Proteínas y ácidos nucleicos

1.1 ¿Qué son las proteínas?

Las proteínas son macromoléculas orgánicas de elevado peso molecular, formadas por la unión de cientos o miles de aminoácidos. Químicamente, son biomoléculas orgánicas cuaternarias, porque sus elementos principales son cuatro: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Muchas contienen, además, azufre, fósforo, hierro, cobre u otros elementos.

La palabra “proteína” viene del griego proteios, que significa “primero” o “fundamental”. Ese nombre es adecuado: las proteínas son las moléculas más diversas y multifuncionales de los seres vivos.

Desde el punto de vista químico, una proteína es un polímero de aminoácidos. Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos y forman cadenas llamadas polipéptidos. Una proteína puede estar constituida por una o varias cadenas polipeptídicas.

1.2 Importancia biológica

Las proteínas cumplen funciones muy variadas:

• forman estructuras, como el colágeno de la piel y los huesos;
• aceleran reacciones químicas, como las enzimas;
• transportan sustancias, como la hemoglobina que lleva oxígeno en la sangre;
• defienden al organismo, como los anticuerpos;
• regulan procesos, como la insulina;
• participan en el movimiento, como la actina y la miosina;
• sirven de reserva de aminoácidos, como la caseína de la leche y la ovoalbúmina del huevo.

2.1 Estructura general

Un aminoácido es una molécula orgánica pequeña que posee, en su estructura general:

• un carbono central, llamado carbono alfa ($C_\alpha$);
• un grupo amino ($-NH_2$);
• un grupo carboxilo ($-COOH$);
• un átomo de hidrógeno ($H$);
• una cadena lateral o grupo R, que varía de un aminoácido a otro.

El grupo amino y el grupo carboxilo son la región constante de todos los aminoácidos. Lo que cambia de un aminoácido a otro es la cadena lateral R. Por eso se dice que el grupo R determina la identidad del aminoácido.

Por ejemplo:

• si $R = H$, el aminoácido es glicina;
• si $R = -CH_3$, el aminoácido es alanina;
• si $R$ contiene azufre, puede tratarse de cisteína o metionina.

2.2 Comportamiento anfótero

Los aminoácidos son moléculas anfóteras: pueden comportarse como ácidos y como bases. El grupo carboxilo puede liberar un protón ($H^+$), mientras que el grupo amino puede captar un protón.

En solución acuosa, según el pH, el aminoácido puede estar ionizado y presentar simultáneamente una carga negativa en el carboxilo ($-COO^-$) y una carga positiva en el amino ($-NH_3^+$). Esta forma con dos cargas se denomina zwitterión o ion dipolar.

2.3 Aminoácidos esenciales y no esenciales

Desde el punto de vista nutricional, los aminoácidos se clasifican en:

• Aminoácidos esenciales: el organismo humano no puede sintetizarlos o no los produce en cantidad suficiente, por lo que deben obtenerse de la dieta.
• Aminoácidos no esenciales: el organismo sí puede sintetizarlos a partir de otras moléculas.

En los textos preuniversitarios se trabajan listas concretas que conviene conocer.

No es necesario memorizar todos para la mayoría de preguntas, pero sí conviene reconocer que metionina y cisteína son aminoácidos azufrados, y que la histidina suele mencionarse como esencial en la infancia.

2.4 Clasificación por la cadena lateral

Aunque en el nivel preuniversitario no se profundiza mucho, también se puede clasificar a los aminoácidos según la naturaleza química de su cadena $R$:

• Apolares o hidrofóbicos: sus cadenas laterales no interactúan bien con el agua; por ejemplo, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptófano, metionina, prolina.
• Polares sin carga: serina, treonina, cisteína, tirosina, asparagina, glutamina.
• Ácidos: ácido aspártico y ácido glutámico, que tienen un segundo grupo carboxilo.
• Básicos: lisina, arginina e histidina, que tienen grupos nitrogenados con carga positiva.

