Aminoácidos y Proteínas - Biología Celular y Tisular

Introducción a los Aminoácidos y Proteínas

Concepto de Biomoléculas

• Las biomoléculas son moléculas que constituyen todos los sistemas biológicos, desde bacterias hasta humanos, compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo.

• La estructura de cada biomolécula está determinada por cadenas de átomos de carbono unidas entre sí y grupos funcionales que les otorgan características específicas relacionadas con su función.

Estructura de las Cadenas de Carbono

• Las cadenas de carbono pueden ser lineales (compuestos alifáticos) o cíclicas (compuestos aromáticos), dependiendo de cómo se unen los carbonos.

• Los grupos funcionales como aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos son esenciales para la identidad y función de las biomoléculas.

Funciones Biológicas

• Las biomoléculas cumplen diversas funciones en las células: estructurales (membranas biológicas, citoesqueleto), metabólicas (provisión de energía), y en vías de señalización.

Aminoácidos: Unidades Básicas de las Proteínas

Aminoácidos Naturales

• Existen 20 aminoácidos naturales que forman proteínas en todos los organismos. Algunos son esenciales para ciertos organismos; el humano no puede sintetizar algunos y debe obtenerlos a través de la dieta.

Ejemplo: Tirosina y Fenilalanina

• La tirosina no es esencial porque el cuerpo puede sintetizarla a partir del aminoácido esencial fenilalanina, que debe ser adquirido mediante la alimentación.

Síntesis en Diferentes Organismos

• Organismos como Escherichia coli pueden sintetizar los 20 aminoácidos sin necesidad del medio externo. Además existen aminoácidos no canónicos formados por modificaciones post-traduccionales.

Estructura Química y Propiedades de los Aminoácidos

Composición Química

• Los aminoácidos están formados por un grupo amino (-NH2), un grupo ácido carboxílico (-COOH), un átomo de hidrógeno unido al carbono central (carbono alfa), y una cadena lateral variable (grupo R).

Carbono Quiral

• El carbono alfa es quiral o asimétrico, lo que permite la existencia de dos isómeros diferentes con la misma fórmula química pero configuraciones espaciales distintas.

Isomería en Aminoácidos

• La mayoría de los aminoácidos presentes en proteínas naturales pertenecen a la serie L. Estos isómeros tienen propiedades específicas debido a su configuración espacial.

Propiedades Ácido-base de los Aminoácidos

Ionización

Propiedades de los Grupos Funcionales en Aminoácidos

Organización del Grupo Carboxilo y Amino

• El grupo R puede presentar propiedades ácidas o básicas, dependiendo de su identidad. Se discute la organización del grupo carboxilo, que se denomina ácido.

• La proporción entre las formas protonadas y desprotonadas de un aminoácido está determinada por una constante de acidez (pKa). Un pKa bajo indica un grupo más ácido.

• En el pH fisiológico (7.4), el grupo carboxilo se encuentra mayormente en forma desprotonada, mientras que el grupo amino permanece protonado debido a su pKa más alto.

• Los aminoácidos pueden existir en al menos tres formas dependiendo del pH: totalmente protonados, parcialmente protonados y totalmente desprotonados.

• La carga neta global de un aminoácido puede ser cero, lo que se conoce como ion dipolar o zwitterión.

Comportamiento Ácido-Básico

• Los aminoácidos con al menos dos grupos ionizables actúan como ácidos débiles y tienen dos equilibrios descritos por sus respectivos pKa.

• Por ejemplo, la glicina tiene dos valores de pKa: 2.34 y 9.6. A diferentes niveles de pH, se encuentran distintas proporciones de sus formas ionizadas.

• El punto isoeléctrico es donde el aminoácido tiene carga neta cero; este se calcula como el promedio de los dos valores de pKa para aminoácidos sin grupos laterales ionizables.

Clasificación según Polaridad

• Los grupos R en los aminoácidos pueden clasificarse según su polaridad e interacción con agua a pH fisiológico; todos son solubles debido a sus grupos carboxilo y amina.

• Existen aminoácidos no polares (alifáticos), formados solo por cadenas de carbono e hidrógeno, como la prolina e isoleucina.

Aminoácidos Polares

• Los aminoácidos polares tienen grupos que interactúan con agua; ejemplos incluyen treonina y glutamina, que poseen grupos funcionales capaces de formar enlaces por hidrógeno.

• Estos enlaces son cruciales para la estructura proteica ya que permiten interacciones entre diferentes proteínas.

Estructura Aromática

• Algunos aminoácidos aromáticos (como tirosina y triptófano) contienen anillos en su estructura y son capaces de absorber luz ultravioleta, lo cual es útil para cuantificar proteínas mediante análisis bioquímicos.

Interacciones de Aminoácidos y su Estructura

Propiedades de los Aminoácidos

• Los aminoácidos pueden formar interacciones por apilamiento si sus anillos se disponen uno sobre otro, lo que es crucial para la estructura de las proteínas.

• Los aminoácidos ácidos tienen grupos ionizables con pKa bajos, mientras que los básicos poseen cadenas laterales con pKa altos, afectando su protonación a diferentes pH.

