Aminoácidos

Son compuestos orgánicos sencillos que al unirse entre sí forman las proteínas. Químicamente están compuestos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se caracterizan por poseer en su molécula un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral o grupo R, todos ellos unidos covalentemente a un átomo de carbono (Cα).

Los aminoácidos se pueden clasificar en 4 grupos según la polaridad de los R:

1. Hidrófobos: los radicales son de naturaleza hidrocarbonada no polar.
2. Polares hidrofílicos: los radicales son polares, pero sin carga.
3. Básicos: los radicales poseen un grupo amino extra que se ioniza positivamente.
4. Ácidos: los radicales poseen un grupo carboxilo extra que se ioniza negativamente.

Propiedades de los Aminoácidos

1. Propiedades ácido-básicas:

Cuando se encuentran en disolución acuosa forman iones dipolares, llamados también iones híbridos por poseer igual número de cargas positivas que negativas. El pH en el que un aminoácido forma un ión híbrido se denomina punto isoeléctrico.

El ión híbrido disuelto puede comportarse como ácido o como base, dependiendo del pH de la disolución. Las sustancias que poseen esta propiedad se denominan anfóteras.

Este carácter de los aminoácidos permite la regulación del pH. Todos los aminoácidos obtenidos de la hidrólisis de una proteína, excepto la glicina, tienen al menos un carbono asimétrico.

2. Estereoisomería:

Estas dos configuraciones espaciales se denominan estereoisómeros. Ambos estereoisómeros son imágenes especulares y no superponibles. Todos los aminoácidos proteicos son de la serie L, pues las células los sintetizan utilizando enzimas estereoespecíficas. Al igual que ocurre en los monosacáridos, los aminoácidos muestran actividad óptica.

3. Aminoácidos esenciales:

De los veinte aminoácidos que forman parte de las proteínas, solo algunos pueden ser sintetizados por los organismos heterótrofos a partir de compuestos más sencillos.

Estos últimos son los que se conocen como aminoácidos esenciales, en el caso de un ser humano adulto son 8. Los organismos autótrofos pueden sintetizar todos aquellos aminoácidos que necesitan para su metabolismo.

Enlace Peptídico

Cuando los aminoácidos forman cadenas, lo hacen mediante enlaces peptídicos. Este tipo de uniones son enlaces covalentes formados entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro, dando lugar a la pérdida de una molécula de agua. Los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos se denominan residuos para resaltar la pérdida de átomos en la formación del enlace.

Un dipéptido es una cadena que está constituida por dos residuos de aminoácidos, un tripéptido por tres y un oligopéptido contiene menos de 50 residuos.

En general, se denominan polipéptidos a las cadenas más largas. Los grupos amino y carboxilo libres en los extremos opuestos de la cadena polipeptídica se nombran como N-terminal y C-terminal.

Características del Enlace Peptídico

• El enlace peptídico es un enlace covalente más corto que la mayor parte de los demás enlaces C-N.
• Posee cierto carácter de doble enlace, lo que le impide girar libremente, por eso es rígido.
• Los cuatro átomos (C=O y N-H) del grupo péptido y los dos átomos de carbono α se hallan situados sobre un mismo plano, manteniendo distancias y ángulos fijos.
• Los únicos enlaces que pueden girar, y no del todo libremente, son los formados por C-C y N-C.

Estructura de las Proteínas

1. Estructura primaria:

Es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. Posee una disposición en zig-zag, debido a que los planos de sucesivos enlaces peptídicos se disponen de esta manera.

El orden de colocación de aminoácidos es muy distinto, solo hay 20 y una proteína posee miles de ellos. Esta estructura es importante ya que al sustituir un aminoácido por otro, la proteína desempeña una función distinta o queda inactiva. Es la estructura más importante aun siendo la más sencilla.

2. Estructura secundaria:

Es la disposición de la secuencia de aminoácidos o estructura primaria en el espacio. Son conocidos tres tipos de estructura secundaria:

• α-hélice: esta estructura se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Esto se debe a la formación espontánea de enlaces de hidrógeno entre el CO de un aminoácido y el NH de otro.
• Hélice de colágeno: el colágeno tiene una disposición en hélice especial, algo más alargada que la anterior, debido a la abundancia de prolina e hidroxiprolina. Estos aminoácidos poseen una estructura que dificulta mucho la formación de puentes de hidrógeno por lo que se forma una hélice más extendida.
• Conformación-β: el conjunto adopta forma de acordeón, estableciéndose puentes de hidrógeno intercatenarios. El plegamiento en acordeón es resultado de la estructura primaria en zig-zag de las cadenas individuales. Las cadenas quedan unidas por puentes de hidrógeno entre el grupo CO y NH próximos, los R quedan por encima o por debajo de la lámina plegada.

