SEMANA 1 Y 2:  -Introducción. Características de la materia viviente. Lógica molecular de la vida.-Propuestas Trabajos de Investigación-Aminoácidos: estructura y propiedades. Péptidos. Proteínas; clasificación y rol biológico, tipos de enlace involucrados.

Naturaleza Química de los Aminoácidos

Todos los péptidos y polipéptidos son polímeros de α-aminoácidos. Hay 20 α-amino ácidos que son relevantes para hacer proteínas en los mamíferos (véase abajo). Varios otros aminoácidos se encuentran en el cuerpo libres o combinados (es decir no asociados a péptidos o a proteínas). Estos aminoácidos que no están asociados a las proteínas tienen funciones especializadas. Varios de los aminoácidos que están en las proteínas también tienen funciones distintas a las de formación de péptidos y las proteínas, ejem: tirosina en la formación de hormonas tiroideas o glutamato que actuaba como neurotransmisor.

Los α-aminoácidos de los péptidos y proteínas (excepto la prolina) consisten en un ácido carboxílico (–COOH) y un grupo funcional amino (–NH₂) unido al mismo átomo de carbón tetraédrico. Este carbón es el carbón-α. Los grupos-R que distinguen un aminoácido de otro, también se unen al carbón-α (excepto en el caso de la glicina en donde el grupos-R es el hidrógeno). La cuarta substitución en el carbón-α tetraédrico de los aminoácidos es el hidrógeno.

Tabla de α-Aminoácidos que se Encuentran en las Proteínas

Aminoácido	Símbolo	Estructura*	pK1 (COOH)	pK2 (NH2)	pK Grupo-R
Aminoácidos con grupos Alifáticos
Glicina	Gly - G		2.4	9.8
Alanina	Ala - A		2.4	9.9
Valina	Val - V		2.2	9.7
Leucina	Leu - L		2.3	9.7
Isoleucina	Ile - I		2.3	9.8
Aminoácidos no aromáticos con Grupos-R hidroxilo
Serina	Ser - S		2.2	9.2	≈13
Treonina	Thr - T		2.1	9.1	≈13
Aminoácidos con Grupos-R que contienen azufre
Cisteina	Cys - C		1.9	10.8	8.3
Metionina	Met - M		2.1	9.3
Aminoácidos ácidos y sus amidas
Ácido Aspártico	Asp - D		2.0	9.9	3.9
Asparagina	Asn - N		2.1	8.8
Ácido Glutámico	Glu - E		2.1	9.5	4.1
Glutamina	Gln - Q		2.2	9.1
Aminoácidos básicos
Arginina	Arg - R		1.8	9.0	12.5
Lisina	Lys - K		2.2	9.2	10.8
Histidina	His - H		1.8	9.2	6.0
Aminoácidos aromáticos
Fenilalanina	Phe - F		2.2	9.2
Tirosina	Tyr - Y		2.2	9.1	10.1
Triptofano	Trp - W		2.4	9.4
Iminoácidos
Prolina	Pro - P		2.0	10.6

^*El esqueleto de los aminoácidos es NEGRO y los grupos-R  ROJO/AZUL

Características Ópticas de los Aminoácidos

Un átomo de carbón tetraédrico con 4 componentes distintos se dice que es un carbono quiral. El unico aminoácido que no exhibe quiralidad es la glicina ya que su "grupo-R" es un átomo de hidrógeno.

La quiralidad describe la direccionalidad de una molécula que se observa por su capacidad de girar el plano de luz polarizada a la derecha (dextrógira) o a la izquierda (levógira). Todos los aminoácidos en las proteínas exhiben la misma configuración estérica absoluta como el L-gliceraldehído. Por lo tanto, son todos L-α-aminoácidos.

Los D-amino ácidos nunca se encuentran en proteínas, aunque existan en la naturaleza. Los D-aminoácidos se encuentran a menudo en polipéptidos que son antibióticos.

Los grupos-R aromáticos en los aminoácidos absorben la luz ultravioleta con una absorbancia máxima en la gama de 280nm. La capacidad de las proteínas de absorber la luz ultravioleta es predominante debido a la presencia del triptófano que absorbe fuertemente la luz ultravioleta.

