REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Volumen XXIII
Número 3
Editorial
Los aminoácidos, eslabones de vida
Para la hipertensión, la jamaica
El cerebelo y sus lesiones
Trypanosoma cruzi y endotelio: ¿paraíso o campo de batalla?
¿Síndrome metabólico o nuevas costumbres?
Utilidad de las redes en la prevención de epidemias
Los helechos y el bosque de niebla
Las semillas de la magnolia
La productividad ecosistémica: ¿una estrategia empresarial?
Biomonitores: desenmascarando a los tóxicos
Tecnologías de la información y cambio climático
Y la simetría, ¿qué es?
CUENTO / Legado sombrío
DISTINTAS Y DISTANTES, MUJERES EN LA CIENCIA / Sofia Kovalevskaya o el camino poético de la matemática
CURIOSIDADES CIENTÍFICAS / El Camino de la Ciencia en Veracruz
NUESTROS COLABORADORES EN ESTE NÚMERO
Contenido
 

Los aminoácidos, eslabones de vida

Óscar García Barradas, Remedios Mendoza López
y Omar Muñoz Muñiz

Nuestros genes contienen las instrucciones necesarias para construir a un ser humano, del mismo modo que los de las bacterias causantes de las enfermedades las tienen para construir un organismo, por supuesto muy diferente. Pero, ¿qué clase de instrucciones son éstas? Ciertamente, uno de los grandes avances científicos de finales del siglo XX y principios del XXI fue la determinación completa de las estructuras químicas del material genético (genoma) de diversos organismos. Los genomas son en gran medida un sistema de instrucciones para producir proteínas, y cada organismo se diferencia de otros en las proteínas que construye. Obviamente, esto significa que las proteínas son moléculas clave en los procesos de la vida, y hoy en día sabemos que virtualmente todas las actividades que desarrollamos los organismos vivos son realizadas por proteínas. Los siguientes son tan sólo algunos ejemplos de proteínas y la actividad que desarrollan:

Enzimas. Estas proteínas catalizan las reacciones de los procesos de la vida y con frecuencia incrementan su velocidad en muchos órdenes de magnitud.

Proteínas reguladoras. Estas moléculas controlan funciones tales como la expresión de la información genética y el balance de las reacciones químicas que ocurren en una célula en cualquier momento.

Proteínas de transporte. Estas guían a otras moléculas de sitio en sitio dentro del organismo. Por ejemplo, la proteína hemoglobina transporta oxígeno a lo largo del torrente sanguíneo.

Proteínas estructurales. Son proteínas tales como la queratina, que proporciona fortaleza a ciertas estructuras funcionales (cabellos, cuernos, uñas, garras, plumas y las capas superficiales de la piel). Del mismo modo, el colágeno es el componente mayoritario de los cartílagos de articulaciones, músculos, ligamentos y tendones.

Inmunoglobulinas. También conocidas como anticuerpos, constituyen la primera línea de defensa contra sustancias extrañas o patógenos invasores.

Toxinas. Estas moléculas son producidas por algunos microorganismos; por ejemplo, la toxina proteica producida por el Clostridium botulinum, en algunos alimentos, es una de las moléculas más tóxicas conocidas en la actualidad.

Esta lista de funciones proporciona obviamente una buena razón para que los biólogos se interesen en las proteínas, pero ¿por qué los químicos deberían compartir el interés por estas importantes moléculas? La razón es que son entidades químicas extremadamente complejas, y el análisis de sus estructuras y los mecanismos mediante los cuales llevan a cabo sus funciones particulares son esencialmente un problema químico, por lo que no resulta sorprendente que por más de cien años los químicos hayan estado involucrados en los procesos de la purificación, el análisis de sus estructuras y la investigación de sus modos de acción.

Independientemente de su importancia y función, todas las proteínas están constituidas por unidades más pequeñas denominadas aminoácidos, por lo que para entender el funcionamiento de las proteínas resulta necesario comprender inicialmente los aspectos fundamentales de estos.

