Notas de Bioquímica(1): Aminoácidos, Proteínas y Ácidos Nucleicos

Aminoácidos: clasificación y estructura

• Estructura general de un aminoácido:
  • grupo amino
  • grupo ácido carboxílico
  • cadena lateral (R) que determina su identidad y propiedades
• Clasificación por grupos funcionales y polaridad:
  • Grupos que determinan acidez/basa en el núcleo del aminoácido: grupo carboxílico (COOH) y grupo amino (NH₂/NH₃⁺).
  • En el cuerpo, la forma predominante de los aminoácidos es un zóiterión (carga neta depende del pH).
  • Polaridad de la cadena lateral:
  • Polares: contienen heteroátomos (por ejemplo, O, N) en la cadena lateral y pueden formar puentes de hidrógeno. Incluyen aminoácidos con grupos OH, amida, etc. En la clase se mencionan ejemplos como cadenas con grupos polares y que interactúan con el agua.
  • Apolares: cadenas laterales principalmente de hidrocarburos sin grupos polares; ejemplos típicos incluyen cadenas con solo C e H (hidrocarburos). En la charla se dio el concepto de que estos no presentan polaridad en la cadena lateral.
  • Ácidos y básicos de la cadena lateral:
  • Ácido: la cadena lateral puede aportar un grupo carboxílico adicional (p. ej., Aspartato, Glutamato).
  • Básico: la cadena lateral puede contener un grupo amino adicional (p. ej., Lisina, Arginina, Histidina).
• Grupos aromáticos:
  • Aminoácidos aromáticos: Fenilalanina, Tirosina y Triptófano.
  • Elemento característico: anillo bencénico (aromático). El anillo aromático confiere propiedades específicas y absorbe luz en UV.
• Grupos aromáticos y espectroscopía:
  • Los aminoácidos con anillos aromáticos absorben luz ultravioleta, lo que permite estimar concentraciones proteicas o de proteínas por espectrofotometría UV.
  • Comparación entre tirosina y triptófano: el triptófano, con un anillo más complejo, tiende a una mayor absorbancia que la tirosina, por lo que su curva de absorción es más pronunciada.
• Carbono quiral y isomería:
  • La mayoría de aminoácidos (salvo la glicerina simple, que no aplica aquí) poseen un carbono quiral: 4 sustituyentes distintos.
  • Ejemplo: alanina. En la imagen de ejemplo, el carbono quiral tiene: grupo carboxílico (arriba), grupo amino (izquierda), la cadena lateral CH₃ (abajo) y un hidrógeno (derecha).
  • Por su quiralidad, existen isómeros ópticos (enantiómeros). En el cuerpo humano predominan los aminoácidos en la forma L; los isómeros D existen en bacterias y en algunos antibióticos, y son menos comunes en la proteína humana.
  • Importancia biológica: las enzimas y la maquinaria metabólica reconocen y usan específicamente ciertos enantiómeros; ejemplos: la L-alanina es la que se usa para formar proteínas; la D-alanina aparece en bacterias y antibióticos artificiales.
• Grupos funcionales y fosforilación:
  • Algunos aminoácidos contienen grupos susceptibles a la fosforilación (OH en la cadena lateral de Ser, Thr y Tyr principalmente).
  • Fosforilación: un grupo fosfato se une al O de estos grupos OH, cambiando la carga y la conformación de la proteína; es un interruptor de función regulatorio (activación/inhibición) y reversible mediante fosfatasas.
  • El enlace del fosfato modifica la función y la interacción de la proteína con otras moléculas. Este sistema permite apagar o encender funciones según la presencia de fosfato.
