Universidad Central de VenezuelaFacultad de MedicinaEscuela Luis Razetti

Cátedra de Bioquímica

TEMA 2

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Módulo I: Estructura y Función de los aminoácidos

Noviembre, 2009

Objetivos generales del Tema 2

Describir la estructura de las proteínas y sus aminoácidos constituyentes

Explicar con ejemplos la relación que existe entre la estructura de las proteínas y

la función biológica que desempeñan.

Explicar las propiedades ácido-base de los aminoácidos y las proteínas.

Describir los métodos de separación de proteínas.

Estructura y propiedades de los aminoácidos

Objetivos Contenidos1) Reconocer la fórmula

general de los aminoácidosCarbono alfa, grupo amino, grupo carboxilo y cadena lateral (R)

2) Describir las características de los tipos de cadena lateral de los aminoácidos

Cadenas alifáticas, aromáticas, ácidas y básicas

3) Clasificar los aminoácidos según las características de su cadena lateral

Polaridad, carga eléctrica, grupos aromáticos, propiedades ácido-base

4) Describir las propiedades ácido-base de los aminoácidos.

Ionización de los grupos alfa amino, alfa carboxilo y cadenas laterales

5) Definir punto isoeléctrico (pI) de los aminoácidos.

Carga del aminoácido

6) Representar la curva de titulación de los aminoácidos

Representación de pH versus equivalentes de base añadidos a soluciones de aminoácidos monoamino-monocarboxílico, aminoácidos diamino-monocarboxílico y aminoácidos monoamino-dicarboxílico.

7) Interpretar la curva de titulación de los aminoácidos

Identificación de pKs y pI

8) Representar las formas iónicas de los aminoácidos a diferentes pH

Ionización de los grupos alfa amino, alfa carboxilo y cadenas laterales a la concentración de H+

9) Calcular la carga neta de los aminoácidos a diferentes pH y el punto isoeléctrico

Suma algebraica de cargas de los grupos alfa amino, alfa carboxilo y cadenas laterales

Actividad de Aprendizaje

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Asiste a las clases teóricas del tema.Consulta alguno de los siguientes libros:

Champe, P., Harvey, R. y Ferrier, D. (2005) Bioquímica. 3ra ed. México: Editorial Mc Graw Hill.

Devlin, Thomas. (2004). Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas. 4ta ed. Editorial Reverté S.A.

Mathews-Van Holde-Ahern. (2003). Bioquímica. 3ra ed. Editorial Addison Wesley.

McKee, T. y McKee, J.R (2009) Bioquímica. 4ta ed. Madrid: Editorial Mc Graw Hill.

Murray, R.; Bender, D.; Botham, K.; Kennelly, P. Rodwell, V. y Weil, P. (2010) HARPER, Bioquímica ilustrada. 28o ed. México: McGraw Hill.

Nelson, D. y Cox, M. (2005). Lehninger. Principios de Bioquímica. 4ta ed. Editorial Omega.

Smith, C.; Marks, A. y Lieberman, M. (2006). Bioquímica básica de Marks. Un enfoque clínico. 2da ed. McGraw Hill-Interamericana.

Voet, D.; Voet, J. y Pratt, C. (2007). Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular. 2da ed. Editorial Médica Panamericana.

Puedes utilizar cualquier libro de Bioquímica ya que éste tema se encuentra en todos ellos.

Actividad de Práctica

Realiza la práctica del módulo I: Titulación de Aminoácidos.

Realiza los siguientes ejercicios de práctica.

1. Partiendo de la fórmula general de los aminoácidos:

1.1 Identifica los grupos ionizables

Trata cada uno por separado: R-NH3+y R-COOH. En este caso R es todo el resto del aminoácido.

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1.1 Escribe la reacción de ionización del R-NH3+:

R-NH3+ +

1.2¿Cuál es la base conjugada y la forma ácida sin disociar?

1.3¿Qué sucede si aumenta la concentración de H+?1.4¿Qué sucede si disminuye la concentración de H+?

1.5 Escriba la reacción de ionización del R-COOH

R-COOH +

1.6 . ¿Cuál es la base conjugada y la forma ácida sin disociar?.

1.7. ¿Qué sucede a este grupo si aumenta la concentración de H+?

1.8. ¿Qué sucede a este grupo si disminuye la concentración de H+?

1.9. Escribe la ecuación de Henderson-HässelbalchSustituye en la ecuación de Henderson-Hässelbalch las formas de base conjugada (aceptora de protones) y de ácido sin disociar (donadora de protones) para cada uno de los grupos ionizables.Cada uno de estos grupos ionizables tiene un respectivo valor de pK en cada aminoácido.