Los aminoácidos conforman una de las cinco grandes familias de productos naturales; en general, un aminoácido es cualquier molécula que contenga los grupos funcionales que conforman su nombre, es decir, un grupo amino (NH2) y un grupo ácido carboxílico (COOH). La posición que ocupe el grupo amino respecto del grupo carboxilo dentro de la estructura determinará la clasificación de estos como aminoácidos alfa, beta, gama o delta (Figura 1).

aminoacidos
Figura 1

Históricamente los aminoácidos se han subdividido en aminoácidos proteinogénicos, es decir, los que constituyen las proteínas, y en aminoácidos no proteinogénicos, también llamados inusuales. A pesar de ser menos conocidos, los aminoácidos inusuales son producidos, principalmente, por diversos microorganismos y han evolucionado para interferir diversas rutas bioquímicas en otros organismos, inhibiendo algunas de sus funciones. Un gran número de aminoácidos inusuales preparados por el hombre también ha encontrado aplicaciones farmacéuticas o son usados para controlar el crecimiento y las enfermedades de las plantas.

En la actualidad, el número de aminoácidos que se encuentran en forma natural o que han sido preparados mediante procesos químicos es superior al millar. La mayoría de ellos han sido descubiertos y aislados a partir de células y tejidos de organismos vivos, en los que se encuentran en forma libre o combinada, aunque no necesariamente constituyendo proteínas; aun así, la mayor parte de estos compuestos poseen por sí mismos importantes propiedades biológicas.

Regresando a los aminoácidos proteinogénicos, estos son un conjunto de veinte alfa-aminoácidos cuya estructura difiere únicamente en el sustituyente (R) unido al carbono de la molécula. La amplia variación de estos sustituyentes, a los que se denomina cadena lateral, es la que proporciona la gran diversidad estructural y, en consecuencia, la gran diversidad funcional de las proteínas que producen (Figura 2).

aminoácidos proteinogénicos
Figura 2

Los aminoácidos proteinogénicos generalmente son conocidos por sus nombres comunes. Con frecuencia, el nombre indica algo relacionado con el aminoácido; por ejemplo, el nombre glicina deriva del sabor dulce de este compuesto y proviene del griego glicos que significa “dulce”; el de valina deriva del ácido valérico, un ácido carboxílico que también posee cinco átomos de carbono. La asparagina deriva del espárrago debido a que fue encontrado por primera vez en esta planta, y la tirosina fue aislada del queso y su nombre proviene del griego tiros, cuyo significado es “queso”.

De los veinte aminoácidos proteinogénicos, diez son considerados esenciales; es decir, los humanos debemos obtenerlos a partir de la dieta debido a que nuestro organismo no es capaz de prepararlos, o no puede hacerlo en las cantidades adecuadas. Así, debemos consumir cantidades apropiadas de fenilalanina porque no somos capaces de sintetizar anillos de benceno. Sin embargo, no necesitamos consumir tirosina debido a que podemos prepararla a partir de la fenilalanina.

Aunque los humanos podemos sintetizar arginina, ésta se requiere en grandes cantidades para favorecer el crecimiento; así que la arginina es un aminoácido esencial para los niños pero no para los adultos. No todas las proteínas contienen los mismos aminoácidos; por ejemplo, la proteína de soya es deficiente en metionina y la de trigo en lisina. Éstas son proteínas incompletas ya que contienen muy poca cantidad de uno o más aminoácidos esenciales para favorecer el crecimiento y, por lo tanto, una dieta balanceada debe contener pro-teínas de fuentes diversas.

Una vez ingeridas, las proteínas son hidrolizadas hasta sus aminoácidos individuales, algunos de los cuales se emplean en la producción de nuevas proteínas necesarias para el organismo, otras son degradadas para obtener energía, y otras más son utilizadas como materias primas para la síntesis de derivados no proteicos, tales como la adrenalina, la tiroxina y la melanina, esenciales para el buen funcionamiento del organismo.

Como se mencionó anteriormente, los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas, pero ¿cómo es que estas unidades se mantienen juntas? La respuesta se descubrió en 1902, cuando Fischer notó que las proteínas contenían relativamente pocos grupos amino y carboxilo libres. Sobre esta base, sugirió que la unión entre los aminoácidos involucra la condensación del grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de un segundo aminoácido, generando así un enlace amida. Dicha unión entre dos aminoácidos se conoce actualmente como “enlace peptídico” y el producto de esta unión es una molécula que recibe el nombre de dipéptido (Figura 3).