Estereoquímica
En todos los aminoácidos, excepto la glicina, el carbono-a está unido a cuatro sustituyentes diferentes (grupo amino, carboxilo, cadena lateral (R) e hidrógeno). Debido a esto, el carbono-a constituye un centro quiral (sitio donde es posible tener dos configuraciones diferentes, que son imágenes especulares no superponibles, llamadas enantiómeros). Los enantiómeros se pueden distinguir por que rotan de manera diferente el plano de la luz polarizada. Todos los aminoácidos que forman parte de las proteínas son enantiómeros L. Algunos D-aminoácidos se encuentran en péptidos sintetizados fuera de los ribosomas.

 

VER PDBS AMINOACIDS (solo en clase)

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Clasificaciones de los Aminoácidos

Cada uno de los 20 α-aminoácidos encontrados en las proteínas se puede distinguir por la substitución de los grupos-R en el átomo del carbono-α. Existen dos clases amplias de aminoácidos de acuerdo a si el grupo-R, hidrofóbicos o hidrofílicos.

Los aminoácidos hidrofóbicos tienden a rechazar el ambiente acuoso y, por lo tanto, residen predominante dentro de las proteínas. Esta clase de aminoácidos no se ionizan ni participan en la formación de enlaces de H. Los aminoácidos hidrofílicos tienden a interactuar con el ambiente acuoso, están implicados a menudo en la formación de enlaces de H y se encuentran predominantemente en las superficies externas de las proteínas o en los sitios reactivos de las enzimas.

 

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Características Ácido-Base de los Aminoácidos

Los grupos α-COOH y α-NH2 de los aminoácidos son capaces de ionizarse (al igual que los grupos-R ácidos y básicos de los aminoácidos). Como resultado de su capacidad de ionización se pueden escribir las siguientes reacciones de equilibrio iónico:

R-COOH <——> R-COO^– + H⁺

R-NH₃⁺ <——> R-NH₂ + H⁺

La característica más llamativa de los aminoácidos (AA) es la existencia en una misma molécula de grupos ácidos (capaces de ceder H+) y grupos básicos (capaces de captar H+). Por lo tanto, en medio ácido se comportan como bases, y en medio básico se comportan como ácidos. Las moléculas que presentan esta característica se dice que son anfóteros o anfolitos. Los grupos ácidos y básicos pueden neutralizarse mutuamente, constituyendo una sal interna formada por un ión híbrido (carga positiva y carga negativa), que se llama zwitterión.

Si consideramos un AA sencillo, éste puede adoptar tres formas iónicas diferentes:

El primer grupo que se disocia es el carboxilo (pK₁ = 2,22). Por la proximidad del grupo NH₃⁺, el COOH se comporta como un ácido moderadamente fuerte. Si aplicamos la ecuación de Henderson-Hasselbalch al primer equilibrio de disociación, resulta que a pH fisiológico (7,4), la concentración de la forma catiónica es prácticamente despreciable (una de cada 151 000 moléculas en la forma zwitterión). El segundo grupo en disociarse es el NH₃⁺. Como el pK₂ es 9,86, la concentración de la forma aniónica es muy pequeña en comparación con la forma zwitterión (1 molécula en forma aniónica por cada 300 en forma zwitteriónica). El AA se comporta a pH fisiológico como un ácido débil que está disociado al 0,35%.

Existe un pH para el cual la carga eléctrica media de las moléculas es cero. Este pH se llama punto isoeléctrico (pI). El pI es el pH en el que la molécula se disocia por igual en ambos sentidos, y como equidista de los dos valores de pK, puede obtenerse por su semisuma:

Así, para la glicina (pK₁=2,22 y pK₂=9,86, el pI vale 6,04. Así, a pH=6,04 la immensa mayoría de las moléculas de glicina estarían en forma de iones híbridos (zwitterión) y no se desplazarían hacia ningún polo al aplicarles un campo eléctrico (Pincha en el botón "Actualizar" del navegador y observa esta figura ).

