Aminoácidos (AA): Constituyentes esenciales de las proteínas

Universidad de Chile
Departamento de Química orgánica y Fisicoquímica.
Química Orgánica.
Prof. Eduardo Arturo Soto Bustamante
•K.Peter C. Volhardt, “Organic Chemistry” W.H.Freeman and Co. New York, 1987
•Andrew Streitwieser Jr., Clayton H. Heathoock. “Introduction to Orgaanic Chemistry”
Macmillan Publishing Co. Inc. N.Y. 1976
Aminoácidos (AA): Constituyentes esenciales de las
proteínas.
Formados por átomos de C, H, O, N y algunos con S.
Biológicamente son nutrientes que forman la base
estructural de las proteínas.
Poseen un centro quiral en posición 2 o carbono alfa.
En general poseen conformación (S).
Su identidad la define el grupo R.
Su estructura es similar a la de los azucares.
C2; Cα
PROYECCIONES DE FISCHER
COOH
COOH
HO
H
CH2OH
H2 N
H
R
COOH
H2 N
H
R
H2N
COOH
R
H
Existen AA esenciales (son 20) y no
esenciales
Tipos de estructuras : Definición del grupo R.
Grupos alifáticos.
Grupos conteniendo hidroxilos.
Grupos conteniendo amina.
Grupos conteniendo Mercapto sulfuros
Grupos conteniendo ácidos carboxílicos
S
COOH
H2N
H
R
R
AMINOÁCIDO
Código
pKa (-COOH)
pKa (-NH2)
-H
Glicina
Gli
2,4
9,8
-CH3
Alanina
Ala
2,4
9,9
-CH(CH3)2
Valina
Val
2,3
9,7
pKa (otro)
CON GRUPOS ALIFATICOS
-CH2CH(CH3)2
Leucina
Leu
2,3
9,7
-CH(CH3)CH2-CH3
Isoleucina
Iso
2,3
9,7
-CH2-(C6H5)
Fenilalanina
Fen
2,6
9,2
*Prolina
Pro
2,0
10,6
-CH2OH
Serina
Ser
2,2
9,4
-CH(CH3)OH
Treonina
Tre
2,1
9,1
-CH2-(C6H5)-OH
Tirosina
Tir
2,2
9,1
O
NH+
O
CON HIDROXILOS
10,1
H
N
N
H
COOH
N
H2N
H
R
CON AMINO
-CH2-CO-CH2
Asparagina
Asp
2,0
8,8
-CH2-CH2-CO-NH2
Glutamina
Glu
2,2
9,1
-(CH2)4-NH2
Lisina
Lis
2,2
9,2
10,8
-( CH2)3NH-(C=NH)-NH2
Arginina
Arg
1,8
9,0
13,2
Triptofano
Trp
2,4
9,4
Histidina
His
1,8
9,2
6,1
-CH2-SH
Cisteína
Cis
1,9
10,3
8,4
-CH2-CH2-S-CH3
Metionina
Met
2,2
9,3
-CH2-COOH
Ácido asparágino
Asp
2,0
10,0
3,9
-CH2-CH2-COOH
Ácido glutamino
Glu
2,1
10,0
4,3
N
H
H
N
CON MERCAPTO SULUROS
CON ÁCIDOS CARBOXÌLICOS
*Al estado de Clorhidrato
PRECIO DE AMINOÁCIDOS EN USD POR 100 G
*Al estado de Clorhidrato
AMINOÁCIDO
S
R
21
235
Glicina (F)
Alanina
RACEMATO
3.6
6
Valina
15
215
9
Leucina
12
420
27.5
Isoleucina
52
4.150
22.5
Metionina
15
245
1.5
Prolina
40
4.250
345
Fenilalanina
22
280
20
Triptofano
47
290
30
Serina
66
830
29
Teronina
47
138
51
Cisteína
35
12.400*
550*
40
Tirosina
10
700
Asparagina
23
110
45
Glutamina
13
1380
210
5.5
Ácido asparágino
10
100
Ácido glutamino (F)
5.5
325
42
Lisina
5.5*
690*
14*
Arginina
12
3.900*
505*
Histidina
23
305*
83*
I. Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky.
