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:

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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:

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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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