Estructura, Estereoquímica y Propiedades Ácido-Base
Bioquímica General | Nivel: Intermedio | Horas 1-2
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Los aminoácidos son las unidades monoméricas que forman las proteínas. Existen 20 aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas naturales.
Constan de cuatro grupos unidos a un mismo carbono denominado carbono-α:
El carbono-α recibe este nombre por ser el carbono adyacente al carbono del grupo carboxilo.
Los aminoácidos difieren entre sí únicamente por su cadena lateral R. Es el grupo R el que determina las propiedades químicas y funcionales de cada aminoácido.
Todos los aminoácidos son quirales (tienen un centro estereogénico), con excepción de la glicina cuya cadena lateral es simplemente H.
El carbono-α tiene cuatro sustituyentes diferentes:
Excepción: Glicina (R = H) no es quiral
Cada aminoácido quiral puede existir en dos formas especulares no superponibles: L y D.
Todos los aminoácidos naturales que forman parte de proteínas en organismos vivos son de configuración L.
En la proyección de Fischer, los aminoácidos L se representan con:
La configuración L o D se determina por comparación con L-gliceraldehído. Es el sistema tradicional usado en bioquímica.
Tienen la misma configuración relativa que el L-gliceraldehído cuando se escriben en proyección de Fischer.
Se basa en reglas de prioridad absolutas. Aunque es más riguroso, puede llevar a confusiones en bioquímica.
La mayoría de los aminoácidos L tienen configuración S en el sistema R/S.
Ejemplos: Alanina-L es (S), Valina-L es (S), Leucina-L es (S)
La cisteína-L tiene configuración (R) debido a que el azufre tiene mayor prioridad que el carbono en las reglas de Cahn-Ingold-Prelog.
El sistema L/D refleja mejor la realidad estructural en series regulares de moléculas como aminoácidos y azúcares. El sistema R/S puede cambiar sin que haya un cambio real en la configuración (como en el caso de cisteína), lo que resulta confuso para moléculas biológicas.
Los 20 aminoácidos se clasifican según las propiedades de su cadena lateral R:
Cadena hidrocarbonada
Gly, Ala, Val, Leu, Ile
Anillo aromático
Phe, Tyr, Trp
Caso especial cíclico
Pro
Contienen azufre
Cys, Met
Grupo −OH
Ser, Thr
Cadena lateral básica
Lys, Arg, His
Grupo carboxilo
Asp, Glu
Derivados amida
Asn, Gln
Cada aminoácido tiene una abreviatura de tres letras y una de una letra.
Ejemplo: Alanina = Ala = A | Glicina = Gly = G
Aminoácidos cuya cadena lateral R es una cadena hidrocarbonada (alifática).
| Nombre | Abreviatura (3) | Símbolo (1) | Cadena lateral R | Características |
|---|---|---|---|---|
| Glicina | Gly | G | −H | El más simple. No quiral. Flexible. |
| Alanina | Ala | A | −CH₃ | Pequeño, hidrofóbico, no reactivo. |
| Valina | Val | V | −CH(CH₃)₂ | Ramificado, hidrofóbico. Esencial. |
| Leucina | Leu | L | −CH₂CH(CH₃)₂ | Cadena más larga, muy hidrofóbico. Esencial. |
| Isoleucina | Ile | I | −CH(CH₃)CH₂CH₃ | Isómero de Leu, dos centros quirales. Esencial. |
• Todos son hidrofóbicos (no polares)
• Tienden a ubicarse en el interior de las proteínas globulares
• Val, Leu e Ile son aminoácidos esenciales (deben obtenerse de la dieta)
Contienen un anillo aromático en su cadena lateral.
| Nombre | Código | Cadena lateral | Características |
|---|---|---|---|
| Fenilalanina | Phe, F | −CH₂−C₆H₅ | Grupo fenilo. Muy hidrofóbico. Esencial. |
| Tirosina | Tyr, Y | −CH₂−C₆H₄−OH | Fenol. Menos hidrofóbico que Phe. Más reactivo (−OH). |
| Triptófano | Trp, W | Indol | Grupo indol (bicíclico). Hidrofóbico. Esencial. |
• Su cadena lateral está unida tanto al carbono-α como al nitrógeno del grupo amino
• Forma un heterociclo de 5 miembros
• Es un iminoácido (no aminoácido primario)
• Introduce rigidez en la cadena polipeptídica
• Interrumpe estructuras α-hélice
Contienen átomos de azufre en su cadena lateral.