II. Alquilación de esteres amino malónicos
N-Substituidos (Síntesis de Gabriel)
III. Síntesis de Strecker.
IV. Otros métodos
Carl Magnus Von Hell: 1849-1926, Profesor U. de
Stutgart
Jacob Volhard: 1834-1910, Profesor U. de Halle
Nicolai Zelinsky: 1861-1953, Profesor U. de Moscú.
El compuesto A puede formar distintos α-amonoácidos
racémicos por reacción con R-X o compuestos
carbonilicos α-β no saturados.
VARIANTE: Uso del Dietil-N-Etanoil-2-Amino Propandioato
OBTENCIÓN.
Ejemplos:
Adolf Strecker: 1822-1871,químico alemán Profesoor U. de Würzburg
RX de HCN con aldehidos.
Variantes: uso de una imina.
Heterociclos: Prolina.
Esterificaciones: Metanol, etanol o alcohol bencílico.
El éster se separa como clorhidrato por recristalización.
Preparación de ésteres bencílicos:
En presencia de ácido bencenosulfónico como catalizador.
El aminoácido se regenera sin el uso de hidrólisis ácida sino por hidrogenólisis.
Preparación de amidas.
En medio básico: N-benzoilación bajo condiciones de Schotten-Baumann
Con anhídrido acético.
Preparación de sulfonamidas
Identificación de aminoácidos:
Reacción de la Ninhidrina
Se produce un color púrpura que absorbe a 570 nm en forma intensa.
Sólo el nitrógeno del grupo amino está comprometido.
La prolina no da reacción.
Péptido: 2AA
Oligopéptido: AA < 10.
Polipéptido : AA > 10.
Proteína: AA > 100.
Clasificación.
Estructura Primaria. (básica)
Secuencia de AA.
Determina el tipo de estructura secundaria y terciaria.
Estructura Primaria.
Ejemplo, Insulina: Hormona producida por el páncreas,
formada por 51,5 AA, encargada de regular la cantidad
de azúcar en la sangre.
Fig. Modelo molecular de la Insulina.
Estructura secundaria
Fig. Colágeno, componente más abundante de piel y huesos.
Fotografía tomada con Microscopio electrónico.
Estructura secundaria
Fig. Colágeno, componente más abundante de piel y huesos.
Fotografía tomada con Microscopio electrónico.
Estructura terciaria.
terciaria
El plegamiento de las estructuras primarias y
secundarias le confiere una forma tridimensional.
Actúa como interruptor biológico mediante la transducción de señales.
Estructura cuaternaria.
Hemoglobina: transporta oxígeno por la sangre desde los
órganos respiratorios hasta los tejidos.
Proteína desnaturalizada: únicamente la estructura primaria.
En muchos casos, la desnaturalización es reversible: RENATURALIZACIÓN.
En algunos casos, la desnaturalización conduce a la pérdida total de la solubilidad,
con lo que la proteína precipita.
La formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide su renaturalización,
y hacen que el proceso sea irreversible.
SEGUNDO PASO: DETERMINACIÒN DE LA CANTIDAD DE AMINOÁCIDOS
CONSTITUYENTES
Hidrólisis de los péptidos con una solución de HCl 6M/L a 110 ºC por 24 hrs.
Desde el grupo N-Terminal.
Método de Sanger (1918, Profesor
de la Universidad de Cambridge,
Premio Nóbel 1958 y 1980).
Substitución nucleofílica con 2,4-dinitrofluorobenceno.
Separación en la hidrólisis del péptido e identificación.
