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.
Elementros 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 . Obsérvese que los 24 elementos adicionales representan sólo 3% del peso de los organismos vivos.
Como podemos ver aquí, los principales elementos de los organismos forman un conjunto llamado CHONPS (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre).
Bioquímica y evolución:
Charles
Darwin es conocido por ser el primer personaje en investigar y discutir
la evolución de las distintas especies, a base de la observación de las
aves. Por eso es considerado un pionero en la biología.
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. Las especies modernas de bacterias pertenecen a grupos tan diversos como las cianobacterias, las cuales son capaces de realizar la fotosíntesis, y las arqueobacterias, habitantes de entornos hostiles como las fuentes de agua termal. Los eucariota tienen células que poseen una arquitectura interna compleja, como un núcleo prominente. En general, las células eucarióticas son más complejas y mucho más grandes que las células procarióticas. Una célula tisular eucariótica típica presenta un diámetro de aproximadamente 25 mm (25 000 nm), en comparación con las células procarióticas que por lo general son 1/10 de ese tamaño. Sin embargo, la evolución ha producido una diversidad tremenda, y son comunes desviaciones extremas a partir de los tamaños típicos. Por ejemplo, algunos organismos unicelulares eucarióticos son lo suficientemente grandes para ser visibles al ojo humano, y algunas células nerviosas en las médulas espinales de los vertebrados pueden medir varios centímetros de longitud, aunque sean de dimensiones microscópicas en cortes transversales. También existen megabacterias que son más grandes que la mayoría de las células eucarióticas. En apariencia, todas las células de la Tierra (procarióticas y eucarióticas) evolucionaron a partir de un ancestro común que existió hace más de 3 mil millones de años. La evidencia de este ancestro común incluye la presencia en todos los organismos vivos de elementos bioquímicos constitutivos comunes, los mismos patrones generales del metabolismo y un código genético (con variaciones raras y leves). Se observarán muchos ejemplos de esta evidencia a través de este libro. El plan básico de las células primitivas ha sido ampliado con base en esta inventiva espectacular a través de miles de millones de años de evolución. La importancia de la evolución para un completo entendimiento de la bioquímica no se puede subestimar. Se han de encontrar muchas rutas y procesos que sólo cobran sentido cuando se tiene en cuenta que han evolucionado a partir de precursores más primitivos. En el contexto molecular, la evidencia de esta evolución está preservada en las secuencias de genes y proteínas que se habrán de estudiar a medida que se aprende bioquímica. Con el fin de comprender por completo los principios fundamentales de la bioquímica se requiere examinar las rutas y procesos en diferentes especies, incluidas las bacterias y organismos modelos eucarióticos, así como una variedad de organismos de modelos eucarióticos como la levadura, las moscas de fruta, las plantas de floración, los ratones y los humanos. La importancia de la bioquímica comparada ha sido reconocida durante más de 100 años, pero su valor se ha incrementado en gran medida en la última década con la publicación de secuencias genómicas completas. Ahora existen condiciones para comparar rutas bioquímicas completas de diversas especies.
La célula, unidad básica de la vida:
Todos los organismos son unicelulares o están compuestos por muchas células. Las células existen en una variedad extraordinaria de tamaños y formas, pero todas se pueden clasificar como eucarióticas o procarióticas. Una sola célula simple puede ser representada como una gota de agua rodeada por una membrana plasmática. La gota de agua contiene materia disuelta y suspendida, como proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos. El alto contenido lipídico de las membranas las hace flexibles y de cierre automático. Debido a que las membranas representan barreras impermeables contra moléculas grandes y especies cargadas, permiten que las concentraciones biomoleculares dentro de las células sean mucho más altas que en el medio circundante. Todo el material encerrado por la membrana plasmática de una célula, con excepción del núcleo, se denomina citoplasma. El citoplasma puede contener grandes estructuras moleculares y organelos subcelulares circundados por membranas. Se denomina citosol a la porción acuosa del citoplasma, que excluye las estructuras subcelulares. Los virus son partículas subcelulares infecciosas. Están compuestos por una molécula de ácido nucleico rodeada por una capa proteínica. El ácido nucleico vírico puede contener sólo tres genes o tantos como varios cientos. A pesar de su importancia biológica, los virus no son células verdaderas debido a que no pueden desempeñar reacciones metabólicas independientes. Se propagan al apoderarse de la maquinaria reproductiva de una célula anfitriona y desviarla para la formación de nuevos virus. En cierto sentido, los virus son parásitos genéticos.