R = −CH₂−SH
R = −CH₂−CH₂−S−CH₃
Contienen un grupo hidroxilo (−OH) en su cadena lateral alifática.
R = −CH₂−OH
Polar, hidrofílico. El −OH puede formar puentes de H y ser fosforilado (regulación).
R = −CH(OH)−CH₃
Polar. Dos centros quirales. Esencial. También puede ser fosforilado.
Aminoácidos con cadenas laterales de naturaleza básica que contienen grupos amino adicionales.
| Nombre | Código | Cadena lateral R | pKa (R) | Carga a pH 7 |
|---|---|---|---|---|
| Lisina | Lys, K | −(CH₂)₄−NH₃⁺ | ~10.5 | +1 |
| Arginina | Arg, R | −(CH₂)₃−NH−C(NH₂)₂⁺ | ~12.5 | +1 |
| Histidina | His, H | Imidazol | ~6.0 | Parcialmente cargado |
• A pH fisiológico (7.4), Lys y Arg están cargadas positivamente
• Muy polares e hidrofílicos
• Se ubican en la superficie de proteínas globulares
• Participan en interacciones electrostáticas con grupos ácidos
Su pKa (~6.0) está cerca del pH fisiológico, lo que significa que puede actuar como amortiguador. Fundamental en sitios activos de enzimas. Aminoácido esencial.
Aminoácidos con grupo carboxilo adicional en su cadena lateral y sus derivados amida.
R = −CH₂−COO⁻
• A pH 7: cargado negativamente (aspartato)
• pKa (R) ~3.9
• Polar, hidrofílico
R = −CH₂−CH₂−COO⁻
• A pH 7: cargado negativamente (glutamato)
• pKa (R) ~4.2
• Neurotransmisor en el SNC
R = −CH₂−CO−NH₂
Derivado amida del Asp. Grupo amida terminal en lugar de carboxilo libre. Polar, sin carga.
R = −CH₂−CH₂−CO−NH₂
Derivado amida del Glu. Polar, sin carga. Muy abundante en proteínas.
A pH fisiológico, Asp y Glu están desprotonados (−COO⁻), por lo que se les llama aspartato y glutamato para resaltar su carga negativa.
Los aminoácidos contienen un grupo ácido (−COOH) y un grupo básico (−NH₂). Son moléculas anfóteras: pueden actuar como ácido o como base.
Aunque frecuentemente dibujamos: H₂N−CH(R)−COOH
Esta representación NO refleja las propiedades físicas reales de los aminoácidos.
• Soluble en solventes orgánicos
• Punto de fusión bajo
• pKa ~4.5 para COOH
• Sal interna
• Insoluble en solventes orgánicos
• Punto de fusión muy alto (~300°C con descomposición)
• pKa ~9-10
La estructura zwitteriónica se confirma por:
• Punto de fusión alto (>250°C con descomposición)
• Insolubilidad en éter y otros solventes orgánicos
• Alta solubilidad en agua
• Propiedades espectroscópicas consistentes con sal interna
La estructura zwitteriónica se forma por transferencia de protón del grupo carboxilo (ácido débil) al grupo amino (base débil).
• El grupo −COOH (pKa ~4.5) es suficientemente ácido
• El grupo −NH₂ (base conjugada con pKa ~9-10) es suficientemente básico
• La transferencia de protón es termodinámicamente favorable
El grupo carboxilato captura H⁺. El aminoácido se vuelve catión (carga +1).
El grupo amonio libera H⁺. El aminoácido se vuelve anión (carga −1).
Los aminoácidos actúan como amortiguadores: remueven H⁺ o OH⁻ del medio, ayudando a mantener el pH estable.
El punto isoeléctrico (pI) es el pH al cual un aminoácido (o proteína) tiene carga neta cero.
A ese pH, las cargas positivas y negativas del aminoácido están balanceadas. El aminoácido existe predominantemente en su forma zwitteriónica.
