Los datos históricos del ADN contribuyeron a ir aportando luces sobre su composición y estructura. Pero ninguno de ellos era realmente concluyente, hasta que Watson y Crick, recogiendo estos datos y otros relativos a las características moleculares de las bases nitrogenadas, proponen lo que se conoce como modelo de la doble hélice.

El modelo no sólo resultaba coherente con las pruebas disponibles entonces, sino que, haciendo alarde de una gran intuición, les permitió, tan solo unos meses más tarde, avanzar una hipótesis sobre el mecanismo de duplicación de la molécula, requisito indispensable para justificar su papel de material genético, que ya había sido reconocido desde los experimentos realizados por Avery, MacLeod y McCarty en 1944.

Según el modelo de doble hélice, la estructura consiste en dos cadenas de polínucleótido con las bases nitrogenadas hacia dentro, enfrentadas entre sí formando parejas, de modo que siempre frente a una Adenina se sitúe una Timina y frente a una Guanina, una Citosina. Así se cumpliría el principio de proporcio­nalidad de Chargaff y la molécula tendría un diámetro constante de unos 20 Å, de acuerdo con el tamaño molecular de las bases, pues frente a una base púrica grande habría una pirimidínica pequeña. De lo contrario, presentaría entrantes y salientes donde coincidieran dos bases del mis­mo tipo enfrentadas.

Se dice por ello que las dos cadenas son complementarias, pues conociendo la secuencia de bases de una, se deduce la de la otra por complementariedad.

Esto requiere que ambas cadenas sean antiparalelas, es decir, se orienten con distinta polaridad en el espacio, de manera que si una tiene la dirección 5′ -> 3′, la otra se oriente en dirección 3′ -> 5′.

Además, según los cálculos, la distancia que debía separar a cada pareja de bases de la siguiente debía ser de unos 3,4 Å, lo que se correspondía con los intervalos de repetición observados.

La imagen que representaría esta disposición es la de una escalera de mano en la que los pelda­ños serían los pares de bases enfrentadas y las barandillas serían las dos cadenas de desoxirribosafosfato, lo que equivaldría a la estructura primaria de la molécula.

La forma B del ADN

En realidad, una cadena de polinucleótidos se enrolla con la otra de izquierda a derecha, dando como resultado una especie de escalera de caracol, o doble hélice dextrógira, con los peldaños casi hori­zontales, en la que el paso de rosca o vuelta de hélice es de unos 34 Å, es decir, cada 10 pares de nucleótidos aproximadamente, lo que coincide con los intervalos mayores de repetición observados en los modelos de difracción de rayos X.

El resultado es una estructura secundaria más estable, con todos los grupos hidrófobos de las bases hacia el interior y los grupos fosfato de cargas negativas y los azúcares polares hacia el exte­rior, lo que confiere a la molécula en conjunto un carácter polianiónico (muchos aniones o iones negativos).

La estabilidad entre las dos cadenas se mantiene por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias, concretamente dos enlaces entre A y T y tres entre G y C, así como por las fuerzas de Van der Waals entre las parejas de bases contiguas.

Este modelo se conoce con el nombre de doble hélice de Watson y Críck y ha sido admitido durante los 25 años siguientes a su publicación como la única estructura posible del ADN, independientemente de cual fuera su composición, secuencia de bases y origen. Hoy día sabemos que existen otros modelos de plegamiento.

Composición y localización

Desde el punto de vista, químico, el ADN puede definirse como un polidesoxirribonucleótido de adenina, guanina, citosina y timina. (Traducido a lenguaje más sencillo: un polímero –molécula formada por la unión de otras- de desoxirribonucleótidos –nucleóticos suya pentosa es desoxirribosa-, que tienen las bases nitrogenadas citadas).

El ADN se encuentra en el núcleo de la célula eucariótica, asociado a proteínas histonas (son núcleo-proteínas) formando los filamentos de cromatina que, poco antes de iniciarse la división celular, se organizan para constituir los cromosomas. Los cromosomas se reparten entre las células hijas y transfieren la información genética de padres a hijos: por lo tanto el ADN es el portador de la información hereditaria.

También se encuentra en el interior de los plastos y de las mitocondrias, aunque organizado de forma diferente, más parecida a la que se haya también en las células procarióticas. En estas cons­tituye su único cromosoma, que se encuentra en el citoplasma, puesto que no hay membrana nuclear que lo separe del resto del contenido celular.

