What's the chemistry of proteins?

by - April 03, 2018








Figura 1
El cuerpo se compone de diferentes compuestos, tejidos, órganos y moléculas. Entre ellos se encuentran las proteínas, las cuales el cuerpo utiliza para fabricar otras moléculas proteicas como con funciones específicas como la hemoglobina (componente de glóbulos rojos que transportan el oxígeno a los tejidos del cuerpo).

¿Qué son las proteínas?

Figura 2
Antes de comenzar a explicar lo que son las proteínas tenemos que saber lo que son los aminos ácidos. Los aminos ácidos son moléculas químicas compuestas por un grupo carboxilo, un grupo amino y un grupo R enlazados al carbón alfa (Figura 1-3). Están unidas por medio de enlaces químicos covalentes y se doblan de forma que puedan crear estructuras tridimensionales que son de suma importancia para el funcionamiento del cuerpo. Los grupos R pueden variar en estructura, tamaño y carga eléctrica lo que afecta la solubilidad del amino acido en agua. Cada amino acido contiene una cadena lateral con propiedades químicas distintivas. Se han identificado 22 amino ácidos que son de importancia para el cuerpo humano, de los cuales solo 13 pueden ser fabricados por el cuerpo. Los otros 9 amino ácidos (amino ácidos esenciales) se obtienen a partir de la dieta que consumes.


Figura 3

Los péptidos son un tipo de molécula que se forma por la unión de varios amino ácidos mediante enlaces peptídicos a través de una amida sustituida. Existen diferentes tipo de péptidos (oligopéptido, polipéptido) que va a depender de la cantidad de amino ácidos y enlaces péptidos en la molécula. Los polipéptidos algunas veces son denominados como proteínas, la diferencia está en el peso molecular (Polipéptido <10,000; Proteína >10,000).



Figura 4
Las proteínas son moléculas orgánicas que se conforman de cadenas de amino ácidos. Son las más abundantes macromoléculas que ocurren en todas las células y sus partes. Además, las proteínas son los instrumentos moleculares mediante se expresa la información genética. Estas moléculas orgánicas se encuentran en una amplia gama de tamaños que van desde los péptidos hasta enormes polímeros. En adición, se ha encontrado que las células pueden producir proteínas con propiedades y actividades diferentes entre sí con solo unir los amino ácidos en combinaciones y secuencias diferentes. Por medio de esto se pueden crear productos como las enzimas (las más variadas y especializadas), hormonas, anticuerpos, transportadores, fibra muscular, antibióticos, entre muchos otros.  La función de las proteínas dependen de la secuencia de los amino ácidos. Una vez la proteína forma su estructura tridimensional esta es llamada conformación nativa (Figura 4 y 5). La conformación nativa de las proteínas tiene niveles estructurales que se dividen en primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias. Estos 4 niveles son determinados por la interacción de los amino ácidos entre ellos mismo y sus alrededores (Figura 6). Algunas proteínas contienen otros compuestos químicos además de los amino ácidos y otras están compuestas por sub unidades (polipéptidos asociados de forma no covalente).


Figura 5

¿Cuáles son las importancias de las proteínas?

Las proteínas pueden ser separadas y cuantificadas para fines investigativos los cuales nos han ayudado a demostrar la importancia que tienen estos compuestos en nuestras vidas. Se encargan de conformar la estructura de los tejidos del cuerpo permitiendo que estos, se mantengan, repongan y crezcan.  Las proteínas sin importar la actividad que estés realizando siempre están desempeñando funciones importantes (mover las piernas, transportar oxígeno, proteger contra enfermedades, entre otras). 

Figura 6
Muchas de las enfermedades que se conocen son causadas por errores en las estructuras de la proteína. Es por eso que es importante ingerir proteínas en nuestra dieta ya que ayuda a producir moléculas importantes en nuestro cuerpo. Inclusive, la secuencia de las proteínas puede elucidar la historia de la vida en la tierra mediante el DNA y RNA (Figura 7). Existen diferentes tipos de proteína, o mejor dicho diferentes tipos de fuentes de proteína. Se encuentran las proteína que son de origen animal (proteínas completas) las cuales contienen los amino ácidos esenciales. Otro tipo de proteína son las de origen vegetal, estas a diferencia de las de animal contienen menos cantidad de los amino ácidos esenciales (varían dependiendo de la fuente).

