AMINOÁCIDOS: LAS PIEZAS “LEGO” QUE CONSTITUYEN Y CONSTRUYEN VIDA

AMINOACIDOS: LAS PIEZAS “LEGO” QUE CONSTITUYEN Y CONSTRUYEN VIDA. Fica, A., Zapata, P. & Morales, L. Viernes 04 de Abril del 2014. Resumen Los AAs, son las Los L-Aminoácidos (AAs), son unidades monomericas básicas de las proteínas (péptidos) que constituyen la vida. Cada AA, tiene propiedades físico-químicas diferentes. A través de una revisión bibliográfica y modelaje tridimensional de los AAs, utilizando el programa Jmol, se pudo describir sus principales características; qué tipo de interacciones existen entre los AAs y el medio; los AAs que juegan un rol clave en la constitución de proteínas. Las cadenas –R de los AAs, son las que determinan las propiedades físico-químicas de cada AAs. El conjunto de interacciones, ya sea polares, hidrófobas, iónicas y covalentes, son las que mantienen la integridad de la proteínas, sin embargo, esta unidad será manipulada, principalmente por las condiciones de pH del medio. Las diferentes representaciones estructurales moleculares de los AAs, tienen diferentes ventajas en relación al tipo de información que se desea obtener de los residuos individuales o bien de la estructura completa de una proteína. Introducción Los L-Aminoácidos (AAs), son unidades monomericas básicas de las proteínas (péptidos) que constituyen la vida. Cada AA está compuesto por un átomo de carbono quiral (a excepción de la glicina), también llamado carbono alfa (Cα), al cual se le unen covalentemente un grupo amino (-NH2) y un grupo carxilo (-COOH) (por convención a la izquierda y derecha respectivamente), además de un hidrogeno y un radical (-R). Los AAs se pueden unir a través de enlaces peptidicos entre el grupo -NH2 y –COOH terminales de cada residuo. El grupo -R, le otorga diferentes propiedades físico-químicas a cada AA. Estas características se pueden analizar con respecto a la interacción con el medio acuoso, ya sea en relaciones hidrófilicas e hidrófobas. Esto está estrechamente ligado a la polaridad de los AAs y se traduce en la formación de puentes hidrógenos e interacciones hidrófobas, entre AAs polares y apolares respectivamente. Además el grupo –R puede otorgar propiedades de ionización, las cuales le permitirán formar enlaces iónicos entre átomos de diferentes carga. La Cisteina, un AA polar, presenta y grupo sulfidrilo (-SH) en su –R, y en determinadas condiciones de pH (pK), podrá formar un enlace (bisulfuro) covalente con otra cisteína, generando la cistina. Los distintos niveles estructurales de una proteína, estarán sustentados por la interacción que se generen entre los AAs. Por lo tanto, las características y propiedades físico-químicas individuales, serán un factor clave para la

modelación tridimensional de las proteínas. El presente informe, tiene como objetivo analizar y comparar las características de algunos AAs; las estructuras moleculares, utilizando diferentes representaciones, y además dar un pronóstico de cómo loa AA pueden interactuar con el medio, para formar parte de una proteína. Materiales y métodos El presente trabajo se desarrollo bajo una modalidad teórico-práctico. Se efectuó una revisión bibliográfica de las principales características de los AAs. El programa Jmol, fue utilizado para modelar la estructura tridimensional de algunos AAs. Las representaciones utilizadas fueron: varillas y bolas, alambres, CPK. Resultados Cisteína y su importancia La cisteína es un aminoácido proteinogénico cuya cadena -R es un grupo tiol (-SH). Este grupo con ere una gran reactividad a la molécula de cisteína, siendo el tiol el que participa en las reacciones en las que participa la cisteína, actuando como nucleó. Un aspecto importante de la gran reactividad del grupo tiol de la cisteína es su gran afinidad por los iones metálicos. Se une a metales como Fe, Zn, Cu o Ni, originando proteínas enlazadas a metales que son esenciales para el desarrollo de la vida. Pero además el grupo tiol de la cisteína tiene también una gran a afinidad por los metales pesados y existen proteínas que enlazan Cd, Hg, Pb, como sistemas defensivos frente a estos contaminantes. El tiol también es susceptible a la oxidación para dar lugar a un puente disulfuro entre dos moléculas de cisteína mediante un enlace covalente fuerte. Este enlace es muy importante en la estructura, plegamiento y función de las proteínas, facilitando la estabilidad de las mismas. El puente disulfuro puede producirse entre dos cisteínas de una única cadena o entre dos cadenas separadas. Además, algunas proteínas pueden sufrir procesos de reducción oxidación de los puentes disulfuros de forma reversible como un mecanismo de regulación redox de sus funciones (Alvares y col., 2010).

