Aminoácidos

Aminoácidos: compuestos orgánicos sencillos, de bajo peso molecular. Se unen entre sí formando proteínas. Químicamente están formados por C, H, O y N. Presentan un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2) y una cadena lateral (-R). Todos ellos van unidos mediante un enlace covalente al carbono alfa (Cα). Son sólidos, solubles en agua, cristalizables y, en general, más o menos incoloros.

Existen 20 aminoácidos proteicos (formarán 20n péptidos, donde n es el número de aminoácidos presentes en la cadena) y alrededor de 150 aminoácidos no proteicos. Según su polaridad se clasifican en:

• Hidrófobos: Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Met, Phe y Trp.
• Hidrofílicos (polares, sin carga): Ser, Thr, Gln, Asn, Tyr, Cys, Gly.
• Aminoácidos ácidos (cadena lateral con grupo carboxilo que puede ionizarse negativamente): Asp, Glu.
• Aminoácidos básicos (cadena lateral con grupo amino que puede ionizarse positivamente): Lys, Arg, His.

Propiedades ácido-básicas de los aminoácidos

En disolución acuosa forman iones dipolares o zwitteriones, que tienen el mismo número de cargas positivas y negativas. El pH al que predominan estos iones se llama punto isoeléctrico (pI). El ión híbrido disuelto puede comportarse como ácido o como base: presentan carácter anfótero, lo que les permite participar en la regulación del pH.

Tienen un elevado punto de fusión, superior a 200 °C. Pueden presentar dos configuraciones espaciales D y L según sea la orientación del grupo amino (-NH2) respecto al carbono asimétrico. Todos los aminoácidos proteicos aparecen como el estereoisómero L en los seres vivos. Presentan actividad óptica, desviando el plano de luz polarizada hacia la derecha (dextrógiros) o hacia la izquierda (levógiros).

Aminoácidos esenciales

De los 20 aminoácidos proteicos, los organismos heterótrofos sólo pueden sintetizar algunos. Los otros deben ser ingeridos en la dieta y se denominan aminoácidos esenciales. Entre ellos se incluyen: Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Thr y Lys. Además, los lactantes no sintetizan suficientes cantidades de His y deben obtenerlo de la dieta.

El enlace peptídico

Los aminoácidos forman cadenas uniéndose entre sí mediante enlaces covalentes denominados enlaces peptídicos. El enlace tiene lugar entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente aminoácido, perdiéndose una molécula de agua. Los grupos amino y carboxilo que quedan libres en los extremos de los péptidos se llaman N-terminal (amino-terminal) y C-terminal (carboxilo-terminal).

Según el número de aminoácidos que presenten, las cadenas proteicas pueden formar:

• Dipéptidos: unión de dos aminoácidos.
• Tripéptidos: unión de tres aminoácidos.
• Oligopéptidos: tienen menos de 50 aminoácidos.
• Polipéptidos: tienen más de 50 aminoácidos.

Características del enlace peptídico

• Fue descrito y estudiado en detalle por L. Pauling y R. B. Corey.
• Es un enlace covalente con cierto carácter de doble enlace parcial entre C y N, por la conjugación del par de electrones del nitrógeno con el grupo carbonilo, lo que reduce la libertad de giro alrededor del enlace C-N.
• Los cuatro átomos que forman parte del enlace peptídico y los dos átomos de carbono alfa a los que se unen se encuentran en un mismo plano (planaridad del enlace peptídico).
• Los enlaces que sí pueden rotar (aunque no siempre libremente) son los enlances alrededor de Cα: los enlaces N-Cα y Cα-C.

Estructuras de las proteínas

Las proteínas se disponen en el espacio formando una estructura tridimensional definida que puede tener hasta cuatro niveles de organización.

Estructura primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos que componen la proteína y el orden en el que se disponen. Está presente en todas las proteínas. Se caracteriza por la planaridad del enlace peptídico que tiende a una disposición en zigzag, y por la rotación de la cadena alrededor de los carbonos alfa. Las cadenas laterales se disponen alternativamente hacia arriba o hacia abajo. Frederick Sanger y colaboradores fueron los primeros en definir la estructura primaria al secuenciar la insulina bovina.

Estructura secundaria

Es la disposición espacial adoptada por segmentos de la cadena polipeptídica para lograr estabilidad mediante interacciones locales como los puentes de hidrógeno. Los modelos principales son:

α-hélice

• La cadena proteica se enrolla en espiral sobre sí misma debido a los giros en torno al Cα de cada aminoácido.
• Se mantiene estable gracias a los enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo –NH de un enlace peptídico y el grupo –C=O del cuarto aminoácido siguiente.
• La hélice es dextrógira (girada hacia la derecha) y cada residuo rota aproximadamente 100° respecto al anterior, por lo que hay alrededor de 3,6 residuos por vuelta.
• Los radicales de los aminoácidos quedan dirigidos hacia el exterior de la α-hélice.
• La prolina actúa como un rompedor de hélice α por su conformación cíclica, por lo que rara vez aparece en el interior de una α-hélice.

