Proteínas, Aminoácidos, Péptidos, y Polipéptidos.

Proteínas, Aminoácidos, Péptidos, y Polipéptidos.
Las proteínas consisten de cadenas lineales de aminoácidos caracterizadas por la subestructura -CH(NH2)COOH. Un átomo de
nitrógeno y dos de hidrógenos forman el grupo amino (-NH2) y el ácido es un grupo carboxilo (-COOH). Los aminoácidos se unen
a otros cuando el grupo carboxilo de una molécula reacciona con el grupo amino de otra molécula formando un enlace peptídico C(=O)NH- y liberando una molécula de agua (H2O). Los aminoácidos son los constituyentes basicos de las enzimas, hormonas,
proteínas, y tejidos del cuerpo. Un péptido es un compuesto de dos o más aminoácidos. Los oligopéptidos tienen diez o menos
aminoácidos. Los polipéptidos y las proteínas son cadenas de más de diez aminoácidos, pero los péptidos que contienen más
de 50 aminoácidos se clasifican como proteínas.
Las claras de huevo consisten de proteína
En el reino animal, los péptidos y las proteínas regulan el metabolismo y proporcionan apoyo estructural. Las células y los
órganos del cuerpo son controlados por hormonas peptídicas. Una insuficiencia de proteína en la dieta puede prevenir la
producción adecuada de hormonas peptídicas y proteínas estructurales para mantener las funciones normales del cuerpo.
Algunos aminoácidos funcionan como neurotransmisores y moduladores de varios procesos fisiológicos, mientras que las
proteínas catalizan muchas reacciones químicas en el cuerpo, regulan la expresión génica, controlan el sistema inmunitario,
forman los constituyentes mayores de los músculos, y son los elementos estructurales principales de las células. La deficiencia
de proteína de buena calidad en la dieta puede contribuir a síntomas aparentemente no relacionados como la disfunción sexual,
problemas con la presión sanguínea, fatiga, obesidad, diabetes, infecciones frecuentes, problemas digestivos, y la pérdida de
masa ósea que resulta en la osteoporosis. La restricción severa de proteína en la dieta causa kwashiorkor que es una forma de
desnutrición caracterizada por la pérdida de masa muscular, inhabilidad de crecer, e inmunidad disminuida.
Las alergias son causadas generalmente por el efecto de las proteínas extrañas en nuestro cuerpo. Las proteínas que se ingieren
se descomponen por enzimas digestivas llamadas "proteasas" en péptidos más pequeños y en aminoácidos. Las alergias a los
alimentos pueden ser causadas por la incapacidad para digerir ciertos tipos de proteínas. El cocinar las comidas desnaturaliza
(inactiva) las proteínas dieteticas y facilita su digestión. Las alergias o los envenenamientos también puede ser causados por la
exposición a las proteínas que circunvienen el sistema digestivo al ser inhalados, absorbidos a través de los tejidos mucosos, o al
ser inyectados por mordeduras o picaduras. Los venenos de las arañas y de las serpientes contienen proteínas con una gran
variedad de efectos neurotóxicos, proteolíticos, y hemolíticos.
Muchas estructuras del cuerpo están formadas de proteínas. El cabello y las uñas consisten de queratinas o keratinas que
son cadenas largas de proteínas con un alto porcentaje (15% -17%) del aminoácido cisteína. Las queratinas son también
componentes de las garras, cuernos, plumas, escamas, y pezuñas de los animales. El colágeno es la proteína más común en el
cuerpo y comprende aproximadamente el 20-30% de todas las proteínas del organismo. Se encuentra en tendones, ligamentos,
y muchos tejidos que tienen funciones estructurales o mecánicos. El colágeno consiste de residuos de aminoácidos que se
enrollan en una triple hélice para formar fibras muy fuertes. Los residuos de glicina y prolina representan aproximadamente el
50% de los aminoácidos del colágeno. La gelatina se produce hirviendo colágeno durante un largo tiempo hasta que se hace
pegajoso y soluble en agua. El esmalte dental y loshuesos están compuestos de una matriz proteica (principalmente de
colágeno) con dispersión de cristales minerales como la apatita, que es un fosfato de calcio. El tejido óseo tiene un 70% de
contenido mineral, 8% de agua y 22% de proteína, por peso. Los músculos se componen aproximadamente de 65%
deactina y miosina, que son las proteínas contráctiles que permiten el movimiento muscular. La caseína es una proteína
nutritiva presente en la leche.Aproximadamente el 80% de la proteína en la leche es caseína y contiene todos los aminoácidos
comunes.
