1 AMINOACIDOS ESTEREOQUIMICA Debido a que los carbones α

AMINOACIDOS
ESTEREOQUIMICA
Debido a que los carbones α de 19 de los 20 aminoácidos estándar están
unidos a cuatro grupos diferentes, se les denominan carbones asimétricos o
quirales. La glicina es una molécula simétrica ya que su carbono α está unido
a dos hidrógenos. Las moléculas con carbones quirales pueden existir como
estereoisómeros, moléculas que sólo se diferencia en la disposición espacial
de sus átomos. La figura 1, muestra los dos isómeros de la alanina.
CH3
H3N+ – C – H
COO-
CH3
H – C – +NH3
COO-
Figura 1. L-alanina y D-alanina
Obsérvese en la figura que los átomos de los isómeros están unidos juntos en
el mismo patrón excepto por la posición de grupo amino y del átomo de
hidrógeno. Estos dos isómeros son imágenes especulares uno del otro.
Moléculas así, denominadas enantiómeros, no pueden superponerse una
sobre otra. Las propiedades físicas de los enantiómeros son idénticas, excepto
que desvían la luz polarizada plana en ambas direcciones. Las que poseen
está propiedad se denominan isómeros ópticos.
El gliceraldehído es el compuesto de referencia para los isómeros ópticos. Un
isómero del gliceraldehído desvía n el haz de luz en el sentido de las manecillas
del reloj y se denomina dextrógiro (+). El otro se denomina levógiro (-) y desvía
el haz de luz en dirección opuesta. A los isómeros ópticos se le denomina D y
L, esto indica la similitud de la disposición de los átomos alrededor de un
carbón asimétrico.
Debido a que muchas moléculas tienen más de un carbono quiral, las letra D y
L sólo se refieren a las relaciones estructurales de una molécula con uno u otro
de los isómeros del gliceraldehído, no con la dirección en que desvían la luz
polarizada plana. Muchas moléculas asimétricas de los seres vivos se
presentan en una única forma estereoisomérica, bién D o L. Los aminoácidos
que intervienen en la síntesis de proteínas son de la configuración L, mientras
que los D sólo sirven como fuente energética, estos se encuentran en las
mezclas racémicas de aminoácidos sintetizados químicamente, y en forma
natural, como parte constitutiva de ciertos antibióticos.
A excepción de la glicina, todos los aminoácidos en condiciones
suficientemente suaves, muestran actividad óptica, es decir, pueden hacer girar
el plano de luz polarizada cuando se examinan en un polarímetro, así, los
aminoácidos pueden existir en forma D(+) (Ala, Ile, Glu, etc.) y L(-) (Trp, Leu,
Phe, etc.), cuando se observan a un pH = 7.0.
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PROPIEDADES ACIDO-BASE
Estas son importantes en la comprensión y el análisis de las propiedades de
las proteínas. La separación, identificación y la valoración cuantitativa de los
diferentes aminoácidos, se basa en estas propiedades.
Los aminoácidos cristalizan de las disoluciones acuosas neutras en forma de
iones bipolares, llamados iones híbridos, en lugar de hacerlo en forma de
molécula no disociada.
CH3
CH3
H – C – + NH3
H2N – C – H
COOH
Forma no disociada
COOForma bipolar o ión híbrido
Cuando un aminoácido se encuentra en forma bipolar, se dice que es un
anfótero (ácido-base). Debido a sus grupos ioni zables carboxilo, amino y otros;
los aminoácidos son capaces de desarrollar una carga (+) ó (-) de acuerdo con
el pH al que se encuentran. Este carácter anfóterico les confiere la capacidad
de donar y recibir electrones; esta situación hace que exista un estado químico
conocido como punto isoeléctrico (pI) o de doble ión, en el que se cuenta con el
mismo número de cargas (+) ó (-) y cuya carga neta es cero.
Por lo tanto, los aminoácidos pueden tener, tres estados que dependen del pH:
A pH < pI se encuentran en forma protonada o catiónica
A pH > pI adquieren una carga negativa o aniónica
En el pI su carga es cero.
Es decir, no existe un pH en el cual estos anfolitos estén completamente
ausentes de cargas eléctricas, ya que las presentan aún en el pI.
