El papel biológico de los aminoácidos, proteínas y péptidos en el correcto funcionamiento y la regeneración del cuerpo

Aminoácidos de diferente longitud y secuencia pueden formar dímeros y polímeros. Dependiendo del número de residuos de aminoácidos en la cadena polimérica, los polímeros se dividen en péptidos y proteínas. Los péptidos contienen en su estructura alrededor de 50 aminoácidos, mientras que las proteínas presentan en una o más cadenas un número mayor de residuos de aminoácidos que los péptidos. Tanto los aminoácidos como las proteínas y los péptidos desempeñan un papel importante para el correcto funcionamiento del organismo. Gracias a las terapias peptídicas modernas, es posible favorecer la regeneración del organismo.

Palabras clave: Péptido · Aminoácido · Proteína · α-Hélice · β-Hoja · Cadena no polar · Alanina · Valina · Leucina · Isoleucina · Fenilalanina · Triptófano · Metionina · Prolina · Glicina · Serina · Treonina · Tirosina · Cisteína · Asparagina · Glutamina · Ácido aspártico · Ácido glutámico · Configuración · Conformación · Dipeptido · Oligopéptido · Enlace peptídico · Hormona del crecimiento Lista de abreviaturas: ACTH - Adrenocorticotropina; CRH - Corticoliberina; POMC - Proopiomelanocortina; MMC - Complejo motor migratorio; GRPP - Polipéptido pancreático dependiente de glicentina; HGH - Hormona del crecimiento

Lista de abreviaturas: ACTH - Adrenocorticotropina; CRH - Corticoliberina; POMC - Proopiomelanocortina; MMC - Complejo motor migratorio; GRPP - Polipéptido pancreático dependiente de glicentina; HGH - Hormona del crecimiento

El papel biológico de los aminoácidos, las proteínas y los péptidos para el correcto funcionamiento y la regeneración del organismo se ilustrará a continuación, para aclarar su mecanismo de acción y las posibilidades terapéuticas.

Caracterización de los aminoácidos

Los aminoácidos son uno de los componentes más estudiados de los organismos vivos y se presentan como derivados de los ácidos orgánicos, en los que al menos un átomo de hidrógeno es sustituido por un grupo amino. Son componentes ampliamente distribuidos, presentes tanto en forma libre como ligada, en el caso de péptidos o proteínas. Cada aminoácido presente en las proteínas, con la excepción de la prolina y la hidroxiprolina, posee un grupo amino unido al carbono α y una cadena lateral R, que puede tener una estructura diferente y que está conectada al mismo átomo de carbono.

[caption id="attachment_626" align="aligncenter" width="600"] Fig. 1. Fórmula general de un aminoácido. A. En forma libre B. Como ion zwitteriónico.[/caption]

En el ambiente se conocen alrededor de 300 aminoácidos, pero solo 22 se encuentran frecuentemente, de los cuales 2 fueron descubiertos relativamente hace poco y se encuentran solo en algunas proteínas. La presencia y la posición de los aminoácidos ya conocidos en la estructura proteica están determinadas por características genéticas; en algunos casos, es el resultado de modificaciones postraduccionales de los residuos de aminoácidos previamente incorporados en la cadena proteica. Los otros aminoácidos pueden encontrarse en forma libre o en compuestos no ligados a proteínas. El papel de un aminoácido en la proteína está determinado por la estructura de su cadena lateral, lo que lleva a la subdivisión de los aminoácidos en diferentes grupos, según el tipo de cadenas laterales que poseen.

Aminoácidos con cadenas laterales no polares

El grupo de aminoácidos con cadenas laterales no polares incluye: Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Fenilalanina, Triptófano, Metionina, Prolina y Glicina. En cuanto a los dos últimos aminoácidos mencionados, existe una particularidad. La prolina, como ejemplo atípico, no posee un grupo α-amínico, sino un grupo imínico, que está integrado en la estructura del anillo de la pirrolidina. La glicina, en cambio, no tiene una cadena lateral, ya que esta es sustituida por un átomo de hidrógeno. Cada uno de los aminoácidos mencionados tiene una cadena lateral no polar, que no es capaz de aceptar o donar protones, ni de participar en la formación de enlaces de hidrógeno o iónicos. La cadena lateral se define generalmente como lipófila o hidrófoba - no se une al agua. Tales cadenas evitan el ambiente acuoso adhiriéndose unas a otras y orientándose hacia el interior de la molécula proteica. Cuando se encuentran en un ambiente acuoso, su comportamiento puede compararse con el de las gotas de aceite: se unen en gotas más grandes, reduciendo así el contacto con el agua.

