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2.2: Estructura y Función - Aminoácidos

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    52918
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    Fuente: BiochemFFA_2_1.pdf. Todo el libro de texto está disponible de forma gratuita de los autores en http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

    Todas las proteínas de la faz de la tierra están compuestas por los mismos 20 aminoácidos. Ligados entre sí en largas cadenas llamadas polipéptidos, los aminoácidos son los bloques de construcción de la amplia variedad de proteínas que se encuentran en todas las células vivas.

    “Es una de las generalizaciones más llamativas de la bioquímica... que los veinte aminoácidos y las cuatro bases, sean, con reservas menores, los mismos en toda la Naturaleza”. - Francisco Crick

    Todos los aminoácidos tienen la misma estructura básica, lo que se muestra en la Figura 2.1. En el “centro” de cada aminoácido hay un carbono llamado carbono α y unido a él hay cuatro grupos: un hidrógeno, un grupo α- carboxilo, un grupo α-amina y un grupo R, a veces denominado cadena lateral. Los grupos α de carbono, carboxilo y amino son comunes a todos los aminoácidos, por lo que el grupo R es la única característica única en cada aminoácido. (Una excepción menor a esta estructura es la de la prolina, en la que el extremo del grupo R está unido a la α-amina.) Con la excepción de la glicina, que tiene un grupo R que consiste en un átomo de hidrógeno, todos los aminoácidos en las proteínas tienen cuatro grupos diferentes unidos a ellas y consecuentemente pueden existir en dos formas de imagen especular, L y D. Con pocas excepciones, cada aminoácido que se encuentra en las células y en las proteínas está en la configuración L.

    Figura 2.1 - Estructura general de aminoácidos

    Hay 22 aminoácidos que se encuentran en las proteínas y de estos, sólo 20 están especificados por el código genético universal. Los otros, selenocisteína y pirrolisina utilizan ARNt que son capaces de emparejar bases con codones de parada en el ARNm durante la traducción. Cuando esto sucede, estos aminoácidos inusuales se pueden incorporar a las proteínas. Las enzimas que contienen selenocisteína, por ejemplo, incluyen glutatión peroxidasas, tetraiodotironina 5' deyodinasas, tiorredoxina reductasas, formiato deshidrogenasas, glicina reductasas y selenofosfato sintetasa. Las proteínas que contienen pirrolisina son mucho más raras y en su mayoría están confinadas a arqueas.

    Esenciales y no esenciales

    Los nutricionistas dividen los aminoácidos en dos grupos: los aminoácidos esenciales (deben estar en la dieta porque las células no pueden sintetizarlos) y los aminoácidos no esenciales (pueden ser hechos por las células). Esta clasificación de aminoácidos tiene poco que ver con la estructura de los aminoácidos. Los aminoácidos esenciales varían considerablemente de un organismo a otro e incluso difieren en los humanos, dependiendo de si son adultos o niños. El Cuadro 2.1 muestra aminoácidos esenciales y no esenciales en humanos.

    Algunos aminoácidos que normalmente no son esenciales, pueden necesitar ser obtenidos de la dieta en ciertos casos. Los individuos que no sintetizan cantidades suficientes de arginina, cisteína, glutamina, prolina, selenocisteína, serina y tirosina, debido a una enfermedad, por ejemplo, pueden necesitar suplementos dietéticos que contengan estos aminoácidos.

    Cuadro 2.1 - Aminoácidos esenciales y no esenciales

    Aminoácidos no proteicos

    También hay α-aminoácidos que se encuentran en las células que no se incorporan a las proteínas. Los comunes incluyen ornitina y citrulina. Ambos compuestos son intermedios en el ciclo de la urea. La ornitina es un precursor metabólico de la arginina y la citrulina se puede producir por la descomposición de la arginina. Esta última reacción produce óxido nítrico, una importante molécula de señalización. La citrulina es el subproducto metabólico. A veces se utiliza como suplemento dietético para reducir la fatiga muscular.

    Química del grupo R

    Cuadro 2.2 - Categorías de aminoácidos (basadas en las propiedades del grupo R)

    Separamos los aminoácidos en categorías con base en la química de sus grupos R. Si comparas agrupaciones de aminoácidos en diferentes libros de texto, verás diferentes nombres para las categorías y (a veces) el mismo aminoácido siendo categorizado de manera diferente por diferentes autores. De hecho, categorizamos la tirosina tanto como un aminoácido aromático como un aminoácido hidroxilo. Es útil clasificar los aminoácidos en función de sus grupos R, ya que son estas cadenas laterales las que le dan a cada aminoácido sus propiedades características. Así, se puede esperar que los aminoácidos con grupos laterales (químicamente) similares funcionen de manera similar, por ejemplo, durante el plegamiento de proteínas.

