Figura III.1: Estructura de aminoácidos

Transcripción

1 Características generales Las proteínas son compuestos orgánicos complejos, cuya estructura básica es una cadena de aminoácidos. Los aminoácidos son sustancias compuestas por carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Son compuestos cristalinos que contienen un grupo ácido débil, carboxilo (-COOH) y un grupo básico débil, amina (-NH 2 ) Figura III.1: Estructura de aminoácidos Dependiendo de la composición de la cadena R de los aminoácidos, encontramos aminoácidos neutros, ácidos, básicos, azufrados y aminoácidos aromáticos Las estructuras de los aminoácidos son ópticamente activas, es decir, que pueden rotar el plano de luz polarizada en diferente dirección dependiendo del estereoisómero que se trate. Entre ellos hay que distinguir entre los que rotan el plano hacia la izquierda, levorrotatorios, levógiros o L, y los que lo hacen hacia la derecha, dextrorrotatorios, dextrógiros o D. En la naturaleza encontramos una mezcla de ambos que se denomina racémica, pero los aminoácidos que forman las proteínas son, la gran mayoría, L. Los aminoácidos son los precursores de otras moléculas de gran importancia biológica que son las proteínas. La unión de aminoácidos da lugar a la formación de péptidos que se denominan dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, octapéptidos o polipéptidos, si en su

2 formación intervienen, 2, 3, 4, 5, 8 o un número cualquiera superior. La unión de polipéptidos entre sí da lugar a la formación de proteínas. Figura III.2: Esquema de los aminoácidos como precursores de otras moléculas.

3 Las proteínas están formadas por aminoácidos que pueden ser esenciales y no esenciales. El cuerpo humano necesita cerca de veinte aminoácidos para la síntesis de sus proteínas y sólo puede elaborar trece de los aminoácidos que se conocen como los aminoácidos no esenciales; los cuales se denominan con este nombre porque el cuerpo puede elaborarlos y no necesita adquirirlos de la dieta. El resto de los aminoácidos son llamados esenciales porque solamente se obtienen de los alimentos, ya que el cuerpo no los elabora. Si la proteína de un alimento suministra suficientes aminoácidos esenciales, entonces se llama proteína completa. Al contrario, si no los suministra, se llama proteína incompleta

4 Todas las carnes y los otros productos animales son fuentes de proteínas completas. La proteína de los alimentos como los granos, las frutas y las verduras se califican como proteínas incompletas bajas o carentes de uno de los aminoácidos esenciales. Estas fuentes de proteína son consideradas incompletas. Las proteínas vegetales pueden combinarse para aportar todos los aminoácidos esenciales y constituir un aporte proteico completo. Las proteínas constituyen el principal componente de los músculos, órganos y glándulas. Cada célula viva y todos los fluidos corporales, excepto la bilis y la orina, contienen proteína. En animales superiores, las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes, pues representan alrededor del 50% del peso seco de los tejidos. Desde el punto de vista funcional, su papel es fundamental. No existe proceso biológico alguno que no dependa de la presencia o

5 actividad de este tipo de sustancias; las proteínas cumplen diferentes funciones: enzimas, hormonas, trasportadores, los anticuerpos, receptores de muchas células, etc. Todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y casi todas poseen también azufre. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido de nitrógeno representa, término medio, el 16% de la masa total de la molécula, lo cual permite calcular la cantidad de proteína existente en una muestra, por medición del N de la misma. Las proteínas son moléculas poliméricas (poli: muchos; meros: partes) de enorme tamaño; pertenecen a la categoría de macromoléculas, constituidas por gran número de unidades estructurales que forman largas cadenas. Las proteínas resultan de la unión de moléculas de aminoácidos por medio de enlaces peptídicos. Por esto, se pueden clasificar en dos grandes categorías, proteínas globulares y proteína fibrosas.

