proteínas

Química de los Alimentos Ing. Iván M. Romero A.

PROTEINAS

Las proteínas son macromoléculas orgánicas, biopolímeros de aminoácidos que cumplen diversas funciones en los seres vivientes y en los alimentos, forman parte de los macronutrientes juntamente con los carbohidratos y los lípidos, el término “proteína” deriva del griego proteios, que significa primero.

Las proteínas son las moléculas mas abundantes en los animales, en los cuales cumplen diversas funciones, por ejemplo forman parte estructural de los tejidos, actúan como organismos de defensa en los anticuerpos, son catalizadores biológicos (enzimas), son constituyentes de la sangre, etc.

Los alimentos ricos en proteínas (huevo, leche carne) son costosos, caros y escasos especialmente en los países pobres y subdesarrollados donde la población no tiene fácil acceso a estos productos por el elevado costo en el nivel de vida y acentuado por el elevado índice de crecimiento de la población, por lo que se hace indispensable conocer las proteínas, sus propiedades, materias primas, procesamiento, etc. y los alimentos ricos en estos nutrientes para poder satisfacer las necesidades de la población, en especial los aspectos de producción, manejo, transformación, almacenamiento y transporte.

Las propiedades particulares de cada proteína depende principalmente de la clase y frecuencia de los aminoácidos que la constituyen.

Aminoácidos

Los aminoácidos son compuestos orgánicos que tienen en su molécula un grupo carboxilo y un grupo amino, de todos las posibles formas de aminoácidos, solamente 20 clases diferentes se han encontrado como constituyentes mas frecuentes de las proteínas, con alguna excepciones; con características particular adicionales, estos aminoácidos son -aminoácidos, es decir el grupo amino se halla localizado en el carbono de la cadena carbonada y además tienen configuración L..

ClasificaciónHay varias formas de clasificar a los aminoácidos, los principales criterios son:

1. En base a la estructura y naturaleza del grupo R. a. Aminoácidos con cadena lateral alifática: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina. b. Aminoácidos con cadena lateral aromática: fenilalanina, triptófano, tirosina c. Aminoácidos con cadena lateral hidroxilada: Serina, treonina, 4-hidroxiprolina d. Aminoácidos con cadena lateral que contiene azufre: Cisteina, metionina e. Aminoácidos con cadena lateral que contiene grupo carboxilo: Acido Glutámico, Acido aspártico. f. Aminoácidos con cadena lateral que contiene Nitrógeno básico: Arginina, Histidina, Lisina. g. Aminoácidos con cadena lateral iminico y amídico: Prolina, Glutamina, Asparragina.

2. En base a la polaridad del grupo R. a. Apolares: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptófano, metionina. b. Polares sin carga: Serina, treonina, cisteina, tirosina, asparragina, glutamina. c. Polares con carga: Acido aspártico, ácido glutámico, histidina, lisina, arginina

UAGRM Tecnología e Ingeniería de Alimentos TCA-204 IAL-204

1


3. En base a las propiedades Acido – Base del grupo R: a. Acidos: Acido glutámico, acido aspártico b. Básicos: histidina, Arginina, lisina c. Neutros: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptófano, Prolina

4. En base a las necesidad nutricional humana a. Esenciales: Son aminoácidos que el cuerpo humano no puede sintetizarlos a partir de otros nutrientes: Valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptófano, metionina, treonina, histidina, lisina, arginina. b. No esenciales: Son aminoácidos que el cuerpo humano puede sintetizarlos a partir de otros nutrientes: Glicina, alanina, prolina, serina, cisteina, tirosina, glutamina, ácido aspártico, asparragina, ácido glutámico.

Aminoácidos poco comunes y con modificaciones en la cadena R

Además de los aminoácidos comunes se hallan en las proteínas frecuentemente aminoácidos poco usuales o con algunas modificaciones, los mas frecuentes son:

La 5-Hidroxilisina y la 4-Hidroxiprolina que se hallan en el colágeno El ácido D-glutámico se halla en las paredes celulares de algunas bacterias La D-Serina se halla en lombrices de tierra El ácido -amino butírico es uno de los neurotransmisores cerebrales La -alanina forma parte de la vitamina conocida como ácido pantoténico La T4 o tetrayodotironina es un derivado de la tirosina que se halla en la glandula tiroides

Configuración y actividad óptica

Los aminoácidos naturales, constituyentes de las proteínas son -aminoácidos y tienen por lo menos un átomo de carbono quiral, los aminoácidos naturales tienen configuración L (a excepción de la glicina que no tiene átomo quiral y algunos aminoácidos raros que tienen configuración D), y son ópticamente activos, la rotación específica de las soluciones acuosas de los aminoácidos depende fuertemente del pH, en general es mínima en la zona neutra y aumenta por adición de ácido o de base.


2


La isoleucina, treonina y la 5-hidroxilisina tienen dos átomos quirales y presentan cuatro isómeros.

Propiedades ácido – base - punto isoeléctrico

los aminoácidos son compuestos anfóteros, ya que pueden actuar como ácidos o como bases, aunque muchas veces se suelen escribir sus fórmulas como moléculas neutras, su estructura real es iónica donde el grupo carboxilo está desprotonado con carga negativa (grupo carboxilato) es la parte básica de la molécula y el grupo amino protonado (grupo amonio) es la parte ácida, esta estructura de doble ión o ión dipolar se conoce como Zwitterion (del alemán doble ión).

1. Esta estructura de doble ión, es confirmada por las siguientes características particulares que presentan los aminoácidos:

2. Presentan puntos de fusión elevados (mayores a 200°C), por ejemplo para la alanina su punto de fusión es de 262°C.

3. Los aminoácidos tiene momentos dipolares elevados en comparación con los ácidos o aminas simples, y son mas solubles en agua que en solventes orgánicos moderadamente polares como diclorometano o eter dietílico (glicina =14 D; propilamina = 1,4 D; ácido propiónico = 1,7 D).


3


4. Los aminoácidos son menos ácidos que la mayoría de los ácidos carboxílicos (son ácidos débiles, el ión amonio es un ácido débil); y menos básicos que la mayoría de la aminas (el grupo carboxilato es una base débil) los ácidos carboxílicos presentan un pka 5, la aminas pkb 4; los aminoácidos pka 10, pkb 12.

Como los aminoácidos se comportan tanto como ácidos o como bases, en medio ácido presentan una carga neta positiva y en medio básico presentan una carga neta negativa, la forma predominante del aminoácido depende del pH de la solución, por ejemplo la alanina se halla en su forma aniónica Ala - a pH mayores que 9,6; (pka1 = 9,6) y en su forma catiónica a pH menores que 2,3 (pka2 = 2,3) Ala+ .

El valor de pH en el caul el aminoácido se halla con sus cargas positivas y negativas balanceadas, es decir iguales, con carga neta igual a cero, se denomina pH isoeléctrico o punto isoeléctrico, es decir:

A pH > PI los aminoácidos se hallan mayormente con carga negativa, A pH < PI los aminoácidos se hallan mayormente con carga positiva A pH = PI los aminoácido se hallan con carga positiva igual a la carga negativa, pero siempre tienen carga eléctrica.

Los valores de los puntos isoeléctricos depende de la estructura de la cadena R del aminoácido.

Los aminoácidos ácidos Acido aspártico (PI=2,8) y ácido glutámico (PI=3,2) con grupos carboxilos en sus cadenas laterales R, tiene pI ácido, por que es necesario una solución ácida para evitar la desprotonación del segundo grupo carboxilo y mantener el aminoácido como ión dipolar y eléctricamente neutro.

Los aminoácidos básicos, Lisina (PI=9,7), Arginina (PI=10,8); Histidina (PI=7,6) tienen puntos isoeléctricos a pH básicos y reflejan la basicidad de las cadenas laterales R, el grupo imidazol de la histidina es débilmente básico, la basicidad intermedia del grupo amino de la lisina y la basicidad fuerte del grupo guanidinio de la arginina. En cada caso se necesita una solución básica para evitar la protonación de los nitrógenos de las cadenas laterales R y mantener el aminoácido en su punto isoeléctrico.

Los demás aminoácidos son neutros o ligeramente ácidos o ligeramente básicos, sus puntos isoeléctricos son ligeramente ácidos entre 5 y 6, por que la acidez del grupo –NH3

+ es un poco mayor que la basicidad del grupo –COO-.

