Estructura y usos de las proteínas ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas de 2aminoácidos (o α-aminoácidos). Existen alrededor de 20 2aminoácidos naturales. Los aminoácidos se unen entre sí mediante reacciones de condensación y forman los polipéptidos en los que los aminoácidos están unidos unos con otros por enlaces peptídicos. Cada proteína tiene un número y orden determinado de aminoácidos formándola. Esa secuencia determinada de aminoácidos es conocida como la estructura primaria de la proteína. La estructura secundaria describe el plegamiento de la cadena de aminoácidos debido a los puentes de hidrógeno. El plegamiento puede ser una hélice-α, en la que las proteínas se enrollan sobre sí mismas formando una espiral, o puede ser la denominada lámina-β. La estructura terciaria describe el plegamiento global de la cadena mediante interacciones entre aminoácidos alejados que da a la proteína su forma tridimensional. Estas interacciones pueden ser debidas a puentes de hidrógeno, fuerzas de van der Waals entre grupos apolares de las cadenas R y atracciones iónicas entre grupos polares. También pueden darse los puentes disulfuro cuando los átomos de sulfuro de dos grupos cisteína se oxidan. Ejemplos de interacciones entre los grupos R de una cadena polipeptídica: Distintas cadenas polipeptídicas pueden interaccionar entre sí para dar una estructura más compleja conocida como la estructura cuaternaria. Un ejemplo de ello es la hemoglobina que está formada por cuatro cadenas de proteínas (dos αcadenas y dos β-cadenas) agrupadas alrededor de cuatro grupos hemo. USOS DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas cumplen diversas funciones en el cuerpo. Pueden actuar como biocatalizadores (enzimas) de ciertas reacciones. Pueden dar estructura (por ejemplo, el pelo y las uñas consisten casi por completo en polipéptidos plegados en hélices-α) y proporcionan una fuente de energía. Algunas hormonas son proteínas, por ejemplo la FSH (hormona folículo-estimulante), que provoca el ciclo mensual femenino. ANÁLISIS DE PROTEÍNAS La estructura primaria de las proteínas puede determinarse bien con papel cromatográfico como por electroforesis. En ambos casos la proteína debe primero ser hidrolizada por ácido clorhídrico para que a continuación se liberen los aminoácidos. La estructura tridimensional de la proteína completa puede ser confirmada por cristalografía de rayos X. Papel cromatográfico Se sitúa una pequeña gota de muestra del aminoácido desconocido cerca de la base del papel cromatográfico. Distintas gotas de aminoácidos conocidos pueden situarse al lado. El papel es situado en un solvente (“eluent”), que luego sube por el papel debido a la acción capilar. A medida que encuentra las gotas de muestra de los diferentes aminoácidos los separa el solvente y las muestras alcanzan distintas distancias, y entonces ascienden por el papel a distintas velocidades. Cuando el solvente casi ha alcanzado la cima, el papel se quita del tanque, se seca, y luego se rocía con un tinte orgánico (ninhydrina) para desarrollar el Cromatograma mediante la coloración de los ácidos. Se puede comparar la posición de las gotas. Si no hay muestras de aminoácidos conocidos disponibles el valor del Fr (factor de retención) puede medirse y compararse con valores conocidos porque cada aminoácido tiene un valor de Fr distinto. Es posible que dos ácidos tengan el mismo valor de Fr usando el mismo solvente, pero diferentes valores usando un solvente distinto. Si se da el caso el cromatograma se gira 90˚ y hacerlo de nuevo usando un segundo solvente. Electroforesis La estructura de los aminoácidos se altera a distintos valores de pH. A un pH bajo (medio ácido) se le añaden protones al grupo amino. A un pH alto (medio alcalino) el grupo carboxilo perderá un protón. Esto explica por qué los aminoácidos son moléculas anfóteras. Si se añaden iones H + se eliminan como –NH4+ y si se añaden iones OH- el –COOH pierde un protón para eliminar iones OH- como agua. Por cada aminoácido hay un único valor de pH (conocido como punto isoeléctrico) donde el ácido existirá como