Aminoácidos, péptidos y proteínas

    Las proteínas son moléculas que desempeñan una gran variedad de funciones. La hemoglobina, las inmunoglobulinas y el colágeno son algunos ejemplos de proteínas más o menos conocidas que podemos encontrar en nuestro cuerpo. Igualmente, es posible hallar proteínas en otros muchos sitios: en las plumas de las aves, en los cuernos, en los hilos de seda, en la lana, en las semillas de los cereales, y así un largo etcétera.

    Además de multitud de funciones, las proteínas presentan también una gran variedad de formas. Las proteínas de colágeno, al igual que las que tenemos en nuestros músculos o en el pelo y las plumas de los animales, tienen estructura alargada, de fibra, mientras que las que circulan por el torren­te sanguíneo, como las hormonas, tienen forma tridimensional (son llamadas proteínas globulares). La estructura de cada proteína se relaciona con la función que desarrolla.

    Las proteínas existen en todos los organismos, y en cada una de las células hay varios miles de ellas para cumplir una diversidad de funciones. Pero las proteínas son distintas en cada grupo de seres vivos, y es importante destacar su alta especificidad: cada grupo de organismos posee proteínas diferentes, siendo más parecidas entre los grupos que se encuentran emparentados, es decir, más próximos en un árbol evolutivo. También se da especificidad de las proteínas entre los individuos pertenecientes a la misma especie.

    Los aminoácidos son las unidades estructurales básicas de las proteínas, y su unión forma los péptidos, dipéptidos, tripéptidos, oligopéptidos y polipéptidos, según la cantidad de aminoácidos que participen en la reacción. Las proteínas son polipéptidos, es decir, están compuestas por cadenas que tienen un gran número de aminoácidos.

    Aminoácidos

    Los aminoácidos son pequeñas moléculas formadas principalmente por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos átomos forman una estructura básica común a todos los aminoácidos. Un átomo de carbono, llamado carbono (alfa), actúa como pieza central y a él se le unen cuatro grupos: un grupo amino básico (–NH2), un grupo carboxilo ácido (–COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo denominado cadena lateral, que es característico de cada aminoácido y le confiere su identidad. A los aminoácidos que tienen esta estructura básica se les denomina -aminoácidos (v. figura 1).

    Estructura básica de un α-aminoácido.

    Clasificación

    Debido a las diferentes cadenas laterales, se han podido cuantificar veinte aminoácidos distintos que forman parte comúnmente de las proteínas. Para nombrarlos se pueden abreviar de dos formas: por medio de tres letras y por medio de una sola, la nomenclatura más utilizada en la actualidad. Por ejemplo, el ácido glutámico (o glutamato, como es más conocido por ser utilizado en muchos alimentos como potenciador de sabor) se puede nombrar como Glu o E.

    Los aminoácidos proteicos se clasifican según si sus cadenas laterales son hidrofílicas (polares, capaces de interaccionar con moléculas de agua) o hidrofóbicas (no polares, incapaces de interaccionar con el agua).

    En la tabla 1 se puede ver la clasificación de los veinte aminoácidos proteicos, con su nomenclatura entre paréntesis, mientras que las tablas 2/1 y 2/2 muestra sus fórmulas estereoquímicas.

    Tabla 1. Clasificación de los veinte aminoácidos proteicos según sus cadenas laterales.

    Las propiedades de las cadenas laterales de los aminoácidos son importantes para la conformación y función de las proteínas. Así ocurre que aquéllas con grupos polares cargados se encuentran expuestas en la superficie proteínica, mientras que las hidrofóbicas, no polares, aparecen escondidas en su interior, fuera del contacto con el agua.

    Otra posible clasificación se basa en la estructura de la cadena lateral, considerándose aminoácidos alifáticos aquellos en los que la cadena lateral está abierta, formada por grupos –CH2 y –CH3; aminoácidos aromáticos los que tienen la cadena lateral cerrada, y aminoácidos heterocíclicos aquellos cuya cadena lateral es cerrada, generalmente compleja y con algunos átomos distintos de C y H.

