Aminoácidos 2: Enlace peptídico

Se trata de un enlace por condensación entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente. Por las características del enlace, sólo el grupo amino del primer aminoácido (amino terminal) y el grupo carboxilo del último (carboxilo terminal) tienen capacidad de ionización. Es importante conocer la carga de un polipéptido  a un determinado valor de pH porque permite predecir el tipo de interacciones que pueden darse.

1. Características estructurales

Estudios realizados por Linus Pauling y Robert Corey demostraros que el enlace peptídico tiene una estructura plana y rígida. El enlace tiene carácter de doble enlace que impide la rotación sobre su eje, debido a un fenómeno de resonancia de los electrones del grupo carbonilo.

La limitación de giro del enlace C-N hace que solo exista la configuración cis, si el átomo de H y el grupo carbonilo están en el mismo eje, y trans, con ambos átomos en posiciones alternas (más común). La rotación se permite en el carbono α, pero estará limitada por las cadenas laterales que no podrán chocar.

2. El enlace peptídico permite la formación de puentes de hidrógeno

Debido a la electronegatividad de los enlaces que componen el enlace peptídico, la molécula tiene carácter polar. Además, se pueden formar puentes de hidrógeno entre el grupo carbonilo y un hidrógeno. 

3. Péptidos de interés biológico

Por ejemplo la insulina, un péptido formado por dos cadenas unidas por puentes disulfuro que desempeña un papel importante en el metabolismo de los glúcidos. Se forma como una molécula de una única cadena (proinsulina) que se convierte en su forma activa mediante la hidrólisis de dos pequeños segmentos de dos aminoácidos.

La vasopresina y la oxitocina son dos péptidos de nueve aminoácidos con una secuencia semejante (sólo se diferencian en dos aminoácidos). Tienen puentes disulfuro entre Cys.

Aminoácidos 1: Introducción

Los aminoácidos se unen por enlace covalente formando largas cadenas que producen proteínas específicas. La disposición lineal de las proteínas constituye la secuencia primaria.

Aminoácidos

1. Características estructurales comunes

Tienen en común la existencia de un átomo de carbono (carbono α) al que se une un grupo carboxilo, un grupo amino y un átomo de hidrógeno. La cuarta valencia del carbono está unida a una cadena lateral diferente en cada aminoácido. La prolina es una excepción al tener una estructura cíclica.

Excepto la Gly, el carbono α tiene cuatro sustituyentes distintos, por lo que es un centro quiral. Por lo tanto existen enantiómeros que pueden ser D y L. Los aminoácidos que forman las proteínas sólo son L. Las formas D se pueden encontrar excepcionalmente en parte de la pared bacteriana.

2. Los aminoácidos se clasifican por las características de su cadena lateral

Las cadenas laterales pueden ser hidrófobas (apolar), polar sin carga o presentar carga a determinados pH.

3. Los aminoácidos presentan carácter ácido o básico

Los aminoácidos presentan un grupo amino de carácter básico (aceptor de protones) y un grupo carboxilo con carácter ácido (dador de protones). A pH fisiológico se encuentran en forma de ión dipolar. Este tipo de sustancias que pueden comportarse como ácidos y bases se conocen como sustancias anfóteras. El punto en el cual la carga neta de la molécula sea cero se conoce como punto isoeléctrico.

4. La carga eléctrica de los aminoácidos varia con el pH

Tomando como ejemplo la Gly, valores por debajo del pH del pK del grupo ácido (pK₁=2,34) domina la forma totalmente protonada con carga neta positiva. Por encima de este valor, empieza a aumentar el número de cargas que se encentran en ión dipolar hasta llegar al punto isoeléctrico. Por encima de este valor, el grupo NH³⁺ va perdiendo protones, hasta que predominará la forma con carga negativa (por encima de pK₂=9.6).

Los aminoácidos con cadenas laterales con grupos ionizables tienen curvas de titulación con tres valores de pK_a. Por tanto, los puntos isoeléctricos se calcularán como la media aritmética de los dos pK_a de los grupos ácidos o básicos.

5. Existen regiones pH en que los aminoácidos presentan poder tamponante

En las zonas próximas a los valores de pK_a de ambos grupos (COOH y NH³⁺) se necesita más cantidad de base (NaOH) para que se produzca un aumento de pH de la solución (ver anterior imagen). Este efecto se conoce como efecto tampón. Solo la His puede actuar a pH cercano al fisiológico. En la hemoglobina, los protones liberados durante el metabolismo se unen a un residuo de His evitando la disminución de pH, y cambiando además, su afinidad por el oxígeno.

