Los aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades monoméricas fundamentales de las proteínas. Como su propio nombre indica, se caracterizan por poseer un grupo amino (–NH2) y un grupo carboxilo (–COOH) en la misma molécula:

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El carbono al que van unidos los grupos carboxilo y amino se llama carbono α. Las otras dos valencias de dicho carbono se saturan con un hidrógeno y con un grupo variable denominado radical, diferente en cada aminoácido.

Isomería de los aminoácidos

El carbono α es un carbono asimétrico, con dos posibilidades: isómeros L y D, según sea la posición del grupo amino (a la izquierda o a la derecha).

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Estas dos configuraciones espaciales se denominan estereoisómeros, ya que son imágenes especulares no superponibles (recuerda lo que vimos para los monosacáridos). Todos los aminoácidos proteicos son isómeros L. En el laboratorio son posibles las síntesis de aminoácidos en las que se obtienen mezclas racémicas, con cantidades iguales de ambos isómeros.

Debido a la presencia del carbono asimétrico, los aminoácidos también presentan actividad óptica, es decir, son capaces de desviar el plano de polarización de la luz hacia la derecha o hacia la izquierda. En el primer caso se los denomina dextrógiros (+) y en el segundo caso levógiros (–).  La actividad óptica es independiente de su configuración D o L.

Punto Isoeléctrico

El grupo amino tiene carácter básico y el grupo carboxilo es ácido, por lo que los aminoácidos son compuestos anfóteros, pudiendo ceder o captar protones del medio.

Del valor del pH depende la ionización de los grupos amino y carboxilo. A pH ácido el grupo amino se carga positivamente y a pH básico el grupo carboxílico se encuentra cargado negativamente. El valor del pH en el que el aminoácido se encuentra cargado tanto positiva como negativamente se denomina punto isoeléctrico (y su valor de pH es el pI), y las moléculas así cargadas se llaman zwitteriones.

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Clasificación de los aminoácidos

En la composición de las proteínas entran a formar parte 20 aminoácidos diferentes que se diferencian en la naturaleza de su cadena lateral.

Si poseen una cadena lateral apolar muestran un marcado carácter hidrofóbico, por lo que se situarán en la parte interior de las proteínas solubles, evitando el medio acuoso. Son los siguientes:

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Si por el contrario poseen una cadena lateral polar, pero sin carga, poseerán carácter hidrofílico e inetraccionarán con el medio acusoso favoreciendo la solubilidad de la proteína. Son éstos:

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Si la cadena lateral presenta carga, serán ácidos (cargados negativamente) o básicos (cargados positivamente):

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Además de los aminoácidos citados anteriormente se conocen cerca de l50 aminoácidos no proteicos, encontrados en las células de forma libre o combinada.

Aminoácidos esenciales

De los 20 aminoácidos proteicos citados anteriormente los seres autótrofos son capaces de sintetizarlos todos, pero los seres heterótrofos no y deben incorporar algunos a través de la dieta. Éstos son los que se conocen como aminoácidos esenciales y en el caso de los seres humanos son: fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina.

Actividad óptica de los monosacáridos

La existencia de carbonos asimétricos determina una importante propiedad de los monosacáridos en disolución: la actividad óptica. Ésta es la capacidad para desviar el plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución.

polarizacion-luz

Según la teoría ondulatoria, la luz es una onda electromagnética que se propaga gracias a la oscilación de un campo eléctrico asociado a un campo magnético. La luz del Sol o de una bombilla no está polarizada pues su vibración se produce en todas las direcciones del espacio. Sin embargo, si filtramos esta luz a través de un polarizador obtenemos un haz de luz polarizada, que se caracteriza por vibrar en una única dirección. Cuando un haz de luz polarizada atraviesa una disolución ópticamente activa se observa que se desvía un determinado ángulo, que denominamos rotación.

  • Cuando la rotación se produce en el sentido de las agujas del reloj, la molécula se denomina dextrógira y se designa como (+)
  • Cuando la rotación se produce en el sentido contrario al de las agujas del reloj, se denomina levógiros y se designa como (–)

No debemos cometer el error de identificar la actividad óptica dextrógira o levógira con su estereoisomería D o L, pues son independientes. Un monosacárido en su forma D puede ser dextrógiro (como la D-glucosa) o levógiro (como la D-fructosa).