[caption id="attachment_627" align="aligncenter" width="600"] Fig. 2. Aminoácidos con cadenas laterales no polares.[/caption]

Aminoácidos con cadenas laterales polares y no cargadas

El grupo de aminoácidos con cadenas laterales polares y sin carga incluye: Serina, Treonina, Tirosina, Cisteína, Asparagina y Glutamina. Los aminoácidos listados tienen una carga neta de cero a pH neutro, sin embargo, Cisteína y Tirosina pueden perder un protón a pH básico. Serina, Treonina y Tirosina son capaces de formar enlaces de hidrógeno gracias a su grupo hidroxilo polar. También las cadenas laterales de Asparagina y Glutamina pueden formar enlaces de hidrógeno gracias a sus grupos carbonilo y amídico. El grupo amídico de la Asparagina, así como los grupos hidroxilo de Serina y Treonina, pueden actuar como sitios de unión para componentes azucarados.

[caption id="attachment_628" align="aligncenter" width="600"] Fig. Aminoácidos con cadenas laterales polares y sin carga.[/caption]

Aminoácidos con cadenas laterales ácidas

[caption id="attachment_629" align="alignleft" width="300"] Fig. 3. Aminoácidos con cadenas laterales ácidas.[/caption]

Los aminoácidos con cadenas laterales ácidas incluyen el ácido aspártico y el ácido glutámico. En la estructura de las cadenas laterales de estos aminoácidos se observan grupos carboxílicos. En un ambiente con pH neutro, sufren una disociación completa, convirtiéndose en portadores de carga negativa. Las formas completamente ionizadas del ácido aspártico y del ácido glutámico se llaman aspartato y glutamato. Los nombres transformados tras la ionización indican que, en un ambiente con pH fisiológico, se presentan como aniones.

Aminoácidos con cadenas laterales básicas

[caption id="attachment_618" align="alignright" width="207"] Fig. 4. Aminoácidos con cadenas laterales básicas.[/caption]

Los aminoácidos con cadenas laterales básicas incluyen: lisina, arginina e histidina. Las cadenas laterales de estos aminoácidos contienen grupos capaces de unir protones. Entre estos grupos están el grupo ε-amino de la lisina, el grupo guanidino de la arginina y el anillo imidazol de la histidina. A pH fisiológico, los grupos R de la lisina y la arginina están completamente ionizados, confiriéndoles una carga positiva. El aminoácido libre histidina tiene un carácter ligeramente básico y se encuentra en forma neutra a pH fisiológico. Sin embargo, puede ocurrir que la histidina en una proteína presente un grupo R con carga positiva o neutra, dependiendo del ambiente creado por la proteína. Esto juega un papel crucial en el funcionamiento de proteínas como la hemoglobina.

Proteínas

Caracterización de las proteínas

Las proteínas, como polímeros condensados de aminoácidos que abundan en el organismo humano, son componentes estructurales fundamentales para el correcto funcionamiento del organismo. Las proteínas compuestas exclusivamente por residuos de aminoácidos se definen como proteínas simples. Las proteínas complejas, o proteidos, también contienen un grupo prostético que no forma parte de la estructura proteica. Como productos de gran tamaño, se forman mediante la interacción del grupo α-carboxílico de un aminoácido con el grupo α-amino de otro aminoácido, creando un enlace peptídico. Los polipéptidos son proteínas con una masa molecular superior a 10.000 dalton (Da). Todas las proteínas con una masa molecular inferior se llaman oligopeptidos. Cada proteína está compuesta por una cadena polipeptídica que contiene de 100 a 1000 residuos de aminoácidos.

