LOS AMINOACIDOS

Aunque siempre se trabaja con aproximadamente 20 aminoácidos, por ser los que se encuentran formando las proteínas, hoy se conoce de la existencia de mas de 300 aminoácidos en la naturaleza. A partir de estos 20 aminoácidos se forman derivados  que son variantes de los mismos, que pueden aparecer, y de hecho aparecen, en la estructura de las proteínas y polipéptidos de los humanos. De estos 20 aminoácidos, diez resultan esenciales al ser humano, por lo que deben ser ingeridos en la dieta diariamente. Esta clasificación nutricional se fundamenta en si se pueden sintetizar o no en el organismo; sino se sintetiza en el organismo o si se sintetiza en cantidades no suficientes para cubrir las necesidades diarias que garanticen el normal crecimiento y desarrollo, se dice que es un aminoácido esencial, y si el organismo lo sintetiza se dice que el aminoácido no es esencial.

No existen fuentes de aminoácidos libres. Para el hombre son los alimentos que contienen proteínas la fuente básica de los aminoácidos. En el organismo humano, varios aminoácidos libres realizan funciones especializadas que se verán mas adelante.

Estructura General de los aminoácidos

Los ácidos orgánicos presentan un grupo carboxilo y pueden ser sustituidos por otros grupos funcionales como pueden ser el grupo amino, con lo que se genera una familia de aminoácidos. A continuación se muestra una representación de un acido orgánico simple y la forma en que se denominan sus átomos de carbono:

FIGURA 2.00

Los aminoácidos de las proteínas son todos –aminoácidos que presentan en su estructura un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH₂) unidos al átomo de carbono ?. Ambos grupos funcionales a pH fisiológico (7.4) se representan como carboxilato: grupo (-COO-) e ion amonio cuaternario (-NH₃+). Como el átomo de carbono es tetravalente las dos restantes valencias son ocupadas por un hidrogeno (-H) y un grupo funcional (casi siempre referido como la cadena lateral) que los diferenciara a todos (-R). De esta forma se puede decir que las propiedades generales  de los aminoácidos dependen de la parte constante.

A continuación se representa la estructura general de los á-aminoácidos:

FIGURA 2.01

Salvo el más sencillo de los aminoácidos, la glicina, el resto de ellos presentan el carbono alfa con cuatro sustituyentes diferentes y por lo tanto presenta isomería óptica. Además, todos los aminoácidos presentes en las proteínas son de la serie L.

Existe un amino acido, la prolina, que no es realmente un aminoácido. Este compuesto puede verse como un aminoácido donde su grupo alfa ha donado un enlace interno con la cadena lateral. Este compuesto es un aminoácido.

FIGURA 2.02

Clasificación de los aminoácidos

Aunque existen diversos tipos de clasificaciones de aminoácidos, es usual clasificarlos de acuerdo con las propiedades de su cadena latera, o sea, por las propiedades de su parte variable. De acuerdo con la polaridad de la cadena R los aminoácidos de pueden clasificar en dos grandes grupos: polares y no polares.

Aminoácidos no polares o apolares. La mayoría presentan sólo carbonos e hidrógenos en sus cadenas laterales, o si hay un elemento electronegativo en su estructura comparte simétricamente sus enlaces covalentes (Met). Las cadenas laterales R de estos aminoácidos no pueden ceder ni aceptar protones, ni participar en puentes.de hidrógeno, ni en enlaces iónicos. Estas cadenas laterales son “hidrofóbicas” y por lo tanto facilitan formar entre cadenas similares las interacciones hidrofóbicas.
Son aminoácidos no polares: gli, ala, val, leu, ile, fen, rnet, tri y pro.

Aminoácidos polares. Son aquellos que presentan cargas eléctricas o elementos electronegativos con asimetría de sus enlaces (ese elemento electronegativo tiene enlaces con otros elementos no idénticos). Aquellos que presentan grupos carboxilos en la cadena lateral presentarán cargas negativas, y los que posean grupos amino, guadinino o irnidazol presentarán cargas positivas. Otros con grupos hidroxilos, amidas o sulhídrilo no presentarán cargas, pero su distribución asimétrica de electrones los hace polares. Las cadenas laterales de los aminoácidos polares con cargas eléctricas pueden ceder o aceptar protones y si son de cargas opuestas formar enlaces iónicos o participar en puentes de hidrógeno. Los polares Sin cargas, pero con grupos hidroxilos en su cadena lateral pueden formar puentes de hidrógeno; el mismo comportamiento pueden presentar los que tienen grupos amidas.
A. Polares con cargas positivas: Lis, Arg e His.
B. Polares con cargas negativas: Ap y GImi.
C. Polares sin caigas: Se,-. Tre y Tir; Asn y Gin: Cys