6 La estructura de las proteínas es muy compleja, razón por la cual resulta conveniente describirla considerando distintos niveles de organización: Estructura Primaria Se refiere al número e identidad de los aminoácidos que componen la molécula y al ordenamiento o secuencia de esas unidades en la cadena polipeptídica. La unión peptídica sólo permite formar estructuras lineales; por ello, las cadenas no presentan ramificaciones. Estructura Secundaria A medida que la longitud de las cadenas va aumentando y en función de las condiciones físicoquímicas del medio, se conforma la estructura secundaria, que es la disposición espacial regular, repetitiva, que puede adoptar la cadena polipeptídica, generalmente mantenida por enlaces de hidrógeno. En este caso suelen darse dos tipos de enlace: Hélice a: las cadenas de aminoácidos tienen varios centros polares y, debido a esto, la fibra suele enrollarse dando lugar a una hélice que se estabiliza formando enlaces intramoleculares con puentes de hidrógeno. Lámina b: las cadenas de péptidos se unen formando filas paralelas que se estabilizan de manera intermolecular mediante puentes de hidrógeno. Estructura Terciaria Es la estructura de la mayoría de las proteínas globulares, aparece a partir de que la hélice a se vuelve a enrollar. Es una arquitectura tridimensional completa que se debe a las fuerzas de atracción o repulsión electrostática, a enlaces de hidrógeno, a fuerzas de Van der Walls y a puentes disulfuro. Estructura Cuaternaria Son estructuras de carácter oligomérico, que están compuestos por varias cadenas separadas pero entrelazadas en estructura terciaria. Se aplica sólo a proteínas constituidas por dos o más cadenas

7 polipeptídicas y se refiere a la disposición espacial de esas cadenas y a los enlaces que se establecen entre ellas (puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro entre cisteinas de cadenas diferentes, etc.). Un ejemplo de este tipo de estructura es la hemoglobina que está compuesta por cuatro subunidades de mioglobina.

8 Las proteínas desempeñan distintas funciones en las células de todos los seres vivos. Funciones catalíticas. Funciones de transporte (transporte de oxígeno y de grasas en la sangre). Funciones estructurales: Forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, uñas, etc.). Funciones de defensa (inmunoglobulinas o anticuerpos). Desempeñan funciones reguladoras (hormonas). Funciones contráctiles (actina y miosina) Funciones nutricionales. Los aminoácidos poseen un gran numero de funciones claves en los procesos energéticos (precursores en la gluconeogénesis y síntesis de hormonas) y en el sistema nervioso central ( neurotransmisores) Tabla: Requerimientos diarios de proteínas

9 Tabla: Funciones y ejemplos de proteínas Estructural Enzimática Hormonal Defensiva Transporte Reserva Como las glucoproteínas que forman parte de las membranas. Las histonas que forman parte de los cromosomas El colágeno, del tejido conjuntivo fibroso. La elastina, del tejido conjuntivo elástico. La queratina de la epidermis. Son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas Insulina y glucagón Hormona del crecimiento Calcitonina Hormonas tropas Inmunoglobulina Trombina y fibrinógeno Hemoglobina Hemocianina Citocromos Ovoalbúmina, de la clara de huevo Gliadina, del grano de trigo Lactoalbúmina, de la leche Los animales pueden degradar oxidativamente las proteínas en tres situaciones metabólicas distintas: 1. Recambio proteico: Síntesis y degradación de proteínas, los aminoácidos que no se utilizan para la nueva síntesis, se degradan oxidativamente. 2. Dieta rica en Proteínas: Los aminoácidos no se pueden almacenar.

10 3. Inanición o Diabetes Mellitus: No hay hidratos de carbono, o no pueden utilizarse correctamente. Se recurre a las proteínas corporales como combustible. En estas circunstancias, los aas. Pierden sus grupos amino y los α-ceto ácidos así formados se oxidan a CO 2 y H 2 O. O pueden convertirse en glucosa y proporcionar energía para el funcionamiento del cerebro, músculo y otros tejidos. Oxidación de aminoácidos Durante la degradación de los aminoácidos. se producen compuestos intermediarios del metabolismo, que se pueden convertir en glucosa o que se puede oxidar en el ciclo del ácido cítrico. La mayoría de los aminoácidos se oxidan en el hígado y algunos de ellos (los aminoácidos de cadena ramificada) también en el músculo. Hay un factor importante que distingue la degradación de aminoácidos. de los otros procesos de degradación, que es la presencia de un grupo amino, por lo tanto todas las rutas degradativas pasan por una etapa clave, donde se separa este grupo Proteína intracelular Proteína de la dieta Aminoácidos α-cetoácidos NH 4 Ciclo de Krebs Biosisntesis aas Gluconeogenesis CO 2 + H 2 O Excreción