• La interacción entre aminoácidos con cargas opuestas puede ocurrir mediante interacciones electrostáticas, dependiendo del pH del entorno.

Ionización y Formas de Aminoácidos

• Dependiendo del pH, un aminoácido como el glutamato puede existir en varias formas ionizadas; a un pH bajo todos sus grupos están protonados.

• A medida que aumenta el pH, se desprotonan primero los grupos más ácidos (como el grupo carboxilo), seguido por otros grupos según su acidez relativa.

Cálculo del Punto Isoeléctrico

• El punto isoeléctrico se calcula considerando la ionización de los grupos funcionales y promediando los valores de pKa adyacentes.

• En el caso del glutamato, la curva de titulación muestra tres mesetas definidas por sus respectivos valores de pKa.

Ejemplo: Ionización de la Lisina

• Al calcular la ionización de la lisina, se identifican tres valores de pKa; el orden en que se desprotonan depende del valor relativo del pKa.

• Se determina el estado dipolar promedio para encontrar el punto isoeléctrico y predecir la carga neta a diferentes niveles de pH.

Formación de Enlaces Peptídicos

• Los aminoácidos se unen para formar proteínas mediante enlaces peptídicos, resultantes de reacciones entre grupos carboxilo y amino.

Estructura y Función de las Proteínas

Introducción a los Péptidos y Aminoácidos

• Los enlaces entre átomos en una cadena de aminoácidos determinan la rigidez y movilidad de las proteínas, restringiendo la rotación en ciertos enlaces.

• Los péptidos son cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos; dos aminoácidos forman un dipéptido, mientras que varios se denominan polipéptidos.

Clasificación de Péptidos

• Un grupo pequeño de aminoácidos se llama oligo péptido, mientras que muchos juntos forman polipéptidos. Las proteínas son polipéptidos compuestos por cientos de aminoácidos.

• Ejemplo: el aspartamo es un edulcorante formado por ácido aspártico y fenilalanina, siendo mucho más dulce que la sacarosa.

Estructura Primaria y Secundaria

• La estructura primaria se refiere al orden específico de los aminoácidos en la cadena. Esta secuencia está codificada genéticamente.

• La estructura secundaria involucra arreglos locales como hélices alfa o láminas beta, estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace peptídico.

Estructura Terciaria y Cuaternaria

• La estructura terciaria describe cómo se disponen las estructuras secundarias en tres dimensiones. Algunas proteínas tienen una estructura cuaternaria donde múltiples polipéptidos se unen para formar una sola proteína.

• La conformación activa es la disposición tridimensional más estable energéticamente, conocida como conformación nativa.

Ejemplos de Estructuras Secundarias

• Las estructuras secundarias pueden variar dentro de una misma proteína; ejemplos incluyen hélices alfa (donde la cadena se enrolla alrededor de un eje imaginario) y hojas plegadas beta (donde las cadenas interaccionan linealmente).

• En la hélice alfa, los enlaces de hidrógeno estabilizan la estructura cada cuatro aminoácidos; esta forma es común en muchas proteínas.

Estructura y Función de las Proteínas

Estructuras Secundarias y Propiedades Biológicas

• Las estructuras secundarias de las proteínas son fundamentales para determinar su estructura global, lo que a su vez influye en sus propiedades biológicas y funciones.

Interacciones entre Aminoácidos

• Las interacciones entre aminoácidos se producen a través de enlaces débiles como los enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas, dipolo-dipolo e interacciones hidrofóbicas. Estas dependen del tipo de aminoácido y su ubicación en la proteína.

Estructura Cuaternaria

• La hemoglobina es un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria, compuesta por cuatro subunidades unidas por enlaces débiles. En contraste, la mioglobina es una proteína monomérica sin estructura cuaternaria.

Tipos de Proteínas: Globulares vs. Fibrosas

• Las proteínas fibrosas (como la queratina) tienen funciones estructurales y resistencia mecánica, mientras que las globulares (como la mioglobina) cumplen funciones regulatorias y enzimáticas.

Plegamiento Proteico

• El plegamiento correcto de una proteína depende de su estructura primaria; comienza en un estado desplegado inestable que se estabiliza al adoptar estructuras secundarias y terciarias.

Chaperonas en el Plegamiento

• Las chaperonas son complejos macromoleculares que ayudan al plegamiento proteico proporcionando un entorno adecuado para establecer interacciones estables. A menudo utilizan energía del ATP para facilitar este proceso.

Anemia Falciforme: Un Ejemplo Patológico

• La anemia falciforme es causada por una mutación en la hemoglobina donde un ácido glutámico es sustituido por valina, provocando agregados insolubles que afectan la funcionalidad del glóbulo rojo.

Cálculo del Punto Isoeléctrico

• Se discute cómo calcular el punto isoeléctrico del glutamato considerando sus grupos ionizables. Este cálculo es crucial para entender el impacto de mutaciones sobre la carga eléctrica de las proteínas.

Impacto de Mutaciones en Funciones Proteicas