FIGURA 2.03

FIGURA 2.04

FIGURA 2.05

FIGURA 2.06

Además de esta clasificación, resulta extraordinariamente útil otra que los divide según su reacción en medio acuoso, en ácidos, básicos y neutros. Para poder comprender esta nueva clasificación, resultará necesario revisar las estructuras que aparece en la clasificación anterior.

Aminoácidos ácidos. Son aquellos que en su cadena lateral “R” presentan un grupo carboxilo adicional. Estos son dos, el ácido aspártico y el ácido glutárnico. Observe que este grupo carboxilo adicional le permite ceder y aceptar protones, al mismo tiempo puede cargarse negativamente o no presentar carga, en dependencia del pH del medio.

Aminoácidos básicos. Éstos son tres, pero observe, que sus grupos básicos son diferentes: en la Lisina hay un grupo básico ?-amino, en la Arginina hay un grupo guanidino mientras que en la Histidina hay un grupo imidazol. Todos estos grupos tienen posibilidades de aceptar y ceder protones y presentar o no carga positiva en la cadena lateral en dependencia del pH del medio.

Aminoácidos neutros. Son todos los restantes 15 aminoácidos, que no son ni ácidos ni básicos. Ellos no presentan ni grupos carboxilos, ni amino, ni imidazol, ni guanidino, en sus cadenas laterales R.

 

Las propiedades ácido-básicas de los aminoácidos

 

Los grupos -COOH y -NH₂ de los aminoácidos pueden ceder o captar protones. Esta capacidad química de estos grupos les permite presentar reacciones en equilibrio como se representan a continuación:

 

FIHURA 2.07

A pH fisiológico (7.4) el grupo carboxilo está disociado (cargado negativamente) mientras que el grupo ámino estará protonado (cargado positivamente). Los aminoácidos neutros pueden presentar una estructura iónica, donde el grupo carboxilo esté disociado y el grupo amino protonado, y se le denomina zwitterion.
Cuando en solución acuosa la carga eléctrica neta es cero se dice que la especie en solución está en su punto isoeléctrico: pI.

 

El enlace peptídico

Este es el enlace polimerizante de los aminoácidos.

FIGURA 2.08

La estabilización por resonancia del enlace peptídico.

La formación del enlace peptídico entre dos aminoácidos se representa a continuación:

FIGURA 2.09

Características del enlace peptídico. Como puede apreciarse en las representaciones anteriores, el enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace, lo que hace que todos sus elementos queden ubicados en el mismo plano y al mismo tiempo sea rígido, por lo que las posibilidades de rotación de un polímero de aminoácidos radica en los carbonos alfa. La configuración es trans y al mismo tiempo, resulta muy polar.

Funciones de los aminoácidos

Los aminoácidos presentan múltiples funciones en los seres vivos:

1. Son los precursores de las proteínas y polipéptidos.

2. Son la fuente del nitrógeno metabólicamente útil para la síntesis de los compuestos nitrogenados del organismo.

3. Son fuentes de energía.

4. Algunos actúan como neurotransmisores, otros como precursores de hormonas, precursores del pigmento de la piel o se unen a los ácidos biliares.

2.3. MACROMOLÉCULAS

Entre las biomoléculas las macromoléculas constituyen un grupo particular que se distingue por su complejidad estructural y funcional. Son tres las familias de macromoléculas existentes en los seres vivos: las proteínas, los polisacáridos y los ácidos nucleicos.

Las macromoléculas cumplen importantes funciones en el organismo: los ácidos nucleicos permiten la conservación, la transmisión y la expresión de todas nuestras características hereditarias, mientras que diferentes proteínas actúan como hormonas, anticuerpos y biocatalizadores, por solo citar unas pocas funciones, y entre los polisacáridos se encuentran aquellos que son almacenes energéticos, anticoagulantes o lubricantes de las articulaciones. Cada una de estas funciones tiene una base estructural, es decir, cada función de una macromolécula depende de la estructura que esta posea.

