Biomoléculas

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Introducción

Las proteínas son los compuestos bioquímicos más abundantes en los seres vivos. Son verdaderamente especiales por ser las sustancias centrales en casi todos los procesos biológicos. Por ejemplo, todas las enzimas están compuestas de estructuras proteínicas. Las enzimas son los catalizadores que permiten que ocurran casi todas las reacciones químicas en los seres vivos. La vida, como la conocemos, no sería posible sin las enzimas.

Además de las enzimas, hay muchas otras proteínas localizadas dentro de las células. Junto con los lípidos, las proteínas son los componentes estructurales de las membranas celulares. Las proteínas de las membranas ayudan a transportar sustancias a través de la doble capa lipídica y trabajan como sitios receptores de los neurotransmisores y de las hormonas.

Las proteínas son responsables del soporte estructural y del movimiento del cuerpo humano. El tejido conectivo está compuesto de fibras proteínicas fuertes que ayudan a unir la piel y el hueso. Los tejidos musculares están compuestos de proteínas que se contraen; los huesos se mueven por músculos que se contraen. Las proteínas también mueven los cromosomas de las células y las proyecciones de látigo asociadas con diferentes células; por ejemplo, las células de los espermas.

Otras funciones de las proteínas incluyen el transporte y almacenamiento de iones y moléculas; por ejemplo, llevar el oxígeno de los pulmones a las células. Numero hormonas, agentes de comunicación química, son estructuras proteínicas. Una de las líneas de defensa más importantes contra los agentes infecciosos son las proteínas denominadas inmunoglobulinas. Muchos de esos agentes infecciosos que las inmunoglobulinas neutralizan también son proteínas.

Con tal diversidad de funciones, ¿cuál es la unidad básica de las proteínas? Las proteínas son polímeros de los aminoácidos. Algunas contienen cientos y, en algunos casos, miles de aminoácidos en estructuras de cadenas enroscadas pero altamente organizadas. Por lo tanto, para entender las proteínas, primero hay que estudiar los aminoácidos.

Aminoácidos

La hidrólisis total de las proteínas da lugar a veinte aminoácidos, que son los llamados aminoácidos proteicos. Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas, que a su vez son polímeros lineales de aminoácidos. En ocasiones, la hidrólisis de una proteína da lugar a aminoácidos con estructura diferente a la de estos veinte. Se trata, por lo general, de modificaciones postraduccionales, esto es, modificaciones químicas de los aminoácidos proteicos llevadas a cabo sobre la molécula completa de proteína. Hay asimismo Aminoácidos no proteicos, que teniendo una estructura química de aminoácido, no forman parte de las proteínas.

La estructura de los aminoácidos proteicos es siempre la misma (ver 3d ). Se trata de un átomo de carbono saturado, que recibe el nombre de carbono alfa-, sustituido por:

  • Un grupo amino, -NH2, que aparece como su forma protonada -NH3+
  • Un grupo carboxilo, -COOH, que aparece como su forma disociada -COO-
  • Un hidrógeno, -H
  • Una cadena lateral, que es la que distingue unos aminoácidos de otros. En este caso es un grupo metilo -CH3, correspondiente al aminoácidos Alanina.
  • Obsérvese que tanto el grupo amino como el carboxilo aparecen ionizados; amino como -NH3+ y carboxilo como -COO-.

Unidos al átomo de carbono alfa de los aminoácidos hay cuatro grupos diferentes. Por lo tanto, el carbono alfa es un átomo de carbono quiral en todos los aminoácidos excepto en el aminoácidos más sencillo, la glicina, la cual tiene un segundo átomo de hidrógeno y no un grupo R unido al átomo de carbono alfa.

Los aminoácidos difieren en los grupos R unidos al átomo de carbono alfa. Estos grupos R generalmente se conocen como cadenas laterales de los aminoácidos. La mayoría de los seres vivos contienen aproximadamente 20 aminoácidos, más algunos derivados de estos.

En el primer grupo, cada aminoácido contiene una cadena lateral alifática (una cadena hidrocarbonada no aromática).

Aminoácidos alifáticos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Gly
G
Ala
A
Val
V
Leu
L
Ile
I

El segundo grupo contiene los aminoácidos que tienen cadenas laterales aromáticas.

Aminoácidos aromáticos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Phe
F
Tyr
Y
Trp
W

El tercer grupo de aminoácidos está compuesto de la serina (Ser) y la treonina (Thr).

Hidroxiaminoácidos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Ser
S
Thr
T

El cuarto grupo lo forman los aminoácidos que contienen azufre.

Tioaminoácidos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Cys
C
Met
M

El quinto grupo está constituido únicamente por la prolina que es una amina secundaria.

Aminas secundarias

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Pro
P

El sexto grupo está constituido por aminoácidos ácidos que contienen dos grupos carboxílicos.