Cuando el AA contiene otros grupos ácidos o básicos, el poder amortiguador gana posibilidades. Así, el ácido glutámico tiene tres grupos disociables, cuyos pK son: pK₁=2,1; pK₂=3,9 y pK₃=9,8:

La forma I (totalmente protonada) tiene una carga neta positiva. La forma II tiene carga neutra (una positiva y una negativa), la forma III tiene una carga negativa y la forma IV tiene dos cargas negativas. El punto isoeléctrico del ácido glutámico será aproximadamente 3,0 (la semisuma de pK₁ y pK₂, los pK que flanquean a la forma zwitterión). La proporción de moléculas en la forma IV (2 cargas negativas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI.

En el caso del AA arginina existen dos grupos básicos y uno ácido. La disociación de la arginina se esquematiza del siguiente modo, donde pK₁=2,2; pK₂=9,2 y pK₃=12,5:

 

La forma I (totalmente protonada) tiene dos cargas positivas. La forma II tiene una carga neta positiva, la forma III es neutra (una positiva y una negativa) y la forma IV tiene una carga negativa. El punto isoeléctrico de la arginina será aproximadamente 10,85 (la semisuma de pK₂ y pK₃, los pK que flanquean a la forma zwitterión). La proporción de moléculas en la forma I (2 cargas positivas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pI.

Las proteínas están formadas por la unión de AA mediante un enlace peptídico. Este enlace se produce entre el grupo COOH de un AA y el grupo NH₂ de otro, de forma que desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Sin embargo, siempre existirá al menos un grupo amino y un grupo carboxilo terminal, que puedan actuar como amortiguadores. Además hay algunos AA que aportan grupos ionizables en sus cadenas laterales: ácido aspártico y glutámico, arginina, lisina, histidina, etc. En la tabla de la derecha se recogen los valores de pK de estos grupos.

Los pK para la disociación de los grupos ácidos o básicos de estas cadenas laterales pueden verse alterados por la influencia de otros grupos ionizables próximos. La posibilidad de formar un puente de hidrógeno entre un residuo de tirosina y uno de ácido aspártico puede alterar el pK de la disociación del grupo carboxilo. Asímismo, el pK de la disociación del grupo carboxilo de una cadena lateral de ácido glutámico puede verse afectado por las interacciones electrostáticas que se pueden establecer con un residuo de lisina cercano. Un caso particularmente importante es el de la histidina próxima al grupo hemo de la hemoglobina, ya que su pK adopta valores muy distintos en función de que esté unida al oxígeno o no (figura derecha de la tabla inferior).

ácido aspártico	ácido glutámico	Histidina

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Significado Funcional de los Grupos-R de los Aminoácidos

En solución es la naturaleza de los grupos-R de los aminoácido los que dictan relaciones de estructura-función de péptidos y proteínas. Los aminoácidos hidrofóbicos serán encontrados generalmente en el interior de las proteínas protegidos del contacto directo con el agua. Inversamente, los aminoácidos hidrofílicos se encuentran generalmente en el exterior de proteínas así como también en los centros activos de las proteínas enzimáticamente activas. De hecho, es la misma naturaleza de ciertos grupos-R de los aminoácidos que permiten que las reacciones enzimáticas puedan ocurrir.

El anillo imidazólico de la histidina permite que este actue como un donante o aceptador de protones a pH fisiológico. Por lo tanto, se lo encuentra con frecuencia en el centro activo de las enzimas. Igualmente importante es la capacidad de las histidinas en la hemoglobina de proteger los iones de H⁺ de la ionización del ácido carbónico en los glóbulos rojos. Es esta propiedad de la hemoglobina que le permite intercambiar el O₂ y el CO₂ en los tejidos o los pulmones, respectivamente.

El alcohol primario de la serina y de la treonina así como el tiol (–SH) de la cisteína permite que estos aminoácidos actuen como nucleofilos durante la catálisis enzimática. Además, el tiol de la cisteína puede formar un enlace de disulfuro con otras cisteínas:

Cisteína-SH + HS-Cisteína <——> Cisteína-S-S-Cisteína

Este disulfuro simple se identifica como cistina. La formación de enlaces de disulfuro entre cisteínas presentes en las proteínas es importante para la formación de dominios estructurales activos en una gran cantidad de proteínas. Las uniones disulfuro entre cisteínas de diferentes cadenas de polipéptido de proteínas oligoméricas desempeñan un papel crucial en el ordenamiento estructural de proteínas complejas, e.g. el receptor de la insulina.

