Aminoácidos-1

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AMINOÁCIDOS
Las proteínas son moléculas de enorme tamaño, pertenecen a la categoría de macromoléculas, constituidas por gran número de unidades estructurales. En otros términos, se trata de polímeros.
Por hidrólisis, las moléculas proteínicas son escindidas en numerosos compuestos relativamente simples, de pequeño peso, que son las unidades fundamentales constituyentes de la macromolécula. Estas unidades son los aminoácidos, de los cuales existen 20 especies diferentes. Cientos o miles de estos aminoácidos pueden participar en la formación de la gran molécula polimérica de una proteína.
Los aminoácidos constituyentes de proteínas son compuestos con un grupo ácido, carboxilo (-COOH) y un grupo básico, amina (-NH2), unidos al carbono α. Son, entonces, α-aminoácidos y su fórmula general es:
donde R corresponde a la cadena lateral, diferente para cada uno de los 20 aminoácidos distintos que se obtienen de la hidrólisis de proteínas.
De acuerdo a la formula general presentada, todos los aminoácidos (excepto glicina, en la cual R es un hidrogeno) tienen las 4 valencias del carbono α saturadas por grupos diferentes. Este hecho determina la existencia de 2 isómeros ópticos, con configuración espacial distinta, para cada aminoácido.
ISOMERÍA ÓPTICA
Se denomina isómeros a compuestos diferentes con la misma fórmula molecular. Contienen igual número y clase de átomos, pero unidos entre sí de manera distinta. Cuando difieren en su disposición espacial, se tienen isómeros espaciales o estereoisómeros, categoría a la cual pertenecen los isómeros ópticos.
Según la teoría tetraédrica, los4 enlaces del átomo de carbono son equivalentes y orientados hacia los vértices de un tetraedro regular. Cuando cada una de las valencias está saturada por elementos o grupos atómicos diferentes, la molécula resulta asimétrica. Se dice en ese caso que el carbono es asimétrico.
Por ejemplo, en el aminoácido alanina:
el carbono en rojo es asimétrico porque está unido a 4 grupos atómicos distintos (-H, -CH3, -NH2 y –COOH).
Los grupos unidos al carbono asimétrico central pueden ser dispuestos en el espacio de 2 maneras diferentes. De ello resultan 2 moléculas, cada una de las cuales es la imagen en el espejo de la otra. Estos isómeros no son superponibles, guardan entre sí la misma relación existente entre la mano izquierda y derecha, de allí el nombre de compuestos quirales dado a este tipo de isómeros.
Isómeros de este tipo poseen muchas de sus propiedades químicas iguales y propiedades físicas idénticas, excepto su capacidad para desviar el plano de vibración de la luz polarizada en uno u otro sentido.
Luz Polarizada
Un haz de luz ordinaria está compuesto por vibraciones dispuestas en todos los planos que se intersectan en el eje de propagación del haz. Se llama luz polarizada a aquella cuyas vibraciones ocupan solo uno de esos planos. Se puede obtener luz polarizada haciendo pasar un haz de luz ordinaria a través de un prisma de Nicol, o de un material sintético llamado Polaroid. La luz que ha atravesado estos medios está constituida por vibraciones en un solo plano.
Actividad Óptica
Si un haz de luz polarizada atraviesa una solución de un compuesto quiral, el plano de vibración es rotado sobre su eje y desviado a otra posición. Se dice que la sustancia es ópticamente activa. Por convención, cuando el giro tiene sentido del movimiento de las agujas del reloj, se lo considera hacia la derecha o positivo (+), la rotación en sentido contrario es izquierda o negativa (-).
Los compuestos que desvían hacia la derecha el plano de vibración de la luz polarizada se llaman dextrorrotatorios o dextrógiro y los que lo rotan hacia la izquierda son levorrotatorios o levógiros.
La magnitud de la rotación se determina mediante un aparato llamado polarímetro, que permite medir el ángulo del giro producido en el plano de la luz.
En condiciones determinadas de temperatura, longitud de onda de la luz incidente, concentración de sustancia en la solución y espesor de solución recorrido por la luz, cada compuesto produce un giro definido del plano de la luz polarizada, correspondiente a la rotación especifica, característica para cada sustancia activa. Los 2 isómeros ópticos de un mismo compuesto desvían la luz polarizada en un ángulo exactamente igual, uno hacia la derecha y el otro hacia la izquierda.
Los isómeros ópticos se distinguen por la configuración de los 4 sustituyentes en torno al átomo de carbono quiral o asimétrico.
El compuesto de referencia es el gliceraldehído. Los 2 isómeros ópticos de esta sustancia, uno levógiro y otro dextrógiro, se designan anteponiendo al nombre las letras L y D respectivamente y sus formulas se indican de la siguiente manera:
	
