Bio química NP Unidad 3 (aminoácidos y proteínas) PDF

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Apuntes de bioquimica,
En este documento se muestran un pequeño resumen sobre lo mas importante de las proteinas y los aminoacidos...

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Las proteínas. 1. Los Aminoácidos. Los aminoácidos son compuestos orgánicos organizados en pequeñas moléculas constituidas de Carbono (C), Hidrógeno (H), Nitrógeno (N) y Oxígeno (O). Hay otros elementos que aparecen solamente en algunos aminoácidos, como: Fósforo (P) y Azufre (S), Hierro (Fe), Cobre (Cu), Zinc (Zn), Magnesio (Mg), entre otros. Cabe resaltar que en los glúcidos y en los lípidos, el nitrógeno sólo aparece en algunos de ellos. Los aminoácidos tienen una estructura característica consistente en un átomo de carbono alfa (Cα) central unido a cuatro grupos químicos diferentes: un grupo amino (NH2), un grupo carboxilo (COOH), de donde proviene su nombra, un átomo de hidrógeno (H) y un grupo variable denominado cadena lateral o grupo R (radical), el cual es muy variado químicamente y es especifico para cada aminoácido. Esta estructura básica es idéntica en todos los aminoácidos.

Formula general de los (α) aminoácidos.

No todos los aminoácidos presentan los diversos grupos funcionales unidos al carbono alfa. Hay algunos que pueden ser del tipo beta (β), gamma (γ) o delta (δ) aminoácidos, según el grupo amino esté unido respectivamente al primero, segundo, tercero, o cuarto átomo de carbono contando a partir del átomo de carbono que contiene grupo carboxilo. 1.1 Estereoisomería de los aminoácidos. Isomeria. Al estudiar experimentalmente las propiedades de los compuestos orgánicos se encuentra que muchos de ellos a pesar de poseer propiedades físicas e incluso químicas diferentes, poseen la misma composición centesimal, el mismo peso molecular y la misma fórmula empírica y molecular. A este fenómeno se le denomina Isomería y a los compuestos que lo presentan se les conoce como Isómeros. El término isomería procede del griego (isos = igual; meros = parte) y se refiere a la propiedad que presentan algunos compuestos, particularmente los orgánicos, de poseer la misma fórmula molecular, pero características estructurales diferentes. Los compuestos isómeros poseen la misma composición en lo que se refiere al tipo de elementos y a su proporción; dicho de otro modo, tienen los mismos átomos componentes y en igual número, pero Bioquímica: Unidad III

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organizados de diferente manera; son por tanto compuestos distintos, ya que sus moléculas son distintas. Es decir, los isómeros son compuestos que tienen igual fórmula molecular, pero distinta fórmula estructural. De modo que, la constitución queda definida por: 1. La fórmula empírica y la fórmula molecular (constitución y proporción de los constituyentes. 2. La conectividad, es decir, la ordenación de los enlaces existentes entre los átomos y la fórmula estructural (estereoquímica). Existen isómeros estructurales (confórmeros) o constitucionales que difieren debido a que sus átomos están unidos en orden diferente (debido a que sus patrones de enlaces son diferentes entre moléculas). Estos isómeros se clasifican en subcategorías (isómeros de cadena, de posición, de grupo funcional). Si los patrones de enlace son los mismos entre moléculas diferentes, los compuestos son estereoisómeros. Los estereoisómeros no son isómeros estructurales, sólo difieren en el disposición relativa tridimensional o espacial, de los átomos que lo componen. Son isómeros debido a que tienen la misma fórmula molecular, no son isómeros estructurales debido a que tienen unidos los átomos en el mismo orden, difieren únicamente en el arreglo de sus átomos en el espacio. La estereoquímica esta muy relacionada con el comportamiento químico, físico y fisiológico de los compuestos isómeros.

! ! ! ! ! Isomería estructural: Se presenta cuando, a pesar de tener el mismo número de átomos de cada clase, las uniones entre ellos son diferentes en uno y otro compuesto, es decir se basa en las diferencias existentes en la ordenación y/o unión de los átomos en las moléculas (moléculas con la misma formula molecular, pero diferente formula desarrollada). Estas diferencias en la estructura del esqueleto carbonado permite que se puedan clasificar en:

- Isomería de cadena: los isómeros de cadena poseen el mismo grupo funcional, pero la estructura de la cadena es diferente, pudiendo ser lineal, ramificada, etc., es decir, las uniones entre los C que forman la cadena son diferentes. Por ejemplo, los compuestos: 2-metilbutano y pentano (ambos con la formula desarrollada C5H12.

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Este tipo de isomería es posible a partir de moléculas con cuatro átomos de carbono.