Por último, forma parte de la mayoría de los virus, aunque algunos no contienen ADN, sino ARN. Es el caso del retrovirus del SIDA, del de la polio, etc.

Pasos históricos en el descubrimiento de la estructura del ADN.

La estructura molecular del ADN se ha logrado establecer tras un largo proceso de investigación que abarca desde los años treinta del siglo XX hasta 1953, momento en que James Watson y Francis Crick pro­pusieron su modelo molecular. Este hecho constituyó uno de los hitos más importantes de la his­toria de la Biología, ya que dicho modelo no solo explicaba las propiedades físico-químicas de la molécula, ya conocidas entonces, sino que permitía justificar el papel de la misma como material genético.

Entre los datos disponibles a principios de los años cincuenta, destacaremos algunos de especial relevancia.

Los estudios de difracción con rayos X realizados por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins mostraban que la molécula era un largo filamento de unos 20 Å de diámetro constante. A lo largo de la misma se observaban unos intervalos de repetición de unos 3,4 Å, y otros intervalos superiores de 34 Å. (Recordemos que un Å (Ångström equivale a 0,1 nanómetros)

Se discutía si el filamento podría tener una estructura similar a la hélice de las proteínas, ya des­cubierta por Linus Pauling, que incluso postuló un modelo para el ADN de triple hélice con un núcleo central de pentosafosfato.

Chargaff había comprobado que todo ADN analizado presentaba una composición en nucleótidos tal que la proporción de bases púricas (A-G) era igual a la de bases pirimidínicas (T-C) y, más concreta­mente, que la proporción de adenina era igual a la de timina y la de guanina igual a la de citosina.

Los nucleótidos se unen entre sí para formar  polinucleótidos, de forma que se establece un enlace éster entre el ácido fosfórico en posición 5′ de la pentosa (el azúcar de 5 carbonos, sea ribosa o desoxirribosa) de un nucleótido y el -OH en posición 3′ del nucleótido siguiente.

Por lo tanto los nucleótidos se unen entre sí gracias a los enlaces éster (en realidad fosfoéster) que forman los azúcares y el ácido fosfórico de cada nucleótido.

Podemos decir que de este modo, la cadena polinucleotídica posee dos extremos: el 5′, donde hay un fosfato dispo­nible para enlazar con otro nucleótido libre por su carbono 3′, y otro extremo 3′, por el que se podría añadir otro nucleótido. Por esto se dice que la cadena presenta polaridad, tiene un extremo de inicio y otro de fin.

El criterio establecido por convención es “leer” la cadena desde el extremo 5′ al 3′, por lo que se considera como sentido o polaridad normal la que va de 5′ a 3′. El nucleótido que tiene libre su extremo 5’ es el primero y el que tiene libre el extremo 3’ es el último.

De esta forma se puede considerar cada cadena polinucleotídica como una gran cadena  de nucleótidos, una macromolécula que consta de un esqueleto común (la repetición de  unidades de “pentosa”-“fosfato”), que se repiten a lo largo de toda la estructura, y que de el que salen las bases nitrogenadas características de cada molécula concreta, que es lo único que va cambiando. De esta forma cuando hablamos del orden o secuencia de nucleótidos de un ácido nucléico nos referimos al orden se sus nucleótidos y,para simplificar, al orden de sus bases nitrogenadas (pues es lo que realmente cambia de uno a otro).

La proporción concreta de cada base y el orden o secuencia en que se sitúan es característica, exclusiva, de cada molécula de ácido nucléico y ésta, a su vez, lo es de cada especie de organismo e, incluso, de cada individuo. De ahí que se diga que los ácidos nucléicos poseen especificidad. En realidad, esta especificidad la que determina la de las proteínas que ya conocemos.

Hay que tener en cuenta que  son los ácidos nucléicos y en concreto el ADN, los que determinan , con su secuencia, la composición y secuencia de aminoácidos de todas y cada una de la proteínas de un organismo. Como las proteínas son las responsables de la forma y fisiología de los organismos, Los ácidos nucleicos son los responsables últimos de la anatomía y fisiología de los organismos.

Podemos decir que  los portadores de la información genética son los ácidos nucleícos, que lo hacen en forma de un mensaje codificado en la secuencia (orden y posición) de cada uno de los nucleótidos dentro del polinucleótido en cuestión.

Características generales y tipos.

Los ácidos nucléicos son biomoléculas orgánicas compuestas siempre por C, H, O, N y P.

