PROTEÍNAS

Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en las células animales y constituyen alrededor del 50% de su peso seco. Dentro de las células se las encuentra en formas muy variadas: como constituyente de las membranas biológicas, como catalizadores de reacciones metabólicas (enzimas), interactuando con los ácidos nucleicos (histonas) o con neurotransmisores y hormonas (receptores), etc. Prácticamente, no existe proceso biológico en el que no participe por lo menos una proteína. Se las considera como el grupo de compuestos que mayor cantidad de funciones desempeñan en los seres vivos.

Estas moléculas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

Las proteínas pueden ser simples o conjugadas. Las simples sólo están formadas por aminoácidos. Las conjugadas contienen además de la o las cadenas polipéptidicas, grupos no proteicos, denominados grupos prosteicos, por ejemplo la hemoglogina o las lipoproteínas.

Para entender los aspectos estructurales y las características químicas de las proteínas, es fundamental analizar primero la de sus monómeros.

AMINOÁCIDOS

Como su nombre lo indica, cada aminoácido está formado por un grupo amino y un grupo ácido carboxílico , unidos a un átomo de carbono central o carbono a, el que además tiene unido siempre un átomo de hidrógeno y una cadena lateral de características variables.

Por poseer un grupo amino y un grupo carboxilo, los aminoácidos son anfolítos, dependiendo del pH del medio su comportamiento como ácidos o bases.

Fig. 2.51 - Fórmula general

de un aminoácido

El carbono central es asimétrico ya que está compartiendo electrones con cuatro grupos diferentes, por eso los aminoácidos, con excepción de la glicina, presentan actividad óptica, es decir, tienen isómeros D y L. Solamente las formas L forman parte de las proteínas.

Fig. 2.52 - Fórmula general de los D y L-aminoácidos

Como muestra la fórmula, el carbono central se encuentra unido a un grupo variable o resto (R). Es en dichos grupos R, donde las moléculas de los veinte aminoácidos [1] que forman parte de las proteínas se diferencian unas de otras. En la glicina, el más simple de los ácidos, el grupo R se compone de un único átomo de hidrógeno. En otros aminoácidos el grupo R es más complejo, conteniendo carbono e hidrógeno, así como oxígeno, nitrógeno y azufre.

De acuerdo con la naturaleza del ”R” podemos clasificar a los aminoácidos en polares (con y sin carga) y aminoácidos no polares.

Fig. 2.53 - Estructura química de los veinte aminoácidos clasificados en ácidos, básicos, neutros polares y neutros no polares. Las estructuras que se encuentran debajo de los grupos amino y carboxilo son las cadenas laterales R

AMINOÁCIDOS ESENCIALES
La síntesis proteica requiere de un constante aporte de aminoácidos. Los organismos heterótrofos sintetizan gran parte de estos aminoácidos a partir de esqueletos carbonados. Los que requieren ser incorporados por la ingesta, no pudiendo ser sintetizados, se denominan aminoácidos esenciales, y son producidos por plantas y bacterias 

Tabla 2.4 - Aminoácidos no esenciales y esenciales para el hombre
No esenciales	Esenciales
Glutamato	Isoleucina
Glutamina	Leucina
Prolina	Lisina
Aspartato	Fenilalanina
Asparagina	Metionina
Alanina	Treonina
Glicina	Triptofano
Serina	Valina
Tirosina	Histidina
Cisteína	Arginina ( sólo en lactantes)

ADN – ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

Los ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez en 1869, sin embargo no fue hasta mucho después que se conoció su función. A principio de siglo los científicos que querían explicar como se transmitía y se almacenaba la información genética se enfrentaron a un problema, era el ADN o las proteínas de los cromosomas los que portaban la información genética.

Se sabía que el ADN constaba de solo cuatro tipo de monómeros, frente a los 20 aminoácidos que se encuentran formando parte de las proteínas, de manera que se pensaba que era demasiado sencillo como para guardar la información, por lo cual se le asignaba una función estructural.

