Los L-α-aminoácidos constituyen los componentes fundamentales de las proteínas, que se organizan en largas cadenas polipeptídicas mediante enlaces peptídicos que unen el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo del siguiente. Esta organización permite que las proteínas adopten estructuras tridimensionales específicas, esenciales para la diversidad funcional que exhiben en los organismos vivos. Sin embargo, la importancia de los aminoácidos trasciende la mera construcción de proteínas. Estas moléculas y sus derivados participan activamente en procesos celulares críticos, tales como la transmisión de señales en el sistema nervioso, la síntesis de compuestos bioquímicos esenciales y la formación de estructuras moleculares fundamentales. Entre estos procesos se incluyen la producción de porfirinas, que son componentes esenciales de la hemoglobina y otras proteínas que transportan oxígeno; la síntesis de purinas y pirimidinas, que constituyen las bases nitrogenadas del ADN y del ARN; y la generación de urea, un metabolito indispensable para la eliminación del exceso de nitrógeno del organismo.
En el ámbito del sistema neuroendocrino, los aminoácidos forman polímeros cortos conocidos como péptidos, los cuales actúan como mensajeros químicos, cumpliendo funciones de hormonas, factores liberadores de hormonas, neuromoduladores y neurotransmisores. Esta versatilidad química permite a los aminoácidos influir en la regulación de numerosos procesos fisiológicos, desde la homeostasis metabólica hasta la comunicación celular en tejidos especializados.
Aunque en la naturaleza se han identificado más de trescientas variedades de aminoácidos, las proteínas de todos los seres vivos se construyen casi exclusivamente a partir de veinte L-α-aminoácidos estándar, los cuales están codificados directamente por el código genético. La incorporación de cada aminoácido en una proteína está determinada por la secuencia específica de tripletes de nucleótidos, denominados codones, presentes en el ARN mensajero. Dado que existen sesenta y cuatro codones posibles y solo veinte aminoácidos codificados, varios codones pueden especificar el mismo aminoácido, fenómeno conocido como degeneración del código genético.
Los seres humanos, al igual que otros organismos, requieren ciertos aminoácidos que no pueden sintetizar en cantidades suficientes para sostener el crecimiento y mantener la salud. Estos aminoácidos, denominados esenciales, deben obtenerse obligatoriamente a través de la dieta. Su deficiencia compromete la síntesis proteica y puede alterar procesos fisiológicos fundamentales.
Más allá de los veinte aminoácidos clásicos, existe un aminoácido especial llamado selenocisteína, estructuralmente similar a la cisteína, pero con un átomo de selenio en lugar de azufre en su cadena lateral. A pesar de no estar incluido en la lista estándar, la selenocisteína se incorpora directamente en las proteínas mediante un mecanismo de traducción específico, motivo por el cual se le conoce como el “aminoácido número veintiuno”. Las proteínas que contienen selenocisteína, denominadas selenoproteínas, cumplen funciones esenciales en todos los seres vivos, incluyendo los humanos. Entre sus roles destacan la actividad antioxidante de ciertas peroxidasas y reductasas, la capacidad de transporte y almacenamiento de selenio en el plasma gracias a la selenoproteína P, y la regulación hormonal mediante las yodotironina desyodinasas, que transforman la hormona tiroidea inactiva T4 (tiroxina) en su forma activa T3 (triyodotironina).
Estructura y propiedades
Cada aminoácido presenta una estructura fundamental que define su identidad y su comportamiento químico. En su núcleo se encuentra un átomo de carbono central, denominado carbono alfa, al cual se unen cuatro grupos distintos: un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y una cadena lateral variable, conocida como grupo R. Esta disposición tetraédrica convierte al carbono alfa en un centro quiral cuando los cuatro sustituyentes son diferentes, lo que significa que puede existir en dos formas que son imágenes especulares no superponibles, de manera análoga a la relación entre una mano derecha y una mano izquierda. La glicina constituye la única excepción a esta regla, ya que su cadena lateral es simplemente un hidrógeno; como consecuencia, el carbono alfa de la glicina posee dos hidrógenos idénticos y carece de quiralidad.
En la naturaleza, aunque teóricamente podrían existir aminoácidos con configuración dextrógira o levógira, las proteínas biológicas utilizan exclusivamente aminoácidos con configuración L, homólogos al L-gliceraldehído, razón por la cual se les denomina L-α-aminoácidos. Este patrón uniforme de quiralidad es crucial para la formación correcta de las estructuras tridimensionales de las proteínas y para la función biológica de estas macromoléculas. Gracias a los avances en biotecnología y biología molecular, es posible introducir de manera controlada aminoácidos no naturales en proteínas mediante ingeniería genética, lo que permite generar proteínas recombinantes con propiedades novedosas o mejoradas y explorar con mayor profundidad las relaciones entre estructura y función.
