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title: "Biomoléculas: aminoácidos, azúcares, lípidos y nucleótidos"
book: "Química universitaria — segundo año"
subject: chemistry
language: es
chapter: 30
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/30-biomoleculas-aminoacidos-azucares-lipidos-y-nucleotidos
license: CC-BY-NC-SA-4.0
credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)"
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# Capítulo 30 — Biomoléculas: aminoácidos, azúcares, lípidos y nucleótidos

Un edulcorante corriente, mucho más dulce que el azúcar, está formado por dos aminoácidos unidos por un único enlace amida, uno de ellos en forma de éster metílico: el ácido aspártico y la fenilalanina, ambos con la configuración que usan las células vivas. Las moléculas de la vida se construyen a partir de unas pocas familias de unidades pequeñas, aminoácidos, azúcares, [ácidos grasos](#def-b2-biomolecules-lipid) y [nucleótidos](#def-b2-biomolecules-nucleotide), unidas por las reacciones de los capítulos anteriores: amidas, acetales, ésteres. Este capítulo las lee como lo hace un químico orgánico: grupos funcionales, estereoquímica, comportamiento ácido–base, y las reacciones que las unen y las cortan.

**Lo que ya sabes.**

El volumen del primer año: reglas CIP, proyecciones de Fischer, quiralidad, hemiacetales y acetales, $\mathrm pK_a$ y diagramas de distribución, moléculas anfífilas, ley de Biot. [Capítulo 24](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#ch-b2-acyl-substitution): amidas, ésteres, [saponificación](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-saponification), ácidos activados. [Capítulo 23](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/23-aminas-y-compuestos-nitrogenados#ch-b2-amines): las aminas como bases. [Capítulo 28](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/28-retrosintesis-y-estrategia-en-varias-etapas#ch-b2-retrosynthesis): grupos protectores en una ruta.

## 30.1 Aminoácidos

**Definición 30.1 (Aminoácidos).**

Un *$\alpha$-aminoácido* $\ce{H2N-CHR-COOH}$ lleva un grupo amino y un grupo ácido carboxílico sobre el mismo carbono; $\ce{R}$ es su *cadena lateral*. En agua, cerca de pH neutro, existe como *ion dipolar* (zwitterión), $\ce{H3N+-CHR-COO-}$, que lleva una carga positiva y una negativa. El *punto isoeléctrico* pI es el pH al que su carga neta media es nula.

Veinte aminoácidos construyen las proteínas de los seres vivos. Todos salvo la glicina ($\ce{R = H}$) son quirales, y los naturales tienen la configuración L ([Definición 30.8](#def-b2-biomolecules-d-l)). Sus [cadenas laterales](#def-b2-biomolecules-amino-acid) los clasifican en familias: apolares (alanina, $\ce{R = CH3}$; fenilalanina, $\ce{R = CH2C6H5}$), polares, ácidos (ácidos aspártico y glutámico, con un segundo grupo carboxílico) y básicos (lisina, con un segundo grupo amino; histidina, con un anillo de imidazol).

**Proposición 30.2 (Punto isoeléctrico).**

Para un aminoácido con una [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) que no es ni ácida ni básica, $\mathrm{pI} = (\mathrm pK_{a1} +
\mathrm pK_{a2})/2$, donde $\mathrm pK_{a1}$ corresponde al grupo carboxílico y $\mathrm pK_{a2}$ al grupo amonio. Para una [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) ácida o básica, el pI es la media de los dos $\mathrm pK_a$ que enmarcan la forma neutra.

**Demostración.** Escríbase $\ce{H2A+}$ para el catión, $\ce{HA}$ para el [ion dipolar](#def-b2-biomolecules-amino-acid) y $\ce{A-}$ para el anión. La carga neta es nula cuando $[\ce{H2A+}] = [\ce{A-}]$. De $K_{a1} = [\ce{HA}]h/[\ce{H2A+}]$ y $K_{a2} =
[\ce{A-}]h/[\ce{HA}]$, con $h = [\ce{H3O+}]$, la razón $[\ce{H2A+}]/[\ce{A-}] = h^2/(K_{a1}K_{a2})$ vale 1 para $h^2 = K_{a1}K_{a2}$, es decir, $\mathrm{pH} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$. Con un tercer grupo ionizable, el mismo argumento se aplica a los dos equilibrios situados a ambos lados de la forma neutra, pues el tercer grupo está entonces totalmente en un solo estado. ∎

Para la glicina, $\mathrm pK_{a1} = 2.35$ y $\mathrm pK_{a2} = 9.78$: pI $\approx 6.1$. El ácido aspártico (2.0, 3.9, 9.9) tiene pI $\approx 3.0$; la lisina (2.2, 9.1, 10.7) tiene pI $\approx 9.9$.