[caption id="attachment_619" align="aligncenter" width="600"] Fig. 5. Estructura general de las proteínas simples (proteínas).[/caption]

Estructura primaria

La estructura primaria de la cadena polipeptídica de una proteína determina la secuencia (orden) de unión de los residuos de aminoácidos en la cadena polipeptídica. Los aminoácidos individuales están unidos covalentemente por enlaces peptídicos. En las proteínas solo se encuentran secuencias específicas de aminoácidos debido a la alta variabilidad combinatoria. La disposición de los residuos de aminoácidos a lo largo de la cadena polipeptídica no está rígida ni claramente definida.

Los aminoácidos que presentan cadenas laterales con ambiente ácido o básico, o aminoácidos que contienen anillos aromáticos, tienden a agruparse, lo que puede llevar a situaciones en las que varios residuos de aminoácidos están cerca unos de otros. Por ejemplo, en la molécula de proteína llamada hemoglobina, es posible observar la importancia de la estructura primaria. En este caso, la sustitución de un aminoácido por otro puede llevar a la formación de hemoglobina patológica. Para comprender mejor la relevancia de esta sustitución, por ejemplo, el glutamato en la posición seis puede ser reemplazado por otro aminoácido (valina o lisina), provocando consecuencias biológicas negativas. Los glóbulos rojos sufren una modificación biológica, con un cambio en su forma a un estado anómalo. Los glóbulos rojos se vuelven susceptibles a la hemólisis, lo que conlleva una reducción en el número de eritrocitos en la sangre. Los productos de degradación de los eritrocitos son capturados por el hígado y el bazo, y la concentración del pigmento biliar, la bilirrubina, aumenta debido a la degradación de la hemoglobina. Este proceso conduce al desarrollo de una condición patológica conocida como anemia hemolítica.

Estructura secundaria

Cuando se habla de estructura secundaria, los conceptos fundamentales son configuración y conformación. Mientras que la configuración se refiere a los enlaces geométricos entre conjuntos específicos de átomos, la conformación se refiere a la estructura espacial de la proteína. La configuración implica cambios en la disposición de los átomos ya enlazados, por ejemplo, la conversión de D-alanina en L-arginina. Este cambio puede ocurrir rompiendo los enlaces covalentes existentes y formando nuevos enlaces. La conformación, en cambio, no rompe los enlaces covalentes, sino que se refiere a la ruptura y reformación de fuerzas no covalentes, como los enlaces de hidrógeno o las interacciones hidrofóbicas. Solo algunas conformaciones resultan biológicamente significativas. La forma más común de la estructura secundaria de las proteínas es la alfa-hélice en forma de espiral. Cada vuelta de la alfa-hélice corresponde a 3,6 residuos de aminoácidos. La forma específica y única de la espiral permite la formación de enlaces de hidrógeno, tanto dentro de la cadena como entre sus espirales, con una fuerza máxima gracias a las interacciones electrostáticas. La estructura de la alfa-hélice, que involucra los enlaces peptídicos de la cadena proteica, permite la formación de enlaces de hidrógeno, excepto para los enlaces con los grupos imínicos de la prolina. Los polipéptidos obtenidos mediante síntesis con aminoácidos L o D forman espontáneamente estructuras de alfa-hélice. Sin embargo, los polipéptidos derivados de racematos de aminoácidos o de polímeros de algunos aminoácidos, como la prolina o la hidroxiprolina, no tienen la capacidad de formar espontáneamente esta estructura. Por ejemplo, la α-queratina, presente en el cabello y casi enteramente compuesta por estructuras de alfa-hélice, mientras que el colágeno y la elastina, que contienen prolina e hidroxiprolina, no poseen dicha capacidad para formar esta estructura.

Otra forma de estructura secundaria de las proteínas es la estructura β, también conocida como estructura de "hoja plegada β". Durante la formación de esta estructura, participan dos o más cadenas proteicas. La formación puede ser paralela (cuando los terminales amino y carboxilo de las cadenas proteicas corren en la misma dirección) o antiparalela (cuando los terminales están orientados en direcciones opuestas). La cadena proteica en la estructura β es más alargada a lo largo del eje en comparación con la alfa-hélice y presenta pliegues que cambian la dirección del eje a lo largo de la molécula, permitiendo una forma globular compacta. Los pliegues a menudo contienen prolina, glicina y aminoácidos con cadenas laterales cargadas eléctricamente.