Células procariótas:
Los procariotas se han encontrado en casi todos los ambientes concebibles en la Tierra, desde fuentes de agua térmica sulfurosa, por debajo del lecho oceánico y hasta en el interior de células más grandes. Representan una cantidad importante de la biomasa de la Tierra. A pesar de sus diferencias, los procariotas comparten varias características. Carecen de núcleo —su ADN está compactado en una región citoplasmática denominada región nucleoide. Muchas especies bacterianas cuentan sólo con 1000 genes. Desde una perspectiva bioquímica, una de las cuestiones más fascinantes acerca de las bacterias es que, a pesar de que sus cromosomas contienen un número relativamente pequeño de genes, desempeñan la mayor parte de las reacciones bioquímicas fundamentales que se encuentran en cualquier célula, incluidas las humanas. Docenas de genomas bacterianos se han secuenciado por completo y ahora es posible comenzar a definir el número mínimo de enzimas relacionadas con la vida. La mayor parte de las bacterias carece de compartimientos internos definidos por membranas. Por lo general, la membrana plasmática está rodeada por una pared celular estructurada a base de una rígida red de cadenas peptídicas y carbohidratos enlazados de modo covalente. La pared celular confiere su forma característica a una especie individual de bacteria. A pesar de su resistencia, la pared celular es porosa. Además de esta pared celular, casi todas las bacterias, entre ellas la E. coli, poseen una membrana exterior compuesta por lípidos, proteínas y lípidos unidos a polisacáridos. El espacio entre la membrana plasmática interna y la membrana exterior se denomina espacio periplasmático. Se trata del mayor compartimiento circundado por membrana en las bacterias y desempeña una función central en algunos procesos bioquímicos importantes.
Célula Eucariota:
Las células eucarióticas están rodeadas por una membrana plasmática única, a diferencia de las bacterias que por lo general disponen de una membrana doble. La más obvia de las características que distinguen a los eucariotas de los procariotas es el núcleo circundado por membrana en los eucariotas donde se localizan los cromosomas. Por lo general las células eucarióticas son más grandes que las células bacterianas, de manera habitual unas 1000 veces mayores en volumen. En consecuencia, se requieren estructuras internas y mecanismos complejos para la rápida transportación y comunicación tanto al interior de la célula como hacia y desde el medio externo. Una malla de fibras proteínicas denominada citoesqueleto se extiende a través de toda la célula y contribuye a la formación celular y a la administración del tráfico intracelular. Casi todas las células eucarióticas contienen compartimientos internos circunscritos por membranas llamados organelos. Las funciones específicas de los organelos se vinculan en forma estrecha con las propiedades y estructuras físicas. No obstante, una cantidad importante de procesos bioquímicos específicos ocurren en el citosol. De hecho, más adelante se estudiará en este capítulo que el citosol, al igual que los organelos, probablemente esté altamente organizado. La figura 1.15 muestra las células vegetal y animal típicas. Ambos tipos tienen un núcleo, mitocondrias y un citoesqueleto. Las células vegetales también contienen cloroplastos, vacuolas y muchas veces están rodeadas por una pared celular rígida. Los cloroplastos también se encuentran en algas y algunos protistas, y representan los sitios de la fotosíntesis. Las paredes celulares vegetales están compuestas por celulosa, uno de los polisacáridos descritos en la sección 1.3B. El interior de una célula eucariótica está subdividido por una red de membrana intracelular. El área superficial de las membranas interiores puede constituir varias veces el área de la membrana plasmática. Los organelos independientes, entre ellos el núcleo, mitocondria y cloroplastos, existen en medio de un sistema de membrana unificado en constante cambio que se difunde a través de la célula entera. Los materiales fluyen dentro de las rutas definidas por las paredes de membrana y los túbulos. El tráfico intracelular de materiales entre los compartimientos es rápido, muy selectivo y regulado de forma rigurosa. En la mayoría de los eucariotas multicelulares, los grupos de células con especialización similar están organizados en tejidos. Dentro de los tejidos, las células están conectadas o incrustadas en una matriz extracelular que contiene proteínas y polisacáridos. La matriz provee soporte físico al tejido y en algunos casos dirige el crecimiento y movimiento celular.
La bioquímica es multidisciplinaria:
Una de las metas de los bioquímicos es integrar un gran cuerpo de conocimiento para conformar una explicación molecular de la vida. Esto ha sido, y continúa siendo, una tarea desafiante. Sin embargo, los bioquímicos han realizado grandes avances hacia la definición de las reacciones básicas comunes a todas las células y han entendido cómo están interrelacionadas estas reacciones. La bioquímica como disciplina no existe en un vacío. Ya se vio cómo la física, la química, la biología celular y la evolución contribuyen a una comprensión de la bioquímica. Las disciplinas relacionadas, como la fisiología y la genética, también son importantes. De hecho, muchos científicos ya no se consideran a sí mismos simplemente biólogos sino que son reconocidos en varios campos relacionados. Como todos los aspectos de la bioquímica están interrelacionados, es difícil presentar un tema sin referirse a los demás.
