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Cap6 aminoácidos

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Para estudiantes de medicina y profesores

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Cap6 aminoácidos

  1. 1. Los aminoácidos constituyen lasunidades estructurales de lasproteínas. Éstas sonlasmacromoléculascon mayor gradodevariabilidad estmctural, quedesempeñan lasfuncionesmás diversas; muchasson enzimas,otrasintervienen en eltransportede diferentes sustancias y constituyen los receptores de diversos ligandos; algunasfor- man losanticuerpos, variassonhormonas. Estos hiopolímeroscumplen,además, mu- chas otras funciones disímiles. La diversidad estmctnralyfuncional vienedadapor la variabilidad en lacompo- siciónydisposiciónde susmonómeros constituyentesoprecursores: losaminoácidos. Son20 losaminoácidosque conforman las unidades estmcturales de lospéptidos ylas proteínas; ellos poseen algunas regularidades estructurales que son comunes a la in- mensa mayoría, pero presentanotras quediferenciana un aminoácidode otro. En estecapítulo trataremos elestudiode losaminoácidos,tanto desdeelpunto de vista estructuralcomofuncional yestudiaremosalgunasde las principales propieda- desdeestashiomoléculas;también conoceremoscómoseunen paraformarlospéptidos y lasproteínas, haciendo énfasisen las características de dicho enlace. Conceptoy característicasgenerales Los aminoácidospueden existir libres en lostejidosanimales y vegetales; pero en su mayoría seencuentran formandoparte de lospéptidosyde las proteínas. Estos compuestos constituyen ácidos orgánicos en los cuales, al menos un hidrógeno, ha sidosustituido por un grupoamino. De acuerdocon el Cal cual seune dicho grupo amino, estosaminoácidos seclasifican como a,b,y, 6,E, etc. CH, CH CH, C COOH CH, CH, COOH B alanina a leucina m, CH, CH, C H , COOH Ácido y amino butúico
  2. 2. Los aniinoácidos cumplen diversasfunciones: 1. Sonprecursores delas proteiiias. 2. Forman parte devitaniiiias,ejemplola Palanina forma parte delácidopantoténico, vitamina delcomplejo B. 3.Constituyen, por descarhoxilación,lasaminas biógenas; compuestosquecumplen funcionesimportantes y que a su vez pueden formar parte de otras hiomoléculas; ejemplo la etalnolamina quesefornia por descarboxilacibn de la serine y forma parte de algunos Iípidos, la serotonina -producto de descarboxilación de un derivado del triptúfano- que es un poderoso vasoconstrictor. 4. Son precursoresen la síntesisdealgunashormonas; ejemplo la tiroxina, hormona secretada por la glándula tiroides. quesefonna a partir delaminoácidotirosina; la adrenalina ynoradrenalina seforman también a partir de la tirosina. 5. Constituyen neurotrasmisores muchos de ellos, como la glicina, la histidina y el glutámico. 6. Son aminoácidos, algunos aiitibióticos; un ejemplo es el cloramfenicol. 7.Algunosson inetabolitosintermediarios deimportantesvíasmetabólicas,ejemplo: la ornitioa y la citrulina en el ciclode la urea. A pesar delas nunierosas y variadas funcionesquedesempeñan losaminoácidos, lamásimportante detodases,sinduda alguna,constituirlosprecunores delospéptidos ylas proteínas. Los aminoácidos que se encuentran formando las proteínas son todos alfa aminoácidos, con la excepciún de la prolina y su derivado, la hidroxiprolina. La estructura general de losalfa aminoácidos esla siguiente: coo- H,N+ c H donde R representa un residuo que diferenciaa un aminoácidode otro, que presenta naturaleza quíniica variada. R puede seruna cadena alifática,puede presentar anillos aron~áticos,heterociclosotener distintosgmpos químicoscomoOH,SH,NH,, COOH y CONH,. El grupo carhoxilo suele representarsedisociado (concarga negativa) y el aminosin disociar (con carga positiva), ya que esta forma esla que predomina a pH fisiolúgico. Estructuradelos aminoácidosque constituyenlasproteínas Para proceder alestudiodeestosaminoácidoslosordenaremosdeacuerdocon las características estructuralesde la cadena lateral en R: 1.Aminoácidos con cadena alifática en su cadena lateral en R. En este grupo se incluyenaquéllosqueposeen sólouna cadena hidrocarbonada en R y aquéllosque presentan además,un grupo OH o quecontienenazufre.