El isómero L es representado con el hidroxilo unido al carbono asimétrico hacia la izquierda y el isómero D, con dicho grupo hacia la derecha.
Por convención, todos los compuestos de configuración comparable a la del L-gliceraldehído, son denominados L, aun cuando no sean levógiros, y los relacionados con la disposición espacial del D-gliceraldehído, son llamados D aunque no sean dextrógiros. Por ejemplo:
		
Las células de los seres vivos distinguen con gran eficiencia los estereoisómeros. Solo los aminoácidos de configuración L son incorporados a proteínas y presentan mayor interés en bioquímica humana.
CLASIFICACIÓN DE AMINOÁCIDOS
A continuación se presentan los aminoácidos constituyentes de proteínas, agrupados según las características de sus cadenas laterales
Aminoácidos Alifáticos Neutros con Cadena no Polar
								
Aminoácidos Alifáticos Neutros con Cadena Polar no Ionizable
Serina y Treonina contienen en su cadena lateral una función hidroxilo que les otorga carácter ácido.
		
Aminoácidos Neutros Aromáticos
Fenilalanina posee un núcleo bencénico y triptófano, el núcleo heterocíclico indol, ambos apolares y marcadamente hidrófobos. Tirosina tiene un hidroxilo fenólico que le da polaridad.
Los aminoácidos aromáticos absorben fuertemente la luz en la región ultravioleta del espectro (280nm). Esta propiedad es usada para detectar la presencia de proteínas en una muestra.
				
Aminoácidos con Azufre
Cisteína contiene el grupo –SH (sulfhidrilo), ligeramente polar. La cadena lateral de metionina es apolar.
		
Aminoácidos Ácidos (Dicarboxílicos)
Ácido aspártico y acido glutámico son aminoácidos con un carboxilo adicional que puede liberar un protón y adquirir carga negativa al pH de los líquidos biológicos.
	
Asparragina y Glutamina son derivados de los aminoácidos acido aspártico y glutámico respectivamente, poseen función amida en el carbono distal al Cα. A diferencia de sus análogos acídicos, asparragina y glutamina no tienen carga en su cadena lateral, pero son decididamente polares.
	
Aminoácidos Básicos
Son aminoácidos con carga positiva al pH reinante en las células. Lisina, con una función amina adicional, y arginina, con un grupo guanidino, pueden aceptar protones.
		
Histidina tiene el núcleo heterocíclico imidazol, uno de cuyos nitrógenos puede adquirir una carga positiva.
Prolina
En la prolina el carbono α y el nitrógeno a él unido están incluidos en un ciclo pirrolidina. El compuesto tiene carácter alifático.
		