• Tioaminoácidos:
  • Contienen azufre en la cadena lateral (ejemplos: Cisteína y Metionina).
  • Puentes de sulfuro (puentes disulfuro) entre Cisteína pueden estabilizar estructuras tridimensionales (proteínas) y son fundamentales para la conformación primaria, secundaria y terciaria.
  • Metionina participa en la iniciación de la síntesis de proteínas y codifica (AUG) en el código genético.
• Inicio de la síntesis proteica y código genético:
  • AUG es el codón de inicio que inicia la síntesis de proteínas (Met).
  • AUG se asocia al inicio de la lectura del mensaje en el ADN/ARN para la síntesis de proteínas.
• Clasificación y pKa: ácido, base y pKa relacionados con la protonación/desprotonación:
  • Todas las especies aminoácidas tienen un grupo amino y un grupo carboxílico que pueden protonarse o desprotonarse según el pH.
  • Cuando se protonan/desprotonan, su carga neta cambia; esto se representa en curvas de titulación.
  • La carga neta influye en la estructura y función, incluida la interacción con agua y otras moléculas.
• Curvas de titulación y concepto de pI (punto isoeléctrico):
  • En soluciones ácidas, los aminoácidos tienden a estar más protonados y con carga positiva; al aumentar el pH, van perdiendo protones y su carga se va volviendo negativa.
  • En la titulación, se observan regiones de amortiguamiento (buffer) alrededor de los pKa donde el pH cambia poco ante la adición de ácido o base.
  • El punto isoeléctrico (pI) es el pH en el que la carga neta de la molécula es cero (estado zwitterión).
  • Cálculo del pI de aminoácidos: abstracto general obtenido promediando los pKa relevantes alrededor del estado neutro.
  • Para aminoácidos con cadena lateral no cargada (no polar):
    $pI = \frac{pK<em>a( ext{COOH}) + pK</em>a( ext{NH}_3^+)}{2}$
  • Para aminoácidos ácidos (con cadena lateral ácida, p. ej., Asp, Glu):
    $pI = \frac{pK<em>a( ext{R-COOH}) + pK</em>a( ext{NH}_3^+)}{2}$
  • Para aminoácidos básicos (con cadena lateral básica, p. ej., Lys, Arg, His):
    $pI = \frac{pK<em>a( ext{NH}</em>3^+) + pK<em>a( ext{R-NH}</em>3^+)}{2}$
• Aplicación biológica de pI y carga:
  • El estado de carga a distintos pH influye en solubilidad, interacción proteína-agua y en el reconocimiento entre proteínas y sustratos.
  • En soluciones ácidas, un aminoácido puede quedar con carga positiva total; en soluciones básicas, puede quedar con carga negativa total; en ciertos rangos intermedios puede estar en estado zwitterión o isoelectrónico.
• Importancia de las proteínas y sitios activos:
  • Muchas proteínas son enzimas y actúan a través de sitios activos en las que los aminoácidos clave participan directamente en la catálisis.
  • Las variaciones en la protonación de aminoácidos en el sitio activo modulan la actividad en función del pH.
• Resumen de aminoácidos y su diversidad funcional:
  • Hay aminoácidos con grupos aromáticos, con capacidades polares y no polares, y aminoácidos con funciones especiales (p. ej., Cys para puentes disulfuro; Met para iniciación de traducción).
  • Los distintos grupos funcionales permiten una gran diversidad de propiedades fisicoquímicas y roles biológicos (estructura de proteínas, regulación por fosforilación, interacción con agua y otras moléculas).

