Biomoléculas: proteínas
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Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y
Eduardo Reciulschi. Responsable disciplinar:
Silvia Blaustein. Área disciplinar:
Química. Temática: Macromoléculas de
importancia biológica y biotecnológica. Nivel:
Secundario, ciclo orientado. Secuencia didáctica
elaborada por Educ.ar. |
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Propósitos generales
• Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.• Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
• Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
¡Una sola célula de nuestro cuerpo contiene más de 5.000 proteínas diferentes! Estas macromoléculas forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, uñas, etc.) pero también desempeñan funciones metabólicas y reguladoras (asimilación de nutrientes, transporte de oxígeno y de grasas en la sangre, inactivación de materiales tóxicos para el organismo, etcétera).
La gran diversidad y alta especificidad de funciones que realizan las proteínas en los sistemas biológicos está asociada a su compleja estructura química.
Los «ladrillos moleculares» necesarios para construir a las proteínas se denominan aminoácidos (aa). Hay apenas 20 aminoácidos de origen natural, de los cuales nuestro cuerpo puede sintetizar solo 11. Los 9 restantes se deben ingerir con la dieta, por eso se los conoce como «aminoácidos esenciales».
Actividad 1
a) Busquen en libros o en internet el nombre de los 20 aa naturales e indiquen cuáles de ellos son aa esenciales.
¿Cómo es la estructura química de un aminoácido? El término aminoácido indica la presencia de dos grupos funcionales: amino (-NH2) y carboxilo (-COOH). Ambos grupos funcionales se encuentran en átomos de carbono contiguos (esto se suele indicar con la letra griega alfa (α, ver Figura 1).
Figura 1. Estructura general de un α-aminoácido.
Los 20 α-aa naturales difieren solo en la estructura del grupo R. Para visualizar sus estructuras, miren los sitios:
Proteínas, aminoácidos, péptidos y polipéptidos
Cuando se abandona el plano (2D) y se pasa a la visualización en 3D de los aa, se descubre una característica interesante justamente en el Cα. Ese átomo de C está unido a 4 átomos o grupos de átomos que son diferentes entre sí. Este hecho genera dos distribuciones espaciales no superponibles que se designan anteponiendo la letra L o D al nombre del aa para distinguirlas (por ejemplo L-valina y D-valina, L-tirosina y D-tirosina).
Esta característica no es un «capricho» de ciertas moléculas; muchos objetos del mundo macroscópico poseen un «mellizo», que es como la imagen al espejo del objeto original (imagen especular no superponible). Las manos, los zapatos, un tornillo, un sacacorcho, una tijera, algunas letras mayúsculas de nuestro alfabeto son ejemplos de estos objetos. A las moléculas de este tipo se las denomina quirales.
Del mismo modo, a escala atómico-molecular el Cα de los aa es quiral. Cuando estas moléculas quirales interactúan con un haz de luz polarizada, éste se desvía en un sentido u otro (izquierda o derecha). Todos los aa naturales presentes en las proteínas de origen natural desvían la luz polarizada en el mismo sentido (pertenecen a la serie L) (ver Figura 2). Esta selectividad en la orientación espacial es un pilar de la arquitectura molecular.
Para más información de este tipo de moléculas consulten la página Isomería óptica.
b) Las estructuras de los aa de la serie L pueden verse en la solapa Template del programa ChemSketch.
Busquen en las etiquetas de suplementos dietarios usados por los deportistas si se indica algún aa en su formulación. Presten atención a la denominación L o D y verifiquen si se trata de aa esenciales.
Figura 2. Representación del L-alanina y su imagen especular (D-alanina).
¡Es sorprendente que a partir de un conjunto tan acotado de «ladrillos» moleculares la naturaleza produzca tanta diversidad! Ella tiene sus códigos para hacerlo. En la década del 60, Marshall Nirenberg descubrió la correspondencia entre el ADN y las proteínas. En el código genético está almacenada la información para la biosíntesis de proteínas.
