TEMA 4

1. Los aminoácidos

Son los componentes moleculares más sencillos de las proteínas obtenidos por hidrólisis de éstas. Son compuestos orgánicos de baja masa molecular, solubles en agua, con un grupo funcional ácido carboxílico y un grupo funcional amino. En los aminoácidos proteicos, estos grupos funcionales se colocan en una posición carácterística, con el grupo amino en el carbono a, que es el contiguo al grupo carboxilo. R representa la cadena lateral, de naturaleza variada, que distingue unos aminoácidos de otros. El carbono a, o sea, el siguiente al grupo carboxilo, al que se une el grupo amino, es asimétrico en todos los aminoácidos proteicos (a excepción de la glicina). Esto hace que puedan darse dos configuraciones distintas D y L (distintas maneras de configurarse los átomos de la molécula en el espacio), que dan lugar a la isomería óptica de los aminoácidos. Se denominan aminoácidos L o de configuración L a aquellos que presentan el grupo NH2 en el vértice de la izquierda y saliendo hacia el observador. Se denominan aminoácidos D o que presentan una configuración D, aquellos cuyo grupo NH2 está en el vértice de la derecha y saliendo hacia el observador. Sólo el carbono a determina la estructura
L o D; el resto de los carbonos asimétricos de la cadena lateral puede tener cualquiera de las dos configuraciones.

CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS (a pH 7)

1. Apolares

La cadena R posee grupos hidrófobos que interaccionan con otros grupos hidrófobos mediante fuerzas de Van der Waals. Tienden a ocupar la parte central de las Proteínas Globulares, para minimizar su interacción con el disolvente. A pH 7 la carga eléctrica neta es 0. Tipos: • Apolares Alifáticos. La cadena R es de naturaleza alifática (hidrocarburos alifáticos). Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina y Prolina. • Apolares Aromáticos. La cadena R contiene anillos aromáticos: Benceno (Fenilalanina), Indol (Triptófano) y Fenol (Tirosina).

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Polares sin carga

La cadena R contiene grupos polares capaces de formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares. A pH 7 la carga eléctrica neta es 0. Serina, Treonina, Cisteína, Metionina, Asparagina y Glutamina.

3. Polares con carga

La cadena R contiene grupos polares cargados. Tipos: • Ácidos. La cadena R aporta grupos carboxilo cargados negativamente (aniónicos). A pH 7 la carga eléctrica neta es -1. Aspartato y Glutamato. • Básicos. La cadena R aporta grupos amino cargados positivamente (catiónicos). A pH 7 la carga eléctrica neta es +1. Lisina, Arginina e Histidina.

Los aminoácidos en disolución

En disolución los grupos ácido tienden a ceder protones quedando el grupo carboxilo con carga negativa (–COO– ), y los grupos amino tienden a captar protones quedando el grupo amonio con carga positiva (–NH3 + ). Cuando el aminoácido se encuentra en medio ácido, estará ionizado el grupo amino pero no el carboxilo (se comporta como BASE), y si el medio es básico, estará ionizado el grupo carboxilo pero no el amino (se comporta como ÁCIDO). Cuando un aminoácido presenta una carga positiva y una negativa, su carga eléctrica neta es 0; si sólo presenta una carga positiva, su carga neta es +1, y si sólo presenta una carga negativa, su carga neta es –1.

Cada aminoácido presentará un valor de pH para el que la carga neta será 0 (si lo colocamos en un campo eléctrico no se desplazará hacia ningún polo), y a ese valor de pH se le denomina punto isoeléctrico (pI) = media aritmética de los distintos valores de pK. Las técnicas de separación de aminoácidos basadas en sus propiedades eléctricas, aprovechan el conocimiento del valor del pI de cada aminoácido. El pH del medio en el que se encuentre el aminoácido es esencial para determinar sus propiedades ácido-base, de ello dependen las propiedades químicas y la funcionalidad biológica de los péptidos y proteínas que forman. Las propiedades ácido-base de un aminoácido vienen determinadas por los grupos protonables que posea. Un aminoácido puede actuar bien como ácido o como base (sustancias anfóteras), pudiendo tener hasta 3 grupos con carácter ácidobase: el α-amino, el α-carboxilo y, en algunos casos, el grupo R. Estos grupos poseen un carácter ácido-base débil, lo que hace que dependiendo del pH el equilibrio pueda desplazarse o en un sentido o en otro (hacia la forma protonada o hacia la desprotonada). Por este motivo actúan también como sustancias tampón.