         ¿Es seguro ingerir proteínas?

Para mí, es seguro ingerir proteínas siempre y cuando no sea en exceso y se mantengan una cantidad balanceada entre las fuentes de proteína (animal y vegetal). Sin embargo, estudios publicados han demostrado que el ingerir proteínas aun en altas cantidades no hace daño al cuerpo. Mientras que otros estudios han demostrado que sí. Así que mi recomendación es que balanceen sus comidas y traten de ingerir la cantidad de proteína necesaria para que el cuerpo funcione.

         ¿Cuál es la cantidad de proteína que se debe consumir?

La cantidad de proteína ingerida va a depender del nivel de actividad que se realiza. Una de las maneras más simple para saber tu cantidad de proteína diaria es multiplica tu peso (lb) por 0.5 o divídelo por 2 para saber la cantidad de proteína que debes ingerir al día. Se conoce que se debe consumir aproximadamente como mínimo 1 g por cada kilo de peso.  Hay que tomar en cuenta que este valor es para prevenir la deficiencia de proteína en el cuerpo, realmente como dije anteriormente va a depender de tu actividad física y cuan frecuente entrenas. El nivel aceptado (sin tomar en cuenta la energía del metabolismo) es de 0.8 g/kg día, (recomendado por el Instituto de Medicina de Harvard). En los Estado Unidos, la recomendación diaria es de 46 g por día para mujeres y 56 g al día para los hombres. Sin embargo, según un estudio realizado por Kjeld Hermansen nos dice que la consumo de proteína máxima tomando en cuenta diferentes factores (necesidades del cuerpo, control de peso, toxicidad de proteína, entre otros) es de 2-2.5 g/kg día que corresponde aproximadamente a 176 g de proteína al día por una persona de 80 kg. El cuerpo necesita pequeñas cantidades de proteína para sobrevivir pero necesita grandes cantidades para desarrollarse adecuadamente. Si quieres saber la cantidad exacta de proteína visita tu médico y pídele que te envíe a un nutricionista para que te haga una evaluación completa.

         ¿Qué se debe tomar en cuenta a la hora de consumirlas?

A la hora de consumir proteínas se debe tomar en cuenta primeramente con que velocidad las proteínas son absorbidas por las paredes intestinales ya que de esto va a depender cuanta proteína al día necesitas ingerir. Segundo, se debe tomar en cuenta la capacidad del hígado para de aminar (romper las aminas) proteínas para la producción de urea con el fin de eliminar el exceso de nitrógeno en el cuerpo. Tercero, la cantidad de proteína que tu cuerpo necesita para funcionar adecuadamente.

         ¿Con cuanta frecuencia se deben ingerir las proteínas?

Figura 7
Las proteínas deben ser ingeridas por cantidades moderadas en intervalos regulares en vez de ingerir una gran cantidad en una sola comida por día. No hace falta que se consuman los aminos ácidos esenciales  en cada comida, siempre y cuando se coma una variedad de alimentos proteicos al día ya que el cuerpo se encarga de coger lo que necesita para funcionar.

         ¿Qué efectos tiene en la salud?

