Proteínas, Aminoácidos, Péptidos, Enzimas y Ácidos Nucleicos: La Base Molecular de la Vida

Proteínas

Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes e importantes en las células, constituyendo el 50% o más de su peso seco. Se encuentran en todas las partes de todas las células, siendo fundamentales en todos los aspectos de la estructura y función celular. Existe una gran diversidad de proteínas, cada una especializada para una función biológica diferente. Además, la mayor parte de la información genética se expresa a través de las proteínas.

Pertenecen a la clase de péptidos, compuestos por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Un enlace peptídico es la unión del grupo amino (-NH₂) de un aminoácido con el grupo carboxilo (-COOH) de otro aminoácido, mediante la formación de una amida. Son los constituyentes básicos de la vida: su nombre deriva de la palabra griega «proteios», que significa «primero». En los animales, las proteínas representan alrededor del 80% del peso de los músculos deshidratados, alrededor del 70% de la piel y el 90% de la sangre seca. También están presentes en las plantas.

La importancia de las proteínas radica en sus funciones en el cuerpo, más que en su cantidad. Todas las enzimas conocidas, por ejemplo, son proteínas, a menudo presentes en pequeñas cantidades. Sin embargo, estas sustancias catalizan todas las reacciones metabólicas y permiten a los organismos construir otras moléculas (proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos) necesarias para la vida.

Composición

Todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y casi todas contienen azufre. Algunas contienen elementos adicionales, como fósforo, hierro, zinc y cobre. Su peso molecular es muy alto.

Independientemente de su función u origen, todas las proteínas se construyen a partir de un conjunto básico de veinte aminoácidos, dispuestos en secuencias específicas.

Función

Las proteínas desempeñan diversas funciones, tales como:

• Catalizadores (enzimas)
• Elementos estructurales (colágeno) y sistemas de contracción
• Almacenamiento (ferritina)
• Transporte (hemoglobina)
• Hormonas
• Anti-infecciosas (inmunoglobulinas)
• Enzimática (lipasas)
• Nutrición (caseína)
• Protección

Dada la gran variedad de funciones de las proteínas en la célula, se pueden dividir en dos grandes grupos:

• Dinámicas: transporte, consumo, catálisis de reacciones, control del metabolismo y contracción.
• Estructurales: proteínas como el colágeno y la elastina, que proporcionan soporte estructural a las células y tejidos.

Clasificación de las Proteínas

En la composición:

• Proteínas simples: Liberan solo aminoácidos por hidrólisis.
• Proteínas conjugadas: Por hidrólisis ácida, liberan aminoácidos y un radical no peptídico, denominado grupo prostético. Ej: metaloproteínas, hemoproteínas, lipoproteínas, glicoproteínas.

Número de cadenas polipeptídicas:

• Proteínas monoméricas: Compuestas por una sola cadena polipeptídica.
• Proteínas oligoméricas: Compuestas por más de una cadena polipeptídica; tienen una estructura y función más complejas.

Forma:

• Proteínas fibrosas: La mayoría son insolubles en solventes acuosos y tienen un peso molecular muy alto. Generalmente están formadas por largas moléculas más o menos rectilíneas y paralelas al eje de la fibra. A esta categoría pertenecen proteínas estructurales como el colágeno del tejido conectivo, la queratina del cabello, la fibroína de la seda, la esclerotina del exoesqueleto de los artrópodos, la conquiolina de las conchas de los moluscos, la fibrina del suero sanguíneo o la miosina muscular. Algunas proteínas fibrosas, como las tubulinas, tienen una estructura diferente, compuesta por varias subunidades globulares dispuestas en espiral.
• Proteínas globulares: Tienen una estructura espacial más compleja, más o menos esférica. Generalmente son solubles en solventes acuosos y su peso molecular varía entre 10.000 y varios millones. En esta categoría se encuentran proteínas activas como las enzimas, transportadores como la hemoglobina, etc.

Aminoácidos

Los aminoácidos son los bloques de construcción del cuerpo. Además de construir células y reparar tejidos, forman anticuerpos para combatir bacterias y virus, son parte del sistema enzimático y hormonal, construyen nucleoproteínas (ADN y ARN), transportan oxígeno por todo el cuerpo y participan en la actividad muscular. Cuando las proteínas se dividen (separan o rompen) durante la digestión, resultan en 22 aminoácidos conocidos. Ocho son esenciales (el cuerpo no los puede producir) y el resto son no esenciales (el cuerpo los puede fabricar con una nutrición adecuada).

Los aminoácidos son moléculas orgánicas formadas por átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Algunos contienen azufre. Todos contienen un grupo carboxilo (COOH), un grupo amina (NH₂) y un átomo de hidrógeno (H) unido a un átomo de carbono alfa. A este mismo carbono también se une un radical (R), que varía según el aminoácido. Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos para formar proteínas.

Aminoácidos Naturales

También llamados aminoácidos no esenciales, son producidos por el cuerpo. Los animales pueden producir solo 12 de los 20 aminoácidos existentes, mientras que las plantas pueden producir los 20.

Aminoácidos Esenciales

Son los aminoácidos que los animales no pueden producir, pero que son necesarios para la síntesis de proteínas, por lo que deben obtenerse de la dieta.

