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Determinación de la carga neta de aminoácidos a un pH dado

Determinación de la carga neta de aminoácidos a un pH dado


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Estoy tratando de calcular la carga neta de un aminoácido, pero parece que lo estoy haciendo mal. La pregunta que estoy tratando de responder es "En un tampón de pH 7.0, ¿cuál será la carga de metionina?" Nos remitimos a una tabla que nos brinda la siguiente información:

$$ pu {p} K {_ pu {a mathrm {1}, ce {COO -}}} = 2.28 $$

$$ pu {p} K {_ pu {a mathrm {2}, ce {NH3 +}}} = 9.21 $$

$$ pu {pI = 5.74} $$

Por lo que entiendo, si pH> pI, (que está aquí), el aminoácido debería tener una carga negativa porque aunque el pH es lo suficientemente alto para desprotonar todos los extremos carboxilo y no lo suficiente para desprotonar todos los extremos amino, ya que es más alto que el pI algunos de los extremos amino han sido desprotonados (además de todos los extremos carboxilo).

Sin embargo, mi libro de respuestas dice que la carga neta sería cero. ¿Son 5.74 y 7.0 "lo suficientemente cerca" como para que podamos considerar que la carga neta es igual a cero? Si es así, ¿cuál es el rango 'difuso' permitido estándar? Si no es así, ¿qué está pasando aquí?


Tiene razón en su razonamiento: a cualquier pH para cualquier grupo titulable, existe una distribución entre las especies protonadas y desprotonadas. Podemos calcular esta distribución y por tanto la carga media de la especie con la ecuación de Henderson-Hasselbalch:

$$ mathrm {pH = pKa + log left ( frac {[B]} {[A]} right)} $$

O reorganizado:

$$ mathrm { frac {[B]} {[A]} = 10 ^ {pH - pKa}} $$

Donde A es el ácido conjugado y B es la base conjugada. Para carboxilos y aminas primarias, esto también se puede escribir como $ ce { frac {[COO -]} {[COOH]}} $ y $ ce { frac {[NH2]} {[NH3 +]}} $ , respectivamente. Como ejemplo simple, si el pH fuera 2.28, la relación entre la forma protonada y desprotonada del grupo carboxilo (pKa = 2.28) sería $ ce { frac {COO -} {COOH} = 10 ^ 0 = 1} PS Esto significa $ ce {[COO-] = [COOH]} $ y, por tanto, la carga media del carboxilo es -0,5.

Ahora, para los casos en los que $ mathrm {pH neq pKa} $, necesitamos determinar la fracción molar, $ chi $, para cada especie cargada. Dado que $ mathrm { frac {[B]} {[A]} = frac { chi_B} { chi_A}} $ y $ ce { chi_A + chi_B = 1} $, podemos derivar estos ecuaciones:

$$ mathrm { chi_ {COO ^ -} = frac {1} {1 + 10 ^ {pKa - pH}}} $$ $$ mathrm { chi_ {NH_3 ^ +} = frac {1} {1 + 10 ^ {pH - pKa}}} $$

Conectando los números, obtenemos:

$$ mathrm { chi_ {COO ^ -} approx 0.999981} $$

$$ mathrm { chi_ {NH_3 ^ +} aproximadamente 0,993872} $$

Para decirlo de otra manera, ~ 99,9981% de los grupos carboxilo están en el estado desprotonado (negativo) y ~ 99,3872% de los grupos amino están en el estado protonado (positivo). La carga promedio de metionina a pH 7 es simplemente la suma de estas fracciones molares, lo que representa la carga de cada especie, y es aproximadamente igual a -0,006109. Supongo que su libro de texto se está redondeando.


Puede trazar estas funciones para ver cómo varía la carga con el pH:


Carga neta de una proteína o polipéptido

Los únicos grupos alfa-amino y alfa-carboxilo disponibles están en el extremo amino y el extremo carboxilo, respectivamente. Los otros grupos alfa-amino y alfa-carboxilo se utilizaron para formar enlaces polipeptídicos y ya no existen. El término amino tiene un pka de aproximadamente 9, por lo que está cargado positivamente. El extremo carboxi tiene un pKa de aproximadamente 2, por lo que está cargado negativamente.

Los grupos R de alanina, fenilalanina y prolina no están cargados.

El grupo R de la lisina tiene un pKa de aproximadamente 10,5, por lo que está cargado positivamente.

Los grupos R tanto del ácido aspártico como del ácido glutámico tienen un pKa de aproximadamente 4, por lo que ambos están cargados negativamente.

Entonces, hay un total de dos cargas positivas, una contribuyó con la alfa amino alanina y otra contribuyó con el grupo R de la lisina. Y hay un total de cuatro cargas negativas, una del alfa-carboxi del aspartato, dos del grupo R del aspartato y una del grupo R del glutamato.

La suma de las cargas produce una carga neta de menos 2 en el polipéptido.

Problema 2: Determine la carga del siguiente polipéptido a pH = 7,4

Los únicos grupos alfa-amino y alfa-carboxilo disponibles están en el extremo amino y el extremo carboxilo, respectivamente. Los otros grupos alfa-amino y alfa-carboxilo se utilizaron para formar enlaces polipeptídicos y ya no existen. El término amino tiene un pka de aproximadamente 9, por lo que está cargado positivamente. El extremo carboxi tiene un pKa de aproximadamente 2, por lo que está cargado negativamente.

Los grupos R de alanina, fenilalanina, prolina y glicina no están cargados.

El grupo R de la arginina tiene un pKa de aproximadamente 12,5, por lo que está cargado positivamente.

Los grupos R del glutamato tienen un pKa de aproximadamente 4, por lo que están cargados negativamente.