 

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS MACROMOLÉCULAS

Las macromoléculas son biomoléculas complejas de elevado peso molecular, formadas por la polimerización de biomoléculas sencillas llamadas monómeros o precursores, y cuyas propiedades dependen del tipo, la cantidad y la organización de estos monómeros en el polímero.

Cada tipo de macromolécula presenta especificidades que permiten distinguir una de otra. Aun así, existen características que son comunes a todas las macromoléculas, que al ser regularidades se agrupan bajo el denominado Principio de Organización de las Macromoléculas. Estas características comunes son:

1.      Elevado peso molecular.

2.       Carácter polimérico.

3.      Carácter uniforme.

4.      Carácter Lineal.

5.       Carácter tridimensional.

6.      Carácter informacional.

7.      Tendencia a la agregación.

8.      Relación estructura-función

Elevado peso molecular

La unidad de masa atómica es el dalton (D), que equivale a 1/12 del peso atómico del isótopo más abundante del carbono. Lo más utilizado es el kilodalton (kD), que es igual a 1000 dalton. Todas las macromoléculas presentan un peso molecular elevado, superior a los a los 5kD.

Carácter polimérico

Todas las macromoléculas son polírneros de biomoléculas más sencillas llamadas monómeros o precursores, dónde cada monómero se une a los adyacentes por medio del enlace polimerizante (enlace covalente fuerte) (Figura 2.10).

FIGURA 2.10. Se representa el carácter polimérico de las macromoléculas, dado por la unión covalente de monómeros para formar un polímero.

Carácter uniforme

Cada tipo de macromolécula está formada siempre por el mismo tipo de precursor y el mismo tipo de enlace polimerizante (Figura 2.11). Este enlace, aunque es diferente en cada tipo de macromolécula, siempre es covalente y se forma mediante una reacción de condensación, en la que grupos químicos de dichos precursores se combinan, con la pérdida de una molécula de agua.

FIGURA 2.11. Se representa el carácter uniforme de las macromoléculas, dado porque están compuestas por el mismo tipo precursor y el mismo tipo de enlace polimerizante en cada caso.

Carácter lineal

Casi todas las macromoléculas carecen de ramificaciones por lo que se dice que son lineales, a pesar de tener de tener posibilidades teóricas de establecerlas. Es en algunos polisacáridos donde aparecen las ramificaciones, en ocasiones muy abundantes (Figura 2.12).

FIGURA 2.12. Se muestra el carácter  lineal de las macromoléculas, dado por la carencia de ramificaciones, excepto en algunos casos.

Carácter tridimensional

En todas las macromoléculas las largas cadenas adoptan diferentes formas y dobleces, dando lugar a estructuras que se extienden en las tres dimensiones espaciales (largo, ancho y grosor). Justamente este carácter tridimensional es el responsable de la forma que la macromolécula adopta en el medio donde se encuentre. La estructura tridimensional se organiza por niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. Cada uno de estos niveles se estabiliza por interacciones débiles excepto el primario que tiene enlaces covalentes uniendo los monómeros, por lo que este último es el nivel más estable. No por ser interacciones débiles, las que mantienen esta organización tridimensional ha de creerse que dicha organización tridimensional es inestable en medio acuoso, pues como el número de dichas interacciones es tan grande o numeroso, hace posible estructuras bien definidas responsables de su función biológica. Desde luego, que cuando hay condiciones favorables a la desorganización de esta estructura tridimensional, los niveles superiores se desorganizan por ruptura de las interacciones débiles.

Nivel primario, también llamado estructura primaria, se refiere al orden o secuencia de los monómeros en la cadena polimérica. Al ser el enlace polimerizante un enlace covalente, el nivel primario es muy estable, el más estable en la estructura de las macromoléculas, y es el que determina el resto de los niveles estructurales. Cada precursor tiene siempre comprometido dos grupos en la formación del enlace polimerizante, uno con el precursor que le antecede y otro con el que le sucede, excepto el primero y el último que presentan uno de los dos grupos libres. Estos grupos libres no son los mismos, por lo que los extremos del polímero son diferentes, dándole polaridad a la estructura. Los extremos se nombran señalando el grupo libre y permiten definir una dirección en la estructura, en la que se identifica el primer precursor y el último.

Cada precursor que forma parte de la cadena se denomina residuo pues ha perdido parte en la formación del enlace polimerizante.