Se defi­nen químicamente como polirribonucleótidos o polidesoxirribonucleóticos, pues están formados por la repetición de unidades moleculares llamadas nucleótidos. Hay dos tipos de ácidos nucléicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN).

Su nombre se debe a que se encontraron en primer lugar en el interior de los núcleos de las célu­las y se teñían con colorantes biológicos con apetencia por los ácidos, debido a la presencia de ácido fosfórico. Posteriormente, se supo que se encuentran en otras partes (mitocondrias, plastos, ribosomas, citoplasma)de las células eucarióticas –aquellas que tienen núcleo- y en el citoplasma de las procarióticas –células sencillas, sin núcleo-, así como en los virus, que son formas acelulares, y por lo tanto no-vivas.

La función de ambos tipos de ácidos nucléicos está relacionada con el almacenamiento y el empleo de información, así como con su transmisión de unas células a otras, por lo que se dice que constituyen el material genético y son la base molecular de la herencia. Todo lo que biológicamente somos está codificado en el ADN y se expresa a través de la acción conjunta de éste y del ARN.

Composición general.

Nucleósidos y nucleótidos:

Un nucleótido está formado por tres componentes: ácido orto-fosfórico, un monosacárido (una pentosa) y una base orgánica nitrogenada.

El monosacárido puede ser beta-D-ribosa, en cuyo caso se dice que es un ribonucleótido, o beta-D-desoxirribosa, en cuyo caso es un desoxirribonucleótido.

La base nitrogenada es una molécula cíclica que puede derivar de la pirimidina, formada por un solo anillo y de menor tamaño (base pirimidínica), o de la purina, formada por dos anillos y más grande (base púrica). Hay tres tipos principales  de bases pirimidínicas: citosina (C), timina (T) y uracilo (U); y dos tipos de bases púricas: adenina (A) y guanina (G). Resulta de gran interés, sobre todo, constatar la diferen­cia de tamaño existente entre unas y otras. Además de estas bases, en la constitución de los ácidos nucléicos pueden participar otras, muy minoritarias, que suelen ser derivados de las anteriores.

La unión entre la pentosa y la base nitrogenada se establece por un enlace glucosídico, llamado N-glucosídico, entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 de una base pirimidínica, o el nitró­geno 9 de una base púrica, lo que constituye un nucleósido.

La unión del ácido fosfórico y el nucleósido cons­tituye un nucleótido. El enlace entre ellos es de tipo éster y se establece en el carbono 5 de la pentosa.

Resultan así distintas combinaciones que dan lugar a los diferentes nucleótidos. De ellas, solo cua­tro desoxirribonucleótidos forman el ADN y cuatro ribonucleótidos forman el ARN, como se ve a continuación:

Además existen algunos nucleótidos aislados o derivados con gran interés biológi­co como moléculas que almacenan y transfieren energía (ATP, GTP) y coenzimas de oxidorreducción (NAD, FAD) o de otros tipos (CoA).

Las proteínas constituyen el grupo molecular más abundante en la naturaleza, lo cual dificulta su clasificación.

FUNCIONES.

Entre las funciones de las proteínas que se podrían denominar estáticas destacan las siguientes:

• Estructural. Muchas proteínas forman estructuras celulares, como las membranas, las fibras contráctiles, los orgánulos vibrátiles, la sustancia intercelular y las estructuras cutáneas, entre otras.
• Almacén de aminoácidos. Algunas proteínas constituyen una fuente de reserva de aminoácidos, lo que permite la síntesis de proteínas fundamen­talmente durante los procesos embrionarios. Son abundantes, por tanto, en las semillas de vegetales y en los huevos de los animales.
• Las proteínas activas, que componen el grupo más numeroso y complejo, realizan múltiples funciones:
  • Fisiológica. Este grupo comprende las proteínas que intervienen en los movimientos, los procesos homeostáticos (incluido el mantenimiento del pH), el transporte de otras moléculas, hormonas, etc.
  • Regulación genética. Algunas proteínas participan en los procesos de activación e inactivación de la información genética.
  • Catalizadora. Las proteínas que se incluyen en este grupo reciben el nombre de enzimas. Actúan como biocatalizadores favoreciendo las reacciones químicas que se producen en los seres vivos.
  • Inmunitaria. Ciertas proteínas proporcionan la identidad molecular de
    los organismos vivos (antígenos), mientras que otras (anticuerpos) rechazan
    cualquier molécula extraña que se introduzca en ellos.

CLASIFICACIÓN.

