Explorando Aminoácidos y Proteínas: Estructura, Tipos y Propiedades Fundamentales

BQ26. Aminoácidos y Proteínas

1. Aminoácidos: Grupos Funcionales y Características Estructurales Fundamentales para su Actividad

Los aminoácidos (Aa) son las unidades monoméricas fundamentales de las proteínas. Todos los aminoácidos que forman parte de las proteínas comparten una estructura básica común que incluye:

• Un grupo amino (-NH₂).
• Un grupo carboxilo (-COOH).

Ambos grupos están unidos covalentemente a un átomo de carbono central, denominado carbono alfa (C_α). A este carbono α también se unen:

• Un átomo de hidrógeno (H).
• Una cadena lateral (R), que es distinta para cada uno de los 20 aminoácidos proteicos estándar y determina sus propiedades específicas.

El carbono α es un centro quiral o asimétrico en todos los aminoácidos excepto en la glicina (donde la cadena R es otro átomo de hidrógeno). Los aminoácidos que componen las proteínas en los seres vivos son predominantemente L-aminoácidos. El organismo utiliza estos L-aminoácidos para sintetizar sus proteínas. La estructura tridimensional de los aminoácidos no es lineal. Según el tipo de cadena lateral (R) que posean, existen diferentes tipos de aminoácidos.

2. Clasificación de los Aminoácidos

La clasificación de los aminoácidos se basa principalmente en las propiedades de su cadena lateral (R), ya que esta es la porción variable de la molécula.

Clasificación según la polaridad de la cadena lateral (R)

Aminoácidos apolares o hidrofóbicos

Estos aminoácidos poseen cadenas laterales que no interactúan favorablemente con el agua. En un entorno acuoso, como el interior de una célula o en una proteína globular, estas cadenas laterales tienden a agruparse y quedar ocultas del agua cuando la proteína se pliega.

Aminoácidos polares sin carga neta (a pH fisiológico)

Estos aminoácidos tienen cadenas laterales con grupos funcionales polares (por ejemplo, hidroxilo, amida, tiol) que pueden formar puentes de hidrógeno con el agua u otras moléculas polares. Aunque son polares, no poseen una carga eléctrica neta a pH fisiológico.

Aminoácidos polares con carga (a pH fisiológico)

La cadena lateral (R) de estos aminoácidos contiene grupos que están cargados a pH fisiológico. Pueden ser:

Aminoácidos ácidos (con carga negativa)

Sus cadenas laterales (R) aportan grupos carboxilo adicionales que están ionizados (cargados negativamente, aniónicos) a pH fisiológico. Ejemplo: ácido aspártico, ácido glutámico.

Aminoácidos básicos (con carga positiva)

Sus cadenas laterales (R) aportan grupos amino adicionales u otros grupos básicos que están protonados (cargados positivamente, catiónicos) a pH fisiológico. Ejemplo: lisina, arginina, histidina.

Clasificación según los requerimientos nutricionales

Aminoácidos esenciales

Son aquellos que el organismo humano no puede sintetizar por sí mismo en cantidades suficientes para cubrir sus necesidades metabólicas, por lo que deben ser obtenidos a través de la dieta. Ejemplos mencionados en el documento original: fenilalanina, histidina, leucina, valina, metionina.

Aminoácidos no esenciales

Son aquellos que el organismo puede sintetizar a partir de precursores metabólicos, como intermediarios del ciclo de Krebs o el piruvato, mediante la incorporación de un grupo amino. Ejemplos mencionados en el documento original: alanina, arginina, asparagina, glutamina, glicina, tirosina.

Aminoácidos no proteinogénicos

Son aminoácidos que no forman parte de las proteínas sintetizadas en los ribosomas o no son L-aminoácidos de los 20 tipos estándar. Pueden ser intermediarios metabólicos, aminoácidos modificados post-traduccionalmente o tener otras funciones biológicas. Ejemplo: Homocisteína (un análogo de la cisteína con un grupo metileno -CH₂- adicional).

3. Propiedades de los Aminoácidos

Anfotericidad

Los aminoácidos son anfóteros, lo que significa que poseen tanto un grupo ácido (el grupo carboxilo, -COOH) como un grupo básico (el grupo amino, -NH₂) en la misma molécula. Esta dualidad les permite actuar como ácidos (donando protones) o como bases (aceptando protones), dependiendo del pH del medio.

Un mismo aminoácido, según la acidez del medio, puede presentar diferentes cargas eléctricas y, por lo tanto, actuar de manera distinta. Por ejemplo:

• A pH muy ácido (bajo), ambos grupos están protonados: el grupo amino como -NH₃⁺ y el carboxilo como -COOH. La forma predominante puede representarse como AH₂⁺ (carga neta positiva).
• Al aumentar el pH, el grupo -COOH (más ácido) es el primero en desprotonarse, formando -COO^-. Esto lleva a la formación de la especie AH⁰ (zwitterión), que tiene una carga neta neutra pero posee una carga positiva (-NH₃⁺) y una negativa (-COO^-) en la misma molécula.
• Si el pH sigue aumentando hasta valores muy básicos (altos), el grupo -NH₃⁺ (menos ácido) se desprotona, formando -NH₂. La forma predominante puede representarse como A^- (carga neta negativa).

