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Tema Nº 4
La materia viva está constituida por elementos químicos que se encuentran en la corteza terrestre. Los más abundantes en los organismos vivos son hidrógenos (H), oxígeno (O), carbono (C), y nitrógeno (N) que constituyen aproximadamente el 99% de la masa de la mayoría de las células. Estos elementos tienen la capacidad de formar enlaces covalentes y tres de ellos (C, N y O) pueden formar además dobles enlaces. Fíjese, el carbono juega un papel significativo por la capacidad que tiene de formar enlaces covalentes con otros cuatros átomos de carbono, que le permite construir los esqueletos carbonados característicos de una gran variedad de compuestos orgánicos. Por otra parte, la combinación del carbono con H, N, O y azúfre (S) permite la formación de grupos funcionales en las estructuras de las moléculas orgánicas. Los elementos que se encuentran en la materia viva se denominan Bioelementos y al combinarse a través de enlaces covalentes, forman la Biomoléculas. Existen cuatro clases de biomoléculas en las células: 1. 2. 3. 4.
Proteínas. Carbohidratos. Lípidos. Ácidos Nucleicos.
Estas biomoléculas por su tamaño (elevado peso molecular) y su compleja estructura se les conoce como Macromoléculas; están constituidas por unidades monoméricas más pequeñas denominadas bloque de construcción. En el presente tema estudiaremos los Aminoácidos como unidades constituyentes de las proteínas.
1) Concepto Los aminoácidos son los bloques de construcción de las proteínas; además son los precursores de compuestos que contienen nitrógeno como las purinas y pirimidinas, que forman parte de los ácidos nucleicos, y de los tetrapirroles los cuales forman parte de la hemoglobina. 2) Estructura Química Son compuestos químicos que poseen en su estructura por lo menos un grupo funcional amino (-NH2) y un grupo funcional carboxilo (-COOH), este último característico de los ácidos orgánicos, de allí su nombre de aminoácidos. Esos grupos funcionales se unen a un carbono que se denomina carbono alfa (C ), al cual se le une además un hidrógeno (H) y un grupo funcional R. este último es el que diferencia a un aminoácido de otro.
El grupo R puede ser desde un Hidrógeno (H) como en el caso de los aminoácidos glicina, un grupo metilo como en la alanina, hasta estructuras complejas con anillos como los encontrados en el triptofano y la tirosina. 3) Clasificación de los Aminoácidos: Los aminoácidos se pueden clasificar según los siguientes criterios:
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- por su participación en la composición de las proteínas, - por la naturaleza del grupo R, - por la capacidad de su síntesis por el organismo y - por su estereoisomería. - Según su participación en la composición de las proteínas los aminoácidos se clasifican en PROTEICOS y NO PROTEICOS. a) Aminoácidos Proteicos Son aquellos que se encuentran formando parte de las proteínas. Estos a su vez se clasifican según la frecuencia con que se encuentren en las proteínas, en Aminoácidos Comunes o Frecuentes Raros o Poco Frecuentes. b) Aminoácidos Comunes: Los constituyen los 20 aminoácidos que se encuentran frecuentemente en las proteínas.