Conformación β o lámina plegada

• Las cadenas conservan una disposición extendida (zigzag) y se asocian entre sí mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios.
• Participan todos los enlaces peptídicos de las regiones implicadas, dando gran estabilidad a la lámina.
• Las cadenas se pueden unir de forma paralela (mismo sentido N-C) o antiparalela (sentidos alternos N-C y C-N). La disposición antiparalela suele ser más compacta y frecuentemente más estable.

Hélice de colágeno

• Estructura particularmente rígida y repetitiva, con motivo Gly-X-Y, donde X es a menudo Pro y Y a menudo hidroxiprolina (Hyp).
• Las cadenas individuales adoptan conformación extendida y se enrollan helicoidalmente formando una triple hélice cizallada hacia la izquierda.
• No presenta el mismo patrón de enlaces de hidrógeno intracatenarios que la α-hélice; la estabilidad procede de enlaces de hidrógeno entre cadenas y de la repetición de glicina en posiciones interiores.

Estructura terciaria

Es la conformación tridimensional completa de una cadena polipeptídica plegada en su forma nativa. Se mantiene por interacciones entre las cadenas laterales (-R) de aminoácidos distantes en la secuencia primaria. Estas interacciones incluyen:

• Enlaces de hidrógeno entre grupos polares.
• Interacciones electrostáticas entre grupos con carga opuesta.
• Interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals que agrupan residuos apolares hacia el interior.
• Enlaces covalentes intramoleculares como puentes disulfuro entre dos cisteínas.

Las características y funciones de las proteínas dependen de la estructura terciaria que presenten. La estructura terciaria a menudo está formada por dominios, unidades compactas de 50-300 aminoácidos que suelen funcionar de forma relativamente independiente y se unen entre sí por regiones flexibles. Los dominios son estables y representan elementos reutilizables durante la evolución estructural y funcional.

Estructura cuaternaria

Es la disposición espacial de las cadenas polipeptídicas (subunidades o monómeros) en proteínas formadas por varios péptidos unidos mediante interacciones no covalentes, como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas o puentes salinos. Ejemplos:

• Colágeno: formado por tres cadenas polipeptídicas helicoidales entrelazadas que forman fibras estructurales.
• Hemoglobina: formada por cuatro cadenas polipeptídicas, dos de tipo α y dos de tipo β, que interactúan para transportar oxígeno.

Propiedades de las proteínas

1. Solubilidad

Los radicales -R polares localizados en la superficie externa de las proteínas establecen enlaces de hidrógeno con el agua. La proteína se rodea de una capa de hidratación que dificulta su unión con otras proteínas y, por tanto, su precipitación. En general, las proteínas fibrosas son insolubles en agua y las globulares son hidrosolubles.

2. Desnaturalización

La desnaturalización es la rotura de las interacciones no covalentes que mantienen la conformación nativa de una proteína. Se mantienen los enlaces peptídicos que definen la estructura primaria, pero se pierden las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, con la consiguiente pérdida de actividad biológica. La proteína desnaturalizada suele precipitar porque los residuos hidrófobos, antes escondidos en el interior, quedan expuestos y tienden a agregarse.

La desnaturalización puede ser provocada por diversos factores:

• Polaridad del disolvente: al añadir sustancias menos polares que el agua (etanol, acetona), disminuye la hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, favoreciendo su precipitación. Los disolventes orgánicos pueden interactuar con las regiones hidrófobas interiores, desorganizando la estructura terciaria.
• Urea: en altas concentraciones compite por el agua y rompe puentes de hidrógeno, promoviendo la desestabilización y agregación proteica.
• pH: variaciones de pH afectan la carga de los grupos ácidos y básicos y la envoltura acuosa de la proteína, eliminando interacciones electrostáticas que estabilizan la estructura terciaria.
• Temperatura: al elevar la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas, desorganizando la envoltura de agua y rompiendo interacciones débiles; esto favorece la desnaturalización, agregación y precipitación.

La desnaturalización puede ser reversible en algunos casos (renaturalización), lo que permite la recuperación de la conformación nativa y de la actividad biológica si las condiciones se restablecen.

3. Especificidad

La especificidad de función depende de la posición y naturaleza de determinados aminoácidos en la secuencia primaria. Esta secuencia condiciona la estructura cuaternaria, responsable de la función específica de la proteína. Una pequeña variación en la secuencia de aminoácidos puede suponer la pérdida de la función. Existen proteínas exclusivas de cada especie, y proteínas homólogas que desempeñan la misma función en distintas especies presentan secuencias y estructuras similares. Ejemplo: la cadena A de la insulina es prácticamente idéntica en humanos, perros, cerdos y otros mamíferos.

4. Capacidad amortiguadora

Debido a su comportamiento anfótero, las proteínas pueden comportarse como ácidos o como bases, liberando o captando H+ del medio. De este modo amortiguan las variaciones del pH del entorno.