R
NH3+ – C –H
COOH
Forma catiónica (+ 1)
( Protonada)
R
NH3+ – C – H
COOPunto isoeléctrico ( 0 )
( Doble ión)
R
NH2 – C – H
COOForma aniónica (-1)
( No protonada)
La ionización de los aminoácidos es similar a la de cualquier otra molécula, y
por lo tanto sigue la ecuación de Henderson-Hasselbalch).
pH = pK + log [ Forma no protonada (base)] / [ Forma protonada (ácido)]
Donde: El pK es el log negativo de la constante de disociación (K) del grupo
ionizable ( pK = - log K )
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Aminoácido ↔ base- + H + ; K = [base-] [ H+ ] / [ aminoácido]
Los aminoácidos presentan las siguientes `propiedades:
Son solubles en agua
Son insolubles en solventes orgánicos
Sus puntos de fusión son muy altos y generalmente se funden con
descomposición
Esto no esta en concordancia con las propiedades conocidas de los ácidos
carboxílicos o de las aminas orgánicas, ya que los ácidos carboxílicos alifáticos
y aromáticos, así como las aminas, son solubles en solventes orgánicos.
Los puntos de fusión (de ambos) son relativamente bajos y definidos.
Comportamiento electrolitico de la alanina: Si la alanina se disuelve en
agua, el pH de la disolución es neutro. Esto parece estar de acuerdo con la
representación del aminoácido como molécula neutra no cargada.
Si ahora se le añade álcali o ácido.
COOOH-
H2N – C – H
+
H2O
CH3
COOH
H2N – C – H
CH3
COOH
+
H
H3 N+ – C – H
CH3
Todo está muy bien si solo consideramos las cosas cualitativamente, pero si se
hacen las titulaciones cuantitativamente y se analiza la gráfica de titulación,
veremos que las cosas no son tan claras.
Gráfica de titulación
Dos vasos de precipitado con 20 mL de Alanina 0.1 M c/u
Uno se titula con NaOH 0.1 N
Otro se titula con HCl 0.1N
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Al hacer esto se encuentran dos puntos de inflexión correspondientes a los pK
de los grupos titulables, como se observa en la figura 2.
Figura 2. Curva de titulación de la alani na.
1. Un pK se encuentra a pH = 9.69. De acuerdo a los que venimos diciendo
en esté punto, algún grupo capaz de donar protones está neutralizado al
50%. Si escribimos a la Ala en forma no iónica, diríamos que ese grupo
es el carboxilo.
2. El otro pK está a pH = 2.34. En éste punto algún grupo capaz de aceptar
protones está neutralizado al 50%. Diríamos que este grupo es la amina.
De acuerdo a esto diríamos que a pH bajos estamos titulando a la amina y a
pH altos estamos titulando al grupo carboxilo.
Esta conclusión es difícil de aceptar, ya que el grupo carboxilo de la Ala, tendrá
un pK = 9.69, cuando el pK del ácido acético es de 4.75, del butírico 4.85. Lo
mismo con la amina, es difícil creer que tiene un pK = 2.34, cuando estas
tienen pK = 9.26.
Fue Bjerrum (1923) quién propuso la fórmula de los AA(s) como Zwitteriones,
o sea doblemente ionizados, iones tanto ( - ) como ( + ) o sea Anfóteros.
En esté caso la titulación procede como sigue:
4
COOOH-
H2N – C – H
+
H2O
CH3
COOH3N+ – C – H
CH3
H+
COOH
H3 N+ – C – H
CH3
El grupo amino es el que proporciona el protón para neutralizar al álcali, y
entonces a pH elevado se está titulando el grupo amino, con un pK = 9.69 lo
cuál es muy aceptable. De la misma manera el grupo carboxilo disociado es el
que se titula con el ácido a pH bajo, siendo entonces el pK del ácido de 2.34
que es semejante al de los ácidos grasos.
Esto es igual para todos los demás aminoácidos, excepto para aquellos cuya
cadena lateral tenga otro grupo ionizable, habrá otro pK, para ese tercer grupo
ionizable.
Esto explica la solubilidad en agua de los aminoácidos y su alto punto de fusión
El Zwitterion es una sal interna que tienen que ser rápidamente soluble en agua
y debe tener un punto de fusión elevado.