No todos los alimentos contienen todos los aminoácidos, por lo que la alimentación debe ser diversificada. Los alimentos ricos en aminoácidos esenciales son de origen animal: carne, huevos, leche, queso, etc. Las plantas no tienen todos los aminoácidos esenciales, por lo que una dieta vegetariana debe ser bien diversificada.

Péptidos

Los péptidos son compuestos o moléculas formadas por la unión de aminoácidos. La unión se da entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, liberando una molécula de agua. Este enlace se llama enlace peptídico.

Los péptidos se clasifican según el número de aminoácidos:

• Dos aminoácidos: dipéptido
• Tres aminoácidos: tripéptido
• Cuatro aminoácidos: tetrapéptido

También se clasifican en:

• Oligopéptidos: de dos a diez aminoácidos
• Polipéptidos: once o más aminoácidos

Enzimas

Las enzimas son proteínas complejas (o heteroproteínas) que actúan como catalizadores en los procesos biológicos. Las reacciones en los organismos vivos son catalizadas por enzimas. Pueden ser enzimas intracelulares o endoenzimas, o extracelulares o exoenzimas. Se destruyen fácilmente por el calor (temperaturas superiores a 70°C), agitación severa, ondas ultravioleta y ultrasonido, y sustancias como cianuro de sodio, fluoruro de sodio, metales pesados, ácidos y bases. La enzima se une al sustrato para formar un compuesto intermedio, que luego se descompone, regenerando la enzima. Son catalizadores muy específicos. Se nombran según el sustrato sobre el que actúan, seguido del sufijo asa (ej. ureasa, maltasa).

Ácidos Nucleicos

Conceptos Generales

Son moléculas que almacenan y expresan la información genética. Existen dos tipos principales:

• Ácido desoxirribonucleico (ADN)
• Ácido ribonucleico (ARN)

Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por la unión de nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster.

Nucleótidos

Son las unidades fundamentales de los ácidos nucleicos. Se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster, formando largas cadenas. Además de formar parte de los ácidos nucleicos, los nucleótidos también forman parte de coenzimas, actúan como energía química (ATP) y como activadores e inhibidores en el metabolismo celular.

Estructura de los Nucleótidos

Los nucleótidos están formados por:

• Una pentosa
• Una base nitrogenada
• Uno o más radicales fosfato

Bases Nitrogenadas

Pertenecen a dos familias y son 5 en total:

• Purinas: adenina y guanina
• Pirimidinas: citosina, timina y uracilo

El ADN y el ARN comparten adenina, guanina y citosina. La timina solo existe en el ADN; en el ARN se sustituye por uracilo.

Pentosas

La unión de una pentosa con una base nitrogenada forma un nucleósido. Si el azúcar es ribosa, se forma un ribonucleósido (ARN). Si el azúcar es desoxirribosa, se forma un desoxirribonucleósido (ADN).

Fosfato

La adición de uno o más grupos fosfato a la pentosa forma un nucleótido. Los grupos fosfato dan la carga negativa a los ácidos nucleicos.

ADN

Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas, las mitocondrias, los cloroplastos y el citosol de las células procariotas. Dirige el desarrollo del cuerpo y se duplica en la división celular.

Estructura del ADN

El ADN es un polidesoxirribonucleótido formado por miles de nucleótidos unidos por enlaces 3′, 5′-fosfodiéster. Forma una doble hélice antiparalela.

Enlace Fosfodiéster

Se produce entre el fosfato del carbono 5′ de un nucleótido y el hidroxilo del carbono 3′ del siguiente. La cadena resultante es polar, con un extremo 5′ (fosfato libre) y un extremo 3′ (hidroxilo libre).

Doble Hélice

En la doble hélice del ADN, las cadenas se enrollan de forma antiparalela. El esqueleto de fosfato-azúcar es hidrofílico y está en el exterior, mientras que las bases nitrogenadas hidrofóbicas están en el interior. Existe un apareamiento de bases específico: adenina con timina (A-T) y citosina con guanina (C-G), unidas por puentes de hidrógeno.

ARN

Actúa como una «copia de trabajo» del ADN, utilizada en la expresión génica. La síntesis de ARN a partir de ADN se llama transcripción.

Estructura del ARN

El ARN se diferencia del ADN en cuatro aspectos principales:

• Uracilo en lugar de timina
• Ribosa en lugar de desoxirribosa
• Cadena simple
• Molécula más pequeña

Tipos de ARN

Existen tres tipos principales de ARN:

• ARN ribosómico (ARNr): forma parte de los ribosomas, responsables de la síntesis de proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): transporta aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis de proteínas.
• ARN mensajero (ARNm): lleva la información genética del ADN a los ribosomas para la síntesis de proteínas.

Organización del Material Genético en Eucariotas

El ADN de una célula mide aproximadamente 1 metro. Para que quepa en el núcleo, interactúa con proteínas, como las histonas.

Histonas

Son proteínas básicas ricas en lisina y arginina, con carga positiva, que se asocian al ADN. Hay cinco tipos: H1, H2A, H2B, H3 y H4.

Nucleosomas

Son las unidades básicas de la estructura de los cromosomas. Están formados por un octámero de histonas (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2 H4) alrededor del cual se enrolla el ADN. La histona H1 no forma parte del nucleosoma, pero participa en la compactación del ADN.