    Propiedades de los aminoácidos

    Los aminoácidos son compuestos químicos sólidos y cristalinos, con un elevado punto de fusión y solubles en agua. Sin embargo, cada uno de ellos tiene diferentes propiedades de polaridad, acidez, basicidad, aromaticidad, flexibilidad, posibilidad de formación de puentes de hidrógeno, etc. Otras dos propiedades muy importantes de los aminoácidos son su comportamiento estereoquímico, debido a la presencia de un carbono asimétrico, y su comportamiento químico o anfótero, por el que los aminoácidos son capaces de comportarse como un ácido (cuando sus grupos –COOH liberan protones), como una base (cuando sus grupos –NH2 captan protones) o como un ácido y una base al mismo tiempo, dependiendo del pH de la disolución en la que se encuentren.

    Péptidos

    Los péptidos se forman por la unión de aminoácidos. Dependiendo de la cantidad en que se unan, se forman distintos productos: la unión de dos moléculas de aminoácidos forma un dipéptido; con tres se forma un tripéptido; la unión de menos de cincuenta residuos forma un péptido u oligopéptido; por último, las cadenas de más de cincuenta aminoácidos forman un polipéptido. Todas las proteínas son polipéptidos, es decir, están conformadas por largas cadenas de aminoácidos.

    Enlace peptídico

    El enlace peptídico se forma cuando el grupo carboxilo de un aminoácido se condensa con un grupo amino de otro aminoácido, liberándose una molécula de agua. El resultado es la formación de un enlace amida entre el grupo carbonilo (C=O) y el grupo amino (N–H).

    El enlace amida tiene un carácter parcial de doble enlace, es decir, es más corto que un enlace simple (C–N), pero más largo que un enlace doble (C=N). Como consecuencia, el enlace peptídico tiene una cierta rigidez que impide su libre rotación: los seis átomos que participan en este tipo de enlace están obligados a permanecer en un mismo plano (v. figura 2).

    Formación de un péptido.

    Los aminoácidos unidos se llaman residuos. Los grupos amino y carboxilo que quedan libres en los extremos opuestos de la cadena polipeptídica se denominan amino terminal (N-terminal) y carboxilo terminal (C-terminal), respectivamente. En algunos polipéptidos cíclicos pequeños, los grupos C-terminal y N-terminal están unidos.

    Por convenio, los residuos se numeran desde el extremo N-terminal y se escriben de izquierda a derecha en el orden que ocupan en la cadena.

    Proteínas

    Las proteínas tienen cuatro niveles diferentes de organización estructural: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria es la conformación más sencilla; las otras tres implican distintos tipos de plegamientos, que dan a las proteínas una conformación tridimensional.

    Estructura primaria

    La estructura primaria de una proteína es su secuencia de aminoácidos, que se escribe desde el extremo N-terminal hasta el C-terminal. Esta secuencia es fundamental para determinar la función y la forma que tendrá la proteína, y viene dada por el gen que la codifica (v. figuras 3/1 y 3/2).

    Esquema de cadena polipeptídica.

    Esquema de cadena polipeptídica.

    El estudio de las estructuras primarias de muchas proteínas permite establecer diferencias y semejanzas entre distintas especies. Mediante mutaciones espontáneas, es decir, cambios en sus secuencias de aminoácidos, las proteínas evolucionan, y estos cambios nos ayudan a estudiar relaciones entre las especies. En especies que están íntimamente relacionadas, por ejemplo el ser humano y el chimpancé, la estructura primaria de algunas proteínas comunes a ambos es muy similar. Sin embargo, en las especies menos emparentadas, por ejemplo la trucha y el trigo, coinciden sólo fragmentos muy pequeños de sus secuencias.