Entonces, hay un total de tres cargas positivas, una contribuyó con la alfa amino alanina y dos contribuyeron con los grupos R de la arginina. Y hay un total de dos cargas negativas, una del alfa-carboxi de la glicina y otra del grupo R del glutamato.

La suma de las cargas produce una carga neta de más una carga en el polipéptido.


Teoría:

Las curvas de valoración se obtienen cuando el pH de un volumen dado de una solución de muestra varía después de la adición sucesiva de ácido o álcali. Las curvas suelen ser gráficos de pH frente al volumen de titulante añadido o, más correctamente, frente al número de equivalentes añadidos por mol de muestra. Esta curva define empíricamente varias características. El número exacto de cada característica depende de la naturaleza del ácido que se titula:

1) el número de grupos ionizantes, 2) el pKa del grupo o grupos ionizantes, 3) la región o regiones tampón.

Fig: 1: Curva de titulación

Los aminoácidos son ácidos polipróticos débiles. Están presentes como iones bipolares a pH neutro y son moléculas anfóteras que pueden valorarse tanto con ácido como con álcali. Todos los aminoácidos tienen un grupo ácido (COOH) y un grupo básico (NH2) unidos al carbono α, y también contienen grupos ionizables que actúan como ácidos o bases débiles, emitiendo o absorbiendo protones cuando se altera el pH.

La fuerte carga positiva en el grupo amino induce una tendencia del grupo ácido carboxílico a perder un protón, por lo que los aminoácidos se consideran ácidos fuertes. Algunos aminoácidos tienen otros grupos ionizables en sus cadenas laterales y estos también pueden titularse.


Cuando un aminoácido se disuelve en agua, existe predominantemente en forma isoeléctrica. El punto isoeléctrico, pI, es el pH de una solución acuosa de un aminoácido en el que las moléculas no tienen carga neta. En otras palabras, los grupos cargados positivamente están exactamente equilibrados por los grupos cargados negativamente. Cuando este aminoácido disuelto se titula con ácido, actúa como base, y con base, actúa como ácido, lo que lo convierte en una molécula anfótera.

Estas ionizaciones siguen la ecuación de Henderson-Hasselbalch:


Cuando la concentración de la forma no protonada es igual a la de la forma no protonada, la relación de sus concentraciones es igual a 1 y log 1 = 0. Por tanto, pKa puede definirse como el pH al que las concentraciones de las formas protonadas y no protonadas de una especie ionizable particular son iguales. El pKa también es igual al pH al que el grupo ionizable se encuentra en su mejor capacidad tampón, que es el pH al que la solución resiste los cambios de pH con mayor eficacia.


El pK es el pH en el punto medio de la región tampón (donde el pH cambia solo ligeramente al agregar ácido o base). El pK es el pH correspondiente al punto de inflexión en la curva de titulación. El punto final de una curva de titulación representa el final observado de la titulación.
El punto isoeléctrico (pH isoeléctrico pI) es el pH al cual el aminoácido tiene una carga neta cero. Para un aminoácido diprótico simple, el pI cae a la mitad entre los dos valores de pK. Para los aminoácidos ácidos, el pI viene dado por & frac12 (pK1 + pK2) y para los aminoácidos básicos es & rsquos dado por & frac12 (pK2 + pK3).

En este experimento estamos averiguando la curva de titulación del aminoácido glicina.

La glicina es un aminoácido diprótico, lo que significa que tiene dos protones disociables, uno en el grupo α-amino y el otro en el grupo carboxilo. En el caso de la glicina, el grupo R no aporta un protón disociable.

La disociación del protón procede en un cierto orden que depende de la acidez del protón: el que es más ácido y tiene un pKa más bajo se disociará primero. Entonces, el H + en el grupo & alpha-COOH (pKa1) se disociará antes que en el grupo & alpha-NH3 (pKa2).


¿Cómo se determina la carga de un aminoácido a un determinado pH? ¡AYUDA!

He estado leyendo sobre esto, pero realmente no entiendo cómo se determina qué carga tienen los aminoácidos a pH bajo y # x27 y pH alto & # x27. ¿Cómo determina esto?

DEBE conocer las estructuras y propiedades de los grupos funcionales para deducir la respuesta. Por ejemplo, primero observe los extremos carboxilo y amino. El extremo C se protona (carga neutra) a un pH bajo y se desprotona a un pH alto (carga negativamente). El extremo N también se protona a un pH bajo (carga positiva) y se desprotona a un pH alto (carga neutra).

Observe cómo la protonación afecta la carga de manera diferente para diferentes grupos. A veces, cancela una carga negativa para neutralizar el grupo funcional y, a veces, introduce una carga positiva en un grupo que antes era neutral.

Luego, agregue un grupo funcional como otro grupo carboxilo de Asp o Glu, y verá que la carga promedio puede ser -1 si ambos grupos COO- están desprotonados y el NH3 + está protonado (-1 + (-1) + 1 = -1). Puede averiguar a qué pH se produce a partir de lo que he explicado anteriormente.


Revisión de búfer

La ecuación de Henderson-Hasselbach también es útil para calcular la composición de las soluciones tampón. Recuerde que las soluciones tampón están compuestas por un ácido débil y su base conjugada. Considere el equilibrio de un ácido débil, como el ácido acético, y su base conjugada, acetato:

Si la solución tampón contiene concentraciones iguales de ácido acético y acetato, el pH de la solución es:

Una mirada a la curva de titulación para el grupo carboxilo de Gly (ver arriba) muestra que cuando el pH = pKa, la pendiente de la curva (es decir, el cambio de pH con la adición de base o ácido) es mínima. Como regla general, se puede preparar una solución tampón para un ácido / base débil en el rango de +/- 1 unidad de pH del pKa de los ácidos débiles. A pH = pKa, la solución tampón resiste mejor la adición de ácido y base y, por lo tanto, tiene su mayor capacidad tampón. El ácido débil puede reaccionar con la base fuerte agregada para formar la base conjugada débil, y la base conjugada puede reaccionar con el ácido fuerte agregado para formar el ácido débil (como se muestra a continuación) de modo que se minimicen los cambios de pH al agregar ácido y base fuertes.