Otros Aminoácidos
											
PROPIEDADES DE AMINOÁCIDOS
Las propiedades de la cadena de cada aminoácido permiten predecir su comportamiento. El grupo sulfhidrilo de cisteína es altamente reactivo y con facilidad se combina con otro similar para formar uniones disulfuro (-S-S-). Dos cisteínas ligadas por este tipo de enlace covalente forman cistina.
Las características de las cadenas laterales permiten agrupar los aminoácidos en
· Polares: glicina, serina, treonina, cisteína, tirosina, ácido aspártico, ácido glutámico, asparragina, glutamina, lisina, histidina y arginina.
· Apolares: alanina, valina leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, triptófano y prolina.
Propiedades Ácido-Base de Aminoácidos
La existencia, en una misma molécula, de grupos ácidos y básicos, da a los aminoácidos propiedades eléctricas particulares. El grupo carboxilo se comporta comoácido o dador de protones:
El grupo amina acepta protones, actúa como base:
En las formulas precedentes se ha presentado a los aminoácidos con sus funciones no ionizadas, situación improbable en los medios biológicos. En realidad, al estado cristalino o en soluciones acuosas, estos compuestos se encuentran disociados, con cargas positivas y negativas sobre la misma molécula. Por esta razón, se dice que los aminoácidos son iones dipolares, anfolitos o anfóteros. Por ellos, es más correcto, representar a los α-aminoácidos como iones dipolares:
En soluciones acidas fuertes, el ion dipolar capta un ion hidrogeno o protón a nivel de su carboxilo, el cual, en esas condiciones, se comporta como una base. El aminoácido se convierte entonces en un ion con carga positiva o catión, es decir, migra hacia el cátodo si se establece un campo eléctrico en la solución.
En solución alcalina, el protón de la función –NH3+ reacciona con iones hidroxilo para formar agua y el aminoácido queda cargado negativamente (ion negativo o anión). Es decir, a un pH fuertemente alcalino, el grupo –NH3+ se comporta como acido.
La carga eléctrica del aminoácido depende del pH del medio en el cual esta disuelto. Si la concentración de iones hidrogeno aumenta en el medio, los iones –COO- (carboxilato) captan protones, disminuyen progresivamente las formas iónicas dipolares y se forman cationes. En cambio, cuando disminuye la concentración de H+, esto es, aumenta la de OH-, los grupos –NH3+ ceden H+, pierden su carga y se forman aniones.
Hay un valor de pH, característico para cada aminoácido, en el cual la disociación de cargas positivas y negativas se iguala y, por lo tanto, la carga total del aminoácido es nula. A este valor de pH se lo denomina punto isoeléctrico (pHi o pI).
En estas condiciones, el aminoácido no tiende a desplazarse hacia ninguno de los polos cuando se establece un campo eléctrico a través de la solución.
Curva de Titulación de Aminoácidos
Los equilibrios de disociación para cada uno de los grupos ionizables de un aminoácido se indican en las siguientes ecuaciones.
Para el carboxilo:
Para la amina:
Teniendo como ejemplo la alanina, donde R corresponde a un metilo, en una solución de agua pura, las 2 funciones del aminoácido están ionizadas y el pH del medio es el correspondiente al punto isoeléctrico de la alanina (pH=6,02). A partir de ese punto se pueden realizar 2 titulaciones por separado, la del grupo –COO-, que se comporta como una base al aceptar protones y la del grupo NH3+, que actúa como acido débil, liberando H+. Para la primera neutralización puede utilizarse una solución de HCl y para la segunda, una de NaOH. La representación conjunta de los cambios de pH producidos en el curso de ambas valoraciones de una curva bifásica.
