Anatomía y Fisiología I

Introducción

Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas. La secuencia de aminoácidos en las proteínas individuales está codificada en el ADN de la célula. Las propiedades físicas y químicas de los 20 diferentes aminoácidos naturales dictan la forma de la proteína y sus interacciones con su entorno. Ciertas secuencias cortas de aminoácidos en la proteína también dictan dónde reside la proteína en la célula. Las proteínas están compuestas por cientos o miles de aminoácidos. Como se puede imaginar, el plegado de las proteínas es un proceso complicado y existen muchas formas potenciales debido al gran número de combinaciones de aminoácidos. Al comprender las propiedades de los aminoácidos, podrá apreciar los límites del plegamiento de las proteínas y aprenderá a predecir la posible estructura de orden superior de la proteína.

Todos los aminoácidos tienen la misma estructura de columna vertebral, con un grupo amino (el grupo α-amino, o alfa-amino), un grupo carboxilo, un α-hidrógeno y una variedad de grupos funcionales (R), todos unidos al α-carbono.

La estructura general de un α-aminoácido. El grupo ácido es un ácido carboxílico. El carbono que está unido al ácido carboxílico es el α-carbono. Si el grupo R fuera un átomo de carbono, sería el β-carbono.

Si todos los aminoácidos tienen la misma estructura básica con un amino, un carboxilo y un hidrógeno fijados al carbono alfa, entonces la gran variación en las propiedades y estructura de los aminoácidos debe provenir del cuarto grupo unido al carbono alfa. Este grupo se denomina cadena lateral del aminoácido o grupo R.

Las estructuras de los 20 aminoácidos más comunes se muestran en el siguiente gráfico. El aminoácido más simple, la glicina, se muestra en la parte superior izquierda. Los átomos de la cadena principal de la glicina están resaltados en amarillo y su cadena lateral (H) en verde. Todos los aminoácidos tienen los mismos átomos de la cadena principal, pero difieren en las cadenas laterales. Para mayor claridad, el protón α se omite en el resto de los dibujos.

Los grupos de las cadenas laterales de estos aminoácidos contienen muchos grupos comunes de átomos llamados grupos funcionales. La mayoría de los grupos funcionales, como el grupo hidroxilo (-OH), son comúnmente polares, lo que les permite interactuar con el agua. Los detalles de los grupos funcionales se pueden encontrar en la tabla interactiva de grupos funcionales, a la que se puede acceder haciendo clic en el enlace Aprender haciendo que aparece a continuación.

Los enlaces peptídicos

Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Los aminoácidos se unen mediante una reacción de condensación. Cada aminoácido del polímero se denomina «residuo». Los aminoácidos individuales se unen mediante la unión del nitrógeno de un grupo amino de un aminoácido al carbono carbonilo (C=O) del grupo carboxilo de otro aminoácido, para crear un enlace peptídico covalente y dar lugar a una molécula de agua, como se muestra a continuación.

La cadena peptídica resultante es lineal con extremos definidos. Los polímeros cortos (menos de 50 residuos o aminoácidos) suelen denominarse péptidos, y los polímeros más largos, polipéptidos. Varios polipéptidos juntos pueden formar algunas proteínas grandes. Debido a que la síntesis tiene lugar desde el grupo alfa-amino de un aminoácido hasta el grupo carboxilo de otro aminoácido, el resultado es que siempre habrá un grupo amino libre en un extremo del polímero en crecimiento (el N-terminal) y un grupo carboxilo libre en el otro extremo (el C-terminal).

Nótese que después de que el aminoácido se haya incorporado a la proteína, las cargas en los amino y carboxi-terminales han desaparecido, por lo que los átomos de la cadena principal se han convertido en grupos funcionales polares. Dado que cada residuo de una proteína tiene exactamente los mismos átomos de la cadena principal, las propiedades funcionales de una proteína deben surgir de los diferentes grupos de la cadena lateral.

Por convención, las secuencias de péptidos y proteínas se escriben con el N-terminal a la izquierda y el C-terminal a la derecha. El nombre del residuo N-terminal es siempre el primer aminoácido. A continuación, sigue el nombre de cada aminoácido. La secuencia primaria de una proteína se refiere a su secuencia de aminoácidos.