U
Método de Edmann (1916, Profesor de la
Universidad de Lund
Lund,, Suecia)
Con feniltioisocianato C6H5N=C=S y formación de un
derivado de la urea
Hidrolisable en condiciones bastante más suaves
DESDE EL GRUPO C-TERMINAL
Carboxipeptidasa (enzima) hidrolisa amidas C-terminales
La enzima continúa hidrolisando
Se pueden determinar unos 3 0 4 grupos C-terminales
LAS PROTEINAS PUEDEN SER FRAGMENTADAS
SELECTIVAMENTE.
Proteínas o péptidos pueden ser fragmentados.
Algunas enzimas fragmentadas selectivamente.
Tripsina
Quimotripsina
Pepsina
Lisina o Arginina
Fenilalanina, Triptofano, Tirosina
Fenilalanina, Triptofano, Tirosina, Leusina,
Ác. Asparagino, Ác. Glutamino.
Reactivos específicos como BrCn: fragmenta una unión a una
metionina.
Los péptidos fragmentados se someten a cromatografía
Se separan y se identifican por el método de Edman
Los Bloques de péptidos se analizan en conjunto
Posible estructura de la proteína en estudio no debe incluir
repeticiones de secuencias.
La obtención del péptido por calentamiento de dos aminoácidos no funciona:
Se obtienen mezclas
- H2O
Gly + Ala
Gly-Gly + Ala-Ala + Ala-Gly + Gly-Ala + Gly-Gly-Ala + .........
Δ
La policondensación de un aminoácido produce homopolímeros, o polipéptidos:
Reacción a través de la formación de una 2,5 dicetopiperazina.
La formación del dímero en una primera etapa es lenta, el que rápidamente se cicla
para formar la diamida cíclica.
Ataque de otro aminoácido libre o alguna cadena en formación:
Apertura del anillo y crecimiento de la cadena.
Requisitos:
1. Fácil de incluir en el aminoácido
2. Formación de un enlace de tipo amídico
3. Dicho enlace debe ser más fácil de hidrolizar que el
del nuevo enlace peptídico.
PROTECCIÓN DEL GRUPO AMINO
Grupo fenilmetoxicarbonil o grupo carbobenzoxi (cbz)
Reacción de un aminoácido con clorometanoato de bencilo o el éster bencílico del
ácido 1-clorofórmico en medio básico.
Liberación por hidrogenólisis.
Producción de un ácido carbamínico el que se descompone liberando CO2 y el
amoninoácido.
1,1-dimetiletoxicarbonil o terbutóxicarbonil (Boc)
Reacción entre el aminoácido y Bis(1,1,-dimetiletil)
bicarbonato o Di-ter-butildicarbonato.
Deprotección por tratamiento en medio ácido suave.
Ácido clorhídrico o ácido trifluoroacético a
temperatura ambiente.
Formación de ésteres metílicos, etílicos o bencílicos.
La hidrólisis o deprotección se produce en medio básico.
Ésteres bencílicos pueden ser sometidos a hidrogenólisis.
FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO; ACTIVACIÓN
DEL GRUPO CARBOXI Y SÍNTESIS DEL PÉPTIDO.
El grupo carboxílico se activa con agentes especiales.
Diciclohexilcarbodiimida (DCC). Agente deshidratante.
Preparación de DCC: Tratamiento de dos equivalentes de ciclohexilamina en
sulfuro de carbono en presencia de óxido de mercurio (HgO).
Mecanismo de la reacción: adición-eliminación
Síntesis de Glicinalanina.
Anclaje de aminoácidos a un resina poliestirénica.
Se funcionaliza el polímero (hasta un 10%) mediante una reacción de
substitución electrofílica aromática ocupando diclorometano como solvente.
Se asegura, además, que el polímero poliestirénico no reaccione con si
mismo entre los centros activados.
La liberación del péptido se produce por hidrólisis con Ácido Fluorhídrico.
El péptido así sintetizado puede ser lavado y filtrado cada vez que un
siguiente aminoácido es agregado, antes de hacer la hidrólisis final.