  • la adición de una base fuerte produce una base conjugada débil: ( mathrm<_<2>^<->>+ H_2O> )
  • la adición de ácido fuerte produce ácido débil: ( mathrm<_<2>^<->> rightarrow CH_3CO_2H + H_2O> )

Hay dos formas sencillas de crear una solución tamponada. Considere una solución tampón de ácido acético / acetato.

  • hacer una solución molar igual de ácido acético y acetato de sodio y mezclarlos, controlando el pH con un medidor de pH, hasta alcanzar el pH deseado (+/- 1 unidad del pKa).
  • tome una solución de ácido acético y agregue NaOH en cantidades subestequiométricas hasta que se alcance el pH deseado (+/- 1 unidad del pKa). En este método está formando la base conjugada, acetato, al agregar la base débil:

PI, pH y pKa

La cinética de los protones que se disocian (y se asocian) de un ácido, A, puede tratarse como cualquier otra reacción. La reacción de disociación es:

$ qquad large < text leftrightharpoons text^ + + text ^ -> $

donde HA es el ácido (por ejemplo, ácido clorhídrico, HCl) y A⁻ es lo que se conoce como la base conjugada (Cl⁻ es la base conjugada de HCl). Una constante de asociación, $ K_a $, se puede definir como cualquier otra constante de equilibrio. Esta es la relación de la concentración de especies químicas en equilibrio.

Un ácido fuerte es bueno para perder protones, por lo que el equilibrio solo se alcanzará cuando [H⁺] y [A⁻] sean altos y [HA] sea bajo. Un ácido fuerte, por lo tanto, tiene una gran cantidad de $ K_a $. De la misma manera que el pH es el logaritmo negativo de [H⁺], $ pK_a $ es el logaritmo negativo de $ K_a $:

En una nota al margen, se puede derivar una ecuación análoga para la disociación del protón de una base:

$ qquad large < text^ + leftrightharpoons text^ + + texto>$


26.3: Aminoácidos, ecuación de Henderson-Hasselbalch y puntos isoeléctricos

Asegúrese de poder definir y utilizar en contexto los términos clave a continuación.

Dado que los aminoácidos, así como los péptidos y las proteínas, incorporan grupos funcionales tanto ácidos como básicos, las especies moleculares predominantes presentes en una solución acuosa dependerán del pH de la solución. Para determinar la naturaleza de las especies moleculares e iónicas que se encuentran presentes en soluciones acuosas a diferentes pH, utilizamos el Ecuación de Henderson-Hasselbalch, escrito a continuación. Aquí, el pKa representa la acidez de una función ácida conjugada específica (HA). Cuando el pH de la solución es igual a pKa, las concentraciones de HA y A (-) deben ser iguales (log 1 = 0).

La curva de valoración de la alanina en la Figura ( PageIndex <2> ) demuestra esta relación. A un pH inferior a 2, las funciones carboxilato y amina están protonadas, por lo que la molécula de alanina tiene una carga neta positiva. A un pH superior a 10, la amina existe como una base neutra y el carboxilo como su base conjugada, por lo que la molécula de alanina tiene una carga neta negativa. A pH intermedios, la concentración de iones híbridos aumenta, y a un pH característico, llamado punto isoeléctrico (Pi), las especies moleculares cargadas negativa y positivamente están presentes en igual concentración. Este comportamiento es general para aminoácidos simples (difuncionales). Partiendo de un estado completamente protonado, el pKaLas funciones ácidas varían de 1.8 a 2.4 para -CO2H, y de 8,8 a 9,7 para -NH3 (+). Los puntos isoeléctricos oscilan entre 5,5 y 6,2. Las curvas de titulación muestran la neutralización de estos ácidos por la base añadida y el cambio de pH durante la titulación.

Figura ( PageIndex <1> ): Las curvas de titulación para muchos otros aminoácidos pueden examinarse en un sitio útil proporcionado por la Universidad de Virginia en Charlottesville.

La distribución de especies cargadas en una muestra se puede mostrar experimentalmente observando el movimiento de moléculas de soluto en un campo eléctrico, utilizando la técnica de electroforesis (Figura ( PageIndex <2> )). Para tales experimentos, se incorpora una solución tampón iónica en una capa de matriz sólida, compuesta de papel o una sustancia similar a la gelatina reticulada. Se coloca una pequeña cantidad de la muestra de aminoácido, péptido o proteína cerca del centro de la tira de matriz y se aplica un potencial eléctrico en los extremos de la tira, como se muestra en el siguiente diagrama. La estructura sólida de la matriz retarda la difusión de las moléculas de soluto, que permanecerán donde se insertan, a menos que actúen sobre ellas el potencial electrostático.

Figura ( PageIndex <2> ): En el ejemplo que se muestra aquí, cuatro aminoácidos diferentes se examinan simultáneamente en un medio tamponado de pH 6,00. Para ver el resultado de este experimento, haga clic en la ilustración. Tenga en cuenta que los colores en la pantalla son solo una referencia conveniente, ya que estos aminoácidos son incoloros.

A pH 6,00, la alanina y la isoleucina existen en promedio como moléculas bipolares neutras y no están influenciadas por el campo eléctrico. La arginina es un aminoácido básico. Ambas funciones de base existen como ácidos conjugados de sodio en la matriz de pH 6,00. Por tanto, las moléculas de soluto de arginina tienen un exceso de carga positiva y se mueven hacia el cátodo. Las dos funciones carboxilo en el ácido aspártico están ionizadas a pH 6,00 y las moléculas de soluto cargadas negativamente se mueven hacia el ánodo en el campo eléctrico. Las estructuras de todas estas especies se muestran a la derecha de la pantalla.

