Guia Completa de Proteïnes i Aminoàcids: Estructura i Funcions

Proteïnes: Funcions i Estructura

Les proteïnes intervenen en la pràctica totalitat dels processos que tenen lloc a les cèl·lules. La importància del seu paper es posa de manifest pel fet que la informació genètica codifica per a proteïnes i no per a glúcids o lípids. Són les macromolècules més abundants i les més versàtils quant a les funcions que poden desenvolupar.

Estructura General dels Aminoàcids

Les proteïnes són polímers formats per la condensació d'aminoàcids (monòmers). Un cop els monòmers s'incorporen al polímer (macromolècula), solen rebre el nom de residu. Els aminoàcids tenen noms comuns que sovint deriven de la font a partir de la qual es van aïllar. Els 20 aminoàcids que s'incorporen a les proteïnes via ribosoma reben el nom d'aminoàcids estàndard.

Tots els aminoàcids que trobem a les proteïnes són α-aminoàcids: tenen el grup carboxil (àcid) i el grup amino (bàsic) units a un mateix àtom de carboni, el Cα. El tercer substituent és sempre un hidrogen. El quart substituent o grup R és diferent per a cada aminoàcid en particular i és el que li confereix la seva especificitat química particular. Hi ha dues convencions per identificar els carbonis dels aminoàcids: una a partir del Cα i l'altra en la qual el C1 és el carboni del grup carboxil unit al Cα.

Aminoàcids com a Àcids i Bases Febles

En solució, els aminoàcids es poden trobar en forma de zwitterió (ió híbrid o dipolar) i es comporten com a àcids o bases. El punt isoelèctric és aquell pH en el qual la càrrega neta de la molècula és 0.

Isòmers Configuracionals: Estereoisòmers

A més dels isòmers geomètrics (cis-trans), existeix un segon tipus d'isomeria configuracional, que apareix quan un àtom de carboni presenta quatre substituents diferents (carboni asimètric). Un carboni asimètric esdevé un centre quiral. Dos estereoisòmers no es poden superposar per més que girin.

Els Aminoàcids Estàndard són L-Aminoàcids

Tots els aminoàcids estàndard (excepte la glicina, on R és H) tenen un centre quiral i, per tant, presenten dos estereoisòmers. Els aminoàcids es classifiquen com a D o L en lloc de fer servir el sistema R/S habitual. La nomenclatura D/L és originària de Fischer. El carboni quiral se situa al centre de la molècula i a la part superior el grup carboxil. Si el grup amino queda a la dreta, és configuració D. Si queda a l'esquerra, és configuració L. Els residus que trobem a les proteïnes són exclusivament estereoisòmers L. Només trobem aminoàcids D en pèptids que no se sintetitzen als ribosomes.

Classificació dels Aminoàcids

Grups R Apolars i Alifàtics

L'alanina (Ala), la valina (Val), la leucina (Leu) i la isoleucina (Ile) són aminoàcids hidrofòbics i tendeixen a agrupar-se a l'interior de les proteïnes. La glicina (Gly), encara que apolar a nivell formal, no contribueix significativament a l'efecte hidrofòbic perquè la seva cadena lateral és molt petita. La prolina (Pro) és difícil d'encaixar en cap classificació, però comparteix moltes característiques dels aminoàcids hidrofòbics. El seu grup amino forma un heterocicle amb el grup R que li confereix algunes característiques específiques.

Grups R Apolars i Aromàtics

La fenilalanina (Phe) és un dels aminoàcids més hidrofòbics. La tirosina (Tyr) i el triptòfan (Trp) no ho són tant perquè contenen algun grup polar a l'anell. Els aminoàcids d'aquest grup, a l'igual que la majoria de compostos amb anells aromàtics, absorbeixen la llum ultraviolada, fet que s'aprofita com a base per a un mètode per quantificar proteïnes espectrofotomètricament.

Grups R Polars i Sense Càrrega

Són aminoàcids que presenten grups -OH o -SH a les cadenes laterals. La presència de grups polars fa que aquests aminoàcids siguin hidrofílics. La cisteïna (Cys) és interessant per dos aspectes:

• Es pot ionitzar a pH alcalí.
• Un parell de cisteïnes poden oxidar-se per formar un pont disulfur.

Els ponts disulfur són molt importants per al manteniment de l'estructura de les proteïnes.

