T.5: Aminoácidos y proteínas

Introducción

Los aminoácidos son compuestos orgánicos sencillos con bajo peso molecular, cuyas unidades forman las proteínas. Están formados por C, H, O y N. Tienen en su molécula un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2) y una cadena lateral o grupo R, unidos por enlaces covalentes a un átomo de carbono llamado carbono alfa. La fórmula general es: H₂N-CHR-COOH. Se nombran según el nombre del grupo R, distinto para cada uno, donde además determina sus propiedades biológicas y químicas determinando así las funciones y propiedades de cada proteína. Son solubles en agua, cristalizables, sólidos, incoloros o poco coloreados y con un punto de fusión +200 ºC. Hay 20 aminoácidos proteicos distintos, además de los 150 que están libres o mezclados en las células y tejidos, pero que no forman parte de las proteínas, llamados aminoácidos no proteicos. Algunos intermedian en las reacciones metabólicas, como la β-alanina, citrulina y la ornitina, o están en las paredes celulares de muchas bacterias, como el ácido D-glutámico.

1. Propiedades de los aminoácidos

1.1. Propiedades ácido-básicas de los aminoácidos

En disolución acuosa forman iones dipolares (iones híbridos) al tener el mismo número de cargas + y -. El pH donde un aminoácido forma un ión híbrido se llama punto isoeléctrico. El ión híbrido disuelto puede actuar como ácido o como base, según el pH de la disolución. Las sustancias con esta propiedad se llaman anfóteras. Este carácter en los aminoácidos permite regular el pH al comportarse como ácidos o bases según las necesidades del organismo. Todos los aminoácidos obtenidos por hidrólisis de una proteína, menos la glicina, tienen al menos un carbono asimétrico (unido a cuatro radicales distintos). Por esto pueden tener dos configuraciones espaciales llamadas estereoisómeros que pueden ser D y L según la orientación del grupo amino -NH₂, a derecha o izquierda. Ambos son imágenes especulares. Todos los aminoácidos proteicos son de la serie L, ya que las células los sintetizan usando enzimas estereoespecíficas. Por tanto, los aminoácidos también muestran actividad óptica.

1.2. Aminoácidos esenciales

De los 20 aminoácidos que están en las proteínas, solo algunos pueden ser sintetizados por seres heterótrofos mediante compuestos más sencillos; los restantes deben ser ingeridos en la dieta, estos se llaman aminoácidos esenciales, que en el humano son 8: fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina, mientras que en los lactantes está además la histidina.

2. El enlace peptídico

Los aminoácidos forman cadenas mediante enlaces peptídicos, donde sus uniones son mediante enlaces covalentes entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, haciendo perder una molécula de H₂O. Los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos se llaman residuos. Un dipéptido es una cadena formada por 2 residuos de aminoácidos, un tripéptido por 3, un oligopéptido por -50 residuos y un polipéptido son las cadenas más largas. Los grupos amino y carboxilo libres en los extremos opuestos de la cadena polipeptídica se nombran N-terminal y C-terminal respectivamente.

2.1. Características del enlace peptídico

• A) Tiene cierto carácter de doble enlace impidiendo su giro.
• B) Los 4 átomos del péptido y los 2 átomos de C están en un mismo plano.
• C) El enlace peptídico es el enlace covalente más corto que la mayor parte de los demás enlaces C-N.
• D) Los únicos enlaces que permiten giro son los formados por C-C y N-C.

2.2. Péptidos y oligopéptidos de interés biológico

Con función hormonal está la oxitocina que regula las contracciones del útero y la arginina vasopresina que regula la pérdida de agua. La insulina y el glucagón regulan los niveles de azúcar en sangre. El glutatión ejerce el transporte de aminoácidos hacia el exterior de la célula.

3. Estructura primaria y secundaria de las proteínas

3.1. Estructura primaria

La tienen todas las proteínas e indica los aminoácidos que la forman y el orden en el que están unidos. Es la estructura más sencilla y más importante, ya que determina el resto de las estructuras proteicas superiores en organización. Una característica es su disposición en zigzag gracias a la superficie plana del enlace peptídico, que provoca que roten los aminoácidos sobre los carbonos alfa para igualar las fuerzas de atracción que se pudiesen producir. El número de polipéptidos que pueden formarse es 20ⁿ (n es el número de aminoácidos que hay en la cadena). Como casi todos los péptidos tienen más de 100 aminoácidos, incluso miles, la variedad de secuencias es infinita.