La evidencia que ha servido para esclarecer la función del ADN, ha procedido, por un lado, del hecho que la cantidad de ADN de una especie es constante, sin importar la edad, sexo, factores nutricionales o ambientales.

Por otra parte, la cantidad de ADN tiene mayoritariamente una relación directa con la complejidad del organismo, así como también se observa que las gametas de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquier de sus células somáticas.

Sin embargo esto por si solo no confirmó la función del ADN. Por ello se llevaron a cabo una serie de experimentos que lo demostraron en forma concluyente.

En 1928, Griffith experimentó con distintas cepas de bacterias, una de ellas era la forma llamada lisa (L), rodeada de una cápsula de polisacáridos y causante de neumonía en los ratones. En contraste las cepas rugosas, no contenía el polisacárido y no era virulenta.

Griffith experimentó con ratones. A unos inyectándoles cepas lisas muertas por calor, a otras cepas rugosas vivas y a otros una mezcla de cepa R viva con cepa L muertas por calor, en este último caso los ratones morían de neumonía, es decir que las células rugosas se habían transformado en cepas virulentas. En 1944 se demostró que ese principio transformador era el ADN y no las proteínas.

Fig. 2.43 - Experimento de Griffith

Otra serie de experimentos realizados en 1952 por Hershey y Chase, demostraron en forma indiscutible que el ADN es el material genético. Trabajaron con virus llamados bacteriofagos; los bacteriofagos, están formados por ADN y proteínas, las proteínas forman una cubierta y en su interior se aloja el ADN. Se cultivaron virus en un medio que contenía fósforo radiactivo, de manera que al sintetizar su ADN, la molécula quedaba marcada radiactivamente. Otros virus se hicieron crecer en medio con azufre radiactivo, quedando marcadas radiactivamente las proteínas. Los virus tienen un mecanismo de acción muy particular, ya que no ingresan a la célula que infectan sino que solo inyectan su material genético. Luego se pusieron en contacto los virus que poseían las proteínas radiactivas con un cultivo de bacterias y lo mismo se hizo con los virus que tenían el ADN marcado.

Fig. 2.44 - Experimento de Hershey y Chase
Si la información genética estaba contenida en el ADN la marca radiactiva debía estar en el interior de las bacterias de este último grupo, por el contrario si eran las proteínas las que cumplían dicha función la marca radiactiva estaría adentro de las bacterias del primer grupo. El resultado del experimento confirmó que el ADN era la molécula que buscaban, ya que se encontraba la marca radioactiva en el interior de las bacterias que se pusieron en contacto con ADN marcado.
Una vez establecida su función faltaba determinar su estructura, como era posible que esa estructura repetitiva almacenara las distintas instrucciones.
En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice, para esto se valieron de los patrones obtenidos por difracción de rayos X de fibras de ADN, y de los postulados enunciados por Chargaff que estableció que la cantidad de adenina de una molécula de ADN era igual a la cantidad de timina de la misma molécula y que la cantidad de guanina era igual a la cantidad de citosina, es decir que el contenido de purinas era igual al de pirimidinas.

Fig. 2.45 - Pares de bases del ADN: La formación específica de enlaces de hidrógeno entre G y C y entre A y T genera los pares de bases complementarias
El modelo de la doble hélice establece que las bases nitrogenadas de las cadenas se enfrentan y establecen entre ellas uniones del tipo puente de hidrógeno. Este enfrentamiento se realiza siempre entre una base púrica con una pirimídica, lo que permite el mantenimiento de la distancia entre las dos hebras. La Adenina se une con la timina formando dos puentes de hidrógeno y la citosina con la guanina a través de tres puentes de hidrógeno. Las hebras son antiparalelas, pues una de ellas tiene sentido 5’ ® 3’, y la otra sentido 3’ ® 5’.
El modelo de Watson y Crick, describe a la molécula del ADN como una doble hélice, enrollada sobre un eje, como si fuera una escalera de caracol y cada diez pares de nucleótidos alcanza para dar un giro completo.
Excepto en algunos virus, el ADN siempre forma una cadena doble.
Factores que estabilizan la doble hélice
Los puentes de hidrógeno entre las bases tienen un papel muy importante para estabilizar la doble hélice, si bien individualmente son débiles hay un número extremadamente grande a lo largo de la cadena.
Las interacciones hidrofóbicas entre las bases también contribuyen con la estructura.
Los grupos fosfatos que se encuentran en el exterior de la doble hélice pueden reaccionar con el agua aportando mayor estabilidad.