Debe quedar claro que el resultado de este experimento depende críticamente del pH del tampón de la matriz. Si repitiéramos la electroforesis de estos compuestos a un pH de 3,80, el ácido aspártico permanecería en su punto de origen y los demás aminoácidos se moverían hacia el cátodo. Ignorando las diferencias en el tamaño y la forma molecular, la arginina se movería dos veces más rápido que la alanina y la isoleucina porque sus moléculas de soluto en promedio llevarían una carga doble positiva.

Como se señaló anteriormente, las curvas de valoración de los aminoácidos simples muestran dos puntos de inflexión, uno debido al grupo carboxilo fuertemente ácido (pKa 1 = 1.8 a 2.4), y el otro para la función de amonio menos ácida (pKa 2 = 8,8 a 9,7). Para la prolina de 2 & ordm-aminoácidos, pKa 2 es 10,6, lo que refleja la mayor basicidad de 2 & ordm-aminas.

Tabla ( PageIndex <1> ): Valores de pKa de aminoácidos polifuncionales
Aminoácidos & alpha-CO2H pKa 1 y alfa-NH3 paquetea 2 Cadena lateral pKa 3 Pi
Arginina 2.1 9.0 12.5 10.8
Ácido aspártico 2.1 9.8 3.9 3.0
Cisteína 1.7 10.4 8.3 5.0
Ácido glutamico 2.2 9.7 4.3 3.2
Histidina 1.8 9.2 6.0 7.6
Lisina 2.2 9.0 10.5 9.8
Tirosina 2.2 9.1 10.1 5.7

Algunos aminoácidos tienen funciones ácidas o básicas adicionales en sus cadenas laterales. Estos compuestos se enumeran en la Tabla ( PageIndex <1> ). Un tercer pKa, que representa la acidez o basicidad de la función adicional, se enumera en la cuarta columna de la tabla. Los pI de estos aminoácidos (última columna) suelen ser muy diferentes de los indicados anteriormente para los miembros más simples. Como era de esperar, tales compuestos muestran tres puntos de inflexión en sus curvas de titulación, ilustrados por las titulaciones de arginina y ácido aspártico (Figura ( PageIndex <3> )). Para cada uno de estos compuestos son posibles cuatro posibles especies cargadas, una de las cuales no tiene carga total. Las fórmulas para estas especies se escriben a la derecha de las curvas de titulación, junto con el pH al que se espera que predomine cada una. El pH muy alto requerido para eliminar el último protón ácido de la arginina refleja la basicidad excepcionalmente alta del resto de guanidina al final de la cadena lateral.


Tipos de lípidos cargados

Ácidos grasos

Los lípidos cargados más simples, los ácidos grasos son un gran grupo de moléculas anfipáticas que consisten en hidrocarburos de cadena corta, media o larga y ldquotails y rdquo (C4 a C36) y un ácido carboxílico polar y ldquohead y rdquo. Las cadenas alifáticas pueden estar completamente saturadas o insaturadas hasta cierto punto y proporcionan el carácter hidrófobo del ácido graso. Independientemente de la longitud del grupo de la cola alifática, el grupo de ácido carboxílico hidrófilo tendrá un pKa de alrededor de 4,0, lo que significa que, en condiciones fisiológicas, la mayoría de los ácidos grasos tendrán una carga negativa de -1. Las colas también pueden contener estructuras de anillo de carbono, grupos hidroxilo y ramificaciones de grupos metilo adicionales (Figura ( PageIndex <1> )).

Figura ( PageIndex <1> ): Un ejemplo de ácidos grasos con diferente longitud de cadena, saturación y linealidad. Imagen utilizada con permiso (CC BY-SA 3.0 Lojban a través de Wikipedia).

Las propiedades físicas de los ácidos grasos dependen en gran medida de la longitud y el grado de insaturación del grupo de cola de hidrocarburo. El factor principal que influye en las propiedades, como el punto de fusión y la solubilidad en agua, es el orden de las moléculas de agua alrededor de las colas hidrófobas. Los ácidos grasos se agruparán como resultado del efecto hidrofóbico. La agrupación de los grupos de colas alifáticas forma una red cristalina, minimizando el área superficial hidrófoba expuesta y la formación de capas de hidratación alrededor de las colas de ácidos grasos individuales. Con grados crecientes de insaturación en las colas (mayor número de dobles enlaces), el efecto se invierte. La insaturación introduce torceduras en las colas para que ya no se empaqueten de manera tan uniforme y apretada, lo que permite que las moléculas de agua se ordenen alrededor de las colas individuales. Como tal, la red cristalina se debilita, aumentando la solubilidad del ácido graso y disminuyendo su punto de fusión.