Aminoácidos
Aminoácidos naturales, sus abreviaturas y fórmulas estructurales
* Aminoácidos esenciales
Ala = alanina
Arg = arginina
CH3CH(NH2)COOH
H2N-C(=NH)NHCH2CH2CH2CH(NH2)COOH
Asn = asparagina
Asp = ácido aspártico
H2N-C(=O)CH2CH(NH2)COOH
HOOC-CH2CH(NH2)COOH
Cys = cysteina
Gln = glutamina
HS-CH2CH(NH2)COOH
H2N-C(=O)CH2CH2CH(NH2)COOH
Glu = ácido glutámico
Gly = glicina
HOOC-CH2CH2CH(NH2)COOH
H2N-CH2COOH
His = histidina *
Ile = isoleucina *
CH3CH2CH(CH3)CH(NH2)COOH
Leu = leucina *
Lys = lisina *
CH3CH(CH3)CH2CH(NH2)COOH
H2N-CH2CH2CH2CH2CH(NH2)COOH
Phe = fenilalanina *
Met = metionina *
CH3-S-CH2CH2CH(NH2)COOH
Pro = prolina
Ser = serina
HOCH2CH(NH2)COOH
Trp = triptófano *
Thr = treonina *
CH3CH(OH)CH(NH2)COOH
Tyr = tirosina
Val = valina *
CH3CH(CH3)CH(NH2)COOH
Los "aminoácidos esenciales" son los que se requieren para satisfacer las necesidades fisiológicas y deben incluirse en la dieta.
La arginina es sintetizada por el cuerpo, pero a un nivel que es insuficiente para satisfacer las necesidades de crecimiento. La
metionina es necesaria en grandes cantidades para producir cisteína cuando éste aminoácido no está adecuadamente
suministrados en la dieta. La fenilalanina puede convertirse en tirosina, pero se requiere en grandes cantidades cuando la
alimentación es deficiente en tirosina. La tirosina es esencial para las personas con la enfermedad fenilcetonuria (PKU), cuyo
metabolismo no puede convertir la fenilalanina a tirosina. Los aminoácidos isoleucina, leucina, y valina se llaman "aminoácidos
de cadena ramificada" (AACR) debido a que sus cadenas de carbono son ramificadas.
Estereoquímica
Todos los veinte aminoácidos, excepto la glicina, tienen un átomo de carbono adjunto al grupo amino que tiene cuatro
sustituyentes diferentes. La ángulos tetraedrales del carbono y la asimetría de los enlaces permiten que cada aminoácido forme
dos estructuras no superponibles, la forma L y la forma R que son formas especulares, como reflejos en un espejo. Solamente
los aminoácidos L se encuentran en las proteínas. Los aminoácidos L tienen el grupo amino a la izquierda cuando el grupo
carboxilo esta arriba, como se ilustra aquí. Los átomos con enlaces en forma de cuña denotan átomos o grupos que están por
delante del plano de visualización y los enlaces con trazos discontinuos indican grupos que están debajo del plano. El modelo
molecular rotante de la forma iónica dipolar de L-alanina (CH3CH(NH3+)COO-) representa el átomo de oxígeno de color
rojo, el nitrógeno en azul, el carbono en negro, y el hidrógeno de color blanco.
L
-Alanina
Formación de un péptido de dos aminoácidos
Esta ilustración muestra la reacción de dos aminoácidos. La R y R' representan los grupos funcionales de aminoácidos de la tabla
anterior. El círculo azul muestra el agua (H2O) que se libera, y el círculo rojo muestra el resultante enlace peptídico (-C(=O)NH-).
