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Tema 12
Química de los aminoácidos y péptidos
Estructura
Átomo de carbono α
Grupo amino α Cadena lateral
Un α-aminoácido
Enlaces peptídicos
Una parte de un péptido
Los aminoácidos Valina Serina Alanina Cisteina Glicina
Los α-aminoácidos
• -NH2 en el carbono próximo al –COOH. • Glicina, NH2-CH2-COOH es el más sencillo. • Con cadena lateral, –R, la molécula es quiral. • La mayoría de los aminoácidos naturales son L-aminoácidos, relacionados con el L-(-)-gliceraldehido. • La dirección de la rotación óptica, (+) ó (-), debe determinarse experimentalmente.
La estereoquímica de los α-aminoácidos
(S)-alanina L-alanina
(S)-gliceraldehido L-(-)-gliceraldehido
Configuración (S) Un L-aminoácido
Los α-aminoácidos corrientes
* 20 α-aminoácidos * Difieren en la cadena lateral (H ó R, -OH, -SH, -COOH, -NH2) • 10 esenciales: Arginina (Arg), Treonina (Thr), Lisina (Lys), Valina (Val), Fenilalanina (Phe), Triptófano (Trp), Metionina (Met), Histidina (His), Leucina (Leu), Isoleucina (Ile) * Proteinas completas: aportan todos los aminoácidos esenciales, ej. Carne, pescado, leche y huevos.
Se nombran con tres letras ó con una sola letra relacionada con el nombre
en inglés.
Nomenclatura:
Aminoácidos raros
• 4-Hidroxiprolina, 5-hidroxilisina del colágeno. • El ácido D-glutámico de las paredes celulares de las bacterias. • La D-serina de los gusanos de tierra. • El ácido γ-aminobutírico, un neurotransmisor. • β-Alanina, constituyente del ácido pantoténico (vitamina B5)
Vitamina B5
Zwitteriones
• Los aminoácidos existen como iones dipolares. • -COOH pierde H+, -NH2 gana H+
• La estructura real depende del pH
Estructura sin cargas (minoritario)
Ión dipolar ó zwitterión (mayoritario)
Propiedades de los aminoácidos
• Altos puntos de fusión, > 200 ºC. • Más solubles en agua que en éter. • Mayores momentos dipolares que los ácidos ó que las aminas (μ=14D, vs 1,7 ó 1,4D). • Más ácidos que la mayoría de los ácidos carboxílicos y menos básicos que la mayoría de las aminas.
pKa = 2-3
pKb = 4-5
Punto isoeléctrico
• pH al que los aminoácidos existen como zwitterión (neutros).
• Depende de la estructura y de la cadena lateral.
• Aminoácidos ácidos: pH isoeléctrico ~ 3.
• Aminoácidos neutros: pH isoeléctrico ~ 5-6.
• Aminoácidos básicos: pH isoeléctrico ~ 9.
Tabla 12-1.- Puntos isoeléctricos
~ 5-6
Neutros: ~ 5-6
Ácidos: ~ 3
Básicos: ~ 7-11
Tabla 12-1 (continuación)
• Es un proceso biomimético –imita los procesos biológicos-.
• Un α-cetoácido reacciona con amoniaco; luego la imina se reduce con H2/Pd.
• Se obtiene una mezcla racémica.
R C
O
COOHNH3 R C
N
COO
H _NH4
+ H2
PdR C
NH2
COO
H
_
Aminación reductiva
• La reacción de Hell-Volhard-Zelinsky introduce Br en el carbono α de un ácido carboxílico.
• El bromo es luego sustituido por reacción con amoníaco.
• Se obtiene una mezcla racémica.
1)
2)
Br2/PBr3
H2O
excess NH3PhCH2 CH2 COOH PhCH2 CH COOH
BrPhCH2 CH COO
NH2
NH4+
_
Síntesis vía ácidos α-halogenados
Exceso
SN2
La síntesis de Gabriel – éster malónico
•El grupo amino está protegido como imida. •El grupo carboxílico está protegido como éster.
