Bioquímica de Proteínas: Aminoácidos y Niveles Estructurales

Proteínas: Fundamentos y Estructura

Aminoácidos: Componentes Esenciales de las Proteínas

• Los aminoácidos son compuestos sólidos, cristalinos, solubles en agua, con elevado punto de fusión, actividad óptica y baja masa molecular.
• Presentan un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH₂) unidos a un carbono central, denominado C-alfa (Cα). A los otros enlaces del C-alfa se unen un átomo de hidrógeno (H) y un radical variable (R).
• Existen 20 aminoácidos proteicos que, combinados, forman las proteínas en los seres vivos.

Aminoácidos Esenciales

• Son aquellos que el organismo humano no puede sintetizar y deben ser obtenidos a través de la dieta. En la especie humana, se consideran 8 aminoácidos esenciales.

Isomería Espacial o Estereoisomería

• Todos los aminoácidos, excepto la glicina, poseen el C-alfa asimétrico, lo que les confiere isomería espacial.
• Cada aminoácido puede tener dos estereoisómeros:
  • L-aminoácido: El grupo amino se sitúa a la izquierda en la proyección de Fischer.
  • D-aminoácido: El grupo amino se sitúa a la derecha en la proyección de Fischer.
• Ambos son imágenes especulares no superponibles (enantiómeros). En los seres vivos, las proteínas están compuestas exclusivamente por L-aminoácidos.

Actividad Óptica

• Todos los aminoácidos, excepto la glicina, poseen actividad óptica debido a que su C-alfa es asimétrico.
• Desvían el plano de la luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos:
  • Si desvían la luz hacia la derecha: se denominan dextrógiros (+).
  • Si desvían la luz hacia la izquierda: se denominan levógiros (-).

Clasificación de los Aminoácidos

Según la naturaleza de su radical (R), los aminoácidos se clasifican en:

• Apolares o Hidrofóbicos: El radical (R) es una cadena hidrocarbonada.
• Polares sin Carga: El radical (R) forma enlaces de hidrógeno con el agua (ej. -OH, -SH, -CONH₂).
• Ácidos: Polares con carga negativa (-); el radical (R) contiene un grupo carboxilo (-COOH) adicional.
• Básicos: Polares con carga positiva (+); el radical (R) contiene un grupo amino (-NH₂) adicional.

Comportamiento Químico Anfótero

• Los aminoácidos, al poseer grupos ácidos (-COOH) y básicos (-NH₂), pueden actuar como ácidos (liberando protones) o como bases (captando protones) en disolución.
• Esta propiedad les permite mantener constante el pH del medio, actuando como amortiguadores o tampones.

Punto Isoeléctrico (pI)

• Es el pH en el cual el aminoácido presenta una forma dipolar neutra (zwitterión), con igual número de cargas positivas y negativas, lo que resulta en una carga neta de cero.

Enlace Peptídico: La Unión de Aminoácidos

• Es un enlace de tipo covalente que se establece entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH₂) del siguiente, con la liberación de una molécula de agua (reacción de condensación).
• Las cadenas polipeptídicas resultantes tienen un extremo amino-terminal (con un grupo -NH₂ libre) y un extremo carboxilo-terminal (con un grupo -COOH libre).
• Los enlaces peptídicos se rompen por hidrólisis o por acción de enzimas específicas (peptidasas).

Características del Enlace Peptídico

• Es un enlace covalente fuerte.
• Posee un carácter parcial de doble enlace, lo que le confiere rigidez e impide las rotaciones entre los átomos que lo forman (C, N, H y O), los cuales se encuentran en el mismo plano.
• Las distancias y ángulos de estos cuatro átomos son constantes.
• Los enlaces del C-alfa (Cα) sí pueden girar, permitiendo la flexibilidad de la cadena polipeptídica.
• El oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del grupo amino se sitúan en lados opuestos al enlace peptídico (configuración trans).