    Aminoácidos no polares

    • La alanina (Ala/A) es uno de los aminoácidos más abundantes que se encuentran en las proteínas, ocupando el segundo lugar después de la leucina en ocurrencia. También se encuentra una forma D del aminoácido en las paredes celulares bacterianas. La alanina no es esencial, ya que se sintetiza fácilmente a partir de piruvato. Está codificado por GCU, GCC, GCA y GCG.
    • La glicina (Gly/G) es el aminoácido con la cadena lateral más corta, teniendo un grupo R consistente solo de un solo hidrógeno. Como resultado, la glicina es el único aminoácido que no es quiral. Su pequeña cadena lateral le permite encajar fácilmente en entornos tanto hidrofóbicos como hidrofílicos.
    Figura 2.2 - Propiedades de la cadena lateral de aminoácidos Wikipedia
    • La glicina se especifica en el código genético por GGU, GGC, GGA y GGG. No es esencial para los humanos.
    • La isoleucina (Ile/I) es un aminoácido esencial codificado por AUU, AUC y AUA. Tiene una cadena lateral hidrófoba y también es quiral en su cadena lateral.
    • La leucina (Leu/L) es un aminoácido de cadena ramificada que es hidrofóbico y esencial. La leucina es el único aminoácido de la dieta reportado que estimula directamente la síntesis de proteínas en el músculo, pero la precaución está en orden, ya que 1) hay estudios contradictorios y 2) la toxicidad por leucina es peligrosa, resultando en “las cuatro D”: diarrea, dermatitis, demencia y muerte. La leucina está codificada por seis codones: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG.
    • La metionina (Met/M) es un aminoácido esencial que es uno de los dos aminoácidos que contienen azufre; la cisteína es el otro. La metionina es no polar y está codificada únicamente por el codón AUG. Es el aminoácido “iniciador” en la síntesis proteica, siendo el primero incorporado a las cadenas proteicas. En las células procariotas, se formila la primera metionina de una proteína.
    Figura 2.3 - Aminoácidos no polares
    • La prolina (Pro/P) es el único aminoácido que se encuentra en las proteínas con un grupo R que se une con su propio grupo α-amino, formando una amina secundaria y un anillo. La prolina es un aminoácido no esencial y está codificada por CCU, CCC, CCA y CCG. Es el menos flexible de los aminoácidos proteicos y por lo tanto da rigidez conformacional cuando está presente en una proteína. La presencia de prolina en una proteína afecta su estructura secundaria. Es un disruptor de hélices αy β-hebras. La prolina suele ser hidroxilada en colágeno (la reacción requiere vitamina C - ascorbato) y esto tiene el efecto de aumentar la estabilidad conformacional de la proteína. La hidroxilación de prolina del factor inducible por hipoxia (HIF) sirve como sensor de los niveles de oxígeno y se dirige al HIF para su destrucción cuando el oxígeno es abundante.
    • La valina (Val/V) es un aminoácido esencial, no polar sintetizado en las plantas. Es notable en la hemoglobina, ya que cuando reemplaza al ácido glutámico en la posición número seis, provoca que la hemoglobina se agregue anormalmente en condiciones de bajo oxígeno, dando como resultado la enfermedad de células falciformes. La valina está codificada en el código genético por GUU, GUC, GUA y GUG.

    Aminoácidos carboxílicos

    • El ácido aspártico (Asp/D) es un aminoácido no esencial con un grupo carboxilo en su Rgrupo. Se produce fácilmente por transaminación de oxaloacetato. Con un pKa de 3.9, la cadena lateral del ácido aspártico se carga negativamente a pH fisiológico. El ácido aspártico se especifica en el código genético por los codones GAU y GAC.
    • El ácido glutámico (Glu/E), que está codificado por GAA y GAG, es un aminoácido no esencial que se obtiene fácilmente por transaminación de α- cetoglutarato. Es un neurotransmisor y tiene un grupo R con un grupo carboxilo que se ioniza fácilmente (pKa = 4.1) a pH fisiológico.
    Figura 2.4 - Carboxi-aminoácidos