  3. 3. a) Aminoácidos con cadena hidrocatboiiada en R coo- coo- c o o - coo- c o o - 1 I H>N-C-H H,N-C-H l H,N-C- H l H,N+-c-H 1 H , N ~ C - H I H l CH, l H -C -CH, l I cH2 CH CH, Alanina I Glicina CH, I CH CH, 1 l CH, Valina CH, I CH, Leucina Isoleucina b) Aminoácidos con grupos hidroxilos (OH) en R coo- c o o - H,N+ c H H,N+ c H CH, OH H C OH Serina CH3 Treonina c) Aminoácidos que contienen átomos de azufre (S) en R coo- c o o - H,N+ c H H,N+ C H CH, CH$H CH, m:-.-:-- 0 0.6 L..,LC,U'. * . A L 3 Metionina
  4. 4. 2. Aminoácidos con un anilloaromático en R. En este grupo se incluyen aquellos aminoácidosque presentan el anillobenceno,el fenol y el indol. coo- coo- coo- + + 1 +H,N -C-H H,N -A-H I I l I Fenilalanina OH H Tirosina Triptófano 3. Aminoácidos con un grupo carboxilo (COOH) o amida (CONH,) en R: coo- coo- Ácido aspánico COO- Ácido glutámico coo- coo- I H , N ~ C - H H,N+ c H I l CH2 I CH2 CONH, CH, Asparagina CONH, Glutamina 4.Aminoácidoscongruposbásicos:(NHJ,guanidinoo anilloimidazolen R: coo- + 1 H,N-C-H 1 CH, I 7%' 3 ' 2 I NH I C = NH2 I N% Arginina coo- H p c A - H I CH, I CH=CH I IHN NH+ 'CHJ
  5. 5. 5.Aminoácidos cíclicos.En estegruposeincluyenalaminoácidoprolina y suderiva- dola hidroxiprolina: H I "1 CH, HO-C H2CHN/cH-cOO- NHiH-cOi"; Prolina Hidroxiprolina Enlatabla6.1 se presentan el nombre abreviado y elsímboloíJeúa)queideníiñcan a cadaunodelos20aminoácidosqueconstituyenlosprecursoresdelasproteínas. Rbln6.1. Nombrecompleto, abreviaturaysímbolopara identificarlos aminoácidos Nombre Abreviatura Alanina a$ Símbolodeuna letra
  6. 6. Clasiñcacióndelos aminoácidos Esposibleclasificarlosaminoácidossobrela basede distintoscriterios, de acuer- docon el objetivo que sepersiga. En el acápite anterior realizamos una clasificación para elestudio de sus estructuras particulares; elcriterio quese seleccionófueron las características estructurales de sus cadenas laterales. Por el interés que tiene en la comprensión de la estructura y propiedadesde péptidos y proteínas, seleccionaremos otros 2 criterios para su clasificación: 1.El número de grupos carboxilosy aminos(u otra agrupación há5ica)presentesenel aminoácido,de locual derivará elcarácterácido-básicode susdisoluciones.Sobre este criterio, los aminoácidos se clasificarán en neutros (monoamino- monocarboxílicos),bcidos(rnonoaminodicarboxílicos)y bhicm (diaminomono- carboxfiicoc)(tabla 6.2). Se puede apreciar de manera fácil que los aminoácidos ácidosson 2 (glutámicoy aspártico); básicosson 3(lisina,arginina ehistidina); el resto sonaminoácidosneutros. %bla62. Clasificacióndelosaminoácidossegúnnúmero degrupos carboxilosp ami- nos en la molécula Neutros Ácidos Básicos Glicina Ckteína Ácidoglutámico Lkina Alaniina Metionina Ácidoaspártico m 2. La presencia o no de grupos químicos polares en su cadena lateral R. Sobre este criterio, los aminoácidos se clasifican en apolares si no poseen ningún grupo polar en R, y polares -si tienen algún grupopolar en R. Los polares, a su vez, se subclasifican en polares iónicos- si a valores de pH fisiológico, adquie- ren carga eléctrica apreciable- y polares poco iónicos- si a valores de pH fisio- lógico, no adquieren carga eléctrica apreciable. La tabla 6.3 muestra la ubica- ciúii Ur caiil aiiiiii&i<;~ i r acuri-Uucuii r& Luiiiaiiiciiiu & c;abii';caciÚii. Se puede observar que los polares iónicos son precisamente los 2 aminoácidos ácidos y los 3 básicos, según el criterio precedente de clasificación; son pola- res poco iónicos aquellos aminoácidos que presentan en R alguno de los gru- pos siguientes: hidroxilo (OH), sulfidrilo (SH), amida (CONH,) o el anillo indol; el resto de los aminoácidos son apolares.