Estructura de las Proteínas: Niveles de Organización

Conformación Proteica

• Es la disposición tridimensional que adopta la molécula proteica en el espacio.
• En condiciones fisiológicas normales (pH y temperatura), una proteína suele poseer una única conformación funcional, conocida como conformación nativa.

Estructura Primaria

• Define la secuencia lineal específica de aminoácidos en la cadena polipeptídica, desde el extremo amino-terminal hasta el carboxilo-terminal.
• Una alteración en esta secuencia (mutación) puede dar lugar a una proteína diferente, con la consiguiente pérdida o modificación de su función biológica, lo que puede causar enfermedades (ej. anemia falciforme).

Estructura Secundaria

• Describe la disposición espacial local de segmentos de la cadena polipeptídica, resultado de la formación de enlaces de hidrógeno (débiles) entre los átomos del esqueleto peptídico.
• Se mantienen estables por enlaces de hidrógeno (débiles) entre los grupos -CO- y -NH- del esqueleto.
• Existen tres tipos principales:
  1. Hélice Alfa (α-hélice): La cadena peptídica se enrolla sobre sí misma en sentido dextrógiro (hacia la derecha). Se forman enlaces de hidrógeno espontáneamente entre el oxígeno del grupo carbonilo (-CO-) de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino (-NH-) del cuarto aminoácido siguiente. Cada vuelta de la hélice contiene aproximadamente 3.6 aminoácidos.
  2. Hélice de Colágeno: Característica del colágeno, esta hélice se enrolla en forma levógira (hacia la izquierda). Los radicales (R) de sus aminoácidos impiden la formación de enlaces de hidrógeno internos, lo que la diferencia de la α-hélice. Varias hélices de colágeno se asocian para formar una triple hélice.
  3. Lámina Beta (β-lámina) o Lámina Plegada: Adopta una disposición en zig-zag que se pliega. Se forman enlaces de hidrógeno entre el oxígeno del grupo carbonilo de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino (-NH-) de otro aminoácido situado en un segmento distante de la misma cadena o en una cadena diferente, pero que debido al plegamiento quedan próximos.

Estructura Terciaria

• Representa la disposición espacial tridimensional global de la cadena polipeptídica, adoptando una conformación compacta y globular.
• Los radicales apolares suelen situarse en el interior de la estructura, mientras que los polares se encuentran en el exterior, lo que confiere solubilidad a la proteína en medios acuosos.
• Se mantiene estable por interacciones entre los radicales (R) de aminoácidos que, aunque alejados en la secuencia primaria, quedan próximos debido al plegamiento globular. Estos enlaces incluyen:
  • Puentes disulfuro: Enlaces covalentes fuertes entre los grupos tiol (-SH) de dos restos de cisteína.
  • Enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas (puentes salinos), fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas (todos ellos enlaces débiles).
• Existen dos tipos principales de proteínas según su estructura terciaria:
  1. Proteínas Filamentosas o Fibrosas: Carecen de una estructura terciaria compacta y definida. Son insolubles en agua y suelen tener una función estructural o protectora. Ejemplos: colágeno, β-queratina, elastina.
  2. Proteínas Globulares: Presentan una estructura terciaria compacta y esférica. Son solubles en agua y suelen tener funciones dinámicas (enzimáticas, de transporte, reguladoras, etc.). Ejemplos: enzimas, proteínas de membrana, anticuerpos, hemoglobina.

Estructura Cuaternaria

• Se presenta en proteínas formadas por más de una cadena polipeptídica, cada una de las cuales posee su propia estructura terciaria.
• Cada cadena polipeptídica individual se denomina protómero o subunidad.
• Los protómeros pueden ser iguales o distintos entre sí.
• Se mantienen unidas por enlaces disulfuro (covalentes) y una variedad de enlaces débiles (enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas).
• Ejemplo clásico: la hemoglobina, que consta de cuatro protómeros (dos cadenas alfa y dos cadenas beta).