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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 pKa. Por tanto, los puntos isoeléctricos se calcularán como la media aritmética de los dos pKa 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 pKa 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 pKa. 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).

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