Clasificación de las proteínas

Holoproteínas

Compuestas únicamente por aminoácidos.

Proteínas fibrosas

Tienen estructuras más simples, son insolubles en agua y suelen cumplir funciones estructurales o protectoras. Ejemplos:

• Colágeno: componente importante de la matriz extracelular de piel, cartílago, tendones, huesos y córnea.
• Miosina: implicada en la contracción muscular.
• Queratina: presente en faneras de mamíferos (uñas, pelo, cuernos, pezuñas).
• Fibrina: procede del fibrinógeno plasmático y participa en la coagulación de la sangre.
• Elastina: proteína fibrosa y flexible presente en tejidos que requieren elasticidad (piel, cartílago, paredes de vasos).

Proteínas globulares

Son más complejas, solubles en agua o en disolventes polares y son las principales responsables de la actividad biológica celular. Destacan:

• Actina: responsable de la contracción muscular.
• Albúminas: función de transporte o reserva de aminoácidos (ej.: ovoalbúmina en la clara del huevo, lactoalbúmina en la leche, seroalbúmina o albúmina sérica en el suero sanguíneo).
• Globulinas: solubles en soluciones salinas; incluyen lactoglobulina (leche), ovoglobulina (huevo), seroglobulinas (sangre), α-globulinas y las inmunoglobulinas que forman los anticuerpos.
• Histonas: básicas y asociadas al ADN.

Heteroproteínas

Contienen una porción no proteica denominada grupo prostético.

• Cromoproteínas: su grupo prostético es un pigmento que puede transportar oxígeno en la sangre. Por ejemplo, las porfirínicas incluyen hemoglobina y mioglobina, cuyo grupo hemo contiene un catión ferroso (Fe2+).
• Otras proteínas respiratorias: la hemocianina, pigmento respiratorio de color azul que contiene cobre, está presente en la sangre de ciertos crustáceos y moluscos.
• Nucleoproteínas: su grupo prostético es un ácido nucleico. Intervienen en el mantenimiento de la estructura del ADN, en el transporte del núcleo al citoplasma o en la protección frente a nucleasas. Ejemplo: histonas.
• Glucoproteínas: su grupo prostético es un glúcido. Ejemplos: algunas inmunoglobulinas y el fibrinógeno.
• Fosfoproteínas: contienen grupos fosfato. Ejemplos: caseína (leche), vitelina (yema del huevo).
• Lipoproteínas: su grupo prostético es un lípido. Algunas forman parte de las membranas celulares; otras transportan lípidos en el plasma sanguíneo.

Ejemplos de lipoproteínas plasmáticas:

• LDL (lipoproteínas de baja densidad): transportan colesterol y fosfolípidos desde el hígado hasta los tejidos para formar membranas celulares. La entrada de colesterol en la célula depende de receptores de membrana; si la célula tiene mucho colesterol se sintetizan menos receptores y el colesterol permanece en sangre, lo que puede favorecer la formación de placas arteriales y la arteriosclerosis.
• HDL (lipoproteínas de alta densidad): realizan la acción contraria a las LDL, transportando colesterol retirado de las paredes arteriales hacia el hígado para su procesamiento.

Diversidad funcional de las proteínas

Las proteínas desempeñan una amplia variedad de funciones en los organismos. Entre ellas:

1. Reserva: almacenan aminoácidos para utilizarlos como nutrientes o colaborar en la formación del embrión. Ejemplos: ovoalbúmina (clara de huevo), caseína (leche), zeína (maíz).
2. Transporte: se unen a diversas sustancias y las transportan a través de medios acuosos. Ejemplos: lipoproteínas transportan lípidos; citocromos intervienen en cadenas de transporte de electrones en respiración y fotosíntesis; hemoglobina transporta oxígeno en vertebrados; mioglobina almacena y transporta oxígeno en músculo; seroalbúmina transporta ácidos grasos.
3. Función contráctil: actina y miosina en la contracción muscular; flagelina forma parte de los flagelos bacterianos.
4. Protección o defensa: trombina y fibrinógeno en la coagulación; inmunoglobulinas (anticuerpos) que reconocen antígenos y defienden al organismo frente a patógenos.
5. Transducción de señales: proteínas que permiten que una célula responda a señales extracelulares. Ejemplo: rodopsina en la retina convierte luz en impulsos nerviosos.
6. Función hormonal: regulan metabolismo y procesos fisiológicos. Ejemplos: insulina (disminuye la glucemia y facilita la captación de glucosa por las células), glucagón (eleva la glucemia movilizando glucógeno hepático), somatotropina (hormona del crecimiento, secretada por la hipófisis, regula el crecimiento corporal).
7. Función enzimática: las enzimas son catalizadores biológicos que aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas. Ejemplos: hidrolasas, polimerasas, isomerasas, sintetasas, deshidrogenasas.
8. Función homeostática: mantienen el equilibrio del medio interno y del pH, en parte gracias a su capacidad amortiguadora.