La reacción inversa es la hidrólisis de los enlaces peptídicos para producir aminoácidos. Muchos productos alimenticios
comerciales usan proteínas vegetales hidrolizadas como agentes saborizantes. La salsa de soja se produce hidrolizando la
proteína de soja y trigo por fermentación de hongos o por ebullición con soluciones ácidas. El glutamato monosódico (MSG), un
potenciador de sabor, es la sal de sodio del ácido glutámico que ocurre naturalmente en las algas marinas y productos de soja
fermentados.
Péptidos, Polipéptidos, y Proteínas
Péptidos y Proteínas
Los péptidos consisten de dos o más aminoácidos. Los polipéptidos y
las proteínas son cadenas de más de diez aminoácidos, pero los péptidos que
contienen más de cincuenta aminoácidos se clasifican como proteínas.
Hormona humana del crecimiento
Algunas Hormonas Peptídicas Importantes
Hormona
Número de
aminoácidos
Función
Insulina
51
Reduce el nivel de glucosa en la sangre,
promueve el almacenamiento de glucosa
como glucógeno y grasa. El ayuno
disminuye la producción de insulina.
Glucagón
29
Aumenta el nivel de glucosa en la sangre. El
ayuno aumenta la producción de glucagón.
Ghrelin
28
Estimula la liberación de la hormona del
crecimiento, aumenta la sensación de
hambre.
167
Su presencia suprime la sensación de
hambre. El ayuno disminuye los niveles de
leptina
Hormona del
crecimiento
191
La Hormona de Crecimiento Humano
(HGH), también llamada somatotropina,
promueve la absorción de aminoácidos por
las células y regula el desarrollo del cuerpo.
Los niveles de la hormona de crecimiento
aumentan durante el ayuno.
Prolactina
198
Inicia y mantiene la lactancia en los
mamíferos
Lactógeno placental
humano (HPL)
191
Producido por la placenta en las etapas
finales de la gestación
Hormona luteinizante
204
Induce la secreción de testosterona
Hormona
foliculoestimulante
(FSH)
204
Induce la secreción de testosterona y
dihidrotestosterona
Gonadotropina
coriónica
237
Producido después de la implantación de un
huevo en la placenta
Hormona estimulante
del tiroides
(tirotropina)
201
Estimula la secreción de tiroxina y
triyodotironina
Hormona
Adrenocorticotrópica
39
Leptina
Estimula la producción de esteroides por la
corteza suprarrenal (cortisol y
corticosterona)
9
Aumenta la reabsorción de agua en las
células de los túbulos renales (hormona
antidiurética)
Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly
Oxitocina
9
Provoca la contracción de las células en las
glándulas mamarias para producir leche y
estimula los músculos uterinos durante el
parto
Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly
Angiotensina II
8
Regula la presión arterial a través de la
vasoconstricción
Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe
Vasopresina
Hormona paratiroidea
84
Aumenta los niveles de iones de calcio en
los fluidos extracelulares
Gastrina
14
Regula la secreción de ácido gástrico y
pepsina, una enzima digestiva que consta
de 326 aminoácidos
Las hormonas peptídicas se producen por las glándulas endocrinas (hipófisis,
tiroides, pineal, suprarrenales, páncreas) o por varios órganos como el riñón,
estómago, intestino, placenta, o el hígado. Las hormonas peptídicas pueden tener
estructuras complejas y retorcidas conteniendo cientos de aminoácidos. Los
siguientes gráficos ilustran la estructura química de la insulina humana y su forma
tridimensional. La insulina está hecha de dos secuencias de aminoácidos. LaCadena
A tiene 21 aminoácidos, y la Cadena B tiene 30 aminoácidos. Las cadenas están
unidas entre sí a través de los átomos de azufre de la cisteína (Cys). Las hormonas
peptídicas por lo general son diferentes para cada especie, pero pueden tener
similitudes. La insulina humana es idéntica a la insulina de cerdo, excepto que el
último aminoácido de la cadena B del cerdo es alanina (Ala) en véz de treonina
(Thr).
Estructura química de la Insulina Humana
Representación de cinta
Representación con enlaces lineales
muestra la forma de enlaces peptídicos
muestra todos los átomos
Representación globular
muestra la forma externa
¿Cómo se crean las proteínas?