Figura ( PageIndex <2> ): Imagen que muestra las diversas estructuras formadas por los lípidos cargados. Fuente de la imagen: Wikipedia

Los ácidos grasos tienen una variedad de funciones importantes. Las colas de hidrocarburos son una fuente importante de energía cuando cada unidad sucesiva de dos carbonos se convierte en acetil-CoA durante la beta-oxidación, cuyo proceso genera NADH y FADH.2 que se utilizan posteriormente en la formación de ATP en la fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos y sus derivados también funcionan como jabones y detergentes. A concentraciones suficientemente altas, los ácidos grasos se agregarán para formar estructuras esféricas llamadas micelas, que son estructuras energéticamente favorables que aumentan la entropía del agua al minimizar la formación de clatrato de agua alrededor de las regiones hidrófobas. Lo logran agrupando las colas hidrófobas en el centro de la esfera, mientras que las cabezas hidrófilas forman una capa que es soluble en agua. La estructura esférica se ve favorecida por los ácidos grasos porque el área de la sección transversal del grupo de la cabeza es mayor que la de la cola, formando una forma cónica. Cuando los jabones (las sales de ácidos grasos) se mezclan con agua, las micelas que se forman secuestran los aceites y la suciedad hidrófoba en el centro de la micela, mientras que la capa exterior hidrófila ayuda a eliminar las micelas portadoras de suciedad. Por último, los ácidos grasos forman la base de los di y triacilgliceroles, una familia de moléculas con dos o tres cadenas de ácidos grasos unidas por glicerol. Cuando el tercer grupo hidroxilo del glicerol se une a una molécula cargada como fosfato en lugar de una cadena de hidrocarburo, el diacilglicerol se conoce como fosfolípido.

Fosfolípidos

Como ocurre con cualquier molécula, la formación de una carga requiere la inclusión de un elemento ionizable, la mayoría de las veces unido covalentemente al compuesto original. En el caso de los diacilgliceroles, los hidrocarburos no ionizables requieren la adición covalente de un grupo iónico al glicerol para impartir una carga. Con mucho, el más común de ellos es el grupo fosfato cargado negativamente ( (PO_4 ^ <3-> )) que, cuando se une covalentemente al resto de glicerol de un ácido graso de dos cadenas, forma el grupo principal de ácidos grasos cargados. conocidos como fosfolípidos. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas compuestas de tres secciones: un diglicerol, una "cabeza" hidrófila que consiste en el resto de fosfato cargado y una pequeña molécula orgánica unida covalentemente al fosfato (Figura ( PageIndex <3> )).

Figura ( PageIndex <3> ): Estructura de un fosfolípido, que contiene las colas de ácidos grasos, glicerol, resto de fosfato y una estructura de grupo de cabeza adicional. Fuente de la imagen: Wikipedia

Los fosfolípidos comprenden los componentes principales de las bicapas lipídicas en las membranas celulares. Al igual que los ácidos grasos, los fosfolípidos favorecerán la agrupación de las colas hidrófobas para excluir el agua tanto como sea posible. Sin embargo, a diferencia de los ácidos grasos, la presencia de dos colas favorece la formación de una membrana más plana porque el área de la sección transversal de los grupos de la cabeza y la cola es similar, formando una forma cilíndrica que se empaqueta de manera más eficiente como una bicapa. En la bicapa, las colas hidrófobas interactúan entre sí, mientras que los grupos de cabezas hidrófilas interactúan con el entorno acuoso a ambos lados de la bicapa. Si bien la bicapa es más práctica como estructura plana bidimensional, se puede plegar sobre sí misma para formar una vesícula cerrada llamada liposoma. A diferencia de la micela, el liposoma tiene una pared bicapa que encierra una cavidad acuosa hueca, y se utilizan organismos como mecanismo de transporte para cualquier cantidad de sustancias.

La complejidad estructural de la bicapa de la membrana va más allá de un solo tipo de molécula de fosfolípidos. Existe una variedad de fosfolípidos con diferentes grupos de cabezas y colas de hidrocarburos. Además, los lípidos de la membrana no se distribuyen simétricamente por toda la bicapa de la membrana, por lo que es más probable que se encuentren ciertos fosfolípidos en la monocapa interna y que los demás se encuentren más probablemente en la valva externa. Por otro lado, las propiedades físicas de los diferentes grupos de cabezas dictan las interacciones de cada fosfolípido con el ambiente acuoso, y resultan en el movimiento de los lípidos a través de la bicapa tanto en dirección vertical como horizontal, cambiando continuamente su forma y organización de fosfolípidos. . Para dar una mejor idea de los diferentes grupos de cabezas de fosfolípidos, las siguientes secciones describirán las características estructurales algunas de las más comunes.


  1. Primero, obtenga la secuencia de aminoácidos de una letra de su proteína de interés.
    1. Consulte la página del punto isoeléctrico para conocer algunos métodos.
    2. O para una proteína que tiene una estructura 3D en Proteopedia, busque la página de su estructura nombrada para el código de archivo PDB y haga clic en OCA debajo de la estructura.
      1. En su código PDB en OCA, desplácese hacia abajo hasta Información derivada de la secuencia (cerca de la parte inferior).
      2. Haga clic en el enlace de la secuencia de aminoácidos de una letra para una cadena.

      El método de cálculo fue adaptado de un programa de estudios impartido por Eric Martz.


      Midiendo las (pK_a ) - Curvas de titulación

      Los valores de (K_a ), o constantes de acidez, deben medirse mediante un experimento directo, generalmente con una titulación de pH. Se añaden cantidades conocidas de una base fuerte (NaOH) a una solución de ácido débil y se mide el pH a medida que se añade la cantidad de NaOH. A medida que se agrega la base, elimina el protón del ácido, además de aumentar el pH al eliminar los protones libres del agua. A continuación se muestra una curva de titulación.

      Curva de valoración del ácido monoprótico

      Características clave de las curvas de titulación:

      • Equivalentes:la escala del eje x para titulaciones se da en moles de base / moles de ácido. Por lo tanto, varía de 0 a 1 para un ácido que libera un protón (monoprótico), de 0 a 2 para un ácido diprótico, de 0 a 3 para un ácido triprótico.
      • Punto de equivalencia:La desprotonación completa del ácido débil se produce cuando la cantidad de base añadida es igual o equivalente al número total de protones ionizables que estaban originalmente en el ácido débil. Este punto de la titulación se denomina punto de equivalencia. El punto de equivalencia se puede utilizar para determinar la concentración del ácido.
      • Punto de inflexión (pH = (pK_a )):Puede probar a partir de la ecuación de Henderson-Hasselbalch que el cambio más pequeño en el pH ocurre cuando el pH = (pK_a ).