En el nivel primario se pueden distinguir dos zonas:

1. Monótona: compuesta por los elementos que integran el enlace polimerizante, que siempre en el mismo en cada tipo de macromolécula, y también se conoce como eje covalente. Esta zona diferencia dos tipos de macromoléculas, es decir, las proteínas de los polisacáridos y estos de los ácidos nucleicos, y difiere de una macromolécula a otra del mismo tipo solo en le numero total de residuos que lo componen.

2. Variable: compuesta por la parte que varía en cada punto de la cadena debido a las características estructurales del precursor que este presente en ese punto. Esta  zona  diferencia una macromolécula de otra del mismo tipo, por ejemplo, el glucagón de la insulina (ambas son proteínas compuestas por aminoácidos pero estos son diferentes) (figura 2.13). En algunos polisacáridos esta zona también es monótona ya que están formados por la polimerización del mismo precursor, como es el caso del almidón, el glucógeno y la celulosa.

FIGURA 2.13. Nivel primario de estructura de las macromoléculas. A) representa una macromolécula donde se distingue un parte monótona, formada por el eje covalente, y una parte variable, constituida por la región variable de cada precursor. B) representa una macromolécula completamente monótona.

Nivel Secundario o estructura secundaria}a. se refiere a la forma que adopta la cadena polimérica en pequeños sectores de su estructura, debido a interacciones  débiles que se establecen entre elementos del eje covalente (parte monótona).

Existen estructuras secundarias regulares e irregulares, pero las fundamentales son las que tienen un ordenamiento regular, y de ellas las dos formas mas frecuentes son:

1-     Helicoidales: son las más frecuentes, se producen por interacciones débiles intracuaternarias, y pueden estar giradas a la derecha o a la izquierda (fig. 2.14).

FIGURA 2.14. Se representa una estructura helicoidal.

2-     Plegadas: se caracterizan porque el eje covalente primario describe una línea en forma de zig zag, con ángulos bien definidos. En ocasiones, diferentes sectores de ese eje covalente adoptan esta estructura y se aproximan entre sí formando una superficie plegada, por interacciones débiles intercatenarias (Figura 2.15); los sectores pueden tener enfrentados los mismos extremos, y entonces son paralelos, o extremos opuestos, y entonces son antiparalelos.

FIGURA 2.15. Se representa una superficie plegada.

 

Nivel terciario o estructura terciaria, es la conformación (disposición espacial que adoptan los átomos en la molécula) irregular que adopta toda la macromolécula, debido a dobleces o plegamientos de la cadena. Polimérica que se establecen por interacciones entre elementos de la parte variable de la estructura primaria; estas interacciones que estabilizan la estructura terciaria son débiles, aunque en las proteínas pueden aparecer enlaces covalentes disulfuros entre residuos de cisteina. En esta estructura tridimensional se distinguen sectores de estructura secundaria regular y sectores sin ordenamiento regular (Fig. 2.16).

Nivel cuaternario o estructura cuaternaria, está definido solamente en las proteínas; se encuentra en algunas proteínas formadas por más de una cadena
polimérica conocidas como subunidades. Las subunidades tienen estructura terciaria y están unidas entre sí por interacciones débiles, aunque también pueden
aparecer enlaces covalentes disulfuros entre residuos de cisteina de diferentes subunidades (Figura 2.17).

FIGURA 2.16. Estructura terciaria de una macromolécula. Se pueden distinguir sectores de estructura regular y sectores con estructura irregular.

FIGURA 2.17. Se representa una proteína con estructura cuaternaria formada por cuatro subunidades. Cada subunidad corresponde a una cadena con estructura terciaria.

Carácter informacional

Todas las macromoléculas poseen información, la cual depende de la variedad de su estructura; a mayor variedad estructural mayor información molecular. La información molecular de las macromoléculas es lo que permite que estas puedan interactuar de forma específica entre ellas o con otras biomoléculas, y es de dos tipos:

1. Información secuencial: contenida en la secuencia de precursores del polímero, por tanto, en la estructura primaria. Mientras mayor sea la variabilidad de precursores de una macromolécula mayor será la información secuencial que posea. Es en la estructura primaria donde está contenida la información de cómo deben estar ordenados los precursores en la síntesis de la macromolécula, cómo construir su estructura tridimensional y donde debe comenzar o terminar un proceso que se realice sobre esa estructura. Como la estructura primaria es la más estable, la información secuencial también lo es.

