Los Aminoácidos y las Proteínas

1. Los Aminoácidos

Los aminoácidos son moléculas orgánicas sencillas que contienen un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH) y una cadena lateral o grupo R, unidos a un átomo de carbono denominado carbono α. Son los monómeros cuya unión da lugar a los péptidos y a las proteínas. El grupo R determina el aminoácido de que se trata. Existen muchos aminoácidos, pero solo veinte componen las proteínas. Son los denominados aminoácidos proteicos.

1.1. Clasificación de los Aminoácidos

Los aminoácidos proteicos se clasifican según su cadena lateral en:

• Aminoácidos neutros apolares, con cadena lateral hidrófoba sin carga.
• Aminoácidos neutros polares, con cadena lateral hidrófila sin carga.
• Aminoácidos ácidos, con un grupo carboxilo cargado negativamente en su cadena lateral.
• Aminoácidos básicos, con un grupo amino cargado positivamente en su cadena lateral.

1.2. Las Propiedades de los Aminoácidos

Los aminoácidos son compuestos sencillos solubles en agua, poco solubles en disolventes orgánicos, debido a la baja masa molecular de sus cadenas y a la presencia de grupos ionizados. Por la misma razón, son cristalizables y sólidos, ya que el punto de fusión de los compuestos iónicos es alto.

Debido a la presencia de los grupos amino y carboxilo, unidos al carbono α, los aminoácidos presentan comportamiento anfótero y estereoisomería.

El Comportamiento Anfótero de los Aminoácidos

Los aminoácidos pueden comportarse como ácidos o como bases, según el pH de la disolución acuosa en la que se encuentren. Este comportamiento, denominado anfótero, permite amortiguar los cambios de pH actuando como un sistema tampón natural, y se debe a la capacidad que tienen los grupos carboxilo y amino para ionizarse.

La Estereoisomería de los Aminoácidos

Todos los aminoácidos, excepto la glicina, tienen isomería espacial.

Cada estereoisómero es la imagen especular no superponible del otro; es decir, son enantiómeros. Existe un convenio por el que se denomina configuración espacial D a la que presenta el grupo amino a la derecha, y configuración L, a la que lo presenta a la izquierda.

En las proteínas de los seres vivos, excepto en algunas bacterias, solo se encuentran aminoácidos de configuración L.

1.3. El Enlace Peptídico

El enlace peptídico es la unión entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro aminoácido.

El enlace peptídico es resultado de la reacción de condensación entre un grupo carboxilo y un grupo amino, para dar lugar a una amida y una molécula de agua. Una vez unidos los aminoácidos se denominan residuos de aminoácidos.

La ruptura del enlace se produce por una reacción de hidrólisis, que puede ser química o enzimática.

Las Características del Enlace Peptídico

El enlace peptídico presenta resonancia, es decir, hay una gran movilidad en una pareja de electrones del enlace amida, lo que le confiere un carácter parcial de doble enlace. Como consecuencia presenta las siguientes características:

• Es un enlace covalente de un tamaño intermedio, entre doble y simple.
• Es un enlace de tipo trans, ya que el átomo de oxígeno del grupo carboxilo queda siempre en el extremo opuesto del átomo de hidrógeno del grupo amino.
• Es un enlace rígido, en el que los átomos implicados quedan en un solo plano y no pueden rotar.

Los carbonos α pueden rotar, por lo que la posición del plano de cada enlace peptídico es independiente de las demás.

La Formación de Péptidos

Los péptidos son polímeros formados por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Su función depende del número y la secuencia de los aminoácidos que los componen.

Los péptidos se clasifican en función del número de aminoácidos en:

• Oligopéptidos: tienen entre dos y diez aminoácidos. Por ejemplo, dipéptidos, etc.
• Polipéptidos: tienen entre diez y sesenta aminoácidos aproximadamente.
• Proteínas: con más de 60 aminoácidos.

2. Estructura de las Proteínas

2.1. La Estructura Primaria

La estructura primaria es la secuencia ordenada de los aminoácidos que constituyen la proteína.

La estructura primaria es específica para cada proteína y esencial para su función, ya que determina la estructura tridimensional final que adopta la proteína. La secuencia de aminoácidos está determinada genéticamente.