Grups R Carregats Positivament (Bàsics)

Els aminoàcids d'aquest grup són fortament polars i és freqüent trobar-los a la superfície de les proteïnes, interaccionant amb el seu entorn aquós. A l'interior de les proteïnes, el pKr de la histidina (His) pot pujar fins a pH 7, amb la qual cosa es protona més fàcilment (catàlisi enzimàtica).

Grups R Carregats Negativament (Àcids)

Aquests aminoàcids també són fortament polars i és freqüent trobar-los a la superfície de les proteïnes. Són els únics aminoàcids carregats negativament a pH 7. Com que els grups R estan desprotonats a aquest pH, sovint se'ls anomena amb el nom de la sal en lloc de l'àcid (p. ex., aspartat, glutamat).

Altres Tipus d'Aminoàcids

Modificacions Posttraduccionals dels Aminoàcids

Les proteïnes poden contenir aminoàcids no estàndard mitjançant la modificació química posterior: el col·lagen té hidroxiprolina i hidroxilisina, la miosina conté metil·lisina i la protrombina, carboxiglutamat. Un cas a part és la selenocisteïna, que s'incorpora a les selenoproteïnes durant la síntesi de proteïnes de bacteris i animals.

Aminoàcids no Proteinogènics

A part dels 20 aminoàcids estàndard i les seves modificacions, hi ha més de 300 aminoàcids més dins la cèl·lula que participen en el metabolisme com a substrats, cofactors, hormones, etc. Són especialment importants l'ornitina i la citrul·lina, que participen en la síntesi d'arginina (Arg) i en el cicle de la urea.

L'Enllaç Peptídic

Característiques de l'Enllaç Peptídic

Dos aminoàcids es poden unir de forma covalent mitjançant un enllaç peptídic. Aquest enllaç es forma per deshidratació del grup α-carboxil d'un aminoàcid amb el grup α-amino d'un altre. L'enllaç peptídic es pot considerar com un doble enllaç parcial, ja que en realitat es produeix una ressonància entre tres estructures diferents. Això té conseqüències importants:

• No hi ha possibilitat de rotació: Els sis àtoms implicats estan en un mateix pla.
• Configuració trans: És la configuració més estable i predominant.
• Polaritat: L'oxigen (O) té una càrrega negativa parcial i el nitrogen (N) té una càrrega positiva parcial.

Rotació i Nomenclatura de Pèptids

Els únics enllaços amb capacitat de rotació a la cadena principal són l'enllaç N-Cα (angle phi, Φ) i l'enllaç Cα-C (angle psi, ψ). La formació d'enllaços peptídics deixa sempre un extrem N-terminal lliure i un extrem C-terminal lliure. Per convenció, les seqüències aminoacídiques s'escriuen sempre en sentit N-terminal a C-terminal.

Generalment, una cadena de 2 a 50 aminoàcids s'anomena pèptid, mentre que una de més de 50 s'anomena polipèptid o proteïna.

Comportament Àcid-Base dels Pèptids

És possible predir el comportament àcid-base d'un pèptid a partir dels valors de pK dels seus grups N-terminal, C-terminal i els diferents grups R ionitzables en cadascun dels seus residus.

Nivells d'Estructura de les Proteïnes

Estructura Primària

La descripció d'una estructura tan gran com la d'una proteïna es divideix en nivells de complexitat creixents:

• Estructura primària: És el nivell de complexitat més simple. Consisteix a descriure la seqüència d'aminoàcids i els ponts disulfur que puguin existir.
• Estructures d'ordre superior: Tenen a veure amb la distribució espacial dels àtoms a la proteïna (secundària, terciària i quaternària).

El coneixement de la seqüència d'una proteïna permet predir dades sobre la seva estructura i la seva funció.

Determinació de la Seqüència: Reacció d'Edman

La reacció d'Edman permet determinar la seqüència de pèptids petits (20-50 aminoàcids). El fenil isotiocianat és capaç de reaccionar específicament amb el grup N-terminal del pèptid. Si després s'acidifica el pH, s'allibera el primer aminoàcid. Mitjançant mètodes cromatogràfics es pot identificar de quin aminoàcid es tracta.

Acomplament de la Seqüència Completa

Els polipèptids llargs es poden trencar en fragments peptídics més petits mitjançant enzims proteolítics o agents químics. Els pèptids obtinguts es poden separar per tècniques cromatogràfiques. Les seqüències de solapament entre diferents fragments permeten determinar la seqüència completa del polipèptid original.