Capítulo 2: El agua.
La vida en la Tierra se suele describir como un fenómeno basado en el carbono, pero sería igualmente correcto llamarlo un fenómeno basado en el agua. Es probable que la vida se haya originado en el agua, hace más de tres mil millones de años, y que todas las células vivientes sigan dependiendo del agua para existir. En la mayor parte de las células el agua es la molécula más importante y forma de 60 a 90% de su masa , aunque hay pocas excepciones, como las semillas y las esporas, de las cuales se expulsa el agua. Las semillas y las esporas pueden permanecer latentes por largos periodos hasta “revivir” por la reintroducción de 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.
El agua como solvente:
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 hidrofílicas o amantes del agua. (Las sustancias hidrofóbicas, que odian al agua, se describen en la próxima sección). ¿Por qué los electrólitos 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 electrólitos, 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.Cada Na disuelto atrae a los extremos negativos de varias moléculas de agua, mientras que cada Cl disuelto atrae a los extremos positivos de varias moléculas de agua . La esfera de moléculas de agua que rodea a cada ion se llama esfera de solvatación y suele contener varias capas de moléculas de solvente. Se dice que una molécula o ion que está rodeado por moléculas de solvente está solvatada o solvatado. Cuando el solvente es agua, se dice que las moléculas o los iones están hidratados.
Las sustancias no polares son insolubles en agua:
Los hidrocarburos y otras sustancias no polares presentan una solubilidad muy baja en agua porque las moléculas de agua tienden a interactuar con otras moléculas de agua y no con moléculas no polares. El resultado es que las moléculas de agua excluyen a las sustancias no polares forzándolas a asociarse entre sí. Por ejemplo, las gotas diminutas de aceite que se dispersan en forma vigorosa en agua tienden a coalescer y formar una sola gota, con lo cual minimizan la superficie de contacto entre las dos sustancias. Es la explicación por la que se separa el aceite en un aderezo para ensalada si se deja en reposo durante algún tiempo antes de agregarlo en la ensalada. Se dice que las moléculas no polares son hidrofóbicas (que “odian” al agua) y a este efecto de exclusión de sustancias no polares por parte del agua se le llama efecto hidrofóbico. El efecto hidrofóbico es crítico para el plegamiento de las proteínas y el autoensamblaje de las membranas biológicas. Los detergentes, a los que a veces se les llama surfactantes o agentes tensoactivos, son moléculas que son hidrofílicas e hidrofóbicas a la vez; en general cuentan con una cadena hidrofóbica de al menos 12 átomos de carbono de longitud y un extremo iónico o polar. Se dice que esas moléculas son anfipáticas. Los jabones, que son sales de metales alcalinos y ácidos grasos de cadena larga, representan una clase de detergente. El jabón palmitato de sodio (CH3 (CH2)14COO Na ), por ejemplo, contiene un grupo carboxilato hidrofílico y una cola hidrofóbica. Uno de los detergentes sintéticos que se usa con más frecuencia en bioquímica es el dodecilsulfato de sodio (SDS, de sodium dodecyl sulfate), que contiene una cola con 12 carbonos y un grupo sulfato polar (figura 2.8). La parte de hidrocarburo en un detergente es soluble en sustancias orgánicas no polares, mientras que su grupo polar es soluble en agua. Cuando un detergente se esparce con suavidad sobre la superficie del agua se forma una monocapa insoluble, donde las colas hidrofóbicas y no polares de las moléculas del detergente se extienden hacia el aire, mientras que las cabezas hidrofílicas y iónicas se hidratan y penetran en el agua (figura 2.9). Cuando una concentración suficientemente alta del detergente se dispersa en agua, más que estratificarse en la superficie, los grupos de moléculas del detergente se agrupan y forman micelas. En una forma frecuente de micelas, las colas no polares de las moléculas del detergente se asocian entre sí en el centro de la estructura y minimizan el contacto con las moléculas de agua. Como las colas son flexibles, el núcleo de una micela es hidrocarburo líquido. Las cabezas iónicas entran en la solución acuosa y en consecuencia se hidratan. Las micelas pequeñas y compactas pueden contener de unas 80 a 100 moléculas del detergente.
La acción limpiadora de los jabones y demás detergentes se deriva de su capacidad de atrapar la grasa y los aceites, insolubles en agua, en los interiores hidrofóbicos de las micelas. El SDS y los detergentes sintéticos similares son ingredientes activos comunes en detergentes para lavandería. La suspensión de compuestos no polares en agua, por su incorporación a las micelas, se llama solubilización, que no es lo mismo que disolución. Varias estructuras que se encontrarán después en este libro, como proteínas y membranas biológicas, se asemejan a las micelas por exhibir interiores hidrofóbicos y superficies hidrofílicas.