Los aminoácidos en medio ácido se hallan totalmente protonados (COOH / NH3+) esto es un ácido de

Bronsted diprótico por lo tanto son posibles dos ionizaciones las que se describen por sus valores de pka; para la mayoría de los aminoácidos el pka1 del grupo carboxilo COOH tiene un valor aproximado de 2, mientras que el pka2 del grupo amino NH3

+ tiene un valor de 9 a 10, esto se aprecia mejor en las curvas de titulación.

Las constantes de ionización de los grupos ionizables, grupos carboxilos pka1, grupos amino pka2, y de otros grupo de las cadenas laterales R pka3, se indican en la tabla, por ejemplo el pka del grupo carboxilo de la glicina es 2,34, a pH menores que 2,34 el grupo carboxilo de la glicina está protonado –COOH, y a pH mayores se halla como –COO-. El pka del grupo amino de la glicina es de 9,78 lo que indica que a pH menores que 9,78 el grupo amino se halla protonado como –NH 3

+ y a pH mayores se halla como grupo amino libre -NH2.


4



5



6


El valor del pI de cualquier aminoácido neutro se puede obtener calculando el promedio de los valores de pka1 y pka2, de los aminoácidos ácidos calculando el promedio de pka2 y pka3 o sea de los pka(carboxilo) y pka(grupo polar de la cadena R) y de los aminoácidos básicos calculando el promedio de pka2 y pka3 o sea de los pka(amonio) y pka(grupo polar de la cadena R).

El valor de pH para el cual solo existen como iones dipolares o sea en el punto isoelétrico se alcanza cuando las cargas netas positivas y negativas son iguales, es decir Aa+ = Aa -.

Como pka = -log ka, entonces el pH isoeléctrico o sea el pI será:

Por ejemplo:


7


Curva de titulación de un aminoácido

Propiedades Físicas

Los aminoácidos son sólidos cristalinos incoloros, funden a elevadas temperaturas con descomposición, algunos subliman.

Algunos aminoácidos son solubles en agua como la prolina (162g /100g H2O, 25°C), la glicina (25g /100g H2O, 25°C) y alanina (16g /100g H2O, 25°C), los demás aminoacidos son poco solubles, la cistina y tirosina son muy poco solubles, la solubilidad aumenta con la adición de ácido o álcalis, en general los aminoácidos son poco solubles en solventes orgánicos por el carácter polar, en éter son insolubles todos los aminoácidos, en etanol son solubles la prolina y la cisteína, la isoleucina es relativamente soluble en alcohol caliente.

Propiedades sensoriales y nutricionales

Los aminoácidos tienen sabor dulce o amargo y algunos son insípidos, el sabor dulce es principalmente de los aminoácidos de la serie D y de sabor amargo los de la serie L, la intensidad gustativa depende de la hidrofobicidad de las cadenas laterales.

El ácido glutámico en soluciones concentradas tiene sabor a carne, por lo que la sal sódica del ácido glutámico (glutamato monosódico) se utiliza como realzante del sabor a carne. La metionina tiene sabor a azufre.

El cuerpo humano tiene la capacidad de sintetizar aproximadamente la mitad de los aminoácidos que necesita para fabricar sus proteínas y estructurar sus tejidos, por lo que debe consumir obligatoriamente en la dieta los diez aminoácidos esenciales, las proteínas que aportan los 10 aminoácidos esenciales para la nutrición humana se llaman proteínas completas (carne, leche, pescado, huevos), los adulto requiere aproximadamente de 50g/día de proteína completa.


8


Las proteínas que les falta uno o mas aminoácidos esenciales se denomina proteína incompleta, por lo general las proteínas proveniente de vegetales son incompletas, el valor biológico o nutricional de una proteína (g de proteína asimilada/100 g de proteína consumida), viene determinado por el contenido absoluto de aminoácidos esenciales y por la relación ponderal de los aminoácidos esenciales entre sí y con los aminoácidos no esenciales, en general el valor biológico viene limitado por:

Deficiencia en lisina: proteínas de cereales (maíz, arroz) y otras proteínas vegetalesDeficiencia en metionina: Leche de vaca, proteínas de la carne, proteínas de la soya.Deficiencia en Treonina: Proteínas del trigo, arroz y centenoDeficiencia en Triptófano: Caseína del queso, proteínas del maíz y arroz.

Los vegetarianos pueden lograr un suministro adecuado de aminoácidos esenciales consumiendo gran cantidad y diversidad de productos vegetales, una alternativa mas eficiente es completar la dieta vegetariana con una fuente rica en proteínas completas con aminoácidos esenciales como la leche o huevos.

Recientemente se está investigando otras fuentes alternativas de proteínas con alto contenido de aminoácidos esenciales, como la producción biotecnológica de ciertas variedades de levadura (ej. Torula), o proteínas de cierta variedad de lombrices de tierra son ricas en lisina.

Teniendo en cuenta que muchas partes del mundo, se carece de proteínas en cantidad y calidad (especialmente en regiones en las que la base alimenticia es de cereales y tubérculos), se hace de mucha importancia mejorarlas con aminoácidos esenciales, por ejemplo en Japón, Tailandia y Tunicia se fortifica el arroz con L-Lisina y L-treonina; en el Japón se fortifica el pan con L-Lisina y la proteína de soja y maní con metionina.


9


Obtención y síntesis de aminoácidos

La producción de aminoácidos en laboratorio o en la industria se realiza para utilizarlos como aditivos en la fortificación de alimentos deficientes en aminoácidos esenciales, se utilizan aminoácidos y péptidos como aditivos principalmente como saborizantes y para producción de fármacos con fines terapéuticos, en laboratorios analíticos de control de calidad como patrones estándares y como materia prima para síntesis de otras sustancias derivadas.

Los L-aminoácidos naturales se obtienen por hidrólisis de proteínas y separación de la mezcla resultante, pero a veces es mas económico sintetizar el aminoácido puro y separar de la mezcla racémica uno de los enantiómeros.

En general se pueden distinguir las siguientes formas de obtención de aminoácidos:

Aislamiento a partir de hidrolizados de proteínas Mediante procesos biotecnológicos fermentativos con microorganismos Síntesis a partir de precursores con uso de enzimas La síntesis química,

La fuente directa inmediata de obtención de aminoácidos es las proteínas, de la cual se pueden obtener aminoácidos por hidrólisis ácida o por hidrólisis enzimática con proteasas, un ejemplo específico es la producción de cisteína por hidrólisis de plumas de aves, la glicina y prolina a partir de hidrolizados del colágeno.

Actualmente se obtienen grandes cantidades de aminoácidos y otros metabolitos mediante procesos biotecnológicos, por ejemplo se obtiene L-lisisna mediante un proceso de fermentación con Brevibacterium Flavum, Brevibacterium lactofermentum y micrococcus glutamicus usando como sustrato acetato de amonio y otros; El ácido L-glutámico se obtiene por fermentación con Brevibacterium foavum, Brevibacterium roseum y con Brevibacterium saccharolyticum, otros aminoacidos que se obtienen industrialmente por procesos biotecnológicos son el triptófano y la treonina.

La síntesis a partir de precursores es también muy utilizada en la producción comercial, por ejemplo el ácido L-aspártico se obtiene a partir de ácido fumárico y con ayuda de la enzima aspartasa en hidróxido de amonio con un rendimiento del 90%, el L-triptófano se obtiene a partir del indol y serina con ayuda de la enzima triptofanosintetasa.