La repetición de este proceso puede conducir también a tripéptidos (tres aminoácidos), oligopéptidos (entre tres y diez) y polipéptidos (muchos aminoácidos). En este sentido, una proteína es un polipéptido que contiene entre 40 y 4000 aminoácidos (Figura 4).

aminoácidos
Figura 3

polipéptido
Figura 4

Los péptidos y proteínas intervienen en un vasto rango de funciones biológicas, pero sus estructuras están basadas en un patrón bastante simple: aminoácidos unidos a través de enlaces peptídicos. Esto no es una contradicción. Consideremos a un decapéptido, es decir, un conjunto de diez aminoácidos unidos en una cadena. Dado que existen veinte diferentes aminoácidos, ¿cuántos decapéptidos posibles podrían existir? En la construcción del mismo, el primer residuo podría ser cualquiera de los veinte aminoácidos, así como el segundo, por lo que existen 20 x 20 dipéptidos posibles. Cada uno de estos 202 dipéptidos podría convertirse a 203 tripéptidos, 204 tetrapéptidos, y así. De esta manera, existirán 2010 o 10,240,000,000,000 decapéptidos posibles que podrían ser producidos a partir de los veinte aminoácidos proteinogénicos. Ciertamente, este es un número muy grande y las posibilidades se incrementan conforme aumenta la longitud de la cadena polipeptídica. Dado que los aminoácidos tienen un amplio rango de propiedades físicas y químicas, no es sorprendente que la naturaleza haya sido capaz de construir proteínas para llevar a cabo un sinnúmero de funciones empleando solamente veinte pequeños eslabones.

La naturaleza también se ha encargado de hacer algunas otras cosas interesantes con los péptidos, ya que estas moléculas no requieren ser tan grandes para cumplir funciones biológicas importantes en nuestro organismo. Tal es el caso de las encefalinas. Estas moléculas son pentapéptidos sintetizados en nuestro organismo para el control del dolor. Disminuyen la sensibilidad del cuerpo al dolor por la unión de estos a sitios receptores específicos en el cerebro. Parte de la estructura tridimensional de las encefalinas resulta parecida a la de sustancias analgésicas tales como la morfina y el Demerol®, ya que interaccionan con el mismo receptor.

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Encefalina de leucina

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Encefalina de metionina

Del mismo modo, la bradikinina, vasopresina y oxitocina son péptidos hormonales, y todos ellos nonapéptidos (nueve aminoácidos). La bradiki - nina inhibe la inflamación de los tejidos; la vasopresina controla la presión de la sangre regulando la contracción del músculo liso, y también tiene una actividad antidiurética; la oxitocina, a su vez, induce la labor de parto en las mujeres embarazadas y estimula la producción de leche. Tanto la vasopresina como la oxitocina muestran un enlace disulfuro intramolecular. A pesar de sus muy diferentes efectos fisiológicos, la vasopresina y la oxitocina difieren solamente en dos aminoácidos.

Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

Bradikinina
polipéptido

Por supuesto, estos ejemplos ilustran claramente la importancia de los aminoácidos en péptidos relativamente pequeños; sin embargo, los péptidos más pequeños que existen (los dipéptidos) pueden formar anillos de seis miembros, dando lugar a dipéptidos cíclicos cuya estructura podría pasar fácilmente desapercibida (Figura 5).

Estos derivados han sido aislados a partir de alimentos cuyo proceso de preparación implica un tratamiento térmico, tales como el café, el chocolate, la cerveza y otros. Estos son los responsables del sabor amargo característico de dichos productos, pero además estos derivados despliegan una amplia gama de actividades biológicas, entre las que se pueden mencionar la antitumoral, antibacteriana, antiviral o antifúngica, por mencionar solo algunas.

Por lo anterior, los aminoácidos pueden ser considerados moléculas de vital importancia para los humanos. No sólo generan proteínas, a las que se atribuyen un sinfín de cualidades, sino también pequeñas cadenas con funciones específicas que controlan un sinnúmero de procesos biológicos que nos mantienen con vida. Pero aún más, tan solo un par de aminoácidos ordenados de una manera específica puede ayudar a contrarrestar los efectos de enfermedades tales como el cáncer y las infecciones. Esto ha motivado el interés por obtener este tipo de derivados de manera sintética, lográndose la preparación de moléculas interesantes cuyas acciones biológicas están ahora bajo observación.

dipéptidos
Figura 5

Para el lector interesado

Doonan, S. (2002). Peptides and proteins. Cambridge (UK): The Royal Society of Chemistry.

Tsai, C.S. (2007). Biomacromolecules. Introduction to structure function and informatics. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.