3.2. Estructura secundaria

Es la disposición espacial que adquiere la secuencia de aminoácidos o estructura primaria para ser estable, y es consecuencia de la capacidad giratoria de los carbonos alfa de los aminoácidos. Los modelos más comunes son la α-hélice y la conformación β o lámina plegada. Una variedad de estructura secundaria es la hélice de colágeno, característica de esta proteína.

A) α-hélice

Aquí, la cadena polipeptídica se enrolla en espiral sobre sí misma gracias a los giros que hay sobre el carbono alfa de cada aminoácido. La estructura se sostiene mediante enlaces de hidrógeno intracatenarios entre el -NH de un enlace peptídico y el -C=O del 4º aminoácido que lo sigue. La rotación se produce hacia la derecha, girando cada aminoácido 100º respecto al anterior. La formación de la α-hélice, provoca que todos los grupos -C=O se orienten en la misma dirección, mientras los -NH se orientan al contrario y los radicales de los aminoácidos quedan en el exterior de la α-hélice. La estabilidad depende de si hay o no residuos de prolina o hidroxiprolina.

B) Conformación β o lámina plegada

Algunas proteínas conservan su estructura primaria en zigzag, y se asocian entre sí formando uniones mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios. El plegamiento en acordeón en la lámina plegada es el resultado de la estructura primaria en zigzag de las cadenas individuales. Las cadenas peptídicas se pueden unir de forma distinta: paralela o antiparalela. En la paralela, las cadenas polipeptídicas se disponen en el mismo sentido N-C, mientras que en la antiparalela se alternan cadenas polipeptídicas en las direcciones N-C y C-N. En ambas, los radicales de los aminoácidos se orientan hacia ambos lados de la hoja de forma alterna. La antiparalela es algo más compacta que la paralela, y aparece con mayor frecuencia en las proteínas. Cuando hay gran cantidad de cadenas, se produce un empaquetamiento en varias capas.

C) Hélice de colágeno

Estructura secundaria particularmente rígida que tiene el colágeno, que está presente en los tendones y tejidos conectivos. El colágeno es una proteína formada por el aminoácido prolina. Las cadenas individuales se enrollan hacia la izquierda, produciendo una vuelta de hélice por cada tres residuos aminoácidos.

4. Estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas

4.1. Estructura terciaria

La proteína nativa se encuentra plegada en el espacio. Es una estructura estable gracias a las uniones producidas entre los radicales -R de los distintos aminoácidos, situados muy alejados uno del otro. Las uniones pueden ser:

• A) Enlaces de hidrógeno entre grupos peptídicos.
• B) Atracciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals entre radicales libres alifáticos o aromáticos de las cadenas laterales.
• C) Atracciones electrostáticas entre grupos con carga opuesta.
• D) Puentes disulfuro entre restos de cisteína.

Las características y funciones biológicas de una proteína dependen de la estructura terciaria. La estructura terciaria de las proteínas está constituida por varios dominios o unidades compactas entre 50 y 300 aminoácidos, conectadas a través del esqueleto polipeptídico. La estructura de la cadena polipeptídica dentro de un dominio suele ser independiente de la de los otros, ya que pueden tener estructura de α-hélice o bien de lámina plegada. Mayoritariamente los dominios se unen entre sí mediante una porción proteica flexible que sirve como bisagra. Los dominios son muy estables, son secuencias de aminoácidos que han sido útiles, estructural y funcionalmente, y se repiten en diferentes proteínas.

4.2. Estructura cuaternaria

Estructura que tienen las proteínas, fibrosas y globulares, constituida por 2 o más cadenas polipeptídicas (subunidades, monómeros o protómeros) que pueden ser iguales o distintos. Para que sea funcional, los protómeros deben estar unidos y lo suelen hacer mediante uniones débiles, como enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals o puentes disulfuro. El colágeno es una proteína fibrosa con 3 cadenas polipeptídicas helicoidales que forman una triple hélice más grande, dándole gran resistencia. La hemoglobina es una proteína globular formada por 4 cadenas polipeptídicas, dos de tipo alfa y dos de tipo beta.

5. Propiedades de las proteínas

Dependen sobre todo de la naturaleza de los radicales de los aminoácidos.

5.1. Capacidad amortiguadora

Las proteínas tienen comportamiento anfótero al poder comportarse como ácidos o bases, liberando o captando H⁺ del medio.