Antes de agregar HCl, todas las moléculas del aminoácido se encuentran al estado de ion dipolar (pH=6,02=pHi). La adición de acido aumenta la concentración del H+ del medio y determina la aceptación de protones por parte del grupos –COO-. Al llegar a pH=2,34, la mitad de los grupos –COOH presentes se encuentran al estado no disociado, las concentraciones de las formas H3N+-CHR-COOH y H3N+-CHR-COO- se igualan. Dicho valor de pH corresponde al pK del carboxilo (pK1). Si se continua agregando acido, se alcanza un punto en el cual prácticamente todas las moléculas de aminoácido están protonadas (H3N+-CHR-COOH), situación que corresponde al extremo inferior de la curva.
La mitad superior de la curva se obtiene por titulación con NaOH. A partir del pHi, el aumento de la concentración de OH- provocados por la adición de álcali, determina la sustracción de H+ del medio para formar agua. Esto crea una nueva situación de equilibrio, en la cual los grupos –NH3+ se comportan como ácido débil, liberando protones. El punto medio de esta segunda fase se alcanza cuando las concentraciones cuando H3N+-CHR-COO- y H2N-CHR-COO- son iguales, lo cual sucede a pH=9,69, valor igual al pK del grupo –NH3+ de la alanina (pK2). Si se continua añadiendo NaOH hasta total neutralización, los grupos –NH3+ terminan por liberar sus H+ y el compuesto queda finalmente desprotonado (H2N-CHR-COO-).
La curva de titulación permite determinar los valores de pK de cada uno de los grupos ionizables del aminoácido. El aplanamiento de la grafica en las cercanías de los puntos correspondientes a los pK, indica que el aminoácido puede actuar como amortiguador o buffer en esas zonas de pH.
Propiedades Químicas de Aminoácidos
Los aminoácidos participan en numerosas reacciones químicas. Algunas de ellas comprenden a los grupos amina o carboxilo unidos al carbono α, otras son específicas de determinadas cadenas laterales y sirven para identificar en una muestra la existencia de un aminoácido en particular.
Un reactivo muy utilizado para el reconocimiento de α-aminoácidos es la ninhidrina. El grupo α-amina da con esta sustancia un compuesto de intenso color purpura. La prolina, en cambio, da un producto color amarillo. La ninhidrina no solo se utiliza para el reconocimiento de aminoácidos, sino también en determinaciones colorimétricas de su concentración. La reacción es notablemente sensible y permite medir muy pequeñas cantidades de aminoácidos (del orden nanomolar, 10-9 moles).
UNIÓN PEPTÍDICA
Los aminoácidos pueden establecer enlaces covalentes entre el grupo carboxilo de uno y el nitrógeno del grupo amina de otro. Esta unión, denominada peptídica, es de tipo amida y se produce con pérdida de agua.
El producto formado cuando se unen de esta manera dos aminoácidos se llama dipéptido. Es posible seguir agregando unidades aminoacídicas con el mismo tipo de unión para formar tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, etc. En general, se denominan polipéptidos los polímeros formados por más de 10 aminoácidos unidos por enlace peptídico. Cuando la cadena polipeptídica tiene masa molecular mayor a 6.000 Da, lo que corresponde a polímeros de más de 50 unidades aminoacídicas, la molécula es considerada una proteína. Por debajo de esa masa, se designan péptidos a estos compuestos. El valor de 6.000 Da es un valor arbitrario y se ha elegido porque es la masa aproximada de la insulina, primera proteína cuya estructura completa fue conocida con exactitud.
Toda cadena polipeptídica tiene un extremo en el cual queda un aminoácido con su grupo amina libre, por convención, se considera a éste como el comienzo de la cadena y se lo llama extremo amino-terminal o N-terminal. La otra punta posee libre el grupo carboxilo, es el extremo carboxilo-terminal o C-terminal. Los aminoácidos constituyentes de proteínas pierden en la unión peptídica un H del grupo amina y un OH del carboxilo, por ello, una vez integradas en la cadena las unidades que forman el polímero son restos o residuos de aminoácidos.
VALORACIÓN DE AMINOACIDOS POR LA TÉCNICA DE SORENSEN
