Biomoléculas: Lípidos de Membrana, Aminoácidos y Proteínas

Lípidos Estructurales de Membrana

La base estructural de todas las membranas es una bicapa lipídica. Las estructuras de estas membranas se forman espontáneamente y son muy estables; forman las membranas celulares (importante para la formación de estructuras permanentes). Son formaciones de moléculas anfipáticas que se disponen enfrentadas por sus regiones hidrófobas (hacia el interior), mientras que las zonas hidrófilas se sitúan hacia el exterior en contacto con el agua. Estas formaciones las originan los fosfolípidos y los glucolípidos, y también los esteroles.

Fosfolípidos

Son lípidos que contienen en su molécula ácido fosfórico. Están formados por 1 o 2 ácidos grasos, un grupo alcohol (-OH), una molécula de ácido fosfórico y un componente polar. Son moléculas anfipáticas: presentan una zona hidrófoba apolar (los ácidos grasos) y una zona hidrófila polar (el aminoalcohol y el grupo fosfato). Se dividen en dos grupos:

• Fosfoglicéridos: Derivados del ácido fosfatídico. En su composición se encuentra la glicerina. Se forman al esterificarse el ácido fosfórico del ácido fosfatídico con un compuesto polar. Los más importantes son la lecitina y la cefalina.
• Esfingolípidos: Tienen en su molécula esfingosina. Se forman por la unión de una ceramida (esfingosina + ácido graso de cadena larga) a una molécula de ácido fosfórico y a un aminoalcohol. Se encuentran principalmente en la membrana celular (especialmente en células nerviosas). Los más abundantes son las esfingomielinas.

Glucolípidos

Son lípidos que contienen uno o más glúcidos: monosacáridos u oligosacáridos. Se forman al unirse una ceramida con un glúcido mediante un enlace O-glucosídico. Se localizan en la capa externa de las membranas (células nerviosas). La fracción glucídica forma parte del glucocálix. Se dividen en dos grupos:

• Cerebrósidos: Poseen un solo azúcar unido a la ceramida (presentes en músculo y tejido nervioso).
• Gangliósidos: Poseen un oligosacárido ramificado unido a la ceramida. Son muy frecuentes en la membrana del cerebro.

Aminoácidos

Son los monómeros que constituyen los péptidos y las proteínas. Se conocen unos 200, de los cuales 21 forman parte de las proteínas (aminoácidos proteicos) y son iguales en todos los seres vivos.

Estructura

Tienen en común un grupo amino (de carácter básico) y un grupo carboxilo (de carácter ácido). El grupo amino va unido al carbono alfa (Cα), por lo que se denominan α-aminoácidos. A este Cα también se le unen un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (grupo R) más o menos compleja. Esta cadena lateral varía de unos aminoácidos a otros.

Clasificación

• Neutros apolares: A pH = 7 presentan carga neta = 0. Tienen cadenas laterales R hidrófobas, lo que disminuye notablemente su solubilidad.
• Neutros polares: A pH = 7 presentan carga neta = 0. Poseen cadenas laterales R hidrófilas (debido a que presentan grupos polares sin carga, lo que les permite formar puentes de hidrógeno con el agua y aumentar su solubilidad).
• Aminoácidos ácidos: A pH = 7 tienen carga neta negativa, porque en la cadena lateral llevan un grupo carboxilo ionizado.
• Aminoácidos básicos: A pH = 7 tienen carga neta positiva, porque en la cadena lateral llevan un grupo amino ionizado.

Aminoácidos esenciales: Son aminoácidos proteicos formados a partir de compuestos más sencillos que los organismos heterótrofos no pueden sintetizar, por lo que es necesario ingerirlos en la dieta. Los organismos autótrofos sí pueden sintetizar todos los aminoácidos proteicos.

Propiedades de los Aminoácidos

Son compuestos orgánicos sencillos de baja masa molecular, solubles en agua, cristalizables e incoloros, con un alto punto de fusión, por lo que son sólidos. Presentan:

• Estereoisomería: Todos los aminoácidos, excepto la glicina, tienen un carbono asimétrico (Cα), y por ello presentan isomería. Cada aminoácido puede tener dos estereoisómeros. Por convención, se establece que tienen configuración D los que presentan el grupo amino a la derecha, y configuración L los que lo tienen a la izquierda. Todos los aminoácidos proteicos presentan configuración L. Los estereoisómeros son imágenes especulares no superponibles entre sí (enantiómeros).
• Actividad óptica: La presencia del carbono asimétrico hace que tengan actividad óptica (si se hace pasar un rayo de luz polarizada a través de una disolución de aminoácidos, estos pueden desviar el plano de polarización: dextrógiros si desvían hacia la derecha, o levógiros si desvían hacia la izquierda). Que sean dextrógiros o levógiros es independiente de que su configuración espacial sea D o L.
• Comportamiento anfótero: Son sustancias anfóteras; cuando están en disolución acuosa se pueden comportar como ácidos o como bases según el pH de la disolución. Esto se debe a la presencia simultánea del grupo amino y del grupo carboxilo:
  • En disoluciones acuosas neutras: Los aminoácidos están ionizados formando iones dipolares (zwitteriones): el grupo carboxilo pierde un protón y se carga negativamente, mientras que el grupo amino gana un protón y se carga positivamente.
  • Si el medio se hace ácido (aumenta la concentración de protones y disminuye el pH): El aminoácido se comporta como una base; el grupo -COO⁻ capta un protón y pierde su carga negativa, por lo que el aminoácido queda cargado positivamente.
  • Si el medio se hace básico (disminuye la concentración de protones y aumenta el pH): El aminoácido se comporta como un ácido; el grupo -NH₃⁺ libera un protón y pierde su carga positiva, por lo que el aminoácido queda cargado negativamente.

  El pH para el cual el aminoácido se encuentra como un ion dipolar neutro se denomina punto isoeléctrico (pI).

Enlace Peptídico

Es el enlace que une entre sí a los aminoácidos para formar péptidos y proteínas. Se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente; durante el proceso se libera una molécula de agua. Los aminoácidos unidos se denominan residuos porque ya no están completos. Estos enlaces se rompen por hidrólisis, desdoblando los péptidos y proteínas en los aminoácidos que los componen. Dicho proceso se puede realizar por métodos químicos o mediante enzimas proteolíticas.

Características del Enlace Peptídico

• Es un enlace covalente de tipo amida.
• Tiene carácter parcial de doble enlace, lo que le confiere rigidez e impide que se produzcan rotaciones entre los átomos que lo forman. Por ello, el carbono y el nitrógeno, así como el oxígeno y el hidrógeno unidos a ellos, se encuentran situados en un mismo plano.
• Los enlaces adyacentes al Cα (Cα-C carboxílico y N-Cα) sí tienen capacidad de giro.
• El oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del grupo amino se sitúan en lados opuestos del plano del enlace (disposición trans).

Péptidos

Son compuestos formados por la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos:

• Oligopéptidos: Tienen de 2 a 50 aminoácidos.
• Polipéptidos: Contienen más de 50 aminoácidos.

Las proteínas son polipéptidos que tienen una masa molecular superior a 5.000 Da (uma). Frecuentemente, las proteínas están constituidas por más de una cadena polipeptídica.

Proteínas y su Estructura

Las funciones de las proteínas dependen primordialmente de la conformación espacial que adopten.

Estructura Primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos que forman la proteína. Por tanto, nos indica qué aminoácidos la componen y el orden en el que se disponen. Viene determinada genéticamente y de ella dependen los niveles superiores de organización. Presenta una cadena peptídica con un esqueleto o eje formado por el Cα, el carbono carboxílico y el nitrógeno amino dispuesto en zigzag, del cual parten las cadenas laterales (grupos R) unidas a los Cα.

Estructura Secundaria

Es la disposición que adopta en el espacio la cadena de aminoácidos a lo largo de un eje. Se debe a la capacidad de rotación que poseen los enlaces sencillos que convergen en el Cα de cada residuo. Aumenta la estabilidad molecular. Destacan dos tipos principales:

• α-Hélice: Se produce al enrollarse helicoidalmente la cadena peptídica sobre sí misma en sentido dextrógiro. Los giros se dan a nivel del Cα de cada aminoácido, entrando 3,6 aminoácidos por cada vuelta de hélice. Las cadenas laterales se orientan hacia el exterior y la conformación se mantiene gracias a puentes de hidrógeno intracatenarios establecidos entre los grupos -NH y -CO de enlaces peptídicos diferentes que quedan enfrentados. Puede presentarse en proteínas globulares y fibrosas.
• Lámina β (hoja plegada): Varios fragmentos polipeptídicos se disponen paralelos o antiparalelos adoptando un plegamiento en acordeón (zigzag). Se mantiene gracias a puentes de hidrógeno entre segmentos contiguos, establecidos entre los grupos -NH y -CO enfrentados. Los restos de los aminoácidos se disponen alternativamente hacia un lado y hacia otro del plano de la lámina. Aparece en muchas regiones de proteínas globulares y en proteínas estructurales como la fibroína de la seda.

Estructura Terciaria

Es la disposición espacial que adopta la estructura secundaria; nos indica la configuración tridimensional global de la molécula, denominada conformación:

• Conformación globular: La estructura secundaria se pliega adoptando una forma tridimensional compacta, más o menos esférica. Son solubles en agua y desempeñan funciones dinámicas (ejemplo: mioglobina).
• Conformación fibrosa: La estructura secundaria no se pliega compactamente, por lo que la proteína tiene forma alargada. Son insolubles y realizan funciones de soporte y protección estructural (ejemplo: colágeno, fibroína de la seda).