      Pregunta:A continuación se muestra la titulación de una solución de 0,05 L de ácido fosfórico con NaOH 1 M. ¿Es este un ácido mono, di o tri-prótico? ¿Cuáles son los (pK_a ) s individuales para cada ionización? ¿Cuál es la concentración del ácido fosfórico?

      UNA.Determine la naturaleza del ácido (monoprótico, diprótico).

      una. ácido monoprotóico debido a un punto de reflexión.

      B. ácido diprotóico debido a dos puntos de reflexión.

      C. ácido triprotóico debido a tres puntos de reflexión.

      C. (Hay tres lugares en la curva donde hay un punto de inflexión).

      En este caso, hay distintos puntos de inflexión porque los valores de (pK_a ) son considerablemente diferentes. En muchos casos, los valores individuales de (pK_a ) pueden estar lo suficientemente cerca entre sí como para que los puntos de inflexión múltiples no sean claros y ya no sea evidente un cambio abrupto en el pH entre cada ionización. El número de grupos ionizables todavía se puede determinar fácilmente si una de las ionizaciones es claramente evidente. La cantidad de base necesaria para valorar este grupo da el volumen de base para valorar un equivalente. El volumen total requerido, dividido por el volumen requerido para un equivalente, dará el número de grupos ionizables.

      Usando la titulación de fosfato como ejemplo, la última ionización comienza con 10 ml y se completa con 15 ml. Por lo tanto, 5 ml es igual a un equivalente. Dado que se requieren 15 ml para toda la titulación, este es un ácido triprótico.

      B.Determine los valores de (pK_a ).

      El primer paso es determinar los puntos de 1/2 equivalencia; en este punto, el pH = (pK_a ) ya que la concentración de ácido es igual a su base conjugada. Este es un ácido triprótico y el volumen total requerido para valorar el ácido es de 15 ml. Por lo tanto, 5 ml (15/3) es una equivalencia y 2,5 ml será el primer 1/2 punto de equivalencia (marcado como "A" en el gráfico). El 1/2 punto de equivalencia para la siguiente ionización está en 7,5 ml (2,5 + 5) y el 1/2 punto de equivalencia para la última ionización está en 12,5 ml (2,5 + 10).

      El siguiente paso es comenzar desde el punto 1/2 de equivalencia y moverse verticalmente en el gráfico hasta que se cumpla la curva de titulación (punto & quotB & quot), luego continuar horizontalmente hasta el eje y (& quotC & quot). Esto da el pH en el punto de equivalencia 1/2,

      2.2 en este caso. Los otros dos valores de (pK_a ) se obtienen de la misma manera, comenzando en 7.5 ml y 12.5 ml, dando (pK_a ) de

      C.Determine la concentración del ácido.

      Determine la cantidad de moles de base añadidos: Se requieren un total de 15 ml de NaOH 1 M para desprotonar completamente el ácido. Esto es un total de 0.015 moles de base (0.015 L x 1 mol / L = 0.015 moles).

      Dividir por # de ionizaciones para obtener los moles de ácido débil:Dado que este es un ácido triprótico, hay 0.005 moles del ácido débil (0.015 / 3)

      Dividir por el volumen de la solución para obtener la molaridad del ácido débil.El volumen de la solución que se tituló fue de 0.05 L, por lo que la concentración de ácido fosfórico es 0.005 moles / 0.05L = 0.1 M, o 100 mM.

      Alternativamente, puede reconocer que la titulación de un solo grupo del ácido requiere 5 ml de NaOH, lo que equivale a 0,005 moles, dividido por 0,05 L = 0,1 M.

      1. ¿La siguiente es una curva de titulación para qué tipo de ácido?

      Utilice el volumen necesario para valorar un grupo para definir el volumen de un equivalente.

      C. (Hay más de un punto de inflexión. La última ionización está bien separada de las demás y muestra que se requieren 10 ml de NaOH para titular un grupo. Dado que el volumen total de NaOH agregado es de 30 ml, este es un ácido triprótico).

      2. Responda las preguntas al final de esta página utilizando la siguiente curva de titulación:

      Este es un monoprótico / diprótico / triprótico.

      ¿Cuántos puntos de inflexión o regiones de amortiguación existen?

      El primer valor (pK_a ) es 6 / 6.5 / 7 / 8.5 / 10

      (PK_a ) es el pH cuando se ha agregado 1/2 equivalente.

      La concentración es de 10 mM / 20 mM / 40 mM

      Determine la cantidad de moles de NaOH para valorar un equivalente.

      diprótico (hay dos regiones tampón) 6,5 (este es el pH cuando se han añadido 1/2 equivalentes (2,5 ml)) 20 mM


      Determinación de la carga neta de aminoácidos a un pH determinado - Biología

      Todos los seres vivos son sistemas basados ​​en agua, lo que significa que dependen en gran medida de los equilibrios acuosos, especialmente los equilibrios ácido-base. Por lo tanto, todos los conceptos ácido-base y pH que hemos discutido hasta ahora son extremadamente importantes para bioquímica, que es el estudio de la química de los sistemas biológicos.