Histidina y su rango de pH La Histidina se encuentra en el rango de pH 7,59. El estado de protonación se obtiene a un pH menor a 1,82, donde el grupo carboxílico no esta disociado (-COOH) y los dos grupos aminos están protonados (-NH3). AAs esenciales y no esenciales Los AAs esenciales son aquellos que el organismo no puede sintetizar y debe por lo tanto, proceder de fuentes exógenas. Los AAs

Estado de protonación de La Histidina

La Histidina a pH 7,59

no esenciales son aquellos que el organismo si puede sintetizar y no es necesario ocurrir a fuentes exógenas (Patiño, 2006). Las propiedades de la tirosina se deben a la naturaleza de su cadena lateral, su reactividad y la conformación de las cadenas proteicas que forman. Lo mismo ocurre en fenilalanina, pero una de las grandes diferencias son sus estructuras de las cadenas laterales, para el caso de la tirosina tiene como radical un grupo fenilo y la fenilalanina tiene en el radical un grupo bencénico (Ver Tabla Nro. 1). La glutamina tiene en la cadena lateral un grupo amida en cambio el glutamato tiene un grupo carboxilo en su cadena lateral. Y estas mismas diferencias estructurales se repiten para asparragina y aspartato (Ver Tabla Nro. 1). La lisina y la arginina actúan químicamente como bases y eso se debe a sus cadenas lateras ya que posee grupos aminos. La gran diferencia se debe a sus estructuras la lisina posee un grupo amino terminal, en cambio la arginina posee en la cadena lateral dos aminos terminales y un amino intermedio (Ver Tabla Nro. 1). Los demás resultados se encuentran en el ANEXO. Discusión Propiedades de los AAs y su relación con la estructuración de proteínas y péptidos. Los AAs forman parte de los 4 niveles estructurales de las proteínas, sin embargo la manera en que interactúan entre sí, es diferente para cada nivel y su participación en la estructuración de

proteínas también lo será. En el nivel estructural más básico, solo existe la unión entre AA a través de los enlaces peptidicos. En él según nivel estructural, entran en juego los enlaces de hidrogeno, los cuales se forman a través de la interacción entre un átomo de hidrogeno y un elemento electronegativo (e.v. [O]) (Hart y col. 1995). Estas uniones entre AAs, producen principalmente conformaciones estructurales tipo α-helice y lamina β plegada, sin embargo, los enlaces que dan forma a estas estructuras, son generados a través del oxigeno, del grupo carbonil de un aminoácido y un hidrogeno del grupo amino de otro (Lodish y col. 2000). Por lo tanto los grupos –R de los AAs, no participan, quedando distribuidos hacia los costados de la conformación estructural secundaria. Sin embargo, los grupos –R, debido a ser por ejemplo: hidrofilicos o hidrofobicos, le otorgaran estas características a la conformación estructural y por lo tanto, parte de ella presentara propiedades hidrofilicas o hidrofobicas. Se debe señalar, que determinados AAs, presentaran una mayor tendencia a generar conformaciones estructurales secundarias (Abvelj, 2000).

El tercer nivel estructural de las proteínas, está constituido principalmente por