Se ha encontrado que las proteínas y los péptidos pequeños pueden ser sintetizados químicamente, es decir que pueden ser creados por el humano en un laboratorio con propósitos farmacológicos. Sin la cantidad de proteínas adecuada, el cuerpo no puede funcionar a su máximo. Además, el consumo de proteína puede aumentar los niveles de la hormona glucagón (ayuda a  controlar la grasa corporal), que es liberada cuando los niveles de azúcar bajan. Esto causa que el hígado descomponga el glucógeno almacenado en glucosa para que el cuerpo lo utilice.  Puede ayudar a liberar ácidos grasos libres del tejido adiposo  lo cual es otra manera para obtener combustible para las células y de una vez hacer que la grasa del cuerpo sea usada.  Además, se ha encontrado en estudios que el consumo de proteína puede ayudar a reducir enfermedades de la arteria coronaria (CHD) en mujeres (El reemplazar los carbohidratos por proteínas en la dieta puede reducir el CHD). Está relacionado con el control de peso, estudios han indicado que si se aumenta el consumo de proteínas por un periodo de tiempo corto (a largo periodo de tiempo los resultados son distintos), se puede perder peso. Esto debido al efecto de saciedad que producen y el efecto termo génico.

¿Cómo las proteínas reaccionan en el cuerpo?
Figura 8

         Al ingerirlas

Una vez ingeridas las proteínas y llegan al estómago los jugos gástricos descomponen las moléculas de proteína por medio de la hidrolizacion en sus componentes básicos (amino ácidos). Estos se reutilizan para fabricar las proteínas que necesita el cuerpo para conformar y mantener los músculos, huesos y los demás tejidos del cuerpo.


Figura 9

En las figuras 8 y 9 puedes observar todos los procesos una vez consumes proteína. 



         Al realizar ejercicios

Figura 10
Se ha encontrado que cuando luego de hacer ejercicios (resistencia, pesas entre otros), el cuerpo sintetiza proteínas (degradación de proteínas aumenta) hasta 48 horas después que termina el entrenamiento. En este periodo de tiempo el cuerpo cae en un estado caído o catabólico de corto plazo, por lo que se recomienda que se consuma proteína antes y después de realizar ejercicios para compensar el metabolismo y ayudar a reconstruir los músculos dañados. Entre los amino ácidos que componen las proteínas, el más que actúa como un estímulo a la síntesis de proteína  es la leucina. Otros estudios han encontrado que las dietas altas en proteína producen una pérdida de peso aproximado de 4.5 lb mayor a lo que se pierde en las demás dietas luego de 6 meses. Las proteínas también ayudan a acelerar la recuperación luego de hacer ejercicios, reducir la perdida de músculos, construir músculos, entre muchas otras cosas más. El estudio realizado por Longland et al. demostró que dietas altas en proteínas durante un tiempo substancia de déficit de energía y HIIT preserva e incrementa la ganancia de masa muscular y la perdida de grasa 
muscular.

Figura 11


Figura 12
Figura 13

Figura 14

Los atletas en un déficit calórico requieren una ingesta de proteínas más alta que la normal, con mayores ingestas para un mayor déficit de calorías y los no atletas que se ejercitan en una deficiencia de energía probablemente tengan necesidades similares (los resultados se muestran en la Figura 13). En la figura 14 puedes ver la síntesis y la descomposición de las proteínas en los músculos. La masa muscular se mantiene a través del equilibrio regulado entre la síntesis de proteína muscular (MPS) y la degradación de proteína muscular (MPB). Para ganar y desarrollar los músculos, el MPS tiene que ser más grande que MPB. Sin embargo, se ha descubierto que después de los ejercicios de resistencia aumenta el MPS, sin embargo, la tasa de MPS también aumenta. Entonces, cuando consumes proteína o aminoácidos después del ejercicio, el equilibrio neto de proteína muscular se vuelve positivo a medida que la tasa de MPS suprime la tasa de MPB (se auto-suprime).


¿Qué comidas son altas en proteína?
         Pescado
         Carnes
         Beans
         Nuts
         Granos enteros
         Legumbres
         Entre muchas otras









Figure 1
The body is composed of different compounds, tissues, organs and molecules. Among them are proteins, which the body uses to make other protein molecules as well as specific functions such as hemoglobin (a component of red blood cells that carry oxygen to the tissues of the body).

What are proteins?