Aunque en ocasiones se emplea una clasificación basada en las funciones de las proteínas, con frecuencia se recurre a otros criterios, como su composición y complejidad, que permiten dividirlas en dos grandes grupos:

• Holoproteínas o proteínas simples. Están formadas únicamente por cadenas polipeptídicas, ya que en su hidrólisis (descomposición en subunidades) sólo se obtienen aminoácidos. Dicho de otra forma: están formadas exclusivamente por aminoácidos.
• Heteroproteínas, proteínas complejas o conjugadas. Además de las cadenas polipeptídicas, están compuestas también por una parte no proteica que se denomina grupo prostético.

Holoproteínas.

Según su estructura tridimensional, las holoproteínas se subdividen en proteínas globulares (redondeadas, con un alto grado de plegamiento y normalmente solubles) y fibrilares (lineales, con una estructura terciaria menos compleja e insolubles).

Algunas proteínas con estructura globular pueden adquirir estructura fibrilar y hacerse insolubles. Éste es el caso de la transformación de fibrinógeno en fibrina durante el proceso de la coagulación sanguínea. Los filamentos de fibrina crean una red donde los glóbulos rojos quedan atrapados y forman el coágulo.

Entre las proteínas globulares destacan las siguientes:

• Albúminas. Constituyen un grupo de proteínas grandes, que desempeñan funciones de transporte de otras moléculas o de reserva de aminoácidos. Se pueden diferenciar a su vez en lactoalbúminas, ovoalbúminas y sero-albúminas, según se localicen en la leche, en la clara de huevo o en el plasma sanguíneo, respectivamente. Son las proteínas más grandes, pudiendo llegar a alcanzar masas moleculares de 1000 000. Como su nombre indica, su forma globular es muy perfecta. Se incluyen en este grupo algunas heteroproteínas, como la hemoglobina.
• Histonas. Poseen una masa molecular baja y contienen una gran pro­porción de aminoácidos básicos. Asociadas al ADN, forman parte de la cromatina y desempeñan un papel muy importante en los procesos de regulación génica,

Las proteínas fibrilares realizan generalmente funciones estructurales. Se incluyen en este grupo algunas proteínas muy conocidas:

• Queratina. Presente en las células de la epidermis de la piel y en estructuras cutáneas como pelos, plumas, uñas y escamas, es una proteína rica en el aminoácido cisteína.
• Colágeno. Su resistencia al estiramiento justifica su presencia en los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo. Posee una estructura secundaria característica compuesta por tres cadenas trenzadas.
• Miosina. Esta proteína participa activamente en la contracción de los músculos.
• Elastina. Como su nombre indica, posee una gran elasticidad que le permite recuperar su forma tras la aplicación de una fuerza. Debido a esta propiedad, la elastina se encuentra en órganos sometidos a deformaciones reversibles, como los pulmones, las arterias o la dermis de la piel.

Heteroproteínas.

Según la naturaleza del grupo prostético, las heteroproteínas se clasifican en fosfoproteínas, glucoproteínas, lipoproteínas, cromoproteínas y nucleoproteínas.

• Fosfoproteínas. Su grupo prostético es el ácido ortofosfórico. Ejemplos de fosfoproteínas son la vitelina, presente en la yema de huevo, y la caseína, abundante en la leche y proteína principal del queso.
• Glucoproteínas. Su grupo prostético está formado por un glúcido. Se encuentran en las membranas celulares, donde desempeñan una función antigénica. Las gammaglobulinas con función de anticuerpos son, así mismo, glucoproteínas. También se incluyen en este grupo el mucus protector de los aparatos respiratorio y digestivo, algunas hormonas y el líquido sinovial presente en las articulaciones.
• Lipoproteínas. Su grupo prostético es un lípido. Aparecen en las paredes bacterianas y en el plasma sanguíneo, donde sirven como transportadores de grasas y colesterol.
• Cromoproteínas. Tienen como grupo prostético una molécula compleja que posee dobles enlaces conjugados, lo que les confiere color. Hemoglobina, porfirina, hemocianina, citocromos… pertenecen a este grupo.
• Nucleoproteínas. Su grupo prostético está formado por ácidos nucleídos. Las nucleoproteínas constituyen la cromatina y los cromosomas.