11 Degradación de proteínas: Tracto gastrointestinal La entrada de proteínas en el estomago estimula que la mucosa gástrica secrete la hormona GASTRINA. Esta hormona provoca la secreción de HCl, responsable de la acidez del jugo gástrico (ph entre 1,5 y 2,5), que actúa como antiséptico matando las bacterias y células foráneas y desnaturaliza las proteínas, permitiendo que sus enlaces sean mas accesibles a la acción de proteasas. El PEPSINOGENO, precursor inactivo o zimógeno, se convierte en pepsina activa en el jugo gástrico por acción de la PEPSINA. En el estomago la PEPSINA hidroliza las proteínas en una mezcla de péptidos mas pequeños. Los contenidos acídicos del estomago pasan al intestino delgado, entonces baja el ph y se estimula la acción de la hormona SECRETINA a la sangre. Esta hormona estimula al páncreas para que secrete bicarbonato al intestino delgado y neutralice el ph, donde continua la digestión de las proteínas. La entrada de aminoácidos en la parte superior del intestino, libera la hormona COLECISTOQUININA, que estimula la secreción de varias enzimas pancreáticas, que tienen actividad a ph entre 7 y 8. Estas enzimas son producidas en las células del páncreas como precursores inactivos o zimógenos (TRIPSINA, QUIMIOTRIPSINA y CARBOXIPEPTIDASA) La síntesis de las enzimas en forma de precursores inactivos protege a las células exocrinas del páncreas del ataque autodestructivo. El páncreas también se protege produciendo un inhibidor especifico INHIBIDOR PANCREÁTICO DE TRIPSINA. Una vez que el TRIPSINOGENO, entra en el intestino delgado se convierte, se convierte en TRIPSINA, su forma activa, por acción de la ENTEROPEPTIDASA, enzima secretada por células intestinales. La PEPSINA, en el intestino produce TRIPSINA, QUIMIOTRIPSINA y CARBOXIPEPTIDASA, que hidrolizan cadenas mas pequeñas. La degradación de péptidos en el intestino delgado se completa por acción de otras peptidasas, produciendo aminoácidos libres.

12 Los aminoácidos se transportan a células epiteliales que cubren el intestino delgado, entran en los capilares sanguíneos y se transportan al hígado. Eliminación del grupo amino Después de las reacciones de desaminación que se producen en los aminoácidos, el amonio se debe excretar. En función de los diferentes organismos, la forma de hacerlo varía, por ejemplo, en los organismos ureotélicos (urea), uricotélicos (ácido úrico) o amoniotélicos (amoniaco). Los organismos vivientes excretan el exceso de nitrógeno que resulta del metabolismo de aminoácidos en una de tres formas. Muchos organismos acuáticos simplemente excretan amoniaco. Donde el agua es menos abundante, el amoniaco se transforma en una molécula menos tóxica, además de que su excreción necesita de menos agua. Uno de estos productos es la urea, la cual es excretada por la mayoría de los vertebrados terrestres, el otro producto posible de excreción es el ácido úrico, que es excretado por aves y reptiles terrestres. En animales amoniotélicos, por ejemplo, peces óseos, el amoníaco se libera rápidamente de la sangre en las branquias, gracias al gran volumen de agua que pasa a través de éstas. Las bacterias y protozoos simplemente liberan el amoníaco al medio en que el agua es abundante, donde se disuelve este compuesto. Mientras que los animales uricotélicos, las aves y reptiles, la disponibilidad de agua es limitada. Puesto que la excreción de urea por la orina necesita un gran volumen de agua, esta circunstancia haría imposible el vuelo de las aves y provocaría una deshidratación de los reptiles que habitan en zonas áridas. Para evitar esto, el amoniaco se convierte en ácido úrico, compuesto insoluble que se excreta en forma de masa semisólida de cristales de ácido úrico en las heces. En la especie humana, el ión amonio es un compuesto muy tóxico que se convierte en el hígado y el riñón en urea, en el llamado ciclo de la urea. Ésta pasa al torrente sanguíneo y es eliminada por el riñón en la orina. En nuestro organismo el glutamato, es el aminoácido encargado de almacenar de manera temporal y mantener dentro de los niveles aceptados el amonio, mientras que la glutamina es el aminoácido encargado del transporte de este grupo.

13 El proceso se puede resumir de la siguiente manera, el grupo amonio de los aminoácido se elimina por transaminación al α-cetoglutarato formando glutamato, dejando el correspondiente α-cetoácido. En esta reaccion no hay desaminación neta, porque se amina el α-cetoglutarato. El efecto de esta reacción es recoger los grupos aminos de los aminoácidos en un solo compuesto el glutamato. El glutamato es sustituido por la glutamina para la función de transporte, en la reacción mediada por la glutamina sintasa, la glutamina pasa a la corriente circulatoria, desde donde la captura el hígado y la convierte de nuevo en glutamato, separándose el amonio por medio de la acción de la glutaminasa. El glutamato se transporta a la mitocondria hepática donde se libera el grupo amino por acción de la enzima glutamato deshidrogenasa. COO COO H 3 N + C H aminotransferasa C O R AMINOACIDO R α-cetoacido COO H 3 N + C H COO H 3 N + C H R α-cetoglutarato CH2 CH2 COO - GLUTAMATO