La estructura primaria es una forma lineal en la que se distingue un esqueleto en zigzag, formado por la repetición de los planos del enlace peptídico unidos por carbonos α, y las cadenas laterales o grupos R de cada uno de los aminoácidos, que alternan su posición a cada lado del eje. La cadena presenta un extremo N-terminal con un grupo amino libre, a partir del cual se numeran los residuos de aminoácido hasta llegar al extremo C-terminal, con un grupo carboxilo libre.

2.2. La Estructura Secundaria

La estructura secundaria es el plegamiento local de la cadena de aminoácidos en cada sección.

• La estructura α-hélice. La cadena polipeptídica gira a derechas, formando una hélice dextrógira, que contiene 3,6 aminoácidos por vuelta. En el interior de la hélice se forman puentes de hidrógeno, entre los grupos carboxilo y amino, que mantienen la estructura, situándose las cadenas laterales hacia el exterior.
• La estructura β-laminar u hoja plegada. Este plegamiento se produce cuando dos cadenas polipeptídicas, procedentes o no de la misma proteína, se disponen paralelas o antiparalelas, en forma de zigzag. Se establecen puentes de hidrógeno entre los esqueletos peptídicos, situándose las cadenas laterales hacia arriba y hacia abajo de la lámina, de forma alterna.

2.3. La Estructura Terciaria

La estructura terciaria es la forma que adopta en el espacio la cadena polipeptídica. Para muchas proteínas, este es el nivel máximo de estructura.

Como resultado de todas las estructuras secundarias locales, las proteínas adquieren una forma tridimensional global, denominada conformación. Esta se mantiene gracias a interacciones químicas entre grupos de las cadenas laterales de los aminoácidos separados en la secuencia polipeptídica. Estas interacciones pueden ser:

• Puentes de hidrógeno entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos.
• Interacciones electrostáticas entre grupos con carga eléctrica opuesta de las cadenas laterales de determinados aminoácidos, como el grupo carboxilo (COO^–) de los ácidos glutámico y aspártico, y el grupo amino (NH₃⁺) de la arginina y la lisina.
• Interacciones hidrofóbicas entre las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos, que tienden a quedar en el interior de la estructura, aislados del agua.
• Puentes disulfuro, enlaces covalentes, entre los átomos de azufre de la cadena lateral de la cisteína.

Las proteínas pueden adoptar dos tipos de conformación:

• Conformación globular, que es una estructura tridimensional compacta y aproximadamente esférica, que contribuye a la solubilidad. Es típica de proteínas de función dinámica, como la hemoglobina.
• Conformación fibrosa, estructura tridimensional alargada, que hace a la proteína insoluble. Es frecuente en proteínas de función estructural, como el colágeno.

2.4. La Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria es la unión de varias cadenas polipeptídicas o monómeros, que dan lugar a dímeros, trímeros, tetrámeros, etc.

La estructura cuaternaria se presenta solo en algunas proteínas, que pueden estar formadas por monómeros iguales o diferentes entre sí. Las fuerzas que mantienen unidos los monómeros son las mismas que actúan en la estructura terciaria.

3. Propiedades de las Proteínas

3.1. Propiedades Generales

Las propiedades de las proteínas dependen sobre todo de la naturaleza de los aminoácidos que las forman, ya que vienen determinadas por los grupos químicos de las cadenas laterales y de su capacidad de reacción con otras moléculas. Las principales propiedades son la solubilidad, la especificidad, la desnaturalización y la capacidad amortiguadora del pH.

Solubilidad

La solubilidad se debe a la presencia de aminoácidos polares, cuyas cadenas laterales establecen puentes de hidrógeno con el agua. De esta forma, la proteína queda cubierta de una capa de moléculas de agua, lo que la mantiene soluble. La mayoría de las proteínas globulares son solubles, ya que las cadenas laterales polares se sitúan en la periferia, quedando los grupos apolares en el interior. Por el contrario, las proteínas fibrosas suelen ser insolubles en agua.

Especificidad

La especificidad es consecuencia del elevado número de combinaciones en la secuencia de aminoácidos de la proteína.

Desnaturalización

La desnaturalización consiste en la pérdida de la estructura nativa de la proteína cuando se rompen los enlaces y las interacciones que la mantienen.