Ácidos nucleicos

Localizados principalmente en el núcleo de la célula (de ahí su nombre) los ácidos nucleicos son macromoléculas replicantes. Los más importantes son el ADN y el ARN. Sin ellos, las células no podrían replicarse, lo que haría imposible la vida. Estas moléculas almacenan el «software» de la célula, es decir, las instrucciones que rigen su función, sus procesos y su estructura. El código se compone de secuencias de cuatro bases -adenina, citosina, guanina y timina (uracilo en el ARN). Están dispuestas en conjuntos de tres, llamados tripletes. Cada triplete especifica un aminoácido, que a su vez es un componente de una macromolécula proteica. Toda la intrincada complejidad del cuerpo humano surge de la información codificada por sólo cuatro sustancias químicas en una única y larga macromolécula de ADN.

En los seres humanos, los errores en las estructuras del ADN y el ARN causan enfermedades, como la anemia de células falciformes, la hemofilia, la corea de Huntingdon y algunos tipos de cáncer. Incluso un pequeño error puede tener un efecto dramático. La anemia falciforme se produce cuando se modifica un solo aminoácido en la secuencia de bases del ADN. Mediante la dirección de procesos químicos, los ácidos nucleicos ordenan a las células cómo diferenciarse en varios órganos. Durante el desarrollo, conjuntos enteros de secuencias de ADN se desactivan o activan para dirigir procesos específicos. Estos procesos dan lugar a diferentes tipos de células que forman órganos como el corazón, el hígado, la piel y el cerebro.

Dentro de la célula, los ácidos nucleicos se organizan a su vez en estructuras de nivel superior llamadas cromosomas. Los cromosomas se pueden ver con un microscopio de luz, utilizando una tinción adecuada. El estudio temprano de los cromosomas ayudó a los científicos a descubrir y comprender el papel de los ácidos nucleicos en la reproducción celular. Los errores en la estructura cromosómica provocan fallos en los procesos vitales. Por ejemplo, en los seres humanos, un cromosoma 21 de más da lugar al síndrome de Down.

La columna vertebral

Nuestro código genético está determinado por sólo cuatro bases en el ADN (G, C, A, T), que se repiten y disponen en un orden especial. Por ejemplo,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctg gatgcgctc ctgcccctgc tggcgctgct ggccctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttggaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctctacc

181 tagtgcgg ggaacgagc ttcttctaca cacccaagac ccgccgag gcaggacc

241 tgcaggtggg gcaggtggag ctggcgggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctgcag aagcgggca ttgggaaca atgctgtacc agcatctgct

361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcagcagc cccacccg

421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Esto puede parecer una cadena aleatoria de G, C, A, T, pero este ADN codifica la insulina humana. El ADN se organiza en un polímero lineal en doble hélice y mantiene el orden heredado de las bases o código genético. Los «peldaños» de la escalera del ADN tienen el código que finalmente dirige la síntesis de nuestras proteínas. Este polímero lineal de código genético se mantiene cuando el ADN de doble cadena se transcribe a ARN de cadena simple.

La unidad fundamental del ADN es el nucleótido. El nucleótido contiene un grupo fosfato (mostrado en naranja), que finalmente dará al polímero de ADN su carga e interconectará los nucleótidos en la columna vertebral. El grupo de azúcar furanosa es un azúcar de cinco lados (mostrado en púrpura). La base nitrogenada (mostrada en amarillo) determina el tipo de nucleótido formado.

La numeración de las posiciones en los anillos de azúcares de furosa del ADN y del ARN sigue una convención que utiliza ‘ (el símbolo de primo) para denotar las posiciones de los azúcares. Así, la ribosa tiene una base nitrogenada conectada a la posición 1′ y grupos hidroxilos (OH) en las posiciones 2′, 3′ y 5′. Utilizando esta nomenclatura, la desoxirribosa se denomina formalmente 2′-desoxirribosa (2 prime deoxyribose) para denotar la pérdida del hidroxilo en la posición 2’ de la ribosa.

La mayor diferencia en las columnas vertebrales de los polímeros entre el ADN y el ARN es el azúcar utilizado en la formación del polímero. En el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) la posición 2′ de la furanosa tiene un hidrógeno. En el ARN (Ácido Ribonucleico), la posición 2′ de la furanosa tiene un OH (hidroxilo) y el azúcar es el monosacárido ribosa en la conformación de furanosa.

