En este vídeo analizaremos la estructura de los aminoácidos desde el punto de vista de sus propiedades físico-químicas. Todos los aminoácidos contienen una estructura general que implica un grupo carboxilo, un grupo amino, un hidrógeno y una cadena R unido al mismo carbono alfa. Dada esta estructura general, todos los aminoácidos son capaces de interaccionar con agua.
Cada aminoácido tiene un grupo R que le confiere diferentes propiedades. Los grupos R pueden ser polares sin carga, polares con carga, apolares o tener un grupo aromático. Según el grupo R que tengan serán más o menos solubles en agua dependiendo si éste puede o no interaccionar con ella.
Desde el punto de vista de las propiedades ácido-base, los aminoácidos tienen un grupo carboxilo que es un ácido débil y que por lo tanto puede estar protonado o desprotonado dependiendo del pH. Al ser un ácido débil, su pKa es a pH bajos. Por otra parte, tenemos un grupo amino que es una base débil, que también estará protonada o desprotonada dependiendo del pH que se encuentre. Al ser una base débil, tendrá un pKa a pHs básicos. Varios aminoácidos tendrán en su grupo R un grupo carboxilo o amino. que también cumplen estas propiedades ácido-base.
Por lo tanto, si realizamos una curva de titulación de un aminoácido, al menos tendremos dos zonas de amortiguación, una correspondiente a la de protonación del ácido carboxílico y otra a la de grupo amino unidad del carbono alfa. Si presenta tres zonas de amortiguación, es porque tenemos o un grupo carboxilo o un grupo amino en el grupo R del aminoácido. Como ejemplo analizaremos la construcción de la curva de titulación de la glicina.
Observamos que los únicos grupos funcionales en este aminoácido que tiene propiedades ácido-base son el grupo carboxilo y el grupo amino unidos al carbono alfa. El grupo R no tiene grupos funcionales ionizables. Repasando brevemente, una curva de titulación es un gráfico de pH en función de equivalentes de hidroxilos. Experimentalmente significa tener en un matraz el aminoácido todo protonado carboxilo y amino e ir agregando equivalentes de OH al matraz. En esta condición estamos en el punto inicial de la curva de titulación.
Ahora bien, al agregar hidroxilos al matraz éste reacciona primero con el ácido carboxílico del aminoácido consumiendo el ácido y formando la misma cantidad del ácido consumido en su forma conjugada, en su base conjugada. Ahora bien, ¿por qué reacciona primero con el ácido carboxílico y no con el grupo amino? El orden de protonación de los grupos funcionales en un aminoácido es según el pKa de esos grupos. El grupo que tenga el menor valor de pKa se protonará antes.
En el ejemplo, el ácido carboxílico será el primero hasta que no se consuma toda la forma del ácido no se continúa con la siguiente deprotonación. Ahora bien, volviendo al matraz que teníamos con la glicina y que se le agregó una equis cantidad de OH, esa equis cantidad de hidroxilo reacciona con el ácido carboxílico consumiendo exactamente esa cantidad y formando el ácido carboxílico desprotonado. Luego que esto ocurra, en el matraz tendremos dos especies del aminoácido, una con el ácido carboxílico protonado y otra menor proporción desprotonado.
Si continuamos agregando hidroxilo, el ácido reaccionará con el OH y formará la base desprotonada del ácido. Si esa X cantidad de hidroxilo agregado coincide con la mitad de la concentración del aminoácido, tendremos exactamente la mitad del ácido carboxílico protonado y desprotonado. El pH coincide con el pKa del ácido carboxílico.
y estaremos en una zona de meseta, zona de amortiguación de pH. Si seguimos agregando hidroxilos, continúa reaccionando con el ácido carboxílico protonado y formando base conjugada desprotonada. Ahora en la solución del matraz, tendremos más del ácido carboxílico desprotonado que del ácido carboxílico protonado. Si se agrega suficiente cantidad de OE, hidroxilo como para que reaccione todos los protones del ácido carboxílico, no tendremos más ácido carboxílico en su forma protonada y tendremos únicamente la especie del aminoácido con el ácido carboxílico desprotonado. Es interesante observar la curva de titulación y ver que esta zona de la curva no es una zona de amortiguación. Frente a pequeños agregados de ácidos o bases, el pH cambia bruscamente.
Si continuamos agregando hidroxilo, consumido todo el ácido carboxílico, el grupo amino del aminoácido comienza a desprotonarse. En la solución del matraz tendremos mayor concentración de especies de aminoácidos con grupos aminos protonados, que desprotonados. Ahora bien, si se agrega nuevamente hidroxilo suficiente como para que reaccione la mitad de los grupos aminos protonados de la aminoácea en solución, tendremos la misma concentración de especies de aminoáceas con el grupo amino protonado y desprotonado. Y estaremos nuevamente en una zona de meseta, en donde el pH corresponde al segundo pKa, zona de amortiguación de pH. Si continuamos con el agregado de hidroxilos, tendremos más aminoácidos con el amino desprotonado que protonado.
