Aminoàcids, Pèptids i Estructura de les Proteïnes: Guia Bioquímica

Les Proteïnes i els Aminoàcids

Què són les Proteïnes?

Les proteïnes són biomolècules formades per C, H, O, N (poden contenir S). Són polímers formats per la unió d'aminoàcids.

Els Aminoàcids (AA)

Els aminoàcids són compostos orgànics de baix pes molecular formats per:

• Un àtom central (Cα).
• Un grup carboxil o àcid (–COOH).
• Un grup amino (–NH₂).
• Un àtom d'H.
• Un radical variable (R).

Segons el radical R, hi ha 20 aminoàcids en total, dels quals 8 són essencials (aquells que les cèl·lules no poden sintetitzar i s'obtenen mitjançant els aliments).

Propietats Físiques dels Aminoàcids

Els aminoàcids presenten les següents propietats físiques:

• Són sòlids, cristal·lins, solubles en aigua i tenen un punt de fusió alt.
• Tots, menys la glicina, tenen almenys un Cα asimètric. A causa d'això, presenten activitat òptica (hi ha aminoàcids dextrogirs i levogirs).
• Presenten isomeria D/L: l'isòmer D té el grup amino a la dreta i l'isòmer L a l'esquerra. Només les formes L formen part de les proteïnes en l'ésser humà.

Propietats Químiques dels Aminoàcids: Comportament Amfòter

Quan es troben en dissolució aquosa, els aminoàcids mostren un comportament amfòter: poden comportar-se com un àcid (cedir H⁺) o com una base (captar H⁺) segons el pH del medi.

• A pH neutre, el grup carboxil (–COOH) cedeix protons i el grup amino (–NH₂) capta protons. Aquesta és la causa per la qual els aminoàcids, a pH fisiològic (7,4), es troben majoritàriament en forma d’ió dipolar neutre (zwitterió).
• Quan al medi abunden els H⁺ (pH àcid), l’aminoàcid tendeix a captar-los, comportant-se com una base, i queda carregat positivament.
• Quan al medi manquen H⁺ (pH bàsic), l’aminoàcid tendeix a alliberar-ne, comportant-se com un àcid, i queda carregat negativament.

Existeix un valor de pH en el qual l’aminoàcid es troba en forma d'ió dipolar neutra (càrrega elèctrica neta 0). Aquest pH s’anomena punt isoelèctric (pI) i és característic de cada aminoàcid. Gràcies al seu caràcter àcid-bàsic, els aminoàcids mantenen constant el pH del medi, exercint un efecte amortidor o tampó.

Classificació dels Aminoàcids segons el Radical R

Els aminoàcids es classifiquen en quatre grups principals:

1. No polars o hidrofòbics: Els seus radicals R són una cadena hidrocarbonada. Són neutres i insolubles en aigua. Es troben normalment a la part més interna de les proteïnes globulars. (Exemples: glicina, alanina, valina, prolina, triptòfan, leucina, metionina, isoleucina i fenilalanina.)
2. Polars sense càrrega: El radical R és una cadena hidrocarbonada curta amb grups polars (hidroxil, sulfhidril i amida) que formen enllaços d’hidrogen amb l’aigua. Són solubles en aigua i elèctricament neutres a pH 7. (Exemples: serina, treonina, cisteïna, tirosina, asparagina i glutamina.)
3. Polars amb càrrega negativa o àcids: El radical R presenta un grup carboxil (–COOH). A pH neutre o bàsic mostren càrrega neta negativa. (Exemples: àcid aspàrtic (Asp) i àcid glutàmic (Glu).)
4. Polars amb càrrega positiva o bàsics: El radical R presenta un grup amino (–NH₂). A pH neutre o àcid mostren càrrega neta positiva. (Exemples: lisina, arginina i histidina.)

Els Pèptids i l'Enllaç Peptídic

Definició i Tipus de Pèptids

Els pèptids són compostos formats per dos o més aminoàcids units per enllaç peptídic.

• Dipèptid: dos aminoàcids.
• Tripèptid: tres aminoàcids.
• Oligopèptid: pèptid de menys de 10 aminoàcids.
• Polipèptid: pèptid amb més de 10 aminoàcids. (Si té més de 100 AA, es considera una proteïna).

L'Enllaç Peptídic

L'enllaç peptídic és un enllaç covalent que s’estableix entre el grup carboxil (–COOH) del primer aminoàcid i el grup amino (–NH₂) del següent, amb el despreniment d’una molècula d’aigua. És un enllaç tipus amida.