El agua es nucleofílica:
Además de sus propiedades físicas, las propiedades químicas del agua también son importantes en bioquímica, porque las moléculas de agua pueden reaccionar con moléculas biológicas. El átomo de oxígeno, rico en electrones, determina gran parte de la reactividad del agua en las reacciones químicas. A las sustancias ricas en electrones se les llama nucleófilos (“amantes” del núcleo) porque buscan especies con carga positiva, o con deficiencia en electrones, llamadas electrófilos (“amantes” del electrón). Los nucleófilos pueden tener carga negativa o contar con pares no compartidos de electrones. Atacan a los electrófilos durante reacciones de sustitución o de adición. Los átomos nucleófilos más comunes en biología son de oxígeno, nitrógeno, azufre y carbono. El átomo de oxígeno en el agua tiene dos pares de electrones no compartidos y por ello es nucleofílico. Aunque el agua es un nucleófilo relativamente débil, su concentración celular es tan alta que cabe esperar que muchas macromoléculas sean degradadas fácilmente por el ataque nucleofílico del agua. Esa expectativa, de hecho, es correcta.
La 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 :
Soluciones amortiguadoras para resistir cambios de pH Si el pH de una solución permanece casi constante cuando se agregan pequeñas cantidades de ácido o base fuerte, se dice que la solución está regulada o amortiguada. La capacidad de una solución para resistir cambios de pH se llama capacidad de amortiguación. www.FreeLibros.org 2.10 ■ Soluciones amortiguadoras para resistir cambios de pH 47 Al repasar las curvas de titulación del ácido acético (figura 2.16) y del ácido fosfórico (figura 2.18) se ve que la regulación más efectiva, representada por la región de pendiente mínima en la curva, se presenta cuando las concentraciones de un ácido débil y su base conjugada son iguales; en otras palabras, cuando el pH es igual al pKa. El intervalo efectivo de amortiguación por una mezcla de ácido débil y su base conjugada se suele considerar desde una unidad de pH abajo hasta una unidad de pH arriba del pKa. La mayor parte de los experimentos bioquímicos in vitro con moléculas purificadas, extractos celulares o células intactas se hace en presencia de un amortiguador (también se le llama buffer) adecuado que asegure un pH estable. Para preparar soluciones amortiguadoras se utilizan varios compuestos sintéticos, con una diversidad de valores de pKa. Por ejemplo, se pueden usar mezclas de ácido acético y acetato de sodio (pKa 4.8) para el intervalo de pH de 4 a 6 y mezclas de KH2PO4 y K2HPO4 (pKa 7.2) para el intervalo de 6 a 8. Con frecuencia se usa el aminoácido glicina (pKa 9.8) en el intervalo de 9 a 11. En el ejemplo de cálculo 2.2 se ilustra una forma de preparar una solución amortiguadora. Un ejemplo excelente de la capacidad amortiguadora se encuentra en el plasma sanguíneo de los mamíferos, que tiene un pH notablemente constante. A continuación se revisan los resultados de un experimento donde se compara la adición de una alícuota de ácido fuerte a un volumen de plasma sanguíneo con una adición similar de ácido fuerte a suero fisiológico (NaCl 0.15 M) o agua. Cuando se agrega un mililitro de HCl (ácido clorhídrico) 10 M a 1 litro de suero fisiológico o de agua cuyo pH inicial es de 7.0 el pH baja a 2.0 (en otras palabras, la [H ] del HCl se diluye a 10 2 M). Sin embargo, cuando se agrega 1 mililitro de HCl 10 M a 1 litro de plasma sanguíneo humano a pH de 7.4 el pH sólo baja a 7.2.
Capítulo 3: Los aminoácidos y la estructura primaria de las proteínas.