Significado real del pK
A pH bajo el aminoácido esta totalmente protonado, lo que quiere decir que el
grupo carboxilo tendrá, su protón y el grupo amina un protón extra y carga (+).
Cuando comienza a subir el pH algunos carboxilos empiezan a perder su
protón y adquirir carga (-). A pH = 2.34 el 50% de los carboxilos habrán soltado
su protón y estarán ionizados y el 50% permanecerán con protón, estando
todavía todos los grupos amina cargados (+). A pH = 6.02 el 100% de las
moléculas tendrán su carboxilo cargado (-) y su amina cargada (+).
El pH al que el 100% de las moléculas anfóteras tienen la doble carga se
deduce, sumando los dos pKs y dividiéndolo entre dos. A este pH se le conoce
como pH I (pH isoeléctrico)
Por lo tanto las tres formas iónicas de la alanina son:
5
COO-
COOH
+
H3 N – C – H
COO-
+
H3 N – C – H
CH3
pK = 2.34 (+ 1)
H2N – C – H
CH3
carga ( 0 )
CH3
pK = 9.69
(-1)
Es muy fácil seguir el análisis y no equivocarse si recordamos que a pH bajos
la molécula debe estar totalmente protonada y a pH altos la molécula debe
estar totalmente desprotonada.
Ejemplo: Ácido aspártico
COOH
+
H3N – C - H
COO-
COO-
COO-
+
H3 N – C – H
+
H3N – C – H
H2N – C - H
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
(+ 1)
COOH
(0 )
COOH
( - 1)
COOH
( - 2)
REACCIONES DE LOS AMINOACIDOS
A) Reacciones para la identificación de los aminoácidos
B) Reacciones estructurales, para determinación de estructuras primarias
de las proteínas.
A) REACCIONES DE IDENTIFIACION
1).-REACCION DE LA NINHIDRINA. La ninhidrina es un poderoso agente
oxidante, que produce la deaminación oxidativa del grupo α- amino,
liberando NH3 , CO2 , el aldehido correspondiente y la forma reducida de la
ninhidrina. Un segundo equivalente de ninhidrina oxidada reacciona con la
ninhidrina reducida, más el amoniaco que se forma, elaborandose un producto
muy coloreado.
Aminoácido + Nin-oxidada → Aldehido + NH3 + CO2 + Nin-reducida
Nin-oxidada + Nin-reducida + NH3 → Complejo colorido (azul) + 3 H2 O
La Pro, Hidroxiprolina dan productos amarillos, el Asp da un producto café.
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2).- REACCIÓN DEL MILLON: Es una reacción específica para grupos
hidroxifeniles que puedan nitrarse fácilmente. La Tir es la que da + la reacción.
Hg en HNO3 + Tirosina
→ Complejo color rosa
3).- REACCION XANTOPROTE ICA: Consiste en la nitración del anillo
bencenico con HNO3 concentrado.
→
Tir ó Trp
+
HNO3
Tir ó Trp
+
NH4 (OH)2 →
Producto amarillo
Producto anaranjado
4).- REACCION DE HOPKINS-COLE: Es una reacción específica para detectar
Trp, ya que es el único aminoácido que contiene el grupo indol
Trp + Formaldehído ó Ac. Glioxílico ó Paradimetilaminobenzaldehido + HCl ó
H2SO4 → Producto de color rojo-violeta ó azul-morado.
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5).- REACCION DE SAKAGUCHI: Es una reacción específica para detectar Arg
que contiene un grupo guanidico en su cadena lateral.
Arg + α-Naftol en hipoclorito de sodio ó hipodromito de sodio → Color rojo
6).- REACCION DE SULLIVAN: Es una reacción específica para detectar Cis.
Cis + 1, 2, Naftoquinona-4-sulfonato en hidrosulfito de sodio (Na 2S2O4) →
Color rojo.
7) REACCIÓN DE ERLICH
His ó Tir + Äcido sulfanilico + NaNO3 + NH4(OH)2 → Color naranja intenso
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B) REACCIONES ESTRUCTURALES
1).- REACCION DE SANGER
reactivo: 2-4-fluorodinitrobenceno (FDNB)
2) REACCION DE EDMANS
reactivo: Fenilisotiocianato.
3) REACCION DE DANCILACION
reactivo: Cloruro de dimetilamino-naftaleno-5-sulfonil
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