  7. 7. mbla63. Clasificación de los aminoácidos según la polaridad de susgrupos en R Polares Apolares - Iónicos Ácidoaspártico Ácidoglutámico Lisina W i n a Histidim Poco iónicos Scrina Tmnina Timsim Cisteha Aspiililgbxa Glutamin.1 Triptófano Propiedadesfísicasde losaminoácidos Los aminoácidos son sustancias cristalinas,por lo general, solublesen agua y en soluciones ácidas o básicas diluidas, e insolubles o muy poco solubles en ,alcoholy totalmente insolubles en éter. Sin embargo, alguno de ellos se comporta de forma contraria, comolacisteina, que espoco solubleen agua y la prolina, la cual essoluble en alcoholy éter. Los aminoácidos poseen un elevado punto de fusión que casi siem- presobrepasa los200 "C y en algunoscasos los300 "C. Es frecuente que con valores por encima de estas temperaturas los aminoácidos se descompongan, por lo que no resulta útil suseparaciónpor destilaciónfraccionada. 1 Propiedades ópticas de losamino4cidos. Seriesestéricas L y D Con excepción de la glicina, todos los aminoácidos presentan actividad óptica, son capaces de desviar el plano de vibración de la luz polarizada (capítulo5). La actividad óptica de los aminoácidos se debe a que, al menos el carbono u de estos compuestos (excepto la glicina) está sustituido de forma asimétrica con 4 grupos químicosdiferentes. Por comparación con elgliceraldehído,respectoa la configuraciónespacialde su grupo aamino,los aminoácidos seclasifican en 2seriesestéricas: L y D (capítulo5). Ala serieL pertenecen aquellosaminoácidoscuyogmpouNH, está orientadohaciael mismoladoque el OH del L gliceraldehído.Sielu NH, está orientado hacia elmismo ladoque el OH delD gliceraldeliido, el aminoácidoseiá de la serie D. Como regla general, losaminoácidos naturales pertenecen a la serieL, loque se ciimpleparticularmente para losa~ninoácidosqueforman las proteínar. Sinembargo, en algunospéptidos naturales seencuentran, conloexcepción,aminoácidosdela serie D; un ejemplo loconstituyela pre~enciadela D fenilalanina en sustancias antibióticas comolos péptidos gramicidina y tirocidina. Por convenciónse acostumbra a c5docareri la fórmula en proyección el grupo u amino de los 1, aminoácidos hacia la izquierda del grupo u carboxilo, cuando este
  8. 8. último sehayacolocadohacia arribay el cx aminodelosL aminoácidoshacia arriba, cuandoelgrupo acarboxilosedisponehacia la derecha. Los aminoácidos pueden constituir mezclas racémicas, que no son más que disolucionesequimoleculares de las series L y D, las que no presentan actividad óptica. Para identificar una mezcla racémica se le anteponen las letras DL al nombre del aminoácido; ejemplo: DL tirosina. En la tabla 6.4 se presentan los valores de rotación específica (sentido y magnitud de la actividad óptica) de algunos aminoácidos. lhbla 6.4. Rotación especií<icadelas disoluciones acuosasde algunosL aminoácidos Aminoácido Rotación específica GAlanina + la0 Los aminoácidos deben sus propiedades eléctricas a la presencia de grupos disociables en su molécula: los grupos carboxilos y aminos, el grupo guanidino presente enlaarginina, el anilloimidazoldelahistidina,elanillofenoldelatirosina y elsulfidrilodela cisteína. La disociación (comoácido)decada uno deestosgrupos sepresenta delaformasiguiente: Grnpocarboxilo -COOH -COO- + H' Grupoamino
  9. 9. Anillo imidazol I l CH- CH CH- CH 1 - 1 1 + H+ ?N ,F. HN 'CH Gmpoguanidho Gmpofenólico Estos grupospueden estar en su forma disociada ono disociada,según elpH del medio en que se encuentre disuelto el aminoácido; debido a ello estos compuestos pueden existiren distintasformasiónicas. La relación entreladisociaciónde un gmpo y el pH del medio viene dada por lafórmula de Henderson-Hasselbach (capítulo5): Forma disociada] pH=pK + log Forma no disociada] Esconvenienterecordar que a mayor Ka, mayor será la acidezdel gmpoy, por el conhmio, amenor valordesu pK,mayor serálaacidezdeungrupo.En losaminoácidos sehanordenadosuspK demenora mayor: (pK,,pK, ypKJ, delgrupomásácidoalmenos ácido. Apartir delafórmuladeHenderson-Hasselbach,sepuedeesümarladacióndelas
  10. 10. concentracionesde lasformasdisociadasynodisociadaspara cada gmpodisociablede losaminoácidos,pero, para finesprácticossepuedeasumirque: Si pA del medio=pK del grupo [formadisociada]=[forniano disociada] Si pH del medio es>pK del grupo entonces predomina la forma disociada y [formadisociada]>[formanodisociada] Si pH del medio es<pK del grupo entoncespredomina la forma no disociada y [formano disociada]>[formadisociada] Especiesiónirasdelos aminoácidos Deacuerdoconloantesexpuesto,acercadela disociacióndelosgmposdisociables de losaminoácidos,éstospodrán existir en forma de especiesiónicasdistintassegún el valor del pH del medio en que se encuentren disueltos. El comportamiento de los aminoácidos en cuanto a cantidad y variedad de sus especies iónicas depende