Esta clasificación ayuda a entender por qué la cadena lateral es tan importante para el plegamiento de la proteína.

3.1 Reacción de condensación

Los aminoácidos se unen entre sí mediante el enlace peptídico. Este enlace se forma por una reacción de condensación entre:

• el grupo carboxilo ($-COOH$) de un aminoácido, y
• el grupo amino ($-NH_2$) del aminoácido siguiente.

Durante la reacción se libera una molécula de agua.

El enlace peptídico es un enlace covalente de tipo amida y se representa como:

$$-C(=O)-NH-$$

Cuando se unen dos aminoácidos, se forma un dipéptido; con tres, un tripéptido; con pocos, un oligopéptido; con muchos, un polipéptido. Una proteína es, en esencia, uno o varios polipéptidos con una conformación tridimensional definida.

La cadena polipeptídica tiene dos extremos:

• extremo N-terminal: donde queda libre un grupo amino;
• extremo C-terminal: donde queda libre un grupo carboxilo.

3.2 ¿Cómo se relaciona la secuencia con la función?

La secuencia de aminoácidos de una proteína está determinada por la información genética del ADN. Cambiar un solo aminoácido puede alterar gravemente la función; por ejemplo, en la anemia falciforme, un cambio de un aminoácido en la hemoglobina modifica la forma del glóbulo rojo.

Las proteínas no son simples hilos lineales. Para cumplir su función, deben plegarse en el espacio. Se reconocen cuatro niveles estructurales.

4.1 Estructura primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Es el nivel más básico y está determinado genéticamente.

4.2 Estructura secundaria

Es el plegamiento local de la cadena polipeptídica, estabilizado por puentes de hidrógeno entre los grupos de la cadena principal. Las dos formas más comunes son:

• Hélice alfa ($\alpha$-hélice): la cadena se enrolla en espiral. La queratina del cabello y de las uñas tiene mucha estructura en $\alpha$-hélice.
• Hoja plegada beta ($\beta$-plegada): cadenas vecinas se alinean formando láminas. La fibroína de la seda es un ejemplo.

4.3 Estructura terciaria

Es el plegamiento tridimensional completo de una cadena polipeptídica. Se estabiliza mediante interacciones entre las cadenas laterales $R$:

• puentes de hidrógeno,
• interacciones iónicas,
• interacciones hidrofóbicas,
• puentes disulfuro ($-S-S-$) entre cisteínas.

En este nivel, la proteína adquiere su forma funcional. Muchas proteínas globulares, como la mioglobina, alcanzan su función en este nivel.

4.4 Estructura cuaternaria

Se presenta cuando una proteína está formada por dos o más cadenas polipeptídicas o subunidades que se asocian. Por ejemplo:

• la hemoglobina tiene cuatro subunidades: dos cadenas alfa y dos cadenas beta;
• la hexoquinasa tiene dos subunidades;
• la cápsida de algunos virus puede estar formada por muchas subunidades proteicas.

La función de una proteína depende de su estructura tridimensional. Si se pierde el plegamiento, la proteína deja de funcionar.

4.5 Clasificación por su forma y por su composición química

Por su forma, las proteínas pueden ser:

• Fibrosas: alargadas, insolubles, resistentes; ejemplos: colágeno, queratina, elastina.
• Globulares: compactas, de forma esférica, solubles; ejemplos: hemoglobina, albúmina, enzimas.

Por su composición química, se clasifican en:

Esta clasificación es útil para entender que no todas las proteínas son iguales: algunas llevan azúcares, lípidos, fosfato o metales.

5.1 Desnaturalización

La desnaturalización es la pérdida de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína, sin romper la estructura primaria. Es decir, se rompen los puentes de hidrógeno, las interacciones iónicas e incluso los puentes disulfuro, pero no los enlaces peptídicos.

Agentes que desnaturalizan:

• Calor: cocinar un huevo; la clara líquida se solidifica porque la ovoalbúmina se desnaturaliza.
• pH extremo: ácidos y bases fuertes.
• Solventes orgánicos, metales pesados, urea.