Fig. 2.46 - Una corta sección de la doble hélice de ADN

Fig. 2.47 - (a) Modelo de la doble hélice de ADN, (b) Representación abreviada de un segmento de ADN

Funciones biológicas

El ADN es el portador de la información genética y a través de ella puede controlar, en forma indirecta, todas las funciones celulares.

Debemos recordar aquí que las enzimas son proteínas que catalizan todas las funciones biológicas y se sintetizan en las células de acuerdo a la información genética. Vale decir que a la información genética la podemos comparar con un recetario, donde están las recetas de todas las proteínas del organismo.

Encontramos ADN en el núcleo de las células animales y vegetales, en los organismos procariontes, en organoides como los cloropastos y mitocondrias, como así también en algunos virus, a los que llamamos ADN - virus.

ÁCIDOS NUCLEICOS

Todas las células contienen la información necesaria para realizar distintas reacciones químicas mediante las cuales las células crecen, obtienen energía y sintetizan sus componentes. Está información está almacenada en el material genético, el cual puede copiarse con exactitud para transmitir dicha información a las células hijas. Sin embargo estas instrucciones pueden ser modificadas levemente, es por eso que hay variaciones individuales y un individuo no es exactamente igual a otro de su misma especie (distinto color de ojos, piel, etc.). De este modo, podemos decir que el material genético es lo suficientemente maleable como para hacer posible la evolución.

La información genética o genoma, está contenida en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN guarda la información genética en todos los organismos celulares, el ARN es necesario para que se exprese la información contenida en el ADN; en los virus podemos encontrar tanto ADN como ARN conteniendo la información (uno u otro nunca ambos)

COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos.

Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5’ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1’ una base nitrogenada.

Fig. 2.36 - Estructura del nucleotido monofosfato de adenosina (AMP)

Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógeno. Estos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas (derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G).
Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U).
Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos.

Fig. 2.37- Bases púricas y pirimídicas

Fig. 2.38 - Bases menos frecuentes
Existen otras bases nitrogenadas que son menos frecuentes, algunas de ellas están metiladas. En eucariontes estas bases metiladas participan del control de la expresión genética.
Nucleótidos de importancia biológica
ATP (adenosin trifosfato): Es el portador primario de energía de la célula. Esta molécula tiene un papel clave para el metabolismo de la energía. La mayoría de las reacciones metabólicas que requieren energía están acopladas a la hidrólisis de ATP.

Fig. 2.39 - ATP (Adenosin trifosfato)

Fig. 2.40 - Estructura del AMPC


Este nucleótido posee tres grupos fosfatos unidos entre sí. Estos grupos fosfatos dado el pH celular se encuentran desprotonados, de manera que poseen cargas negativas. Como estas cargas están muy cerca se repelen fuertemente. Para mantenerlos juntos, se establecen uniones de alta energía entre los fosfatos, por lo tanto, cuando la molécula se hidroliza la energía se libera. Del mismo modo para sintetizar una molécula de ATP se requiere energía.
AMP cíclico: Es una de las moléculas encargadas de transmitir una señal química que llega a la superficie celular al interior de la célula. segundo mensajero)
NAD⁺ y NADP⁺: (nicotinamida adenina dinucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Son coenzimas que intervienen en las reacciones de oxido-reducción, son moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiración y la fotosíntesis.

Fig. 2.41 - Estructura del NAD+, La nicotinamida acepta hidrogeniones, proceso denominado reducción
FAD⁺: También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular.
Coenzima A: Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviene en la respiración celular, en la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos.