La síntesis química es la forma mas directa de obtener aminoácidos en laboratorio, se obtiene como mezcla racémica que se pueden separar en sus isómeros tratando los derivados N-acetilados con acilasa, los principales métodos generales para la obtención de aminoácidos son:

1. Aminación reductiva

Tratando un -cetoacido con amoniaco se forma una imina, esta imina se puede reducir a amina por hidrogenación catalítica con catalizador de paladio, la síntesis se logra en un solo paso tratando el -cetoacido con amoniaco e hidrógeno en presencia de un catalizador de paladio y se obtiene una mezcla racémica del -aminoácido, por ejemplo para la síntesis de fenilalanina:


10


2. Aminación de un -haloácido

Tratando un ácido carboxílico con bromo en tribromuro de fósforo se obtiene un -bromoacilo, que al hacer reaccionar este con agua se hidroliza dando un -bromoácido (reacción de Hell Volhard-Zelinsky HVZ). Al reaccionar este -bromoácido con amoniaco en exceso se convierte por aminación directa en -aminoácido.3. Síntesis de Strecker

Haciendo reaccionar un aldehído adecuado con amoniaco acuoso y cianuro de hidrógeno, se obtiene un -aminonitrilo y por hidrólisis ácida de este se obtiene un -aminoácido racémico. La reacción se inicia cuando el aldehído reacciona con el amoniaco dando una imina electrofílica que se protona con el H del cianuro de hidrógeno, que luego es atacada por el ión cianuro dando el -aminonitrilo.

4. Síntesis con ester malónico (síntesis de Gabriel)

La síntesis de Gabriel es uno de los mejores métodos de síntesis de aminoácidos con buenos rendimientos, que se realiza en varios pasos, por ejemplo para la síntesis de la metionina:

1. Se obtiene un -halo esterdietilmalónico por reacción del éster dietilmalónico con bromo en tribromuro de fósforo.


11


2. Haciendo reaccionar el -halo esterdietilmalónico con ftalimida de potasio se obtiene el éster N-ftalimidodietilmalónico.

3. El ester N-ftalimidodietilmalónico se alquila haciendo reaccionar con una base como el etóxido de sodio dando la sal sódica del éster N-ftalimidodietilmalónico y etanol (el hidrógeno es ácido), luego haciendo reaccionar con un halogenuro de alquilo adecuado.

4. Por hidrólisis a 140°C del ester -alquil-N-ftalimidodietilmalónico se hidroliza el grupo ftalimido y a la vez se descompone un grupo ester, dando un -aminoácido racémico.

Principales reacciones de los aminoácidos

Los aminoácido participan de las reacciones típicas de las aminas y de los ácidos carboxílicos, las reacciones específicas de los -aminoácidos y las reacciones particulares en las que pueden participar los grupos funcionales de las cadenas R de cada aminoácido.

1. Esterificación del grupo carboxilo


12


Los aminoácidos se esterifican cuando se los hace reaccionar con alcohol en medio ácido (HCl gaseoso), en estas condiciones el grupo amino está en su forma protonada (-NH3

+) y no interfiere con a esterificación, Los ésteres de aminoácidos libres son muy reactivos, tienden a la formación de dipéptidos cíclicos o bien polipéptidos lineales, por lo que frecuentemente se empelan éstres de aminoácidos como derivados protegidos para evitar reacciones secundarias indeseables del grupo acrboxilo, los ésteres metílicos, etílicos y bencílicos son los mas comunes , se libera el aminoácido libre mediante hidrólisis acida acuosa.

2. Acilación del grupo amino

El grupo amino de un aminoácido se convierte en amida cuando se trata con un agente acilante adecuado como los cloruros de acilo y anhídridos de ácido, de igual modo que la esterificación, la acilación del grupo amino se realiza para proteger al grupo amino de ataques nucleofílicos, el cloroformiato de bencilo acila al grupo amino para dar un derivado benciloxicarbonílico que se emplea en la síntesis de péptidos.

Los aminoácido N-acetilados se utilizan como suplemento en las proteínas vegetales para elevar su valor nutricional especialmente en alimentos que deben ser procesado térmicamente, ya que los aminoácidos son muy reactivos y pueden degradarse o formar productos con aromas indeseables, además el cuerpo humano utiliza por ejemplo la N-acetilmetionina

Los N-acilderivados de los aminoácidos se transforman en oxazolinonas (azalactonas) con eliminación de agua, estos productos son muy reactivos y se utilizan en la síntesis de otros aminoácidos.


13


Es de importancia la acilación con el cloruro de 5-dimetilaminonaftalen-1-sulfónico (cloruro de dánsilo) estos derivados son muy estables y se utilizan para determinación de aminoácidos N-terminales.

3. N-Alquilación

Se obtienen N-metilaminoácidos por reacción de N-tosialminoácidos con yoduro de metilo donde adiciona un grupo metilo en el nitrógeno luego se destosila con HBr.

La reacción directa de los aminoácidos con un reactivo metilante como yoduro de metilo o sulfato de dimetilo conduce a la obtención derivados N-trimetilados denominados betaínas, estos comnpuestos existen en forma natural en tejidos animales y vegetales.

4. Carbamoilación

Los aminoácidos reaccionan con los isocianatos para dar carbamoilderivados que calentados en medio ácido se ciclan dando 2,5-dioxoimidazolidinas (Hidantoinas).

Mediante una reacción semejante con fenilisotiocianato es posible conseguir una degradación gradual de los péptidos (degradación de Edman) que se utiliza mucho en el análisis secuencial de los residuos de péptidos y proteínas.


14


5. Reacción con la Nihidrina

La reacción de los aminoácidos con la nihidrina se emplea mucho en el análisis cualitativo y cuantitativo, especialmente para visualizar las manchas o bandas en la separación electroforética, cuando la nihidrina reacciona con cualq2uier aminoácido, péptido o proteína desarrolla un color azul intenso debido a la formación de un anión estabilizado por resonancia llamado púrpura de Ruhemann, la cadena R del aminoácido forma un aldehído.

6. Reacción entre aminoácidos - Formación de enlace peptídico

El grupo carboxilo de un aminoácido puede reaccionar con el grupo amino de otro aminoácido dando lugar a la formación de una amida llamado dipéptido, el enlace amida formado es muy estable llamado enlace peptídico, el enlace peptídico está estabilizado por resonancia y tiene caracter parcial de doble enlace y solo permite una rotación restringida por lo que se presenta como isómero trans que es el mas

estable, los seis átomos que conforman el enlace peptídico (C, O, H, N, R1 y R2) son coplanares, de ordenación rígida, estabilizado por resonancia y tautomería.

Los péptidos son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, cada unidad de aminoácido se llama residuo, así un dipéptido está formado por dos residuoas, un tripéptido por tres, etc. Los oligopéptidos son péptidos que tienen de 4 a 10 residuos de aminoácidos, un polipéptido es un péptido que tiene muchos residuos, las proteinas son polipéptidos gigantes con miles de residuoscuyos pesos moleculares llegan hasta 40 millones.

Los péptidos tienen un extremo N-terminal con el grupo amino libre (H3N+) y el otro extremo C-terminal con el grupo carboxilato libre (COO-), normalmente el extremo N-terminal se escribe a la derecha y el extremo C-terminal a la izquierda, los péptidos se nombra empezando por el extremo


15


N-terminal con la terminación il a cada residuo excepto el extremo C-terminal, por ejemplo la bradicidina es una hormona humana y es un nonapéptido cuyo nombre y estructura es:

Arginil prolil prolil glicil fenilalanil seril prolil fenilalanil arginina

Bradicidina humana: Arg-Pro-Pro-Gli-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

Formación de puentes disulfuro

Los enlaces peptídicos forman la columna vertebral de las proteínas, sin embargo es frecuente otro enlace covalente que confiere forma específica y estabilidad a la cadena polipeptídica, es el enlace de puente disulfuro que se verifica entre dos residuos de cisteína dando lugar a una estructura cíclica intracatenaria o extracatenaria enlazando a dos moléculas de proteínas o péptidos, la oxidación moderada de los grupos sulfhidrilos de dos moléculas de cisteína da lugar a la formación del puente disulfuro, esta reacción es reversible, la reducción moderada rompe el enlace disulfuro.

El dímero formado por dos moléculas de cisteína enlazado por puentes disulfuro se llama Cistina (no es un dipéptido, no está unido por enlace peptídico)

La oxitocina bovina es una hormona peptídica que regula la producción de leche en las vacas, estructuralmente es un nonapéprido con dos residuos de cisteína en las posiciones 1 y 6 que unen parte de la molécula en un gran anillo y el extremo C-terminal de glicina está en forma de amida.

La insulina bovina es una hormona peptídica mas compleja que regula el metabolismo de la glucosa, la insulina se compone de dos cadenas polipeptídicas, la cadena A tiene 21 residuos de aminoácidos, con cisteínas en posiciones 6, 7, 11 y 20, la cisteinas de posición 6 y 11 forman un anillo interno por puentes disulfuro, la cadena B tiene 30 residuos de aminoácidos con cisteína en las posición 7 y 19 que forman enlace de puente disulfuro con las cisteínas de posición 7 y 19 de la cadena A.