zwitterión (ión dipolar). El medio donde se lleva a cabo la electroforesis es, normalmente, un gel de poliacrilamida. Así que el proceso es conocido como PAGE (polyacrylamide gel electrophoresis). La muestra se sitúa en medio del gel y se aplica una diferencia de potencial a través de él. Dependiendo del pH del “parachoques” de los diferentes aminoácidos se moverán a distintas velocidades hacia los electrodos positivos y negativos. En su punto isoeléctrico un aminoácido particular no se moverá porque sus cargas están equilibradas. Cuando la separación es completa los ácidos pueden rociarse con ninhydrina e identificarse comparando la distancia que han recorrido con muestras estándar, o comparando sus puntos isoeléctricos. Separación de una mezcla de cinco aminoácidos mediante electroforesis La serina no se mueve a su punto isoeléctrico que es el mismo que el de su “buffer”. La histidina y la arginina tienen –NH3 a pH 5.7, así que se desplazan hacia el electrodo negativo. El ácido glutámico y la felnilalamina tienen –COO- a pH 5.7, así que se desplazan hacia el electrodo positivo. Glúcidos o carbohidratos 1. Monosacáridos Todos los monosacáridos siguen la fórmula empírica CH2O. Además, contienen un grupo carbonilo (>C=O) y al menos dos grupos OH. Poseen entre tres y seis átomos de carbono. Los monosacáridos que siguen la fórmula molecular C5H10O5 se denominan pentosas y aquellos que tienen la fórmula molecular C6H12O6 son conocidos como hexosas. Son muchos los posibles isómeros estructurales de los monosácaridos. Además, muchos átomos de carbono son lo que se denomina asimétricos, es decir, un carbono unido a cuatro radicales diferentes. Los carbonos asimétricos son responsables de la isomería óptica. El estudio de los monosacáridos se dificulta aún más cuando vemos que son posibles estructuras en forma de cadena y estructuras en forma de anillo. La forma más abundante de glucosa en la naturaleza es la D-glucosa. La forma D sólo indica que el carbono más alejado del carbono asimétrico de la glucosa posee su grupo OH orientado hacia la derecha. De tenerlo hacia la izquierda, pasaría a ser de la forma L. La estructura en forma de anillo de la D-glucosa puede existir en dos isómeros cristalinos diferenciados, conocidos como α-D-glucosa y β-D-glucosa. La única diferencia reside en la orientación del grupo OH del primer carbono. Los monosacáridos de seis carbonos, en su forma cíclica o de anillo, son conocidos como piranosas. Esto se debe a que sigue la estructura del pirano. Estas hexosas cíclicas también pueden poseer una estructura de anillo pero pentagonal, tomando entonces el nombre de furanosas. 2. Polisacáridos Los monosacáridos pueden sufrir reacciones de condensación para formar compuestos denominados disacáridos y polisacáridos. Por ejemplo, la sacarosa es un disacárido compuesto por una α-D-glucosa, piranosa, y una β-D-fructosa, está última una furanosa. La unión entre dos azúcares o monosácaridos es conocida como enlace O-glucosídico. En el caso de la sacarosa, el enlace se da entre el carbono 1 de la glucosa, en su isomería α, y el carbono 2 de la fructosa. El enlace se denomina β-1, 2. La maltosa, otro disacárido, está formado por dos moléculas de glucosa que se unen mediante un enlace α-1, 4. La lactosa es un disacárido en el cual una molécula de β-D-galactosa une su carbono 1 al carbono 4 de una β-D-glucosa. A esto se le llama un enlace β-1, 4. Uno de los polisacáridos más importantes es el almidón. El almidón consta de dos compuestos fundamentales: la amilosa, soluble en agua, y la amilopectina, insoluble en agua. La amilosa es una cadena lineal de α-D-glucosas unidas por enlaces α-1, 4. La amilopectina también consiste en α-D-glucosas unidas por enlaces O-glucosídicos, pero presentan dos tipos de enlace: α-1, 4 y α-1, 6. La mayoría de las plantas utilizan el almidón como una reserva de glúcidos y, por tanto, de energía. La celulosa, un polímero de β-D-glucosa, está formado por enlaces β-1, 4. La celulosa, junto con una sustancia conocida como lignina, es la responsable de la estructura de las paredes celulares en las plantas verdes. La mayoría de los animales, incluyendo los mamíferos, carecen de la enzima celulasa, por lo que son incapaces de digerir la celulosa u otros polisacáridos propios de las fibras vegetales. 