del número y tipo de susgruposdisociahles,espor elloconveniente analizarlospor sepa- rado para losaminoácidos neutros, ácidosy básicos. Especiesi6niu1.sde las aminoácidas neutros Para estosaminoácidos,el pK,corresponde al pK del gmpo a carboxilo yelpK, alpKdel grnpoo. amino.Analizaremoslasespeciesiónicaspara estetipodeaminoácido a partir de valores bajos de pH, menores al valor de su pK,, situación en la que para todos losgrupospredomiiiará lafonna nodisociada,ya que será pH<pK para ambos grupos, especie (a):en esta condiciónel grupo carboxilo no presentará carga eléctrica y el grupo amino presentará carga eléctrica de +1, por lo que el aminoácido tendrá carga eléctrica neta positiva (+1) ysituadoen u11campo eléctrico sería atraído por el polo negativo (cátodo). Siseaumenta el pH del medio dedisolucióndel aminoácido hasta un valor de pH que sea mayor que pK,, pero menor que pK, (pK, <pH < pKJ, el grnpo carboxilo predominará ensu formadisociadaypor tanto presentará carga eléctricade -1;mien- tras elgrupo amino predominará en suforma no disociada (cargaeléctrica de +l),de dondela carga neta del aminoácidoserá igual a cero, especie (h);en tal condición el aminoácido no mostrará afinidad por ninguno de los polosde un campoeléctricoy, por tanto, no sena atraídopor ningunode ellos;esta especieiónicaseconocecomoion dipolar. Sise continúa aumentandoelpH del medio hasta lograr que su valor sea mayor queelvalor depK,,entonces para ambosgrupos predominará laformadisociadayp a n tal situaciónelgripecarboxilopresentará carga eléctricanegativa(-l),en tanto queel
  11. 11. grupo amino nopresentará carga eléctricaalguna. por ello el arnin»ácido tendrá carga eléctrica neta negativa 1- I! y seria atraído p o r el polo piisitivo o áiiodo especie lc!. Se pucdc aumentar o disiiiiiiuir de iiiaiierafácil cl p l l del iiietlio por laadicióii eii el priiiier casode1111álcali í+011.) y eiielsegundo caso de u n Jcido i+Ir).-uiique para realizar este aiiálisis I i e i i i ~ ~ spii.li<l~~de aloi'es Iia,ios de pH. los qiie se Iiaii ido iiicreiiieiitaiid~ipor laadicióii <leuiiálcali al iiiediu: es p~isilllede igualForiiia realizar el aiiálisis iiiterso. a partir de los talores iiiás elevados de p l l y disiiiiiiuirlos p o r l a adiciúii de uii ácido; por ello. eii las eciiaciuiies <lelasesliecics ióiiicas ae esirilieii las flechas en anil>ossenticlos con la arlicióii, segiiii corresponda. de u n ácido o u n álcali. EspeciesióNcasde los amhoáeidos ácidos Se delieii aiializiii' 3 :i-iipos disnrial~lci:cl t a l w de IIK, ci~ri'csp~~iidc;iI p K del grupo ocaibouilo; el p K Jalotro griipo carboxili~presriitecii la cadciia U iIjcarhosilo eii el caso del ácido aspártico y jcarlmxilo en el del ácido glotáiiiico! y por iiltiiiio el pK,st4 el valordul p K del griipo 1.1 ;iiiiiiio. ( 'CIIIIII piiede ;il>reri;ii.sc cii etc ciiw las especies iónicas scráii 1.I nuii iiicdio con valor de 1111<pK,. iiiiigiiiio de los grupos estará disociado. la carga neta del aiiiiiioácidoserá posiliva y en iiiicanipoeléitrico sería atraído y se desplazariii Iiaciael polo iicgatiw o cátotlo, especie (a).Si se aumeii- ta el pH.deiiiodoqiie reaiiiayoi-quep K ,pero iiieiiorqiir pK. i p K ,<pT1< ~>K.!.estaiia predoiiiiiiaiileiiic~itediwciadt~el grupo IL c a r l ~ u d ~ ~!los dciiiás gi'iipus se iiiaiitcii- driansin disociar. la carga elktrica netaseria U( - I dcl a carboxilo y +I del o ;iiiiiiio!. por loque iio se desplazaríahacia iiiiigiiiipolo. si se soiiielieia a laacciuii de iiiicaiiipo elbctrico, espccic (11). Alcoiitiiiuar clc;iiido cl talorclcl p l l Iiasta lograr que sutalor supere al pK,,pcro sca inferior al ph,, especie (E) (pK, < p H < ph,!. se consigue que sc disocicii áiiibos grupos carliosilos y que el aininose iiiaiiteiiga siii disociar: eii tal r~iiidicióiila iarga iictadclaiiiiiioácido scní -1y. soiiictido a l uacciuii dc u n caiiipo clktrico,sc dcsplara- ria hacia el áiiodo. I'or iiltiiiio, al contiiiiiar iiicreiiientaiido el p H del iiiedio hasta que p H > p K , se lograría la disociaci6ii dc todos los grupos, especie Id), el a i i i i w i c i d o presentaríacargx iiet;i de -'y se desplazaría Iiacia el polo positi! o i~icliisocoi1iiiayor wlocidatl qiie la cspecic niiterior, debido a iiiia iiiayor afinidad por cl6iiodo al poseer mayor carga iiegati~i. Especies iónicas de los aminoácidos básicos No5 i~;isarciiioscii el aiiiiiioácido lisiiie ) p o r últiiiio Iiai'ciiios liis c~~iisiderii- ri~niesiicccsari;ir p;ir;i los cnsou de la ai-giiiina y la Iiistidiiiii. I laiiiiiioicido lisiii;~ posee 3 grupos ioiiizahles. c l p K , currcspoiide al griipo a cari>«xil». el pK, a l CL aniiiio y el pK, al g r u p i ~;IIII~IIO prciciitc eii su cacleiia lateral (E aiiiiiio). b:ii s a l n i ude pfi <p l i , iiiiigúiigriipu estaridisociado y por tanto laespccic ióiiicas c r i laespecie la!
