1.21: Aminoácidos y Péptidos

Aminoácidos y Estructura de la Cadena Lateral

La última vez terminamos nuestro examen de aminas. Ahora veremos qué sucede cuando un grupo funcional ácido carboxílico y un grupo funcional amina están en la misma molécula. Nuestro enfoque estará en los alfa aminoácidos, aquellos en los que el grupo amino está unido al carbono alfa —el que está al lado del grupo carbonilo— del ácido carboxílico. Estos son los componentes básicos de las proteínas y son el tipo de aminoácido más importante. Si bien hay muchas otras formas de vincular un grupo amino y un grupo ácido carboxílico en una sola molécula, nos ocuparemos únicamente de los alfa aminoácidos.

Hay 20 aminoácidos alfa que se encuentran comúnmente en las proteínas. Se listan en el Cuadro 18.1 (p 503) en Marrón. Cuando se examinan las estructuras de estas moléculas, queda claro que comparten la unidad estructural común RCH (NH ₃ ⁺) CO ₂ ^-en la que R puede ser hidrógeno (el aminoácido es glicina) o una de otras 19 posibilidades. La única excepción a este patrón es la prolina, en la que el grupo R forma parte de un anillo que también incluye el grupo amino y el átomo de carbono alfa. Dado que el grupo amino en la prolina está involucrado en dos enlaces carbono-nitrógeno, es un grupo amino secundario.

El cuadro se divide además en grupos de acuerdo a la estructura del grupo R. (El grupo R a menudo se llama la “cadena lateral”). Si el grupo R está compuesto solo por carbono e hidrógeno (sin heteroátomos), la cadena lateral se considera no polar ya que hay muy poca polaridad asociada a los enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno. Estas cadenas laterales son hidrofóbicas (evitando el agua) de la misma manera que la larga cola de hidrocarburo de un jabón o detergente es hidrofóbica. Esto será importante cuando consideremos cómo las características de las proteínas dependen de sus patrones de plegamiento en un ambiente acuoso. Hay heteroátomos en metionina (azufre) y triptófano (nitrógeno) pero el comportamiento general de estos aminoácidos sugiere que estos heteroátomos aportan muy poca polaridad a la cadena lateral. Las cadenas laterales que contienen grupos funcionales más polares como amida, alcohol y tiol proporcionan ubicaciones para que una molécula de agua polar se enlaza con el hidrógeno. Por lo tanto, son algo hidrófilos, como los grupos OH en un azúcar. Estas cadenas laterales son importantes para hacer que una proteína sea suficientemente soluble en agua para operar eficazmente dentro de una célula.

En dos casos (ácido aspártico y ácido glutámico) la cadena lateral incluye un grupo ácido carboxílico además del siguiente al grupo amino. Estos grupos son ionizados (presentes como anión carboxilato) cuando el pH es casi neutro (pH ~ 7). (En breve retomaremos el comportamiento ácido-base de los aminoácidos).

De manera similar, existen tres aminoácidos cuyas cadenas laterales incluyen un grupo amino. Estos grupos amino también están ionizados (presentes como el ión amonio) a pH neutro. Los grupos ionizados son bastante polares, y al igual que los extremos ionizados de los jabones o detergentes, hacen que la cadena lateral sea bastante hidrófila.

Química de base ácida

A pH neutro (alrededor de 7, el pH típico de la mayoría de los fluidos corporales y el pH al que suelen ocurrir las reacciones bioquímicas) los grupos amino en los aminoácidos se protonan para producir iones amonio y los ácidos carboxílicos se ionizan a sus bases conjugadas (iones carboxilato). Una forma de ver esto es mirar una solución de agua a pH = 7 como un gran reservorio de ácido cuyo pK _a se mantiene en 7. _{Si un ácido con un pK a inferior a 7 (como un ácido carboxílico, pK a ~ 5) se disuelve en dicha solución, es el ácido más fuerte y transferirá un protón a la solución y se convertirá en el ion carboxilato.} Así, cuando el pH se mantiene en 7, los ácidos carboxílicos se ionizan.