En algunos casos, si la desnaturalización es suave, la proteína puede renaturalizarse y recuperar su forma funcional. Pero en los alimentos, lo común es que la desnaturalización sea irreversible y produzca coagulación o gelificación.

5.2 Hidrólisis

La hidrólisis es la ruptura del enlace peptídico con participación de agua. Puede ser química o enzimática. Por ejemplo, en la digestión, enzimas como la pepsina rompen los enlaces peptídicos y liberan aminoácidos.

Es frecuente confundir ambos procesos: desnaturalizar no es digerir. La desnaturalización cambia la forma; la hidrólisis rompe la cadena.

La clasificación más preguntada en San Marcos es la funcional. Consiste en agrupar a las proteínas según el trabajo que realizan.

6.1 Proteínas estructurales

Constituyen y dan soporte a tejidos y estructuras. Son, por lo general, fibrosas y resistentes.

• Colágeno: se encuentra en piel, huesos, cartílagos, tendones y ligamentos. Aporta resistencia a la tracción.
• Queratina: forma la epidermis superficial, el pelo, las uñas, las plumas y los cuernos. En el Perú, el waqrapuku, instrumento andino hecho con cuernos unidos, está formado en gran parte por queratina.
• Elastina: proporciona elasticidad al tejido conjuntivo.
• Histonas: participan en el empaquetamiento del ADN en los cromosomas.

6.2 Proteínas enzimáticas

Son biocatalizadores: aceleran la velocidad de las reacciones químicas sin consumirse en ellas. La mayoría de las enzimas son proteínas.

Ejemplos:

• Lactasa: hidroliza la lactosa en glucosa y galactosa.
• Pepsina: actúa en el estómago sobre las proteínas.
• Ribonucleasa: degrada ARN.

6.3 Proteínas de transporte

Se encargan de llevar sustancias a través de la sangre, la hemolinfa u otros fluidos.

• Hemoglobina: transporta $O_2$ y $CO_2$ en la sangre de los vertebrados. Tiene cuatro cadenas polipeptídicas y un grupo prostético llamado hemo, con hierro.
• Hemocianina: transporta $O_2$ en la hemolinfa de crustáceos y moluscos; contiene cobre, por lo que su coloración es azulada.
• Albúmina: transporta ácidos grasos, hormonas y otras moléculas en la sangre.
• Citocromos: participan en la cadena respiratoria transportando electrones.

6.4 Proteínas de reserva

Almacenan aminoácidos o sustancias necesarias para el desarrollo.

• Caseína: proteína de la leche; es una fosfoproteína que reserva aminoácidos, calcio y fósforo para el lactante.
• Ovoalbúmina: principal proteína de la clara del huevo; representa alrededor del 60 % de las proteínas del huevo y contiene aminoácidos esenciales.
• Gliadina: proteína de reserva del trigo.
• Ferritina: almacena hierro dentro de las células del hígado, bazo y médula ósea.
• Vitelina: proteína de reserva de la yema del huevo.

6.5 Proteínas de defensa

Protegen al organismo contra agentes patógenos o ayudan a detener hemorragias.

• Anticuerpos o inmunoglobulinas: son producidos por células del sistema inmune ante virus, bacterias u otros agentes extraños.
• Fibrinógeno: proteína sintetizada por el hígado; durante la coagulación se transforma en fibrina, que participa en la formación del coágulo.

6.6 Proteínas hormonales y reguladoras

Regulan procesos metabólicos y fisiológicos.

• Insulina: permite la entrada de glucosa de la sangre a las células; su déficit se relaciona con la diabetes mellitus tipo I.
• Glucagón: eleva la glucosa sanguínea.
• Hormona del crecimiento (somatotropina, STH): sintetizada por la hipófisis; actúa sobre el crecimiento.
• Calcitonina: regula el calcio sanguíneo.

6.7 Proteínas contráctiles y motoras

Generan movimiento.