Estructura terciaria

La estructura terciaria permite mantener la estructura secundaria, gracias al plegamiento tridimensional de la molécula proteica. La estructura terciaria está estabilizada principalmente por las interacciones entre las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos, incluidos los enlaces covalentes como los puentes disulfuro y los enlaces no covalentes de baja energía como los enlaces de hidrógeno. En soluciones acuosas, la estructura de las proteínas globulares es compacta. Las cadenas laterales hidrofóbicas de los aminoácidos están ocultas dentro de la molécula, mientras que los grupos hidrofílicos se encuentran en la superficie. Los grupos polares, incluidos aquellos ocultos dentro de la molécula junto con los elementos constitutivos de los enlaces peptídicos, permiten la formación de enlaces de hidrógeno e interacciones electrostáticas. La estructura terciaria se forma solo cuando existen enlaces que permiten la unión de residuos de aminoácidos distantes entre sí linealmente.

Estructura cuaternaria

La última estructura descrita se encuentra solo en algunas proteínas y define la organización espacial y la composición de subunidades de una sola molécula proteica. En este caso, las proteínas tienen una masa molecular elevada y están constituidas por dos o más monómeros, es decir, cadenas peptídicas. Por lo general, en la estructura cuaternaria, los elementos proteicos involucrados en su formación están unidos por enlaces de hidrógeno de baja energía. En algunos casos, la estructura se estabiliza mediante puentes disulfuro entre residuos de cisteína. En el colágeno y la elastina, los enlaces covalentes entre las subunidades son excepcionalmente estables. Las propiedades biológicas de la estructura cuaternaria pueden modificarse por pequeñas moléculas como los efectores alostéricos. La estructura cuaternaria de la hemoglobina y de las proteínas enzimáticas, en particular de la lactato deshidrogenasa, es bien conocida.

Péptidos

Características de los péptidos

Los péptidos son compuestos químicos similares a las proteínas, constituidos por aminoácidos. Tienen una importancia biológica significativa y desempeñan roles cruciales como hormonas y neurotransmisores. Los péptidos endógenos actúan como agentes antimicrobianos, formando parte del sistema de defensa del organismo. Los péptidos naturales y sus análogos sintéticos son considerados atractivos por sus propiedades terapéuticas, gracias a su alto grado de actividad, baja toxicidad y ausencia de interacciones con medicamentos. En la práctica médica, solo algunos péptidos se utilizan debido a su inestabilidad biológica y rápida degradación. Sin embargo, la síntesis de péptidos permite obtener formas más estables. De manera similar, los péptidos sintetizados a partir de fuentes naturales se emplean en la producción de vacunas.

Un producto que resulta de la reacción entre dos aminoácidos se llama dipeptido, manteniendo un grupo amínico libre de un aminoácido y un grupo carboxílico libre del otro aminoácido. Los péptidos compuestos por pocos a varias decenas de aminoácidos se definen como oligopéptidos, mientras que los péptidos más largos, con decenas de residuos de aminoácidos, se llaman polipéptidos. La nomenclatura de los péptidos comienza con el nombre del residuo de aminoácido en el extremo N-terminal, sigue con los nombres de los aminoácidos siguientes y termina con el nombre del aminoácido en el extremo C-terminal. La secuencia de aminoácidos se escribe utilizando símbolos de tres letras o de una sola letra. Los péptidos se presentan en forma no ramificada y poseen solo dos extremos específicos: el extremo amínico, donde se encuentra un aminoácido con un grupo α-amínico libre, y el extremo carboxílico, o C-terminal, donde se encuentra un aminoácido con un grupo α-carboxílico libre.