2. Información conformacional: contenida en la estructura tridimensional, es decir, en la conformación general de la macromolécula; de lo analizado con relación a la información secuencial se infiere que esta determina la información conformacional. La información conformacional permite interacciones específicas en el espacio, a través de sitios que presenta la macromolécula en su superficie tridimensional, mediante un mecanismo denominado Reconocimiento Molecular, que por su relevancia en las proteínas será tratado cuándo se analicen estas importantes macromoléculas.

Tendencia a la agregación

Las macromoléculas tienden a agregarse unas con otras o con otras biomoléculas, formando grandes estructuras supra macromoleculares muy complejas. Estas asociaciones pueden realizarse de forma covalente o no covalente, entre grupos químicos de los precursores que no forman parte del eje covalente (parte monótona de la estructura primaria), por lo que este no se rompe. Además, estas uniones pueden formarse de manera espontánea o mediante un proceso asistido por otras macromoléculas.

Relación estructura-función

La función que realiza una macromolécula o cualquier biomolécula depende directamente de la estructura que posea, lo cual implica una estrecha relación entre la estructura primaria, la conformación y la función. De lo anterior se deduce que cualquier modificación que sufra la estructura de una macromolécula modifica la función que esta tenga.

Cuando una macromolécula pierde su estructura tridimensional, pero conserva la estructura primaria, se dice que ha sufrido un proceso de desnaturalización. Los agentes desnaturalizantes interfieren con la formación de las interacciones débiles y por eso son capaces de desorganizar la estructura tridimensional de una macromolécula, pero no rompen los enlaces covalentes, por lo que no destruyen su estructura primaria. Este fenómeno puede ser. reversible si la macromolécula desnaturalizada es 1leiada de nuevo a las condiciones adecuadas, ya que al mantener la estructura primaria puede recuperar la estructura tridimensional original (la estructura primaria contiene la información que determina la estructura tridimensional) (Fig. 2.18).

Un agente desnaturalizante es el calor, de ahí que los seres vivos en general tienden a vivir en medios donde los cambios de temperatura no sean drásticos incluso, los organismos superiores presentan mecanismos que le permiten mantener constante la temperatura corporal, con independencia de la ambiental.

Las macromoléculas además, presentan una serie de propiedades que derivan de las características generales antes mencionadas. Entre las más importantes se encuentran la capacidad de difusión y la imposibilidad de dializar.

FIGURA 2.18. En presencia de un agente desnaturalizante la macromolécula pierde su estructura tridimensional y su función pero conserva su estructura primaria (desnaturalización). Al eliminar el agente desnaturalizante se recupera la estructura tridimensional y función (renaturalización)

La difusión es la propiedad que tienen las moléculas de experimentar movimientos de traslación de un lugar a otro en todas las direcciones del espacio cuando son colocadas en el seno de un fluido. La velocidad de difusión de las macromoléculas es lenta debido a su elevado peso.

La diálisis es el proceso mediante el cual una sustancia disuelta en un fluido que está dividido en dos compartimentos separados por una membrana que posee poros, es capaz de pasar de un compartimiento al otro (cave por los poros) hasta igualar sus concentraciones en ambos. Como se sabe, los organismos vivientes presentan compartimentos que están separados unos de otros por membranas, por ejemplo, el medio intracelular y el medio extracelular por la membrana plasmática, y el medio interno de un organelo subcelular como el núcleo del citoplasma. La imposibilidad de diálisis de las macromoléculas permite que estas tengan una ubicación particular.

Se continuará el estudio de las macromoléculas aplicando su principio de organización a cada una en particular.

PROTEINAS

Las proteínas son macromoléculas constituidas por aminoácidos unidos entre sí por medio del enlace peptídico.

Las proteínas se encuentran ampliamente distribuidas en el organismo, participando en casi todos los procesos que ocurren e él, por lo que se consideran las macromoléculas de mayor Importancia biológica.

Clasificación

1. Por su función:

- Enzimáticas: actúan como biocatalizadores.

- Estructurales: forman estructuras como las membranas biológicas o las fibras de la matriz extracelular.

-Transportadoras: unas forman parte (le las membranas biológicas y actúan transportando sustancias de un lado a otro de estas membranas; otras transportan sustancias a través de fluidos biológicos, como la hemoglobina que transporta oxígeno a través del citoplasma de las células.

-Contráctiles: como la actina y la miosina que intervienen en la contracción muscular, cuyo estudio se aborda en el tejido muscular.

-Receptores: captan estímulos del medio.

-Reserva: almacenan sustancias como es el caso de la ferritina que almacena hierro.