    Aminoácidos amínicos

    • La arginina (Arg/R) es un aminoácido que es, en algunos casos, esencial, pero no esencial en otros. Los bebés prematuros no pueden sintetizar arginina. Además, el trauma quirúrgico, la sepsis y las quemaduras aumentan la demanda de arginina. La mayoría de las personas, sin embargo, no necesitan suplementos de arginina. La cadena lateral de la arginina contiene un grupo complejo de guanidinio con un pKa de más de 12, lo que lo hace cargado positivamente a pH celular. Está codificado por seis codones: CGU, CGC, CGA, CGG, AGA y AGG.
    • La histidina (His/H) es el único de los aminoácidos proteínicos que contiene un grupo funcional imidazol. Es un aminoácido esencial en humanos y otros mamíferos. Con un pKa de cadena lateral de 6, puede cambiar fácilmente su carga por un ligero cambio en el pH. La protonación del anillo da como resultado dos estructuras NH que se pueden dibujar como dos estructuras resonantes igualmente importantes.
    Figura 2.5 - Aminoácidos amínicos
    • La lisina (Lys/K) es un aminoácido esencial codificado por AAA y AAG. Tiene un grupo R que puede ionizarse fácilmente con una carga de +1 a pH fisiológico y puede modificarse postraduccionalmente para formar acetilisina, hidroxilisina y metilisina. También puede ser ubiquitinado, sumoilado, neddilado, biotinilado, carboxilado, y putilado, y. La O-glicosilación de la hidroxilisina se utiliza para marcar proteínas para la exportación de la célula. La lisina a menudo se agrega a la alimentación animal porque es un aminoácido limitante y es necesaria para optimizar el crecimiento de cerdos y pollos.

    Aminoácidos aromáticos

    Figura 2.6 - Aminoácidos aromáticos
    • La fenilalanina (Phe/ F) es un aminoácido esencial no polar codificado por UUU y UUC. Es un precursor metabólico de la tirosina. La incapacidad para metabolizar la fenilalanina surge del trastorno genético conocido como fenilcetonuria. La fenilalanina es un componente del edulcorante artificial de aspartamo.
    • El triptófano (Trp/W) es un aminoácido esencial que contiene un grupo funcional indol. Es un precursor metabólico de la serotonina, niacina y (en plantas) la fitohormona auxina. Aunque tiene fama de servir como ayuda para dormir, no hay resultados claros de investigación que lo indiquen.
    • La tirosina (Tyr/Y) es un aminoácido no esencial codificado por UAC y UAU. Es una diana para la fosforilación en proteínas por tirosina proteína quinasas y juega un papel en los procesos de señalización. En las células dopaminérgicas del cerebro, la tirosina hidroxilasa convierte la tirosina en l-dopa, un precursor inmediato de la dopamina. La dopamina, a su vez, es un precursor de la norepinefrina y la epinefrina. La tirosina también es un precursor de las hormonas tiroideas y la melanina.

    Aminoácidos hidroxílicos

    • La serina (Ser/S) es uno de los tres aminoácidos que tienen un grupo R con un hidroxilo en él (la treonina y la tirosina son los otros). Está codificado por UCU, UCC, UCA, UGC, AGU y AGC. Al ser capaz de formar enlaces de hidrógeno con el agua, se clasifica como un aminoácido polar. No es esencial para los humanos. La serina es precursora de muchos compuestos celulares importantes, incluyendo purinas, pirimidinas, esfingolípidos, folato y de los aminoácidos glicina, cisteína y triptófano. El grupo hidroxilo de la serina en las proteínas es una diana para la fosforilación de ciertas proteínas quinasas. La serina también forma parte de la tríada catalítica de serina proteasas.
    Figura 2.7 - Aminoácidos hidroxilados
    • La treonina (Thr/T) es un aminoácido polar que es esencial. Es uno de los tres aminoácidos que llevan un grupo hidroxilo (la serina y la tirosina son los otros) y, como tal, es una diana para la fosforilación en proteínas. También es una diana para la oglicosilación de proteínas. Las treoninas proteasas utilizan el grupo hidroxilo del aminoácido en su catálisis y es un precursor en una vía biosintética para hacer glicina. En algunas aplicaciones, se utiliza como profármaco para aumentar los niveles de glicina cerebral. La treonina está codificada en el código genético por ACU, ACC, ACA y ACG.

    Tirosina - ver AQUÍ.