4.1.3.- Clasificación de los Aminoácidos Comunes Según la Naturaleza del Grupo R Esos 20 aminoácidos se clasifican a su vez según la naturaleza del grupo R en: 1º Aminoácidos con Grupo R PolaresSin Carga (Neutros). 2º Cargados Negativamente y Cargados Positivamente. 3º Aminoácidos con Grupos R No Polares. - AMINOACIDOS CON GRUPOS R POLARES, SIN CARGA (NEUTROS): Se ubica en este categoría aquellos aminoácidos con grupo R que pueden formar puentes de hidrógenos con el agua y por lo tanto son hidrofílicos y solubles en el agua. Pertenecen a este grupo los siguientes: serina, treonina, tirosina, asparragina, glutamina, cisteína y glicina. Según se muestra en la tabla, el hidroxilo (-OH) es el grupo que le confiere la polaridad a los aminoácidos serina, treonina tirosina. El grupo amida le confiere la polaridad a la asparragina y a la glutamina; y el sulfidrilo o tiol (-SH) se la confiere a la cisteína. Todos esos grupos, por la distribución desigual de electrones en su estructura pueden formar puentes de hidrógeno con el agua, lo que les confiere la solubilidad en la misma. El aminoácido glicina tiene como grupo R un átomo de hidrógeno (H) que por ser tan pequeño no contrarresta la alta polaridad de los grupos - amino y - carboxilo, haciendo de toda la molécula un compuesto polar. Entre estos tipos de aminoácidos tenemos: - AMINOACIDOS POLARES CARGADOS NEGATIVAMENTE: Son aquellos aminoácidos que poseen una carga negativa neta en sus grupos R a PH 7. Dentro de esta clasificación se encuentran el ácido aspartico y el ácido glutámico. El responsable de la carga negativa es un segundo grupo carboxilo (COO-) que posee cada uno de sus grupos R. se les reconoce también como aminoácidos ácidos por estar cargados negativamente. - AMINOACIDOS POLARES CARGADOS POSITIVAMENTE: Pertenecen a mesta categoría los aminoácidos que poseen una carga positiva neta en sus grupos R a pH 7. Se encuentran en este grupo 3 de aminoácidos: lisina, arginina e histidina. Las cargas positivas de estos aminoácidos son otorgadas por un segundo grupo amino (-NH3+) ubicado en el grupo R en el caso de la lisina; un grupoguanidino
(-NH-C-NH2) en la arginina y un grupo imidazol
en la histidina || NH2+
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También se les conoce como aminoácidos básicos, por estar cargado positivamente. - AMINOACIDOS CON GRUPOS R NO POLARES: Dentro de estas clasificaciones se encuentran aquellos aminoácidos cuyo grupo R son Hidrocarbonados y por lo tanto no tienen posibilidad de formar puentes de hidrógeno con el agua, siendo entonces hidrofóbicos o no polares (poco solubles en agua). Se incluyen dentro de este grupo 9 aminoácidos, 5 de ellos con grupos alifáticos (de cadena abierta): alanina, valina, leucina, isoleucina y metionina; 2 de ellos con anillos aromáticos: fenilalnina y triptofano; y uno con estructura cíclica: la prolina. Tabla de Aminoácidos Frecuente: a) Aminoácidos con Grupo R Polares sin Cargas (Neutros): AMINOACIDO
ESTRUCTURA
GLICINA
SERINA
CISTEINA
TREONINA
TIROSINA
ASPARAGINA
GLUTAMINA
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b) Aminoรกcidos con grupo R cargados Negativamente: AMINOACIDO
ESTRUCTURA
ACIDO ASPARTICO
ACIDO GLUTAMICO
c) Los Aminoรกcidos con Grupos Cargados Positivamente: AMINOACIDO
ESTRUCTURA
LISINA
ARGININA
HISTIDINA
d) Aminoรกcidos con Grupos R No Polares:
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AMINOACIDO
ESTRUCTURA
ALANINA
VALINA
LEUCINA
ISOLEUCINA
PROLINA
FENILALANINA
TRIPTOFANO
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4.1.3.- Aminoácidos Raros: Son aquellos que se encuentran en ciertas proteínas especializadas, en menor proporción que los aminoácidos comunes. Estos aminoácidos son derivados de los aminoácidos comunespor modificaciones químicas en su estructura. Como ejemplo de ellos podemos citar la hidroxiprolina, derivada por hidroxilación de la prolina y la hidroxilisina, derivada por hidroxilación de la lisina, ambos forman parte de la proteína denominada colágeno.