2. Los péptidos

Los aminoácidos se unen entre sí mediante una uníón que recibe el nombre de enlace peptídico. Este enlace resulta de la formación de un grupo amida (-CO-NH-) entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo a-amino del aminoácido siguiente. El conjunto de dos aminoácidos unidos por un enlace peptídico recibe el nombre de dipéptido, si se trata de tres aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, tripéptido y así sucesivamente.

Genéricamente se habla de oligopéptidos cuando hay un número moderado de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, y de polipéptidos, cuando hay un número elevado de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. En el pentapéptido de la imagen se observan las cadenas laterales y también cómo aparece un residuo de aminoácido en un extremo de la cadena que presenta un grupo amino libre, y en el otro extremo aparece un residuo de aminoácido que presenta un grupo carboxilo libre; estos grupos se llaman respectivamente N-terminal y C-terminal.

Una propiedad importante del enlace peptídico es que los cuatro átomos implicados en torno a él (C, O, N, H) se sitúan en un mismo plano (plano de la amida). Dos planos de la amida contiguos pueden girar a través de los dos enlaces sencillos del carbono a, aunque el giro no es totalmente libre, ya que la cadena lateral unida al carbono a dificulta la rotación. La cadena peptídica adquiere la estructura de unos planos sucesivos que pueden formar diversos ángulos entre sí, y de los que salen lateralmente los grupos químicos de cada aminoácido (las cadenas laterales).

3. Las proteínas: concepto y estructura

Las proteínas son biomoléculas formadas por la uníón de aminoácidos. Compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y en la mayor parte de los casos también contienen azufre. Son macromoléculas, es decir, que tienen elevadas masas moleculares relativas (por ejemplo, el fibrinógeno de la sangre, 500.000). Son las responsables de la mayor parte de las estructuras y de las acciones vitales de los organismos. Las proteínas están constituidas por largas cadenas polipeptídicas que poseen una estructura que puede ser estudiada a diversos niveles de organización: las estructuras primaria, secundaria, terciaria y, en su caso, cuaternaria. Cada nivel aporta información para comprender el siguiente.

Estructura primaria

La estructura primaria hace referencia a la secuencia de aminoácidos, es decir, al orden en que se colocan los diferentes aminoácidos para formar la cadena peptídica.

Estructura secundaria

Un fragmento de cadena polipeptídica puede adoptar diferentes disposiciones espaciales según los ángulos que forman entre sí los planos de la amida. A dicha disposición espacial se le llama estructura secundaria. La estructura secundaria más frecuente en las proteínas es la a -hélice postulada en 1951 por Pauling y Corey, y confirmada seis años después por los estudios con difracción de rayos X. Los planos de los sucesivos enlaces peptídicos se disponen formando una hélice dextrógira; las cadenas laterales se proyectan hacia fuera de la hélice en una disposición helicoidal y los grupos C=O y N–H de los enlaces peptídicos quedan hacia arriba o hacia abajo, en dirección más o menos paralela al eje de la hélice; esto permite que se formen enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre el grupo -NH de un aminoácido y el grupo -C=O del cuarto aminoácido que le sigue. Otra estructura secundaria es la lámina β, también llamada en hoja plegada β. Los planos de los enlaces peptídicos sucesivos se disponen en zig-zag, y la estructura se estabiliza mediante puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y -NH de aminoácidos pertenecientes a diferentes segmentos de la misma o de diferente cadena polipeptídica. Las estructuras secundarias vistas no son las únicas posibles, pero sí las más frecuentes. Otro caso, que se da únicamente en el colágeno (proteína abundante en el tejido conjuntivo de los animales, piel y tendones), es una hélice formada por tres cadenas polipeptídicas que se arrollan entre sí = Hélice de colágeno En algunas proteínas globulares se producen agrupaciones de a – hélices y estructuras b, denominadas estructuras supersecundarias.