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- Isomería de posición: Los isómeros de posición son compuestos que poseen igual fórmula molecular e igual grupo funcional pero ubicado en distinta posición dentro de la cadena carbonada. Por ejemplo:

! ! ! ! - Isomería de Función o isomería de compensación: la presentan aquellos compuestos que teniendo la misma fórmula molecular presentan distintos grupos funcionales en la molécula. Por ejemplo:

! ! ! Los isómeros estructurales son fáciles de reconocer, basta disponer de la fórmula plana de los compuestos para averiguar si son o no isómeros. No obstante, la naturaleza presenta otros tipos de isómeros más difíciles de identificar; para conseguirlo es preciso efectuar una representación de la molécula en el espacio y analizar la orientación relativa de sus átomos o grupos de átomos; por tal motivo este tipo de isomería recibe el nombre de isomería del espacio o estereoisomería. Isomería espacial o estereoisomería: La presentan aquellas sustancias que, con la misma estructura, tienen diferente distribución espacial de sus átomos. Es decir, los estereoisómeros poseen los mismos átomos, las mismas cadenas y los mismos grupos funcionales, pero difieren en alguna de sus orientaciones espaciales. Presentan la misma formula desarrollada (con la misma cadena y los mismos grupos funcionales, en la misma posición), pero con diferente orientación en el espacio.% La estereoisomería se basa en la teoría del átomo de carbono asimétrico y en la teoría

tetraédrica del átomo de carbono. • Teoría tetraédrica del átomo de carbono: En el año 1874 Le Bell y Van Hoff establecieron esta teoría. En ella se explica que el átomo de carbono está relacionado con sus cuatro valencias en la misma forma que si estuvieran ubicados en el centro de un tetraedro y sus valencias dirigidas a cada uno de sus vértices; de esa forma las valencias formarán ángulos iguales. Por ejemplo, de acuerdo a esta teoría el metano CH4 se representa así: Bioquímica: Unidad III

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• Teoría del átomo de carbono asimétrico: Cuando las cuatro valencias del átomo de carbono se hallan ocupadas por átomos o grupos atómicos diferentes, el tetraedro se hace asimétrico. Los estereoisómeros se pueden subdividir en: enantiómeros y diastereómeros o disteroisómeros. Los enantiómeros son estereoisómeros que son imágenes especulares entre sí. Los diasteroisómeros son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.

- Estereoisomería geométrica: Es característica de aquellas sustancias que presentan un doble enlace carbono - carbono, y es debida a que no es posible la libre rotación alrededor del eje del doble enlace. Asimismo, es preciso que los sustituyentes unidos a cada uno de los átomos de carbono implicados en el doble enlace sean distintos. Las distribuciones espaciales posibles son dos, la forma cis y la trans. -

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El plano que contiene al doble enlace divide en dos al plano de la molécula. En el caso de los estereoisómeros “cis”, los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en una misma región del espacio con respecto al plano que contiene el doble enlace , es decir, se denomina cis, al isómero que tiene los grupos iguales en el mismo lado del doble enlace. Mientras que en el caso de los estereoisómeros “trans”, los sustituyentes afectados se encuentran en distinta región del espacio, es decir, trans es el isómero que tiene los grupos iguales en posiciones opuestas, a cada lado del doble enlace. Por ejemplo, el dicloroeteno %

! ! ! En el caso de la izquierda, en la forma cis, los dos átomos de hidrógeno se encuentran en la parte superior del plano determinado por los átomos de carbono. En el caso 2 en la forma trans, los átomos de hidrógeno se encuentran a ambos lados del plano antes mencionado. Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado del plano de referencia se le asigna la configuración Z (del alemán zusammen). Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad de lados opuestos del plano de referencia se le asigna la configuración E (del alemán entgegen).

- Estereoisomería óptica: Dos sustancias son estereoisómeros ópticos cuando tienen propiedades físicas y químicas semejantes pero presentan diferentes acciones sobre el plano de vibración de la luz polarizada. -

A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono.

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Las propiedades geométricas de un carbono que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, permite que la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles. Los isómeros ópticos (aquellos que presentan un carbono quiral) guardan entre sí la misma relación que un objeto y su imagen en el espejo, o lo que es lo mismo, que la mano izquierda respecto de la mano derecha. Ambas conformaciones moleculares son iguales pero no idénticas, esto es, no superponibles, del mismo modo que tampoco lo son las dos manos de una misma persona.%

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Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y ópticamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos. Un enantiómero desvía el plano de polarización de la luz hacia la derecha (isómero dextro o [+]) y el otro hacia la izquierda (isómero levo o [-]).% Aquellas sustancias (con la mismos grupos grupos funcionales) que presentan un grupo funcional, determinado para cada clase de molécula, orientado a la izquierda se designaran con la letra “L” (levogira) o “S” (sinister), y aquellos que los presenten a la derecha serán designados con la letra “D” (dextrogira) o “R” (rectus). Por ejemplo, los dos enantiómeros de la alanina:

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! Los isómeros ópticos poseen las mismas propiedades químicas y físicas salvo en lo que respecta a su comportamiento frente a la luz, de ahí su nombre. La isomería óptica tiene su origen en una orientación espacial diferente de los átomos o grupos de átomos que constituyen los isómeros.

