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Tema 12 Química de los aminoácidos y péptidos
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Tema 12
Química de los aminoácidos y péptidos
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-01 Caption: Structure of a general protein and its constituent amino acids. The amino acids are joined by amide linkages called peptide bonds.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-01 Caption: Structure of a general protein and its constituent amino acids. The amino acids are joined by amide linkages called peptide bonds.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-02 Caption: Almost all the naturally occuring amino acids have the (S) configuration, with stereochemistry resembling that of (L)-(-)-glyceraldehyde. They are therefore called L-amino acids.
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.
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-02-02T021 Caption: There are 20 a-amino acids, called the standard amino acids, that are found in nearly all proteins.
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)
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-02-05UN Caption: Although we commonly write amino acids with an intact carboxyl (-COOH) group and amino (-NH2) group, their actual structure is ionic and depends on the pH.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-02-02T021 Caption: There are 20 a-amino acids, called the standard amino acids, that are found in nearly all proteins.
Neutros: ~ 5-6
Ácidos: ~ 3
Básicos: ~ 7-11
Tabla 12-1 (continuación)
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-02-02T022 Caption: There are 20 a-amino acids, called the standard amino acids, that are found in nearly all proteins.
• 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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-04-09UN Caption: One of the best methods of amino acid synthesis is a combination of the Gabriel synthesis of amines with the malonic ester synthesis of carboxylic acids.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-04-13UN Caption: First the aldehyde reacts with ammonia to give an imine. The imine is a nitrogen analogue of a carbonyl group, and it is electrophilic when protonated. Attack of the cyanide ion on the protonated imine gives the a-amino nitrile.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-05 Caption: An acylase enzyme (such as hog kidney acylase or carboxypeptidase) deacylates only the natural L-amino acid.
• 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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-05-06UN Caption: Ninhydrin is a common reagent for visualizing spots or bands of amino acids that have been separated by chromatography or electrophoresis.
El enlace peptídico
• Es una amida. • Las amidas son muy estables y neutras.
Plano de la amida
Enlace peptídico
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-06 Caption: Resonance stabilization of an amide accounts for its enhanced stability, the diminished basicity of the nitrogen atom, and the restricted rotation (partial double bond character) of the C-N bond.
• 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]
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-08 Caption: Cystene, a dimer of cysteine, results when two cysteine residues undergo oxidation to form a disulfide bridge.
Oxitocina humana
* Hormona que induce el parto * Nonapéptido.
Puente disulfuro (cistina)
Terminación C (amida) Terminación N
Terminación N Terminación C
(amida)
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-09 Caption: Structure of human oxytocin. A disulfide linkage holds part of the molecule in a large ring.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-10 Caption: Structure of bovine insulin. Two chains are joined at two positions by disulfide bridges, and a third disulfide bond holds the A chain in a ring.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-11 Caption: Oxidation of a protein by peroxyformic acid cleaves all the disulfide linkages by oxidizing cystine to cysteic acid.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-12 Caption: In an amino acid analyzer, the hydrosylate passes through an ion-exchange column. The solution emerging from the column is treated with ninhydrin, and its absorbance is recorded as a function of time.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-01P24.23 Caption: The Sanger method for N-terminus determination is a less common alternative to the Edman degradation.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-02UN Caption: The C-terminal amino acid can be identified using the enzyme carboxypeptidase, which cleaves the C-terminal peptide bond.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-12UN Caption: In effect, the polymer serves as the alcohol part of an ester protecting group for the carboxyl end of the C-terminal amino acid.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-13UN Caption: At the completion of the synthesis, the ester bond to the polymer is cleaved by anhydrous HF.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-16UN Caption: When a mixture of an amine and an acid is treated with N,N'-dicylohexylcarbodiimide (DCC), the amine and the acid couple to form an amide.
Formación de un acil derivado activado
Activado
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-17UN Caption: The carboxylate ion adds to the strongly electrophilic carbon of the diimide, giving an activated acyl derivative of the acid.
Formación de la amida y pérdida de DCU
Amida
DCU
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-14-18UN Caption: The activated derivative reacts readily with the amine to give the amide. In the final step, DCU serves as an excellent leaving group.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-15 Caption: The a-helical arrangement. Each peptide carbonyl group is hydrogen-bonded to an N-H hydrogen on the next turn of the helix.
La lámina plegada
Los puentes de hidrógeno son intercadenas
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-16 Caption: The pleated sheet arrangement. Each peptide carbonyl group is hydrogen-bonded to an N-H hydrogen on an adjacent peptide chain.
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
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-17 Caption: The tertiary structure of a typical globular protein includes segments of a-helix with segments of random coil at the points where the helix is folded.
Estructura cuaternaria
Estructura primaria
Estructura secundaria
Estructura terciaria
Moderador
Notas de la presentación
Figure: 24-18 Caption: A schematic comparison of the levels of protein structure.