Estructura terciaria

La cadena polipeptídica, aunque estabilizada por su estructura secundaria, puede aún sufrir giros y plegamientos, adquiriendo una disposición tridimensional conocida como estructura terciaria de la proteína. En la figura puede apreciarse un ejemplo de plegamiento de una cadena polipeptídica en la que entran en contacto segmentos diferentes de la misma. Las causas que determinan el plegamiento de la cadena peptídica se relacionan con la búsqueda de estabilidad de la molécula; determinadas interacciones fisicoquímicas entre diversas cadenas laterales de la molécula pueden originar una disposición tridimensional más estable en el medio en que se encuentre la proteína.

Estructura cuaternaria

Las proteínas que están formadas por una sola cadena polipeptídica sólo alcanzan la estructura terciaria. La estructura cuaternaria es un grado superior de organización espacial Es la que poseen las proteínas que constan de 2 o más cadenas polipeptídicas, iguales o diferentes. Una proteína con estructura cuaternaria sería, por tanto, un oligómero constituido por varias cadenas polipeptídicas cada una de las cuales sería un monómero. Las diferentes cadenas polipeptídicas se unen entre sí mediante interacciones del mismo tipo de las que hemos señalado para estabilizar la estructura terciaria, tanto las interacciones no covalentes como los puentes disulfuro (interacciones covalentes).

4. Homoproteínas y heteroproteínas

Algunas proteínas están formadas únicamente por aminoácidos = Homoproteínas. Otras, en cambio, contienen en su estructura además de la cadena o cadenas polipeptídicas, otra sustancia no formada por aminoácidos = Heteroproteínas o proteínas conjugadas. Grupos prostéticos y son necesarios para que la proteína desarrolle su función. El grupo prostético puede unirse a las cadenas polipeptídicas por un enlace covalente o por una interacción no covalente con algún o algunos de los aminoácidos de la proteína. Apoproteína = Proteína conjugada – grupo prostético.  Las proteínas conjugadas se agrupan para su estudio según la naturaleza del grupo prostético. Entre los grupos más importantes podemos citar: Glicoproteínas, que contienen un hidrato de carbono unido covalentemente a algún aminoácido. • Lipoproteínas, que contienen una sustancia lipídica unida no covalentemente, aunque en algunas proteínas de membrana la parte lipídica sí que forma un enlace covalente con los aminoácidos terminales o con la cisteína. • Otro grupo prostético de interés es el grupo hemo, presente en la mioglobina y en la hemoglobina.

5. Funciones de las proteínas. Clasificación funcional

La clasificación de las proteínas según la función que desempeñan:
1. Proteínas estructurales, que contribuyen a fijar la forma, o dar rigidez, o flexibilidad a las diversas partes de los organismos. Ejemplos: el colágeno de los tendones la queratina de pelos y uñas, la fibroína de la seda, etc.
2. Proteínas de reserva, que constituyen un almacén de aminoácidos que el organismo utilizará en el crecimiento o reparación de sus estructuras y en su desarrollo. Ejemplos: las albúminas de las semillas, de la leche y de los huevos.
3. Proteínas activas, uníéndose a ligandos desempeñando múltiples funciones: a) Enzimas, se unen a un ligando, que se denomina sustrato, y catalizan su transformación química en otra sustancia diferente. B) Proteínas reguladoras, interaccionan con el ligando y ponen en marcha determinados procesos celulares. Por ejemplo, los receptores hormonales, al unirse a una hormona (el ligando) desencadenan un proceso o conjunto de reacciones en la célula. Algunas hormonas, además, son proteínas: insulina, hormona del crecimiento y parathormona. C) Proteínas transportadoras, se unen reversiblemente a un ligando y lo transportan de un lugar a otro del organismo. Ejemplos: la hemoglobina y la mioglobina . D) Proteínas contráctiles, al unirse al ligando, experimentan un cambio de conformación que tiene como consecuencia el acortamiento o alargamiento del órgano u orgánulo en que se encuentren. Un ejemplo es la miosina de las fibras musculares. E) Proteínas inmunes o inmunoglobulinas, se unen específicamente e irreversiblemente a un ligando que es una sustancia tóxica o una célula o fragmento celular; como consecuencia de dicha uníón, el agente tóxico (antígeno) queda bloqueado y no puede ejercer su acción.