  12. 12. y la carga iieta del aiiiiiioácido sería igual a +2. por lo quesedesplazaría al cátodo en iiii caiiipueltctric~~.Si seaiiiiieiita el valor del pH del iiiedio.de iiiaiiera qiir sea iiiayi~r que pK, y iiieiior que pK, (pK, < pll < [>ti,),la especie iúiiica sería la (h), la carga eléctrica de +1y taiiibiéii sedesplazaría Iiacíael cátodo, pero a iiieiior velocidadque la especic aiiterior. A1 iiicreiiiciilar ;iúii iiiás el pH del iiicdio, hasta lograr que éste sea mayor qiie el p k . pero menor que cl pK; ípK, < pH < pK,). estaríaii disoriados los griiposcarhoxilo y el aamino especie(c).ésta presenta carga neta cero (-1por el grupo carbosilo y +1por el E aiiiiiio), sería el ioii dipolar y iio se desplazaría en uii caiiipo eléctrico. Por último, al coiitiiiuar auiiieiitaiidoel pll hasta quesea mayor queel pK,, todos los grupos se disociariaii, especie Id), ésta con carga eléctrica neta dc -1 se coiiip(wlaríarnnio iiii a n i h y por t;into se deyhcaríii hacia el polo positivo o ánocln. Es coiiveiiieiile aclarar que el coiiiportaiiiieiito cii cuaiito a las especies iúiiicas según el pH dcl iiicdio. esiniilarpara la aryiiiina y la lisiiia. con la difcreiici;~de qiie el pk, corresponde al grupogiianidin~~.Sin eml>argo.eiiel casodel aminoácidohistidina el comportainiento resulta diferente, ya qiie el anillo imidazol posee un valor de pK menor (pK,)queel del oamino (pk,) y por tantosedisociará antes el anillo imidazol que el o!amino: s?lw esta difcrcncia el rcsto del análisis para el caso de la Iiistidina. resulta similar al de losdeiiiás aniiiioácidosbásicos. Puntoisoeléctricode los aminoácidos Comoconsecuencia del coinportamiento eléctrico de losaminoácidos nos referi- mos al concepto de piiiito isoeléctrico (1'1). KI punto isoeléctrico de un aiiiiiio5cido es el i-alor del p11 al riial éstepreseiitn carga iicta ceroy no esatraído por iiiiigúii polo,si seIc soiiictca la acción de uii caiiipo eléctrico.La especieióiiica predoii~iiiaiiteeiiel PI será la de ioii dipolai: El piiiito isoeléctrico se calcula diferente segúii ei tipo de aiiiinoácidocomo seiiiiiestra a coptiniiacióii: - Paw losaiiiiiio6cidosiieiitros
  13. 13. .Para losaminoácidos ácidos dondeelpK, eseldelgrupoucarboxüoyelpK, correspondeal pK delotro grupo carboxilo presente en R. Como puede apreciarse para el cálculo del PI de los aminoácidos neutros y ácidos estas expresiones matemáticas son similares, sin embargo,sedeberecordar queaunqueelpK, enamboscasoscorresponde algrupo a carboxilo,nosucedeasípara el pK,, elcualcorrespondepara elgrupo aamino en elcasode los aminoácidosneutros, y para elotro grupocarboxilopresente en la cadena lateral R de este tipo de aminoácidos (pcarboxilosi se trata del ácido aspártico y ycarboxilo, del ácido glutámico),para los aminoácidos ácidos. -Para losaminoácidosbásicos El pK, eselpK del grupo uamino yelpK, eselpK delotro grupo básicopresente en R (E amino para el caso de la lisina y guanidino para el de la arginina), debe recordmequeelaminoácidohistidina constituyeuna excepciónentrelosaminoácidos básicos; su pK, corresponde al pK del anilloimidazol y su pK, al del grupoaamino, aunque es obvio que para el cálculo del valor del PI esto no implica ninguna conse- cuencia. Sepuede inferir la carga eléctrica neta de un aminoácido al comparar el pH del medio con el valor de su punto isoeléctrico. Si sabemos que el pH del medio coincide con eldesu PI, elaminoácido presenta carga neta cero,y resulta claro quea valoresde pHmenores quesu PI,su carga neta seríapositiva, pues losgrupos hásicospredomi- narán sindisociar, con carga positiva y losgmpos carboxilos sin disociar (sin carga); si el pH es mayor que su PI, la carga eléctrica neta sería negativa, pues todos los grupos carboxilos estarán disociados (carga negativa) y predominarán los grupos básicosya disociados (carga eléctrica cero). De manera que se puede resumir: -SipH del medio =PI del aminoácido carga eléctrica neta =O y no se desplaza en un campoeléctrico -SipH del medio <PI del aminoácido carga eléctrica neta positiva y se desplaza al cátodoen un campo eléctrico -SipH del medio >PIdel aminoácido carga eléctrica neta negativa y se desplaza al ánodo en un campo eléctrico En la tabla 6.5 aparecen los valores de pK de todos los grupos de los diferentes aminoácidos, así como el valor de su punto isoeléctrico.