El que una proteína tenga una estructura secundaria u otra depende de su estructura primaria. Una misma cadena peptídica puede tener distinta estructura secundaria en distintos segmentos.

3. Estructura terciaria:

Nos informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular.

Aparecen varios tipos de enlaces: uno fuerte de tipo covalente, el puente disulfuro, y otros débiles como los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, las interacciones iónicas y las interacciones hidrófobas.

Las proteínas que no llegan a formar estructuras terciarias mantienen su estructura secundaria alargada, llamadas proteínas filamentosas. Las más conocidas son el colágeno de los huesos y del tejido conjuntivo, la α-queratina del pelo, plumas, etc.

4. Estructura cuaternaria:

Informa de la unión, mediante enlaces débiles, de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. Las proteínas que adquieren esta estructura reciben el nombre de oligoméricas.

Todas las proteínas tienen al menos estructura primaria y secundaria. Las globulares de primaria a terciaria y la cuaternaria solo las oligoméricas. La proteína recién sintetizada se pliega hasta conseguir una conformación tridimensional en la que es estable y activa.

Funciones de las Proteínas

Función general:

A nivel celular realizan funciones estructurales las glucoproteínas de las membranas plasmáticas, las proteínas que forman parte de los microtúbulos del citoesqueleto, cilios y flagelos, etc. A nivel histológico podemos nombrar las queratinas de las formaciones dérmicas, la elastina de los tejidos reticulares y el colágeno del tejido cartilaginoso, conjuntivo y óseo.

Función de transporte:

Las proteínas también tienen la función de transportar en el organismo como los pigmentos respiratorios como la hemoglobina, hemocianina, etc., se encargan de transportar oxígeno, otras proteínas se encargan del transporte de sustancias por el torrente circulatorio.

Enzimática:

Las enzimas son proteínas que tienen acción biocatalizadora, favorecen las reacciones químicas que tienen lugar en las células. Esta función es la más importante, ya que existe un gran número de enzimas y todas ellas tienen un elevado grado de especialización.

Hormonal:

Son biocatalizadores que se diferencian de las enzimas en que no actúan localmente, sino distribuidas por la sangre y actúan por todo el organismo.

Defensa:

Las principales proteínas que ejercen esta función son las inmunoglobulinas, que constituyen los anticuerpos. Su función es asociarse a las sustancias extrañas que entran en el organismo y neutralizarlas. En esta función debemos incluir a la trombina y el fibrinógeno, que participan en la coagulación de la sangre y las mucinas del tracto digestivo y respiratorio.

Función contráctil:

Esta función la desarrollan la actina y la miosina, estas proteínas se asocian entre sí formando miofibrillas, estructuras que permiten la contracción y relajación de las fibras musculares. Otras como la dineína, tubulina y flagelina permiten la movilidad celular que forma el puente de conjugación entre bacterias.

De reserva:

Desempeñan esta función la ovoalbúmina de la clara del huevo, la caseína de la leche, etc.

Homeostática:

Algunas proteínas sanguíneas participan en la regulación del pH gracias a su capacidad amortiguadora.

Energía de Activación

Algunas moléculas tienen más energía que otras y solo las activadas realizarán la reacción. Cuanto mayor sea la proporción de moléculas activadas, más rápida se desarrollará ésta. La energía necesaria para que las moléculas puedan reaccionar se denomina energía de activación.

Catalizador

Es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, no se gasta en el curso de la misma y se necesita en cantidades muy pequeñas.

Enzimas

Son catalizadores orgánicos coloidales producidos por los seres vivos, capaces de actuar fuera de la célula que los produce y que, en su mayoría, químicamente son proteínas globulares cuya finalidad es acelerar las reacciones biológicas disminuyendo la energía de activación.

Propiedades de las Enzimas

1. Especificidad de la catálisis enzimática:

En las enzimas se dan dos tipos de especifidad: de acción (indica la capacidad de la enzima por seleccionar una de las diversas reacciones posibles) y de sustrato (indica qué sustancias deben ser transformadas y cuáles no).

2. Reversibilidad:

Una enzima actúa por igual sobre una reacción química sea cual sea el sentido en que se verifica dicha reacción.