16


Oxitocina bovina

Péptidos

Hay muchos péptidos naturales en las tejidos animales y vegetales, muchos de ellos tienen acciones biológicas específicas como hormonas peptídicas, antibióticos, toxinas, transmisores de señal química, etc. Aquí señalamos los mas importantes en la química de los alimentos, además de los ya citados:

Péptidos naturales: Glutatión

El glutatión, -L-glutamil L-cicteinil glicina se halla en tejidos animales, vegetales y microorganismos, este péptido es coenzima de la enzima Glioxalasa, participa en el transporte activo de loa aminoácidos, interviene en muchas reacciones redox, modifica mediante transformaciones tiol-disulfuro de las proteínas del gluten, las propiedades reológicas de la masa del pan, en condiciones elevadas de glutatión reducido en la harina condiciona la adherencia y pegajosidad de la masa por reducción de los puentes disulfuro.


17


Oxidación – Reducción del glutatión

Aproximadamente el 90% de los compuestos no proteicos que contienen –SH en los tejidos de los animales está formado por glutatión, por lo que se considera como almacenamiento de cisteína que puede actuar como agente reductor al interconvertirse de la forma reducida G-SH a la forma oxidada G-S-S-G in vivo, estas reacciones están relacionadas con dos funciones: la función protectora y la función reguladora o regeneradora. Cumple su función protectora cuando reacciona con agentes extraños oxidantes tóxicos para los tejidos como el radical aniónico superóxido O2

-, el peróxido de Hidrógeno H2O2, el radical OH- regulando el pH del medio, etc.

La función regeneradora se verifica al reponer los enlaces de puente disulfuro de algunas enzimas y proteínas que durante su reaccón se oxidan formando puentes disulfuro, entonces interviene la glutationa a través de la enzima transhidrogenasa de la glutationa para reducir los puentes disulfuro de la proteínas oxidadas a la forma reducida SH.

Carnosina, Anserina, Balenina

Son un grupo de péptidos de estructura similar formados por -alanina y L-histidina sustituida, existen en forma natural en el músculo de los vertebrados, en la carne de vaca predomina la carnosina, en la carne de gallina la anserina y la balenina es característico de la carne de ballena, estos péptidos participan en la excitabilidad y contractibilidad del músculo.

Función Hormonal de péptidos: Oxcitosina, vasopresina, angiotensina, somatostatinas

Las hormonas son moléculas que regulan los procesos bioquímicos, muchas de ellas tienen estructuras proteica, estas sustancias son secretadas por células muy especializadas y transportadas por otro tipo de células, cumpliendo funciones muy especializadas por ejemplo:

La Oxitocina es una hormona peptídica que estimula la contracción del músculo uterino de las hembras preñadas, también regula la producción de leche de las glándulas mamarias de las hembras que están en periodo de lactancia.


18


La Vasopresina es otra hormona peptídica que tiene efectos antidiuréticos al estimular la reabsorción de agua en el riñón, también provoca la contracción del músculo liso sobre todo de los vasos sanguíneos contribuyendo al control de la presión arterial.

Comparando las estructuras de estas dos hormonas peptídicas se puede observar que tiene muy similares estructuras a excepción de los residuos 3 y 8 que le dan características y propiedades muy especiales

La Angiotensina II es otra hormona peptídica que participa en la regulación de la presión arterial estimulando la contricción de los vasos sanguíneos, la producción de este péptido tiene como fuente otro péptido llamado angiotensina I, que se produce en el hígado y es secretado en el torrente sanguineo, cuando es necesario elevar la presión arterial una enzima hidroliza la angiotensina I y libera la angiotensina II, que además estimula al hipotálamo para mayor producción de vasopresina.

La somatostatina es otra hormona peptídica que inhibe la producción de otra hormona, la HGH (Human Growth Hormone) u hormona del crecimiento humano que se produce en la hipófisis, también regula la producción de otras hormonas como la insulina y el glucagón.

Péptidos neurotransmisore: encefalina, endorfinas, Los neurotransmisores son sustancias que regulan la transmisión de impulsos mediante las células nerviosas (neuronas), uno de los neurotransmisores mas estudiados es la acetilcolina (ver fosfolípidos), otros neurotransmisores de naturales peptídica son las encefalinas y endorfinas, descubiertos en 1975, presentan funciones similares a la morfina por lo que se los conoce también como péptidos opiaceos.


19


Antibióticos peptídicos, Bacitracina, gramicidina, Muchos de los antibióticos naturales tienen naturaleza peptídica como la gramicidina y la bacitracina, la penicilina tiene una porción peptídica, en estos péptidos aparece el aminoácido D-ornitina, el ácido D-aspártico y la D-fenilalanina.

3.3.3. Propiedades sensoriales y nutricionales de los péptidos Péptidos edulcorantes, aspartame El aspartame es un dipéptido que no se halla en la naturaleza, pero se fabrica industrialmente debido a su importancia comercial como edulcorante cuyo poder edulcorante es 200 veces mayor que la sacarosa.

Síntesis de péptidos en fase sólida

En 1962 Bruce Merrifeld de la Universidad de Rockefeller desarrolló un método para la síntesis de péptidos en fase sólida sin tener que purificar los productos intermedios, esto se logró fijando las cadenas crecientes de péptidos a perlas sólidas de poliestireno, después de agregar cada aminoácido se lava el exceso de los reactivos enjuagando las perlas con disolvente, este método ingenioso se presta para la automatización, con lo que Merrifeld construyó una máquina para sintetizar péptidos sin necesidad de supervisión, con esta máquina Merrifeld sintetizó la ribonucleasa (124 péptidos) en solo seis semanas con un rendimiento del 17%. por lo que recibió el premio Nobel en 1984.

La síntesis de péptidos en fase sólida implica tres pasos importantes:

Paso I Protección del aminoácido con t-BOC (t- butiloxicarbonilo), El cloruro de ácido del grupo BOC es inestable para inducir a una acilación, por lo que se emplea su anhídrido, el dicarbonato de diterbutilo, que reacciona con el aminoácido formando un aducto Boc-aminoácido


20


El Boc-aminoácido se hidroliza con facilidad al tratarlo brevemente con ácido trifluoroacético anhidro CH3-COOH, que seguido de un calentamiento para descarboxilación se produce isobutileno, el aminoácido libre y CO2.

Paso II. Fijación del péptido al soporte sólido, El siguiente paso es fijar el aminoácido C-terminal al soporte sólido. El soporte sólido es una perla de poliestireno especial en la que los anillos aromáticos tienen grupos p-clorometilo, este polímero que se llama resina de Merrifeld en honor a su inventor, este polímero se fabrica copolimerizando estireno con bajos porcentajes de p-clorometilestireno.

El grupo carboxilato del aminoácido protegido en N, desplaza al cloruro del polímero formando un éster del aminoácido.

Paso III, construcción del péptido, adición de aminoácidos, Una vez el aminoácido protegido en N, se ha fijado al soporte polimérico, la cadena se construye en dirección del grupo amino (de adelante hacia atrás), Para la formación del enlace peptídico se emplea N,N’-diciclohexilcarbodiimida (DCC) acoplando el grupo carboxilato del nuevo aminoácido protegido en N con el grupo amino del aminoácido anterior de la cadena creciente desprotegido en N, en esta reacción se forma una amida (enlace peptídico) y N,N’-diciclohexil urea (DCU).

Liberación del soporte y el grupo protector, Al finalizar la síntesis se rompe el éster con el polímero con HF anhidro que también elimina al grupo protector Boc.


21


Ejemplo de síntesis de péptidos en fase sólida, escribir las reacciones de síntesis en fase sólida del péptido Ala –Val – Phe


22



23


Proteínas

Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos, desde el punto de vista funcional, estructural y físiológico de los seres vivientes, las proteínas constituyen uno de los compuestos mas importantes, pues regulan, controlan y sostienen gran cantidad de funciones vitales esenciales para la existencia de la vida tanto animal como vegetal.