Los cambios en el pH del entorno afectan la carga neta del aminoácido y, consecuentemente, su capacidad de unión e interacción con otras moléculas, incluidas otras proteínas. El carácter anfótero hace que el aminoácido se comporte de forma variada dependiendo del pH. Cada grupo ionizable (el grupo α-carboxilo, el grupo α-amino y, si existe, el grupo ionizable de la cadena lateral R) tiene su propio valor de pK_a.

Isomería

Con la excepción de la glicina, todos los aminoácidos proteicos tienen un carbono α asimétrico (un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes). Esto significa que pueden existir en dos formas estereoisoméricas especulares no superponibles, designadas como D-aminoácidos y L-aminoácidos. Estas formas son enantiómeros y poseen actividad óptica (desvían el plano de la luz polarizada).

Es una característica fundamental de la vida que las proteínas de todos los seres vivos estén constituidas casi exclusivamente por L-aminoácidos.

4. Conceptos Clave: pK_a, Punto Isoeléctrico y Zwitterión

pK_a

El pK_a (constante de disociación ácida) es una medida de la acidez de un grupo ionizable. Se define como el valor de pH al cual un grupo ionizable se encuentra 50% en su forma protonada (ácida) y 50% en su forma desprotonada (básica conjugada). Es decir, a pH = pK_a, las concentraciones de la forma ácida y su base conjugada son iguales. Cada grupo ionizable de un aminoácido (α-COOH, α-NH₃⁺, y grupos ionizables de la cadena R) tiene un valor de pK_a característico.

Punto Isoeléctrico (pI)

El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es el valor de pH específico al cual la carga eléctrica neta promedio de la molécula es cero. En este pH, el aminoácido existe predominantemente en su forma de zwitterión. Aunque la molécula contiene cargas positivas y negativas, estas se equilibran, resultando en una carga neta nula. A pH < pI, el aminoácido tendrá una carga neta positiva; a pH > pI, tendrá una carga neta negativa. En el pI, la concentración de formas con carga positiva neta y carga negativa neta se equilibran, y la solubilidad del aminoácido suele ser mínima.

Zwitterión

Un zwitterión (del alemán, que significa "ion híbrido" o "ion dipolar") es la forma de un aminoácido en la que el grupo amino está protonado (-NH₃⁺) y el grupo carboxilo está desprotonado (-COO^-). Aunque la molécula contiene cargas localizadas, su carga neta total es cero. Esta forma dipolar se produce por una transferencia intramolecular de un protón (H⁺) desde el grupo carboxilo al grupo amino. En un rango de pH intermedio (alrededor de la neutralidad para aminoácidos con cadenas laterales no ionizables), el zwitterión es la especie predominante. En el punto isoeléctrico (pI), la forma molecular dominante del aminoácido es el zwitterión (AH⁰).

5. Estructura Primaria de las Proteínas y el Enlace Peptídico

La estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia lineal y específica de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. Esta secuencia es única para cada proteína y está determinada genéticamente.

Características del Enlace Peptídico

La base de la estructura primaria es el enlace peptídico. Este enlace covalente se forma por la reacción de condensación (con eliminación de una molécula de agua) entre el grupo α-carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo α-amino (-NH₂) de otro aminoácido. Químicamente, es un enlace de tipo amida.

Características importantes del enlace peptídico:

• Carácter parcial de doble enlace: Debido a la resonancia electrónica entre el doble enlace C=O y el par de electrones del nitrógeno amídico, el enlace C-N del grupo peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace.
• Rigidez y planaridad: Como consecuencia de este carácter parcial de doble enlace, el enlace peptídico (C-N) es rígido y no permite la libre rotación a su alrededor. Los seis átomos que componen el grupo peptídico (el C_α de un aminoácido, el C y O del grupo carbonilo de ese aminoácido, el N y H del grupo amino del siguiente aminoácido, y el C_α de este segundo aminoácido) tienden a situarse en un mismo plano (son coplanares).
• Configuración trans: La configuración trans (con los carbonos α en lados opuestos del enlace peptídico) es energéticamente más favorable y predomina sobre la configuración cis.
• Rotación en la cadena polipeptídica: Aunque el enlace peptídico es rígido, sí existe libertad de giro alrededor de los enlaces que conectan el carbono α con el nitrógeno del grupo amino (enlace N-C_α, ángulo diedro phi, φ) y con el carbono del grupo carboxilo (enlace C_α-C, ángulo diedro psi, ψ).

La cadena polipeptídica puede considerarse como una secuencia de planos peptídicos rígidos unidos por los carbonos α, que actúan como puntos de articulación. Sin embargo, no todas las combinaciones de ángulos φ y ψ son posibles debido a impedimentos estéricos (choques espaciales) entre los átomos de la cadena principal o las cadenas laterales. Estas restricciones conformacionales son cruciales para determinar la estructura tridimensional de las proteínas.