Aminoácidos dicarboxílicos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Asp
D
Glu
E
Asn
N
Gln
Q

El séptimo grupo se encuentra constituido por los aminoácidos básicos.

Aminoácidos dibásicos

Nombre
abreviatura (3 letras)
abreviatura (1 letras)
Lys
K
Arg
R
His
H

Aminoácidos esenciales

En la naturaleza no se encuentran ampliamente distribuidos los aminoácidos libres, pero que son los principales componentes de las proteínas. Para que nuestro cuerpo pueda sintetizar proteínas humanas, nuestra dieta debe proporcionar las proteínas animales y vegetales necesarias. Estas proteínas se hidrolizan durante la digestión y se reesamblan para formar proteínas humanas.

Los aminoácidos se clasifican como esenciales y no esenciales en la dieta humana; son aminoácidos esenciales aquellos que se requieren en la dieta ya que no se pueden biosintetizar. Los ocho aminoácidos esenciales son:

isoleucina
leucina
lisina
metionina
fenilalanina
treonina
triptófano
valina

aunque la histidina es un aminoácido esencial para los niños, se cree que no lo es para los adultos. Todavía no es clara la clasificación de la histidina ni de la arginina; parece ser que ambos aminoácidos se pueden biosintetizar en cantidades más pequeñas que los demás aminoácidos no esenciales. Se debe anotar que los aminoácidos esenciales lo son únicamente respecto a la dieta y no en términos de su imortancia en la estructura o función de las proteínas.

La mayoría de las carnes son fuentes excelentes de todos los aminoácidos. Las plantas no son una buena fuente de aminoácidos, debido a que contienen únicamente cantidades pequeñas de lisina y metionina, dos aminoácidos esenciales. Los individuos vegetarianos deben estar particularmente conscientes de la composición de los aminoácidos que tienen los alimentos que ingieren, de tal forma que no desarrollen una deficiencia proteínica. Tal deficiencia se presenta cuando como uno o más de los aminoácidos esenciales no está presente en la dieta.

La deficiencia proteínica es uno de los mayores problemas en muchos países pobres. Los niños reciben dietas deficientes en proteínas y desarrollan una enfermedad denominada kwashiorkor. Los síntomas de esta enfermedad incluyen un edema severo (desbalance de fluidos), lesiones en la piel, crecimiento retardado y aumento en el tamaño del hígado.

Propiedades químicas

Puesto que los aminoácidos tienen un grupo ácido y un grupo básico, presentan propiedades anfotéricas. Una sustancia anfotérica es aquella que puede aceptar y donar un H+. En una solución ácida fuerte, una con un bajo pH, los aminoácidos están totalmene protonados y tienen una carga positiva (la forma catiónica).

Si la solución es casi neutra, los aminoácidos existen como iones dipolares, o sea iones con carga positiva y una carga negativa. Los iones dipolares también se conocen como zwitteriones; ambos términos se utilizan comúnmente. Un aminoácido que existe como un ion dipolar es neutro por las cargas positiva y negativa se cancelan.

Para valores de pH altos, los aminoácidos se cargan negativamente (la forma aniónica) porque los iones hidroxido sacan los H+ de las moléculas y en solución se establece un equilibrio entre las tres formas.

Ejemplo, la valina:

  • a pH 1, todos los grupos aparecen protonados: carboxilo como -COOH y amino como -NH3+. El aminoácido tiene una carga positiva neta.
  • A pH 7, el carboxilo se disocia (-COO-) y el amino sigue protonado (-NH3+); el aminoácido tendrá simultáneamente carga positiva y negativa (zwitterion).
  • A pH 13, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y el amino pierde el protón ( -NH2); el aminoácido queda con una carga negativa.

Veamos a continuación las formas iónicas de un aminoácido dicarboxílico (ácido aspártico) en función del pH.

  • A pH 1, todos los grupos aparecen protonados: los dos carboxilos como -COOH y amino como -NH3+. El aminoácido tiene una carga positiva neta.
  • A pH 3, el carboxilo de la cadena lateral y el grupo amino, aparecen protonados ( -COOH y -NH3+ ) y el a-carboxilo disociado (-COO-). El aminoácido está en torno a su punto isoeléctrico.A pH 7, los dos carboxilos están disociados (-COO-) y el amino sigue protonado (-NH3+); el aminoácido tendrá simultáneamente dos cargas negativas y una positiva (una negativa neta).
  • A pH 13, los dos carboxilos siguen disociados (-COO-) y el amino pierde el protón (-NH2); el aminoácido queda con dos cargas negativas netas.

Para concluir este análisis, consideremos las formas iónicas de la lisina que es un aminoácido dibásico.

