Los Aminoácidos y la Estructura Primaria de las Proteínas

Funciones de las Proteínas

1. Muchas proteínas actúan como enzimas, los catalizadores bioquímicos. Las enzimas catalizan casi todas las reacciones que suceden en los organismos vivos.
2.  Algunas proteínas se unen con otras moléculas para su almacenamiento y transporte. Por ejemplo, la mioglobina se enlaza con el oxígeno en las células de los músculos esquelético y cardíaco, mientras que la hemoglobina se une y transporta al O2 y al CO2 en los glóbulos rojos.
3. Algunas proteínas, como la tubulina, actina y colágena, proporcionan soporte y forma a las células, y en consecuencia a los tejidos y los organismos.
4.  Los conjuntos de proteínas pueden efectuar trabajo mecánico, como el movimiento de flagelos, la separación de cromosomas en la mitosis y la contracción de los músculos.
5. Muchas proteínas desempeñan un papel en la descodificación de la información celular. Algunas intervienen en la traducción, mientras que otras juegan un papel en la regulación de la expresión genética al unirse a los ácidos nucleicos.
6.  Algunas proteínas son hormonas que regulan las actividades bioquímicas en las células o los tejidos blancos; otras proteínas sirven como receptores de las hormonas.
7. Algunas proteínas desarrollan funciones muy especializadas. Por ejemplo, los anticuerpos defienden a los vertebrados contra infecciones bacterianas y víricas, y las toxinas, que producen algunas bacterias, matan organismos mayores.

Estructura General de los Aminoácidos

Todos los organismos emplean los mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para armar las moléculas de proteína. A estos 20 aminoácidos se les llama aminoácidos comunes, estándar o normales. A pesar de la poca cantidad de los aminoácidos, se puede obtener una variedad enorme de distintos polipéptidos al unir los 20 aminoácidos comunes para formar distintas combinaciones.

Los aminoácidos se llaman así porque son derivados aminados de ácidos carboxílicos. En los 20 aminoácidos comunes, los grupos amino y carboxilo están unidos al mismo átomo de carbono: el átomo de carbono a. Así, todos los aminoácidos estándar que contienen las proteínas son a-aminoácidos. Al carbono a se unen otros dos sustituyentes: un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (R) que es única para cada aminoácido.

En 19 de los 20 aminoácidos que se usan en la biosíntesis de proteínas, el átomo de carbono a es quiral, o asimétrico, porque tiene cuatro grupos diferentes unidos a él. La excepción es la glicina, cuyo grupo R sólo es un átomo de hidrógeno (la molécula no es quiral, porque el átomo de carbono a está unida a dos átomos idénticos de hidrógeno). Los 19 aminoácidos quirales pueden, en consecuencia, existir como estereoisómeros. Los estereoisómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero difieren en el orden o configuración de sus átomos en el espacio. Los dos estereoisómeros son moléculas distintas que no se pueden interconvertir con facilidad entre sí ya que un cambio de configuración requiere romper uno o más enlaces.

Los 19 aminoácidos quirales con los que se ensamblan las proteínas presentan la configuración L, aunque en la naturaleza se encuentran unos pocos D-aminoácidos. Por convención, se supone que los aminoácidos tienen la configuración L, a menos que se indique específicamente que son D. Con frecuencia se aconseja dibujar las estructuras de los L-aminoácidos en una forma no comprometida estereoquímicamente, en especial cuando no es crítica para determinada descripción una representación estereoquímica correcta.

Estructura de los 20 Aminoácidos Comunes

Ionización de los Aminoácidos

Las propiedades físicas de los aminoácidos reciben influencias de los estados iónicos de los grupos a-carboxilo y a-amino y de todos los grupos ionizables que haya en las cadenas laterales. Cada grupo ionizable guarda relación con un valor específico de pKa, que corresponde al pH al que son iguales las concentraciones de las formas protonada y no protonada (sección 2.9). Cuando el pH de la solución es menor que el pKa, predomina la forma protonada y el aminoácido es entonces un ácido real, capaz de donar un protón. Cuando el pH de la solución es mayor que el pKadel grupo ionizable, la forma no protonada de ese grupo predomina, y el aminoácido existe en forma de base conjugada, que es aceptora de protones. Cada aminoácido tiene al menos dos valores de pKa que corresponden a la ionización de los grupos a-carboxilo y a-amino. Además, siete de los aminoácidos comunes tienen cadenas laterales ionizables con valores adicionales y medibles de pKa. Esos valores difieren entre los aminoácidos. Así, a determinado pH, con frecuencia los aminoácidos tienen cargas netas diferentes.