Figure 2
Before we begin to explain what proteins are, we have to know what amino acids are. Amino acids are chemical molecules composed of a carboxyl group, an amino group and an R group bonded to the alpha carbon (Figure 1-3). They are linked by means of covalent chemical bonds and are bent so that they can create three-dimensional structures that are of utmost importance for the functioning of the body. The R groups can vary in structure, size and electrical charge, which affects the solubility of the amino acid in water. Each amino acid contains a side chain with distinctive chemical properties. Twenty two amino acids have been identified that are important for the human body, of which only 13 can be manufactured by the body. The other 9 amino acids (essential amino acids) are obtained from the diet you consume.


Figure 3
Peptides are a type of molecule that is formed by the union of several amino acids through peptide bonds through a substituted amide. There are different types of peptides (oligopeptide, polypeptide) that will depend on the amount of amino acids and peptide bonds in the molecule. Polypeptides are sometimes referred to as proteins, the difference is in molecular weight (Polypeptide <10,000, Protein> 10,000).

Figure 4
Proteins are organic molecules that are made up of amino acid chains. They are the most abundant macromolecules that occur in all cells and their parts. In addition, proteins are molecular instruments through the expression of genetic information. These organic molecules are found in a wide range of sizes ranging from peptides to huge polymers. In addition, it has been found that cells can produce proteins with different properties and activities from each other by simply binding the amino acids in different combinations and sequences. Through this you can create products such as enzymes (the most varied and specialized), hormones, antibodies, transporters, muscle fiber, antibiotics, and among many others. The function of the proteins depends on the sequence of the amino acids. 

Once the protein forms its three-dimensional structure (Figure 4 and 5), it is called native conformation. The native conformation of proteins have structural levels that are divided into primary, secondary, tertiary and quaternary. These 4 levels are determined by the interaction of amino acids between themselves and their surroundings (Figure 6). Some proteins contain other chemical compounds in addition to the amino acids and others are composed of sub units (non-covalently associated polypeptides).

Figure 5

What are the importance of proteins?

Proteins can be separated and quantified for research purposes which have helped us demonstrate the importance of these compounds in our lives. They are responsible for shaping the structure of the tissues of the body allowing them to remain, replenish and grow. Proteins regardless of the activity you are doing are always performing important functions (move your legs, transport oxygen, protect against diseases, among others).

Figure 6

Many of the diseases that are known are caused by errors in the structures of the protein. That is why it is important to ingest protein in our diet as it helps produce important molecules in our body. Even the sequence of proteins can elucidate the history of life on earth through DNA and RNA (Figure 7). There are different types of protein, or rather different types of protein sources. There are proteins that are of animal origin (complete proteins) which contain the essential amino acids. Another type of protein are those of plant origin, these unlike those of animal contain less amount of essential amino acids (vary depending on the source).

Is it safe to eat protein?

For me, it is safe to ingest proteins as long as it is not in excess and a balanced amount is kept between the protein sources (animal and vegetable). However, published studies have shown that ingesting proteins even in high amounts do not harm the body. While other studies have shown that they do. So my recommendation is to balance your meals and try to ingest the amount of protein needed for the body to work.

What is the amount of protein that should be consumed?

The amount of protein ingested will depend on the level of activity that is performed. One of the simplest ways to know your daily amount of protein is to multiply your weight (lb.) by 0.5 or divide it by 2 to know the amount of protein you should eat per day. It is known that you should consume at least 1 g per kilo of weight. Keep in mind that this value is to prevent protein deficiency in the body, really as I said before will depend on your physical activity and how often you train. The accepted level (without taking into account the energy of the metabolism) is 0.8 g / kg day (recommended by the Harvard Medical Institute). In the United States, the daily recommendation is 46 g per day for women and 56 g per day for men. However, according to a study conducted by Kjeld Hermansen tells us that the maximum protein consumption taking into account different factors (body needs, weight control, protein toxicity, and among others) is 2-2.5 g / kg day that corresponds approximately 176 g of protein per day by a 80 kg person. The body needs small amounts of protein to survive but needs large amounts to develop properly. If you want to know the exact amount of protein visit your doctor and ask him to send you to a nutritionist for a full evaluation.