El enlace de los nucleótidos individuales se realiza mediante una molécula de fosfato puente entre dos grupos hidroxilos, uno en cada anillo de furosa. El polímero resultante es una cadena de moléculas de furanosa unidas por enlaces fosfodiéster en una macromolécula muy larga.

La siguiente es una lista de características estructurales de la columna vertebral del polímero de ADN/ARN.

• Fosfato-ribosa(desoxirribosa)-fosfato-ribosa(desoxirribosa)
• Enlazada por enlaces covalentes fosfodiéster
• Posición 3′ de una ribosa(desoxirribosa) unida a la posición 5′ de la ribosa(desoxirribosa) adyacente a través del puente fosfodiéster puente
• La cadena tiene el extremo 3′ y el extremo 5′

Enlace de hidrógeno entre las bases

La doble hélice del ADN se mantiene con el enlace de hidrógeno de las purinas a las pirimidinas.

Ejemplo purinas y pirimidinas. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Recuerde que los enlaces de hidrógeno son interacciones débiles, no como los enlaces covalentes de la columna vertebral fosfato-furanosa. Así, el ADN se mantiene unido, pero puede separarse para la transcripción a ARN o para la replicación del ADN.

Para mantener la misma distancia entre las dos hebras del ADN, las purinas más grandes deben unirse a las pirimidinas más pequeñas. En concreto, la A siempre se une a la T y la G siempre se une a la C en el ADN. Un recurso de memoria útil es que A y T son letras angulares y G y C son curvas.

Transcripción del ADN

Replicación del ADN: Cada vez que una célula se divide, todo el ADN del genoma se duplica (lo que se llama replicación) para que cada célula después de la división (llamada célula hija) tenga el mismo ADN que la célula original (llamada célula madre).

Transcripción del ADN: Para que el código genético se convierta en una proteína, pasa por un paso de transcripción. El ADN se transcribe en ARN (un ácido nucleico de una sola hebra). A continuación, el ARN se traslada del ADN a la región de síntesis de proteínas.

Traducción del ARN: El ARN se traduce de un código de ácido nucleico a la secuencia de aminoácidos de una proteína.

Así, el código genético del ADN es capaz de duplicarse para mantener la consistencia en todo el cuerpo de la persona y durante toda su vida. El ADN también se utiliza para fabricar proteínas mediante el uso de un ARN intermedio.

Lípidos

Los lípidos incluyen grasas y ceras. Varias vitaminas, como la A, D, E y K, son solubles en lípidos. Quizá la función más importante de los lípidos sea la de formar las membranas de las células y los orgánulos. De este modo, los lípidos permiten aislar y controlar los procesos químicos. También desempeñan un papel en el almacenamiento de energía y la señalización celular.

Las moléculas de lípidos que forman las membranas celulares están compuestas por una «cabeza» hidrofílica y una «cola» hidrofóbica (recordemos que «hydro» significa agua y «philos» significa amor; «hydro» significa agua, «phobic» significa miedo). Una bicapa de fosfolípidos se forma cuando las dos capas de moléculas de fosfolípidos se organizan con las colas hidrofóbicas encontrándose en el centro. Los científicos creen que la formación de glóbulos celulares de lípidos fue un precursor vital del origen de la vida celular, ya que las membranas separan físicamente los componentes intracelulares del entorno extracelular. Así, las membranas lipídicas encierran otras macromoléculas, confinan volúmenes para aumentar la posibilidad de reacción y protegen los procesos químicos. Las proteínas con regiones hidrofóbicas flotan dentro de la bicapa lipídica. Estas moléculas gobiernan el transporte de moléculas cargadas o lipofóbicas dentro y fuera de la célula, como las moléculas energéticas y los productos de desecho. Algunos de estos lípidos también tienen adheridas moléculas de carbohidratos que sobresalen de la membrana y que son importantes para el reconocimiento de la célula, como se mencionó anteriormente.

Los lípidos también son moléculas vitales de almacenamiento de energía. Los hidratos de carbono pueden utilizarse inmediatamente, y los lípidos proporcionan un almacenamiento de energía a largo plazo. Los lípidos se acumulan en las células adiposas (células de grasa) del cuerpo. Como parte del proceso catabólico, desde los días en que los humanos tenían que buscar comida, el exceso de carbohidratos puede convertirse en lípidos, que luego se almacenan en el tejido graso. En última instancia, un exceso de hidratos de carbono y lípidos ingeridos conduce a la obesidad.