El estudio de las proteínas ha ocupado a los bioquímicos durante más de un siglo. Comprender las composiciones, formas tridimensionales y actividades químicas de estas biomoléculas puede ser la clave para acometer algunos de los desafíos científicos más apremiantes. Por ejemplo, el proceso de la fotosíntesis es una de las rutas bioquímicas más importantes, por su papel en la captación de la energía solar. Un examen estructural detallado de las numerosas proteínas que efectúan la fotosíntesis está permitiendo comprender este proceso fundamental. Otra área activa de investigación es el estudio de las proteínas de bacterias termófilas. Esas bacterias prosperan a altas temperaturas, en algunos casos mayores que 100°C, pero llevan a cabo las mismas clases de reacciones bioquímicas comunes que todas las células. ¿Qué tienen de diferente las proteínas de las bacterias termófilas que les permite desarrollar actividad a temperaturas que destruirían a la mayoría de las demás bacterias? Muchos problemas relacionados con la medicina requieren comprender las proteínas y su forma de trabajar. Uno de estos casos es el virus de la inmunodeficiencia humana 1 (VIH-1), vinculado con el SIDA (síndrome de inmunodeficiencia adquirida). Como la mayor parte de los retrovirus, éste muta con mucha frecuencia y produce cepas nuevas que son resistentes a los tratamientos normales. Hoy se sabe que la enzima decisiva de la alta frecuencia de mutaciones es la transcriptasa reversa y se han estudiado con detalle su estructura y funciones. También son conocidas las estructuras de las proteínas de la cubierta vírica, cuyos genes mutan en las cepas nuevas. Los investigadores están descubriendo la forma en que esas mutaciones permiten a los virus superar las mejores defensas que puede crear la ciencia médica. Es de esperarse que esta información conduzca a mejores tratamientos del SIDA y otras enfermedades causadas por retrovirus.
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 los nombres químicos de los aminoácidos, los átomos de carbono se identifican con números que comienzan en el átomo de carbono del grupo carboxilo. [El nombre químico correcto, o nombre sistemático, se apega a reglas establecidas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, de International Union of Pure and Applied Chemistry) y la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Union of Biochemistry and Molecular Biology))]. Si el grupo R es —CH3, el nombre sistemático de ese aminoácido sería ácido 2-aminopropanoico. (El ácido propanoico es CH3—CH2—COOH). El nombre trivial de CH3—CH(NH2)—COOH es alanina. Hay una nomenclatura alternativa que usa letras griegas para identificar al carbono a y los átomos de carbono de la cadena lateral. La nomenclatura alternativa identifica al átomo de carbono en relación con el grupo carboxilo, por lo que no se especifica al átomo de carbono del grupo carboxilo, a diferencia de la nomenclatura sistemática, donde ese carbono tiene el número 1. Los bioquímicos han usado, por tradición, la nomenclatura alternativa. Las estructuras de los 20 aminoácidos que suelen encontrarse en las proteínas se muestran en las figuras siguientes, como proyecciones de Fischer. En las proyecciones de Fischer, los enlaces horizontales en un centro quiral se extienden hacia el espectador y los verticales se alejan (como en las figuras 3.1 y 3.2). El examen de las estructuras revela que hay considerable variación en las cadenas laterales de los 20 aminoácidos. Algunas cadenas laterales son no polares, y en consecuencia hidrofóbicas, mientras que otras son polares o ionizadas a pH neutro y en consecuencia son hidrofílicas. Las propiedades de las cadenas laterales tienen gran influencia sobre la forma tridimensional general, o conformación, de una proteína.
Aminoácidos con grupos aromáticos Alifáticos:
La glicina (Gly, G) es el aminoácido más pequeño porque su grupo R no es más que un átomo de hidrógeno; en consecuencia, el carbono a de la glicina no es quiral. Los dos átomos de hidrógeno del carbono a de la glicina imparten poco carácter hidrofóbico a la molécula. Después habrá oportunidad de comprobar que la glicina desempeña un papel único en la estructura de muchas proteínas porque su cadena lateral es lo bastante pequeña como para tener cabida en nichos en los que a otros aminoácidos les resultaría imposible hacerlo.
Hay cuatro aminoácidos: alanina (Ala, A), valina (Val, V), leucina (Leu, L) y el isómero estructural de la leucina, isoleucina (Ile, I), que tienen cadenas laterales alifáticas saturadas. La cadena lateral de la alanina es un grupo metilo, mientras que la valina presenta una cadena lateral ramificada con tres carbonos, y la leucina y la isoleucina contienen una cadena lateral ramificada de cuatro carbonos cada una. Los átomos de carbono a y b de la isoleucina son asimétricos.
Aminoácidos con grupo R aromático:
La fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y el triptófano (Trp, W) presentan cadenas laterales con grupos aromáticos. En el caso de la fenilalanina es una cadena hidrofóbica bencílica. La tirosina se parece estructuralmente a la fenilalanina; en la tirosina, un grupo hidroxilo sustituye al hidrógeno para de la fenilalanina lo que la convierte en un fenol. El grupo hidroxilo de la tirosina es ionizable, pero bajo condiciones fisiológicas normales retiene su hidrógeno. La cadena lateral del triptófano contiene un grupo indol bicíclico. La tirosina y el triptófano no son tan hidrofóbicos como la fenilalanina porque en sus cadenas laterales hay grupos polares. Los tres aminoácidos aromáticos absorben luz ultravioleta (UV) porque, a diferencia de los aminoácidos alifáticos, los aromáticos contienen electrones p deslocalizados. A pH neutro tanto el triptófano como la tirosina absorben luz a una longitud de onda de 280 nm, mientras que la fenilalanina es casi transparente a 280 nm y absorbe débilmente luz a 260 nm. Dado que la mayor parte de las proteínas contienen triptófano y tirosina éstas absorben luz a 280 nm. La absorbencia a 280 nm se usa en forma rutinaria para estimar la concentración de proteínas en las soluciones.