3. Principales funciones de los polisacáridos en el cuerpo Los glúcidos son usados por los humanos: a) Para proveer energía: alimentos tales como pan, galletas, pasteles, patatas y cereales son ricos en glúcidos. b) Para almacenar energía: el almidón es almacenado en el hígado de los animales en forma de glucógeno (también conocido como almidón animal). El glucógeno tiene prácticamente la misma estructura que la amilopectina. c) Como precursores de otras moléculas orgánicas de gran importancia. Son componentes de los ácidos nucleicos y, por este motivo, cumplen un importante papel en la biosíntesis de proteínas. d) Como fibra alimenticia: La fibra alimenticia es fundamentalmente materia orgánica vegetal que no ha sido hidrolizada por las enzimas que segrega el aparato digestivo humano, pero que puede ser digerida por la microflora intestinal. Como ejemplos encontramos la celulosa, la hemicelulosa, la lignina y la pectina. Su ingesta puede prevenir enfermedades tales como la diverticulosis, síndrome del intestino irritado, obesidad, enfermedad de Crohn, hemorroides y diabetes mellitus. LIPIDOS (1) Los lípidos son moléculas orgánicas formadas por largas cadenas hidrocarbonadas solubles en disolventes no polares. Se utilizan principalmente como reserva energética y como aislantes y protectores de órganos vitales, forman parte de la membrana celular, y en algunos casos, actúan como hormonas. Hay tres tipos importantes de lípidos: triglicéridos (grasas y aceites), fosfolípidos (lecitina) y esteroides (colesterol). GRASAS Y ACEITES: FOSFOLÍPIDOS: Las grasas y aceites son triésteres (triglicéridos) formados por la reacción de esterificación del propano 1,2,3-triol (glicerol) con una o varias cadenas largas de ácidos carboxílicos (ácidos grasos) Los fosfolípidos forman una parte esencial de la membrana celular. Están compuestos básicamente por cuatro componentes. Una columna vertebral de glicerol unido por un enlace éster a dos ácidos grasos y un grupo fosfato que está a su vez unido a un alcohol nitrogenado. Se puede ejemplificar con la fosfatidilcolina, el principal componente de la lecitina, presente en la yema del huevo. R, R’ y R’’ son cadenas largas de hidrocarbonos formadas a partir de ácidos carboxílicos que pueden ser iguales o distintos. Formula general de una grasa o aceite. Las grasas son triglicéridos sólidos como la mantequilla, la manteca de cerdo o el sebo. Los aceites son líquidos a temperatura ambiente e incluyen aceite de castor, de oliva y de linaza. La principal diferencia química entre ellos es que las grasas contienen grupos carboxílicos saturados (ej. No tienen dobles enlaces C=C) Los aceites contienen al menos un doble enlace C=C, se dice que son no saturados. La mayoría de los aceites contienen varios enlaces dobles y por tanto son poliinsaturados. La estructura de la fosfatidilcolina muestra los orígenes de los cuatro componentes. COLESTEROL: El colesterol tiene la estructura característica de cuatro anillos que tienen todos los esteroides. Se transporta por el cuerpo a través de lipoproteínas. Lipoproteínas de baja densidad (LDL) tienen el orden de 18-25nm y transportan el colesterol a las arterias en donde puede obstruir las paredes desencadenando enfermedades cardiovasculares. La mayor fuente de las lipoproteínas de baja densidad son las grasas saturadas, en particular las que derivan de los ácidos láurico (C12), mirístico (C14) y palmítico (C16). Las lipoproteínas más pequeñas, del orden de 8-11nm, conocidas como lipoproteínas de alta densidad (HDL), pueden quitar el colesterol de las arterias y transportarlo otra vez al hígado. ÁCIDOS GRASOS: El ácido esteárico (m.pt 69.6ºC) y el linoleico (m.pt –5.0ºC) contienen el mismo número de carbonos y tienen una masa molar similar. Sin embargo, el ácido linoleico contiene dos dobles enlaces. Generalmente cuanto más insaturada esté un ácido graso, más bajo será su punto de fusión. La forma tetraédrica