5.2. Desnaturalización

Es la rotura de los enlaces que mantiene las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria. Conserva su estructura primaria adoptando una forma filamentosa. La conformación nativa es la más estable de una proteína plegada, y tiene la menor energía libre. La desnaturalización suele aparecer por cambios en el pH o en la temperatura. Las proteínas desnaturalizadas también pierden su actividad biológica. Además, la proteína desnaturalizada suele precipitar, ya que las atracciones entre los grupos hidrofóbicos los agrupa entre sí. La desnaturalización puede ser reversible: se pueden renaturalizar, replegarse y adoptar de nuevo su conformación nativa, recuperando su actividad biológica.

5.3. Especificidad

Propiedad más característica de las proteínas. Dos de las más importantes son:

• A) Especificidad de función. Según la disposición de determinados aminoácidos de los que constituyen su secuencia lineal. Una escasa variación en la secuencia de aminoácidos puede hacer perder la función de la proteína.
• B) Especificidad de especie. Lo más común es que las proteínas que desempeñan la misma función en diferentes especies tengan una composición y estructura parecida (proteínas homólogas). Por ejemplo, la insulina se encuentra solo en vertebrados.

5.4. Solubilidad

Solo los grupos -R polares o hidrófilos están sobre la superficie externa de la proteína, estableciendo enlaces de hidrógeno con el agua; así, se forma una capa de agua alrededor de la proteína impidiendo su unión con otras proteínas y por tanto, su precipitación.

6. Clasificación de las proteínas: Holoproteínas

Las holoproteínas son aquellas formadas solo por aminoácidos. Según su estructura se clasifican en:

6.1. Proteínas fibrosas

Estructuras más simples que las globulares. Comúnmente los polipéptidos se encuentran ordenados o enrollados a lo largo de una sola dimensión, en haces paralelos. Son insolubles en agua con importantes funciones estructurales o protectoras. Pertenecen a este grupo:

• A) Colágeno. Componente principal del tejido conjuntivo y uno de los principales componentes de la matriz extracelular de la piel: cartílago, hueso, tendones y córnea.
• B) Miosina. Proteína fibrosa encargada de la contracción muscular.
• C) Queratina. Amplio grupo de proteínas animales sintetizadas y almacenadas en células de la epidermis; forman los cuernos, uñas o pelo.
• D) Fibrina de la sangre. Interviene en la coagulación sanguínea.
• E) Elastina. Es fibrosa y flexible y está presente en el tejido conjuntivo de estructuras y órganos que son elásticos, como la piel, el cartílago o los vasos sanguíneos.

6.2. Proteínas globulares

Son más complejas que las fibrosas. Sus cadenas polipeptídicas están plegadas de forma compacta. Son solubles en agua y disoluciones polares, y además, son las responsables de las actividades biológicas de la célula. Pertenecen a este grupo:

• A) Actina. Proteína globular que se une formando filamentos. Al igual que la miosina es responsable de la contracción muscular.
• B) Albúminas. Proteínas que ejercen de transporte a otras moléculas o reserva de aminoácidos. Representan este grupo la lactoalbúmina, ovoalbúmina y seroalbúmina.
• C) Globulinas. Proteínas globulares y solubles en disoluciones salinas. Pertenecen a este grupo la alfa-globulina, inmunoglobulinas, lactoglobulina, ovoglobulina y seroglobulina.
• D) Histonas y protaminas. Proteínas de carácter básico ligadas al ADN.

7. Clasificación de las proteínas: Heteroproteínas

Están formadas por una parte proteica compuesta por aminoácidos y otra porción no proteica llamada grupo prostético. Según la naturaleza química del grupo prostético, se clasifican en:

7.1. Cromoproteínas

Proteínas donde su grupo prostético es un pigmento. Según este, se clasifican en:

• A) Cromoproteínas porfirínicas. Su grupo prostético es una metalporfirina, constituida por 4 anillos de pirrol y un catión metálico situado en el centro del anillo. Pertenecen a este grupo proteínas muy importantes biológicamente como la hemoglobina y la mioglobina.
• B) Cromoproteínas no porfirínicas. Una de las más importantes es la hemocianina, pigmento respiratorio que lleva cobre. Se encuentra en la sangre de crustáceos y algunos moluscos, y transporta oxígeno a las células.

7.2. Nucleoproteínas

Proteínas cuyo grupo prostético es un ácido nucleico. Es una unión entre ácidos nucleicos y protaminas o histonas. El grupo proteico colabora con el prostético en el mantenimiento de la estructura del ADN, transporte del núcleo al citoplasma, etc.

