25.2: Estructura y Estereoquímica de los Aminoácidos

Objetivos

Después de completar esta sección, deberías poder

1. identificar las características estructurales presentes en los 20 aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas.

   Nota: No se espera que recuerdes las estructuras detalladas de todos estos aminoácidos, pero debes estar preparado para dibujar las estructuras de los dos miembros más simples, glicina y alanina.

2. dibujar la fórmula de proyección Fischer de un enantiómero especificado de un aminoácido dado.

   Nota: Para ello, debes recordar que en el enantiómero S, el grupo carboxilo aparece en la parte superior de la fórmula de proyección y el grupo amino está a la izquierda.

3. clasificar un aminoácido como ácido, básico o neutro, dada su estructura Kekulé, condensada o taquigráfica.
4. dibujar la forma de zwitterión de un aminoácido dado.
5. explican algunas de las propiedades típicas de los aminoácidos (p. ej., altos puntos de fusión, solubilidad en agua) en términos de formación de zwitteriones.
6. escribir ecuaciones apropiadas para ilustrar la naturaleza anfótera de los aminoácidos.

Términos Clave

Cerciórate de que puedes definir, y usar en contexto, los términos clave a continuación.

• α ‑aminoácidos
• anfótera
• aminoácidos esenciales
• zwitterion

Notas de estudio

Este es un buen punto en el que revisar algunos de los principios de estereoquímica presentados en el Capítulo 5. Asegúrese de hacer un uso completo de los modelos moleculares cuando surja algún problema estereoquímico.

Debe reconocer que a menudo se usa un código abreviado de tres letras para representar aminoácidos individuales. No es necesario memorizar este código.

La distinción entre aminoácidos esenciales y no esenciales no es tan clara como cabría suponer. Por ejemplo, a menudo se considera que la arginina no es esencial.

Introducción a los Aminoácidos

Los aminoácidos forman polímeros a través de una reacción de condensación por el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro aminoácido. El grupo carboxilo del aminoácido debe activarse primero para proporcionar un mejor grupo eliminable que OH ^-. (Discutiremos esta activación por ATP más adelante en el curso.) El vínculo resultante entre los aminoácidos es un enlace amida que los bioquímicos llaman enlace peptídico. En esta reacción, se libera agua. En una reacción inversa, el enlace peptídico puede ser escindido por agua (hidrólisis).

• Estructura y Propiedad de los Aminoácidos Naturales (Demasiado grande para incluirlo en el texto: imprimir por separado)

Cuando dos aminoácidos se unen para formar un enlace amida, la estructura resultante se llama dipéptido. Asimismo, podemos tener tripéptidos, tetrapéptidos y otros polipéptidos. En algún momento, cuando la estructura es lo suficientemente larga, se le llama proteína. Hay muchas formas diferentes de representar la estructura de un polipéptido o proteína, cada una mostrando diferentes cantidades de información.

Figura: Diferentes representaciones de un polipéptido (Heptapéptido)

Figura: Los aminoácidos reaccionan para formar proteínas

(Nota: la imagen de arriba representa el aminoácido en un estado de protonación poco probable con el ácido débil protonado y la base débil desprotonada para simplificar la demostración de eliminación de agua en la formación de enlaces peptídicos y la reacción de hidrólisis.) Las proteínas son polímeros de veinte aminoácidos naturales. Por el contrario, los ácidos nucleicos son polímeros de solo 4 nucleótidos monoméricos diferentes. Tanto la secuencia de una proteína como su longitud total diferencian una proteína de otra. Solo por un octapéptido, hay más de 25 mil millones de posibles arreglos diferentes de aminoácidos. Compare esto con solo 65536 oligonucleótidos diferentes de 8 unidades monoméricas (8mer). De ahí que la diversidad de posibles proteínas sea enorme.

Estereoquímica

Los aminoácidos son todos quirales, a excepción de la glicina, cuya cadena lateral es H. Al igual que con los lípidos, los bioquímicos utilizan la nomenclatura L y D. Todas las proteínas naturales de todos los organismos vivos consisten en L aminoácidos. La estereoquímica absoluta está relacionada con el L-gliceraldehído, como fue el caso de los triacilglicéridos y fosfolípidos. La mayoría de los aminoácidos quirales naturales son S, con la excepción de la cisteína. Como muestra el diagrama siguiente, la configuración absoluta de los aminoácidos se puede mostrar con el H apuntando hacia atrás, los grupos COOH apuntando a la izquierda, el grupo R a la derecha y el grupo NH ₃ hacia arriba. Esto lo puedes recordar con el anagrama MAÍZ.

Figura: Estereoquímica de Aminoácidos.

¿Por qué los bioquímicos siguen usando D y L para azúcares y aminoácidos? Esta explicación (tomada del siguiente enlace) parece razonable.