_{De la misma manera, cuando una amina (típico ion amonio pK a ~ 10) se disuelve en agua que se mantiene a pH = 7, el agua es el ácido más fuerte por lo que la amina se protonó para hacer el ácido más débil.} Las aminas cuando se mantienen a pH = 7 se protonan para producir iones de amonio. Prácticamente, mantener el pH a 7 significa que la solución es tamponada por la inclusión de ácidos débiles y bases débiles en concentración suficiente para que la transferencia de unos pocos protones no cambie materialmente la concentración de H ⁺.

Podemos usar esta idea a cualquier pH. Por ejemplo, si un aminoácido se disuelve en agua que se mantiene a pH = 2, la solución es un ácido más fuerte que el ácido carboxílico que se formaría transfiriendo un protón al ion carboxilato. El ácido carboxílico (pK _a ~ 5) se forma como el ácido más débil. Tal molécula tendría sólo una carga positiva del ión amonio. De igual manera, en solución básica (pH > 11) la solución es un ácido más débil que el ión amonio, por lo que el ión amonio transfiere un protón a la solución y se convierte en el grupo amino.

_{Dado que hay pequeñas variaciones en los valores específicos de pK a de los grupos amino y ácido carboxílico en los aminoácidos, el pH exacto al que la especie predominante es el zwitterión (la molécula con un ion amonio positivo y un ion carboxilato negativo) varía algo.} Este pH se llama punto isoeléctrico (pI) porque es el pH al que el aminoácido es tan probable que sea atraído por un electrodo positivo como a uno negativo. Los valores de pI para los aminoácidos comunes se dan en la Tabla 18.2 (p 506 en Brown).

Observe que los aminoácidos ácidos tienen números de pI bajos. Esto tiene sentido porque tomará una solución bastante fuertemente ácida para asegurar que uno de los iones carboxilato esté protonado. De igual manera, para los aminoácidos básicos los valores de pI son mayores ya que se necesitará una solución bastante básica para asegurar que uno de los iones amonio haya perdido un protón y la carga positiva.

Estereoquímica

Para todos los aminoácidos excepto la glicina, el átomo de carbono alfa es un átomo de carbono estereogénico (cuatro grupos diferentes unidos). En dos casos también hay otro átomo de carbono estereogénico en la molécula. Solo uno de los dos posibles enantiómeros se encuentra en la naturaleza en los casos de los aminoácidos que incluyen átomos de carbono estereogénicos. En todos estos casos la configuración absoluta del carbono alfa estereogénico es S.

Se hizo posible determinar las configuraciones absolutas mucho después de que se hubieran resuelto las relaciones estereoquímicas entre aminoácidos y azúcares. Ese trabajo demostró que si orientamos una proyección Fischer de un aminoácido con el grupo ion carboxilato en la parte superior y el grupo R en la parte inferior, encontramos que el ión amonio apunta hacia la izquierda. Por esta razón se considera que los aminoácidos tienen la configuración L (opuesta a las configuraciones D asignadas a los azúcares comunes). Es posible que desee verificar que un L-aminoácido es también un aminoácido S.

Los aminoácidos se producen en los sistemas vivos por vías bioquímicas que involucran múltiples enzimas. Las enzimas son proteínas, ellas mismas compuestas por L-aminoácidos por lo que proporcionan un ambiente quiral en el que solo se forma uno de los dos enantiómeros. La síntesis de aminoácidos en laboratorio normalmente no involucra un ambiente quiral, por lo que se forman cantidades iguales de los aminoácidos L y D en las síntesis típicas de laboratorio. Una mezcla de cantidades iguales de enantiómeros se denomina mezcla racémica.

Síntesis

Las síntesis de laboratorio de aminoácidos suelen estar relacionadas con síntesis de aminas y/o ácidos carboxílicos. Vamos a echar un vistazo a una de esas síntesis, la síntesis de Strecker. No veremos en detalle su mecanismo, pero buscaremos similitudes con reacciones que hemos visto antes.