Las moléculas proteicas van desde las largas fibras insolubles que forman el tejido conectivo y el pelo hasta los glóbulos compactos solubles, capaces de atravesar la membrana celular y desencadenar reacciones metabólicas. Son moléculas grandes, de peso molecular comprendido entre unos miles de unidades y más de millones, son específicas de cada especie y de cada uno de los órganos de cada especie. Se estima que el ser humano tiene unas 30.000 proteínas distintas, de las que sólo un 2% se han descrito en profundidad. Las proteínas de la dieta sirven sobre todo para construir y mantener las células, aunque su descomposición química también proporciona energía, con un rendimiento de 4 calorías por gramo.

Las principales funciones de las proteínas en los seres vivientes son:

1. Intervienen en el crecimiento y el mantenimiento de las células, la mayoría del tejido blando de los animales (a excepción del tejido adiposo) son formado por proteínas o complejos de proteínas con otros constituyentes, por ejemplo el músculo, tejido conectivo o tendones, nervios, cartílago, sangre, pelos, cuernos, uñas, pluma, lana, seda natural, córnea, etc. sus principal componente son proteínas.

2. Las proteínas son responsables de la contracción muscular, por lo tanto son la parte activa de la locomoción, otras sustancias de naturaleza proteica interviene en la transmisión y amplificación de señales nerviosas como las endorfinas.

3. Las enzimas digestivas son proteínas, participan en los procesos de transformación metabólica de los alimentos, por ejemplo la tripsina, quimotripsina, catalizan la degradación de los alimentos para convertirlo en sustancias mas sencillas.

4. Hay muchas proteínas que cumplen función hormonal, por ejemplo la insulina es una proteína que regula el metabolismo de los azúcares, La tiroglobulina, segregada por la glándula tiroidea, regula el metabolismo global; la calcitonina, también producida en el tiroides, reduce la concentración de calcio en sangre.

5. Otras proteínas cumplen funciones de transporte como la hemoglobina transporta el oxígeno que respiramos desde los pulmones a todas partes del cuerpo, en las membranas hay muchas prorteínas de transporte transmembránico

6. Las proteínas cromosómicas y ribosómicas están asociadas al DNA cromosómico y RNA para formar ribosomas, que son conjuntos plurimoleculares donde ocurre la biosíntesis de las proteínas.

7. Las proteínas tóxicas o toxinas se encuentran en el veneno de reptiles, arácnidos y animales ponzoñosos y son la causa de toxicidad para el sistema nervios de los mamíferos, algunas toxinas producen enfermedades como la toxina del cólera producida por bacterias patógenas.


24


En los alimentos las proteínas cumplen diversas funciones como ser:

8. Las proteínas constituyen la principal fuente de alimentos de calidad, tanto de origen animal (carne de aves, peces y animales acuáticos, mamíferos, huevo, leche, queso, moluscos, insectos, etc) como de origen vegetal (Soya, frejol, tarwi, quinua, maíz, etc.).

9. Son fuente de aminoácidos esenciales, sustancias imprescindibles en la alimentación, también son vehículos de muchos metabolitos importantes en la nutrición.

10. Debido a su naturaleza polimérica, influyen en las propiedades sensoriales (color, sabor, olor), propiedades reológicas ( textura, nivel de hidratación ) y otras propiedades funcionales empleadas en la tecnología alimentaria (formación de espuma, formación de gel, emulsificante, espesante, etc).

Clasificación de las proteínas

Las proteínas se pueden clasificar de diferentes maneras, las formas mas comunes son:

I. Por su estructura, las proteínas pueden ser simples y conjugadas

Las proteínas simples u homoproteínas son proteínas formadas solamente por aminoácidos, o aminoácidos con algunas modificaciones, la hidrólisis de estas proteínas producen una mezcla de aminoácidos, por ejemplo la insulina, pepsina, ovoalbumina, etc.

Las proteínas conjugadas o heteroproteínas, además de la cadena polipeptídica contienen un fragmento no proteico que puede ser un ión metálico, un azúcar, un grupo inorgánico (ión sulfato o fosfato), ácido nucleico, etc., este fragmento se denomina grupo prostético, según la naturaleza de este fragmento las proteínas conjugadas pueden ser: glucoproteínas, fosfoproteínas, metaloproteínas, nucleoproteinas o lipoproteínas.

Las lipoproteínas son proteínas que se encuentran asociadas con lípidos o grasas (fosfolípidos, triglicéridos o colesterol), se encuentran prácticamente en todos los tejidos formando parte de la membrana celular y en la sangre, esta asociación favorece la formación de emulsiones estables debido a su carácter de doble polaridad, por un lado los grupos polares y por otro las cadenas hidrofóbicas, en los alimentos forman emulsiones estables por ejemplo se observa en la leche, en la mayonesa, etc.

Las metaloproteínas son proteínas que tienen un ión metálico asociado a un aminoácido o a un grupo prostético, por diálisis o por adición de agentes secuestradores de metal se logran separar estas fracciones, por ejemplo las hemoglobinas y mioglobinas contienen como grupo prostético el grupo porfirínico asociado a un átomo de hierro, la carboxipeptidasa está asociada a un átomo de Zn+2.

Las glucoproteínas, son proteínas que tienen asociado un azúcar, monosacárido, oligosacárido o un aminoazucar, por ejemplo las k-caseinas tiene asociadas un trisacárido, igualmente se hallan glucoproteínas en la leche, el huevo, la soya, etc. las caseínas de la leche también tienen asociado grupos fosfatos dando lugar a las fosforpoteínas, que también se hallan en la yema del huevo.


25


Las nucleoproteínas tiene una fracción no proteica asociada a ácidos nucleicos, ya sea DNA, RNA o proteínas cromosómicas, que intervienen en l regulación de los genes del cromosoma.

II. Por su forma, las proteínas pueden ser globulares o fibrosas

Las proteínas globulares, tiene forma de glóbulo casi esféricas o elipsoideas, se debe al doblamiento, curvamiento o torcimiento de la cadena polipeptídica, en general las proteínas globulares son proteínas con alto grado de estructura tridimensional y actividad biológica y altamente sensibles a los cambios fisicoquímicos, tal como las enzimas, estas proteínas son también mas solubles que las fibrosas, las proteínas globulares son muy solubles y desempeñan una función dinámica en el metabolismo corporal, son ejemplos la albúmina, la globulina, la caseína, la hemoglobina, todas las enzimas y las hormonas proteicas.

Albúminas y globulinas son proteínas solubles abundantes en las células animales, el suero sanguíneo, la leche y los huevos.

hemoglobina es una proteína respiratoria que transporta oxígeno por el cuerpo; a ella se debe el color rojo intenso de los eritrocitos. Se han descubierto más de cien hemoglobinas humanas distintas, entre ellas la hemoglobina S, causante de la anemia de células falciformes.

Las proteínas fibrosas tienen formas alargadas en forma de hilos o filamentos, muchas veces están asociadas varias cadenas polipeptídicas formando un haz, generalmente son proteínas insolubles en agua y presentan diversos grados de elasticidad, por ejemplo el colágeno, la queratina (proteínas de las uñas, pelos, plumas, cuernos, lana) el cartílago, el tejido conectivo, etc.

III. por su función biológica las proteínas pueden ser: proteínas estructurales, enzimas, hormonas, toxinas, proteínas de defensa o anticuerpos, proteínas de transporte, proteínas de la visión, etc.

Las proteínas estructurales forman parte de la estructura de tejidos como los músculos, tendones, como la actina, miosina, el colágeno, tejidos conectivos y proteínas de las membranas celulares, también se incluyen las queratinas.

Las enzimas son proteínas biológicamente activas, participan en la biosíntesis de todos los metabolitos, se hallan en gran cantidad en los jugos digestivos donde participan en la degradación de los alimentos, por ejemplo la pepsina, tripsina, renina, etc.

Las proteínas de defensa forman parte de los anticuerpos que se encuentran en la fracción gamaglobulínica de la sangre y los interferones que actúan protegiendo al cuerpo contra el ataque o invasión de células extrañas, parásito o virus extraños.

Las proteínas de transporte, son proteínas encargadas de trasladar alguna sustancia usando como vehículo la sangre, por ejemplo la hemoglobina se encarga del transporte de oxígeno, en las membranas hay proteínas de transporte transmembránicos, hay otras proteínas encargadas de trasladar vitaminas, hormonas, etc.