“Además, sin embargo, los químicos a menudo necesitan definir una configuración de manera inequívoca en ausencia de cualquier compuesto de referencia, y para ello el sistema alternativo (R, S) es ideal, ya que utiliza reglas de prioridad para especificar configuraciones. Estas reglas a veces conducen a resultados absurdos cuando se aplican a moléculas bioquímicas. Por ejemplo, como hemos visto, todos los aminoácidos comunes son L, porque todos tienen exactamente la misma estructura, incluyendo la posición del grupo R si solo escribimos el grupo R como R. Sin embargo, no todos tienen la misma configuración en el sistema (R, S): L-cisteína también es (R) -cisteína, sino todos los demás Los L-aminoácidos son (S), pero esto solo refleja la decisión humana de darle mayor prioridad a un átomo de azufre que a un átomo de carbono, y no refleja una diferencia real en la configuración. A veces pueden surgir problemas peores en las reacciones de sustitución: a veces la inversión de la configuración no puede resultar en ningún cambio en el prefijo (R) o (S); y a veces la retención de la configuración puede resultar en un cambio de prefijo.

De ello se deduce que no es solo el conservadurismo o la falta de comprensión del sistema (R, S) lo que provoca que los bioquímicos continúen con D y L: es solo que el sistema DL satisface mucho mejor sus necesidades. Como se mencionó, los químicos también utilizan D y L cuando son adecuados a sus necesidades. La explicación dada anteriormente de por qué el sistema (R, S) es poco utilizado en bioquímica es, por lo tanto, casi exactamente lo contrario de la realidad. Este sistema es en realidad la única forma práctica de representar sin ambigüedades la estereoquímica de moléculas complicadas con varios centros asimétricos, pero resulta inconveniente con series regulares de moléculas como aminoácidos y azúcares simples. “

Aminoácidos naturales

La hidrólisis de proteínas por ebullición de ácido o base acuosa produce una variedad de moléculas pequeñas identificadas como ácidos α-aminocarboxílicos. Se han aislado más de veinte de estos componentes, y los más comunes de estos se enumeran en la siguiente tabla. Aquellos aminoácidos que tienen nombres de color verde son componentes esenciales de la dieta, ya que no son sintetizados por procesos metabólicos humanos. La mejor fuente alimenticia de estos nutrientes es la proteína, pero es importante reconocer que no todas las proteínas tienen el mismo valor nutricional. Por ejemplo, los cacahuetes tienen un mayor contenido en peso de proteína que el pescado o los huevos, pero la proporción de aminoácidos esenciales en la proteína de maní es solo un tercio de la de las otras dos fuentes. Por razones que se harán evidentes al discutir las estructuras de proteínas y péptidos, a cada aminoácido se le asigna una abreviatura de una o tres letras.

Aminoácidos naturales

Hay que señalar algunas características comunes de estos aminoácidos. A excepción de la prolina, todas son 1º-aminas; y con la excepción de la glicina, todas son quirales. Las configuraciones de los aminoácidos quirales son las mismas cuando se escriben como una fórmula de proyección de Fischer, como en el dibujo de la derecha, y esto fue definido como la configuración L por Fischer. El sustituyente R en esta estructura es el componente estructural restante que varía de un aminoácido a otro, y en la prolina R es una cadena de tres carbonos que une el nitrógeno al carbono alfa en un anillo de cinco miembros. Aplicando la notación Cahn-Ingold-Prelog, todos estos aminoácidos quirales naturales, a excepción de la cisteína, tienen una configuración S. Para los primeros siete compuestos de la columna izquierda el sustituyente R es un hidrocarburo. Las últimas tres entradas en la columna izquierda tienen grupos funcionales hidroxilo, y los dos primeros aminoácidos de la columna derecha incorporan grupos tiol y sulfuro respectivamente. La lisina y la arginina tienen funciones amina básicas en sus cadenas laterales; la histidina y el triptófano tienen anillos heterocíclicos de nitrógeno menos básicos como sustituyentes. Finalmente, las cadenas laterales de ácido carboxílico son sustituyentes en el ácido aspártico y glutámico, y los dos últimos compuestos de la columna derecha son sus correspondientes amidas.

Las fórmulas para los aminoácidos escritas anteriormente son representaciones de enlaces covalentes simples basadas en la comprensión previa de análogos monofuncionales. Las fórmulas son, de hecho, incorrectas. Esto es evidente a partir de una comparación de las propiedades físicas enumeradas en la siguiente tabla. Los cuatro compuestos de la tabla son aproximadamente del mismo tamaño, y todos tienen una solubilidad en agua de moderada a excelente. Los dos primeros son ácidos carboxílicos simples, y el tercero es un aminoalcohol. Los tres compuestos son solubles en disolventes orgánicos (por ejemplo, éter) y tienen puntos de fusión relativamente bajos. Los ácidos carboxílicos tienen pK _a cerca de 4.5, y el ácido conjugado de la amina tiene _{un pK a} de 10. El aminoácido simple alanina es la última entrada. Por el contrario, es de muy alto punto de fusión (con descomposición), insoluble en solventes orgánicos, y un millón de veces más débil como ácido que los ácidos carboxílicos ordinarios.