La reacción comienza con la formación de imina a partir de un aldehído y amoníaco. La catálisis ácida requerida para esto proviene del cloruro amónico, un ácido débil. A continuación se añade cianuro de hidrógeno a la imina. Esto es análogo a las adiciones de nucleófilos a un aldehído o cetona que estudiamos anteriormente. En este caso, el ion cianuro sirve como nucleófilo.

El amino nitrilo que resulta de estas etapas se purifica y se trata con HCl acuoso, seguido de OH ^-. Esto convierte el nitrilo en una sal carboxilato. Podemos poner esta reacción en contexto pensando que el triple enlace C-N es muy parecido a un grupo carbonilo. Eso sugiere que el H ⁺ electrofílico ataca al nitrógeno, lo que es seguido por un ataque nucleofílico del agua sobre el carbono nitrilo. Un doble enlace C=N permanece, y su reacción con el agua es la inversa de la formación de imina. El resultado es que el doble enlace C=N se hidroliza a un doble enlace C=O. Por último, la neutralización con suficiente base nos da el aminoácido zwitterión.

Péptidos y el enlace peptídico

Ahora volvamos nuestra atención a la forma en que los aminoácidos se unen entre sí para formar proteínas. El elemento estructural clave aquí es el enlace peptídico. Se trata de un enlace amida que une el grupo amonio de un aminoácido al grupo carboxilato de otro mediante un nuevo enlace covalente. El O ^- del carboxilato se pierde junto con dos iones H ⁺ del grupo amonio para formar agua. Esto es bastante análogo a la formación de una amida calentando un ácido carboxílico y una amina. Las condiciones y procesos específicos de reacción requeridos para hacer esto pueden ser (como veremos) bastante sofisticados, pero ayuda recordar que lo que se está haciendo es la unión de un carbono carboxilato y un nitrógeno amónico por un nuevo enlace C-N (péptido).

El nuevo compuesto formado de esta manera se llama péptido. Nuestro ejemplo es un dipéptido, formado a partir de dos aminoácidos. Si se conecta un tercer aminoácido al dipéptido formando un nuevo enlace peptídico en el grupo amonio o en el grupo carboxilato del dipéptido, se obtiene un tripéptido, y así sucesivamente. Los polipéptidos pueden tener muchos aminoácidos. Los polipéptidos con más de 100 aminoácidos se consideran proteínas.

Dado que el aminoácido cuyo grupo ácido carboxílico participó en la formación del enlace peptídico todavía tiene un grupo amonio que contiene un átomo de nitrógeno, se le llama el extremo N del péptido. El extremo N está escrito convencionalmente a la izquierda. Correspondientemente, el aminoácido que todavía tiene un grupo carboxilato libre se llama el extremo C y se escribe a la derecha. Cuando se escribe el orden de los aminoácidos en un péptido, es convencional escribirlo de izquierda a derecha desde el extremo N hasta el extremo C. El orden completo de aminoácidos en una proteína se llama su secuencia y se expresa convenientemente usando los nombres abreviados de los aminoácidos leídos del extremo N al C.

La secuencia se mantiene unida por enlaces peptídicos. Como parte de un grupo funcional amida, estos enlaces son difíciles de romper, por lo que la secuencia de una proteína es bastante estable. Si bien hay muchas formas posibles de plegar una cadena proteica, el patrón de plegamiento particular adoptado por la proteína está completamente determinado por su secuencia.

En muchos casos, el patrón de plegado está “bloqueado” por enlaces disulfuro. Como discutimos cuando estudiábamos tioles, la presencia de grupos SH a lo largo de una cadena proteica brinda una oportunidad para el entrecruzamiento entre cadenas o la formación de bucles dentro de una cadena. Estos puentes disulfuro son importantes para mantener la cadena proteica en un patrón de plegamiento específico.

Un vistazo a la Tabla 18.1 nos dice que los grupos SH necesarios para hacer los enlaces disulfuro se encuentran en el aminoácido cisteína. Las proteínas que son rígidas y utilizadas principalmente con fines estructurales (queratina en cabello, piel y plumas, por ejemplo) suelen tener muchos enlaces disulfuro y por lo tanto tienen altos contenidos de cisteína.