Las proteínas hormonales cumplen función de regulación química de la fisiología de un tejido, un órgano o el metabolismo de metabolitos, por ejemplo la insulina es una proteína hormonal que controla el metabolismo de la glucosa y los azúcares, otras proteínas hormonales


26


son las proteínas del factor del crecimiento, prolactinas, hormonas foliculoestimulantes (FSH), hormona tiroidestimulante (TSH), hormona paratiroidea (PTH), Calcitonina, hormona corticotrópica (ACTH), todas ellas tienen estructuras proteicas.

Las toxinas, son proteínas que tiene efecto fisiológico tóxico sobre los tejidos, se encuentran en los venenos segregados de animales ponzoñosos como los reptiles, arácnidos, escorpiones, insectos (avispas, abejas), ranas, como también son segregados por microorganismos, como la toxina del cólera o la toxina botulínica.

Las proteínas de la visión, son proteínas sensibles a la luz que participan en fenómenos moleculares de la visión, por ejemplo las opsinas, y rodopsinas, asimismo hay otras proteinas y enzimas que participan en la producción de luz en las luciérnagas, insectos y peces como la luciferina y luciferasa.

IV. Por el comportamiento de su solubilidad las proteínas pueden ser: Albuminas, globulinas, histonas, prolaminas, glutelinas, escleroproteinas, estas dependen de la clase y proporción de aminoácidos con cadena polar o cadena apolar.

Las albúminas, son proteínas generalmente globulares, solubles en agua y en soluciones salinas diluidas, en ácidos o bases diluidas, por modificación de la constante dieléctrica precipitan con etanol absoluto, acetona o en solución saturada de sulfato de amonio, por ejemplo la ovoalbúmina, la -lactalbúmina, las albúminas del suero sanguíneo, etc.

Las globulinas, son proteínas solubles en soluciones salinas diluidas pero a diferencia de las albúminas son poco solubles o insolubles en agua, también precipitan con sulfato de amonio, por ejemplo las globulinas del suero de la leche, del suero sanguíneo, las albúminas y glutelinas del gluten del trigo.

Las histonas, son proteínas de bajo peso molecular, solubles en ácidos o bases diluidos, debido a que en sus estructura tienen elevado contenido de aminoácidos básicos como la arginina, por ejemplo las nucleoproteínas o proteínas asociadas a los ácidos nucleicos, precipitan con sulfato de amonio o a un pH de 8,5.

Las prolaminas son proteínas de origen vegetal, globulares, insolubles en agua y etanol absoluto, solubles en etanol al 50 - 80%, por ejemplo la zeina del maiz y la glutelina del trigo o la hordeina de la cebada.

Las glutelinas son proteínas de origen vegetal, insolubles en agua y disolventes neutros, solubles en soluciones diluidas de ácidos o bases, por ejemplo las glutelinas del trigo y del arroz.

Las escleroproteínas, son proteínas fibrosas insolubles en agua y la mayoría de los disolventes comunes, a esta clase de proteínas pertenecen el colágeno de los tejidos conectivos, las queratinas o proteínas de los pelos, uñas, plumas, cuernos, fibroína de la seda, etc.


27


Organización estructural de las proteínas

La organización estructural de las proteínas se refiere a los aspectos que tiene que ver con los enlaces que intervienen en la molécula, fuerzas que lo estabilizan, interacciones intramoleculares, su forma característica que adopta y que tiene que ver con su actividad bioquímica. Para comprender mejor la organización estructural de las proteínas se considera cuatro niveles de organización de la superestructura.

1. Estructura primaria.

La estructura primaria se refiere a las clases de aminoácidos y su ordenamiento en la cadena polipeptídica proteica, o sea la secuencia de aminoácidos que le confiere su particularidad, los enlaces que estabilizan y son considerados en la estructura primaria de las proteínas son los enlaces covalentes y los puentes disulfuro, todas las propiedades de las proteínas está determinado de forma directa o indirecta por la estructura primaria, cualquier forma de doblés, presencia de atracciones dipolares, puente de hidrógeno o actividad catalítica depende de la estructura primaria adecuada.

La estructura primaria de las proteínas está regulada genéticamente, es altamente reproducible y en algunos casos la sustitución de un aminoácido por otro puede causar desordenes graves, por ejemplo la molécula de hemoglobina humana consta de cuatro cadenas (dos pares idénticos), si durante la biosíntesis por error en la codificación genética debido a la mutación de una base en el DNA Timina por Adenina, causa una sustitución de un aminoácido en la cadena de la hemoglobina en posición 6, el cambio del aminoácido polar ácido glutámico 6(Glu) por otro aminoácido apolar Valina en la misma posición 6(Val) de la molécula de hemoglobina causan deformación en los eritrocitos, la molécula de hemoglobina no funciona correctamente, es propenso a la aglomeración, al rompimiento de los eritrocitos, se reduce su capacidad de transporte de oxígeno, causan hemorragias y anemia, esta


28


enfermedad genética es conocida como anemia drepanocítica y se debe únicamente a la sustitución de un aminoácido por otro, sin embargo existen otras variantes de moléculas de hemoglobinas que tiene funcionamiento normal, esto debido a que ciertos aminoácidos tienen la misma ubicación y la relación estructural global no ha sido afectada especialmente en los aminoácidos considerados imprescindibles.

Determinación de la estructura primaria de una proteína

La determinación de la secuencia de aminoácidos o sea la estructura primaria se realiza de diferentes maneras, siguiendo una estrategia global que permita conocer la estructura proteica, en general se siguen los siguientes pasos:

a) Se cuantifica el peso molecular de la proteína, generalmente por ultracentrifugación analítica.

a) Si se trata de una proteína conjugada, se separa y establece el tipo y cantidad del grupo prostético.

a) Las proteínas con estructuras cuaternarias de asociación de varias cadenas, estas cadenas deben separarse individualmente, generalmente usando un detergente SDS (dodecilsulfato de sodio), variando el pH de la solución, alterando su fuerza iónica, etc.

a) Se determina la presencia de puentes disulfuro intracatenario o intercatenarios, al mismo tiempo se evalúan la presencia de grupos –SH, la detección de los puentes disulfuro se basa en la modificación química selectiva, a menudo se emplea ácido peroxifórmico como agente oxidante o mercaptoetanol, Luego se evalúan electroforeticamente las fracciones.

a) Una vez que se han roto y separados los puentes disulfuro y purificado las cadenas individuales de los polipéptidos se debe determinar la secuencia y cantidad de aminoácidos, para conocer la composición de aminoácidos se hidroliza completamente la cadena carbonada a ebullición a 110°C durante 24 horas con HCl 6 N, en estas condiciones se rompen todos los enlaces peptídicos sin que haya racemización, sin embargo hay que tomar en cuenta que la hidrólisis con HCl causa


29


detrucción del grupo indólico del triptófano, la hidrólisis ácida también desprende amoniaco de los grupos amida de la glutamina y asparragina de modo que se detectan como ácido glutámico o aspartico. Para evitar la destrucción del grupo indólico se suele utilizar ácido metanosulfónico en lugar del clorhídrico.

El hidrolizado (mezcla resultante de aminoácidos) se evalúa mediante un analizador de aminoácidos automático que funciona mediante cromatografía de intercambio iónico en columna.

El analizador de aminoácidos funciona de la siguiente manera, se disuelve la muestra en una solución acuosa de un buffer y se separan pasándolos por un una columna de intercambio iónico, la solución que sale de la columna se mezcla con nihidrina u ortoftaldehido, se registra la absorción de luz como función del tiempo, el tiempo de retención de cada aminoácido depende de la interacción de cada aminoácido con la resina de intercambio iónico que a su vez depende de la naturaleza del grupo R de cada aminoácido, de aquí se tiene un cromatograma que indica la clase y cantidad de aminoácidos detectados o contenidos en la muestra por comparación con otro cromatograma patrón que muestra los tiempos de retención de aminoácidos puros, el área bajo cada señal muestra la cantidad relativa de cada aminoácido.