    Estructura secundaria

    La estructura secundaria es la forma regular en que se dispone la estructura primaria, la cual adquiere de esta manera una disposición espacial estable, representada mayormente por dos tipos, la hélice y la lámina . Existen otros tipos de estructuras, como son la hélice 310 y la hélice p, pero no son tan frecuentes.

    Hélice . Se forma al enrollarse la estructura primaria sobre sí misma, como si fuera un sacacorchos. Se forma un cilindro compacto que gira desde el grupo amino al carboxilo. Los átomos de oxígeno del grupo carboxilo quedan orientados en la misma dirección, mientras que los átomos de hidrógeno del grupo amino quedan orientados en dirección opuesta, lo que permite la formación de puentes de hidrógeno, denominados intracatenarios, entre el grupo –NH2 de un aminoácido y el grupo C=O del cuarto aminoácido siguiente, que mantienen estable la hélice. Las cadenas laterales de los aminoácidos se proyectan hacia fuera, casi perpendiculares al eje de la hélice (v. figura 4).

    Hélice α con la posición de los aminoácidos y los parámetros que la definen.

    Las hélices se definen por tres parámetros:

    • Radio (r): distancia del carbono α al eje de la hélice.

    • Paso de hélice (p): distancia a la que se repiten posiciones equivalentes en la hélice = 0,54 nm (nanometros = 10-9 metros).

    • Número de aminoácidos por vuelta (n) = 3,6 aminoácidos.

    La hélice es muy frecuente en las proteínas fibrosas, como el colágeno y la queratina. En la mayoría de los vertebrados el colágeno es la proteína más abundante, y forma parte de los huesos, los dientes, los tendones, la piel, las córneas de los ojos y los vasos sanguíneos. La molécula de colágeno es una superhélice formada por tres hélices de co­lágeno, que son algo más alargadas que la hélice .

    La queratina es la proteína más importante del pelo, las uñas y la piel de los vertebrados, y existe en dos tipos, y . La unidad básica de la -queratina es la protofibrilla, formada por cuatro hélices enrolladas entre sí. La asociación de ocho protofibrillas da lugar a microfibrillas, que pueden llegar a soportar una gran tensión.

    Lámina . También llamada lámina plegada, se forma por la unión de varias cadenas de aminoácidos que se encuentran adyacentes, formando una única cadena polipeptídica. Los oxígenos de los grupos carboxilo y los hidrógenos de los grupos amino se encuentran casi perpendiculares al eje longitudinal de la cadena extendida, por lo que, al poner varias cadenas en paralelo, estos átomos formarán puentes de hidrógeno intercatenarios, es decir, enlaces entre aminoácidos de distintas cadenas. La estructura que resulta no es completamente plana, sino que presenta un ligero plegamiento con forma de zig-zag. Las cadenas laterales de los aminoácidos quedan por encima o por debajo del plano de la lámina (v. figura 5).

    Esquema de una lámina β.

    Las láminas pueden ser paralelas o antiparalelas. En las primeras, las cadenas de aminoácidos se orientan en el mismo sentido, empezando por el extremo amino-terminal y acabando en el extremo carboxilo-terminal; en las segundas, las cadenas van alternadas, de modo que una cadena empieza en el extremo amino-terminal y acaba en carboxilo-terminal y la siguiente se inicia en el carboxilo-terminal y acaba en el amino-terminal, y así sucesivamente.

    Este tipo de estructura es muy frecuente en proteínas globulares, como son las hormonas y las enzimas.

    En las proteínas globulares es frecuente que ocurran combinaciones de estructuras secundarias, llamadas estructuras supersecundarias o motivos. Algunas de estas estructuras son la doble espiral de hélices , la unidad - - y la unidad - - , denominada también meandro.

    Estructura terciaria y cuaternaria

    La estructura secundaria de las proteínas fibrosas, como el colágeno y la queratina, les permite llevar a cabo sus funciones. Sin embargo, las proteínas globulares necesitan conformaciones más complejas, lo que da lugar a la estructura terciaria y cuaternaria.