Los L-α-aminoácidos desempeñan un papel central en el metabolismo y la fisiología de los organismos. Su función más conocida es servir como bloques de construcción de las proteínas, enlazándose mediante enlaces peptídicos para formar largas cadenas polipeptídicas que luego se pliegan en conformaciones específicas, determinantes de la función biológica de la proteína. Sin embargo, su importancia va más allá de la síntesis proteica. Muchos aminoácidos pueden degradarse para proporcionar energía cuando el organismo lo necesita, actuando como fuentes metabólicas flexibles. Además, son precursores de numerosos compuestos esenciales, incluyendo neurotransmisores como la serotonina y la dopamina, hormonas, bases nitrogenadas para ácidos nucleicos como purinas y pirimidinas, y componentes del hemo, fundamental para el transporte de oxígeno. También intervienen en la regulación del metabolismo, facilitando el transporte y almacenamiento de nitrógeno y carbono, y sirven como moléculas de partida para la síntesis de biomoléculas clave como el glutatión, la creatina y otros metabolitos esenciales.
Aunque los L-aminoácidos predominan en los seres vivos, algunas versiones en “espejo” de estos, conocidas como D-aminoácidos, también aparecen de forma natural y cumplen funciones especializadas. Por ejemplo, la D-serina y el D-aspartato se encuentran en el cerebro humano, donde modulan la comunicación neuronal y la actividad de los receptores de glutamato, influyendo en procesos cognitivos como la memoria y el aprendizaje. En el ámbito microbiológico, la D-alanina y el D-glutamato son componentes estructurales de las paredes celulares de bacterias grampositivas, proporcionando resistencia frente a enzimas degradativas y contribuyendo a la integridad celular. Otros D-aminoácidos forman parte de péptidos y antibióticos naturales producidos por bacterias, hongos, reptiles y anfibios, aumentando su estabilidad frente a la degradación enzimática y potenciando su actividad biológica.
Los aminoácidos poseen la capacidad de presentar una carga neta positiva, negativa o nula, dependiendo del estado de ionización de sus grupos funcionales. Cada molécula contiene, al menos, un grupo amino básico y un grupo carboxilo ácido, capaces de aceptar o ceder protones según el pH del medio. Cuando un aminoácido contiene un número equilibrado de cargas positivas y negativas, se encuentra eléctricamente neutro; esta forma se denomina zwitterión. Los zwitteriones constituyen un ejemplo de especie isoeléctrica, es decir, una forma molecular que posee igual cantidad de cargas opuestas y, por lo tanto, carece de carga neta. Esta propiedad es fundamental, ya que influye en la solubilidad y en la interacción de los aminoácidos con su entorno.
Gracias a los grupos funcionales ionizables, los aminoácidos son altamente solvatables por disolventes polares, como el agua o el etanol, pero tienden a ser insolubles en disolventes apolares, como el benceno, el hexano o el éter. Esta característica explica por qué las proteínas y péptidos son capaces de mantenerse estables en medios acuosos y participar en la gran diversidad de reacciones bioquímicas que ocurren en el citosol celular.
Desde el punto de vista óptico, los aminoácidos en general son moléculas incoloras, ya que carecen de grupos cromóforos que absorban luz visible. No obstante, los aminoácidos aromáticos —tirosina, fenilalanina y triptófano— poseen anillos con electrones π que interactúan con la radiación ultravioleta en el rango de 250 a 290 nanómetros. Entre ellos, el triptófano es especialmente eficiente, absorbiendo luz aproximadamente diez veces más que la fenilalanina o la tirosina. Esta propiedad espectroscópica se aprovecha en bioquímica para cuantificar proteínas mediante espectrofotometría, ya que la intensidad de absorción alrededor de 280 nanómetros refleja la concentración de aminoácidos aromáticos en la molécula proteica.
Cada aminoácido conserva las propiedades químicas típicas de sus grupos funcionales, aun cuando estos estén unidos al carbono alfa. El grupo carboxilo puede comportarse como un ácido, formando ésteres con alcoholes, amidas con aminas y anhídridos al reaccionar con otros ácidos. El grupo amino, por su parte, puede actuar como base o nucleófilo y participar en reacciones de acilación, amidación o esterificación bajo condiciones específicas. Otros grupos, como los hidroxilos y tioles presentes en ciertas cadenas laterales, también son reactivos: el grupo tiol de la cisteína puede oxidarse para formar enlaces disulfuro, contribuyendo a la estabilidad tridimensional de las proteínas, mientras que ambos grupos pueden dar lugar a ésteres mediante reacciones con ácidos.
