Aminoacidos

ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006

ICMBI, clase 1 Aminoácidos Dr. José Martínez Proteínas: *Las proteínas son polímeros lineales constituidos por unidades monoméricas llamadas aminoácidos. *Las proteínas son compuestos orgánicos complejos, cuya estructura básica es una cadena de aminoácidos. *Las proteínas son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas fósforo, hierro magnesio y cobre entre otros elementos. *Hemoglobina Humana: C2818 H4380 N764 O790 S12 Mw: 61987Da Esta molécula, sólo para que tengan un punto de referencia les recuerdo que la molécula de agua es H2O, y la glucosa es C6H12O6 Esto se los digo por que si ustedes se fijan bien, la masa de esta molécula es 61987 veces la masa de un hidrógeno, por lo tanto entonces estamos frente a moléculas un poquito más grandes, más complejas. Y de hecho, si ustedes siguen buscando en estas cosas van a encontrar, que las proteínas poseen además de todo lo que dije arriba, grupos funcionales. Las funciones están directamente relacionadas a la vez con la función que cumple la proteína.

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Redacción: Álvaro Riquelme Godoy

ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 Aminoácido: Es una molécula que tiene un grupo amino y un ácido carboxílico. Ahora, ¿Cuántos aminoácidos creen ustedes que podríamos nosotros escribir? Millones de aminoácidos. Efectivamente, si nosotros tenemos cualquiera molécula que tenga un grupo amino y un grupo ácido. El grupo amino es que el que esta constituido por un nitrógeno y dos hidrógenos, y el ácido, desde el punto de vista orgánico es COOH. En los sistemas biológicos existen alrededor de 300 aminoácidos, y de hecho ustedes ven esto que está acá, que se llama ornitina (aminoácido importante en metabolismo) y la citrulina, efectivamente poseen un ácido y un grupo amina; por lo que son aminoácidos. Muchos de estos aminoácidos, cumplen funciones tremendamente importantes dentro de una célula o un organismo. Encontramos algunos que son intermediarios metabólicos como la ornitina y citrulina, neurotransmisores o precursores de neurotransmisores, algunas son hormonas, almacenamiento de energía y otros son precursores de bases nitrogenadas. Los aminoácidos los estamos encontrando en todas las funciones de la especie y fíjense que no están mencionadas la formación de proteínas por que eso lo vamos a ver en más extenso. Pero nosotros vamos a estudiar algunos aminoácidos que tienen un grupo amino y un grupo ácido, pero que tienen la particularidad de que el grupo amino y el grupo ácido están unidos a un mismo carbono. Si nosotros aplicamos la nomenclatura de la química orgánica antigua, este carbono (COO-) es la función más oxidado, es decir NAD. Este carbono (C), que esta ligado a este carbono (COO-) es el carbono α, y el siguiente el β, el siguiente γ, δ, θ, etc. NH3+ CH2

CH2

C

COO-

R Por lo tanto nosotros vamos a estudiar los aminoácidos que son α amino, es decir que tienen el grupo amino en el carbono α, y son los que va a formar los α aminoácidos. En los aminoácidos, además del grupo ácido y el amino, vamos a encontrar un grupo de diferente naturaleza, y a ese le vamos a llamar radical o grupo R. ¿Qué pueden decir ustedes de este carbono (C)? -Momento dipolar distinto de cero. -Es quiral. 2