la unión de conformaciones secundarias (α-helice o lamina β plegada), las cuales están unidas a través de enlaces de hidrogeno e iónicos, interacciones hidrófobas, enlaces bisulfuro y las fuerzas de Van Der Waals (Chamberlain y Bowie, 2002; Pace y col., 2011; Merz y col., 2008). Esta conformación estructural, y como se menciono anteriormente, presentara regiones con diferentes propiedades, basadas en la presencia de diferentes –R. Los enlaces de hidrogeno serán generados a partir de AAs polares no ionizables (S, T, N y Q) y la Tirosina; los enlaces iónicos a través de AAs ionizables (K, H, R, D & E); las interacciones hidrófobas por AAs alifáticos (A, V, L, I, M & P); el enlace bisulfuro obviamente por la cisteína. Debido a que los AAs apolares son hidrófobos, estos tenderán a ubicarse en la regiones interiores de una proteína, lejos del contacto con el medio acuso. Lo contrario sucederá con los AAs polares, los cuales se ubicaran generalmente en las regiones en contacto con el agua. Esta predisposición espacial de los AAs, generara determinadas estructuras tridimensionales las cuales intentaran acoplarse de la mejor manera en el espacio. Un rol importante jugara los enlaces bisulfuro, los cuales generalmente, se ubicaran el exterior de la proteína, haciendo una función de “corchetes”, con el fin de mantener “ajustada” la estructura tridimensional, previniendo su deformación. La conformación de la estructura cuaternaria, estará sustentada por la unión de estructuras terciarias mediante las mismas interacciones que une a este último nivel de conformación. Un aspecto, que se debe considerar es que no todas las proteínas, poseen una actividad catalítica. Algunas proteínas poseen funciones estructurales, como las proteínas de membrana, sin

embargo estas se rigen bajo las mismas condiciones que las enzimas. Esto quiere decir, que por ejemplo, tendrán porciones o dominios hidrifilicos, los cuales estarán en contacto con el agua y otros hidrofobicos los cuales estarán en contacto con la membrana lipidica. Estas proteínas pueden tener diversas funciones, pero diferentes AAs serán claves en su funcionamiento (Cosson y col., 2013). Estructura de las proteínas y su interacción con el medio. La estructura y funcionalidad de una proteína, ya sea una enzima, proteína transmembrana o de otro tipo, está estrechamente ligado con las propiedades individuales de los AAs que la constituyen. Sin embargo, el pH del medio en el cual se encuentran, es quizás el factor más importante en relación a las funciones biológicas de las proteínas (Vavassori y col., 2013). Representaciones estructurales de las proteínas y su relación con la bio-informática. Las diferentes representaciones estructurales, tales como: varillas y bolas, alambre, CPK, permiten mostrar la estructura tridimensional de AAs y proteínas, sin embargo, la utilización de cada una de ellas, estará basada en la información que se presenta obtener de cada representación. La representación de varillas y bolas, será útil para identificar los átomos y los enlaces que participan en una proteína. La representación de alambre, será útil para obtener información de los enlaces que se forman en las proteínas. La representación CPK, es útil para verificar el espacio tridimensional que ocupa una proteína, ya que representa las fuerzas de Van Der Waals que interactúan entre las diferentes conformaciones. Conclusión Todos los AAs tienen una composición estructural similar sin embargo se diferenciaran mediante el grupo –R que esta unido al Carbono alfa. Los AAs pueden forman diferentes interacciones entre residuos, lo que permitirá el desarrollo de conformaciones estructurales complejas. Las diferentes representaciones estructurales de los AAs, serán utilices, dependiendo de la información que se desea obtener de ellas.

Bibliografía. Abvelj F. Amino Acid Conformational Preferences and Solvation of Polar Backbone Atoms in Peptides and Proteins. Journal Molecular Biology. 2000. 300:1335-1359 Álvarez C, Calo L, Romero L, García I, Gotor C. An O-Acetylserine(thiol)lyase Homolog with LCysteine Desulfhydrase Activity Regulates Cysteine Homeostasis in Arabidopsis. Plant Physiology 2010 Febrero;152(2):656-669. Chamberlain A, & Bowie J. Evaluation of C–H· · ·O Hydrogen Bonds in Native and Misfolded Proteins. . Journal Molecular Biology. 2002. 322:497-503 Cosson P, Perrin J, & Bonifacino J. Anchors aweigh: protein localization and transport mediated by transmembrane domains. 2013. Trends in Cell Biology, October ; 23(10):511-517 Hart H, Hart D & Craine L. Química orgánica. Cuarta edición. Capitulo 9. Mcgraw-Hill. 1995. 255288 Lodish H, Berk A, Zipursky S, Matsudaira P, Baltimore D, & Darnell J. Molecular Cell Biology. Quinta edición. W. H. Freeman and Company. 59-101 Merz T, Wetzel S, Firbank S, Plückthun A, Grütter M, &. Mittl P. Stabilizing Ionic Interactions in a Full-consensus Ankyrin Repeat Protein. Journal Molecular Biology. 2008. 376: 232–240 Pace C, Fu J, Lee K, Landua J, Trevino S, Shirley B, McNutt M, Iimura S, GajiwalaK, & Scholtz J. Contribution of Hydrophobic Interactions to Protein Stability. 2002. Molecular Cell Biology. May 6; 408(3): 514–528. Patiño J. Metabolismo, Nutrición y Shock 4ª Edición. Editorial Médica Panamericana. 2006 Pag. 72. Vavassori S, Cortini M, Masui J, Sannino S, Anelli T,. Caserta I, Fagioli C, Mossuto M, Fornili A, Van Anken A, Degano M, Inaba K, & Sittia R. A pH-Regulated Quality Control Cycle for Surveillance of Secretory Protein Assembly. 2013. Molecular Cell. June 27; 50: 783–792.