7.3. Glucoproteínas

Un glúcido unido covalentemente a la cadena polipeptídica. Son importantes las sanguíneas: inmunoglobulinas, fibrinógeno y las de las membranas de los eritrocitos.

7.4. Fosfoproteínas

Proteínas cuyo grupo prostético es el ácido fosfórico. Ejemplos: La caseína de la leche y la vitelina de la yema de huevo.

7.5. Lipoproteínas

Su grupo prostético es un lípido. Muchas están en las membranas citoplasmáticas; sin embargo, hay un grupo de lipoproteínas, que transportan lípidos insolubles. Las principales lipoproteínas son:

• A) LDL (lipoproteínas de densidad baja). Transportan colesterol y fosfolípidos del hígado a los tejidos para formar las membranas celulares. Si hay alta cantidad de colesterol en el interior de la célula, se sintetizan menos receptores de membrana, por lo que el colesterol no puede entrar.
• B) HDL (lipoproteínas de densidad elevada). Contrario a las LDL: llevan el colesterol retirado hasta el hígado para su eliminación, retirándolo de las paredes arteriales, disminuyendo los depósitos.

8. Funciones de las proteínas (10 funciones)

8.1. Función contráctil

La actina y la miosina actúan contrayendo el músculo y permitiendo la movilidad de las células, además del movimiento de bacterias y espermatozoides. Otra proteína es la flagelina, encontrada en la estructura de los flagelos de algunas bacterias, o la dineína, que permite el movimiento de los cilios.

8.2. Función enzimática

Los catalizadores bioquímicos (enzimas) son proteínas que catalizan las reacciones químicas de las células vivas, aumentando su velocidad. Ejemplos: hidrolasas, liasas, transferasas, isomerasas, etc.

8.3. Función estructural

Dan soporte mecánico a las células animales y vegetales. Se encuentran:

• A) En las células se encuentran las glucoproteínas de la membrana plasmática, las histonas, que actúan como elementos estructurales de los cromosomas, o los microtúbulos de tubulina, que forman parte del citoesqueleto donde forman el huso mitótico, ejercen el transporte intracelular o los movimientos de la célula.
• B) Formando parte de los tejidos, como las fibras de colágeno de los tejidos conjuntivos, que dan resistencia mecánica: la queratina o la elastina.

8.4. Función homeostática

Las proteínas pueden mantener el equilibrio del medio interno y mediante su capacidad amortiguadora, también colaboran en mantener el pH.

8.5. Función hormonal

Algunas proteínas actúan como hormonas que regulando en pequeñas concentraciones pueden controlar importantes funciones celulares. Ejemplos son la insulina y el glucagón, secretadas por el páncreas, que regulan el metabolismo de la glucosa o la hormona del crecimiento que regula el crecimiento corporal.

8.6. Función protectora o defensiva

La trombina y el fibrinógeno son proteínas sanguíneas de los vertebrados, que coagulan la sangre impidiendo su salida del sistema vascular. Las inmunoglobulinas defienden a los seres vivos de las infecciones causadas por organismos patógenos.

8.7. Función de reconocimiento de señales químicas

Existen proteínas que se encargan de reconocer señales químicas ya sean virus, bacterias, hormonas, etc.

8.8. Función de reserva

Algunas proteínas almacenan determinados compuestos químicos, como aminoácidos, ya sean como elementos nutritivos o para formar el embrión. Ejemplos: ovoalbúmina, caseína, zeína o la hordeína.

8.9. Transducción de señales

La transducción es el proceso donde una célula produce una respuesta a una señal extracelular. Son procesos mediados mediante proteínas como la rodopsina de la retina que convierte una señal luminosa en un impulso nervioso.

8.10. Función de transporte

Hay proteínas que se unen a sustancias y las transportan por un medio acuoso, o a través de las membranas celulares. Ejemplos de proteínas transportadoras:

• A) Citocromos. Intervienen en la respiración celular y la fotosíntesis.
• B) Hemoglobina. Pigmento que da color rojo a la sangre de los vertebrados y transporta oxígeno.
• C) Hemocianina. Pigmento azul que tiene la misma función que la hemoglobina.
• D) Lipoproteínas del plasma sanguíneo, que transportan lípidos.
• E) Mioglobina. Almacena y transporta oxígeno en los músculos.
• F) Seroalbúmina. Transporta ácidos grasos entre el tejido adiposo y otros órganos.