14 La mayor parte de los aminoácidos se metabolizan en el hígado, excepto los aminoácidos de cadena ramificada (Leucina, Isoleucina y Valina), que se oxidan principalmente en el músculo, tejido adiposo, riñón y tejido cerebral. Estos tejidos poseen una aminotransferasa que no se encuentra en el hígado y actúa sobre los aminoácidos ramificados produciendo los α-cetoácidos correspondientes. El amoniaco pasa al hígado, transportado por la glutamina o la alanina. Ciclo glucosa-alanina La alanina también juega un papel especial en el metabolismo de los aminoácidos, actúa de transportador de equivalentes de amoniaco y del esqueleto carbonado del piruvato desde el músculo al hígado. El amoniaco se excreta y el piruvato se utiliza para producir glucosa que vuelve al músculo. La utilización de alanina para transportar amoniaco desde músculos esqueléticos muy activos al hígado es otro ejemplo de la economía intrínseca de los organismos vivos. Los músculos sometidos a contracción vigorosa operan de forma anaeróbica, produciendo no solo amoniaco a partir de la degradación de proteínas, sino también grandes cantidades de piruvato a partir de glucosa. Los dos productos van al hígado, el amoníaco para ser convertido en urea para excreción y el piruvato para formar glucosa y volver a los músculos. Por lo tanto se solucionan dos problemas en un solo ciclo: transportan átomos de carbono del piruvato y el exceso de amoniaco, producto de la oxidación de proteínas. En el hígado, la alanina forma piruvato, material de partida para la gluconeogénesis y libera NH + 4 para la síntesis de urea. De esta forma la carga energética de la gluconeogénesis se impone al hígado y no al músculo, de modo que el ATP disponible en el músculo sirve para la contracción muscular..

15 Figura: Ciclo Glucosa-Alanina PROTEINA MUSCULAR AMINOACIDOS NH 4 GLUCOSA PIRUVATO GLUTAMATO ALANINA ALANINA AMINOTRANSFERASA α-cetoglutarato MUSCULO GLUCOSA SANGUINEA ALANINA SANGUINEA ALANINA α-cetoglutarato GLUCOSA PIRUVATO ALANINA AMINOTRANSFERASA GLUTAMATO HIGADO NH 4 UREA Ciclo de la Urea El amoniaco es muy toxico para los tejidos animales. En animales ureotélicos, excretan el nitrógeno aminíco en forma de urea, que se forma en el hígado por el ciclo de la urea. La arginina es el precursor inmediato de la urea. La arginasa hidroliza la arginina dando urea y ornitina, resintetizandose la arginina en el ciclo de la urea. La ornitina se convierte en citrulina a expensas del carbamoil fosfato y se transfiere un grupo amino del aspartato a la citrulina volviéndose a formar arginina. La ornitina se regenera en cada vuelta de ciclo.

16 Figura: Ciclo de la Urea Varios de los intermediarios y productos laterales del ciclo de la urea son también intermediarios del ciclo del ácido cítrico, por lo que ambos ciclos están interconectados. La actividad del ciclo de la urea regulada al nivel de síntesis enzimática y por regulación alostérica de la enzima que forma carbamoil fosfato.

17 La formación de urea no toxica tiene un elevado costo de ATP. Los defectos genéticos en las enzimas del ciclo de la urea se pueden compensar mediante regulación de la dieta. Rutas de degradación del esqueleto carbonado: Luego de la eliminación de los grupos aminos por transaminación al α-cetoglutarato, los esqueletos carbonados de los aminoácidos se oxidan a compuestos que pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico, para ser oxidados a CO 2 y H 2 O. Existen 20 aminoácidos con distintos esqueletos carbonados, por lo tanto 20 rutas catabólicas distintas para su degradación. En el hombre solo aportan del 10 al 15 % de la producción de energía corporal, por lo que las rutas degradativas individuales son muchos menos activas que la glucólisis o que la degradación de ácidos grasos. Las 20 rutas catabólicas convergen para formar 5 intermediarios por los que esqueletos carbonados de los aminoácidos pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico: Acetil-CoA Α-cetoglutarato Succinil-CoA Fumarato Oxalacetato De aquí se pueden desviar a la gluconeogénesis u oxidar a CO 2 y H 2 O. Diversas enfermedades humanas graves pueden relacionarse con defectos genéticos de enzimas especificas de las rutas del catabolismo de los aminoácidos.

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