La posición α está activada por un grupo éster adicional y temporal.
Éster N-ftalimidomalónico Alquilado Hidrolizado α-aminoácido
Síntesis de Strecker
Hidrólisis posterior del α-amino-nitrilo produce el aminoácido.
Paso 1: formación de la imina (química del carbonilo)
Paso 2: adición de cianhídrico
α-amino-nitrilo
Aldehido
Imina
Imina
Resolución de aminoácidos.
• Normalmente, sólo el enantiómero L (S) es biológicamente activo. • Convirtiendo el aminoácido en una sal, usando un ácido ó una base quiral produce una mezcla de sales diastereoisoméricas que pueden separarse por cromatografía.
Resolución de aminoácidos
1) Acetilar 2) Tratar con una acilasa, que reacciona sólo con un
enantiómero. 3) Separar el aminoácido libre (L) del acetilado (D).
Acetilado Mezcla fácil de separar Aminoácido racémico
L desacetilado
D-aminoácido
Acilasa L-aminoácido
D acetilado
• Se usa un fuerte exceso del alcohol y un catalizador ácido.
• Los ésteres se usan como derivados protectores.
• Por hidrólisis acuosa se recupera el aminoácido.
Esterificación
Aminoácido Aminoéster Alcohol
• El grupo amino se convierte en amida. • Los agentes acilantes son los cloruros
y anhídricos de ácido. • Debido a lo fácil que es de eliminar
(H2, Pd), se usa el cloroformiato de bencilo, PhCH2OCOCl.
Acilación
Aminoácido Aminoácido acilado Agente acilante
La reacción con la ninhidrina
• Se utiliza para visualizar los aminoácidos separados por cromatografía ó electroforesis.
• Se forma un color purpúreo con trazas de cualquier aminoácido.
Aminoácido Ninhidrina Púrpura de Ruhemann
Piridina
El enlace peptídico
• Es una amida. • Las amidas son muy estables y neutras.
Plano de la amida
Enlace peptídico
• El grupo amino de una molécula se condensa con el grupo ácido de otra.
• Los polipéptidos tienen pesos moleculares inferiores a 5000.
• El peso molecular de las proteinas es de 6000-40,000,000.
Formación del enlace peptídico
Enlace peptídico
-H2O
• Cuatro a diez aminoácidos. • Sus estructuras se dibujan con el
extremo N-terminal a la izquierda. • Se nombran de izquierda a derecha:
Arg-Pro-Pro-Arg (Arginil-prolil-prolil-arginina)
Oligopéptidos
• Once a ochenta aminoácidos. • Sus estructuras se dibujan con el extremo
N-terminal a la izquierda. • Sustancia P: transmisor de impulsos
dolorosos: Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Glu-Phe-Phe-Gly-Leo-
Met-NH2
(Arginil-prolil- …..metionilamida)
Polipéptidos
Puentes disulfuro
Cadena peptídica
Cadena peptídica
Dos unidades de cisteina
Puente disulfuro (cistina)
Oxidante [O]
Reductor [H]
Oxitocina humana
* Hormona que induce el parto * Nonapéptido.
Puente disulfuro (cistina)
Terminación C (amida) Terminación N
Terminación N Terminación C
(amida)
Insulina bovina
•Regula el metabolismo de la glucosa. • Cadena A: 21 aminoácidos. • Cadena B: 30 aminoácidos.
Cadena A
Cadena B
Terminación N
Terminación N Terminación C
Terminación C
Determinación de la estructura de los péptidos
* Romper los puentes disulfuro * Determinar la composición de
aminoácidos. * Secuenciar desde el aminoácido N-
terminal. * Identificar el aminoácido C-terminal. * Hidrólisis parcial (enzimas).
Rompiendo los puentes disulfuro
Ácido cisteico
Ácido cisteico
Analizando los aminoácidos
• Purificar la cadena peptídica • Hervir con HCl 6M (24 horas) • Separar en un analizador de aminoácidos.