regular de los ácidos saturados les ayuda a empaquetarse muy juntos, con lo que las fuerzas de Van der Waals, que atraen moléculas entre sí, son más fuertes ya que la superficie entre ellas es mayor. A medida que el ángulo del enlace C=C cambia de 109’5º a 120º se produce en los ácidos insaturados una “torcedura” en la cadena. Son imposibles de empaquetar tan juntos y las fuerzas de Van der Waals entre moléculas se debilitan lo que provoca un menor puto de fusión. Este empaquetamiento es parecido en grasas y explica por qué las grasas no saturadas (aceites) tienen menor punto de fusión. Lípidos 2 ÁCIDOS GRASOS ESENCIALES La mayoría de las grasas contienen una mezcla de ácidos grasos saturados, mono-insaturados y poliinsaturados y se clasifican de acuerdo al tipo predominante. Los ácidos grasos esenciales son ácidos grasos que el cuerpo no puede sintetizar. Dos ácidos grasos insaturados esenciales son ácido linoleico 3 y ácido linoleico -3. A partir de estos el cuerpo es capaz de sintetizar ácidos grasos mayores y más insaturados. Las hojas verdes son una buena fuente de ácidos grasos ácido -3 mientras que la mayoría de semillas y aceites vegetales lo son de ácidos grasos -6. La estructura del ácido linoleico (cis, cis-9, 12-ácido octadecadienoico) Los enlaces dobles en el ácido linoleico están en el noveno y doceavo átomos de carbono del ácido pero es conocido como ácido graso omega-6 porque el primer doble enlace está en el sexto átomo de carbono desde el final de la cadena. Los ácidos -3, como el ácido linoleico, tienen el primer doble enlace en el tercer carbono desde el final de la cadena hidrocarbonada. La estructura del ácido linoleico (cis, cis, cis-9, 12, 15-ácido octadecatrienoico) Cuando los ácidos grasos se hacen de forma sintética con ácidos grasos parcialmente hidrogenados y poliinsaturados después se pueden formar los trans-isómeros. Los ácidos grasos trans están presentes en alimentos fritos como las patatas fritas francesas y algunas margarinas. Estas incrementan la formación del colesterol LDL y esto incrementa el riesgo de enfermedades del corazón. La estructura de un trans, forma trans del ácido linoleico. HIDRÓLISIS DE GRASAS En el cuerpo, los ácidos grasos y los aceites son hidrolizados por enzimas, conocidas como lipasas, a glicerol y ácidos grasos. Hidrólisis de una grasa. (Este es el proceso contrario a la formación de grasas a partir de glicerol y ácidos grasos) Estos se rompen por una serie de reacciones redox para producir finalmente dióxido de carbono, agua y energía. Porque son esencialmente cadenas largas hidrocarbonadas con sólo dos átomos de oxígeno cada uno en el ácido carboxilo, las grasas están en una forma menos oxidada que los carbohidratos por eso con el mismo peso producen más energía. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ENLACES C=C EN UNA GRASA INSATURADA Las grasas insaturadas pueden producir reacciones adicionales. La margarina está hecha mediante hidrogenación de aceites vegetales por eso es sólida a temperatura ambiente. La adición de la iodina a los ácidos insaturados se puede utilizar para determinar el número de dobles enlaces porque un mol de iodina reacciona cuantitativamente con un mol de dobles enlaces. La iodina está coloreada. Como la iodina se añade a grasas insaturadas el color púrpura desparecerá cuanto la reacción tenga lugar. Frecuentemente las grasas son descritas por su número de iodinas, que es el número de gramos de iodina que se añaden a100g de la grasa. Grasa insaturada producto adición-diiodo EL PAPEL DE LOS LÍPIDOS EN EL CUERPO -Almacenaje de energía. Porque contienen proporcionalmente menos oxígeno que los carbohidratos ellos dan más energía cuando se oxigenan. -Aislamiento y protección de órganos. Las grasas se almacenan en tejido adiposo que proporciona tanto aislamiento como protección a ciertas partes del cuerpo. -Hormonas esteroides. Algunos ejemplos son progesterona y testosterona. -Membranas celulares. Los lípidos proporcionan el componente estructural a la membrana de la célula. Además se cree que los ácidos grasos omega-3-poliinsaturados reducen el riesgo