Aminoácidos con grupo R sulfurado:
La metionina (Met, M) y la cisteína (Cys, C) son los dos aminoácidos azufrados. La metionina contiene un grupo tioéter metilo, no polar, en su cadena lateral, lo que la convierte en uno de los aminoácidos más hidrofóbicos. La metionina desempeña un papel especial en la síntesis de proteínas porque casi siempre representa el primer aminoácido en una cadena de polipéptido. La estructura de la cisteína se parece a la de la alanina, con un átomo de hidrógeno reemplazado por un grupo sulfhidrilo Aunque la cadena lateral de la cisteína es algo hidrofóbica, también es muy reactiva. Debido a que el átomo de azufre es polarizable, el grupo sulfhidrilo de la cisteína puede formar puentes de hidrógeno débiles con el oxígeno y el nitrógeno. Además, el grupo sulfhidrilo de la cisteína es un ácido débil, lo cual le permite perder un protón y transformarse en un ion tiolato con carga negativa.Un compuesto llamado cistina se puede aislar cuando se hidrolizan algunas proteínas. La cistina se forma con dos moléculas oxidadas de cisteína unidas por un enlace disulfuro.
Cadenas laterales con grupo alcohol:
La serina (Ser, S) y la treonina (Thr, T) tienen cadenas laterales polares sin carga que contienen grupos b-hidroxilo. Estos grupos alcohol dan carácter hidrofílico a las cadenas laterales alifáticas. Además de la cadena lateral fenólica más ácida de la tirosina, los grupos hidroxilo de la serina y la treonina despliegan las propiedades débiles de ionización de los alcoholes primarios y secundarios. El grupo hidroximetilo de la serina (—CH2OH) no se ioniza en forma apreciable en soluciones acuosas; empero, este alcohol puede reaccionar dentro de los sitios activos de varias enzimas como si estuviera ionizado. La treonina, como la isoleucina, cuenta con dos centros quirales, los átomos de carbono a y b. La L-treonina es el único de los cuatro estereoisómeros que se encuentra con frecuencia en las proteínas. (Los otros estereoisómeros son D-treonina, L-alotreonina y D-alotreonina).
Aminoácidos con grupos R básicos:
La histidina (His, H), lisina (Lys, K) y arginina (Arg, R) presentan cadenas laterales hidrofílicas que son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH 7. La cadena lateral de la histidina contiene un sustituyente de anillo de imidazol. La forma protonada de este anillo se llama ion imidazolio (sección 3.4). La lisina es un diaminoácido y tiene grupos amino a y e al mismo tiempo. El grupo e-amino existe como ion alquilamonio (—CH2 —NH3 ) a pH neutro y confiere una carga positiva a las proteínas. La arginina es el más básico de los 20 aminoácidos porque su cadena lateral de ion guanidinio está protonada bajo todas las condiciones que se encuentran de manera habitual dentro de una célula. Las cadenas laterales de arginina también aportan cargas positivas a las proteínas.
Aminoácidos con grupo R ácidos y sus amidas derivadas:
El aspartato (Asp, D) y el glutamato (Glu, E) son aminoácidos dicarboxílicos y tienen cadenas laterales hidrofílicas con carga negativa a pH 7. Además de los grupos carboxilo a, el aspartato posee un grupo carboxilo b y el glutamato un grupo carboxilo g. El aspartato y el glutamato confieren carga negativa a las proteínas porque sus cadenas laterales se encuentran ionizadas a pH 7. A veces se les llama ácido aspártico y ácido glutámico, respectivamente, pero bajo la mayoría de las condiciones fisiológicas se encuentran como bases conjugadas y, al igual que otros carboxilatos, tienen el sufijo ato. Es probable que el glutamato sea conocido bajo la forma de su sal monosódica, el glutamato monosódico (MSG, de monosodium glutamate), que se usa en alimentos como intensificador de sabores. La asparagina (Asn, N) y la glutamina (Gln, Q) son las amidas del ácido aspártico y el ácido glutámico, respectivamente. Aunque las cadenas laterales de la asparagina y la glutamina son eléctricamente neutras, estos aminoácidos son muy polares y se encuentran con frecuencia en las superficies de las proteínas, donde pueden interactuar con moléculas de agua. Los grupos amida polares de la asparagina y la glutamina también pueden formar puentes de hidrógeno con las cadenas laterales de otros aminoácidos polares.