Si se alcanza con el agregado de hidroxilo la desprotonación total del grupo amino, estamos en el punto final de la titulación del agresivo. Al igual que vimos en sistemas amortiguadores, los puntos señalados en el recuadro celeste están indicando zonas donde el cambio de pH se ve importante. amortiguado que corresponde a las zonas de pH más menos 1 unidad de los pKa.
Por fuera de esos rangos el pH cambia bruscamente. Lo que se observa es que a medida que sube el pH pasamos por diferentes especies de aminoácidos. Dependiendo de los estados de protonación y de protonación del mismo, la carga neta de los aminoácidos va cambiando. Si analizamos a la glicina, En un inicio la tenemos protonada en su totalidad.
El grupo amino aporta una carga positiva, haciendo que esa especie tenga carga neta más 1. La siguiente especie del aminoácido que se forma es el ácido carboxílico desprotonado. Esa especie tiene carga neta 0, pues se anulan la carga positiva del amino y la negativa del ácido carboxílico desprotonado. Al desprotonarse el grupo amino, se genera otra especie que tiene carga neta menos 1. Se le denomina suiterión a la especie del aminoácido que tiene carga neta igual a cero y podemos definir el punto isoeléctrico al valor de pH en el cual se encuentra todo el aminoácido como suiterión.
Para el caso de la glicina, el suiterión corresponde con la especie marcada en rojo. Para determinar el punto isoeléctrico, debemos observar entre qué valores de pKa se encuentra el suiterión. En el caso de la glicina será entre el pKa1 y el pKa2. Matemáticamente se determina como la suma de los pKa entre el cristal subiterión dividido por 2. Para el caso de la glicina el punto isoeléctrico es de 5,97.
Nuevamente es importante destacar que esta zona no corresponde con una zona de amortiguación. Si observamos la escala de pH representada, pH es por debajo del punto isoeléctrico. corresponde a la especie con carga positiva, mientras que pH por encima del punto isoeléctrico, la mayor proporción de las especies tienen carga negativa.
Ahora bien, si analizamos para el caso de un aminoácido que tenga un grupo funcional protonable en su grupo R, pongamos como ejemplo a la lisina. Nuevamente tendremos que analizar los pKa de los grupos ionizables y ordenarlos en orden creciente. Para el caso de la lisina, el pKa1 es el pKa más bajo.
indicando que el primer grupo en desprotonarse corresponde con el ácido carboxílico unido al carbono alfa. Posteriormente se desprotonará el grupo amino del carbono alfa, que es el que tiene el segundo pKa más bajo, y luego se desprotonará los protones del grupo amino que está en la cadena R. Analizando la curva de titulación de la lisina, en vez de dos zonas de amortiguación tendremos tres mesetas. Una correspondiente a la desprotonación del ácido carboxílico, en el entorno más menos 1 del pKa1, otra en el entorno del pKa2 del grupo amino unido de carbono alfa y una tercera en el entorno del pKaR del grupo amino en la cadena R. Si analizamos las diferentes especies del aminoácido que se forman a lo largo de la titulación y determinamos su carga neta, podemos determinar el suiterión, esa especie con carga neta.
igual a cero. Para determinar específicamente el punto isoeléctrico debemos observar entre qué pKa es que se encuentra la especie suiterión. En este caso es entre el pKa2 y el pKaR, siendo el punto isoeléctrico igual 9,74 para la leucina.
Siempre pH por debajo del punto isoeléctrico implica en especies de aminoácido con carga positiva mayoritariamente. Mientras que pH superiores al punto isoeléctrico tendremos mayoritariamente especies con carga negativa. Se indica en la curva de titulación el punto isoeléctrico del aminoácido en rojo.
Ahora bien, ¿de qué nos sirve conocer el punto isoeléctrico de un aminoácido? Si por ejemplo contamos con una mezcla de aminoácidos y quisiéramos identificarlos, se puede realizar una electroforesis. que es simplemente una técnica de laboratorio en donde hay una matriz, un soporte que puede ser un gel o un papel, en donde se colocan las muestras en el origen. Y se le aplica un campo eléctrico, teniendo un polo positivo y otro polo negativo.
La correa electroforestica se la hace a un pH fijado con un buffer, en este caso pH 7.4. Si en la muestra problema tengo una mezcla de lisina y glicina, analizando qué cargas tendrán a pHs, 7,4 podremos saber a qué polo se dirigirá cada una. Para eso se puede armar una escala de pH, indicando el punto isoeléctrico determinado para cada aminoácido y señalar con qué carga estará cada uno a pH 7,4.
Como se observa en la escala, para el caso de la glicina, la misma estará cargada negativamente, mientras que para el caso de la glicina estará cargada positivamente. Por lo tanto, cada aminoácido irá a polos opuestos. De esta forma, sabiendo y conociendo los puntos isoeléctricos de los aminoácidos, se podrá separar o conocer una mezcla de aminoácidos. Este vídeo fue realizado con el fin de complementar el material de lectura.
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