Union de Aminoacidos

La secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica se llama estructura primaria de una proteína. A los niveles más altos de estructura se les llaman estructura secundaria, terciaria y cuaternaria.

El enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace de amida y se llama enlace peptídico, o enlace de péptido. Esta unión se puede concebir como el resultado de una condensación simple del grupo carboxilo ade un aminoácido con el grupo amino a del otro. Observe que se pierde una molécula de agua de los aminoácidos que se condensan en la reacción, recuerde que esas reacciones

sencillas de condensación son en extremo desfavorables en soluciones acuosas debido al gigantesco exceso de moléculas de agua. La ruta real de síntesis de proteína implica intermediarios reactivos que superan esta limitación). A diferencia de los grupos carboxilo y amino de los aminoácidos libres en solución, los grupos que intervienen en los enlaces peptídicos no tienen cargas iónicas.

EL AGUA

En el estudio de la bioquímica es importante comprender al agua y sus propiedades. Los componentes macromoleculares de las células —proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y membranas— asumen sus formas características como respuesta al agua.

Algunos tipos de moléculas interaccionan en forma extensa con el agua y en consecuencia son muy solubles. Otras moléculas no se disuelven con facilidad en el agua y tienden a asociarse entre sí para evitar el agua. Gran parte de la maquinaria metabólica de las células debe operar en un ambiente acuoso porque el agua es un solvente esencial y también un sustrato de numerosas reacciones celulares.

Este estudio detallado de la química de la vida comenzará examinando las propiedades del agua. Sus propiedades físicas le permiten funcionar como solvente de sustancias iónicas y polares, mientras que sus propiedades químicas condicionan que forme enlaces débiles con otros compuestos, incluso otras moléculas de agua. Las propiedades químicas del agua se relacionan también con las funciones de las macromoléculas, de las células y de los organismos completos. Dichas interacciones son importantes en la estabilidad estructural de las macromoléculas y de las células. 

La Molécula del Agua es Polar

La molécula de agua (H2O) tiene forma de V y el ángulo entre los dos enlaces covalentes O—H es de 104.5°. Algunas propiedades importantes del agua se deben a la forma angulada y a los enlaces intermoleculares que puede formar. Un átomo de oxígeno tiene ocho electrones y su núcleo cuenta con ocho protones y ocho neutrones. Hay dos electrones en la capa interna y seis en la capa externa de este átomo.

El ángulo del enlace H—O—H en el agua es de 104.5°, pero si los orbitales electrónicos apuntaran en realidad a las cuatro esquinas de un tetraedro el ángulo sería de 109.5°. La explicación normal de esta diferencia es que existe una fuerte repulsión entre pares de electrones solitarios y esa repulsión trata de unir los enlaces covalentes, con reducción del ángulo de 109.5° a 104.5°.

Las Sustancias Iónicas y Polares se disuelven en agua.

El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan. La ionización se relaciona con la ganancia o pérdida de un electrón, que da lugar a un átomo o a un compuesto que presenta una carga neta. Las moléculas que se pueden disociar y formar iones se llaman electrólitos. Las sustancias que se disuelven con facilidad en agua se llaman hidrofílicaso amantes del agua. (Las sustancias hidrofóbicas, que odian al agua, se describen en la próxima sección).¿Por qué los electrolitos son solubles en agua? Recuérdese que las moléculas de agua son polares, lo cual significa que se pueden alinear entre sí, en torno a los electrólitos, para que los átomos negativos de oxígeno en las moléculas de agua se orienten hacia los cationes(iones con carga positiva) de los electrolitos, y los átomos positivos de hidrógeno se orienten hacia los aniones(átomos con carga negativa). Imagínese lo que sucede cuando un cristal de cloruro de sodio (NaCl) se disuelve en agua.