Los enlaces disulfuro y el cabello.

El cabello consiste en polímeros de aminoácidos (proteínas) unidos transversalmente por unidades disulfuro. Alrededor de 1930, investigadores del Rockefeller Institute demostraron que estos enlaces podían romperse con sulfuros o moléculas dotadas de grupos –SH en disolución ligeramente básica. Este descubrimiento resultó ser la clave para los modernos métodos de alterar de forma "permanente" la forma del cabello, de rizado a lacio o viceversa.

En el proceso, una disolución del ion tioglicolato, HSCH₂CO₂^-, se vierte sobre el cabello, lo que reduce los "puentes" –S-S- a grupos –SH:

2 HSCH₂CO₂^- (aq) + -S-S- (cabello) ® [HSCH₂CO₂^-](aq) + 2-SH (cabello)

Con la ayuda de rizadores o alaciadores, las cadenas proteínicas pueden desplazarse entonces mecánicamente respecto a sus vecinas. La aplicación de una disolución de peróxido de hidrógeno vuelve a oxidar los grupos –SH para formar nuevos puentes –S-S-, que mantienen al cabello en su nueva configuración:

2 -SH (cabello) + H₂O₂ ® -S-S-(cabello) + 2 H₂O (liq)

Cuando el champú es ligeramente alcalino (pH de 8.5) los enlaces de azufre pueden romperse y la superficie externa del cabello se vuelve áspera. Esto impide que la luz se refleje uniformemente en ella; entonces el cabello se ve opaco. El uso frecuente de un champú alcalino causa daños por el continuo rompimiento de los puentes disulfuro y es la causa de las puntas separadas u orzuela. Con un pH de 12 (sumamente alcalino) todo tipo de enlace se rompe y el cabello ¡se disuelve! Ésta es la base del funcionamiento de algunas cremas depiladoras que se encuentran en el mercado. El cabello tiene su resistencia máxima y luce más brillante a un pH de entre 4 y 6; he ahí el truco de las abuelas, que recomendaban el uso de limón o jitomate para acomodar el cabello y que éste se viera brillante, ya que ambos son un poco ácidos. El detergente contenido en la mayor parte de los champús deja el pelo ligeramente alcalino, por lo que se recomienda el uso de enjuagues y acondicionadores, productos que contienen ácidos débiles que permiten restablecer el pH del pelo a su intervalo normal, además de aceites que evitan la deshidratación y proporcionan mayor brillo.

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El Enlace de Peptídico

La formación del enlace de peptídico es una reacción de condensación que lleva a la polimerización de aminoácidos en los péptidos y las proteínas. Los péptidos son pequeños y tienen pocos aminoácidos.

Muchas hormonas y neurotransmisores son péptidos. Además, varios antibióticos y agentes antitumorales son péptidos.

Las proteínas son polipéptidos de gran longitud que varían mucho. El péptido más simple, un dipéptido, contiene un solo enlace peptídico formado por la condensación del grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido con la eliminación concomitante del agua.

Sin embargo, en los péptidos el dipéptido ala-ser es diferente del ser-ala, ya que el primero resulta de unir el grupo -COOH de la alanina (ala, A) con el -NH₂ de la serina (ser, S), mientras que el segundo resulta de unir el grupo -COOH de la serina con el -NH₂ de la alanina.

La cadena formada por varios aminoácidos unidos recibe el nombre de polipéptido y para referirnos al conjunto de átomos formado por un  nitrógeno imidico, CO, un carbonilo y su grupo R decimos que se trata de un resíduo de aminoácido.

Identifica cuantos aminoacidos estan presentes en el grafico inferior:

Consecuentemente, los enlaces peptídicos en solución pueden presentar un caracter polar o apolar y el balance dependerá en gran medida de la naturaleza de los substituyentes laterales de los aminoácidos que lo forman (grupo  R). Así, el dipéptido leu-val será insoluble en agua, mientras que el dipéptido glu-lys será bastante soluble. El dipéptido gly-gly posee una solubilidad limitada, pero si se disuelve en agua.

Seleccione el dipéptido más soluble de entre los siguientes:

gly-ser

pro-gly

leu-asn

thr-arg

son iguales  ?

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