El analizador de aminoácidos determina la clase y cantidad de aminoácidos en una proteína, pero no revela la secuencia, es decir el orden en que van unidos entre si, la secuencia es destruida durante la hidrólisis, para analizar la secuencia se hidroliza un aminoácido de uno de los extremos (extremo N o extremo C) dejando intacta el resto de la cadena polipeptídica, se analiza el aminoácido liberado y generalmente transformado y luego se continua a lo largo de la cadena hasta determinar completamente la secuencia, este proceso se llama análisis de residuos terminales.

Determinación de la secuencia a partir del extremo N-terminal - Degradación de Edman

La degradación de Edman consiste en tratar un péptido con isotiocianato de fenilo que reacciona con en extremo N-terminal del péptido y lo transforma en un derivado de la feniltiourea, luego por hidrólisis ácida se rompe el derivado del aminoácido originando ciclación (derivado de la feniltiazolidina) y liberación del péptido en una cadena mas corta de un aminoácido menos, dejando el péptido mas corto listo para otro ataque de isotiocianato para determinar el siguiente reisduo.

Los derivados de fenilhidantoina se identifica mediante cromatografía, comparándolos con los derivados correspondientes de los aminoácidos puros, los derivados de la feniltiohidantoina absorven luz ultravioleta, de esta manera se puede determinar la identidad del aminoácido del extremo N, el resto del péptido queda intacto para el siguiente paso y se emplean mas degradaciones de Edman para identificar los demás aminoácidos del resto de la cadena.

Teóricamente se puede emplear la degradación de Edman para determinar la secuencia de un péptido de cualquier longitud pero los ciclos repetidos de degradaciones sucesivas causan hidrólisis interna del péptido con pérdida de muestra y acumulación de subproductos, aproximadamente se puede realizar unos 30 ciclos, los péptidos pequeños como las bradicidina u oxitocina se pueden determinar completamente pero los péptidos mayores deben romperse en fragmentos menores antes de determinar su estructura completa.

Normalmente se usa una estrategia general de fraccionar la cadena polipeptídica de las proteínas grandes en fragmentos pequeños y luego analizar su secuencia, para ellos se usan endopeptidasas las cuales tienen cierta tendencia a romper enlaces peptídicos específicos, por ejemplo la tripsina rompe


30


los enlaces peptídicos de aminoácidos básicos como la Lisina y arginina; la quimotripsina rompe los enlaces peptídicos de aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina y triptófano. Otra alternativa mas bien complementaria utiliza un agente químico, por ejemplo el bromuro de cianógeno (Br-CN) rompe específicamente el enlace peptídico de la metionina, luego teniendo los diversos fragmentos se compara la continuidad de la secuencia por recolección y comparación de los fragmentos obteniendose la información completa de la secuencia total del péptido.

Otra alternativa para la determinación de los amnioácidos del extremo N-terminal es el método de Sanger, donde el péptido se trata con 2,4-dinitrofluorobenceno (Reactivo de Sanger) y luego se hidroliza con HCl 6M, el derivado del 2,4-dinitrofenilo y se detectan por cromatografía o espectroscopía ya que absorben luz visible y tiene un intenso color amarillo.

También se suele utilizar el cloruro de dánsilo (cloruro de 5-dimetilaminonaftalen-1-sulfónico), que reacciona selectivamente con los grupos amino terminales y los grupos -aminos, los derivados arilsulfónicos son muy estables a la hidrólisis ácida y tiene fluorescencias a la luz ultravioleta, por lo que su detección es muy sensible.

El empleo de la aminopeptidasa, que es una exopeptidasa natural específica que hidroliza los enlaces peptídicos de los aminoácidos aminoterminales, es muy conveniente, sin embargo tiene la dificultad de que después de roto el primer aminoácido N-terminal, continua hidrolizando el siguiente y así sucesivamente, por lo que se prefieren los métodos químicos.

Por ejemplo en la determinación de la secuencia del siguiente péptido:


31


No hay un método eficiente para el análisis de la secuencia de aminoácidos de un péptido a partir del extremo C-terminal, sin embargo existen métodos que emplean exopeptidasas como la cabopeptidas que rompe el enlace peptídico en el extremo C, los productos son el aminoácido libre y un péptido mas corto, pero como la reacción es continua no se puede detener y continua hasta la hidrólisis total.También se suele emplear hidracina para detectar el extremo terminal, ya que la hidracina con el péptido reacciona con el grupo carbonilo de cada enlace peptídico que luego se rompe fromando derivados acilados de la hidracina (hidracidas de acilo) excepto en aminoácido C terminal que se recupera como aminoácido libre.

2. Estructura Secundaria

Las cadenas de polipeptídica de una proteína no se halla estirada, presenta dobleces normales de acuerdo al enlace entre elementos, tipo de orbitales empleados en el enlace, y adopción de una geometría espacial para disminuir la interacción estérica entre grupos hidrofóbicos o estableces interacción por atracciones de dipolos, puentes de hidrógeno, etc, y estabilizar la cadena.

En general el enlace peptídico es rígido y no permite rotación, por el carácter doble enlace que tiene, estabilizado por el fenómeno de resonancia y tautomería, la longitud el enlace peptídico CN es de 1,32Å, intermedio entre el simple C-N de 1,47Å y el doble C=N 1,21Å; sin embargo los enlaces N-C y presentes en el patrón normal de la cadena polipeptídica permiten rotación para estabilización de la cadena o permitir interacción entre grupos con cargas eléctricas.

En general se pueden observar los siguientes patrones regulares:

1. Los cuatro átomos vecinos, alrededor del enlace peptídico se hallan sobre un mismo plano

2. Los dipolos de enlace C=O y NH, se hallan en direcciones opuestas, con relación al enlace peptídico, esta orientación se llama alineamiento trans de los dipolos, además las cadenas R y los átomos de C en dos aminoácidos adyacentes también tienen orientación trans.


32


3. El enlace peptídico es rígido, no permite rotación, los enlaces N-C y R-CC permiten rotación en dirección de la estabilización de la de la cadena, los ángulos de rotación del enlace N-C se designa como y la rotación del enlace R-CC se designa como , los valores normales de estas rotaciones y los ángulos de enlace alrededor del enlace peptídico se muestran en el diagrama siguiente:

Las orientaciones regulares adoptadas por las cadenas polipeptídicas como resultado del patrón de rotación y en torno a los enlaces adyacentes al enlace peptídico, las orientaciones regulares observadas son: la estructura helicoidal (-helice dextrogira), la estructura laminar (paralela y antiparalela) y la conformación aleatoria al azar.

Estructura Helicoidal

Es un ordenamiento regular adoptado por los poli L-aminoiácidos, que consiste en un enrollamiento helicoidal dextrógiro el los cuales = -60° y = -57°, este enrollamiento a lo largo de un eje conduce a una conformación muy estable con las siguientes características:

Cada vuelta de la hélice consta de 3,6 restos de aminoácidos, con una pendiente ascendente de 26°, la longitud o paso por vuelta es de 0,54 nm. (5,4 Å)

Las cadenas laterales R se hallan orientados hacia afuera de la hélice, perpendiculares al eje central del helicoide.

Los dipolos de los grupos carbonilo C=O del aminoácido n y el H polarizado del grupo amino N-H del aminoácido n+4, se orientan de tal modo que permiten la interacción máxima mediante establecimiento de enlaces de puente de hidrógeno intracatenarios, dando a la cadena polipeptídica una gran estabilidad.

Como los dipolos de los grupos carbonilos y aminos se hallan estableciendo enlaces de puente de hidrógeno interno, entonces solamente queda disponible los grupos polares de las cadenas R, por lo tanto lo mas probable es que las proteínas que tengan alto contenido de estructura helicoidal sea hidrófoba, insoluble en agua.


33


Los aminoácidos que promueven la formación de -hélices son: los aminoácidos con cadenas R apolares o poco polares no ionizables como: alanina, valina, leucina, fenilalanina, triptófano, tirosina, cisteina, metionina, histidina, asparragina, glutamina, sin embargo los aminoácidos que evitan e interrumpen la orientación helicoidal son: la prolina cuya estructura cíclica provoca una doblez natural, la presencia de aminoácidos con grupos polares con carga eléctrica (+) de Lis o Arg, que establecen atracciones electrostáticas con los grupos polares con carga (-) de ácido glutámico, ácido aspártico, serina o treonina.

El porcentaje de hélices de las proteínas globulares es variable desde 0% hasta 90%, las proteínas fibrosas pueden tener el 100% de estructura helicoidal, por ejemplo el colageno, la fibroína, etc.