Enlace peptídico

El carbono, como resultado de la reacción entre el grupo α-carboxílico y el grupo α-amínico, se une al nitrógeno mediante un enlace simple, conocido como enlace peptídico. Se cree que este enlace existe en dos formas estructurales, que permanecen en equilibrio mutuo: el enlace C-N puede convertirse en C=N y viceversa. La rotación alrededor del eje C=N no es posible, lo que hace que el enlace peptídico sea relativamente rígido y tenga características de un enlace doble. Cuando el enlace peptídico involucra un grupo imínico de prolina o hidroxiprolina y un grupo carboxílico de otro aminoácido, se forma una estructura distinta. En este caso, el nitrógeno está incorporado en el ciclo pirrolídico y no hay un sustituyente hidrógeno, lo que impide la rotación alrededor de los enlaces que se forman en presencia de nitrógeno. Los aminoácidos involucrados en la formación del enlace peptídico pierden fragmentos de moléculas: el grupo -OH del grupo carboxílico y el grupo -H del grupo amínico. Por esta razón, los aminoácidos presentes en los péptidos y proteínas se llaman residuos de aminoácidos. Los enlaces peptídicos resultantes son estables y su ruptura ocurre solo en presencia de fuertes bases o ácidos y a altas temperaturas.

[caption id="attachment_625" align="aligncenter" width="600"] Fig. 6. Formación del enlace peptídico.[/caption]

Péptidos biológicamente activos

Las hormonas peptídicas y las hormonas proteicas están ampliamente distribuidas en el entorno que nos rodea y, aunque en el pasado se consideraban formas poco estables, hoy es posible desarrollar terapias peptídicas más estables y eficaces mediante la síntesis. Es importante manejar la estimulación hormonal de manera segura y dirigida.

Un ejemplo de péptido biológicamente activo es el glutatión, un tripéptido con una estructura específica compuesto por glutamato, cisteína y glicina. El glutamato se encuentra como aminoácido N-terminal. La combinación de glutamato con cisteína es particular, ya que no incluye el grupo α-carboxílico del glutamato, sino el grupo γ-carboxílico. El glutatión puede existir en forma reducida y oxidada; en forma reducida posee un grupo sulfhidrilo libre, mientras que en forma oxidada se forma un puente disulfuro debido a la eliminación de un par de átomos de hidrógeno del grupo –SH. La capacidad de modulación del glutatión entre sus formas reducidas y oxidadas es crucial en los procesos redox.

Otros ejemplos incluyen la oxitocina y la vasopresina, nano-péptidos producidos por las neuronas del hipotálamo y secretados por el lóbulo posterior de la hipófisis. Estos péptidos difieren solo en dos aminoácidos y la cisteína se encuentra en dos posiciones, formando un puente disulfuro. La oxitocina estimula la contracción del útero, mientras que la vasopresina promueve la absorción de agua en los túbulos renales y regula la secreción de la hormona adrenocorticotropa (ACTH) en situaciones de estrés.

Hormona adrenocorticotropa (ACTH)

La ACTH es un péptido de 39 aminoácidos que se forma a partir de la degradación de la proopiomelanocortina (POMC), una molécula precursora de otros péptidos activos. La ACTH contiene dos péptidos: la hormona α-melanotrópica (α-MSH), idéntica a los primeros 13 aminoácidos de la ACTH, y un péptido de la hipófisis intermedia similar al fragmento 18-39 de la corticotropina ACTH. La función principal de la ACTH es estimular la corteza suprarrenal para la producción de hormonas esteroides. La ACTH regula las funciones de la corteza suprarrenal en las zonas fasciculada y reticular. La actividad biológica de la ACTH se atribuye a los primeros 18 aminoácidos. La regulación de la ACTH ocurre mediante la corticotropina (CRH), una hormona del hipotálamo que estimula la corticotropina a través del cortisol mediante un retroceso negativo. Esto significa que una deficiencia de cortisol estimula la CRH y la ACTH, mientras que un exceso de cortisol inhibe su secreción. La ACTH se secreta de forma pulsátil con un pico por la mañana y disminuye durante el día. Aumenta en condiciones patológicas como la insuficiencia suprarrenal, la enfermedad de Cushing y el síndrome de Nelson.