6. Comportamiento ácido-base de las cadenas laterales

Ciertos aminoácidos (Lys, Arg, His, Asp, Glu, Cys y Tyr) poseen grupos funcionales con carácter ácido o básico. El estado ionizado va a depender del valor de su pK_a. A pH fisiológico, todos se encontrarán en su forma ácida excepto la His.

La importancia biológica de estos grupos radica en su posibilidad de participar en las reacciones enzimáticas mediantes dos procesos. En primer lugar, estos aminoácidos pueden participar como aceptores y dadores de protones. En segundo lugar, los ácidos pueden actuar como reactivos nucleofílicos y las bases como reactivos electrofílicos en reacciones de ruptura y formación de enlaces. 

7. Las propiedades de las cadenas laterales determinan las interacciones no covalentes

7.1  Hidrofobicidad

Muchos aminoácidos presentan una cadena lateral totalmente apolar, lo que provoca repulsión, plegándose así su estructura tridimensional formando un núcleo hidrofóbico. 

7.2 Fuerzas de Van der Waals

En las cadenas laterales de los aminoácidos apolares se pueden crear dipolos instantáneos. Así se establecen fuerzas de atracción intermoleculares muy débiles.

7.3 Formación de puentes de hidrógeno

Algunas cadenas puede actuar como donadoras o receptoras de hidrógeno.

7.4 Interacciones electrostáticas

Las cadenas laterales pueden estar ionizadas a determinados pH. Dos cadenas laterales de signos opuestos se atraerán, creando interacciones no covalentes (enlaces salinos).

8. Unión de elementos metálicos

La unión de cationes divalentes (Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺) y algunos metales de transición (Fr, Cu, Ni…) es bastante frecuente en muchas enzimas u otras proteínas como la hemoglobina. Estos metales se unen formando entidades de coordinación, que están compuestas por un átomo central (metal) que está unido a átomos denominados ligandos. En el grupo hemo, el Fe²⁺ establece cuatro enlaces con los átomos del N del anillo de porfrina. El quinto enlace se forma con el N del grupo imidazol de una histidina (His proximal). El sexto sólo se forma en presencia de O₂.

Los aminoácidos con cadenas laterales ionizables pueden establecer interacciones con elementos metálicos mediante interacciones no covalentes iónicas.

9. Las cadenas laterales pueden establecer enlaces covalentes

9.1 Formación de puentes disulfuro

Dos residuos de Cys pueden unirse covalentemente por enlace disulfuro mediante un proceso de oxidación. Pueden ser en la misma proteína (intracatenarios) o entre dos cadenas diferentes (intercatenarios).

Al requerir un ambiente oxidante no son comunes en el citosol (ambiente reductor). Sin embargo, si lo son en las proteínas extracelulares que son secretadas por la célula. La formación de estos enlaces se produce en el lumen del retículo endoplasmático.

Este tipo de enlace mantiene la estructura tridimensional de las proteínas. Es muy común en las inmunoglobulinas.

9.2 Fosforilación

Las cadenas laterales de Ser, Thr y Tyr pueden sufrir fosforilación por la unión de un grupo fosfato inorgánico a su grupo hidroxilo. Este proceso está catalizado por las quinasas y puede ser reversible por las fosfatasas.

La adición de un grupo fosfato con carga negativa, hace que se produzcan cambios conformacionales, lo que afecta directamente en la actividad. Puede inactivarla o activarla.

9.3 glucosilación

Los glúcidos se pueden unir de forma covalente a las proteínas mediante la formación de un enlace O-glucosídico o N-glucosídico.

10. La estereoquímica de las cadenas laterales es fundamental para comprender la estructura tridimensional de las proteínas

Las características químicas, geometría y distribución espacial de los enlaces de átomos que forman las cadenas laterales, van a tener importancia para determinar el plegamiento de las proteínas y sus interacciones con otras moléculas.

11. Modificaciones químicas de los aminoácidos en las proteínas

Existen aminoácidos que sufren modificaciones después de estar incorporados en la cadena polipeptidica. Ejemplos son la 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina, que se encuentran en la molécula de colágeno (adicción de grupo hidroxilo). Existen cambios más complejos como la formación de desmosina en la elastina.

Algunos aminoácidos de las proteínas que forman complejos con los ácidos nucleicos (histonas) pueden tener grupos metilo, acetilo o fosfato específicos.

Otro ejemplo es el ácido ϒ-carboxiglutámico, que se encuentra la protrombina, una de las proteínas que intervienen en la coagulación de la sangre.

12. Aminoácidos no presentes en las proteínas

Es frecuente que algunos derivados de aminoácidos funcionen como mensajeros químicos. Por ejemplo GABA (ácido ϒ-aminobutírico), que se produce por la descarboxilación del glutamato. Es un neurotransmisor con función inhibitoria, y es un blanco frecuente en fármacos que reducen la ansiedad como los barbitúricos (en desuso).Otro ejemplo es la dopamina, derivado de la Tyr y un neurotransmisor relacionado con la enfermedad de Parkinson (descenso de dopamina).