• Actina y miosina: participan en la contracción muscular.
• Dineína y kinesina: proteínas motoras asociadas a los microtúbulos; intervienen en el transporte intracelular.

6.8 Tabla resumen de funciones

7.1 ¿Qué es una enzima?

Una enzima es una proteína que actúa como catalizador biológico. Disminuye la energía de activación de una reacción, acelerándola, sin consumirse ni alterar el equilibrio final.

Conceptos clave:

• Sustrato: la molécula sobre la que actúa la enzima.
• Sitio activo: región de la enzima donde se une el sustrato.
• Producto: molécula resultante de la reacción.
• Cofactor: ion metálico que ayuda a la actividad enzimática.
• Coenzima: molécula orgánica no proteica que ayuda a la enzima; muchas derivan de vitaminas.

La lactasa, por ejemplo, reconoce a la lactosa como sustrato y la convierte en glucosa y galactosa.

7.2 Vitaminas relacionadas con proteínas

Las vitaminas no son proteínas, pero muchas participan como coenzimas en reacciones catalizadas por proteínas enzimáticas.

La vitamina C o ácido ascórbico es necesaria para la síntesis de colágeno, porque participa en la hidroxilación de los aminoácidos prolina y lisina. Por eso su deficiencia produce problemas en piel, encías, cartílagos y cicatrización.

Algunas vitaminas del complejo B actúan como precursores de coenzimas. En la pregunta de admisión UNMSM 2025-I se relacionaron deficiencias con vitaminas del complejo B:

Estas vitaminas no son proteínas, pero muchas enzimas proteicas dependen de ellas para funcionar.

8.1 ¿Qué son los ácidos nucleicos?

Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Son las moléculas encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética.

Existen dos tipos principales:

• Ácido desoxirribonucleico (ADN): guarda la información genética.
• Ácido ribonucleico (ARN): participa en la expresión de esa información.

Ambos están presentes en todos los seres vivos celulares. Los virus, en cambio, presentan solo un tipo de ácido nucleico, ADN o ARN.

8.2 El nucleótido: monómero de los ácidos nucleicos

Cada nucleótido está formado por tres componentes:

1. Una pentosa, que puede ser:

   • ribosa en el ARN;
   • desoxirribosa en el ADN.

2. Un grupo fosfato ($-PO_4$).

3. Una base nitrogenada, que puede ser púrica o pirimidínica.

Cuando solo se unen la pentosa y la base nitrogenada, la molécula se llama nucleósido. Al añadir el grupo fosfato se forma el nucleótido.

8.3 Bases nitrogenadas

Las bases nitrogenadas se dividen en dos grupos:

• El ADN contiene: adenina, guanina, citosina y timina.
• El ARN contiene: adenina, guanina, citosina y uracilo.

La timina es exclusiva del ADN; el uracilo, exclusivo del ARN.

8.4 Enlace fosfodiéster

Los nucleótidos se unen entre sí mediante el enlace fosfodiéster. Este enlace se forma entre el grupo fosfato de un nucleótido y el azúcar del siguiente. La cadena de ácido nucleico tiene un esqueleto de azúcar y fosfato alternados, del cual sobresalen las bases nitrogenadas.

La cadena tiene una dirección: un extremo 5’ donde hay un fosfato libre, y un extremo 3’ donde hay un hidroxilo libre.

9.1 Estructura de doble hélice

El ADN es, en general, una molécula bicatenaria: está formada por dos cadenas de nucleótidos enrolladas en una doble hélice. Las dos cadenas son:

• complementarias: la adenina se aparea con la timina, y la citosina con la guanina;
• antiparalelas: una cadena va en sentido 5’ → 3’ y la otra en sentido 3’ → 5’.

El apareamiento entre bases se da por puentes de hidrógeno:

• Adenina con timina (A = T): dos puentes de hidrógeno.
• Citosina con guanina (C ≡ G): tres puentes de hidrógeno.