Carga neta: +1
Carga neta: 0
Carga neta: −1
• En electroforesis, un aminoácido no migrará en un campo eléctrico cuando el pH = pI
• Es útil para separar y purificar aminoácidos y proteínas
• Cada aminoácido tiene un pI característico
Para aminoácidos sin cadena lateral ionizable (cadena lateral no ácida ni básica), el cálculo del pI es simple.
Donde:
• pKa₁ = pKa del grupo carboxilo (~2-2.5)
• pKa₂ = pKa del grupo amonio (~9-10)
• pKa₁ (−COOH) = 2.34
• pKa₂ (−NH₃⁺) = 9.60
• Alanina: pKa₁ = 2.34, pKa₂ = 9.69 → pI = 6.02
• Triptófano: pKa₁ = 2.38, pKa₂ = 9.39 → pI = 5.89
El pI está en el punto medio entre los dos pKa porque ahí es donde la forma zwitteriónica (carga neta 0) predomina.
Para aminoácidos con cadena lateral ácida (Asp, Glu), existen tres pKa valores.
• pKa₁ (α-COOH) = 1.88
• pKa₂ (R-COOH) = 3.65
• pKa₃ (α-NH₃⁺) = 9.60
pH bajo: ⁺H₃N−CH(CH₂COOH)−COOH (+1)
pH intermedio: ⁺H₃N−CH(CH₂COO⁻)−COO⁻ (0)
pH alto: H₂N−CH(CH₂COO⁻)−COO⁻ (−1)
pH muy alto: H₂N−CH(CH₂COO⁻)−COO⁻ (−2)
Se promedian los dos pKa más ácidos (los dos grupos carboxilo).
El pI es ácido (< 7) debido al segundo grupo carboxilo.
pKa₁ = 2.19, pKa₂ = 4.25, pKa₃ = 9.67 → pI = 3.22
Para aminoácidos con cadena lateral básica (Lys, Arg, His), también existen tres pKa valores.
• pKa₁ (α-COOH) = 2.18
• pKa₂ (α-NH₃⁺) = 8.95
• pKa₃ (R-NH₃⁺) = 10.53
pH bajo: ⁺H₃N−CH((CH₂)₄NH₃⁺)−COOH (+2)
pH intermedio: ⁺H₃N−CH((CH₂)₄NH₃⁺)−COO⁻ (+1)
pH neutro: ⁺H₃N−CH((CH₂)₄NH₂)−COO⁻ (0)
pH alto: H₂N−CH((CH₂)₄NH₂)−COO⁻ (−1)
Se promedian los dos pKa más altos (los dos grupos amonio).
El pI es básico (> 7) debido al segundo grupo amino.
• Arginina: pI = 10.76 (muy básico)
• Histidina: pI = 7.59 (cercano a neutro)
La titulación de un aminoácido con base (NaOH) produce una curva característica que muestra los puntos de desprotonación.
Partiendo de pH bajo (aminoácido completamente protonado) y añadiendo base:
Los aminoácidos tienen máxima capacidad amortiguadora cuando pH = pKa.
En esos puntos, el ácido y su base conjugada están en concentraciones iguales.
Cuando [A⁻] = [HA], entonces pH = pKa.
• Aminoácidos ácidos: tendrán tres mesetas (dos grupos −COOH, un grupo −NH₃⁺)
• Aminoácidos básicos: tendrán tres mesetas (un grupo −COOH, dos grupos −NH₃⁺)
La electroforesis es una técnica que separa moléculas cargadas aplicando un campo eléctrico.
• Moléculas con carga positiva migran hacia el cátodo (−)
• Moléculas con carga negativa migran hacia el ánodo (+)
• Moléculas con carga neta cero (pH = pI) no migran
El aminoácido tiene carga neta positiva.
Migra al cátodo (−)
El aminoácido tiene carga neta cero.
No migra
El aminoácido tiene carga neta negativa.
Migra al ánodo (+)
Ajustando el pH del buffer de electroforesis, se pueden separar aminoácidos (o proteínas) con diferentes pI. Aquellos con pI más bajo migrarán más hacia el ánodo, mientras que aquellos con pI más alto migrarán hacia el cátodo.
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