Las moléculas polares de agua son atraídas hacia los iones cargados en el cristal. Las atracciones hacen que los iones sodio y cloruro, en la superficie del cristal, se disocien entre sí y que el cristal comience a disolverse. Como hay muchas moléculas polares de agua rodeando a cada ion sodio y cloro disueltos, las interacciones entre las cargas eléctricas opuestas de esos iones son mucho más débiles que lo que hay en el cristal intacto. El resultado de sus interacciones con moléculas de agua es que los iones del cristal se continúen disociando hasta que la solución se satura. En este momento, los iones del electrólito disuelto están presentes en concentraciones suficientemente altas para que se

vuelvan a unir al electrólito sólido, cristalizándose, hasta que se establece el equilibrio

entre disociación y cristalización.

Escala de pH

Existen varios procesos bioquímicos —como el transporte de oxígeno en la sangre, la catálisis de reacciones con enzimas y la generación de energía metabólica durante la respiración o la fotosíntesis— que están muy influidos por la concentración de protones. Aunque la concentración de H (o H3O)

en las células es pequeña en relación con la concentración del agua, el intervalo de [H] en soluciones acuosas es enorme, por lo que conviene usar una cantidad logarítmica llamada pH como medida de la

concentración de H. El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de H.

Aquí le presentamos un video para comprender mejor acerca de las propiedades fisicas y quimicas del Agua.

Constante de Disociacion de Acidos débiles

Los ácidos y bases que se disocian por completo en agua, como el ácido clorhídrico y el

hidróxido de sodio, se llaman ácidos fuertes y bases fuertes. Hay muchos otros ácidos y

bases, como por ejemplo los aminoácidos que forman las proteínas y las purinas y pirimidinas del ADN y ARN, que no se disocian por completo en el agua. A dichas sustancias se les conoce como ácidos débiles y bases débiles.

El HCl es un ácido porque puede donar un protón. En este caso el aceptador de protón

es el agua, que es la base en esta reacción de equilibrio. En el otro lado del equilibrio están los iones Cl y el hidronio H3O. El ion cloruro es la base que corresponde al HCl después que cede su protón. Al Cl se le llama la base conjugada del HCl, lo que indica que es una base, es decir, que puede aceptar un protón, y es parte de un par ácido base (es decir, HCl/Cl). De igual modo, el H3O es el ácido en el lado derecho del equilibrio porque puede donar un protón. H3O es el ácido conjugado del H2O. Toda base tiene un ácido conjugado correspondiente, y todo ácido tiene una base conjugada correspondiente. Así, el HCl es el ácido conjugado del Cl, y el H2O es la base conjugada del H3O. (Nótese que H2O es el ácido conjugado del OH cuando se hace referencia al par ácido-base H2O/OH).

Introducción a la Bioquímica

Introducción a la Bioquímica

La bioquímica es el estudio de las moléculas y las reacciones químicas de la vida.
Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la química a fin de explicar la biología a nivel molecular. Los bioquímicos descubrieron que los compuestos químicos y los procesos metabólicos centrales son los mismos que se encuentran en organismos tan distantes como las bacterias, plantas y humanos. Se sabe que los principios básicos de la bioquímica son comunes a todos los organismos vivos. Aunque en la práctica los científicos concentran sus esfuerzos de investigación en organismos particulares, sus resultados se pueden extrapolar a muchas otras especies.

Muchos estudiantes e investigadores están cada vez más interesados en la bioquímica
humana. Las causas de la enfermedad y la importancia de la nutrición apropiada, por ejemplo, son temas bioquímicos fascinantes.

La Bioquímica es una ciencia moderna

La bioquímica surgió como ciencia dinámica tan sólo desde hace 100 años. No obstante, las bases para el campo de trabajo que dieron pie al surgimiento de la bioquímica como ciencia moderna fueron sentadas desde hace muchos siglos. El periodo anterior al siglo XX fue testigo de rápidos avances en la comprensión de los principios químicos básicos como la cinética de reacción y la composición atómica de las moléculas. Para fines del siglo XIX se habían identificado numerosas sustancias químicas producidas por los organismos vivos. Desde entonces, la bioquímica se ha convertido en una disciplina organizada y los bioquímicos dilucidaron muchos de los procesos químicos de la vida. El crecimiento de la bioquímica y su influencia en otras disciplinas seguirá su

marcha durante el siglo XXI.