3. Eficacia:

La reacción catalítica tiene lugar con unas concentraciones muy exiguas de la enzima, ya que una sola molécula de enzima puede catalizar la reacción de miles de moléculas de sustrato. La enzima no se consume, recupera su estado inicial al final del proceso.

4. Gran poder catalítico:

Las enzimas poseen una potencia superior a la de los catalizadores, pues multiplican la velocidad de las reacciones. En ausencia de enzimas y en condiciones suaves de temperatura y de pH, las reacciones biológicas se realizan pero a velocidades imperceptibles. Las enzimas permiten que las reacciones metabólicas se desarrollen rápidamente aunque las condiciones de pH y de temperatura sean suaves.

5. Su actividad está regulada por factores externos (temperatura, pH, etc.) y por moléculas originadas en las reacciones que promueve (producto final).

Estructura de las Enzimas

Las enzimas dependen su actividad solamente de su estructura mientras que otras necesitan de la colaboración de sustancias no proteicas que se denominan cofactores enzimáticos y los hay de dos tipos:

1. Activadores inorgánicos:

Son iones metálicos, normalmente de oligoelementos, cuya importancia biológica deriva precisamente de esta participación en los complejos funcionales de las enzimas.

2. Coenzimas:

Son moléculas orgánicas, de estructura mucho menos compleja que la de la proteína enzimática y no suelen ser específicos de un solo tipo de apoenzima: el mismo coenzima puede actuar como cofactor de muchas enzimas diferentes como ocurre con el ATP. Los coenzimas típicos sólo mantienen una relación funcional con la proteína enzimática, pero otros se hallan unidos íntimamente y reciben el nombre de grupos prostéticos. Los coenzimas no son exclusivos de un solo apoenzima, se unen a muchos apoenzimas distintos. Destacan:

1. Los que intervienen en transferencia de grupos fosfatos que acumulan energía, son los adenosin-fosfatos (ADP-ATP).
2. Los que intervienen en reacciones redox transfiriendo hidrógeno: piridin-nucleótidos (NAD-NADP) y flavin-nucleótidos (FMN y FAD).
3. Las que intervienen en la transferencia de grupos acetilos en concreto el coenzima A.

Regulación de la Actividad Enzimática

Influencia de la concentración de la enzima:

La actividad enzimática es directamente proporcional a la concentración de la enzima, siempre que exista un exceso de sustrato. La velocidad de la reacción crece proporcionalmente con la cantidad de enzima presente.

Influencia de la concentración del sustrato y producto:

Cuando en un sistema enzima-sustrato se modifica la concentración de este último, la actividad enzimática va creciendo hasta alcanzar un valor máximo. Las concentraciones bajas del sustrato presentan un efecto marcado sobre la actividad, en contraposición a la escasa o nula variación que introducen en la velocidad de reacción las concentraciones elevadas.

Si se supone que la enzima se une al sustrato para formar el complejo ES, es lógico suponer que el número de moléculas de enzima, que es fijo, resulte un factor limitante. La velocidad de la reacción aumenta a medida que crece la concentración de sustrato, pero una vez alcanzada aquélla en que todas las moléculas de enzima están como complejo ES, no se consigue aumentar la actividad por más que crezca la concentración de sustrato (inhibición por sustrato).

Como toda la reacción enzimática es una reacción de equilibrio, una elevada concentración de producto reduce (inhibición por producto) la actividad enzimática, ya que éste constituye el sustrato de la reacción inversa.

Influencia de la temperatura:

En relación con la temperatura óptica hay que considerar dos hechos antagónicos. Por un lado, la elevación de la temperatura se traduce en una aceleración de las reacciones químicas y las reacciones catalizadas por enzimas no son excepción. Por otro lado, las enzimas son proteínas que se desnaturalizan a temperaturas altas y pierden su configuración tridimensional. La temperatura óptica de cada enzima resulta de la conjugación de ambos factores, que varía según el organismo y la enzima.

Influencia del pH:

La acción enzimática transcurre entre dos valores límites de pH fuera de los cuales la actividad es nula, existiendo un pH óptimo, en que la actividad es máxima, que suele ser bastante próximo al fisiológico, o sea, en la zona neutra o débilmente ácida. De otra forma se produciría su desnaturalización. No obstante existen enzimas que actúan a pH con valores extremos: la pepsina y la tripsina.