4.1.4.- AMINOACIDOS NO PROTEICOS: Son aquellos que existen en la naturaleza en forma libre o combinada pero nunca se encuentran formando parte de las proteínas. Como por ejemplo de ellos tenemos entre otros, la ornitina y la citrulina que actúan como intermediario en el ciclo de la úrea; y el ácido - aminobutírico que actúan como neurotransmisor. AMINOACIDO
ESTRUCTURA
CITRULINA
ORNITINA
ACIDO GAMMA AMINOBUTIRICO
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HOOC- CH2- CH2- CH2- NH2
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4.1.5.- CLASIFICACION DE LOS AMINOACIDOS SEGÚN SU CAPACIDAD DE SINTESIS POR EL ORGANISMO: Según este criterio existen 2 grupos: Aminoácidos No Esenciales y Aminoácidos Esenciales. - AMINOACIDOS NO ESCENCIALES: Son aquellos que el organismo puede sintetizar. Dentro de esta clasificación se encuentran 10 aminoácidos: alanina, asparragina, ácido aspático, ácido glutámico, cisteína, glutamina. - AMINOACIDOS ESCENCIALES: Son aquellos aminoácidos que el organismo no puede sintetizar por carecer de la maquinaria de síntesis y por lo tanto deben ser suministradas en la dieta. Pertenecen a esta clasificación los restantes 10 aminoácidos de los 20 que se encuentran en las proteínas: arginina, fenilalanina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano y valina. 4.1.6.- ESTEREOISOMERIA DE LOS AMINOACIDOS: - ISOMEROS: Son compuestos orgánicos que poseen la misma fórmula molecular pero que difieren en su estructura. Existen diferentes tipos de isomería, pero en este capítulo nos referiremos a la estereoisomería. Se conoce como ESTEREOISOMEROS o ENANTIOMEROS a aquellos compuestos que tienen igual fórmula molecular pero que pueden existir en dos formas en las que sus estructuras son imágenes especulares una de la otra, no superponibles. Para ser estereoisómeros,los compuestos deben reunir una condición: tener por lo menos un carbono asimétrico, es decir que sus cuatro valencias estén unidas a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes. Por ejemplo, el siguiente compuesto denominado gliceraldehido, es el azúcar más sencillo que posee un carbono asimétrico.
En la figura anterior se observa que el C2 es asimétrico porque está unido a 4 grupos distintos. A pesar de poseer otros carbonos en su estructura, estos no son asimétricos debido a que el carbono 1 (C1) tiene dos de sus valencias unidas al oxígeno y el C3 tiene dos de sus valencias unidas al hidrógeno. El gliceraldehido entonces puede existir en dos formas o configuraciones estereoisoméricas. Cuando el grupo OH del carbono asimétrico se encuentra orientado en el espacio hacia la derecha, la configuración se denomina D (dextrógira) y cuando se encuentra orientado hacia la izquierda se denomina L (levógira). A continuación se encuentran las fórmulas en perspectiva, en las que los enlaces en forma de cuña se proyectan por encima del plano del papel y los enlaces verticales por detrás.