Todos los grupos R-COOH en los aminoácidos tienen valores semejantes entre sí (cercanos a 2) e igualmente ocurre con los grupos R-NH3

+ (cercanos a 9). Recuerde que la ionización de un grupo comienza aproximadamente a un valor pH cercano a 2 unidades de por debajo de su pK y alcanza un 100% de ionización aproximadamente a 2 unidades de pH por encima de su pK.

1.10. ¿Cuál es el porcentaje de ionización del grupo R-NH3+, a un pH igual a su pK?

1.11 ¿Cuál es el porcentaje de ionización del grupo R-COOH, a un pH igual a su pK?

2. Ahora trabajemos con ambos grupos ionizables presentes en la misma molécula, por ejemplo la glicina:

pK1= 2,35 pK2= 9,78

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2.1 Escribe la estructura iónica en la cual se encuentra la glicina en una solución de pH muy bajo. La concentración de H+ es muy alta. Ambos grupos están "protonados". Fíjate que en este caso el grupo -NH3

+ se encuentra con una carga positiva, que es su forma "protonada", pero la forma "protonada" del grupo -COOH no tiene carga. Entonces cada molécula de glicina tiene carga neta +1 y el conjunto de todas las que se encuentren en una solución a pH muy bajo, tiene la misma carga.

Si se comienza a agregar una base como NaOH, la cual es una base fuerte que se disocia completamente según la reacción:

NaOH Na+ + OH-

Los grupos OH- se comienzan a unir con los H+ y forman agua:NaOH Na+ + OH- + H+ HOH

El efecto neto que produce esto es una diminución de la concentración de H+, lo cual provocará que el grupo -COOH comience a perder protones porque es un ácido más fuerte (aunque de todas maneras débil) que el grupo -NH3

+. Recuerda que el grupo -COOH tiene un pK menor que el grupo -NH3

+.A medida que el pH aumenta, también aumenta la disociación del grupo -COOH.

2.2. Representa las formas iónicas del aminoácido glicina a un pH igual al pK del grupo carboxilo.

2.3 ¿Cuál es la carga neta que tendrán de las moléculas de glicina?.

2.4 Si aumenta mas el pH, llega el momento en el cual todos los grupos carboxilos estarán disociados (habrán perdido un protón cada uno). Dibuja la forma iónica molecular en la cual se encuentra la glicina a un pH 7, el cual es aproximadamente intermedio entre los valores de pK de los grupos carboxilo y amino.

2.5 ¿Cuál es la carga neta que a este pH tendrán las moléculas de glicina?.

2.6 Cuando el pH llegue a estar aproximadamente a 2 unidades por debajo del pK del grupo amino, comienza su disociación. Dibuje las formas iónicas de la glicina a un pH igual al pK del grupo amino. Recuerda que a este pH ya todo el grupo carboxilo se encuentra disociado:

2.7 ¿Cuál es la carga neta que a este pH tendrán moléculas de glicina?.

2.8 Dibuja la forma iónica de la glicina a un pH 12:

2.9 ¿Cuál es la carga neta que a este pH tendrán las moléculas de glicina?.

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El punto isoeléctrico es un valor de pH al cual el aminoácido no tiene carga neta. Este valor se puede calcular. Para el caso de la glicina, y de los otros aminoácidos que tienen un grupo amino y uno carboxílico, es igual a la semisuma de los pK de ambos grupos.

Debes poder dibujar las formas moleculares a pH muy bajo, muy alto, igual a cada uno de los pK y al punto isoeléctrico del aminoácido. Es fácil si comprende lo que esta pasando.

3. Ahora consideremos un aminoácido con un grupo disociable extra en la cadena lateral o R. Por ejemplo uno que tenga un grupo carboxilo extra en la cadena lateral, como el ácido glutámico:

pK1= 2,19 pKR= 4,28 pK2= 9,66

El cual, para simplificar vamos a representar así, solo tomando en cuenta los grupos disociables:

Al agregar base (OH) a la solución, se irá disociando paulatinamente, comenzando por el grupo que tiene el pK mas bajo. Es decir el ácido más fuerte (aunque todavía débil), el que tiene menos afinidad por los protones que es la razón por la cual se comienza a disociar primero.