    La estructura terciaria se forma por el plegamiento de la estructura secundaria, lo que da a la proteína una conformación tridimensional. Esta forma globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre las cadenas laterales de los aminoácidos de carácter fuerte, como los puentes disulfuro, o bien de carácter más débil, como los puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals.

    La unidad básica de plegamiento se llama dominio, y está formada por un conjunto de hélices , láminas o ambas a la vez, interconectadas entre sí, y que se retuercen entre ellas. Para entender mejor este concepto, imaginémonos una cuerda en la que se hacen nudos y lazos a lo largo de ella. Cada uno de éstos sería una estructura secundaria: los nudos serían láminas y los lazos serían hélices . Un dominio consistiría en un grupo de nudos y lazos que se pliegan sobre sí mismos de una manera determinada, de forma que en una misma cuerda puede haber un solo grupo o varios, que a su vez se plegarían formando una especie de «ovillo». La mayoría de las proteínas están formadas por más de un dominio, pero las proteínas muy pequeñas tienden a ser dominios únicos plegados.

    La estructura cuaternaria resulta de la unión no covalente de varias cadenas polipeptídicas independientes con estructura terciaria. Siguiendo con el ejemplo de la cuerda, se formaría al juntar dos o más «ovillos» de manera que encajen, pero sin unirlos entre ellos. Cada una de las cadenas independientes se llama monómero o subunidad. Si la proteína está formada por dos subunidades es un dímero; si tiene cuatro, tetrámero; si tiene cinco, pentámero, y si tiene gran número de monómeros, se llamará polímero. (V. figura 6).

    Estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas.

    La hemoglobina, proteína animal muy importante que transporta el oxígeno por la sangre, es un tetrámero formado por cuatro monómeros, cada uno de los cuales es capaz de unir una molécula de oxígeno.

    Propiedades de las proteínas

    Las propiedades de las proteínas, solubilidad, desnaturalización y especificidad, dependen de las cadenas laterales de los aminoácidos.

    Solubilidad. Casi todas las proteínas globulares presentan un mínimo de solubilidad, lo que permite que, al disolverse, den lugar a dispersiones coloidales, disoluciones transparentes a simple vista, pero que si se miran al trasluz presentan cierta opacidad. Esta propiedad se debe a las cadenas laterales de los aminoácidos, las cuales, al ionizarse, son capaces de establecer puentes de hidrógeno con las moléculas de agua.

    Desnaturalización. Las proteínas sólo tienen actividad biológica con una determinada conformación, denominada nativa. Con la desnaturalización se pierde esta conformación, lo que afecta a su función. Una proteína puede desnaturalizarse por cambios de pH, variación de temperatura –como ocurre con las proteínas del huevo al cocerlo o freírlo–, y tratamientos físicos y mecánicos. Esta propiedad disminuye la ­solubilidad de la proteína, lo que provoca su precipitación, es decir, la formación de agregados de proteínas que no se pueden disolver.

    La desnaturalización puede ser reversible, cuando la proteína se renaturaliza y adquiere su conformación primitiva, o puede ser irreversible, cuando se pierde toda posibilidad de volver a la estructura nativa.

    Especificidad. Cada especie tiene sus proteínas específicas, aunque es posible encontrar algunas diferentes entre individuos de la misma especie. Esta propiedad, apoyada por el estudio de las secuencias de aminoácidos, permite establecer relaciones evolutivas entre las distintas especies.

    Clasificación de las proteínas

    Las proteínas se pueden clasificar en dos grandes grupos: holoproteínas y heteroproteínas.

    Holoproteínas. Están formadas por fracción proteínica, es decir, en su composición solamente hay aminoácidos. Dentro de este grupo se incluyen las proteínas globulares, que llegan a tener estructura cuaternaria, y las proteínas filamentosas, cuya configuración característica es la secundaria. Su clasificación aparece en la tabla 3.

    Tabla 3. Clasificación de las holoproteínas.