En 1828, Friedrich Wöhler sintetizó el compuesto orgánico urea al calentar el compuesto inorgánico cianato de amonio.

Los dos descubrimientos más importantes en la historia de la bioquímica son especialmente notables: el descubrimiento de la función catalítica de las enzimas y la función de los ácidos nucleicos como moléculas transportadoras de información. El gran tamaño de las proteínas y los ácidos nucleicos dificultó su caracterización inicial debido a las técnicas disponibles en la primera parte del siglo XX. Con el desarrollo de la tecnología moderna, ahora se tiene acceso a una gran cantidad de información acerca del modo como se relacionan las estructuras de las proteínas y los ácidos nucleicos con

sus funciones biológicas. El primer descubrimiento —la identificación de las enzimas como catalizadores de reacciones biológicas— fue en parte resultado de la investigación de Eduard Buchner. En 1897, Eduard Buchner demostró que los extractos de levaduras libres de células podían

catalizar la fermentación de la glucosa para convertirla en alcohol y dióxido de carbono. Antes de esto, los científicos creían que sólo las células vivas podían catalizar tales reacciones biológicas complejas.

Los Elementos Químicos de la Vida

Existen seis elementos no metálicos —oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre— que representan más de 97% del peso de la mayoría de los organismos. Todos estos elementos pueden formar enlaces covalentes estables. Las cantidades relativas de estos seis elementos varían en cada organismo. El agua es el principal componente de las células y representa un alto porcentaje (en peso) de oxígeno. El carbono es mucho más abundante en los organismos vivos que en el resto del universo. Por otro lado, algunos elementos como el silicio, el aluminio y el hierro son muy comunes en la corteza terrestre pero están presentes en las células sólo en trazas. En conjunto, un total de 29

elementos diferentes se encuentran por lo común en los organismos vivientes. Éstos incluyen a cinco iones esenciales en todas las especies: calcio, potasio  , sodio  , magnesio  y cloruro.

Proteínas

Son veinte los aminoácidos comunes que forman parte de las proteínas de todas las células. Cada aminoácido contiene un grupo amino y un grupo carboxilato, así como una cadena lateral (grupo R) que es única para cada aminoácido. Durante la síntesis de una proteína, el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilato de otro se condensan para formar un enlace amida. La unión entre el átomo de carbono de un residuo de aminoácido y el átomo de nitrógeno del siguiente residuo se denomina enlace peptídico. La unión de extremo a extremo de muchos aminoácidos forma un polipéptido lineal que puede contener cientos de residuos de aminoácido. Una proteína funcional puede ser un solo polipéptido, o puede estar compuesta por varias cadenas de polipéptidos diferentes que están unidas fuertemente para formar una estructura más compleja

Bioquímica y la Evolución

Un famoso genetista, Theodosius Dobzhansky, alguna vez dijo: “Nada en biología tiene sentido salvo a la luz de la evolución”. Esto también se aplica a la bioquímica. Los bioquímicos y los biólogos moleculares han realizado contribuciones muy importantes para la comprensión de la evolución molecular. La evidencia que han descubierto confirma y extiende los datos extraídos de la anatomía comparativa, la genética poblacional y la paleontología. Se lleva recorrido un largo trayecto desde la evidencia original de la evolución que Carlos Darwin resumió por primera vez a mediados del siglo XIX.

Ahora se cuenta con una descripción muy confiable de la historia de la vida y de las relaciones de muchas especies diversas en existencia. Los primeros organismos fueron organismos unicelulares que probablemente ahora se clasificarían como procariotas. Los procariotas, o bacterias, carecen de la membrana que rodea al núcleo. Se han encontrado fósiles de organismos parecidos a bacterias primitivas en formaciones geológicas que tienen una antigüedad de al menos 3 mil millones de años.