-Defensa: las Inmunoglobulinas o anticuerpos que reconocen y anulan el efecto de sustancias extrañas al organismo.

-Reguladoras: controlan procesos determinados, como hormonas y los factores de transcripción.

2. Por su forma:

-Globulares: tienen forma esferoidal.

-Fibrosas: tienen forma alargada.

3. Por su solubilidad en solventes polares:

-Solubles: son las proteínas que presentan las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos polares en su superficie, los cuales establecen interacciones con las moléculas de agua. A este grupo pertenecen casi todas las proteínas globulares.

-Insolubles: son las proteínas que presentan las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos apolares en su superficie, los cuales no pueden establecer interacciones con las moléculas de agua. A este grupo pertenecen las proteínas fibrosas y las globulares que forman parte de la estructura de las membranas celulares.

-Poco solubles o solubles en soluciones de sales neutras, como el cloruro de sodio; las globulinas son un ejemplo de estas proteínas.

4. Por su composición química:

-Simples: formadas sólo por aminoácidos.

-Conjugadas: contienen en su estructura un componente no proteico, y cada parte del conjugado recibe un nombre particular; al conjugado se le denomina Holoproteína, a la parte proteica Apoproteína y a la parte no proteica Grupo Prostético (Fig. 2.19).

HOLOPROTEÍNA = APOPROTEÍNA + GRUPO PROSTÉTICO
          (el todo)         (parte proteica)        (parte no proteica)

Figura 2.19. En una proteína conjugada cualquiera, las partes del conjugado reciben nombres particulares

Aplicación del principio de organización de las macromoléculas a las proteínas

Elevado peso molecular. Las proteína pueden presentar pesos moleculares de 5000 - millones de dalton.

Carácter polimérico. Las proteínas son polímeros de aminoácidos, que constituyen sus monómeros, unidos mediante enlace peptídico (enlace polimerizante).

Carácter uniforme. Las proteínas están formadas por aminoácidos unidos
entre sí por enlace peptídico.

Carácter lineal. Las proteínas carecen de ramificaciones.

Carácter tridimensional. Nivel primario: orden o sucesión de los aminoácidos unidos mediante enlace peptídico. Es único para cada proteína.

Como los grupos de los aminoácidos involucrados en el enlace peptídico son el á NH₂ y el á COOH, los extremos de la cadena polimérica presentan un á NH₂ libre y un á COOH libre, esto indica polaridad en la estructura. Por convenio, el residuo aminoácido que tiene el grupo amino libre (N-terminal) es el primero y suele escribirse a la izquierda y el que posee el grupo carboxilo libre (C-terminal) es el último y suele escribirse a la derecha.

Partes de la estructura primaria (Fig. 2.20):

1.      Monótona: eje covalente monótono y homogéneo, donde se alternan el carbono á y el grupo peptídico.

Entre dos carbonos á se distinguen tres tipos de enlaces covalentes: el que se establece entre el carbono á y el carbono carbonilo, el enlace peptídico y el que se establece entre el N-amídico y el carbono ? siguiente. Este eje covalente sólo difiere de una proteína a otra en el número total de residuos de aminoácidos que lo componen.

2.      Variable: compuesta por las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos.
Nivel secundario: se observan á hélices y hojas b plegadas (Fig. 2.21).

FIGURA 2.20. Se muestra un segmento de la estructura primaria de una proteína, donde se observa entre líneas la parte monótona y por fuera la parte variable representada por las R, que corresponden las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos.

Figura 2.20. Se muestra un segmento de la estructura primaria de una proteína, donde se observa entre líneas la parte monótona; por fuera la parte variable representada por las R, que corresponden a las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos.

FIGURA 2.21. Se observan los dos tipos de estructura secundaria que predominan en las proteínas, A) á hélice, B) hoja b plegada.

Las estructuras secundarias principales á hélice y hoja á plegada pueden formar estructuras mixtas, las que se consideran un nivel estructural intermedio de transición entre los niveles secundario y terciario, conocidas como las estructuras supersecundarias o motivos (Fig. 2.22), que tienen significado estructural funcional. Las estructuras secundarias y supersecundarias pueden combinarse y dar lugar a dominios que también tienen funciones específicas.

Nivel terciario: es la conformación irregular que adopta toda la proteína. debido a dobleces o plegamientos de la cadena polipeptídica, por interacciones entre las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos; estas interacciones son débiles y en ocasiones pueden aparecer enlaces covalentes disulfuros entre residuos de cisteina.

