolvente de una secuencia predicha como hlice sin conocer

la estructura tridimensional.

FIGURA 31. Geometra de las lminas Las hebras que forman las lminas adoptan una conformacin extendida (con ngulos y de 120 y +120, respectivamente) que les permite asociarse con otras hebras vecinas mediante puentes

de hidrgeno. En las hebras cada residuo avanza 3.5 a lo largo del eje de la hebra. Hay dos orientaciones posibles de dos hebras que se asocian para constituir una lmina.

En la orientacin paralela ambas hebras se disponen en el mismo sentido NC mientras

que en la orientacin antiparalela una hebra corre en sentido contrario a la otra.

FIGURA 32. Lminas paralelas y antiparalelas. Esquema de lminas paralelas y antiparalelas mostrando los puentes de hidrgeno entre las hebras. Una lmina mixta es, simplemente la que contiene algunas hebras dispuestas en paralelo y otras

antiparalelamente.

FIGURA 33. Cadenas laterales en las lminas . En una hebra (a) las cadenas laterales de los residuos pares apuntan hacia un lado del plano de la lmina de la que

forma parte (b) y las de los impares hacia el otro lado. As, tampoco en las lminas se establecen interacciones entre cadenas laterales de residuos consecutivos sino entre

residuos de hebras adyacentes.

FIGURA 34. Giros reversos. Son la forma ms sencilla de invertir el sentido de

avance de un polipptido. Constan de cuatro residuos (con enlace de hidrgeno entre el

primero y el cuarto). Los ngulos y de los residuos centrales tienen que adoptar valores perfectamente definidos. Como algunos de estos valores caen en zonas

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prohibidas del diagrama de Ramachandran, las glicinas son muy abundantes en los giros

reversos.