Proteínas: pliegues, puentes y función reguladora

• Puentes de sulfuro (disulfuro):
  • Formados entre residuos de Cisteína (–SH) que, al oxidarse, forman enlaces S–S y estabilizan estructuras proteicas tridimensionales.
• Grupos OH y fosforilación (regulación):
  • Serina, Treonina y Tyr pueden ser fosforilados; el fosfato añadido cambia la carga y la conformación, modulando la función proteica y las rutas de señalización.
• Importancia de la metionina y del inicio de la síntesis de proteínas:
  • Metionina codifica para el inicio de la traducción; AUG es el codón de inicio; relación con el código genético y el ARN mensajero.
• Enzimas y sitios activos:
  • Muchas proteínas ejercen su función como enzimas al contener sitios activos donde ocurren reacciones químicas; la protonación/desprotonación de aminoácidos en estos sitios regula la actividad.

Ácidos nucleicos: estructura, función y organización celular

• Estructura general de los nucleótidos:
  • Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada + un azúcar + un grupo fosfato.
  • Azúcar: ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN). Diferencia clave: la desoxirribosa carece del grupo OH en la 2' posición; la ribosa tiene un OH en la 2'.
  • Fosfato: pueden ser monofosfato, difosfato o trifosfato (p. ej., AMP, ADP, ATP) que participan en la unión entre nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster.
• Bases nitrogenadas y tipos de nucleótidos:
  • Purinas: adenina (A) y guanina (G) – dos anillos.
  • Pirimidinas: cytosina (C) y timina (T) – en ARN reemplazada por uracilo (U); en ADN la timina está presente; en ARN el uracilo reemplaza a la timina.
• Enlace fosfodiéster y estructura de la hebra:
  • Enlaces fosfodiéster unen el grupo fosfato de un nucleotide con el azúcar del siguiente, formando la cadena de ácido nucleico.
  • En ADN, la longitud en una doble hebra estable y anti-paralela; en ARN, suele ser una sola cadena.
• Emparejamiento de bases y doble hélice (ADN):
  • Pares compatibles por puentes de hidrógeno:
  • Adenina (A) se empareja con Timina (T) en ADN o con Uracilo (U) en ARN; parejas A–T (o A–U) con 2 enlaces de hidrógeno.
  • Guanina (G) se empareja con Citosina (C) con 3 enlaces de hidrógeno.
  • Representación típica: A–T y G–C; la unión entre cadenas da forma de doble hélice en ADN.
• Diferencias entre ADN y ARN:
  • ADN: azúcar desoxirribosa; bases A, G, C y T; función principal de almacenar y transmitir información genética; suele ser doble hebra; mayor estabilidad.
  • ARN: azúcar ribosa; bases A, G, C y U; puede ser monocatenario y realizar funciones de transmisión de información (ARN mensajero), catalisis (ribozimas) y estructura (ARN ribosómico); generalmente es menos estable y más dinám o.
• Localización y organización en la célula:
  • ADN nuclear contiene la información genética hereditaria; organelos tienen ADN propio (mitocondrias y cloroplastos) que respalda la teoría endosimbiótica.
  • Cromatina: complejo de ADN y proteínas (histonas) que se condensa para formar cromosomas durante la división celular.
  • Niveles de compactación: cromatina deliberadamente se organiza en nucleosomas y fibras 30 nm para formar cromátidas y cromosomas durante la mitosis.
  • Centrómero: región central que une las cromátidas hermanas; telómeros: extremos de los cromosomas que protegen la información genética durante la replicación.
• Funciones de ADN y ARN en la célula:
  • ADN: almacena información genética; sirve como plantilla para la síntesis de proteínas; permanece más estable y menos reactivo.
  • ARN: transfiere información desde el ADN hasta los ribosomas para la síntesis de proteínas (ARN mensajero, ARNt, ARNr); permite la ejecución de las instrucciones genéticas.
• Organización evolutiva y origen de las células:
  • Las mitocondrias y los cloroplastos contienen su propio ADN y ADN ribosomal propio, lo que apoya la hipótesis de endosimbiosis de estas organelas en células eucariotas.
• Diferencias de seguridad y estabilidad entre ADN y ARN:
  • El ADN es más estable y está diseñado para conservar información a largo plazo; el ARN es más reactivo y adecuado para la transcripción y traducción, permitiendo respuestas dinámicas a condiciones celulares.
• Conceptos de estructura y función integrados:
  • La secuencia de bases determina la información genética; la transcripción y traducción traducen esa información en proteínas mediante un flujo de información: ADN → ARN → proteína.
  • Las modificaciones estructurales de la cromatina (histonas, nucleosomas) regulan si la información genética se expresa o permanece en reposo.
• Notas finales sobre la clase y conexiones con lo anterior:
  • Se ha discutido la clasificación de aminoácidos, sus propiedades (aromáticos, polares, apolares), la influencia de la estructura en la función, y la regulación por fosforilación y puentes de disulfuro.
  • Se ha relacionado con conceptos previos como pKa, pI, curvas de titulación, y la relación entre estructura y función en biomoléculas.
  • Se ha presentado una visión integrada de cómo las biomoléculas (aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos) trabajan juntas para mantener la vida, almacenar información, y ejecutar procesos celulares complejos.

Conceptos finales y conexiones

• Las proteínas se organizan a partir de aminoácidos, y su función depende tanto de la secuencia como de la conformación tridimensional estabilizada por puentes disulfuro y otras interacciones.
• Las modificaciones químicas (p. ej., fosforilación) actúan como interruptores que regulan la función proteica y la señalización celular.
• Los ácidos nucleicos permiten almacenar, copiar y expresar la información genética mediante un flujo de información: ADN → ARN → Proteína; y su organización en cromatina regula la expresión génica.
• El código genético (AUG como codón de inicio) y las diferencias entre ADN y ARN son claves para entender la síntesis proteica y la expresión génica.
• En conjunto, estas biomoléculas proporcionan una base para entender procesos biológicos desde lo molecular hasta lo funcional y su relevancia en biotecnología y medicina.