FIGURA 2.22. Se muestra un motivo estructural formado por una combinación de a hélices y hojas b plegadas.

Por ejemplo, en las proteínas globulares solubles en solventes polares, los residuos de aminoácidos pólares quedan hacia la superficie y los apolares hacia el centro de la estructura. La Figura 7 corresponde a una proteína de este nivel estructural.

La conformación de una proteína que le permite funcionar adecuadamente se denomina Conformación Nativa.

Nivel cuaternario: debe recordarse que está descrito sólo en las proteínas, por lo que la Figura 2.17 representa una proteína con este nivel estructural.

Carácter informacional. Las proteínas son las macromoléculas que presentan mayor variedad estructural, por lo que son las que poseen mayor información molecular. En las proteínas existe un predominio de la información conformacional, que se expresa a través del reconocimiento molecular.

El reconocimiento molecular es un mecanismo que permite la interacción con otras macromoléculas u otras biomoléculas sencillas y de esta forma las proteínas pueden realizar sus funciones o se modula la intensidad de las mismas. Se produce a través de los denominados Sitios de Reconocimiento Molecular, uno específico para cada molécula que se une, las cuales se denominan de forma general Ligandos.

Las características generales de cualquier sitio de reconocimiento molecular son:

- Es una pequeña parte de la superficie de la proteína en forma de cavidad, lo que lo hace fácilmente accesible por e ligando.

- Deriva de la estructura tridimensional de la proteína, por los repliegues que la cadena polipeptídica forma a! establecer su estructura terciaria. De esta
forma, los residuos de aminoácidos presentes en este sitio no necesariamente se encuentran adyacentes en la cadena polipeptídica lineal, sino que el acercamiento se produce como consecuencia del plegamiento de la cadena.

- La unión del ligando se realiza por complementariedad espacial y química. La complementariedad espacial o estética se refiere a la complementariedad entre la conformación del sitio de reconocimiento molecular y la estructura del ligando. La complementariedad química se refiere a la complementariedad entre los grupos químicos del sitio de reconocimiento y los del ligando. Todo esto significa que el sitio de reconocimiento tiene un conjunto de grupos químicos (de los residuos de aminoácidos que lo forman) ordenados espacialmente de forma precisa, de manera que el ligando puede quedar unido mediante interacciones débiles por lo que esta unión es reversible, casi ninguna otra molécula puede unirse.

Según la descripción anterior, en un sitio de reconocimiento molecular se distinguen varios componentes, cada uno de los cuales contribuye a la función general de esta estructura pero de forma diferente. Estos componentes son:

1. Eje Peptídico: formado por la parte monótona de la cadena polipeptídica (eje covalente), cuyos pliegues y repliegues contribuyen de manera importante a dar la forma tridimensional del sitio de reconocimiento.

2. Grupos de Ambientación: son cadenas laterales de residuos de aminoácidos que se encuentran en el sitio de reconocimiento y que siendo apolares impiden la entrada del agua a este. La disminución de la entrada de agua permite que se refuercen las interacciones débiles en la unión entre la proteína y el ligando (son más fuertes que en un ambientepolar).

3. Grupos de Fijación o Unión: son cadenas laterales de residuos de aminoácidos que se encuentran en el sitio de reconocimiento y que presentan grupos funcionales capaces de establecer interacciones específicas con el ligando; estas son interacciones débiles, fundamentalmente puentes de hidrógeno, interacciones salinas o jónicas y fuerzas de Van der Waals. Los puentes de hidrógeno tienen además carácter direccional (que no poseen las otras interacciones), es decir, un efecto importante en la orientación del ligando en su entrada al sitio de reconocimiento.

- Tendencia a la agregación. Casi siempre en los agregados de macro-moléculas se encuentran proteínas, y estas también pueden formar agregados con otras biomoléculas, de ahí que muchos se describan como formas conjugadas de las proteínas; así existen nucleoproteínas (proteínas conjugadas con ácidos nucleicos), glicoproteínas (proteínas conjugadas con glúcidos) y lipoproteínas (proteínas conjugadas con lípidos). Las proteínas también se asocian con ácidos nucleicos para formar los cromosomas, los ribosomas, los corpúsculos de procesamiento de los ARN y diferentes estructuras particuladas que intervienen en el proceso de síntesis y procesamiento de las proteínas. También pueden agregarse proteínas con otras proteínas (no equivale a estructura cuaternaria). Muchos de estos ejemplos serán estudiados en este libro.