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 -Ópticamente activo, presenta actividad óptica rotatoria: que puede rotar el plano de rotación de una luz polarizada. Luz polarizada: la luz esta compuesta por un sin numero de vectores que oscilan en una dirección. La luz blanca es un vector que va girando en varias direcciones. La luz polarizada va a escoger aquella luz que va en una dirección. Si yo tomo esta luz y la hago pasar por una solución, esta luz va a tener un efecto o no, y eso va a depender de si las moléculas son ópticamente activas. Si esto es así, el plano de oscilación gira. Pueden girar a la derecha o hacia la izquierda. Esto sucede con algunos azúcares y estos aminoácidos que se llaman α aminoácidos. El ojo humano no es capaz de percibir estos cambios, pero para ello se utiliza un prisma y buscar el ángulo en el cual se obtura totalmente a la luz, y el cambio antes y después de entrar al prisma te da el ángulo. Que esta molécula sea ópticamente activa, nos va a generar además dos isómeros que se llaman enantiómeros. Uno que corresponde al D y otro al L. Esta nomenclatura no tiene nada que ver con las propiedades ópticas rotatorias Esta nomenclatura D y L se basa en una comparación con molécula gliceraldehído. Si la molécula es un isómero del D gliceraldehído tenemos a un D α aminoácido; y si es un isómero del L gliceraldehído estamos frente a un L α aminoácido. En la siguiente tabla tenemos sólo L aminoácidos, y la actividad rotatoria varía entre dextro (derecha) y levo (izquierda). Entonces como estamos hablando de configuración, la que implica la manera en la cual están unidos los átomos al carbono central, a simple vista parece ser bastante difícil hacerlo. Pero hay una manera bastante simple que inventaron los gringos para identificar los L aminoácidos: si yo miro desde el hidrógeno hasta el carbono α, y sigo en el sentido de los punteros del reloj, y voy desde el carboxilo, grupo R y amino, formo la palabra CORN, que en inglés significa maíz, y eso significa que esto es un L aminoácido. CO C N

R’

Decíamos que los aminoácidos que vamos a estudiar son los α aminoácidos, y en más específico los L α aminoácidos. Cada vez que hablemos de aminoácidos de ahora en adelante nos referiremos a L α aminoácido. Esto no quiere decir que los R α aminoácido no sean importantes, por ejemplo tenemos que en la pared celular de las bacteria encontramos los D alanina y D glutámico (¿?), pero atención que estos no están formando parte de proteínas. También tenemos la valinomicina, es un péptido cíclico que actúa como canal iónico. 3

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 También hay algunos péptidos con actividad opiácea que se presentan en algunos reptiles. Pero en las proteínas, nosotros no encontramos D aminoácidos; los aminoácidos genéticamente creados (los que dan lugar a proteínas), son todos L α aminoácido. Ahora bien, estos aminoácidos, además de tener un grupo amino y un grupo ácido, en la cadena lateral pueden tener por ejemplo grupos aromáticos, y por eso se dice que estos aminoácidos son aromáticos, se relaciona las características de los aminoácidos según su grupo funcional. Son 45 aminoácidos aromáticos.

Aminoácidos naturales aromáticos: Fenilalanina FEN Tirosina Triptofano TRG

F TIR

Y W

Algunas cadenas laterales tienen características polares, estas características polares les permiten establecer interacciones con el agua. Aminoácidos naturales polares: Asparragina ASN Cisteína CIS Serina SER Glutamina GLN Metionina MET Treonina THR

N C S Q M T

También tenemos aminoácidos ácidos, que son los que tienen un grupo carboxilo más. Aminoácidos naturales ácidos: Aspártico ASP Glutámico GLU

D E

También tenemos aminoácidos básicos que poseen un grupo amino extra. Aminoácidos naturales básicos: HistidinaA HIS B Arginina ARG C Lisina

H R LIS

K

A

Posee un anillo que se llama Imidasol, que le otorga carácter básico. Este se encuentra en la cadena lateral. B Tiene un grupo llamado Guanidimo. C Es polar y apolar a la vez

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 El nitrógeno cuando esta escrito así: NH3+ es por que esta protonado. El nitrógeno es feliz con dos hidrógenos, pero cuando él comparte sus electrones libres con un protón, es cuando queda con carga positiva por que actúa como base, captó protones.