Inhibición Enzimática

Cualquier sustancia capaz de disminuir la velocidad de una reacción enzimática es un inhibidor y son de dos tipos:

• Inhibidores irreversibles: se unen íntimamente (forma covalente) con la enzima, y la inactivan o destruyen. Así sucede con las sustancias tóxicas o fármacos.
• Inhibidores reversibles: se unen débilmente a la enzima (por enlaces no covalentes). Con condiciones adecuadas se pueden desprender de la proteína, por lo que, la inhibición es reversible.

Los inhibidores fisiológicos son reversibles y la inhibición que producen pueden adoptar dos formas:

1. Inhibición competitiva:

Este tipo de inhibición presupone una competencia entre el sustrato normal y el agente inhibidor por unirse al centro activo de la enzima. Ello es debido a que existe una gran semejanza estructural entre el sustrato y el inhibidor, por lo que éste tiene una cierta afinidad por la enzima, de tal forma que puede llegar a bloquear la reacción.

En la inhibición competitiva la enzima puede unirse al sustrato formando el complejo ES o al inhibidor EI, pero no a ambos ESI. El complejo EI no se puede descomponer o lo hace lentamente.

La velocidad de reacción depende de tres factores: la concentración del inhibidor, la concentración del sustrato y las afinidades de inhibidor y sustrato por la enzima.

2. Inhibición no competitiva:

El inhibidor se une a la enzima en un sitio diferente al centro activo, alterando la conformación de la molécula enzimática y se inactiva el centro activo. Los complejos EI y ESI son inactivos.

En este caso se considera que se forma un complejo ESI que se convierte en productos con menor velocidad que el complejo ES, pero además por la presencia del inhibidor I queda afectada la afinidad de la enzima por el sustrato. La inhibición, por tanto, depende solamente de la concentración del inhibidor, sin que importe la concentración del sustrato, pues aunque aumente no se llega a alcanzar la velocidad máxima.

Ácidos Nucleicos

Son biomoléculas de la mayor importancia biológica, formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Se trata de moléculas de gran tamaño por lo que se definen como polímeros constituidos por la unión de unas unidades moleculares (monómeros) hidrolizables, denominadas nucleótidos.

El ADN es el material genético y tiene dos funciones:

1. Almacenar la información genética:

El ADN contiene la información para el crecimiento y desarrollo del organismo. Como las proteínas son las biomoléculas específicas, y las características de cada organismo son consecuencia de su contenido proteico.

2. Transmitir la información genética:

Copiarse exactamente en cada generación. Antes de que una célula se divida, su ADN tiene que formar copias exactas de sí mismo para que cada célula hija reciba una copia. Este proceso se denomina replicación o duplicación del ADN.

Las funciones del ARN son expresar la información genética, es decir, ejecutar las órdenes contenidas en el ADN. Por tanto, el ARN es el encargado de sintetizar las proteínas. Además, en algunos virus es el material hereditario.

Sobre su localización, el ADN está en el núcleo, también hay ADN en las mitocondrias y los cloroplastos, que son orgánulos autoduplicables. El ARN se halla en el núcleo, formando parte del nucléolo y del jugo nuclear, y en el citoplasma constituyendo parte de los ribosomas.

Nucleótidos

Contienen tres componentes característicos: ácido fosfórico, una pentosa y una base nitrogenada, son moléculas hidrolizables.

La pentosa es de dos tipos:

• Ribosa: que forma parte de los nucleótidos constituyentes del ARN.
• Desoxirribosa: que forma parte de los nucleótidos constituyentes del ADN.

Las bases nitrogenadas pueden ser:

• Púricas: Adenina (A), Guanina (G).
• Pirimidínicas: Citosina (C), Timina (T), Uracilo (U).

Una molécula de base nitrogenada se une a una molécula de pentosa originando un nucleósido. La unión, denominada enlace N-glucosídico, se establece entre el átomo de nitrógeno 1 de las bases pirimidínicas o el 9 de las bases púricas y el átomo 1 de la pentosa.

Los nucleótidos son ésteres fosfóricos de los nucleósidos.