Polarímetro

El instrumento empleado para la medir la actividad óptica de una disolución es el polarímetro:

polarimetro

Su fácil manejo permite su uso en la caracterización de compuestos ópticamente activos. Incluso permite identificar enantiómeros, pues se comprueba que de cada par de enantiómeros, uno es levógiro y otro es dextrógiro (la rotación es la misma en ambos, pero lo hacen en direcciones opuestas).

La isomería de los monosacáridos

Entre los compuestos orgánicos es muy frecuente la existencia de isómeros, es decir, moléculas con diferente estructura que se pueden representar por la misma fórmula molecular.

Los monosacáridos presentan con frecuencia esta característica y va a definir algunas propiedades particulares en cada uno de ellos. A grandes rasgos, podemos distinguir dos tipos de isomería: la isomería constitucional, en la que los átomos se enlazan de manera diferente, y la estereoisomería, según la cual las moléculas se diferencian sólo en la disposición espacial de sus átomos.

Isomería Constitucional

Dentro de este tipo, en los monosacáridos destaca la denominada isomería de función, según la cual aquellos que, presentando la misma fórmula molecular, se caracterizan por tener grupos funcionales distintos. Esto es debido a la posibilidad del grupo carbonilo de formar parte del monosacárido como aldehído o cetona. Así ocurre, por ejemplo, entre el gliceraldehído y la dihidroxiacetona:

Isomeria-funcion-monosacaridos

Estereoisomería

Este tipo de isómeros se diferencian en la orientación o disposición espacial de sus átomos.

Es conveniente recordar que aunque estemos acostumbrados a representar los enlaces de los átomos de carbono como ángulos rectos sobre el papel (proyecciones de Fischer), su geometría tridimensional es tetraédrica, y sus enlaces pueden rotar de tal manera que ofrecen multitud de posiciones alternativas. Esto permite la existencia de los diferentes estereoisómeros de los monosacáridos. ¿Pero cómo sabemos si dos moléculas son realmente isómeros? Pues imaginaremos que superponemos una sobre la otra: si coinciden es que hablamos de la misma molécula, sin embargo, si al superponerlas no coinciden, resulta que son dos moléculas distintas isómeras entre sí. Quizá cueste un poco imaginarse esta situación, pero echa un vistazo a las siguientes imágenes:

imagenes-especulares

Un espejo siempre nos proporciona una imagen invertida de la imagen real. En el caso de la silla, la imagen especular coincide con la imagen real, si superponemos una sobre otra todas sus partes coinciden (debido a su simetría). Sin embargo, la imagen especular de una mano siempre nos proporciona la imagen de la otra mano y éstas no son superponibles (debido a su asimetría).

Imaginemos que colocamos un espejo frente a una molécula. Si la molécula del espejo se puede superponer a la molécula original, será que ambas representan a la misma molécula:

isomeria-monosacaridos-superponibles

Pero si la imagen especular de una molécula nos proporciona otra molécula no superponible, esta será un estereoisómero de la primera:

isomeria-monosacaridos-enantiomeros

Este tipo de isomería se debe a la presencia de carbonos asimétricos en la molécula, es decir, carbonos unidos a cuatro sustituyentes o radicales distintos. Una consecuencia de la existencia de carbonos asimétricos en estas moléculas es que presentan actividad óptica.

Cuando dos isómeros son imagenes especulares no superponibles se les denomina enantiómeros, y en ellos las posiciones de todos los grupos hidroxilo (-OH) cambia. Pero también existen otro tipo de estereoisómeros que se diferencian en la posición de un solo grupo hidroxilo y se denominan diastereoisómeros o epímeros. Observa las diferencias entre unos y otros en las siguientes tetrosas:

enantiomeros-diastereoisomeros-tetrosas

Además, en el caso de los monosacáridos, la posición del grupo hidroxilo del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar dos formas de estereoisómeros: la forma D, cuando el -OH está a la derecha, y la forma L, cuando el -OH está a la izquierda.

monosacaridos-D-L

Esta distinción es relevante en Biología pues los monosacáridos más abundantes en la Naturaleza pertenecen a la serie D, y las enzimas son capaces de distinguir entre un estereoisómero y otro y, por tanto, seleccionarlos en su actividad biocatalizadora.

Existe otro tipo de isomería llamada anomería que surge de la ciclación de los monosacáridos en en disolución.