  14. 14. lsbla 65. Valores de pK y delpuiito isoeléctrico de los aminoácidos G i u p Glicina u carboxilo Alanina acarbosilo Valina ocarhoxilo 1,euciiia ncarbosilo Isoleiicina ncarhoxilo Seiina ncarlwxilo Treoniiia u carboxilo Fenilalanina Triptófano Metioiiina Prolina Asparagiiia Glutainha Tirosina Idsina Histidiiia hrginina Ácido aspártico hdoglutámico Cisteína ucarboxilo ncarboxilo acarboxilo u carhoxilo u carhoxilo a carboxilo acarhoxilo u carboxilo ucarboxilo u carboxilo ncarhoxilo acarhoxilo ucarboxilo Valor 2,34 2,35 2,32 2,36 2,36 2,21 2,63 G N ~ v.amino namiiio u amino <yamino naniiiio naniino tx ariiiiio naniiiio aainiiio o.amino nainiiio uamino uaniino uaiiiino naniino Iniidazol uamino carhoxilo y carboxilo Sulfidrilo Valor 9,60 9,69 9,62 9,60 9,68 9.15 10,43 G m p Valor 5,97 6,02 597 538 6,02 5,68 653 fenólico E amino aamino guanidino uainino uamino aainino Electroforesisde los aminoácidos Losaniinokidos por su carácter de anfolilo, inolGciilascuya carga eléctrica depende del pH del medio en el que seeiicneiitren disueltas, pueden ser separadas mediante la técnica deelectroforesis. ksta consisteen someter
  15. 15. bajo la acción de un campo eléctrico, a un valor de pH determinado, una mezcla de variosaminoácidos.En dependencia fundamentalmentedesu carga, losaminoácidos seseparan al desplazarse hacia polos distintos ycon velocidadesdiferentes. Para realizar esta técnica se utilizan distintos soportes, en los que se coloca la solucióndeaminoácidosque sedeseaseparar;lossoportes pueden serpapel,agarosa, almidón,poliacrilanuda, etcétera. El voltaje que se debe aplicar y el tienipo de corrida dependen de las cargas eléctricas y el peso molecular de los anfolitos que se van a separar. Al finalizar la corrida, la tira de papel -oelsoporteutilizado-se revela por coloraciÚn,frecuentc- mentecon ninliidrina, para visualizar la separación. Importanciade los gruposenla cadena R de los aminoácidos En las cadenas laterales de los aminoácidos están presentes diferentes grupos químicossegúnelaminoácidoespecíficoquesetrate. Estos grupostienen in~portancia en la determiiiaciún de la estructura tridimensional que adopten las proteínas. Así, la glicina que es un aminoácido pequeño puede localizarse en sitios inaccesibles para otrosaminoácidos;losaminoácidosdecadeiialarga perturban lasestructurasen hélice alfay en hoja plegada; losaniinoácidos con cadeuaslaterales hidrofóbicas son abun- dantes en proteínas intrínsecasde membrana en las zouas de dichas proteíiias quese hallan en contactoestrechocon la doblecapa lipídica,la prolina seencuentraen zonas degirosode fallas dela estructura en hélice de las proteinas; losaminoácidos polares iónicos se disponen hacia &era en la estructura de proteínas globulares, pues interactúan con mayor efectividad que otros con el medio amhiente acuoso. El anillo imidazúlico de la histidina desenipefia una función importante en el mantenimientodel pH sanguíneodebido asu valorde pK cercanoa 7. Losgrupos OH delaserina y la tirosina tiene11importancia en la funciúncatalíticadealgunas enziinas, así como en la unibn covalente a grupos fosfatos que interviene11en procesos de regulaciónde laactividad de determinadas enzimas. Entre varios deestos grupospresentesen lascadenas laterales de losaminoácidos seestablecendeterminadosenlacesointeraccionesqueinfluyen en laestructura espa- cialde las proteíiias, entrelos más frecuentes seencuentran los siguientes: G ~ P O S Enlace ointeracción Entreun grupo básicocon carga + ..............y un grupo ácido coi1carga -. .Unión saliiia EntrelascadenasIiidrocarbonadas de 2 aminoácidos apolares .................Unión hidrofóbica Entre el -COO'deun aminoácidoácido ......................y otro con OH en R.. .Puentede hidrógeno EntreelNH,'de un aminoácido bisico ......................y otro con OH en R.. .Puente de hidrógeuo Entre2 aniinoácidoscon grupos OH en R.. ................................ Puente de hidrógeno Entre 2grupos SH ................................ Puente disulfuro Entredos anillosaromáticos presentes en R.. ........................... Fuerzas de Van der Waals que en estos casos se conocen con el nombre de apilamiento o sti~cking