Funciones de los Nucleótidos

1. Precursores de los ácidos nucleicos: es decir, son sus constituyentes, esta función es estructural.
2. Coenzimas:
   • Adenosin fosfatos: aparte del AMP, existen otros dos ribonucleótidos de la adenina con dos o tres moléculas de ácido fosfórico: ADP y ATP. Pueden actuar como transferidores de energía y el ATP es considerado unidad universal de energía. Otros ribonucleótidos como el GTP, UTP, CTP desempeñan un papel más limitado como transferidores de energía.
   • Piridin-nucleótidos: están constituidos por un nucleótido de la nicotinamida y un ribonucleótido de adenina: NAD+ y NADP+. Los piridin-nucleótidos son coenzimas de las reacciones de óxido-reducción actuando como transportadores de electrones.
   • Flavin-nucleótidos: son derivados de la riboflavina, de los que se conocen: FMN y FAD que también actúan transfiriendo electrones.
   • Coenzima A: está formado por el ácido pantoténico unido a un nucleótido de adenina.
3. Mensajeros químicos: este es el caso del adenosin monofosfato cíclico que se origina cuando el fosfato se une a los carbonos 3′ y 5′ de la ribosa formando un enlace fosfodiéster cíclico.

Enlace Fosfodiéster

La unión de un gran número de nucleótidos mediante enlaces covalentes formando largas cadenas, da lugar a los polinucleótidos o ácidos nucleicos.

El polinucleótido constituido por una larga cadena de desoxirribonucleótidos recibe el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN), mientras que si la cadena está formada por ribonucleótidos, se trata de ácido ribonucleico (ARN).

Por consiguiente, los ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN, químicamente son polinucleótidos en los que los sucesivos nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster que se establecen entre el grupo carboxilo del carbono 5′ de la pentosa de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3′ de la pentosa del otro nucleótido.

Estructura de los Ácidos Nucleicos

1. Estructura primaria:

Viene dada por la secuencia de nucleótidos de una cadena de polinucleótidos. Está formada por un esqueleto de unidades de fosfato y de desoxirribosa, y una secuencia de bases.

2. Estructura secundaria:

Es la conformación espacial de las cadenas de polinucleótidos, como consecuencia del plegamiento de las mismas. Según el modelo de Watson y Crick, cada molécula de ADN está compuesta por dos largas cadenas de polinucleótidos, complementarias, antiparalelas y enrolladas en forma de una doble hélice. Las dos cadenas son antiparalelas, por eso una va con el extremo 5′ 3′ y la otra 3′ 5′.

3. Estructura terciaria: superenrollamiento y empaquetamiento del ADN.

Una propiedad singular que posee el ADN circular, pero no el lineal, es el superenrollamiento. El ADN enrollado en una doble hélice se puede a su vez enrollar formando una superhélice. Es lo que se conoce como estructura terciaria.

El superenrollamiento facilita el empaquetamiento en las células procariotas ya que el ADN está desnudo, no se asocia con proteínas. Al contrario, el empaquetamiento del ADN en las células eucariotas se hace mediante la asociación con proteínas. Así se forma lo que se denomina fibra cromosómica, que presenta unos engrosamientos llamados nucleosomas.

Tipos de ADN

1. En las células eucariotas es bicatenario (dos cadenas) lineal, asociado a proteínas.
2. En las bacterias es bicatenario circular y superenrollado, lo mismo que en las mitocondrias y cloroplastos de las eucariotas.
3. En los virus es monocatenario o bicatenario, lineal o circular. Puede estar asociado a proteínas.

Estructura del ARN

Presenta una composición química semejante al ADN, salvo que tiene ribosa en vez de desoxirribosa y uracilo en vez de timina. Está constituido por una sola cadena de polinucleótidos, excepto en algunos virus que es bicatenario. Como el ADN, presenta una estructura primaria que es la secuencia de nucleótidos. Esto no significa que tenga una estructura lineal simple. El ARN no tiene estructura generalizada en doble hélice.

Tipos de ARN

1. ARNm:

Es lineal, sin zonas bicatenarias. Su función es transmitir la información genética desde el núcleo hasta el citoplasma. Se forma por transcripción, a partir de cualquiera de las dos hebras del ADN, según la complementariedad de las bases, y se constituye la plantilla donde está la información genética para la síntesis de proteínas. En eucariotas es monocistrónico (lleva información para una proteína) y en procariotas es policistrónico (cada ARNm lleva información para varias proteínas).

2. ARNt:

Su función es transportar aminoácidos, adopta una estructura en forma de trébol cuando la molécula está parcialmente desplegada, con bucles en los que las bases no están apareadas. En el extremo 3′ (por donde se transporta el aminoácido) siempre existe la secuencia -C-C-A y es por donde se une a un aminoácido específico, en el extremo 5′ hay una G.

3. ARNr:

Gran parte de la molécula es bicatenaria y en forma de hélice, por formación de asas entre regiones complementarias de la misma molécula. Se encuentra asociado a proteínas y esta asociación forma los ribosomas, que son el lugar de la síntesis proteica.