de enfermedades del corazón y las grasas poliinsaturadas pueden reducir el nivel de colesterol LDL (malo) de los ácidos grasos trans y los ácidos grasos saturados como el láurico (C12), mirístico (C14) y palmítico (C12) MICRO- Y MACRO-NUTRIENTES DEFINICIONES VITAMINAS Los micro-nutrientes son sustancias necesarias en pequeñas cantidades (mg o µg). Son cofactores de las enzimas e incluyen vitaminas y minerales como Fe, Cu, F, Zn, I, Se, Mn, Mo, Cr, Co y B Los macro-nutrientes son sustancias necesarias en cantidades relativamente grandes (> 0,005 % de la masa corporal) e incluyen proteínas, grasas, glúcidos y minerales (Na, Mg, K, Ca, P, S y Cl) Las vitaminas pueden ser clasificadas en liposolubles e hidrosolubles. La estructura de las vitaminas liposolubles está caracterizada por cadenas largas apolares o anillos. Son las vitaminas A, D, E, F y K. Se acumulan en los tejidos grasos del cuerpo. En algunos casos, un exceso de vitaminas liposolubles puede ser tan serio como un defecto. Las moléculas de vitaminas hidrosolubles, como la vitamina C y el grupo de ocho vitaminas B, contienen hidrógenos unidos a átomos de oxígeno o nitrógeno electronegativos que pueden formar un enlace por puente de hidrógeno con las moléculas de agua. No se acumulan en el cuerpo, por lo que es necesario un consumo regular. Las vitaminas que contienen dobles enlaces C=C y grupos –OH se oxidan fácilmente y mantener la comida refrigerada ralentiza este proceso. VITAMINA A (RETINOL) Aunque contiene un grupo –OH, la vitamina A es liposoluble debido a su larga cadena hidrocarbonada apolar. A diferencia de las otras vitaminas, no se descompone fácilmente cocinando. Es una ayuda para la visibilidad nocturna. MALNUTRICIÓN La malnutrición está provocada por un consumo excesivo de comida, que lleva a la obesidad, o por una dieta escasa en uno o más de los micronutrientes y macro-nutrientes esenciales. Deficiencias específicas de micronutrientes provocan: Fe – anemia I – bocio vitamina A (retinol) – xeroftalmia, ceguera nocturna vitamina B3 (niacina) – pelagra vitamina B1 (tiamina) – beriberi vitamina C (ácido ascórbico) – escorbuto vitamina D (calciferol) – raquitismo VITAMINA C (ÁCIDO ASCÓRBICO) Debido al gran número de grupos polares –OH, la vitamina C es hidrosoluble así que no se acumula en el cuerpo. La enfermedad más común asociada a la carencia de vitamina C es el escorbuto. Los síntomas son: rigidez en las extremidades, úlceras en las encías y hemorragias. Era común en navegantes, que pasaban largos períodos sin comer alimentos frescos, hasta que se reconocía la causa. Las deficiencias de macro-nutrientes, como proteínas, producen marasmo y kwashiorkor. Algunas soluciones para combatir la malnutrición son: tomar comida fresca rica en vitaminas y minerales añadir nutrientes que no se encuentran en las comidas consumidas comúnmente modificación genética de los alimentos proporcionar suplementos nutricionales VITAMINA D (CALCIFEROL) La vitamina D es esencialmente una cadena hidrocarbonada larga con un grupo – OH y es liposoluble. La deficiencia de vitamina D provoca debilitamiento de los huesos y malformaciones, lo que se conoce como raquitismo. Hormonas Las hormonas son moléculas producidas por glándulas endocrinas, que vierten sus productos en el torrente sanguíneo, distribuyéndose así por todo el cuerpo. Las hormonas actúan como mensajeros químicos y desempeñan funciones variadas. Por ejemplo, la hormona antidiurética (ADH) controla la cantidad de agua contenida en el cuerpo y la aldosterona regula el balance de sodio y potasio en sangre. Las hormonas pueden ser de naturaleza lipídica (esteroides) o peptídica. A continuación desarrollaremos algunos ejemplos de hormonas importantes de ambos tipos. ADRENALINA Es una hormona de naturaleza peptídica que se produce en las glándulas adrenales, dos pequeños órganos situados sobre los riñones. Es un estimulante estrechamente relacionado con las anfetaminas. Se libera en casos de excitación y produce una rápida dilatación de las pupilas y las vías respiratorias. También aumenta la velocidad de los latidos del corazón y la cantidad