Las proteínas son polímeros no ramificados formados por un gran número de aa (monómeros) unidos entre sí mediante uniones peptídicas (formación de un grupo funcional amida, -CONH-). En estas macromoléculas se describen 4 niveles de organización:
• La estructura primaria de una proteína describe la cantidad y conectividad de aa. Los aa se unen entre sí «cabeza-cola» mediante un enlace covalente llamado enlace peptídico (o unión amida), la idea es formar uniones C-N. La reacción entre 2 aa se denomina condensación (ver Figura 3). Al unirse 2 aa forman un dipéptido, si se unen 3 aa se obtiene un tripéptido y así sucesivamente.
Figura 3. Representación de la reacción de condensación de 2 aa y formación del enlace peptídico (R1 y R2 pueden ser iguales o diferentes).
• La estructura secundaria describe el modo en que una cadena peptídica se pliega o enrolla en el espacio. Muchas proteínas de origen animal se pliegan formando una hélice alfa (α-hélice) gracias a las interacciones puente de hidrógeno entre los aa. Otras proteínas, como la seda, forman una estructura que se conoce como hoja beta plegada. En algunas proteínas pueden coexistir ambas estructuras en diferentes regiones de la cadena peptídica.La combinación de poderosas técnicas de análisis (difracción de rayos X, resonancia magnética nuclear y microscopía electrónica), simulación computacional y experimentos de dinámica molecular permite obtener imágenes de las macromoléculas. En el portal Protein Data Bank se encuentra almacenada esta valiosa información estructural (ver Figura 4).
c) Si disponen de conexión a Internet, accedan al portal Protein Data Bank, escriban el nombre de una proteína y busquen alguna imagen estructural relacionada con ella (el nombre debe ser tipiado en inglés y para eso pueden emplear el traductor).
Figura 4: Representación de α-hélice (arriba) y hoja plegada (abajo).
• La estructura terciaria describe la forma en que la α-hélice, la hoja plegada u otra región de una proteína se organiza debido a interacciones entre algunos aa, por ejemplo, los puentes disulfuro (–S-S-) entre aa que contienen átomos de S (cisteína y metionina). La forma globular de algunas proteínas, como la hemoglobina responsable del transporte de O2, y otras sustancias como el óxido nítrico NO (un neurotransmisor) son ejemplos de estructura terciaria (ver Figura 5).
Figura 5. Representación de la estructura de la hemoglobina A humana.
• La estructura cuaternaria describe el arreglo espacial de las cadenas peptídicas de las proteínas que están formadas por más de una unidad peptídica. Por ejemplo, la hemoglobina que se muestra en la Figura 5, está formada por 4 unidades peptídicas.Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
Actividad 2
a) Este ejercicio los ayudará a comprender el concepto de estructura primaria de un péptido, polipéptido o proteína. Entendemos por estructura primaria la descripción de la secuencia de aa.
Supongan que disponen de 4 ganchitos para papel de diferente color: verde, azul, rojo y lila. ¿Cuántas combinaciones se pueden obtener al ensamblarlos entre sí linealmente?
- a.1. Trabajen en pequeños grupos y armen todas las combinaciones posibles empleando ganchitos para papel o perlas para collares. Registren el resultado con fotografías, que pueden tomar con la cámara digital de sus equipos portátiles.
- a.2. Verifiquen que el número de posibles combinaciones de péptidos a obtener es: 4 x 3 x 2 x 1 = 24.
- a.3. Si se partiera de 6 ganchitos de colores diferentes, ¿cuántas secuencias se obtendrían? Razonen de manera análoga al caso anterior.