    Figura 2.8 - Propiedades de los aminoácidos Wikipedia

    Otros aminoácidos

    • La asparagina (Asn/N) es un aminoácido no esencial codificado por AAU y AAC. Su carboxiamida en el grupo R le da polaridad. La asparagina está implicada en la formación de acrilamida en alimentos cocinados a altas temperaturas (fritura profunda) cuando reacciona con grupos carbonilo. La asparagina se puede hacer en el cuerpo a partir de aspartato mediante una reacción de amidación con una amina de glutamina. La descomposición de la asparagina produce malato, el cual puede oxidarse en el ciclo del ácido cítrico.
    • La cisteína (Cys/C) es el único aminoácido con un grupo sulfhidrilo en su cadena lateral. No es esencial para la mayoría de los humanos, pero puede ser esencial en infantes, ancianos e individuos que padecen ciertas enfermedades metabólicas. El grupo sulfhidrilo de la cisteína se oxida fácilmente a un disulfuro cuando reacciona con otro. Además de encontrarse en las proteínas, la cisteína también es un componente del tripéptido, el glutatión. La cisteína es especificada por los codones UGU y UGC.
    Figura 2.9 - Otros aminoácidos
    • La glutamina (Gln/Q) es un aminoácido que normalmente no es esencial en humanos, sino que puede ser en individuos sometidos a entrenamiento atlético intensivo o con trastornos gastrointestinales. Tiene una cadena lateral de carboxiamida que normalmente no se ioniza bajo pH fisiológicos, pero que da polaridad a la cadena lateral. La glutamina está codificada por CAA y CAG y se prepara fácilmente por amidación de glutamato. La glutamina es el aminoácido más abundante en la sangre circulante y es uno de los pocos aminoácidos que pueden atravesar la barrera hematoencefálica.
    • La selenocisteína (Sec/U) es un componente de las selenoproteínas que se encuentran en todos los reinos de la vida. Es un componente de varias enzimas, incluyendo glutatión peroxidasas y tiorredoxina reductasas. La selenocisteína se incorpora a las proteínas en un esquema inusual que involucra el codón de parada UGA. Las células cultivadas en ausencia de selenio terminan la síntesis de proteínas en UGA. Sin embargo, cuando el selenio está presente, ciertos ARNm que contienen una secuencia de inserción de selenocisteína (SECIS), insertan selenocisteína cuando se encuentra UGA. El elemento SECIS tiene secuencias de nucleótidos características y patrones de apareamiento de bases de estructura secundaria. Veinticinco proteínas humanas contienen selenocisteína.
    • La pirrolisina (Pyl/O) es un aminoácido de veintidós segundos, pero rara vez se encuentra en las proteínas. Al igual que la selenocisteína, no está codificada en el código genético y debe incorporarse por medios inusuales. Esto ocurre en los codones de parada de la UAG. La pirrolisina se encuentra en organismos arqueanos metanogénicos y al menos en una bacteria productora de metano. La pirrolisina es un componente de las enzimas productoras de metano.

    Grupos ionizantes

    Los valores de pKa para las cadenas laterales de aminoácidos dependen mucho del entorno químico en el que están presentes. Por ejemplo, el carboxilo del grupo R que se encuentra en el ácido aspártico tiene un valor de pKa de 3.9 cuando está libre en solución, pero puede ser tan alto como 14 cuando se encuentra en ciertos ambientes dentro de proteínas, aunque eso es inusual y extremo. Cada aminoácido tiene al menos un grupo amina ionizable (α- amina) y un grupo carboxilo ionizable (α- carboxilo). Cuando estos se unen en un enlace peptídico, ya no se ionizan. Algunos, pero no todos los aminoácidos tienen grupos R que pueden ionizar. La carga de una proteína surge entonces de las cargas del grupo α-amina, el grupo α- carboxilo. y la suma de las cargas de los grupos R ionizados. La titulación/ionización del ácido aspártico se representa en la Figura 2.10. La ionización (o desionización) dentro de la estructura de una proteína puede tener un efecto significativo en la conformación general de la proteína y, dado que la estructura está relacionada con la función, un impacto importante en la actividad de una proteína.

    Figura 2.10 - Curva de valoración para ácido aspártico Imagen de Penelope Irving

    La mayoría de las proteínas tienen rangos relativamente estrechos de actividad óptima que normalmente corresponden a los entornos en los que se encuentran (Figura 2.11). Cabe señalar que la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos elimina los hidrógenos ionizables tanto de los grupos α- amina como α- carboxilo de los aminoácidos. Así, la ionización/desionización en una proteína surge solo de 1) el extremo amino terminal; 2) carboxilo terminal; 3) grupos R; o 4) otros grupos funcionales (como sulfatos o fosfatos) añadidos a los aminoácidos postraduccionalmente - ver más adelante.

    Carnitina

    No todos los aminoácidos de una célula se encuentran en las proteínas. Los ejemplos más comunes incluyen ornitina (metabolismo de la arginina), citrulina (ciclo de la urea) y carnitina (Figura 2.12). Cuando los ácidos grasos destinados a la oxidación se trasladan a la mitocondria para ese propósito, viajan a través de la membrana interna unida a la carnitina. De las dos formas estereoisoméricas, la forma L es la activa. La molécula se sintetiza en el hígado a partir de lisina y metionina.