9.2 Reglas de Chargaff

Erwin Chargaff observó que, en el ADN de doble cadena, las proporciones de bases cumplen las siguientes relaciones:

$$\%A = \%T$$

$$\%G = \%C$$

Además, el total de purinas es igual al total de pirimidinas:

$$\%A + \%G = \%T + \%C$$

Estas reglas se cumplen porque las bases se aparcan de manera complementaria. Si en un ADN hay 20 % de adenina, entonces también hay 20 % de timina; el resto, 60 %, se reparte en partes iguales entre guanina y citosina: 30 % y 30 %.

9.3 Empaquetamiento del ADN: histonas y nucleosomas

En las células eucariotas, el ADN es muy largo y debe empaquetarse dentro del núcleo. Para ello, se asocia con proteínas llamadas histonas.

La unidad básica de empaquetamiento es el nucleosoma. Un nucleosoma está formado por:

• un octámero de histonas: dos copias de las histonas H2A, H2B, H3 y H4;
• una porción de ADN enrollada alrededor del octámero.

La histona H1 se une al ADN que conecta un nucleosoma con el siguiente y ayuda a compactar la cromatina.

10.1 Características generales del ARN

El ARN es un ácido nucleico que, en la mayoría de los casos, es monocatenario. Está formado por ribonucleótidos: su pentosa es la ribosa y sus bases son adenina, guanina, citosina y uracilo.

Al ser de una sola cadena, el ARN no sigue las reglas de Chargaff de manera general, porque no tiene una cadena complementaria estable.

10.2 Tipos de ARN

Según su función, se distinguen:

• ARN mensajero (ARNm): copia la información del ADN y la lleva desde el núcleo hasta los ribosomas.
• ARN ribosomal (ARNr): forma parte de los ribosomas, junto con proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): transporta los aminoácidos hasta los ribosomas durante la síntesis de proteínas.

10.3 Diferencias entre ADN y ARN

Debe recordarse que en los virus existen excepciones: algunos virus tienen ADN monocatenario y otros ARN bicatenario. Pero en el nivel preuniversitario, la comparación general es la que se usa en las preguntas.

11.1 ¿Qué es un virus?

Un virus es un agente infeccioso de tamaño ultramicroscópico, formado básicamente por:

• una cápsida proteica, que protege al ácido nucleico;
• un ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN, pero nunca ambos en el mismo virus.

Algunos virus presentan además una envoltura lipídica derivada de la membrana de la célula hospedera, y espículas proteicas.

Debido a que están formados por macromoléculas de proteínas y ácidos nucleicos, se les denomina complejos supramoleculares.

11.2 ¿Son seres vivos?

En el nivel preuniversitario, la respuesta que se espera es que los virus no son considerados seres vivos porque no presentan estructura celular. No tienen membrana celular propia, ni citoplasma, ni organelos. Son acelulares.

11.3 Nivel de organización

En la jerarquía de la materia viva, los virus se ubican en el nivel subcelular, es decir, por debajo del nivel celular. Son complejos supramoleculares, no células.

11.4 Características de los virus

• Son parásitos intracelulares obligados: solo pueden replicarse dentro de una célula hospedera.
• Son metabólicamente inertes fuera de la célula: muchos pueden cristalizarse.
• No se reproducen, sino que se replican, porque no poseen maquinaria metabólica propia. Utilizan los sistemas enzimáticos y ribosomas de la célula que infectan.
• Presentan especificidad celular: un virus puede infectar solo ciertos tipos de células u organismos.
• Tienen un solo tipo de ácido nucleico: ADN o ARN.

11.5 Importancia y ejemplos

Los virus causan enfermedades como el SIDA (VIH), la COVID-19 (SARS-CoV-2), la influenza, el sarampión, la hepatitis viral, entre otras. También son herramientas biotecnológicas y se usan en terapia génica y vacunas.

En el próximo tema, al estudiar la célula procariota, contrastaremos a los virus con las bacterias: los virus no son células, mientras que las bacterias sí son organismos celulares procariotas.