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 pKa del 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. Los estados iónicos de las cadenas laterales de los aminoácidos influyen sobre las estructuras tridimensionales de las proteínas. Además, ya que varios residuos ionizables de aminoácido intervienen en catálisis por enzimas, la comprensión de las propiedades iónicas de los aminoácidos ayuda a comprender los mecanismos enzimáticos (capítulo 6). Los valores de pKa de los aminoácidos se determinan con curvas de titulación como las que se estudiaron en el capítulo anterior. En la figura 3.6 se muestra la titulación de la alanina. La alanina cuenta con dos grupos ionizables: el carboxilo a y el amino a, protonado. A medida que se agrega más base a la solución del ácido, la curva de titulación presenta dos valores de pKa, a pH 2.4 y pH 9.9. Cada valor de pKa se vincula con una zona de regulación donde el pH de la solución cambia relativamente poco al agregar más base. El pKa de un grupo ionizable corresponde a un punto medio en su curva de titulación. Es el pH al cual la concentración de la forma ácida (donador de protones) es exactamente igual a la concentración de su base conjugada (aceptor de protones).
La unión de los aminoácidos por enlaces peptídicos en las proteínas:
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. La estructura de las proteínas se describirá con más detalle en el siguiente capítulo, pero es importante comprender los enlaces peptídicos y la estructura primaria antes de describir algunos de los temas restantes en este capítulo. 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 a de 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. . 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. Las mitades de aminoácido unidas en una cadena polipeptídica se llaman residuos de aminoácido. Los nombres de los residuos se forman sustituyendo la terminación -ina o -ato por -ilo (o -il, en nombres compuestos). Por ejemplo, un residuo de glicina en un polipéptido se llama glicilo y un residuo de glutamato se llama glutamilo. En los casos de asparagina, glutamina y cisteína, -ilo sustituye la –a final para formar asparaginilo, glutaminilo y cisteinilo, respectivamente. La terminación ilo indica que el residuo es una unidad de acilo (estructura que carece del hidroxilo del grupo carboxilo). El dipéptido de la figura 3.9 se llama alanilserina porque la alanina se convierte en una unidad de acilo, pero el aminoácido serina conserva su grupo carboxilo. El grupo amino libre y el grupo carboxilo libre en los extremos opuestos de una cadena de péptido se llaman N-terminal (o terminal N, terminal amino) y C-terminal (o terminal C, terminal carboxilo), respectivamente. Por convención, los residuos de aminoácido en una cadena peptídica se numeran desde el N-terminal hasta el C-terminal y se suelen escribir de izquierda a derecha. Esta convención corresponde a la dirección de la síntesis de la proteína .
Determinación de la secuencia de aminoácido
El análisis de aminoácidos produce información sobre la composición de una proteína, pero no acerca de su estructura primaria (o secuencia de residuos). Pehr Edman desarrolló, en 1950, una técnica que permite extraer e identificar uno por uno los residuos del N-terminal de una proteína. El procedimiento de degradación de Edman consiste en tratar una proteína a pH 9.0 con PITC, que también se conoce como reactivo de Edman. (Recuérdese que también se puede usar PITC en la medida de los aminoácidos libres, como se ve en la figura 3.16). El PITC reacciona con el N-terminal libre de la cadena para formar un derivado de feniltiocarbamoílo, o PTC-péptido (figura 3.18, en la página siguiente). Cuando el derivado de PTC-péptido se trata con un ácido anhidro, como ácido trifluoroacético, el enlace peptídico del residuo N-terminal se rompe en forma selectiva y libera un derivado de anilinotiazolinona del residuo. Este derivado sepuede extraer con un solvente orgánico como el cloruro de butilo y deja el péptido remanente en la fase acuosa. El derivado inestable de anilinotiazolinona se trata entonces con ácido acuoso, que lo convierte en un derivado estable de feniltiohidantoína del aminoácido que constituía el residuo N-terminal (PTH-aminoácido). La cadena peptídica en fase acuosa, ahora un residuo más corto (el residuo 2 de la proteína es ahora el N-terminal), se puede ajustar regresando al pH 9.0 y tratándolo de nuevo con PITC. Todo el procedimiento se puede repetir en serie, usando un instrumento automático llamado secuenciador. Cada ciclo produce un PTH-aminoácido que se puede identificar cromatográficamente, por lo general mediante HPLC.puede extraer con un solvente orgánico como el cloruro de butilo y deja el péptido remanente en la fase acuosa. El derivado inestable de anilinotiazolinona se trata entonces con ácido acuoso, que lo convierte en un derivado estable de feniltiohidantoína del aminoácido que constituía el residuo N-terminal (PTH-aminoácido). La cadena peptídica en fase acuosa, ahora un residuo más corto (el residuo 2 de la proteína es ahora el N-terminal), se puede ajustar regresando al pH 9.0 y tratándolo de nuevo con PITC. Todo el procedimiento se puede repetir en serie, usando un instrumento automático llamado secuenciador. Cada ciclo produce un PTH-aminoácido que se puede identificar cromatográficamente, por lo general mediante HPLC.