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Los α-aminoácidos son compuestos quirales. Debido a esta circunstancia, cada α-aminoácido puede existir en dos formas estereoisómeras cada una de ellas con una diferente ordenación espacial de los cuatro sustituyentes que rodean, en disposición tetraédrica, al carbono α. Estas dos formas estereoisómeras son además enantiómeros (imágenes especulares no superponibles una de la otra). La nomenclatura de las formas estereoisómeras de los α-aminoácidos se establece por convenio relacionando sus fórmulas en proyección de Fisher con la de un compuesto de referencia que es el gliceraldehido. Así, la forma D de un α- aminoácido es la que, en la fórmula en proyección de Fisher, tiene el grupo amino hacia la derecha (por analogía con el grupo hidroxilo del D-gliceraldehido), mientras que la forma L es la que lo tiene hacia la izquierda. Aunque existen en la naturaleza aminoácidos con configuración D que desempeñan diferentes funciones en las células, todos los aminoácidos presentes en las proteínas presentan configuración L.

Esquematización de la estereoisomería óptica de los aminoácidos (alanina).

1.2 Clasificación de los aminoácidos. En la naturaleza existen más de 300 aminoácidos diferentes, los cuales pueden ser clasificados según distintos criterios. 1. Por su presencia en las proteínas: Se dividen en dos grupos, los proteicos o proteínicos, que se encuentran en la estructura de las proteínas, y los no proteicos o no proteínicos que no lo están, pero cumplen otras funciones. Sin embargo, los aminoácidos que forman parte de las proteínas son todos ellos α-aminoácidos. .I

Del total de aminoácidos solo 20 de ellos se encuentran codificados en el DNA y por tanto son los constituyentes de las proteínas en donde se encuentran contenidos en distintas proporciones.

2. Según la naturaleza química de su grupo “R”: Existen distintos criterios para clasificar los α-aminoácidos proteínicos. Sin embargo, el más utilizado, dada su relación con la determinación de la estructura tridimensional de las mismas, es el que se basa en la naturaleza polar o no polar, con carga eléctrica o sin ella de su cadena lateral o grupo R. Así se distinguen 5 grupos:

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Los grupos laterales pueden ser no polares (sin diferencia de carga entre distintas zonas del grupo), polares pero con cargas balanceadas, de modo tal que el grupo lateral en

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en conjunto es neutro, o cargados (ionizados), negativa o positivamente.

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Los grupos laterales no polares (hidrofóbicos) no son solubles en agua, mientras que los grupos laterales polares (hidrofílicos) y cargados son solubles en agua. Los aminoácidos hidrofílicos ayudan a las proteínas a disolverse en las soluciones dentro de las células, -mientras que los aminoácidos hidrófobos tienden a replegarse al interior de la proteína.

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- Aminoácidos apolares o alifáticos: Los aminoácidos alifáticos son aquellos cuyas cadenas están formadas sólo por Carbono e Hidrógeno, unidos por enlaces sencillos. En este grupo se encuentran 7 aminoácidos caracterizados por ser fuertemente hidrofóbicos, tanto más marcado cuanto mayor es la longitud de la cadena, y salvo algunas excepciones (glicina y prolina) suelen ubicarse en el centro de las proteínas con estructura terciaria; ellos son: Glicina, Alanina, Prolina, Valina, Leucina, Isoleucina y Metionina.

! ! ! - Aminoácidos aromáticos: Grupo constituido por 3 aminoácidos: Fenilalanina, Tirosina y Triptófano, cuyas radicales contienen anillos aromáticos tipo Benceno, por consiguiente son relativamente hidrofóbicos.

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! De los tres residuos representantes de esta clase solo Fenilalanina es enteramente apolar. La tirosina posee un hidróxilo fenólico (OH) y el triptofano tiene un átomo de nitrógeno en su anillo indólico, lo que les confiere un carácter relativamente hidrófilo. Estos residuos casi siempre se ubican internalizados hacia el interior hidrofóbico de la proteína ya que su naturaleza es predominantemente no polar. Sin embargo, los átomos polares de la tirosina y el triptofano les permiten establecer interacciones puente hidrógeno con otros residuos o incluso con moléculas de solvente.