    Heteroproteínas. Están formadas por fracción proteínica y por fracción no proteínica o grupo prostético, integrado por elementos en los que no hay aminoácidos. Si el grupo prostético es un glúcido, la heteroproteína es una glucoproteína; si es un lípido, lipoproteína. Las cromoproteínas, cuyo grupo prostético es una sustancia coloreada, tienen una gran importancia, ya que algunas son proteínas encargadas de funciones tales como la respiración celular y el transporte de oxígeno por la sangre. La tabla 4 muestra la clasificación de las heteroproteínas.

    Tabla 4. Clasificación de las heteroproteínas.

    Funciones de las proteínas. Ejemplos

    Las proteínas realizan multitud de funciones de gran importancia: estructural, enzimática, defensiva, hormonal, de transporte, de reserva, contráctil, homeostática y receptora y transmisora de señales.

    Las proteínas estructurales forman parte de la estructura celular, como las glucopro­teínas de la membrana plasmática, las proteínas del citoesqueleto, las de los cilios y los flagelos y las histonas, que aparecen asociadas al ADN. También encontramos proteínas con función estructural en los tejidos, como las queratinas y el colágeno.

    La función enzimática, una de las funciones más importantes, es realizada por un tipo especial de proteínas, las enzimas, capaces de acelerar las reacciones que ocurren en el organismo. Su propiedad más importante es su alta especificidad, es decir, cada una de ellas realiza una función determinada. Algunos ejemplos son la polimerasa, que cataliza la duplicación del ADN; la tripsina, que cataliza la hidrólisis de los enlaces peptídicos de las proteínas; el grupo de las óxido-reductasas, que intervienen en reacciones de óxido-reducción, y el grupo de las transferasas, que transfieren grupos funcionales de una molécula a otra.

    La función defensiva es realizada por proteínas del tipo -globulinas (v. figura 7) e inmunoglobulinas, que constituyen los anticuerpos, moléculas de alto peso molecular que se liberan a la sangre en respuesta a la presencia de sustancias extrañas.

    Estructura de una γ-globulina.

    Las hormonas, compuestos químicos de naturaleza proteica que provocan una respuesta fisiológica a una cierta distancia de donde se han producido, son las responsables de la función hormonal. Por ejemplo, la hormona del crecimiento es producida por una glándula situada en la base del cerebro, pero actúa en otros lugares del cuerpo, como los músculos y el hígado.

    Existen multitud de proteínas que tienen función transportadora: en la membrana plasmática –la estructura que rodea a la célula–, el paso de las sustancias es permitido por proteínas, tanto hacia el interior como hacia el exterior de las células; la hemoglobina es una proteína muy importante que transporta el oxígeno por la sangre desde los pulmones hacia los tejidos; las seroalbúminas, las transferrinas y las lipoproteínas también transportan diversas sustancias por el torrente sanguíneo.

    La función de reserva es llevada a cabo por proteínas denominadas albúminas. Las ovoalbúminas almacenan aminoácidos destinados al embrión y se hallan en la clara de huevo. La lactoalbúmina se encuentra en la leche.

    Imagen del citoesqueleto celular.

    La función contráctil es muy importante. El movimiento de los músculos del cuerpo se basa principalmente en la interacción de dos proteínas, la actina y la miosina. El citoesqueleto, encargado de mantener la estructura y la motilidad celular, está formado por distintos tipos de proteínas, como la tubulina y la dineína.

    Otra función muy importante de las proteínas es la homeostática o de mantenimiento del equilibrio del medio interno, la cual, gracias a su capacidad amortiguadora –con la que puede comportarse como un ácido o como una base, liberando o retirando protones del medio–, colabora con el mantenimiento del pH.

    Por último, existen multitud de proteínas que se sitúan en el exterior de las membranas plasmáticas de las células, cuya función es la de recibir señales del exterior celular y transmitirlas, por diversos mecanismos, hacia el interior de las células.