Independentment de la longitud de la cadena peptídica, sempre hi haurà un grup –NH₂ lliure (extrem amino terminal o N-terminal) i un grup –COOH lliure (extrem carboxil terminal o C-terminal).

L'esquelet d'un pèptid és la repetició d'una mateixa seqüència: N (grup amino), Cα (carboni asimètric) i C (grup carboxil). El Cα sempre està unit a un àtom d'H i a la cadena lateral del grup R, que és característica de cada aminoàcid.

Rigidesa de l'Enllaç Peptídic

L’enllaç peptídic té un comportament similar al d’un doble enllaç, per la qual cosa és un enllaç pla i rígid. Aquesta rigidesa impedeix el gir dels àtoms que el formen i imposa restriccions a la conformació de la proteïna.

A diferència de l’enllaç peptídic, els enllaços entre l’àtom de Cα i el grup amino (Cα–N) i entre l’àtom de Cα i el grup carbonil (Cα–C) són enllaços simples purs. La llibertat de rotació al voltant d’aquests dos enllaços de cada aminoàcid permet que les proteïnes es puguin plegar de moltes formes diferents.

L’Estructura de les Proteïnes

Estructura Primària

És la seqüència d’aminoàcids de la proteïna, ordenada des de l’extrem N-terminal fins a l’extrem C-terminal. L’estructura primària informa dels aminoàcids que conformen la proteïna i de l’ordre en què s’han unit. Cada proteïna té una seqüència única, que és el resultat de la traducció de la informació continguda en els gens.

L’estructura primària és fonamental, ja que condiciona la forma que adoptarà la proteïna i, per tant, la seva funció. Un únic canvi en la seqüència pot provocar canvis importants en el comportament global de la proteïna. Determina els nivells superiors de l’estructura proteica (secundària, terciària i quaternària).

Estructura Secundària

És la disposició espacial que adopta l'estructura primària com a resultat dels enllaços d’hidrogen que s’estableixen entre l’oxigen del grup –CO– i l’hidrogen del grup –NH– d’aminoàcids propers de l'esquelet peptídic. L’estructura secundària adoptada depèn dels aminoàcids que formen la cadena i de la temperatura del medi.

Existeixen tres tipus principals d’estructura secundària:

• L'hèlix α (alfa).
• La conformació β (làmina plegada beta).
• L'hèlix de col·lagen.

La geometria dels aminoàcids determina l'estructura secundària. Per exemple, la metionina i l'àcid glutàmic participen més en hèlixs α, mentre que la valina i la isoleucina participen més en la conformació β. La prolina és característica de l’hèlix del col·lagen.

Hèlix α (Alfa)

Es forma quan l’estructura primària s’enrotlla helicoïdalment sobre si mateixa. Cada volta de l’hèlix conté 3,6 aminoàcids. Aquesta estructura es manté gràcies als ponts d’hidrogen que s’estableixen entre el grup –CO– d’un aminoàcid (n) i el grup –NH– de l’aminoàcid situat quatre residus més endavant (n+4).

Els grups R dels aminoàcids queden orientats cap a fora de l’hèlix. Si els grups R són excessivament voluminosos, pròxims o tenen la mateixa càrrega, l’estructura α-hèlix no es pot formar. L’hèlix α és dextrògira (gira cap a la dreta).

Exemples: La mioglobina (proteïna globular) i la α-queratina (proteïna filamentosa).

Conformació β (Làmina Plegada Beta)

En la conformació β, els aminoàcids es disposen formant una cadena estesa en forma de zig-zag. Si la cadena es replega, s’estableixen enllaços d’hidrogen entre segments abans distants que ara han quedat propers, donant lloc a una làmina en ziga-zaga, molt estable, anomenada làmina plegada.

Els enllaços d’hidrogen intracatenaris mantenen unides les cadenes, que poden ser paral·leles o antiparal·leles. Els grups R dels aminoàcids es col·loquen alternativament per sobre i per sota de la làmina.

Hèlix del Col·lagen

La cadena polipeptídica del col·lagen té una disposició en hèlix especial, més allargada que la α-hèlix, amb tan sols 3 aminoàcids per volta. Això és degut a l’abundància de prolina i hidroxiprolina, els radicals de les quals dificulten la formació d’enllaços d’hidrogen típics de l'hèlix α.

L’estabilitat de l’hèlix del col·lagen ve donada per l’associació de tres hèlixs, que originen una superhèlix o molècula de col·lagen. Les tres hèlixs s’uneixen mitjançant enllaços covalents i enllaços febles com els ponts d’hidrogen.