El código genético en el ADN (ácido desoxirribonucleico) establece las instrucciones para la construcción de las proteínas. En el
decenio de 1960, Marshal Nirenberg de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) dedujo la correspondencia entre el ADN y las
proteínas. El ADN consiste de largas secuencias moleculares compuestas de cuatro bases nucleótidas: Adenina (A), Citosina (C),
Guanina (G) y Timina (T). Cada combinación de tres bases, un codón de ADN, corresponde a un aminoácido específico. Dado a
que hay 64 combinaciones diferentes de tres bases nucleótidas y solamente 20 aminoácidos, algunas combinaciones no tienen
asignaciones únicas. El código genético se aplica a la inmensa mayoría de los genes en los animales, plantas y microorganismos.
Los mismos codones corresponden a los mismos aminoácidos y las mismas señales para iniciación y terminación, pero en
algunos casos raros, uno o dos de los tres codones para terminación son asignados a un aminoácido.
Bases Nucleótidas
Adenina (A)
Citosina (C)
Guanina (G)
Timina (T)
Estructura química del ADN
El ADN consiste de bases nucleótidas unidas a desoxirribosa y conectadas por grupos fosfato que forman una hélice doble. Las
bases en el centro de la hélice de ADN siempre ocurren en pares complementarios. La citosina se enlaza a la guanina, y la timina
se enlaza a la adenina por medio de enlaces de hidrógeno (ilustrados como líneas punteadas). James Watson y Francis Crick
describieron la estructura del ADN en 1953, y recibieron el Premio Nobel en 1962 por este descubrimiento.
Ponga el cursor sobre
la figura para animarla.
Las bases nucleótidas en el centro de la hélice de ADN están flanqueadas por unidades de desoxirribosa enlazadas por grupos
fosfato. La ilustración a la derecha representa el oxígeno en rojo, el nitrógeno en azul, y el fósforo en anaranjado.
Transcripción de ADN a ARNm, y de ARNm a proteínas
El mecanismo para la producción de proteínas es análogo al proceso de impresión indirecta, donde la imagen en una plancha se
cubre con tinta y se transfiere a una mantilla de caucho, y finalmente, se pasa por presión al papel para producir la imagen final.
Semejantemente, la secuencia de nucleótidos de ADN no se utiliza directamente en la síntesis de proteínas. Primero, la molécula
de ADN se transcribe a una secuencia de bases complementarias llamadas Ácido Ribonucleico mensajero (ARNm) que se utiliza
para construir las proteínas. ¿Como se forman los péptidos? La transcripción comienza cuando los enlaces de hidrógeno de la
doble hélice de ADN se rompen y cada base nucleótida encuentra una base complementaria para construir la molécula de ARNm.
La guanina se une a la citosina y la citosina se une con guanina. La timina se une a la adenina, pero la adenina, que
normalmente se une con timina, se une con Uracil (U) durante la transcripción. Por ejemplo, la secuencia de ADN GATACC se
transcribe en la secuencia complementaria de ARNm CUAUGG que genera la secuencia de aminoácidos Leu-Trp. La siguiente
tabla muestra la correspondencia entre los aminoácidos y los codones de ARNm.
Uracil (U)
La transcripción del ADN
Aminoácido
El Código Genético
Abrev. CdUL
Codones de ARNm
Alanina
Ala
A
GCA GCC GCG GCU
Arginina
Arg
R
AGA AGG CGA CGC CGG CGU
Asparagina
Asn
N
AAC AAU
Ácido aspártico
Asp
D
GAC GAU
Cisteina
Cys
C
UGC UGU
Ácido glutámico
Glu
E
GAA GAG
Glutamina
Gln
Q
CAA CAG
Glicina
Gly
G
GGA GGC GGG GGU
Histidina
His
H
CAC CAU
Isoleucina
Ile
I
AUA AUC AUU
Leucina
Leu
L
CUA CUC CUG CUU UUA UUG
Lisina
Lys
K
AAA AAG
Metionina*
Met
M
AUG
Fenilalanina
Phe
F
UUC UUU
Prolina
Pro
P
CCA CCC CCG CCU
Serina
Ser
S
AGC AGU UCA UCC UCG UCU
Treonina
Thr
T
ACA ACC ACG ACU
Triptófano
Trp
W
UGG
Tirosina
Tyr
Y
UAC UAU
Valina
Val
V
GUA GUC GUG GUU
Codones para terminación
UAA UAG UGA
CdUL es el Código de Una Letra utilizado para representar a los aminoácidos
en las bases de datos de proteínas.