También existen aminoácidos alifáticos o apolares. Aminoácidos naturales alifáticos: Alanina Valina VAL Leucina Isoleucina ILE

ALA

A V

LEU

L I

Links: Principios de estructura de proteínas: http://www.cfrd.cl/~proteinas USER: proteinas PASS: rasmolpro Apuntes de proteínas: http://www.udec.cl/~jmartine/curso.html Los aminoácidos que forman parte de las proteínas son 20, y los dos que faltan son los aminoácidos conformacionalmente importantes y son especiales. Uno de ellos es la Glicina, que es aquiral, es decir esta en la forma meso. Este aminoácido no tiene actividad óptica rotatoria, por lo que no tiene nomenclatura L/D. Al tener como grupo R’ un hidrógeno le da una libertad especial. El otro aminoácido es la Prolina, en este la cadena lateral esta unida al amino, y esto hace que sea bastante más rígido. La Prolina no es un amino ácido, por que no tiene un grupo amino (NH2), si no que un grupo imino (NH), por lo que es un iminoácido. Por esta razón estos dos aminoácidos son especiales, por que la Glicina no es L, y la Prolina no es aminoácido. En la cisteína, el grupo SH es importante por que tiende a oxidar, entonces tenemos dos posibilidades: la primera es que la célula se esfuerce por mantener el grupo SH, y la otra posibilidad es que de alguna manera lo oxide de forma controlada poniéndole otro grupo SH, lo que va formar un enlace covalente entre dos cisteínas por el grupo SH, que es lo que se conoce como puente disulfuro. De esta manera la cistina corresponde a dos cisteínas.

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 Aparte de esta clasificación, tenemos otras más y se sobreponen unas sobre otras. Los aminoácidos también se clasifican si son grandes, chicos, cargados (positivo o negativo), hidrofóbicos, etc. Ejemplos de aplicación: Si cambio la alanina por un residuo aromático ustedes recuerdan que los aromáticos son grandes, deben saber que estoy cambiando pequeño por algo grande. Si cambio la asparragina por la leucina deben saber que estoy cambiando un aminoácidos polar por uno apolar.

Estos veinte aminoácidos no solo forman parte de las proteínas, si no que también están presentes en otras funciones del metabolismo. Por ejemplo si uno decarboxila la histimina vamos a tener la histamina la que guarda relación con los fenómenos de alergia. Algunos aminoácidos pueden ser transformados al modificar su cadena lateral; esta modificación química le da características especiales a estos aminoácidos; lo que no significa que sean nuevos, si no que los mismos pero modificados. Pero los aminoácidos son más de lo que habíamos visto, por que resulta que el grupo amino no lo vamos a encontrar como tal, ni tampoco el grupo carboxilo. Para este caso consideramos que el grupo amino va a ser básico, y el grupo carboxílico ácido. Y además veíamos que las cadenas laterales de los aminoácidos, en algunos de ellos había un grupo carboxilo, y como buen grupo carboxilo va a sufrir disociación. Todos los grupos que estamos viendo ahora son ácidos y bases débiles, es decir que se protonan o deprotonan parcialmente dependiendo de las concentraciones y el pH. Y entonces nosotros podemos encontrarnos que la cadena lateral de la histimina puede estar en varias formas. Lo mismo podemos encontrar en la tirosina. Y cada una de estas disociaciones ocurren con cierta regularidad y hay una relación entre las concentraciones de la forma protonada y desprotonada; y estas concentraciones están dadas por el equilibrio que sucede en esta deprotonación, y una medida de este equilibrio es lo que se llama la constante de disociación como ácido, todo escrito como ácido. Para poder ordenar esto uno utiliza el pKa, y este pKa es la fuerza con la cual el ácido retiene el protón, mientras más alto sea el valor significa que lo retiene con más fuerza. Por ejemplo, si el pKa es 12, quiere decir que se necesita un pH de 12 para que se libere el protón. Los aminoácidos además de tenere el grupo carboxilo, tiene el grupo ámino, y además de eso hay aminoácidos que en sus cadenas laterales tienen grupos disociables.