  • A pH 1, todos los grupos aparecen protonados: el carboxilo como -COOH y los dos aminos como -NH3+. El aminoácido tiene dos cargas positivas netas.
  • A pH 7, el alfa-carboxilo disociado (-COO-) y los dos aminos protonados (-NH3+ ). El aminoácido tiene una carga positiva neta.
  • A pH 9.5, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y el amino de la cadena lateral sigue protonado (-NH3+); el alfa-amino aparece como (-NH2). El aminoácido estará próximo a su punto isoeléctrico.
  • A pH 13, el carboxilo sigue disociado (-COO-) y los dos aminos han perdido el pr otón (-NH2); el aminoácido queda con una carga negativa neta.

La mayoría de las células tiene valores de pH aproximadamente neutros; por lo tanto, la forma predominante delos aminoácidos en las células es el ion dipolar. Puesto que el anión carboxilato -COO-, esta cargado negativamente, y el grupo amino protonado -NH3+, está cargado positivamente, el ion dipolar es una especie química neutra. Si la forma iónica dipolar de un aminoácido se coloca entre dos electrodos cargados opuestamente (electrólisis), los iones dipolares neutros no son efectados. Las formas aniónica y catiónica de los aminoácidos migran hacia los electrodos.

Péptidos y polipéptidos

De todas las posibles reacciones de los ácidos carboxílicos y las aminas, la reacción de formación de amidas es la más importante de los aminoácidos. Un grupo carboxilato de un aminoácido se combina con un grupo amino de otro aminoácido para producir una unión o un enlace amídico. Por ejemplo, el grupo carboxilato de la glicina se combina con un grupo amino protonado de la alanina para producir un dipéptido denominado glicilalanina.

El enlace peptídico (-CO-NH-) se representa normalmente como un enlace sencillo. Sin embargo, posee una serie de características que lo aproximan más a un doble enlace. Los átomos de C, N y O que participan en el enlace amida presentan una hibridación sp2, de forma que los 5 orbitales enlazantes de tipo sigma adoptan una disposición triangular plana.

Los electrones pi de los átomos de C, N y O no implicados en el enlace sigma pueden formar orbitales híbridos pi. Como el N es menos electronegativo que el O, el enlace C-O tiene un 60% de carácter de doble enlace mientras que el enlace C-N tiene un 40%. Por lo tanto, se puede considerar que los enlaces C-O y N-C que participan en el enlace peptídico tienen estructuras intermedias entre el enlace sencillo y el enlace doble. Esta teoría se confirma por el hecho de que las distancias interatómicas medidas en el enlace C-O y en el enlace C-N son intermedias entre el enlace sencillo y el doble enlace. Esta disposición atómica está estabilizada por resonancia, de forma que los seis átomos implicados en la formación del enlace peptídico están contenidos en el mismo plano

. El carácter parcial de doble enlace impide la libre rotación de los átomos de C y N, al ser éste un enlace rígido. Por lo tanto, las posibilidades conformacionales de los péptidos son limitadas. Los péptidos sólo podrán cambiar de conformación por giro de los Calfa tetraédricos (con hibridación sp3), pero no por rotación de los átomos con hibridación sp2.

Un dipéptido, es un compuesto que consta de dos aminoácidos unidos por un enlace amídico; puesto que este enlace une aminoácidos en compuestos denominados péptidos y proteínas, los bioquímicos frecuentemente lo denominan enlace peptídico. Si el grupo amino de la glicina se une al grupo carboxilato de la alannina se forma un dipéptido diferente, la alanilglicina.

Los dipéptidos son los primeros miembros de una serie de compuestos denomindos péptidos. Éstos, son compuestos constituidos por moléculas de cadenas cortas de aminoácidos enlazados.

Si usted observa las fórmulas anteriores, verá que el primer aminoácido tiene un átomo de carbono del carboxilo unido al átomo de carbono del nitrógeno del segundo aminoácido; éste es el enlace peptídico. En el primer aminoácido permanece un grupo amonio libre y en el segundo grupo aminoácido permanece un grupo carboxilato libre. Por convención, el aminoácido con un grupo amonio libre siempre se escribe del lado izquierdo y se denomina aminoácido N-terminal. En forma similar, el aminoácido con el grupo carboxilato libre se escribe en el lado derecho y se denomina aminoácido C-terminal. La misma convención se utiliza para los demás péptidos y polipéptidos.

El enlace peptídico establecido tiene una serie de propiedades interesantes. Para ilustrarlas veamos el tripéptido Alanil-alanil-alanina. La unión peptídica tiene polaridad, dado que se establece entre grupos distintos (un amino y un carboxilo). Por lo tanto, en un extremo del péptido queda un grupo amino (-NH2) libre; es el N-término o término amino: Mientras que en el extremo opuesto del péptido queda un grupo carboxilo (-COOH) libre; es el C-término o término carboxilo.: Convencionalmente, las cadenas polipeptídicas se numeran desde el N-término, dando el número 1 al aminoácido que lo ocupa, y así sucesivamente hasta llegar al C-término. Cuando están formando parte de un polipéptido, los aminoácidos reciben el nombre de residuos o restos. En este caso de ejemplo R1, R2 y R3.