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El gliceraldehido es el compuesto de referencia para determinar si cualquier compuesto que posea estereoisómeros es D o es L. Los estereoisómeros o enantiómeros tienen la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda cuando un haz de luz atraviesauna solución del compuesto, por eso se dice que tiene actividad óptica y se les llama también ISOMEROS OPTICOS. Si el compuesto desvía el plano de la luz polarizada hacia la derecha se dice que es dextrorrotatoria y se simboliza con un signo positivo (+). Si desvía el plano de la plano de la luz polarizada hacia la izquierda se dice que esa sustancia es levorrotatoria y se simboliza con un signo negativo (-). La configuración del estereoisómero (D o L) es independientemente de la dirección en que éste pueda rotar el plano de la luz polarizada. De esta manera, podemos encontrar compuestos que tienen configuración Dy rotan el plano de la luz polarizada hacia la derecha, y se designan D (+), compuestos que tienen configuración D y rotan el plano de la luz polarizada hacia la izquierda y se les designa D (-): compuesto L que rotan en el plano de la luz polarizada hacia la derecha y se les designa L (+); compuestos L que rotan el plano de la luz polarizada hacia la izquierda, y se les designa L (-). De los 20 aminoácidos proteicos frecuentes, 19 de ellos poseen por lo menos un carbono asimétrico en su estructura y por lo tanto pueden existir en formas estereoisométricas. La glicina no existe en forma estereoisómétrica porque no tiene carbono asimétrico en su estructura. Observe que el carbono está unido a dosátomos de hidrógeno (H), y el carbono del grupo carboxílico tiene tres de sus valencias unidas al oxígeno, por lo que ninguno de ellos es asimétrico. Observe el resto de los aminoácidos en la tabla. Todos tienen el carbono unido a 4 grupos químicos diferentes, haciéndolo asimétrico. Para determinar si un aminoácido es D o L se compara la configuración de los carbonos de los aminoácidos con la configuración de los estereoisómeros del gliceraldehido. Si el grupo -NH2 (amino) se encuentra hacia la derecha el aminoácido es D, pero si se encuentra hacia la izquierda es L.
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La importancia de conocer la istereoisomería de los aminoácidos radica en que todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas, excepto la glicina que no existe en forma estereoisomérica, son L. los aminoácidos D existen en la naturaleza bien sea libre como el D ácido glutámico, o formando parte de otras estructuras complejas como la pared celular de las bacterias y en ciertos antibióticos como la actinomicina (contiene D-valina), la gramidina S (contiene D-fenilalanina), la bacitracina (contiene D-ac. glutámico, D-fenilalanina, D-ácido aspártico), pero nunca encontramos aminoácidos D formando parte de las proteínas.
4.1.7.- PROPIEDADES ACIDO-BASICA DE LOS AMINOACIDOS Los aminoácidos poseen por lo menos dos grupos ionizables (el -NH2 y el de 7 se encuentran casi completamente ionizados (-NH3 y COO-).
-COOH), los cuales al pH fisiológico
Algunos aminoácidos poseen un tercer grupo ionizable formando parte del grupo R como en el caso de los aminoácidos polares cargados negativamente (ácido aspártico y ácido glutámico) y los aminoácidos polares cargados positivamente (lisina, arginina e histidina). Otros aminoácidos que poseen un tercer grupo ionizable son la cisteína y la tirosina pero no aportan una carga completa negativa porque sus grupos son débilmente ácidos. Dado que esos grupos ionizables pueden ceder o aceptar protones (H+), se comportan como ácidos o como bases según Bronsted y Lowry. La tendencia a ceder protones se refleja en el pKa de cada uno de ellos. Para los grupos -COOH el pKa se encuentra alrededor de 2 y para los grupos -NH2 se encuentra entre 9 y 10. Esto significa que el grupo -COOH tiene carácter de ácido fuerte y por lo tanto tiene una alta tendencia a ceder protones y existir en la forma de COO+.
En cambio, el grupo aceptando protones
- NH2 tiene carácter de ácido muy débil y tiende a comportarse más bien como una base
Un compuesto se comporta como ácido o como base, dependiendo del pH del medio donde se encuentre. Si el medio es más ácido que el compuesto, es decir si el pH del medio es menor que el pKa del compuesto, éste se comportará como una base aceptando protones del medio. Si por el contrario, el medio es menos ácido que el compuesto, esto es si el pH del medio. Si por el contrario, el medio es menos ácido que el compuesto, esto es si el pH del medio es mayor que el pKa del compuesto, este se comportará como un ácido cediendo protones al medio. Recuerde el pKa es el logaritmo negativo de las constantes de disociación. A menor pKa, más fuerte es el ácido (-log Ka = pKa). La constante de disociación de un ácido es directamente proporcional a la constante de equilibrio de una reacción.