      Razones por las que deberíamos preocuparnos por el pH en los sistemas biológicos:

      • Da una medida cualitativa para muchos problemas en biología celular y campos relacionados.
      • Los grupos disociables de protones se encuentran en macromoléculas (como proteínas), así como en las moléculas pequeñas que ya hemos discutido.
      • El entorno celular siempre está amortiguado a aproximadamente pH 7
      • Los experimentos como los ensayos enzimáticos biológicos requieren un cierto pH

      Al igual que en otros sistemas ácido-base, las macromoléculas biológicas actúan como ácidos y bases donando y aceptando protones. Sin embargo, debido al tamaño de estas moléculas, a menudo contienen varios grupos diferentes que aceptan o donan protones en lugar de uno solo. Por lo tanto, hablamos de macromoléculas con grupos ácidos y básicos en lugar de ácidos y bases. Estos grupos ácidos y básicos actúan como ácidos y bases débiles, con valores de Ka que determinan el grado de disociación del grupo en función del pH del sistema. Por lo tanto, los cambios en el pH alrededor de la macromolécula determinarán qué grupos están protonados y cuáles no, lo que a su vez determina las propiedades de la molécula. Esto es especialmente importante para enzimas, que son proteínas que actúan como catalizadores de importantes reacciones biológicas. La mayoría de las enzimas solo funcionan dentro de un cierto rango de pH.

      Por ejemplo, considere una enzima con un grupo carboxilo. La estructura de ese grupo dependerá del pH:

      Si la enzima necesita ser protonada para estar activa, entonces la enzima solo funcionará en el rango de pH en el que la mayoría de las moléculas de la enzima tienen su grupo carboxilo protonado. De esta manera, el pH determina qué enzimas están activas y, por lo tanto, qué reacciones bioquímicas pueden ocurrir.

      Sistemas tampón en organismos vivos

      Debido a que todos los procesos biológicos dependen del pH, las células y los organismos deben mantener un pH específico y constante para mantener sus enzimas en el estado óptimo de protonación.

        Citoplasma & # 45 controlado por el sistema tampón de fosfato:

      Este sistema proporciona la máxima capacidad tampón cerca de pH 6,86 (el pKa de H 2 PO 4 & # 45). Proporciona el efecto amortiguador en el líquido intracelular y es importante en la orina.

      7,4 (pH & lt 6,9 y & gt7,6 son potencialmente mortales). El pH de la sangre está controlado por el sistema tampón de bicarbonato:

      CO 2 (gramo) CO 2 (aq) + H2O(l) H 2 CO 3 (aq) H + (aq) + HCO 3 y # 45 (aq)

      • [H +] aumenta
      • [H 2 CO 3] aumenta
      • [CO 2] disuelto en sangre aumenta
      • aumenta la presión de CO 2 en los pulmones
      • se produce la exhalación, restableciendo el equilibrio
      • [H +] disminuye
      • [H 2 CO 3] disminuye
      • [CO 2] disuelto en sangre disminuye
      • la presión de CO 2 en los pulmones disminuye
      • se produce la inhalación, restableciendo el equilibrio

      Principales sistemas de amortiguación del cuerpo humano

      Tampón de bicarbonato CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 & # 45 En plasma sanguíneo
      Hemoglobina Hb-H Hb - + H + Interior of red blood cells
      Phosphate buffer H 2 PO 4 - H + + HPO 4 2 - Most important in urine
      Proteína Pr-H Pr - + H + Intracellular fluid

      Aminoácidos

      Amino acids are small molecules with both an amino group and a carboxyl group. Since each of these groups can be either protonated or deprotonated, the structure of an amino acid depends on the pH of the solution it is in. At pH 7, amino acids have the following structure:

      There are twenty different amino acids that are commonly found in living systems. For the most part, these twenty amino acids differ only in their side chains:

      Amino acids can be classified into categories based on their side chains:

      • Aliphatic: Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro
      • Polar: Ser, Thr, Cys, Met, Asn, Gln
      • Aromatic: Phe, Tyr, Trp
      • Positively charged (basic): Lys, Arg, His
      • Negatively charged (acidic): Asp, Glu

      Amino acids can be joined together through condensation or dehydration reactions between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of the next. The result is a new bond between the carboxyl carbon and the amino nitrogen. This bond is called a enlace peptídico.

      Two amino acids joined together in this manner are referred to as a dipeptide. Note that two different amino acids can be joined in either of two ways: either through the amino group of the first and the carboxyl group of the second or through the carboxyl group of the first and the amino group of the second. Consider a dipeptide made up of threonine and histidine:

      We can avoid ambiguity by stating which amino acid residue is the amino terminus, the one with the free amino group, and which is the carboxyl terminus, the one with the free carboxyl group.

      Similar principles apply to peptides consisting of more than two amino acids. Three amino acids make a tripeptide, four make a tetrapeptide, five make a pentapeptide, and so on. (Note that the numerical prefix refers to the number of amino acids, no the number of peptide bonds.) When several amino acids are joined, the resulting structure is referred to as an oligopeptide, and when thousands are joined, it is called a polypeptide, o proteína.

      Proteins are extremely important to the body, acting as structural components, enzymes, hormones, and more. Thus, extreme diversity is required for proteins. This diversity comes from the fact that there are 20 different amino acids found commonly in living things. Since each position in a polypeptide can be occupied by any of these 20 amino acids, the number of possible polypeptide molecules with a length of norte amino acids is 20 norte . (Why?) This is a huge number, allowing for the necessary diversity.

      Acid-Base Properties of Amino Acids

      When in an aqueous solution, amino acids can act as both acids and bases - they are amphoteric.

      To fully describe the ionization state of an amino acid, both the individual charges and the net charge must be considered:

      If only positive charges or only negative charges are present, the molecule is described as either a cation or an anion respectively. However, both positive and negative charges can be present at the same time. When this happens, the molecule is called a dipolar ion or zwitterion . All amino acids exist as zwitterions at pH 7.0. Depending on whether the side chain is positively-charged, negatively-charged or uncharged, an amino acid zwitterion may or may not have a net charge. Note that there is no pH at which both groups are electrically neutral.

      The net charge on an amino acid is the sum of all the individual charges. The net charge can be described as monopositive, dipositive, mononegative, dinegative or isoelectric. Isoelectric means that the molecule has both positive and negative charges but no net charge, as opposed to neutral which means that no charges are present.