Alzheimer: Clínica, patología y tratamiento

El Alzheimer es la causa más frecuente de demencia en el anciano. Cursa con pérdida gradual de memoria episódica, que es seguida de demencia de progresión lenta durante años. En imágenes cerebrales se observa atrofia en la parte temporal de los lóbulos temporales, que se extiende, con el tiempo, a las partes lateral y medial de los lóbulos parietales y temporales y a la parte lateral de la corteza frontal.

En el examen microscópico hay placas neutríficas (o placas seniles, placas amiloides), que contienen β-amiloide, marañas neurofibrilares (formadas por filamentos tau) y acumulación de β-amiloide, en las paredes de los vasos sanguíneos de la corteza, y leptomeninges (aracnoides y piamadre).

Los factores de riesgo más importantes son la edad avanzada y antecedentes familiares. Una curiosidad es que la diabetes aumenta tres veces el riesgo de padecerlo.

1. Manifestaciones clínicas

Comienza con alteración de la memoria y evoluciona a deficiencias del lenguaje y visuoespaciales.

En etapas tempranas la pérdida de memoria puede pasar inadvertida. Nuevos datos sugieren que las convulsiones parciales anuncian Alzheimer incluso antes de que ocurra la demencia. Poco a poco, los problemas cognitivos empiezan a interferir en las actividades diarias. Algunos pacientes no son conscientes de estas dificultades (anosognosia), pero la mayoría sí las perciben. Con el tiempo, los pacientes se pierden cuando salen a caminar.

En etapas intermedias la persona ya no puede trabajar, se pierde y confunde con facilidad y necesita supervisión diaria. Surge la apraxia y algo tan común, como la lectura del reloj, se dificulta.

En etapas avanzadas hay ideas delirantes poco frecuentes (robo, infidelidad…). En el 10% de los casos aparece síndrome de Capgras y creen que su cuidador fue sustituido por un impostor. Puede aparecer desinhibición y hay alteración de los patrones vigilia-sueño.

En etapas finales se vuelven rígidos, mudos, incontinentes y necesitan ayuda para todo. La muerte puede ocurrir por desnutrición, infecciones secundarias, embolia pulmonar, cardiopatía o, la más común, aspiración.

2. Diagnóstico diferencial

Se deben descartar otras causas de demencia por estudios de neuroimagen. La tomografía computerizada y la imagen por resonancia magnética pueden ser normales en la fase temprana, pero descartan otros trastornos como las neoplasias, demencia vascular, hidrocefalia… La tomografía por emisión de positrones puede servir para detectar la presencia de amiloide fibrilar en el encéfalo.

3. Patología

En la necropsia se observa degeneración en el lóbulo temporal medial. Bajo el microscopio se observan placas seniles y marañas neurofibrilares. Estas lesiones se acumulan en pequeñas cantidades en un envejecimiento normal, pero en el Alzheimer se acumulan de modo muy elevado. Una mayor polimerización amiloide y formación de fibrillas genera las placas seniles.

La acumulación de β-amiloide en las arteriolas cerebrales se conoce como angiopatía amiloide.

4. Consideraciones genéticas

En familias con antecedentes se han encontrado genes causantes de esta patología: presenilinas. Las mutaciones de este gen causan Alzheimer a edades tempranas (<60 años).

Otro gen, Apo ε participa en la patogenia, en especial el alelo Apo ε4. A pesar de poder detectarse, no se recomienda para la predicción, ya que no siempre es necesario para el Alzheimer y no todos los que lo tienen sufren esta patología.

5. Tratamiento

No tiene cura. El tratamiento se centra en la mejora a largo plazo de los problemas de conducta y neurológicos relacionados.

En etapas iniciales el uso de cuadernos y recordatorios visibles (en puertas…) son de gran ayuda.

Los fármacos utilizados son el donepezilo, rivastigmina y la galantamina, inhibidores de colinesterasas que aumentan la concentración de acetilcolina en el cerebro. Otro fármaco utilizado es la memantina, que actúa bloqueando los receptores N-metil-D-aspartato glutamato hiperestimulados.

En caso de depresión se utilizan inhibidores de la recaptación de serotonina. Para las convulsiones el levetiracetam y para los síntomas neuropsiquiátricos la risperidona, quetiapina y olanzapina. Estos últimos fármacos deben usarse con cautela en ancianos con demencia.

Hay que evitar el uso de compuestos con efectos anticolinérgicos potentes, como la difenhidramina y la oxibutinina.