Estructuras laminares

Las cadenas polipeptídicas también pueden formar arreglos ordenados de puentes de hidrógeno entre cadenas alineándose una al lado de la otra, en esta disposición cada grupo carbonilo de una cadena forma un enlace de puente de hidrógeno con el H del grupo imino de la otra cadena adyacente, este arreglo puede comprender muchas cadenas de proteinas alineadas lado a lado, originando una hoja bidimensional, en esta estructura llamada laminar los ángulos de rotación de los enlaces en las cadenas de los aminoácidos son tales que la hoja está plegada o plisada y los grupos laterales R de los aminoácidos se hallan en lados alternos de la hoja.

Esta conformación puede ser itracatenaria (sobre todo en proteinas globulares) o intercatenaria (en proteinas fibrosas), en las estructuras intercatenarias si están alineadas en la misma dirección se llaman alineación paralela o lámina paralela, en cuyo caso = -119° y = 113°. Si su alineación es en sentido contrario entonces se llama alineación antiparalela o lámina antiparalela = -140° y = 135°, aunque las dos disposiciones son frecuentes, la alineación antiparalela es mas estable por que los dipolos de los grupos carbonilos e iminos están orientados para una interacción óptima.


34


Estructuras Aleatorias

Cuando la cadena polipeptídica carece de un arreglo o patrón geométrico repetitivo se dice que su conformación es aleatoria al azar, es decir un segmento no helicoidal o no laminar de una proteína se considera aleatorio, y está condicionado por los siguientes factores:

Presencia de puentes disulfuro Presencia de grupos prostéticos o cofactores Interacciones de los grupos polares R

La mayoría de las proteinas globulares contienen conformaciones secundarias regulares en distintas proporciones, por ejemplo el ovomucoide del huevo tiene 26% de estructura helicoidal, 56% de estructura laminar y 18% de conformación al azar.

3. Estructura Terciaria

La estructura terciaria se refiere a la forma tridimensional particular y específica que adquiere una proteína globular biológicamente activa o sea la arquitectura proteica. La forma como se dobla o se curva propia de las proteínas globulares con alto grado de organización estructural.

La estructura terciaria de una proteína globular le confiere actividad biológica especialmente en las enzimas que son proteínas globulares altamente organizadas, biológicamente activas, la conformación o forma particular, dobleces o estructura tridimensional de lugares específicas de la cadena polipeptídica forman el centro activo que es el lugar específico donde se llevan a cabo las reacciones catalíticas, el cambiar esta estructura particular mediante un agente químico (reactivo químico, pH elevado o muy bajo, extremo, urea, SDS dodecilsulfato de sodio), acción mecánica (extrusión) o tratamiento físico (calor, radiación) causan cambios en la estructura terciaria y secundaria de la proteína y pérdida de su actividad biológica, a este proceso de cambio de la estructura terciaria de las proteínas se llama desnaturalización, la mayoría de las veces irreversible, algunas veces cuando el tratamiento desnaturalizante no fue muy intenso se puede regenerar la actividad biológica por tratamientos de reactivación.


35


La cocción de los alimentos es un proceso de desnaturalización irreversible, donde las proteínas biológicamente activas han perdido su estructura secundaria y terciaria particular y por lo tanto su actividad biológica, por ejemplo el colágeno es una proteína conformada por una triple hélice muy estable, cuando se cuece el tejido conectivo a elevadas temperaturas para obtener la gelatina, sucede un desordenamiento de la triple hélice, rompimiento de los puentes disulfuro, generalmente acompañado con hidrólisis parcial. Cuando se tratan las enzimas a un choque térmico se desnaturalizan y pierden gran parte de su actividad catalítica, este tratamiento es común en el procesamiento de los alimentos conocido como blanchig o blanqueo especialmente para evitar el pardeamiento enzimático, para desactivar las peroxidasas, catalasas y fenol-oxidasas que reaccionan con el oxígeno atmosférico liberando compuestos de coloración parda.

La estructura terciaria de las proteínas está íntimamente ligada a su actividad biológica, la conformación natural de una proteína es representativa por que representa la conformación mas estable, de menor energía, sin embargo en una proteína pueden haber muchas conformaciones de menor energía, la forma particular o arquitectura espacial de la molécula sugiere que existe una correlación entre anatomía proteica molecular y su función.

El estudio de la estructura tridimensional de una proteína se realiza mediante técnicas de difracción con rayos X, o cristalografía de difracción con rayos X, en esta técnica, la muestra se bombardea con rayos X altamente energéticos y de ondas muy cortas, con lo cual se tiene fotografías de barrido, el mapa del barrido o sea las manchas e intensidad de estas que son las dispersiones de los rayos al incidir sobra los átomos y grupos en la molécula reflejan la estructura de la molécula en cisrtas regiones específicas, este estudio con la secuencia de amionoácidos y modelos moleculares se determina la estructura terciaria del polipéptido.


36


Las fuerzas que estabilizan estas conformaciones son:

1. Enlaces de puentes disulfuro entre restos de cisteina cuya energía de enlace es de 54 kcal/mol, que provocan una doblez particular de la cadena polipeptídica.

2. Enlaces de puente de hidrógeno, entre el grupo carbonilo y el grupo amino peptídicos o entre hidrógenos polarizados de las cadenas laterales R, por ejemplo –OH de la tirosina, treonina y serina, el hrupo –NH de la arginina, histidina, triptófano y lisina y los grupos carboxilato –COO -

del ácido glutámico y ácido aspártico, cuya energía de enlace promedio es de 2 a 5 kcal/mol.

3. Fuerzas de atracción dipolo-dipolo o ión-dipolo, entre dipolos de los grupos R de carboxilatos, carbonílos, imidazólicos, guanidinio, o amino terminales de la lisina,en los que se destacan los puentes de hidrógenos mencionados, cuya energía es de 2,5 a 10 kcal/mol.

4. Fuerzas de atracción de Van der Waals (o atracciones hidrofóbicas) entre cadenas laterales R apolares de Gli, Ala, Leu, Val, Ile y Fen, cuya energía de enlace promedio es de 0,5 a 2 kcla/mol.

5. Fuerzas de atracción entre grupos prostéticos cuando están presente y regiones con carga de la proteína.

4. Estructura cuaternaria de las proteínas globulares

la asociación de dos o mas cadenas polipeptídicas, iguales o diferentes, que interactúan a través de enlaces no covalentes se refiere a la estructura cuaternaria de las proteínas, no es una propiedad común de todas las proteínas, esta estructura muestran algunas clases de proteínas, por ejemplo las hemoglobinas que están formados por cuatro fracciones similares a la mioglobina (homotetramérica) dos y dos ,. Cada una de ellas con un peso molecular aproximado de 16000 Daltons.

Las diferentes orientaciones en el espacio de las subunidades les confiere propiedades diferentes en relación con el oligómero y permite a las proteínas multiméricas desempeñar papeles peculiares en la región intracelular.

Algunas proteínas globulares y sus características inmediatas se muestran en la tabla 3.5.


37


Tabla 3.5. Algunas proteínas globulares

Propiedades físicas y fisicoquímicas de las proteínas

Peso molecularViscosidadActividad ópticaSolubilidadHidrataciónDesnaturalización

Técnicas de separación analíticas

Electroforesis en gel de poliacrilamida EGPADialisisFiltración en gelUltracentrifugación


38


Técnicas analíticas de identificación y cuantificación

Método de kjeldahl Método de lowry Método de Biuret Método turbidimétrico Absorción ultravioleta

Principales reacciones químicas

Hidrólisis y fraccionamiento Hidratación y formación de gel Interacción entre proteinas con otros polímeros Modificaciones químicas Acilación Alquilación Oxidación – reducción Modificaciones enzimáticas Desfosforilación Plasteinización Modificaciones mecánicas Texturización e hilado Extrusión, pelletización Propiedades funcionales de las proteínas

Química descriptiva de las proteinas de algunos alimentos fuentes Proteinas del huevo Proteinas de la carne, colágeno y gelatina Proteinas de la leche Proteinas de la soja Proteinas del trigo Proteinas de otros alimentos: maíz, arroz, frejol, tarwi. quinua, papa.

Enzimas


39

proteínas

Documents