Insulina y péptido C

La insulina y el péptido C son secretados continuamente por el páncreas. Durante la producción de insulina, también se genera el péptido C. Las células pancreáticas producen inicialmente preproinsulina, que se modifica eliminando aminoácidos para formar la proinsulina, compuesta por dos cadenas A y B unidas por el péptido C. Luego, la proinsulina se escinde para obtener la forma final de la insulina. Cuando aparece glucosa en el cuerpo, el páncreas recibe una señal para liberar los gránulos que contienen insulina y péptido C. El péptido C se mantiene en el hígado más tiempo que la insulina porque no se degrada como esta última, sino que se metaboliza principalmente en los riñones. Concentraciones altas o bajas de insulina y péptido C pueden indicar el desarrollo de diabetes tipo I o II y enfermedades como el síndrome de Cushing. Además, variaciones en los niveles de péptido C pueden señalar insuficiencia renal crónica o la presencia de metástasis o recurrencias tumorales, haciendo crucial el monitoreo de sus niveles.

Motilina

La motilina es una hormona asociada a los músculos lisos del estómago y del intestino, controlada por las fibras del nervio vago. Es sintetizada en las células endocrinas y, como hormona peptídica compuesta por 22 aminoácidos dispuestos en una secuencia específica, es producida por las células del intestino delgado. Producida por las células endocrinas del aparato digestivo M (Mo), participa en la regulación de la motilidad gastrointestinal. La motilina es fundamental en la formación de la fase III del complejo motor migratorio (MMC), en la que el estómago y el intestino delgado deben vaciar el estómago de residuos alimentarios y células epiteliales descamadas, estimulando los movimientos peristálticos. Además, la hormona influye en el vaciamiento de la vesícula biliar durante el período interdigestivo, cuando la concentración de motilina es máxima.

Glucagón

El glucagón es una de las hormonas involucradas en la regulación de los niveles de glucosa y es secretado por las células endocrinas del páncreas. Es un polipéptido compuesto por 29 aminoácidos, derivado de un precursor de 180 aminoácidos. Los cambios en los niveles de glucosa estimulan la secreción de glucagón. La producción de glucagón ocurre en los islotes pancreáticos, donde a partir del proglucagón se forman tanto el glucagón como el polipéptido pancreático dependiente de glicentina (GRPP). La función principal del glucagón es mantener niveles normales de glucosa en el suero, especialmente durante períodos de ayuno o ejercicio físico. En tales situaciones, el glucagón es liberado por el hígado para proporcionar protección al organismo. Además, puede participar en la regulación durante la ingesta de alimentos, influyendo en la sensación de saciedad y potencialmente inhibiendo la liberación de grelina y la peristalsis intestinal.

Hormona del crecimiento (HGH)

La hormona del crecimiento (HGH), también conocida como somatotropina, es producida por las células acidófilas del lóbulo anterior de la hipófisis. Esta hormona estimula la proliferación celular en varios tejidos, aumentando su número y tamaño. La HGH está compuesta por 190 aminoácidos en una cadena polipeptídica simple y se secreta de forma pulsátil aproximadamente cada 3-4 horas, con niveles máximos observados durante la noche. La secreción de la hormona está regulada por hormonas hipotalámicas con acciones opuestas, incluyendo la hormona liberadora de la hormona del crecimiento (GN-RH) y la hormona que inhibe su liberación (SRIF). La liberación de somatotropina también está regulada por neurohormonas como la somatoliberina (GHRH), la somatostatina (GHIH), la grelina, los glucocorticoides, los ácidos grasos, la glucosa, la insulina y las hormonas sexuales. La HGH regula los procesos metabólicos, la modulación del crecimiento, la estimulación y proliferación celular. Su efecto es amplio e incluye la estimulación del crecimiento de los huesos largos, la síntesis de ácidos nucleicos y la regulación del metabolismo de los carbohidratos. La HGH tiene un amplio uso entre los deportistas para mejorar la fuerza, desarrollar músculo y reducir lesiones durante el entrenamiento, estimulando el tejido conectivo que forma el cartílago. También es importante considerar otros factores, como una adecuada cantidad de sueño y una dieta apropiada, al decidir usar la hormona del crecimiento.

Conclusiones

Como se mencionó anteriormente, los aminoácidos, las proteínas y los péptidos son esenciales para el correcto funcionamiento del organismo. El uso adecuado de los péptidos puede garantizar una terapia segura y eficaz. Se recomiendan en casi todos los casos y para todas las personas, especialmente para los deportistas con fines regenerativos y preventivos. La deficiencia de hormonas proteicas y peptídicas puede causar graves disfunciones en el organismo.

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