de azúcares liberados en el torrente sanguíneo, dando la oportunidad de actuar instantáneamente. TIROXINA La tiroxina, formada por la unión de varios aminoácidos, se produce en la glándula tiroides (situada en el cuello). Contiene yodo, una característica poco frecuente. Así y todo, la falta de yodo hace que la tiroides se hinche y produzca bocio. La tiroxina regula el metabolismo y los bajos niveles de esta hormona producen hipotiroidismo, con síntomas como fatiga, sensibilidad al frío o sequedad en la piel. Si la glándula tiroidea tiene mucha actividad, produce el efecto contrario. Se conoce como hipertiroidismo al trastorno con síntomas de ansiedad, pérdida de peso, intolerancia al calor y ojos saltones. INSULINA Hormona de naturaleza peptídica formada en el páncreas, que se encarga de regular los niveles de azúcar en sangre. Los diabéticos tienen niveles de insulina bajos o nulos, lo que hace que la glucosa no se transfiera de la sangre a las células. Esto se conoce como hiperglucemia, y va acompañado de sed, pérdida de peso, fatiga, coma y problemas circulatorios. Las personas que lo sufren durante mucho tiempo pueden llegar a tener fallos renales, ceguera y pueden llegar a necesitar amputaciones por falta de circulación. Esta enfermedad se trata reduciendo la ingesta de azúcares e inyectándose insulina a diario. Demasiada insulina causa hipoglucemia, bajando el nivel de azúcar y provocando mareos y desmayos. HORMONAS SEXUALES Todas las hormonas sexuales son esteroides. Los esteroides tienen una estructura característica con cuatro anillos, adquirida de la molécula básica a partir de la que se desarrollan: el colesterol, formado en el hígado y contenido en todos los tejidos. Las hormonas sexuales masculinas se producen en los testículos. Las más importantes son la testosterona y la androsterona. Ambas son anabólicas (fomentan el crecimiento de músculos, huesos, etc.) y androgénicas (forman los caracteres sexuales masculinos. Las hormonas sexuales femeninas son muy similares en su estructura, y se diferencian de las masculinas en pequeños cambios en los grupos funcionales adjuntos al armazón esteroide. Se producen en los ovarios desde la pubertad hasta la menopausia y las fundamentales son el estradiol y la progesterona. Son responsables del desarrollo sexual y de los ciclos menstruales en las mujeres. Aplicaciones de las hormonas sexuales ANABOLIZANTES Tienen estructuras similares a la testosterona, y desarrollan los músculos. Pueden administrarse a alguien que se esté recuperando de una grave enfermedad para recuperar para desarrollar los músculos debilitados por la inactividad. Algunos atletas han abusado de ellos, pues pueden mejorar sus resultados en diferentes pruebas. Los competidores son sometidos a tests de orina aleatorios para detectar estas y otras sustancias prohibidas. ANTICONCEPTIVOS ORALES Al principio del ciclo menstrual, la pituitaria libera la hormona foliculoestimulante. La FSH viaja hasta los ovarios provocando la producción del estradiol, el cual prepara la liberación del óvulo y el desarrollo de la pared uterina. Después de dos semanas, un sistema de respuesta frena la producción de FSH e inicia la de la hormona luteinizante, que se encargará de producir progesterona desde los ovarios. Esta hormona hace que el óvulo se transporte al útero así como que se continúe construyendo la pared uterina. Si el óvulo es fecundado, éste se incrusta en la pared uterina aumentando los niveles hormonales. Si no se fecunda, el nivel hormonal desciende y la menstruación comienza. La “píldora” más común contiene una mezcla de estradiol y progesterona e imita el embarazo manteniendo las hormonas en niveles altos, haciendo que no se liberen más óvulos. Es frecuente tomar la píldora durante 21 días y después un placebo durante 7 creando un periodo suave (de niveles hormonales), pero sin el riesgo de que disminuya la cantidad de hormonas permitiendo la liberación de un nuevo óvulo. El estradiol y la progesterona suelen administrarse también a mujeres que han pasado la menopausia, para prevenir el debilitamiento de sus huesos (osteoporosis).