Estrategias de secuenciación de los aminoácidos:
El bromuro de cianógeno (BrCN) es un reactivo químico que reacciona en forma específica con residuos de metionina y produce péptidos con residuos C-terminales de homoserina lactona y nuevos residuos N-terminales . Como la mayor parte de las proteínas contiene relativamente pocos residuos de metionina, el tratamiento con BrCN suele producir sólo unos pocos fragmentos de péptido. Se pueden usar muchas proteasas distintas para generar fragmentos y secuenciar una proteína. Por ejemplo, la tripsina cataliza en forma específica la hidrólisis de enlaces peptídicos en el lado carbonílico de los residuos de lisina y arginina, y los dos tienen cadenas laterales con carga positiva . La proteasa V8 de Staphylococcus aureus cataliza la ruptura de enlaces peptídicos en el lado carbonílico de residuos con carga negativa (glutamato y aspartato), y bajo condiciones adecuadas (bicarbonato de amonio 50 mM) sólo rompe las uniones glutamilo. La quimotripsina es una proteasa menos específica que cataliza de preferencia la hidrólisis de enlaces peptídicos en el lado carbonílico de residuos sin carga con cadenas laterales aromáticas o hidrofóbicas voluminosas, como fenilalanina, tirosina y triptófano (figura 3.21b). Con una aplicación adecuada de bromuro de cianógeno, tripsina, proteasa V8 de S. aureus y quimotripsina a muestras individuales de una proteína grande se pueden generar numerosos fragmentos peptídicos de diversos tamaños. Esos fragmentos pueden separarse entonces y secuenciarse por degradación de Edman. En la etapa final de la determinación de la secuencia se puede deducir la secuencia de aminoácidos de una cadena grande de polipéptido alineando las secuencias iguales de fragmentos de péptido que se traslapen, como se ilustra en la figura 3.21c. Cuando se refiere a un residuo de aminoácido cuya posición en la secuencia se conoce, se acostumbra adjuntar su número en la secuencia a la abreviatura del residuo. El proceso de generar y secuenciar fragmentos de péptido tiene especial importancia para obtener información acerca de las secuencias de proteínas cuyos N-terminales están bloqueados. Por ejemplo, el grupo a-amino N-terminal de muchas proteínas bacterianas se formila y no reacciona en absoluto cuando se somete al procedimiento de degradación de Edman. Los fragmentos peptídicos con N-terminales libres se pueden obtener por escisión selectiva, para entonces separarlos y secuenciarlos de modo que al menos se pueda obtener algo de la secuencia interna de la proteína. Para proteínas que contienen puentes disulfuro, no se resuelve la estructura covalente completa sino hasta que se hayan establecido las posiciones de los enlaces disulfuro. Las posiciones de los enlaces cruzados disulfuro puede determinarse fragmentando la proteína intacta, aislando los fragmentos peptídicos y determinando cuáles fragmentos contienen residuos de cistina. La tarea de determinar las posiciones de los enlaces cruzados se vuelve bastante complicada cuando la proteína contiene varios puentes de disulfuro. La deducción de la secuencia de aminoácidos de determinada proteína a partir de la secuencia de su gen (figura 3.22 en la siguiente página) resuelve algunas de las limitaciones de las técnicas analíticas. Por ejemplo, se puede determinar la cantidad de residuos de triptófano y aspartato y se diferencian los residuos de asparagina ya que son distintos codones los que los codifican. Sin embargo, la secuenciación directa de proteínas todavía tiene importancia porque es la única forma de determinar si hay aminoácidos modificados o si los residuos de aminoácido se han eliminado después de terminar la síntesis de la proteína. En 1953, Frederick Sanger determinó por primera vez la secuencia de una proteína (insulina). Se le otorgó el Premio Nobel 1956 por este trabajo. Veinticuatro años después, Sanger ganó un segundo Premio Nobel por ser precursor en la secuenciación de ácidos nucleicos. Hoy se conoce las secuencias de aminoácidos de miles de proteínas distintas. Estas secuencias revelan no sólo los detalles de la estructura de las proteínas individuales, sino que también permiten que los investigadores identifiquen las familias de proteínas relacionadas y anticipen la estructura tridimensional y a veces la función de las proteínas recién descubiertas.
