bioquímica y biología molecular

Las proteínas son las moléculas más abundantes y diversas en cuanto a función en los sistemas biológicos. Virtualmente, cada proceso de la vida depende de esta clase de biomoléculas. Por ejemplo, las enzimas y hormonas polipeptídicas dirigen y regulan el metabolismo, por el contrario las proteínas contráctiles permiten el movimiento de los músculos.  En el tejido óseo, la proteína colágena permite que se impregnen cristales de fosfato de Calcio en los huesos, lo cual es similar al esqueleto de metal que tiene una casa y el cual se recubre con concreto; algo similar ocurre con el cristalino del ojo. En la sangre está presente la albúmina que transporta a las grasas impidiendo su acumulación en los canales por los cuales transita y las también las inmunoglobulinas o anticuerpos que ayudan a la detección y posterior destrucción de agentes patógenos. La generación de energía en el cuerpo a partir de las moléculas nutritivas contenidas en los alimentos, es extraída y transformada por una serie de proteínas esenciales.

A pesar de la inmensa gama de funciones que estas macromoléculas biológicas pueden tener, en realidad sólo son polímeros lineales de aminoácidos que comparten características estructurales al adoptar una estructura tridimensional y es precisamente la composición de aminoácidos la que permite que exista esta diversidad. A partir de lo anterior debe quedar claro el papel vital que juegan las propiedades de los aminoácidos para los sistemas vivientes.

Estructura de los aminoácidos.

          Aunque se han encontrado mas de 300 diferentes aminoácidos en la naturaleza, el análisis de un gran número de proteínas muestra que todas ellas están formadas por 20 tipos de aminoácidos estándar (mencionados más adelante). Estas moléculas poseen la siguiente composición:

Figura: características estructurales de los aminoácidos.

Se muestra la forma totalmente protonada.

Cada uno de los 20 aminoácidos (excepto la prolina), posee un grupo carboxilo, uno amino y una cadena lateral, además de un átomo de Hidrógeno todos ellos unidos a un átomo de Carbono central denominado a (alfa). Por ello, estos compuestos orgánicos se conocen como a-aminoácidos porque con excepción de la prolina (que contiene un grupo amino secundario),  los 19 restantes tienen un grupo amino primario, un substituyente ácido carboxílico  además de un hidrógeno y un substituyente diferente en el mismo átomo de carbono.

Los aminoácidos pueden actuar como ácidos o bases, son anfolitos. Las moléculas que contienen grupos de polaridad opuestas se conocen como zwiteriones o iones dipolares.

          De acuerdo con su composición, los aminoácidos son muy solubles en agua y muy insolubles en solventes orgánicos.

Alrededor de pH 7.0, que es el valor fisiológico para la mayoría de los seres vivos, el grupo carboxilo está disociado, formando al anión carboxilato (COO^-) y el grupo amino estáprotonado (NH₃⁺):

Figura: equilibrio ácido-base en un aminoácido

En las proteínas, casi todos los grupos carboxilo y amino de los aminoácidos que las componen, están combinados formando el enlace peptídico y, por tanto, no están disponibles para participar en esta reacción de disociación, solo participan en la estructura, formando puentes de Hidrógeno. De acuerdo con lo anterior, es la naturaleza de las cadenas laterales la que al final determina el papel que un aminoácido juega en una proteína. De ahí que generalmente se clasifique a los aminoácidos de acuerdo a la naturaleza de su cadena lateral.

Los carbonos a son centros ópticamente activos o quirales (de mano), tienen cuatro substituyentes diferentes (este fenómeno no sucede en la glicina cuyo grupo R es un átomo de Hidrógeno), que pueden ocupar dos diferentes arreglos espaciales que son imágenes especulares (de espejo) no superponibles:

 

 

 

 

 

 

Figura: Imágenes especulares de la alanina

Cada una de estas estructuras se denominan isómeros ópticos, enantiómeros o bien estereoisómeros y son ópticamente activas (pueden rotar el plano de la luz polarizada en diferente dirección dependiendo del estereoisómero que se trate).

Aquellos estereoisómeros que rotan el plano de la luz polarizada hacia la izquierda se denominan levorrotatorios o L (de levo: izquierda), los que lo hacen hacia la derecha se denominan dextrorrotatorios o D (dextro: derecha).

D-aminoácido

L-aminoácido          D-aminoácido                            +

L-aminoácido

    polarímetro              polarímetro                             polarímetro

Figura X. Representación de la observación de isómeros ópticos en el polarímetro.

El polarímetro es el aparato que ordena el plano de la luz en un solo plano. Una muestra con igual cantidad del enantiómero L y D, no modifica el plano de la luz polarizada y se denomina mezcla racémica (ejemplo del extremo derecho en la Figura X).

En 1843, al investigar el sedimento cristalino que se formaba en los barriles donde se fermenta el vino, Louis Pasteur encontró el fenómeno de actividad óptica. El sedimento investigado es en realidad el ácido paratartárico, también llamado ácido racémico por racemus, del latín racimo de uvas. Pasteur utilizó pinzas muy finas para separar dos tipos de cristales de forma idéntica, pero que claramente eran imágenes especulares. Ambos cristales poseían las características del ácido tartárico, pero uno de ellos desviaba el plano de la luz polarizada hacia la izquierda (levorrotatorio) y el otro hacia la derecha (dextrorrotatorio). Gracias al uso de la cristalografía de rayos X, ahora sabemos la configuración absoluta de ambas formas del ácido tartárico  y muchas otras moléculas.

A pesar de que en la naturaleza se encuentran tanto isómeros L como D, los aminoácidos que forman parte de las proteínas son en su inmensa mayoría L. Los aminoácidos D se encuentran solamente en pequeños péptidos de la pared celular bacteriana y en algunos antibióticos. La estereoespecificidad de algunas reacciones catalizadas por enzimas se debe precisamente a la asimetría de sus sitios activos, la cual está dada por las características quirales de los aminoácidos que las componen.

La manera más común de clasificar a los aminoácidos es de acuerdo a la polaridad de sus cadenas laterales (grupos R). Lo anterior se debe a que las proteínas se pliegan en su conformación nativa en respuesta a la tendencia de remover las cadenas laterales de algunos de sus aminoácidos (residuos) del contacto con el agua y solvatar (hidratar), las cadenas laterales polares.

Los 20 tipos de aminoácidos difieren considerablemente en sus propiedades fisicoquímicas así como en su polaridad, acidez, basicidad, aromaticidad, volumen, flexibilidadconformacional, en su habilidad para realizar entrecruzamientos y para formar puentes de Hidrógeno y reactividad química. Estas múltiples características, muchas de las cuales están interrelacionadas, son las responsables de la gran variedad de funciones, estructuras y demás características de las proteínas.

De acuerdo con este esquema de clasificación,  hay tres grupos principales de aminoácidos: 1.- con cadenas laterales (grupos R) no polares; 2.- con cadenas laterales polares no cargadas y 3.- 1.- con cadenas laterales polares cargadas y estas pueden ser ácidas o bien básicas.