- a.4. Apliquen la misma estrategia para escribir, empleando el programa Writer de sus equipos portátiles, todos los péptidos que se pueden obtener combinando 4 aa diferentes. Por ejemplo: Ala (alanina), Lys (lisina), Val (valina) y Met (metionina). El número de péptidos posibles debe ser igual al número de combinaciones que se obtuvieron con los ganchitos de colores.
b) El paso siguiente es visualizar la estructura 3D de un péptido. Para eso, empleen el programa ChemSketch o Avogadro.
b.1. Representen el aa alanina y visualicen su estructura 3D. Utilicen diferentes representaciones (bolas y palitos, puntos, etc.) y roten la molécula en el espacio.
b.2. Ensamblen 2 aa alanina formando un dipéptido. Luego, agreguen uno más y un cuarto. Visualicen la estructura 3D del tetrapéptido obtenido. Identifiquen las uniones peptídicas.
b.3. Repitan la actividad ensamblando diferentes aa. Les sugerimos emplear los mismos aa que se usaron previamente. Cada alumno puede armar un péptido diferente.
c) Usen el programa Draw o la opción de dibujo de Word
de sus equipos portátiles y hagan una representación del ensamblado
cabeza-cola entre aa. Escriban la ecuación de la reacción de
condensación para la formación del dipéptido ala-ala (ver Figura 3).
d) Utilicen la plataforma Squeak para compartir el material producido por los diferentes alumnos.
Actividad 3
La pérdida de la estructura (primaria, secundaria, terciaria o cuaternaria) de una proteína se conoce como desnaturalización. En algunos casos, este proceso puede ser reversible, como ocurre en la formación de rulos en el cabello o el alisamiento del mismo (este efecto se relaciona con la formación o ruptura de puentes –S-S- en la α-hélice de la queratina). Pero cuando se hace un huevo frito, por ejemplo, las proteínas de la clara del huevo se desnaturalizan y este cambio es irreversible.
La desnaturalización es provocada por diferentes factores, entre ellos: el cambio de pH, la temperatura, la polaridad del solvente, la presencia de iones en el sistema (fuerza iónica). La desnaturalización afecta marcadamente la funcionalidad de las proteínas. Por ejemplo, las enzimas suelen perder su capacidad catalítica al ser calentadas por encima de cierta temperatura.
a) Visualicen el proceso de desnaturalización de la albúmina de la clara de huevo.
• Filmen
el experimento con las cámaras de sus equipos portátiles.
• Redacten un guión que explique los pasos y las observaciones y acompañe al material que filmaron.
Materiales
• Huevo de gallina crudo.• Etanol o alcohol de uso medicinal (96% v/v).
• Plato o bandeja de plástico.
• Vaso.
• Cuchara.
Procedimiento
1. Rompan el huevo y separen la clara de la yema. Viertan la clara en el plato o bandeja. La cáscara y la yema se pueden desechar en el vaso.
2. Agreguen 2 o 3 cucharadas de alcohol sobre la clara.
3. Observen los cambios que se producen. Comparen con el aspecto de un huevo frito.
Actividad 4
La leche es un alimento fundamental en la dieta, principalmente en los primeros años de vida. Esto se debe, en gran medida, a la diversidad de componentes que contiene.
Tabla 1. Composición química de la leche
|
Componente |
Porcentaje (%) |
|---|---|
|
Agua |
87,0 |
|
Lactosa |
5,0 |
|
Proteínas |
3,5 |
|
Grasa |
3,5 |
|
Sales minerales |
0,7 |
|
Otros componentes |
0,3 |
a) Utilicen el programa Excel o el Calc de sus equipos portátiles para realizar un gráfico de torta con la composición porcentual de la leche dada en la Tabla 1.
Desde el punto de vista físico, la leche es un sistema heterogéneo formado por tres fases:
• Emulsión: contiene glóbulos de grasa de 1-5 mm de diámetro, cubiertos por una membrana (formada por fosfolípidos, enzimas, glicoproteínas y vitamina B12) que mantiene a la grasa emulsionada.• Suspensión coloidal: contiene sustancias nitrogenadas, fundamentalmente caseína, que constituye el 78% de las proteínas totales de la leche y otras proteínas con actividad biológica (enzimas, albúminas e inmunoglobulinas).