POLINUCLEÓTIDOS
Existen dos clases de nucleótidos, los ribonucleótidos en cuya composición encontramos la pentosa ribosa y losdesoxirribonucleótidos, en donde participa la desoxirribosa.
Los nucleótidos pueden unirse entre sí, mediante enlaces covalentes, para formar polímeros, es decir los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN.
Dichas uniones covalentes se denominan uniones fosfodiéster. El grupo fosfato de un nucleótido se une con el hidroxilo del carbono 5’ de otro nucleótido, de este modo en la cadena quedan dos extremos libres, de un lado el carbono 5’ de la pentosa unido al fosfato y del otro el carbono 3’ de la pentosa.

Fig. 2.42 - Estructura de un polirribonucleótido

ARN – ÁCIDO RIBONUCLEÍCO

El ácido ribonucleíco se forma por la polimerización de ribonucleótidos. Estos a su vez se forman por la unión de:

a) un grupo fosfato. b) ribosa, una aldopentosa cíclica y c) una base nitogenáda unida al carbono 1’ de la ribosa, que puede ser citocina, guanina, adenina y uracilo. Esta última es una base similar a la timina.

En general los ribonucleótidos se unen entre sí, formando una cadena simple, excepto en algunos virus, donde se encuentran formando cadenas dobles.

La cadena simple de ARN puede plegarse y presentar regiones con bases apareadas, de este modo se forman estructuras secundarias del ARN, que tienen muchas veces importancia funcional, como por ejemplo en los ARNt (ARN de transferencia).

Se conocen tres tipos principales de ARN y todos ellos participan de una u otra manera en la síntesis de las proteínas. Ellos son: El ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).

ARN MENSAJERO (ARNm)

Fig. 2.48 - Esquema de una ARNm bacteriano

Consiste en una molécula lineal de nucleótidos (monocatenaria), cuya secuencia de bases es complementaria a una porción de la secuencia de bases del ADN. El ARNm dicta con exactitud la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica en particular. Las instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones. Son los ARN más largos y pueden tener entre 1000 y 10000 nucleótidos

En los eucariontes los ARNm derivan de moléculas precursoras de mayor tamaño que se conocen en conjunto como ARN heterogéneo nuclear (hnARN), el cual presenta secuencias internas no presentes en ARN citoplasmáticos.

ARN RIBOSOMAL (ARNr)

Este tipo de ARN una vez transcripto, pasa al nucleolo donde se une a proteínas. De esta manera se forman las subunidades de los ribosomas. Aproximadamente dos terceras partes de los ribosomas corresponde a sus ARNr.

Fig. 2.49 - Diagrama de un ribosoma procarionte

ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt)

Este es el más pequeño de todos, tiene aproximadamente 75 nucleótidos en su cadena, además se pliega adquiriendo lo que se conoce con forma de hoja de trébol plegada. El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos libres del citoplasma al lugar de síntesis proteica. En su estructura presenta un triplete de bases complementario de un codón determinado, lo que permitirá al ARNt reconocerlo con exactitud y dejar el aminoácido en el sitio correcto. A este triplete lo llamamos anticodón.

Fig. 2.50- Molécula de ARNt

ARN PEQUEÑO NUCLEAR (ARNpn o snRNA)

En eucariontes encontramos un grupo de seis ARN que están en el núcleo, el ARN pequeño nuclear, estos desempeñan cierto papel en la maduración del ARNm.

RIBOZIMAS

Son ARN que tienen función catalítica, participan activamente en la maduración de los ARNm.

Función de los ARN

Un gen está compuesto, como hemos visto, por una secuencia lineal de nucleótidos en el ADN, dicha secuencia determina el orden de los aminoácido en las proteínas. Sin embargo el ADN no proporciona directamente de inmediato la información para el ordenamiento de los aminoácidos y su polimerización, sino que lo hace a través de otras moléculas, los ARN. Todo el proceso que se lleva a cabo para la síntesis de proteínas se verá detalladamente en otro capítulo.