Esta estructura se mantiene gracias a diversas interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos: puentes de hidrógeno, interacciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de Van der Waals y enlaces covalentes de tipo puente disulfuro.

Estructura Cuaternaria

Solo se presenta en aquellas proteínas formadas por la unión de varias cadenas polipeptídicas independientes, denominadas subunidades o protómeros (que pueden ser iguales o diferentes). Las distintas unidades se unen entre sí mediante enlaces no covalentes similares a los de la estructura terciaria entre cadenas laterales (por ejemplo, la hemoglobina, constituida por cuatro protómeros).

Enlaces de la estructura cuaternaria

• Interacciones electrostáticas: Debidas a cargas de signo contrario. A distancias muy cortas también se establecen interacciones débiles por dipolos fluctuantes (fuerzas de Van der Waals).
• Interacciones hidrofóbicas: Los restos hidrófobos tienden a agruparse alejándose del agua circundante, lo que favorece el empaquetamiento interno.
• Enlaces covalentes: En algunos casos se forman puentes disulfuro entre cisteínas de distintas cadenas.

Propiedades de las Proteínas

Dependen principalmente de la naturaleza y reactividad de los aminoácidos que las forman:

• Comportamiento químico: Las proteínas son sustancias anfóteras; pueden actuar como ácidos o como bases amortiguando las variaciones del pH (efecto tampón).
• Solubilidad: Depende de su conformación. Las proteínas fibrosas son insolubles en agua, mientras que las globulares son solubles, formando debido a su gran masa molecular dispersiones coloidales.
• Especificidad: Las proteínas de los seres vivos son características de cada especie y, dentro de una misma especie, pueden variar entre individuos (base del rechazo en trasplantes). Las proteínas homólogas realizan la misma función en especies biológicas distintas.
• Desnaturalización: Proceso por el cual una proteína pierde su conformación nativa tridimensional (estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria), conservando intacta únicamente la estructura primaria. Esto conlleva la pérdida de sus propiedades fisicoquímicas y de su actividad biológica. Ocurre cuando se somete a agentes desfavorables (altas temperaturas, variaciones drásticas de pH, etc.). En ciertos casos, al restablecerse las condiciones normales puede producirse la renaturalización.

Funciones de las Proteínas

• Estructural: Forman parte de estructuras biológicas, tanto a nivel celular como tisular u orgánico:
  • A nivel celular: Glucoproteínas (membrana celular), histonas (cromosomas) y filamentos de actina en el citoesqueleto.
  • A nivel orgánico: Colágeno (tendones, huesos y piel), elastina (paredes de órganos y vasos) y queratina (uñas, pelos y epidermis).
• De reserva: Almacenan aminoácidos que sirven de aporte nutritivo durante el desarrollo embrionario (por ejemplo, la ovoalbúmina de la clara de huevo o la caseína de la leche).
• Homeostática: Contribuyen a mantener constantes las condiciones del medio interno, interviniendo en el equilibrio osmótico y actuando como amortiguadores de pH gracias a su carácter anfótero.
• Transporte: Transportan moléculas o iones por el organismo o a través de membranas:
  • Permeasas y bombas: Proteínas de membrana que transportan sustancias hacia uno u otro lado.
  • Citocromos: Transportadores de electrones.
  • Hemoglobina y hemocianina: Transportan oxígeno en la sangre de vertebrados e invertebrados, respectivamente.
  • Mioglobina: Almacena y transporta oxígeno en el tejido muscular.
  • Lipoproteínas: Transportan lípidos insolubles por el torrente sanguíneo.
  • Seroalbúminas: Transportan ácidos grasos y otras sustancias en el suero.
• Defensiva y protectora: Defensa contra agentes extraños e infecciones:
  • Inmunoglobulinas: Anticuerpos específicos del sistema inmune.
  • Trombina y fibrinógeno: Proteínas esenciales en la coagulación sanguínea.
  • Mucinas: Presentes en las secreciones de los tractos digestivo y respiratorio, con efecto protector y bactericida.
• Hormonal: Regulan procesos biológicos fundamentales:
  • Insulina y glucagón: Regulación del metabolismo de la glucosa.
  • Somatotropina: Hormona del crecimiento (huesos y cartílagos).
• Contráctil: Confiere movilidad celular o tisular:
  • Actina y miosina: Miofibrillas responsables de la contracción muscular.
  • Dineína: Responsable del movimiento de cilios y flagelos.
• Catalizadora: Facilitan y aceleran las reacciones químicas vitales en el organismo. Es el grupo funcional más numeroso y está compuesto por las enzimas.