Veamos ahora de forma pormenorizada la estructura del enlace peptídico: en primer lugar, vemos que el enlace peptídico -CO-NH- es una estructura plana. Esto se debe a que el enlace peptídico tiene carácter de doble enlace, estando impedida por tanto la rotación en torno al mismo. Los dos carbonos alfa se sitúan en trans- respecto al enlace peptídico, siendo esta disposición general en todas las proteínas (con algunas excepciones). El plano determinado por los dos carbonos alfa, el grupo -CO- y el grupo -NH-, es decir, seis átomos: recibe el nombre de plano peptídico.

Podemos observar que las cadenas laterales (en este caso, los grupos metilo de la alanina) se sitúan asimismo en trans- unas con otras. La cadena lateral tiene una importancia muy grande en cuanto a la configuración del péptido. Para apreciar este particular, veamos sucesivamente la estructura de varios péptidos constituídos a partir de diferentes aminoácidos.

Si asumimos que existen 20 aminoácidos en la naturaleza, ¿cuántos dipéptidos diferentes pueden existir? Puesto que cualquier aminoácido se puede combinar con cualquiera de los 20 aminoácidos, existen 20 posibilidades diferentes en el extremo N-terminal y 20 posibilidades diferentes en el extremo C-terminal. Por lo tanto pueden existir 20 x 20 o sea 400 dipéptidos diferentes en la naturaleza. Hay 203 o sea 8000 posibles tripéptidos, y 204 o sea 160000 posibles tetrapéptidos.

Funciones de los péptidos

En los animales superiores llama la atención el hecho de cómo unos pocos aminoácidos que no presentan actividad alguna en forma aislada son capaces de desencadenar respuestas biológicas tan intensas. Los péptidos se producen generalmente mediante la hidrólisis de proteínas precursoras, aunque en hongos y bacterias existen sistemas de síntesis peptídica no ribosómica, en los cuales los aminoácidos son activados a través de una vía diferente.

Entre las funciones biológicas más importantes que realizan los péptidos podemos destacar las siguientes:

  • Agentes vasoactivos: El agente hipertensor más potente que se conoce es la angiotensina II, un octapéptido que se origina mediante la hidrólisis de una proteína precursora que se llama angiotensinógeno, y que no tiene actividad vasopresora. Otros péptidos son agentes hipotensores (tienen actividad vasodilatadora). Uno de los mejor conocidos es la bradiquinina, un nonapéptido que se origina mediante la hidrólisis de una proteína precursora que se llama quininógeno. En el modelo molecular anterior, se omiten los dobles enlaces de la bradiquinina.
  • Hormonas: Las hormonas son señales químicas que ejercen su acción sobre órganos y tejidos situados lejos del lugar donde se han sintetizado. Muchas hormonas tienen estructura peptídica, como por ejemplo la oxitocina (nonapéptido que provoca la contracción uterina y la secreción de leche por la glándula mamaria), la vasopresina (nonapéptido que induce la reabsorción de agua en el riñón), la somatostatina (tetradecapéptido que inhibe la liberación de la hormona del crecimiento). La insulina y el glucagón son proteínas producidas por el páncreas y que regulan el metabolismo de los azúcares. En el modelo molecular anterior, se observa cómo la insulina está formada por dos cadenas polipeptídicas unidas entre sí mediante tres puentes disulfuro (en amarillo). En la representación de la oxitocina no aparecen los átomos de hidrógeno ni los dobles enlaces.
  • Neurotransmisores: Los neurotransmisores son el producto de síntesis específico por parte de la neurona y que es liberado al medio extracelular en el proceso que se denomina sinapsis, ejerce su acción sobre receptores específicos de membrana que son, lógicamente, diferentes para cada neurotransmisor. Estos receptores específicos de membrana se sitúan tanto en neuronas y otras células efectoras como en la propia neurona de síntesis. Están localizados en el sistema nervioso, si bien su distribución accede a otros tejidos como el muscular y el hormonal. Son neurotransmisores peptídicos las encefalinas (pentapéptido), las endorfinas (pentapéptido) y la sustancia P (undecapéptido).
  • Antibióticos: La valinomicina y la gramicidina son dos péptidos cíclicos con acción antibiótica. Los dos contienen aminoácidos de la serie D, además de otros aminoácidos no proteicos. La valinomicina es un ionóforo: es capaz de transportar iones potasio (en color verde en la figura) a través de las membrana biológicas.

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