La consecuencia es que la proteína deja de ser activa, coagula y precipita, aunque mantenga su estructura primaria, pues los enlaces peptídicos no se ven afectados. La desnaturalización se puede producir por:

• Un aumento de temperatura, que modifica el tipo de interacciones entre las cadenas laterales.
• Cambios extremos de pH, que alteran la distribución de cargas en la molécula y, por tanto, afectan a las interacciones que estabilizan la estructura nativa.
• La presencia de determinadas sustancias químicas.

La desnaturalización puede ser reversible, ya que, al no afectar a los enlaces peptídicos, cuando cesa el agente causante y se recuperan las condiciones normales, las proteínas pueden sufrir un proceso de renaturalización y adquirir de nuevo la estructura nativa. Es menos frecuente la desnaturalización irreversible, como ocurre con la ovoalbúmina cuando se expone a temperaturas elevadas.

Capacidad Amortiguadora del pH

Las proteínas son sustancias anfóteras, que pueden comportarse como un ácido o como una base, y amortiguar así las variaciones de pH del medio.

4. Funciones de las Proteínas

Las proteínas desempeñan una gran variedad de funciones en los seres vivos, entre las que destacan:

• Función enzimática: Las enzimas se encargan de catalizar o acelerar las reacciones químicas metabólicas que tienen lugar en la célula y en el organismo. Existen unas dos mil enzimas distintas en cada célula y son específicas para cada reacción.
• Función hormonal: Las proteínas con función hormonal no actúan a nivel local como las enzimas, sino por todo el organismo, regulando multitud de procesos como la reproducción o el metabolismo. Por ejemplo, las hormonas luteinizante (LH) y foliculoestimulante (FSH), que segrega la hipófisis, regulan el ciclo ovárico. La insulina y el glucagón, secretados por el páncreas, son las responsables de la regulación del metabolismo de la glucosa.
• Función de defensa: Los anticuerpos como las inmunoglobulinas y las γ-globulinas son proteínas que defienden al organismo de patógenos y sustancias extrañas. El fibrinógeno y la trombina intervienen en la coagulación sanguínea tras una herida o hemorragia. Las toxinas son proteínas producidas por algunos seres vivos, ante la actividad de otros organismos, con función fungicida, bactericida o disuasoria.
• Función contráctil: La actina y la miosina son proteínas que permiten la contracción muscular.
• Función de reserva: La ovoalbúmina del huevo y la caseína de la leche son proteínas de reserva de aminoácidos.
• Función de transporte: La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados. La mioglobina transporta oxígeno en los músculos.
• Función estructural: El colágeno y la elastina son proteínas que proporcionan resistencia y elasticidad a los tejidos conectivos. La queratina es una proteína que forma parte de la piel, el pelo y las uñas.
• Función homeostática: Gracias a su capacidad amortiguadora, algunas proteínas colaboran en el mantenimiento de la homeostasis del medio interno, regulando la presión osmótica y manteniendo el pH.

5. Las Enzimas

Las enzimas son biocatalizadores de las reacciones químicas, que constituyen el metabolismo; intervienen en concentraciones muy bajas y aumentan la velocidad de las reacciones en las que participan, sin experimentar por ello modificaciones.

5.1. La Catálisis Enzimática

En todas las reacciones químicas se produce un intercambio de energía con el medio, que se denomina calor de reacción, y que es la diferencia entre la energía de los reactivos o sustratos, energía del estado inicial, y la energía de los productos, energía del estado final.

Sin embargo, aunque sea energéticamente favorable, para que una reacción química tenga lugar, se requiere el aporte de una determinada cantidad de energía, denominada energía de activación.

Una vez superada esta barrera energética, se dice que las moléculas han alcanzado el estado de transición, y la transformación tendrá lugar de forma espontánea. En el estado de transición, las moléculas tienen la suficiente energía cinética y la configuración adecuada para que se rompan y formen los enlaces necesarios para la transformación de los reactivos en productos.

Las enzimas catalizan reacciones que son energéticamente posibles, pero que no se llevarían a cabo ya que no alcanzarían la velocidad necesaria para los procesos celulares.

Como el resto de catalizadores, las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación de la reacción favoreciendo la formación del estado de transición y el progreso de la transformación. Como resultado de la acción enzimática, aumenta la velocidad de las reacciones metabólicas, adaptándola a las necesidades fisiológicas.