La glicina ocupa un lugar especial entre los aminoácidos debido a su simplicidad estructural: su cadena lateral es únicamente un átomo de hidrógeno. Esta característica la convierte en la molécula más pequeña y flexible, capaz de adoptar torsiones y giros imposibles para aminoácidos con cadenas laterales voluminosas. Durante el plegamiento proteico, existen regiones que requieren ángulos muy cerrados para estabilizar giros y curvas específicos de la estructura tridimensional. La presencia de glicina en estos sitios permite que la proteína se pliegue sin generar tensiones estructurales, asegurando la conformación final correcta y la estabilidad de la molécula. Sin la contribución de la glicina, ciertos pliegues críticos serían inestables o incluso inviables, afectando la función biológica de la proteína.
La estructura primaria de una proteína constituye la base fundamental de toda su arquitectura y función, pues consiste simplemente en la secuencia lineal de aminoácidos que la integran. Esta secuencia puede compararse con un alfabeto molecular: el orden preciso de los aminoácidos dicta el modo en que la cadena polipeptídica se plegará, interaccionará con su entorno y llevará a cabo su función biológica. Cada aminoácido se une al siguiente mediante un enlace peptídico, un enlace covalente que se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, generando una cadena continua llamada polipéptido.
La longitud de la cadena, determinada por el número de aminoácidos, influye directamente en el tamaño y la complejidad de la proteína, mientras que el tipo y la secuencia específica de los aminoácidos condicionan la formación de regiones estructurales particulares, que luego se transformarán en la conformación tridimensional final. Incluso un cambio mínimo, como la sustitución de un solo aminoácido, puede alterar significativamente la estructura y, por ende, la función de la proteína, lo que subraya la precisión requerida en la síntesis proteica.
En los mamíferos, la mayoría de las hormonas peptídicas están formadas por los veinte aminoácidos codificados genéticamente, unidos mediante enlaces peptídicos convencionales. No obstante, ciertos péptidos pueden incorporar aminoácidos modificados o enlaces especiales, lo que les confiere propiedades químicas y biológicas particulares, ampliando así la diversidad funcional de estas moléculas.
Durante la síntesis proteica, el plegamiento no espera a que la cadena completa se haya formado; la proteína comienza a adoptar conformaciones locales mientras se elongan los polipéptidos en el ribosoma. Este proceso inicial da lugar a estructuras secundarias repetitivas y estables, como las hélices alfa y las láminas plegadas beta. En la hélice alfa, la cadena polipeptídica se enrolla en espiral, estabilizada por enlaces de hidrógeno internos, mientras que en la lámina beta, la cadena se extiende y se pliega en forma de láminas paralelas o antiparalelas, unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, adoptando una estructura similar a un acordeón. Estas configuraciones secundarias proporcionan el andamiaje sobre el cual la proteína logra su estructura tridimensional final, que es esencial para su actividad biológica.
Es importante destacar que el enlace peptídico, que conecta aminoácidos adyacentes, no posee carga a pH fisiológico. Cada enlace peptídico implica la pérdida de un grupo amino con carga positiva y un grupo carboxilo con carga negativa, lo que significa que la formación de un polipéptido neutraliza parcialmente las cargas de los grupos funcionales de los aminoácidos individuales. Sin embargo, los péptidos y proteínas pueden presentar carga neta a pH fisiológico gracias a la presencia de los grupos terminales —el extremo amino, o N-terminal, y el extremo carboxilo, o C-terminal— así como a los grupos laterales de ciertos aminoácidos ácidos o básicos. Estas cargas residuales son determinantes para la solubilidad, la interacción con otras moléculas y la conformación final de la proteína.
Fuente y lecturas recomendadas:
- Kennelly, P. J., Botham, K. M., McGuinness, O. P., Rodwell, V. W., & Weil, P. A. (2023). Harper. Bioquímica ilustrada (32.ª ed.). McGraw Hill.
- Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2017). Lehninger principles of biochemistry (7th ed.). W. H. Freeman.
- Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2013). Bioquímica (7.ª ed.). Editorial Reverté.
- McKee, T., & McKee, J. R. (2020). Bioquímica: Las bases moleculares de la vida (7.ª ed.). McGraw-Hill.
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