Titulación:

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 Nosotros podemos encontrar a los aminoácidos en tres estados: en una forma catiónica, neutra y anionica; y eso va a depender de la presencia o no de los protones. Para determinar esto utilizamos la ecuación de tampones (Henderson Haselbach):

En esta ecuación si nosotros suponemos que tenemos el 100% de base (molécula deprotonada) eso va a ser cuando el pH sea igual al pKa + 2; y si nosotros tenemos el 100% de ácido (molécula protonada) es cuando el pH sea igual al pKa – 2. Nosotros podemos pasar de la molécula totalmente protonada a la totalmente deprotonada por 4 pH de diferencia. El ácido acético tiene un pKa de 4,74, por lo tanto si nosotros comenzamos a agregarle hidrógeno le estamos neutralizando el protón. Cuando no le agregamos hidrógeno, vamos a suponer que estamos a este valor de pH (2,74), significa que tenemos el 100% de nuestro acido acético protonado, y empiezo a agregarle hidrógeno, va a ir entregando su protón hasta un punto en que ha entregado la mitad de sus protones, es el punto de equivalencia (PI), en este punto tenemos un 50% protonado y un 50% deprotonado. Y si sigo agregando protones voy a llegar a 6,74, en el cual todo el ácido acético esta deprotonado.

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En el caso de la glicina yo puedo titular el grupo carboxílico y el grupo amino. Y el primero que debo titular es al grupo carboxilo, por que tiene un pKa más bajo (es más fácil quitarle los protones), y después al amino. Si hay más grupos que se pueden deprotonar, se titulan en orden creciente de pKa. También existe la posibilidad de titular con la molécula totalmente deprotonada, y comenzar a descender agregando OH.

La histidina tiene tres grupos disociables, el carboxilo, el amino y el imidasol, y además se que el imidasol tiene un valor de 6,0. Y vamos deprotonando desde el que tiene pKa más bajo hasta el que tiene pKa más alto. El ácido aspártico tiene dos grupos COOH, uno α y uno β. El primero tiene un pKa de 2,0 y el segundo de 3,6. El COOHα esta totalmente protonado a un pH de 0,0 y desprotonado a un pH de 4,0; el COOHβ esta totalmente protonado a un pH de 1,3 y esta totalmente desprotonado a un pH 5,6. ¿Por qué el pH de deprotonación de COOHα difiere del pH de protonación de COOHβ; siendo que son el mismo compuesto? Esto pasa porque ambas reacciones están ocurriendo al mismo tiempo, pero en que punto tenemos el equilibrio, nosotros debemos calcular el promedio de esos pH, este punto se llama el punto isoeléctrico. El punto isoeléctrico es el pH cuando una molécula se encuentra eléctricamente neutra, es decir, que sus cargas positivas y negativas estén balanceadas, no significa que la molécula no presenta carga, si no que está balanceada. 8

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ICBMI: Aminoácidos 17 de Agosto del 2006 En este punto la molécula alcanza su mínima solubilidad, no significa que precipite (esto ocurre sólo cuando hay una gran concentración).

pKa+ es el grupo cuya deprotonación lleva de la carga positiva a la carga cero. pKa- es el grupo cuya deprotonación lleva de la carga neta cero a negativo. En este caso el pI de los COOH es 2,8 de pH. Ahora bién, si: pH>pI la molécula presenta carga neta negativa pH
.

Los aminoácidos ácidos, cuando se deprotonan, pasan a de la carga neutra a tener carga neta negativa. Los aminoácidos básicos, cuando se deprotonan pasan de la carga positiva y quedan neutros.

Caso clínico: Ustedes deben curar a un paciente con cierto aminoácido, pero no lo tienen puro, ya que esta en una plantita que tiene el aminoácido, pero junto con otro. Usted le da la mezcla de aminoácidos al paciente pero no le da resultados. Entonces deben separar ambos aminoácidos, el alcalde del pueblo le ofrece su resina para separar los aminoácidos; y ustedes se acaban de dar cuenta que son capaces de tener el poder en sus manos. ¿Cómo separarían los aminoácidos? Con el pH pueden cambiar las cargas de los aminoácidos, dejando a uno positivo y a otro negativo, y con la resina del alcalde filtran la mezcla y uno de los aminoácidos va a pasar. Como la resina es negativa va a atrapar al aminoácido cargado positivo, mientras que el otro pasa de largo. Pero ustedes necesitan el aminoácido que quedó en la resina, ahora ¿Cómo la sacan de la resina? Cambiando nuevamente el pH para que el aminoácido quede cargado negativo y se libere de la resina. 9

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