- Relación estructura-función. Como se ha analizado, la información que predomina en las proteínas es la conformacional, expresada a través del mecanismo
de reconocimiento molecular. Como la estructura de todos los sitios de reconocimiento molecular de una proteína deriva de la estructura tridimensional general de la macromolécula, si esta última se pierde, por ejemplo por desnaturalización, se perderá la estructura de los sitios de reconocimiento y la proteína no podrá unirse a los ligandos correspondientes y no podrá llevar a cabo su función. Por ejemplo, las proteínas cuya función es transportar sustancias de un lado a otro de la membrana plasmática sólo lo harán una vez que la sustancia a transportar se haya unido a su sitio de reconocimiento en la proteína; la contracción muscular sólo podrá ocurrir si
la proteína actina se une a su sitio de reconocimiento en la proteína miosina; las proteínas que son enzimas sólo podrán llevar a cabo su función si su ligando se une a su sitio específico. Todos estos ejemplos y muchos más serán tratados en diferentes partes de este libro.

Propiedades eléctricas de las proteínas

Las propiedades eléctricas de las proteínas dependen de la presencia de grupos ionizables en su estructura y del pH del medio, del cual dependerá que esos grupos presenten carga o no. El grupo NH₂ y el COOH de los residuos de aminoácidos del interior de la cadena quedan bloqueados al formarse el enlace peptídico, por lo que el NH₂ y el COOH de los extremos y todos los ionizables de las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos ácidos y básicos son los, que contribuyen a la carga de la proteína. La carga eléctrica resultante dependerá del predominio de cargas negativas o positivas; por ejemplo, si una proteína presenta 4 cargas negativas y 3 positivas, la carga resultante será -l (-4+3= -1).

Para cada proteína siempre es posible encontrar un valor de pH en el cual el número de cargas positivas y negativas se igualen, el cual recibe el nombre de punto isoeléctrico. Cuando el pH de la solución coincide con el punto isoeléctrico de la proteína, ésta tiene carga eléctrica neta igual a cero y al colocarla en un campo eléctrico no migra a ninguno de los polos.

La presencia de cargas eléctricas en las proteínas es el fundamento para separarlas por electroforesis. La electroforesis consiste en colocar una solución de una o varias sustancias bajo la acción de un campo eléctrico. Como en una solución que contenga varios tipos de proteínas, estas ni tienen la misma carga ni la misma forma, cada una migrará a una velocidad diferente y a medida que pasa el tiempo se irán separando unas de otras. Aquellas que presenten cargas eléctricas diferentes se moverán a polos opuestos, y las que presenten la misma carga pero cuantitativamente diferente se desplazarán hacia el mismo polo pero a distintas velocidades, más rápido la que presente un número mayor de cargas eléctricas. Si las proteínas poseen carga positiva serán atraídas por el polo negativo del campo y las que poseen carga negativa migrará hacia el polo positivo (Fig. 2.23).

FIGURA 2.23. Se muestra la separación de una mezcla de proteínas por electroforesis. Todas las proteínas presentan carga negativa pero deferente; la de mayor carga negativa es A, luego B y luego C.  Al colocar la muestra cerca del polo negativo las proteínas migran atraídas par el polo positivo y se separan; la más cercana a! polo positivo será la A, la más alejada será la C y la B estará en una posición intermedia.

Los aminoácidos al unirse por enlace peptídico forman también polímeros más pequeños que las proteínas, que se denominan péptidos. Son péptidos muchas sustancias que cumplen importantes funciones, por ejemplo el glucagón y la oxitocina que actúan como hormonas, el glutatión qué ayuda a mantener los grupos sulfidrilos en su forma reducida y la bradiquinina que es un potente vasodilatador. Muchos antibióticos son péptidos, entre los que se encuentran la valinomicina y la gramicidina A. La bleomicina es un péptido que se encuentra entre los agentes antitumorales.

Los péptidos que contienen de 2 a 7 residuos de aminoácidos se conocen como oligopéptidos, y los que tienen un peso molecular mayor que estos pero menor que 5kD se conocen como polipéptidos. En los oligopéptidos se puede especificar el número exacto de residuos de aminoácidos anteponiendo el prefijo di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, o hepta, a la palabra péptido; por ejemplo, dipéptido si contiene dos residuos y tripéptido si contiene tres.