Solubilidad

Normalmente, las proteínas con estructura terciaria fibrilar (alargada) son insolubles en agua, mientras que las que poseen estructura globular (redondeadas) son solubles. Debido a su elevada masa molecular, cuando las proteínas son solubles forman disolu­ciones coloidales. En ellas, muchos de los aminoácidos apolares se sitúan en el interior de la estructura, y los polares, que pueden unirse por puentes de hidrógeno a las moléculas de agua, se localizan en la periferia en contacto con éstas. Existe, pues, una capa de agua alrededor de cada molécula proteica que impide la unión entre ellas (solvatación o hidratación). Si esta capa se pierde, las moléculas de proteína se unen entre sí y forman un agregado insoluble, lo que provoca su precipitación. Esto ocurre cuando aparecen iones (generalmente sales en disolución) que compiten con las cargas de los amino­ácidos para unirse a las moléculas de agua de la capa de solvatación.

Alteración de la estructura espacial

La función biológica de las proteínas depende de su estructura tridi­mensional, también denominada conformación nativa cuando está intacta. Cualquier cambio que suponga una alteración de esta conformación, como sucede, por ejemplo, cuando se rompen los enlaces de la estructura cuaternaria, terciaria y secundaria, afecta a la funcionalidad biológica de la proteína. Este proceso recibe el nombre de desnaturalización y puede ser reversible (si los factores responsables han actuado con escasa intensidad y durante poco tiempo) o irreversible. En el primer caso es posible recuperar la conformación nativa cuando cesa la acción de los factores que han producido su desnaturalización, proceso conocido como renaturalización.

Habitualmente, sin embargo, la desnaturalización suele ser irreversible.

Entre los factores que pueden provocar la desnaturalización proteica se encuentran las variaciones de presión y el aumento de temperatura (agentes físicos) y las variaciones de pH, así como los cambios en la concentración salina (agentes químicos). El efecto del calor sobre la clara de huevo es evidente cuando lo cocemos o freímos.

La adición de cantidades crecien­tes de sales a una mezcla de pro­teínas en disolución permite la separa­ción de éstas. Las proteínas que tienen pocas cargas en su periferia para man­tener la capa de solvatación precipitan enseguida, ya que esta capa es elimina­da por las sales ionizadas. Sin embargo, las proteínas muy solubles necesitan una cantidad de sales mayor para per­der su capa de solvatación. Se produce, por tanto, una precipitación fraccio­nada que, tras una filtración, permite la separación de mezclas de proteínas solubles.

Especificidad

Las proteínas son moléculas específicas, es decir, cada especie biológica posee algunas proteínas que otros organismos no tienen. Incluso proteínas que presentan la misma función y una estructura tridimensional muy semejante suelen tener una secuencia peptídica algo diferente en distintos organismos. Este hecho posee una gran importancia, ya que el análisis de las semejanzas que existen entre algunas proteínas de diversos grupos de seres vivos permite llevar a cabo estudios filogenéticos y establecer el parentesco evolutivo entre especies.

La especificidad proteica se observa incluso en individuos de una misma especie.

La actividad biológica de una proteína depende en gran medida de la disposición espacial de su cadena polipeptídica. Efectivamente, la cadena polipeptídica sufre una serie de plegamientos que la capacitan para llevar a cabo su función biológica. Estos plegamientos proporcionan una complejidad extraordinaria a la estructura de las proteínas, para la que se han descrito cuatro niveles diferentes, conocidos como estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria, cada uno de los cuales se construye a partir del nivel anterior.

Estructura primaria de las proteínas.

Se denomina de esta forma la secuencia de los aminoácidos en la cadena polipeptídica. El número, el tipo y el orden o la secuencia de los aminoácidos que constituyen la estructura primaria son distintos en cada proteína. Siempre existe un extremo con un aminoácido-cuyo grupo amino está libre y otro extremo con un aminoácido con su grupo carboxilo libre. Por convenio, los aminoácidos de la cadena se numeran comenzando por el que posee el extremo amino libre.

Estructura secundaria.

Aunque la disposición de la cadena polipeptídica en el espacio puede adoptar múltiples formas, existe una conformación más estable que ninguna otra que, lógicamente, es la que se mantiene. Este plegamiento estable se denomina estructura secundaria, de la que existen dos tipos básicos. En las proteínas coexisten ambos, aunque uno de ellos puede predominar sobre el otro. Se ha comprobado que ciertas combinaciones de las dos estructuras (conocidas como dominios estructurales) son tan estables que se encuentran presentes en muchas proteínas, incluso con funciones distintas.

Los dos tipos básicos de estructuras secundarias son la alfa hélice y la lámina plegada o lámina beta.