- Aminoácidos polares sin carga o neutros: Este grupo esta constituidos por 5 aminoácidos: Serina, Treonina, Cisteína, Asparagina y Glutamina. Estos aminoácidos son mucho más hidrófilos que los anteriores y a pesar de no poseer carga neta (positiva Bioquímica: Unidad III

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o negativa), la presencia de grupos funcionales con carácter polar les permiten formar puentes de hidrógeno con el agua.

! ! ! • Serina y Treonina: La polaridad de la serina y la treonina se debe a sus grupos hidroxilos. • Asparagina y Glutamina: La polaridad de la asparagina y la glutamina, se debe a la presencia de grupos amídicos (—NH2) en el radical. • Cisteína: La polaridad de la cisteína se debe a la presencia del grupo sulfhidrilo (—SH) en su radical.

- Aminoácidos polares con carga o iónicos: Se trata aminoácidos cuyos radicales se encuentran cargados, a pH fisiológico (7.4), debido a lo cual deben colocarse casi exclusivamente en la superficie de la proteína ya que son muy hidrófilos. A su vez, los aminoácidos pertenecientes a este grupo se clasifican en: • Aminoácidos polares con carga positiva aminoácidos catiónicos o básicos: Grupo constituidos por 3 aminoácidos: Lisina (Lys), Arginina (Arg) e Histidina (His). Los grupos “R” de estos aminoácidos presentan cuatro átomos de carbono y al menos un grupo amino (NH2), en el que se encontrara la carga positiva.

! ! ! ! ! • Aminoácidos polares con carga negativa aminoácidos aniónicos o ácidos: Es el grupo menos numeroso; formado por 2 aminoácidos: Aspartato (Glu) y Glutamato (Asp); cada uno de los cuales posee un segundo grupo carboxilo (COOH) que se halla completamente ionizado y por tanto cargado negativamente a pH 6 y 7.

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3. Según su requerimientos nutricionales: Los 20 aminoácidos proteínicos son indispensables para las funciones de nuestras células, sin embargo existen algunos que el organismo no es capaz de sintetizar por medio del metabolismo por lo que necesitan ser ingeridos en productos que sí los contienen, mientras que existen algunos que el organismo es capaz de sintetizar si el ambiente celular contiene suficientes fuentes de carbono y nitrógeno. En base a este criterio los aminoácidos se clasifican en los dos siguientes grupos: Aminoácidos no esenciales o dispensables: Son aquellos que el organismo es capaz de sintetizar por medio del metabolismo si las fuentes de carbono y nitrógeno del ambiente celular son suficientes. Dentro de este grupo se encuentran 10 aminoácidos. Aminoácidos esenciales o indispensables: Se denominan esenciales a aquellos aminoácidos que no pueden ser sintetizados de novo por un organismo vivo, por lo que deben ser ingeridos en los alimentos; en el caso de los seres humanos se trata de 10 aminoácidos, 8 de los cuales son esenciales en todo momento de la vida; los otros dos (Arginina e Histidina) son realmente esenciales en determinadas condiciones como la lactancia, los periodos de crecimiento celular rápido (como en la infancia) y la enfermedad. A continuación se presenta una tabla en la que se agrupan los aminoácidos esenciales y no esenciales.

! ! ! ! ! ! 1.3 Nomenclatura de los aminoácidos. Todos los α- aminoácidos tienen, además de sus nombres sistemáticos, nombres simplificados apropiados para su uso común, que, en algunos casos, provienen de la fuente biológica de la cual fueron aislados inicialmente; así, la asparagina se encontró por primera vez en el espárrago, el ácido glutámico se aisló del gluten de trigo, la tirosina fue identificada en el queso (del griego tyros = queso), y la glicina debe su nombre a su sabor dulce (del griego glycos = dulce). Los 20 aminoácidos proteínicos suelen representarse mediante dos sistemas, el primero de ellos utiliza las primeras 3 letras del nombre del aminoácido en el idioma inglés y el segundo sistema representa cada uno de los 20 aminoácidos mediante una letra que en algunos casos corresponde a la primera letra del nombre del aminoácido, en otros se trata de una letra relacionada fonéticamente con el nombre del aminoácido en el idioma ingles, otros se valen de cualquier letra contenida en el nombre del aminoácido relacionados con estos y finalmente en Bioquímica: Unidad III

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el caso de la lisina la letra K fue asignada por su contigüidad a la letra L. En el presente texto se utilizaran las dos primeras formas de nomenclatura. 1.4 Prop...