  16. 16. Reaccionesquímicasde los aminoácidos Púmura de Ruhemann Fig. 6.1 Fórmulas de la ninhidrina y de la púrpura de Ruhemann. Los aminoácidos pueden participar en numerosas reacciones químicas, po- seen grupos que son capaces de intervenir en diferentes tipos de reacciones: me- diante elgrupo amino pueden formarbases de Schiff-deimportancia en algunas vías metabólicas deestoscompuestos- también mediante el grupo amino reaccio- nan con el dinitrofluorobenceno o el ácido nitroso o con el fenilisotiocianato (reacciónde Edman),entreotras muchas reacciones que han sidode utilidad en la identificaciónde los grupos aminos terminales, y por ello empleadas en la deter- minación de la secuencia de péptidos y proteínas. Por su grupo carboxilo los aminoácidos pueden formar ésteres o descarboxilarse y dar lugar a las llamadas aminas biógenas, muchas de ellasson compuestoscon importantes funcionesbiológicas.Los aminoácidos pueden for- mar sales si reacciona el grupo carboxilo con un álcali, por ejemplo con el OHNa se formaría la sal sódica del aminoácido; si reacciona el grupo amino con un ácido, por ejemplo el HCI, se obtendría el clorhidrato del aminoácido. Por supuesto los aminoácidos también pueden reaccionar por los diferentesgrupos que poseen en R, incluso algunas de estas reacciones han sido empledas para identificar a los diferentes aminoácidos.Estudiaremos sólo 2reacciones,la reac- ción de la ninhidrina por su amplio uso en la identificación y cuantificación de los aminoácidos y la formación del enlace peptídico por su trascendencia en la formaciónde los péptidos y las proteínas. Reaefi6n de la ninhidrina Estareacciónesunade lasmásempleadaspara laidentificacióndelosaminoácidos. Ella transcurre a elevadas temperaturas (ebullición)y reaccionan 2 moléculas de ninhidrinapor cada moléculadelaminoácido,seformaun complejodecolor violeta (púrpuradeRuhemann)yseliberaCO, y NH,. La estructuradela ninhidrina yladel complejocoloreadodepúrpura de Ruhemann semuestran en lafigura 6.1. Fomaci6n del enlace peptídico El enlacepeptídicoesuna amidasustituidaqueseforma al reaccionarelgrupo carboxilodeun aminoácidoconelgrupoaminodeotro y pérdida deuna molécula de agua: El grupo peptídico formado está constituidopor el carbono carbonflicoy el N amídico,ambosunidosalcarbono alfa.En elenlacepeptídicoseestableceuna reso- nancia electrónica,debido a la posibilidad que presentan los electrones del enlace para desplazarseentre el C y el N, por las interaccionesque se establecenentre los orbitalesp del N, el C y el O (Fig 6.2). Debidoa la resonancia elenlacepeptídicopresenta característicasdedobleenla- ce, comprobado mediante la espectroscopia,ya que la distancieentre el átomode carbono y el oxígenoes 0,02 gmayor que la distancia promedio de enlaces dobles C=Odealdebídosycetonas;asícomoelC-Npeptídicoes0,13R menor queel enlace simpleN-Ca; por consecuenciasedicequeelenlacepeptídicoposee carácter parcial dedobleenlace. El enlace Ca-N es el enlace@, y el Ca-Ces el (Fig6.3).
  17. 17. Esta característica determina que los elementosdel enlace peptídico seencuen- tren en un mismo plano y los giros se establezcan sólo al nivel de los carbono alfa; además, debido a las limitaciunes de giros que condiciona este cáracter de doble enlace existe la posibilidad de la presencia de isomería geométrica (cidtrans). La configuraciónpredominante en los péptidos y proteínas esla trans, donde losátomos de Ca sucesivosse disponen a los lados opuestos del grupo peptídico (Fig 6.4). La energíaderesonancia alcanza su valormáximocuandoelgrupopeptídicoescoplanar, ya queelsobresolapamientode losorbitales p esmáximo en esta conformación. Este sobresolapamientoy, por tanto, la energía de resonancia se hacen cero, si el enlace peptídico realiza un giro que lo aleje 90' de la planaridad, lo cual explica la rigidez planar delgrupo peptidico. Fig.6.3 Representación de dos cnlsrcs peptidicos contiguos. 1.0s clcincntos dcl enlace pcptídico se eneiicntran en un mismo plano dehido a las limitaeioncs en el giro del enlace C-N ( earáctcr parcial de doble cnlacc). Los giros se producen a nivel dc los earhonos o; enlace C-Cm(yrl y del C,;N ($1. Fig. 6.2 Representaci6ii de la estructura dcl enlace peptídieo; a) cstruetura re- senaiitc; Iil solapamiento de los orbitales p del C, cl O y cl N. Fig. 6.4. Rcpresentacibn dc los cnlaces peptidicos de un segmento de una cadena polipeptidirii. Pueden ohscrrarse los elementos del eiilacc peptídico en un mismo plano y la disposición trans dc los grupos laterales R de las rcsiduas de los aiiiino:ieidor y del propia grupo peptídico.