Estructura en alfa hélice

Consiste en un plegamiento en espiral de la cadena polipeptídica sobre sí misma. Este enrollamiento sigue el sentido de giro de las agujas del reloj y contiene 3,6 aminoácidos por cada vuelta.

La expresión «3,6 aminoácidos» indica que en una vuelta completa de la hélice hay tres aminoácidos y parte de otro, cuya segunda porción pertenece a la siguiente vuelta.

El plegamiento se mantiene estable por medio de puentes de hidrógeno entre el grupo amino (que forma parte de un enlace peptídico) de un amino­ácido y el grupo carboxilo (que forma parte de otro enlace peptídico) del cuarto aminoácido que le sigue en la cadena lineal.

Si estos enlaces se rompen, la estructura secundaria se pierde.

Las cadenas laterales de los aminoácidos no intervienen en los enlaces y aparecen proyectadas hacia la parte externa de la alfa-hélice.

Lámina plegada

También se conoce como estructura beta, porque la beta queratina, presente en uñas, pelos y plumas, constituye un ejemplo característico. El plegamiento, en este caso, no origina una estructura helicoidal, sino una especie de fuelle o lámina plegada en zigzag, originada por el acoplamiento de segmentos de la misma cadena polipeptídica o de distintas cadenas, unidos entre sí por puentes de hidrógeno transversales análogos a los que estabilizan la alfa-hélice.

Además de la a-hélice y de la lámina plegada existen otros tipos de estructura secundaria, como la triple hélice del colágeno. En ella se asocian tres cadenas trenzadas que originan una triple hélice.

Estructura terciaria.

Resulta del plegamiento sobre sí misma de la estructura secundaria. De la estructura terciaria depende la función de la proteína, por lo que cualquier cambio en la disposición de esta estructura puede provocar la pérdida de su actividad biológica.

La estructura terciaria es, por tanto,  un conjunto de plegamientos característicos que se originan por la unión entre determinadas zonas de la cadena polipeptídica. Estas uniones se realizan por medio de enlaces entre las cadenas laterales R de los aminoácidos.

Los enlaces pueden ser de cuatro tipos:

• Puentes disulfuro. Constituyen fuertes enlaces covalentes entre dos grupos — SH que pertenecen a sendos aminoácidos “cisteina”.
• Fuerzas electrostáticas. Se trata de enlaces de tipo iónico entre grupos con cargas eléctricas opuestas.
• Puentes de hidrógeno. Se establecen entre grupos polares no iónicos en los que existen cargas parciales en su cadena lateral.
• Fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas. Son las uniones más débiles y se producen entre aminoácidos apolares.

De lo anterior se deduce que la sustitución de un aminoácido por otro en la cadena polipeptídica puede alterar la estructura tridimensional de la proteína, al no formarse alguno de los enlaces citados, y modificar, en conse­cuencia, los plegamientos, tanto en el nivel secundario como en el terciario. Resulta evidente, pues, la enorme importancia que tiene la estructura primaria en la adquisición de la correcta estructura espacial de la proteína.

Estructura cuaternaria.

En ocasiones existe otro nivel estructural por encima del anterior. Esto ocurre únicamente cuando la proteína está constituida por más de una cadena polipeptídica, denominadas en este caso subunidades proteicas.

La estructura cuaternaria es, sencillamente, la disposición relativa que adoptan las subunidades proteicas entre sí. La unión entre ellas se realiza mediante los mismos tipos de enlaces que mantienen la estructura terciaria, establecidos esta vez entre las cadenas laterales de los aminoácidos de las distintas subunidades.

El grupo carboxilo de un aminoácido puede interaccionar con el grupo amino de otro, quedando unidos ambos aminoácidos y liberándose una molécula de agua. El enlace formado se denomina enlace peptídico y el compuesto así obtenido se denomina dipéptido.

El mecanismo de esta reacción es el siguiente:

El grupo carboxilo del primer aminoácido se combina con el grupo amino del segundo y se libera una molécula de agua, quedando formando el dipéptido correspondiente.

La atracción entre el grupo carboxilo y el grupo amino permite su unión y la formación de una molécula de agua, que se libera. Quedan, entonces, el átomo de carbono del grupo carboxilo y el nitrógeno del grupo amino, con valencias libres que emplean para unirse entre sí.

Se trata de un proceso de condensación semejante al que tiene lugar entre los monosacáridos o en la formación de los lípidos saponificables.

El enlace creado es de tipo amida y se denomina enlace peptídico. A su vez, este enlace puede ser hidrolizado separándose los dos aminoácidos.