What should be taken into account when consuming them?

When it comes to consuming proteins it must be taken into account, first, which speed the proteins are absorbed by the intestinal walls since this will depend on how much protein a day you need to ingest. Second, must be taken into account the ability of the liver to diamine (break the amines) proteins for the production of urea in order to remove excess nitrogen of the body . Third, the amount of protein your body needs to function properly.

How often should the protein be taken?

Figure 7
Proteins should be ingested in moderate amounts at regular intervals instead of ingesting a large amount in a single meal per day. It is not necessary to consume the essential amino acids in each meal, as long as you eat a variety of protein foods a day because the body is responsible for taking what you need to function.

What effects does it have on health?

It has been found that proteins and small peptides can be synthesized chemically, that is, they can be created by humans in a laboratory for pharmacological purposes. Without the right amount of protein, the body cannot function at its maximum. In addition, protein consumption can increase the levels of the hormone glucagon (that helps control body fat), which is released when sugar levels fall. This causes the liver to break down the glycogen stored in glucose for the body to use. Also, it can help to release free fatty acids from the adipose tissue which is another way to obtain fuel for the cells and the fat of the body is used. In addition, it has been found in studies that protein consumption can help reduce coronary artery disease (CHD) in women (replacing carbohydrates with proteins in the diet can reduce CHD). It is related to weight control, studies have indicated that if you increase the consumption of proteins for a short period of time (long period of time the results are different), you can lose weight. This is due to the satiety effect they produce and the thermogenic effect.

How do proteins react in the body?

Figure 8
When is intake

Once the proteins are ingested and reach the stomach, the gastric juices decompose the protein molecules by means of the hydrolyzation in their basic components (amino acids). These are reutilized to make the proteins that the body needs to shape and maintain the muscles, bones and other tissues of the body.

Figure 9

In the figure 8 and 9 you can see all the process once you consume the protein.


 When doing exercises

Figure 10

It has been found that after exercising (resistance, weights among others), the body synthesizes proteins (protein degradation increases) up to 48 hours after training ends. In this period of time the body falls into a short-term or catabolic state, so it is recommended that protein be consumed before and after exercises to compensate the metabolism and help rebuild the damaged muscles. Among the amino acids that make up the proteins, the most that acts as a stimulus to protein synthesis is leucine

Other studies have found that high protein diets produce a weight loss of approximately 4.5 lbs. greater than what is lost in other diets after 6 months. The proteins also help accelerate recovery after exercise, reduce muscle loss, and build muscles, among many other thingsThe study carried out by Longland et al. demonstrated that high protein diets during a time of energy deficit and HIIT preserves and increases the gain of muscle mass and the loss of muscle fat. In the figure 10 and 11 you can see the muscle contraction synthesis. On the other hand, the equilibrium between the protein synthesis and breakdown is shown in the Figure 12, where you can see that for muscle growth you will need the help of the protein breakdown by doing exercises and the intake of protein to repair the breakdown.


Figure 11
Figure 12
Figure 13

                               

Figure 14 

Athletes in a caloric deficit require higher than normal protein intakes, with greater intakes being required for greater calorie deficits and the non-athletes who are exercising while in an energy deficiency would likely have similar needs (Results are shown in Figure 13). In the figure 14 you can see the sysntesis and breakdown of protein in muscles. The muscle mass is mantained through the regulated balance between the muscles protein syntesis (MPS) and the muscle protein breakdown (MPB). To gain and grow muscles the MPS have to be bigger than MPB. But, it's have been found that after resistance exercises the MPS increase, however the MPS rate also increase. So, when you consume protein or amino acids after exercise the net muscle protein balance becomes positive as the rate of the MPS suppressed the rate of the MPB (also suppressed itself). 

What foods are high in protein?
Fish
Meat
Beans
Nuts
Whole grains
Legumes
 Among Others


Bibliography:
My first bibliography is my biochemistry book: "L E H N I N G E R: Principles of Biochemistry";  7th Edition



**I don't have the copyright of the images. 

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