  18. 18. Resumen Los aminoácidos son ácidos orgánicos en los que un H ha sido reemplazado por un grupo amino. Los aminoácidos cumplen funciones variadas, pero la más importante es constituir las unidades estructurales de los péptidosy las proteínas. Losaminoácidos que forman las proteínas son todos alfa aminoácidos, exceptola pmlina y La hidroxipmlina. Los aminoácidos que forman las proteínas pertenecen a la serieL. La cadena lateral en R diferencia un aminoácidode otro y puede estar constituida por cade- nas aüfáticas que contengan grupos qnúnicosdiversoso por d o s aromáticos. Los aminoácidos pueden clasificarse según diferentes criterios. De acuerdo con el número de grupos carboxilos y aminos se clasüican en neutros, ácidos y básicos; de acuerdo con la polaridad de su grupo R se clasiñcan en apolares y polares -estos Úitimos a su vez pueden ser polares iónicoso polares poco iónicos. Entre los grupos presentes en los radicales R se pueden establecer diferentes interaccionescomo: uniones salinas, uniones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno, puentes disulfuroy apiiamiento,que desempeñanuna funciónmuy importante en la determinacióndela estructura espacial delas proteínas. Los aminoácidos presentan propiedades eléctricas debido a la presencia de grupos disociables;la disociación deestos grupos dependedel valor desu pK y del pH del medio en que se encuentren disueltos, por ello los aminoácidos pueden existiren diversasespeciesiónicasy presentar carga neta distinta. De acuerdocon su carga eléctrica serán atraídos por el ánodo o el cátodo si son sometidos a la accióndeun campoeléctricoy sedesplazarán enunou otro sentido.Al valor delpH al cual el aminoácido presenta carga neta cero y no se desplaza en un campo elédricoseledenominapuntoisoeléctrico(Po.Dela relaciónentre elpH delmedio yelPIdeun aminoácidosepuede predecir su comportamientoelectrnforético.Las técnicasde electroforesisbasadas en laspropiedades eléctricasde los aminoácidos son de ualidad en la separauón e identificación de estas biomolécuias. Los aminoácidos se unen por medio del enlace peptidico para originar los péptidosy lasproteínas.El enlacepeptídieo esun enlacedetipoamidasustituida,y seforma cuando reacciona el gmpo carbodo de un aminoácidocon el anúnico de otroy seelimina una moléeuiadeagua. Esteenlaceposee carácter parcial dedoble enlaceylimitaelgirodeloselementosconstituyentesqueseencuentran todosen un mismo plano y en disposicióntrans. Ejercicios 1.Defina el conceptode aminoácido. 2. Cite2 criteriosde clasificacibnde los aininoácidos. 3.Clasifiquelosaminoácidossiguientesdeacncrdocon el numerodegruposcarbori- los y aminosque poseen: alanina ualina gliitiiniico Iiistidiria .serina glicina arginina fenilalanina cisteína aspáiiico lisina tirosiiia 4. Clasifiquelos aininoácidosdel ejercicio anterior de acuerdocon la polaridad de 5'11sgrupos1<. 5. Calculeel punto isocléctricodela Iiidroxiproliiiasi usted sabeque su pK,=1,<)2y su pK,=Y,73. 6.¿Cíiai sera la especie ibnica predomiiiaiitede la alanina a un valor de pl-1=8,5? 1Sscril)nlaestructuradela especie,señalesu carganeta y predigasuc«niportanien- to elcctrofor6tico. 7. ,Cuálserá laespecieibnicapredominante dela histidina a iin pH=7,2?Ikriba la estructura de la especie, seíiale sil carga neta y prediga su con~portainicnlo electroforttico.
  19. 19. g. ;Cuál será la especie iónica predominante del ácido glutámicoa un pH=3,0? Escribalaestructuradelaespecie,seiialesucarga netay predigasucomportamien- toelectroforético. 9. Identifiquela interacción que puedeestablecerseentre losgmpos en lascadenas lateralesen R delassiguientesparejas deaminoácidos: ala-ile glu-tir val-leu cis-cis fen-fen lis-ser asp-lis tir-tk @u-ser @u-=¡? 10.iQuétipodeinteracciónusted consideraquepueda establecerseentrelosgmpos en Rdelassiguientesparejas.deaminoácidos?Fundamentesurespuesta. glu-glu glu-asp lis-lis lis-arg 11.Si se realiza una electroforesis a una mezcla de los aminoácidos hipotéticos A (PI=3,00), B (PI=6,00)y C (PI=9,00)utilizandoun mediocon pH=6¿Cuálserá el comportamientoeleetroforéticodecadaaminoácidoy por qué?Asumaquetodos tienensimilarpeso molecular. 12.Enumerelascaracterísticasdelenlacepeptídico.

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