• Solución: contiene proteínas solubles (proteínas del suero), sustancias nitrogenadas no proteicas (aminoácidos, urea, ácidos nucleicos, creatina, creatinina, vitamina B), lactosa y minerales (K+, Ca2+, Cl-, Na+, Mg2+, etcétera).
El término caseína (caseus = queso) agrupa un conjunto de
proteínas que tienen una característica en común: precipitan cuando la
leche se acidifica a pH 4,6, aproximadamente. ¿Por qué sucede esto? El
agregado de una sustancia ácida a la leche, por ejemplo vinagre, produce
la ruptura de las micelas que forman la suspensión coloidal. De este
modo se separa la caseína.
Algunos microorganismos, tales como el lactobacilus, crecen en la leche y su metabolismo produce ácido láctico. Este, a su vez, coagula la caseína y así se obtiene yogur.
Las micelas también se desestabilizan por la acción de enzimas coagulantes; este procedimiento se emplea en la fabricación de queso. Dichas enzimas rompen selectivamente ciertos enlaces peptídicos, lo que provoca la desestabilización de las micelas y, por lo tanto, la precipitación de casi toda la caseína.
b) Trabajen experimentalmente con la fracción proteica de la leche preparando un pegamento a base de caseína.
b.1. Utilicen las cámaras de sus equipos portátiles para tomar fotografías o filmar el experimento.
b.2. Redacten un guión acompañando el desarrollo de las secuencias visuales.
b.3. Reserven el material para la actividad integradora.
Materiales
• Leche de vaca (preferentemente, descremada).• Vinagre blanco.
• Embudo.
• Papel de filtro.
• Recipiente de aproximadamente 500 ml.
• NaHCO3 (bicarbonato de sodio sólido).
• Cuchara sopera.
• Vaso o frasco de mermelada.
• Materiales diversos para ensayar el pegamento (papel, cartón, madera, plásticos, suela de zapatos o zapatillas, cuero, etcétera).
Procedimiento
1. Coloquen 200 ml de leche (preferentemente descremada) en el recipiente y dejen que llegue a temperatura ambiente (25-40 °C).
2. Agreguen 2 cucharadas soperas de vinagre blanco. Agiten y esperen unos minutos.
3. Filtren la cuajada usando papel de filtro y un embudo. Si no disponen de estos elementos, pueden usar, por ejemplo, un filtro para café. Expriman suavemente para separar el líquido (suero).
4. Coloquen el sólido obtenido en un vaso. Agreguen aproximadamente 2 cucharadas de agua y mezclen (debe obtenerse una consistencia similar a la de un adhesivo de uso escolar).
5. Añadan lentamente 1/2 cucharada de bicarbonato de sodio para neutralizar el exceso de ácido que pueda haber quedado. Observen la formación de burbujas (CO2 (g)). Agreguen bicarbonato hasta que no se formen más burbujas.
6. Prueben la eficacia del pegamento obtenido en el pegado de los diversos materiales seleccionados para tal fin.
7. Verifiquen la resistencia a la humedad del pegamento: peguen dos trozos de madera y dejen secar. Luego, introduzcan el material en agua y observen si las partes mantienen unidas después de diferentes períodos de remojo.
Actividad 5
Empleen el programa Impress de sus equipos portátiles para armar un póster sobre proteínas. Organicen convenientemente la información desarrollada a lo largo de esta secuencia didáctica. Incluyan el material obtenido en las actividades experimentales y en el uso de los programas y fuentes de información consultadas.
Actividad: Fuerzas Intermoleculares
Bibliografía recomendada
Indigo. Construyendo con átomos y moléculas. Buenos Aires, Eudeba (Colección Ciencia Joven), 2007.
M. Gardner. Izquierda y derecha en el cosmos.Barcelona, Biblioteca Científica Salvat, 1985.
M. Vazquez. La intimidad de las moléculas de la vida. De los genes a las proteínas.
H. Ceretti y A. Zalts. Experimentos en contexto. Pearson Educación, Bs. As., 2000.
Webgrafía recomendada
Proteínas, aminoacidos y péptidos
Información sobre proteínas extracelulares.