Ejemplo: El código de una letra para el glucagón humano es:
HSQGTFTSDYSKYLDSRRAQDFVQWLMNT
Letras de los codones: A = Adenina, C = Citosina, G = Guanina, U =
Uracil
* AUG es el codón de iniciación cuando ocurre al principio de un gen.
Perfiles de aminoácidos en las proteínas alimentarias
La siguiente tabla muestra los perfiles típicos de aminoácidos en algunos alimentos y suplementos dietéticos. Los porcentajes
son promedios de varios productos comerciales. La caseína y el suero lácteo son proteínas provenientes de la leche. La caseína
es la proteína que se precipita durante la fabricación del queso. El suero lácteo es la parte acuosa de la leche que se queda al
separar la caseína.
Porcentaje (%) de aminoácidos por peso
Tipo de proteína
clara
de
huevo
atún
carne
vacuna
pollo
alanina
6.6
6.0
6.1
5.5
5.2
arginina
5.6
6.0
6.5
6.0
ácido
aspartico
8.9
10.2
9.1
2.5
1.1
13.5
glicina
Aminoácido
suero
caseina
lácteo
soja
levadura
2.9
4.2
8.3
2.5
3.7
7.5
6.5
8.9
10.9
6.6
11.5
9.8
1.3
1.3
2.2
0.3
1.3
1.4
14.9
15.0
15.0
16.8
21.5
19.0
13.5
3.6
4.8
6.1
4.9
2.2
2.1
4.1
4.8
histidina *
2.2
2.9
3.2
3.1
2.0
3.0
2.6
2.6
isoleucina *
6.0
4.6
4.5
5.3
6.0
5.1
4.8
5.0
leucina *
8.5
8.1
8.0
7.5
9.5
9.0
8.1
7.1
lisina *
6.2
9.2
8.4
8.5
8.8
3.8
6.2
6.9
metionina *
3.6
3.0
2.6
2.8
1.9
2.7
1.3
1.5
fenilalanina
*
6.0
3.9
3.9
4.0
2.3
5.1
5.2
4.7
prolina
3.8
3.5
4.8
4.1
6.6
10.7
5.1
4.0
serina
7.3
4.0
3.9
3.4
5.4
5.6
5.2
5.1
treonina *
4.4
4.4
4.0
4.2
6.9
4.3
3.8
5.8
triptófano *
1.4
1.1
0.7
1.2
2.2
1.3
1.3
1.6
tyrosina
2.7
3.4
3.2
3.4
2.7
5.6
3.8
5.0
valina *
7.0
5.2
5.0
5.0
6.0
6.6
5.0
6.2
cistina
ácido
glutamico
* Aminoácidos esenciales
Los análisis de aminoácidos en los productos alimenticios reportan la cistina en lugar de cisteína. La cistina es un aminoácido
que se forma por la oxidación de dos moléculas de cisteína.
HOOC-CH(NH2)CH2-S-S-CH2CH(NH2)COOH
Cistina
La proteína de clara de huevo tiene uno de los mejores perfiles de aminoácidos para la
nutrición humana. Las proteínas vegetales generalmente tienen menor contenido de
algunos aminoácidos esenciales como lisina y metionina. La proteína de soja es una de
las mejores proteínas vegetales, pero sin embargo, la diferencia más destacada en esta
tabla es la proporción de la metionina que es un aminoácido esencial con azufre. La
proteína de clara de huevo tiene aproximadamente tres veces más metionina que la
proteína de soja. La información para levadura se basa en la "levadura de cerveza"
(Saccharomyces Cervisiae).
Fuentes
1.
2.
3.
J.D. Watson and F.H.C. Crick., Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid, Nature,
No. 4356, April 25, 1953.
Nirenberg MW, Matthaei JH, Jones OW, Martin RG, Barondes SH, Approximation of genetic code via cell-free protein
synthesis directed by template RNA, Fed Proc., 1963 Jan-Feb; 22:55-61.
USDA National Nutrient Database for Standard Reference