      The ionization state of an amino acid can be described completely and unambiguously by describing both the net charge and the individual charges (for example, the mononegative zwitterion form of aspartate). Sin embargo, for a given amino acid, there is only one form that has a given net charge, so the net charge alone can be used to describe the amino acid. (For example, the mononegative form of aspartate is by definition a zwitterion, whereas the mononegative form of lysine is an anion) This method is much less wordy, and will be used throughout this tutorial.

      The titration of an amino acid is simply a polyprotic acid titration, with the pH values at the midpoints giving the pKa's of the dissociable groups. Here is the curve for an amino acid with a non-dissociable side chain. (Note that one equivalent of NaOH is a volume of NaOH equal to the volume of amino acid being titrated.)

      Each amino acid has different pKa C and pKa N values, and those with dissociable side chains also have a pKa R .

      Click here or on the button on the menu bar for a table of pKa and pI values (see below) for the twenty common amino acids.

      Isoelectric Point and Average Molecular Charge

      The isoelectric point (pI) of a molecule such as an amino acid, peptide or protein is the pH at which it has a net charge of zero. We saw above that an amino acid with a non-dissociable side chain had a net charge of zero when the pH was halfway between the two pKa values. Thus, for an amino acid with a non-dissociable side chain,

      EJEMPLO

      Calculate the pI of methionine.

      Methionine has Ka values pKa C = 2.1 and pKa N = 9.3.

      pI = 1/2(pKa C + pKa N ) pI = 1/2(2.1 + 9.3)
      pI = 5.7

      For amino acids with acidic and basic side chains, the pI is halfway between the pKa values on either side of the isoelectric form.

      EJEMPLO

      Write equations for the dissociation of aspartate and calculate its pI.

      The isoelectric form is found after the first dissociation, between pKa C and pKa R

      pI = 1/2(pKa C + pKa R )
      pI = 1/2(2.1 + 3.9)
      pI = 3.0

      Looking at these two examples, we can see a connection between the net charge on the amino acid and the relative values of the pH and the pI:

      • If the pH is less than the pI, the amino acid will have a net positive charge.
      • If the pH is greater than the pI, the amino acid will have a net negative charge.
      • If the pH equals the pI, the amino acid will have no net charge (this is the definition of pI.)

      At certain pH's, the amino acid will have an integral charge, but most pH's are between these points and give fractional charges. There is, in fact, a continuous (though not uniform) charge gradient as the pH is changed. However, in discussing the charge on amino acids, we must remember that each individual molecule has an integral charge, not a fractional charge. The fractional charge comes from the proportions of two integrally-charged species in equilibrium, giving an promedio net fractional charge to the solution.

      For example, in a 3:1 mixture of mononegative to isoelectric forms, 3 out of every 4 molecules (75%) has a charge of - 1, and 1 out of every 4 (25%) is neutral. The average net charge is then

      Remember from Section 13 (Buffers) that the ratio between a conjugate acid and base can be obtained from the Henderson-Hasselbalch equation

      At any given pH, there will be at most two forms of an amino acid present in significant quantities, and they will be a conjugate acid-base pair. This means that their ratio can be calculated with the Henderson-Hasselbalch equation, and the average net charge on the amino acid can be calculated.

      EJEMPLO

      Find the average net charge on a solution of asparagine at pH 3.0

      First, identify the major species present:

      pH 3.0 is between pKa C, and the pI, which means that the major species present are the monopositive and isoelectric forms.

      Next, calculate the ratio of isoelectric form to monopositive form:

      pH = pKa C + log([base]/[acid])
      3.0 = 2.1 + log([base]/[acid])
      0.9 = log([base]/[acid])
      10 0.9 = [base]/[acid]
      7.94 = [base]/[acid]

      The isoelectric form is the conjugate base and the monopositive form is the conjugate acid, so the ratio of isoelectric form to monopositive form is 7.94:1.

      Finally, calculate the average net charge.

      7.94 out of 8.94 molecules (89%) are isoelectric, and 1 out of 8.94 (11%) is monopositive.

      Electrophoresis

      We can use the idea of charge variation with pH change to understand a technique called electrophoresis , which can be used to separate and identify amino acids. In this technique, a strip of paper is soaked in a buffer and attached to the terminals of a battery to generate an electric field along it. Amino acids are then placed in the centre of the paper and their migration is observed. Just like all charged objects, they will move towards the region of opposite charge. The amount of migration will be dependent on the magnitude of the charge, which is in turn dependent on the difference between the pH and the pI. If the identities of the amino acids are known, a buffer can be chosen with a pH that will cause the amino acids to migrate differently, allowing them to be separated. If not, the results of running the electrophoresis at several different pH values allows the amino acids to be identified.

      Here we see the result of running a mixture of lysine and glutamine on an electrophoresis gel at a pH of 7.6

      pI Lys = 1/2(9.1 + 10.5) = 9.8
      pI Lys > pH, so lysine is positively charged and migrates toward the cathode.

      pI Gln = 1/2(2.2 + 9.1) = 5.65
      pI Gln < pH, so glutamine is negatively charged and migrates toward the anode.

      The isoelectric point of any amino acid, peptide or protein can be measured using another type of electrophoresis called isoelectric focusing (IEF). In IEF, the molecules in question are placed on a gel with a stable pH gradient along its length. Since the pH of the surrounding medium determines the charge on the molecules, that charge will change as the molecules migrate through the pH gradient. When each molecule reaches a pH equal to its pI, it will be electrically neutral and will no longer migrate in the electric field. Thus, every molecule subjected to IEF will move to a pH equal to its pI, so by looking at the pH at which a molecule stops, its pI can be measured.