Anexo y Figura Tabla Nro. 1 Comparación de AAs

Tirosina

Fenilalanina

Glutamina

Glutamato

Asparragina

Aspartato

Lisina

Arginina

Tabla Nro. 2: Se muestran las propiedades, tipos, Estructuras, abreviaturas de los diferentes AAs

-COOH

pKa -NH2

Alanina

2.34

9.69

Ac. Aspártico

2.09

9.82

3.86

Ácido

133gr/mol

Asp

D

Ac. Glutámico

2.19

9.67

4.25

Ácido

147gr/mol

Glu

E

Arginina *

2.17

9.04

12.48

Básico

174gr/mol

Arg

R

Asparagina

2.01

8.8

Polar sin carga

132gr/mol

Asn

N

1.71

10.76

Hidrófogo

121gr/mol

Cys

C

1.83 2.34 2.17 1.82 2.35 2.36 2.18 2.28 1.99

9.12 9.6 9.13 9.17 9.68 9.6 8.95 9.20 10.96

Hidrófogo Apolar Polar sin carga Básico Hidrófobo Hidrófobo Básico Hidrófobo Hidrófobo

165gr/mol 75gr/mol 146gr/mol 155gr/mol 131gr/mol 131gr/mol 146gr/mol 149gr/mol 115gr/mol

Phe Gly Gln His Ile Leu Lys Met Pro

F G Q H I L K M P

El átomo del carbono α está en lazado con un grupo metil. Presenta un grupo carboxilo en el extremo de la cadena lateral Presenta un grupo carboxilo en el extremo de la cadena lateral En la cadena lateral está formada por un grupo guanidino Tiene un grupo carboxamida como su cadena lateral Presenta un grupo tiol en el extremo de la cadena lateral Presenta un siglo benceno en la cadena lateral Es el único aminoácido no quiral En la cadena lateral posee un grupo amina Tiene como cadena lateral un grupo imidazol Presenta como cadena lateral un sec-butilo Presenta como cadena lateral un isobutilo En la cadena lateral presentan un grupo amino En la cadena lateral con tiene azufre (R-S-R) Es un amino acido cíclico

2.21 2.20 2.63 2.38 2.32

9.15 9.11 9.62 9.39 9.61

Polar sin carga Polar sin carga Polar sin carga Hidrófobo Hidrófobo

105gr/mol 181gr/mol 119gr/mol 204gr/mol 117gr/mol

Ser Tyr Thr Trp Val

S Y T W V

Tiene un grupo hidroxilo en el carbono 3 (C3) Pose en la cadena lateral un grupo fenólico Tiene un grupo hidroxilo en la cadena lateral Posee en la cadena lateral grupos aromáticos Posee en un isopropil en la cadena lateral

Nombre

Cisteína Fenilalanina Glicina Glutamina Histidina * Isoleucina * Leucina * Lisina * Metionina * Prolina Serina Tirosina Treonina * Triptofano Valina *

*

-R

8.33

6.0

10.53

13.60 10.07 13.60

Tipo

PM

Abreviatura (3 Letras)

Abreviatura (1 Letra)

Hidrófogo

89gr/mol

Ala

A

(*) Aminoácidos esenciales, los que no presentan asterisco se consideran como amino ácidos no esenciales

Estructura

Tabla Nro 3: Imagen de la estructura de los aminoácidos en diferentes representaciones. Simbología: Blanco (Hidrogeno), Rojo (Oxigeno), Plomo (Carbono) y Amarillo (Azufre).

Isoleucina Fenilalanina

Aminoácido

Glicina

Configuración Alambre

Configuración Varilla

Configuración CKF

Configuración Van der Configuración Van der Configuración Van Waals 15% Waals 50% der Waals 100%

Lisina Glutamina

Treonina

Histidina

Cisteína