Disolución De ninhidrina
Disolución tampón
Hidrolizado
Resina de cambio iónico
Los aminoácidos se mueven a
diferentes velocidades
Luz
Fotocélula
Sumidero
Tiempo
Absorbancia
Cromatograma
Secuenciando desde el aminoácido N-terminal
* Degradación de Edman: reacción con isotiocianato de fenilo (Ph-N=C=S) seguido de hidrólisis separa el aminoácido N-terminal. El derivado de feniltiohidantoina se identifica por cromatografía. Aplicar a péptidos < 30 aminoácidos. * Método de Sanger: Utiliza como reactivo el 2,4-dinitrofluorobenceno. Tras la hidrólisis se identifica el aminoácido terminal, marcado por el grupo 2,4-dinitrofenilo.
Identificando el aminoácido N-terminal
Método de Sanger
2,4-Dinitrofluorobenceno (reactivo de Sanger)
Derivado 2,4-Dinitrofenílico
Derivado
Péptido
Péptido
Péptido
Aminoácidos
HCl 6M, calor
Secuenciando desde el aminoácido C-terminal.
• El enzima carboxipeptidasa rompe el enlace peptídico del aminoácido C-terminal.
Péptido Péptido
Aminoácido libre
Nuevo aminoácido a
liberar
Carboxipeptidasa
Hidrolizando parcialmente
• Se rompe la cadena peptídica en pequeños fragmentos. • Tripsina: rompe por el grupo carboxílico de lisina (Lys) y arginina (Arg). • Quimotripsina: rompe en el grupo carboxílico de fenilalanina (Phe), tirosina (Tyr) y triptófano (Trp). • Después de secuenciar cada fragmento, se unen como quien reconstruye un puzzle.
Síntesis de péptidos en fase sólida
• La cadena se construye desde el aminoácido C-terminal hasta el N-terminal. • Los intermedios no tienen que ser purificados. • Los reactivos de exceso se lavan con un disolvente adecuado. • El procedimiento puede ser automatizado. • Pueden prepararse péptidos grandes.
Síntesis de péptidos en fase sólida
• La resina de Merrifield (con terminaciones de cloruro de bencilo) se introduce en una columna. • El aminoácido C-terminal se ancla a la resina, protegido por el grupo t-butil-oxi-carbonilo (BOC).
Unión del aminoácido C-terminal
Grupo protector
Grupo protector
Resina Resina
Síntesis de péptidos en fase sólida
• El grupo BOC se elimina con CF3COOH. •La cadena peptídica se construye introduciendo los aminoácidos secuencialmente y formando los enlaces peptídicos. • Con HF se suelta el péptido final ya construido.
Resina
Resina
Péptido Péptido
Separación del péptido elaborado
Síntesis de péptidos en fase sólida
* Los enlaces peptídicos se forman catalizados por la N,N´-diciclohexilcarbodiimida (DCC).
Amina Ácido N,N´-diciclohexilcarbodiimida (DCC)
N,N´-diciclohexil-urea (DCU) Amida
Formación de un acil derivado activado
Activado
Formación de la amida y pérdida de DCU
Amida
DCU
Estructura de las proteinas
• Primaria: secuencia de aminoácidos y puentes disulfuro.
• Secundaria: estructura formada por los puentes de hidrógeno. Ejemplos: hélice-α y la lámina plegada.
• Terciaria: la conformación 3-D completa.
• Cuaternaria: asociación de dos o más cadenas peptídicas para formar la proteina.
La hélice-α
Los puentes de hidrógeno se dan dentro de la cadena
C = gris N = azul O = rojo R = verde
La lámina plegada
Los puentes de hidrógeno son intercadenas
Proteina globular: estructura terciaria
* Se mezclan segmentos de hélice-α con segmentos de enrollamiento al azar en los puntos donde se dobla la hélice.
Enrollamiento al azar
Terminación C
Terminación N
Hélice α
Estructura cuaternaria
Estructura primaria
Estructura secundaria
Estructura terciaria