El enlace peptídico se estabiliza porque los átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno comparten electrones, lo que hace que aparezcan dos formas reso­nantes

Las formas resonantes tiende a configurar enlaces muy resistentes como es el caso que nos ocupa. Enlace carbono-nitrógeno del grupo peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace, lo que hace que el grupo de átomos que participa en él sea plano.  Se puede afirmar, por tanto, que el enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace.

Este hecho impide que se efectúen torsiones alrededor del enlace peptídico, lo que determina que los átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno se sitúen en el mismo plano.

El dipéptido puede unirse a otro-aminoácido, pues sigue teniendo un grupo carboxilo y un grupo amino libres. En la unión se liberaría otra molécula de agua y se formaría un tripéptido. De nuevo, éste podría seguir adicionando nuevos aminoácidos y dar lugar a tetrapéptidos, pentapéptidos, etc. La unión de muchos aminoácidos constituye un polipéptido.

Se puede observar que en los enlaces peptídicos no participan los radicales de los aminoácidos, que quedan «colgando» del polipéptido.

Péptidos de interés biológico.

Existen algunos péptidos cortos con función biológica. Entre ellos podemos citar el tripéptido glutatión (que actúa como transportador de hi­drógeno en algunas reacciones metabólicas), los nanopéptidos oxitocina y vasopresina (con actividad hormonal) o los decapéptidos tirocidina, gramicidina y valinomicina (antibióticos).

En algunos de ellos existen D-amino-ácidos que pueden ser cíclicos y en cuyos enlaces peptídicos pueden inter­venir grupos carboxilo de las cadenas laterales.

En alimentación se están estudiando algunos péptidos que tienen efectos interesantes y que se han venido en denominar “péptidos bioactivos”.

Efectos de los péptidos bioactivos:

• Efectos sobre el sistema digestivo: Se han aislado péptidos con actividad opiácea y que actúan como moduladores exógenos de la motilidad gastrointestinal, permeabilidad intestinal y liberación de hormonas intestinales, por ejemplo las casomorfinas.
• Efectos inmunomoduladores y antimicrobianos: por ejemplo el Met-enkephalin, que altera la respuesta inmune y retrasa la respuesta de hipersensibilidad cutánea. Como ejemplo de actividad antimicrobiana, podemos citar a la isracidina.
• Péptidos con efectos sobre el sistema cardiovascular con actividad anti hipertensiva derivados de la caseína de la leche.

Las propiedades de los aminoácidos derivan de su estructura química.

Recordemos que son moléculas que cuentan con un grupo ácido (carboxilo) –COOH y un grupo amina –HN2. Estos grupos están unidos a un carbono denominado carbono a. Este carbono se une también a un átomo de hidrógeno (H) y a una cadena lateral variable que identifica y da propiedades características a cada uno de los aminoácidos.

Entre las propiedades de los aminoácidos se pueden destacar las siguientes:

Carácter anfótero. Una molécula se denomina anfótera cuando puede comportarse como un ácido o como una base dependiendo del pH del medio donde se encuentre. Éste es el caso de los aminoácidos: al tener un grupo carboxilo pueden desprender protones (H+) por lo que tienen carácter ácido; por otra parte, al poseer un grupo amino, son capaces de aceptar protones (H+) y, por tanto, también tienen carácter  básico.

Al pH existente habitualmente en los medios biológicos, cercano a la neutralidad (pH=7)  ambos grupos suelen estar ionizados y los amino­ácidos aparecen como iones dobles (esto se suele llamar ión zwitterión, que procede del griego “hermafrodita”).

A un pH más ácido, los aminoácidos tendrán carga neta positiva, pues los H+ del medio son captados por el grupo carboxilo ionizado, neutralizando éste y quedando únicamente la carga del grupo amino.

Por el contrario, en un pH más básico, el grupo amino cederá un H+ al medio y el aminoácido quedará con carga negativa.

La cadena lateral (R) puede tener grupos ionizables que participan en la carga eléctrica del aminoácido.

El valor de pH para el cual un aminoácido tiene carga neta 0, es decir, posee tantas cargas positivas como negativas, se denomina punto isoeléctrico. Como cada aminoácido pre­senta un punto isoeléctrico di­ferente, ya que posee cadenas laterales distintas, se puede uti­lizar un método de separación de aminoácidos, denominado electroforesis, que se basa en este concepto. Dicho método consiste en situar una disolu­ción de los aminoácidos que se quieren separar en un campo eléctrico. Los aminoácidos con carga neta negativa se despla­zarán hacia el ánodo, mientras que los que tengan carga posi­tiva lo harán hacia el cátodo y los que se encuentren en su punto isoeléctrico no se mo­verán. Al modificar el pH de la disolución, las cargas de los aminoácidos irán variando y se podrán separar en el campo eléctrico.