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Así tenemos que esta es una medida de cuán disociado está un ácido en un disolvente. Mientras más grande es esta constante, más disociado está el ácido y por tanto más fuerte es. Consideremos el comportamiento de un aminoácido monoamínico-monocarboxílico, es decir que posee un solo grupo amino ( -NH2) y un solo grupo carboxilo( -COOH), como es la glicina. Primero debemos conocer el pKa de cada uno de los grupos ionizables:
Si el aminoácido se encuentra en un medio con unpH por debajo de 2,34, el medio será más ácido que el grupo -COOH y el grupo -NH2 por lo tanto, ambos se comportarán como bases aceptando un protón del medio. La especie iónica predominante a ese pH será:
El grupo carboxilo, al aceptar un protónpierde su carga negativa; y el grupo amino, al aceptar un protón adquiere una carga positiva, la cual le otorga una carga neta positiva (+1) al aminoácido cuando el pH del medio es menor de 2,34. Si el aminoácido en estas condiciones se coloca en un campo eléctrico, migraría hacia el polo negativo o cátodo, comportándose como un catión. Consideremos ahora que pasa si el aminoácido se encuentra en un medio básico a un pH por encima de 9,6 el medio será más básico (menos ácido) que el grupo -COOH y que el grupo -NH2 por lo tanto, ambos se comportarán como ácidos cediendo protones al medio. La especie iónica predominante será:
El grupo -COOH al ceder un protón pierde la carga positiva, quedando el aminoácido con una carga neta negativa (-1). Si en estas condiciones se coloca el aminoácido en un campo eléctrico, éste migaría haciael polo positivo o ánodo, comportándose como un anión. Las condiciones de pH descritas anteriormente son extremas. Sabemos que el pH fisiológico, que es el pH al cual se encuentran los aminoácidos en el organismo es de aproximadamente 7. Examinemos ahora el comportamiento del aminoácido a ese pH a ese pH. El pH 7 es mayor que el pKa del grupo -COOH y por lo tanto este se comportará como un ácido frente al medio cediéndole su protón. Por otra parte, este pH es menor que el pKa del grupo -NH2, por lo tanto este se comportará como una base, aceptando un protón del medio.
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La carga neta del aminoácido es de cero por lo tanto no migrará en un campo eléctrico. Aunque no tienen carga neta, el aminoácido a pH de 7 es un Ión Bipolar o Ion Zwitterion porque posee cargas eléctricas opuestas en sus dos polos. Lo estudiado hasta ahora nos permite concluir que los aminoácidos, por los grupos ionizables que poseen se pueden comportar como ácidos (donando protones) o como bases (aceptando protones). Debido a esta propiedad se les conoce como compuesto anfotéricos o anfolitos.
4.1.8.- PUNTO ISOELECTRICO DE LOS AMINOACIDOS El pH al cual un aminoácido no migra en un campo eléctrico se denomina Punto isoeléctrico (PI). Es característico para cada aminoácido y para aquellos monoamino-monocarboxílicos corresponden al promedio de los valores de pKa de los grupos -NH2 y -COOH. En el caso de la Glicina:
4.1.9.- IMPORTANCIA DEL COMPORTAMIENTO ACIDOBASICO DE LOS AMINOACIDOS
Los estados iónicos de los aminoácidos dependen del pH del medio en que estos se encuentren. Es importante saber que: Esos estados iónicos influyen sobre las funciones biológicas de los aminoácidos. Como bloque de construcción de las proteínas, los cambios en las cargas de los aminoácidos repercuten tanto en la estructura como en la función de estas macromoleculas, de las cuales forman parte. De allí la importancia de mantener controlados los valores de pH del medio interno de nuestro organismo. Las cargas netas de los aminoácidos y de las proteínas es una característica que tiene utilidad como base para su separación y purificación.
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