Es una reacción de aldolización en la que el formaldehído reacciona con el grupo amino para formar el mono y dimetilol derivado. Al agregar exceso de formaldehído, se desplaza totalmente el α-aminoácido por ley de acción de las masas, hacia la formación del bimetilol derivado, de esta manera el aminoácido que está en su punto isoeléctrico libera totalmente el H+ del grupo amino, y a través su valoración indirecta (con una base titulada como NaOH), podemos conocer la cantidad de α-aminoácido.
Como el método de Sorensen se basa en el desplazamiento total de la disociación del aminoácido, por el agregado de formaldehido, dando el dimetilol derivado, de esa manera por cada mol de aminoácido, se libera un mol de protones. Dicha acidez la valoramos con una solución de NaOH de N conocida y por lo tanto en el final de la valoración, tendremos que el N° de mEqOH- es igual al N° de mEqaa, que es igual al N° de mEqH+.
 (
12
)
O
H
C
H
CH
2
OH
C
H
O
L-gliceraldehído
O
H
C
H
CH
2
OH
C
H
O
D-gliceraldehído
L-alanina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3
D-alanina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3
N
H
2
C
H
COOH
H
Glicina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3
Alanina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
C
H
3
C
H
3
Valina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
C
H
3
C
H
3
LeucinaN
H
2
C
H
COOH
C
H
C
H
2
C
H
3
C
H
3
Isoleucina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
O
H
Serina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
O
H
C
H
3
Treonina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
Fenilalanina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
O
H
Tirosina
N
C
H
2
C
COOH
H
N
H
2
H
Triptófano
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
S
H
Cisteína
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
S
C
H
3
Metionina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
COOH
Ácido aspártico
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
COOH
Ácido glutámico
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
OC
N
H
2
Asparragina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
OC
N
H
2
Glutamina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
C
H
2
C
H
2
N
H
2
Lisina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
C
H
2
N
H
C
N
H
2
N
H
Arginina
N
N
H
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
Histidina
N
H
COOH
Prolina
N
H
COOH
O
H
4-hidroxiprolina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
C
C
H
2
N
H
2
O
H
H
5-hidroxilisina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
COOH
HOOC
Ácido 
g
-carboxiglutámico
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
O
PO
3
H
2
O-fosfoserina
COOH
C
H
2
C
H
2
N
H
2
b
-alanina
COOH
C
H
2
N
H
C
H
3
Sarcosina
COOH
C
H
2
C
H
2
C
H
2
N
H
2
Ácido 
g
-aminobutírico
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
C
H
2
N
H
2
Ornitina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
C
H
2
O
H
Homoserina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
O
O
H
I
I
I
I
Tiroxina
N
H
2
C
H
COOH
C
H
2
S
S
C
H
2
C
COOH
N
H
2
H
Cistina
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
+
H
+
N
H
3
+
C
H
COOH
R
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
+
O
H
-
N
H
2
C
H
COO
-
R
+
O
H
2
K
1
K
2
N
H
3
+
C
H
COOH
R
(+1)
Medio ácido
Migra hacia el cátodo
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
(0)
Zwitterión
No migra
N
H
2
C
H
COO
-
R
(-1)
Medio alcalino
Migra hacia el ánodo
pH
=
pK
1
+
log
?
sal
?
?
ácido
?
 
pH
=
pK
2
+
log
?
sal
?
?
ácido
?
 
pH
i
=
pK
1
+
pK
2
2
 
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
N
H
3
+
C
H
COO
-
R
1
+
N
H
3
+
C
H
CO
R
HN
C
H
COO
-
R
1
+
O
H
2
H
C
C
N
H
H
H
+
O
-
O
:
C
O
-
H
H
+
+
H
C
C
N
H
H
+
C
O
-
O
:
H
O
H
H
Monometilol derivado
C
O
-
H
H
+
+
H
C
C
N
H
H
+
C
O
-
O
:
H
O
H
H
Monometilol derivado
H
C
C
N
H
CH
2
OH
CH
2
OH
O
-
O
Dimetilol derivado
N
H
2
C
H
COOH
R
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3
N
H
2
C
H
COOH
C
H
3