Propiedades físicas de ácidos y aminas seleccionados

Compuesto	Fórmula	Mol.Wt.	Solubilidad en Agua	Solubilidad en Éter	Punto de fusión	pK a
ácido isobutírico	(CH 3) 2 CHCO 2 H	88	20 g/100 ml	completar	-47 ºC	5.0
ácido láctico	CH 3 CH (OH) CO 2 H	90	completar	completar	53 ºC	3.9
3-amino-2-butanol	CH 3 CH (NH 2) CH (OH) CH 3	89	completar	completar	9 ºC	10.0
alanina	CH 3 CH (NH 2) CO 2 H	89	18 g/100 ml	insoluble	ca. 300 ºC	9.8

Zwitterion

Estas diferencias apuntan sobre todo a la formación interna de sales mediante una transferencia de protones desde la función carboxilo ácida al grupo amino básico. La estructura resultante de carboxilato de amonio, comúnmente conocida como zwitterión, también está soportada por las características espectroscópicas de la alanina.

CH 3 CH (NH 2) CO 2 H

CH 3 CH (NH 3) ^(+) CO 2 ^(—)

Como se esperaba de su carácter iónico, el zwitterión alanina es de alto punto de fusión, insoluble en disolventes no polares y tiene la fuerza ácida de un ion 1º-amonio. También se pueden ver ejemplos de algunos aminoácidos específicos en su forma zwitteriónica neutra favorecida. Nótese que en la lisina la función amina más alejada del grupo carboxilo es más básica que la alfa-amina. En consecuencia, el resto de amonio cargado positivamente formado en el extremo de la cadena es atraído hacia el carboxilato negativo, dando como resultado una conformación enrollada.

La estructura de un aminoácido le permite actuar tanto como ácido como base. Un aminoácido tiene esta capacidad porque a un cierto valor de pH (diferente para cada aminoácido) casi todas las moléculas de aminoácidos existen como zwitteriones. Si se agrega ácido a una solución que contiene el zwitterión, el grupo carboxilato captura un ion hidrógeno (H ⁺), y el aminoácido se carga positivamente. Si se agrega base, la eliminación de iones del ion H ⁺ del grupo amino del zwitterión produce un aminoácido cargado negativamente. En ambas circunstancias, el aminoácido actúa para mantener el pH del sistema, es decir, para eliminar el ácido agregado (H ⁺) o la base (OH ⁻) de la solución.

Ejemplo 26.1

1. Dibuja la estructura para el anión formado cuando la glicina (a pH neutro) reacciona con una base.
2. Dibujar la estructura para el catión formado cuando la glicina (a pH neutro) reacciona con un ácido.

Solución

1. La base elimina H ⁺ del grupo amina protonada.
   
2. El ácido añade H ⁺ al grupo carboxilato.
   

Otros Aminoácidos Naturales

Los veinte alfa-aminoácidos enumerados anteriormente son los componentes primarios de las proteínas, siendo su incorporación regida por el código genético. Existen muchos otros aminoácidos naturales, y las estructuras de algunos de estos se muestran a continuación. Algunos, como la hidroxilisina y la hidroxiprolina, son simplemente derivados funcionalizados de un compuesto descrito anteriormente. Estos dos aminoácidos se encuentran únicamente en el colágeno, una proteína estructural común. Homoserina y homocisteína son homólogas superiores de sus homónimos. El grupo amino en la beta-alanina se ha movido al final de la cadena de tres carbonos. Es un componente del ácido pantoténico, HOCH ₂ C (CH ₃) ₂ CH (OH) CONHCH ₂ CH ₂ CO ₂ H, miembro del complejo de vitamina B y nutriente esencial. La acetil coenzima A es un derivado pirofosforilado de una amida de ácido pantoténico. El homólogo gamma-amino GABA es un inhibidor de neurotransmisores y un agente antihipertensivo.

Muchos aminoácidos inusuales, incluyendo los enantiómeros D de algunos ácidos comunes, son producidos por microorganismos. Estos incluyen ornitina, que es un componente del antibiótico bacitracina A, y la estatina, que se encuentra como parte de un pentapéptido que inhibe la acción de la enzima digestiva pepsina.

Ejercicios

26.1 Estructuras de los Aminoácidos

26.1 Ejercicios

Preguntas

Q26.1.1

¿Por qué la cisteína es el único aminoácido L con una configuración R en el carbono alfa?

Q26.1.2

La isoleucina tiene dos centros estereogénicos.

a) Dibujar una proyección Fischer de isoleucina.

(b) Dibujar una proyección Fischer de un diastereómero de isoleucina y etiquetar cada estereocentro como R o S.

Soluciones

S26.1.1

El átomo de azufre en la cadena lateral hace que la cadena lateral tenga mayor prioridad que los otros sustituyentes.

S26.1.2

(a)

b)

Colaboradores y Atribuciones

• Dr. Dietmar Kennepohl FCIC (Professor of Chemistry, Athabasca University)

• Prof. Steven Farmer (Sonoma State University)

• William Reusch, Professor Emeritus (Michigan State U.), Virtual Textbook of Organic Chemistry

• Prof. Henry Jakubowski (Colegio de San Benedicto/Universidad San Juan)