Estereoisomería. Como el carbono a es asimétrico existen dos estéreo-isómeros con distinta actividad óptica. Para diferenciar ambos isómeros en una fórmula plana, se escribe la cadena lateral R hacia arriba y los grupos amino y carboxilo a ambos lados del carbono a: el grupo amino se sitúa a la derecha para representar el estereoisómero D y a la izquierda para representar el estereoisómero L.

Todos los aminoácidos proteinogénicos son isómeros L, aunque es posible encontrar D-aminoácidos en determinados compuestos biológicos, en la pared bacteriana o en ciertos antibióticos.

Existen ciertos procesos metabólicos que permiten sintetizar aminoácidos, lo que quiere decir que se pueden obtener a partir de otras moléculas. Sin embargo, esto no siempre es posible, ya que algunos aminoácidos no se pueden sintetizar y es nece­sario obtenerlos a través de los alimentos. Estos aminoácidos se denominan amino­ácidos esenciales y son diferentes para cada especie. En el ser humano se consideran esenciales ocho aminoácidos,, aunque el número según algunos autores podría ascender hasta 10.

La pérdida de la capacidad de síntesis podría ser una respuesta adaptativa ante la fácil disponibilidad de un determinado aminoácido en la dieta, por lo que no sería necesaria su síntesis endógena.

Características generales.

Las proteínas constituyen el grupo de moléculas orgánicas más abundantes en los seres vivos, ya que, por término medio, suponen el 50% del peso celular en seco. Su importancia, sin embargo, no radica exclusivamente en su abundancia, sino también en las variadas funciones biológicas que desempeñan, ya sea en calidad de moléculas estructurales o como partícipes en multitud de procesos: transporte de otras moléculas, movimiento, regulación hormonal, etc. Destaca especialmente su acción como catalizadores en las reacciones metabólicas imprescindibles para el mantenimiento de los procesos vitales. Por el contrario, no se suelen emplear para producir energía, o como moléculas de reserva energética (salvo que sea absolutamente necesario debido a la falta de moléculas energéticas, sean glúcidos o lípidos).

Una característica fundamental de las proteínas es su especificidad, lo cual quiere decir que cada especie posee sus propias proteínas, es más, cada organismo posee algunas proteínas exclusivas que marcan su identidad biológica. Hasta tal punto esto es así que, en el caso de los gemelos idénticos o univitelinos (individuos que proceden de un único cigoto y, por consiguiente, presentan los mismos genes), las proteínas de ambos son las mismas y las características biológicas hereditarias son prácticamente idénticas.

Las proteínas son polímeros, denominados polipéptidos, constituidos por la unión mediante enlace peptídico de unas moléculas más sencillas (monómeros) llamadas aminoácidos.

Los aminoácidos.

La hidrólisis (ruptura) de las proteínas libera unas moléculas, denominadas amino­ácidos, cuya unión origina las cadenas polipeptídicas. Esto significa, en lenguaje más sencillo que los aminoácidos son los constituyentes de las proteínas.

Los aminoácidos que constituyen las proteínas se llaman aminoácidos proteinogénicos. Son a-aminoácidos, pues el grupo amino está unido al carbono a, el contiguo al grupo carboxílico. Existen 20 aminoácidos distintos de este tipo, que se diferencian por el otro grupo unido al carbono a,el llamado grupo R o cadena lateral. De estos 20, los seres humano sólo podemos sintetizar 10. Los restantes se llaman aminoácidos esenciales y deben ser ingeridos con la dieta, pues su carencia deriva en enfermedades diversas. Una alimentación equilibrada contiene todos los aminoácidos necesarios.

En los seres vivos se han encontrado unos 150 aminoácidos que no forman parte de las cadenas proteicas, pero que desempeñan funciones propias. Entre estos amino­ácidos no proteicos figuran algunos neurotransmisores, como el ácido 7-aminobutírico; ciertos precursores vitamínicos, como la 3-alanina, precursora del ácido pantoténico, y moléculas que participan en determinadas reacciones bioquímicas (citrulina).

En las plantas superiores y en los hongos, se ha descrito una gran variedad de aminoácidos no proteicos, cuya función se desconoce en muchos casos.