    Figura 2.12 - L-Carnitina

    De fuentes exógenas, los ácidos grasos deben activarse al entrar en el citoplasma uniéndose a la coenzima A. La porción CoA de la molécula es reemplazada por carnitina en el espacio intermembrana de la mitocondria en una reacción catalizada por carnitina aciltransferasa I. La molécula de acilcarnitina resultante se transfiere a través de la membrana mitocondrial interna por la translocasa de carnitineacilcarnitina y luego en la matriz de la mitocondria, la carnitina aciltransferasa II reemplaza la carnitina con coenzima A (Figura 6.88).

    Figura 2.11 - La actividad enzimática cambia a medida que cambia el pH Imagen de Aleia Kim

    Catabolismo de aminoácidos

    Categorizamos los aminoácidos como esenciales o no esenciales en función de si un organismo puede sintetizarlos o no. Todos los aminoácidos, sin embargo, pueden ser desagregados por todos los organismos. Son, de hecho, una fuente de energía para las células, particularmente en tiempos de inanición o para las personas que siguen dietas que contienen cantidades muy bajas de carbohidratos. Desde una perspectiva de descomposición (catabolismo), los aminoácidos se clasifican como glucógenos si producen intermedios que pueden convertirse en glucosa o cetogénicos si sus intermedios se convierten en acetil-CoA. La Figura 2.13 muestra los destinos metabólicos del catabolismo de cada uno de los aminoácidos. Tenga en cuenta que algunos aminoácidos son tanto glucógenos como cetogénicos.

    Figura 2.13 - Catabolismo de aminoácidos. Algunos tienen más de un camino. Imagen de Pehr Jacobson

    Modificaciones postraduccionales

    Después de sintetizar una proteína, las cadenas laterales de aminoácidos dentro de ella pueden modificarse químicamente, dando lugar a una mayor diversidad de estructura y función (Figura 2.14). Las alteraciones comunes incluyen la fosforilación de grupos hidroxilo de serina, treonina o tirosina. La lisina, la prolina y la histidina pueden tener hidroxilos añadidos a las aminas en sus grupos R. Otras modificaciones a los aminoácidos en las proteínas incluyen la adición de ácidos grasos (ácido mirístico o ácido palmítico), grupos isoprenoides, grupos acetilo, grupos metilo, yodo, grupos carboxilo o sulfatos. Estos pueden tener los efectos de ionización (adición de fosfatos/sulfatos), desionización (adición del grupo acetilo a la amina del grupo R de la lisina), o no tener ningún efecto sobre la carga en absoluto. Además, las glicoproteínas unidas a N y O-enlazadas tienen carbohidratos unidos covalentemente a cadenas laterales de asparagina y treonina o serina, respectivamente.

    Algunos aminoácidos son precursores de compuestos importantes en el organismo. Los ejemplos incluyen epinefrina, hormonas tiroideas, Ldopa y dopamina (todas de tirosina), serotonina (de triptófano) e histamina (de histidina).

    Figura 2.14 - Aminoácidos modificados postraduccionalmente. Modificaciones mostradas en verde. Imagen de Penelope Irving
    Figura 2.15 - Aminoácidos fosforilados

    Construcción de polipéptidos

    Aunque los aminoácidos cumplen otras funciones en las células, su papel más importante es como constituyentes de las proteínas. Las proteínas, como señalamos anteriormente, son polímeros de aminoácidos.

    Los aminoácidos están unidos entre sí por enlaces peptídicos, en los que el grupo carboxilo de un aminoácido se une al grupo amino del siguiente, con la pérdida de una molécula de agua. Se añaden aminoácidos adicionales de la misma manera, mediante la formación de enlaces peptídicos entre el carboxilo libre en el extremo de la cadena en crecimiento y el grupo amino del siguiente aminoácido en la secuencia. Una cadena compuesta por solo unos pocos aminoácidos unidos entre sí se llama oligopéptido (oligo=pocos) mientras que una proteína típica, que se compone de muchos aminoácidos se llama polipéptido (poli=many). El extremo del péptido que tiene un grupo amino libre se denomina extremo N (para NH2), mientras que el extremo con el carboxilo libre se denomina extremo C (para carboxilo).

    Figura 2.16 Formación de un enlace peptídico

    Como hemos señalado antes, la función depende de la estructura, y la cadena de aminoácidos debe plegarse en una forma 3-D específica, o conformación, para hacer una proteína funcional. El plegamiento de los polipéptidos en sus formas funcionales es el tema de la siguiente sección.


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