3.1 Dibuja la forma iónica en la cual se encuentra el ácido glutámico a pH 1:3.2 Dibuja las formas iónicas a un pH igual al pK1 y calcule la carga neta.3.3 Dibuja las formas iónicas a un pH igual al pKR y calcule la carga neta.3.4 Dibuja las formas iónicas a un pH igual al pK2 y calcule la carga neta.3.5 Identifique un intervalo de pH al cual el glutamato no tenga carga neta.3.6 Los dos pK más cercanos al punto en el cual el aminoácido no tiene carga son los que se tomarán en cuenta para calcular el pI. Calcúlelo.

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4. Ahora consideremos un aminoácido con un grupo amino extra en la cadena lateral: la arginina

pK1= 2,17pK2= 9,04pKR= 12,48

El cual vamos a representar así, tomando en cuenta solo los grupos disociables:

Al agregar una base (OH), se irá disociando paulatinamente, comenzando por el grupo que tiene el pK mas bajo. Es decir el ácido más fuerte (aunque todavía débil), el que tiene menos afinidad por los protones que es la razón por la cual se comienza

a disociar primero.4.1Dibuja la forma en la cual se encuentra la arginina a pH 1:4.2 Dibuja las formas a pH igual al pK1 y calcula la carga neta.4.3 Dibuja las formas a pH igual al pK2 y calcula la carga neta.4.4 Dibuja las formas a pH igual al pKR y calcula la carga neta.4.5 Identifique un intervalo de pH al cual la arginina no tenga carga neta.4.6 Los dos pK más cercanos al punto en el cual el aa no tiene carga son los que se tomarán en cuenta para calcular el pI. Calcúlalo.

El cálculo de la carga neta que tienen los aminoácidos a un determinado pH, permite predecir hacia cuál de los polos migrará si son colocados en un campo eléctrico. Igualmente permite predecir si serán retenidos o no en una resina de intercambio iónico.

VALORES DE pK ALGUNOS AMINOÁCIDOS

Aminoácido pK1 –COOH

pK2 -NH3

+ pKR

Acido aspártico 2,09 9,82 3,86Acido glutámico 2,19 9,67 4,25Alanina 2,34 9,69Arginina 2,17 9,04 12,48Glicina 2,34 9,6Histidina 1,87 9,17 6,0Leucina 2,36 9,60Lisina 2,17 9,04 12,48Serina 2,21 9,15

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5. Identifica las cadenas laterales de los aminoácidos que pueden interactuar con el agua (polares). Dibuja algunas de esas interacciones.6. Identifica las cadenas laterales de los aminoácidos que no pueden interactuar con el agua (no polares).

7. ¿Cuál o cuáles de las siguientes formas iónicas de la alanina no pueden existir?

8. En los siguientes dibujos hay 8 errores. Encuéntrelos:

9. Dibuja la curva de titulación aproximada de los aminoácidos ácido aspártico y

tirosina. Indique en la gráfica los puntos isoeléctricos.

10. Indica la carga neta (positiva, negativa o neutra) de los aminoácidos glicina, ácido aspártico, lisina e histidina a: pH=1; pH=2,1; pH=4; pH=10.

11. Indica los valores de pI para los aminoácidos Glicina, Alanina, Serina, Treonina y Acido Glutámico a partir de sus valores de pKa.

12.Se tiene una mezcla de los aminoácidos lisina e histidina:

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a. ¿Cómo podría separarlos mediante una cromatografía de intercambio iónico en una columna cargada con una resina intercambiadora de cationes?

13.Mediante una electroforesis sobre papel se ha separado una mezcla de serina, ácido aspártico y lisina. Una de dichas separaciones se realizó a pH 1 y la otra a pH 12. A continuación se muestran los resultados:

¿A qué pH se llevo a cabo cada electroforesis?

Representa la forma iónica predominante de los aminoácidos presente en cada electroforesis

Representa mediante un esquema el resultado de la electroforesis si ésta se hubiera realizado a pH 7.

14.El siguiente gráfico muestra la curva de titulación de un aminoácido:

a) Representa las formas iónicas predominantes en los puntos A, B, C y D.

b) ¿Cuál es el rango de pH en que el aminoácido presenta carga neta negativa y capacidad buffer?

c) ¿Cuál es la forma iónica común presente en los puntos B y C?. Explique

d) Calcula su pI.

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Investiga en líneaPágina donde se pueden ver las curvas de titulación de todos los aminoácidos:http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/markPka/markPkaApplet.htmlPágina en español con una excelente animación de la ionización de los aminoácidos:http://av.bmbq.uma.es/av_biomo/Mat2c.html

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