![Izquierda: carga neta de tres aminoácidos en función del pH, a partir de sus pK_a a 25 C; cada curva corta el cero en el pI. Derecha: las tres formas de la glicina, H3N+CH2COOH, H3N+CH2COO- y H2NCH2COO-; el ion dipolar predomina aproximadamente de pH 3 a pH 9.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-c184d0940a48.svg)

![Izquierda: carga neta de tres aminoácidos en función del pH, a partir de sus pK_a a 25 C; cada curva corta el cero en el pI. Derecha: las tres formas de la glicina, H3N+CH2COOH, H3N+CH2COO- y H2NCH2COO-; el ion dipolar predomina aproximadamente de pH 3 a pH 9.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-620c4c09e29a.svg)

*Izquierda: carga neta de tres aminoácidos en función del pH, a partir de sus $\mathrm pK_a$ a $25{}^{\circ}\mathrm{C}$; cada curva corta el cero en el pI. Derecha: las tres formas de la glicina, $\ce{H3N+CH2COOH}$, $\ce{H3N+CH2COO-}$ y $\ce{H2NCH2COO-}$; el [ion dipolar](#def-b2-biomolecules-amino-acid) predomina aproximadamente de pH 3 a pH 9.*

**Método 30.3 (Carga neta a un pH dado).**

1. Enumérense todos los grupos ionizables con su $\mathrm pK_a$ : el $\ce{NH3+}$ y el $\ce{COOH}$ terminales, y las [cadenas laterales](#def-b2-biomolecules-amino-acid) ionizables.
2. Para cada grupo, compárense el pH y el $\mathrm pK_a$ : un grupo está mayoritariamente protonado por debajo de su $\mathrm pK_a$ , y mayoritariamente desprotonado por encima (a más de 1 unidad: más del 90 %).
3. Súmense las cargas: $\ce{NH3+}$ $+1$ , $\ce{NH2}$ 0, $\ce{COOH}$ 0, $\ce{COO-}$ $-1$ (imidazolio $+1$ ).
4. Cerca de un $\mathrm pK_a$ , cuéntese ese grupo como medio cargado; para un valor exacto, úsense las fracciones $1/(1 + 10^{\mathrm pK_a - \mathrm{pH}})$ .

## 30.2 Péptidos

**Definición 30.4 (Péptidos).**

El enlace amida formado entre el grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino de otro es un *enlace peptídico*; una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos es un *péptido* (una proteína cuando es largo), que se escribe desde su extremo amino libre (N-terminal) hasta su extremo carboxílico libre (C-terminal). Un *acoplamiento peptídico* forma un enlace peptídico en el laboratorio con un *agente de acoplamiento*, un reactivo que convierte el grupo carboxílico en un derivado activado en condiciones suaves (una carbodiimida, por ejemplo).

![Las dos estructuras de resonancia del enlace peptídico. El par no enlazante del nitrógeno se comparte con el carbonilo: el enlace C-N tiene un carácter parcial de doble enlace, y los seis átomos C, C, O, N, H, C están en un mismo plano.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-435742d7b042.svg)

*Las dos estructuras de resonancia del [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide). El par no enlazante del nitrógeno se comparte con el carbonilo: el enlace $\ce{C-N}$ tiene un carácter parcial de doble enlace, y los seis átomos C, C, O, N, H, C están en un mismo plano.*

**Proposición 30.5 (Un enlace plano).**

El [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide) es plano, la rotación en torno al enlace $\ce{C-N}$ está restringida, y el nitrógeno de la amida no es ni básico ni nucleófilo.

**Argumento.** La segunda estructura de resonancia da al enlace $\ce{C-N}$ una parte de carácter de doble enlace: hacerlo girar rompería el solapamiento del par no enlazante del nitrógeno con el sistema $\pi$ $\ce{C=O}$, lo que cuesta energía, de modo que los átomos que lo rodean permanecen en un mismo plano, siendo la disposición trans (los dos carbonos de la cadena a lados opuestos del enlace $\ce{C-N}$) la habitual. El par no enlazante comprometido en la resonancia no está disponible para un protón ni para un electrófilo, como en toda amida ([Capítulo 24](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#ch-b2-acyl-substitution)). Las proteínas se pliegan en torno a cadenas de estos planos rígidos. ∎

**Proposición 30.6 (Por qué proteger y activar).**

Obtener un dipéptido dado a partir de dos aminoácidos requiere a la vez proteger los grupos que no deben reaccionar y activar el grupo carboxílico que sí debe hacerlo.

**Argumento.** Un ácido carboxílico y una amina mezclados a temperatura ambiente dan una sal, no una amida; calentar para eliminar el agua racemizaría además los aminoácidos. Hace falta, por tanto, una activación (un [cloruro de acilo](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-derivative), un anhídrido o un [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide)). Pero cada aminoácido tiene ambos grupos: activar una mezcla de glicina y alanina daría Gly–Ala, Ala–Gly, Gly–Gly, Ala–Ala y cadenas más largas. Bloquear la amina del primero y el ácido del segundo deja un único enlace posible. ∎

**Método 30.7 (Síntesis de un dipéptido).**

1. Protéjase el grupo amino del aminoácido N-terminal (como carbamato, por ejemplo un grupo *terc* -butoxicarbonilo).
2. Protéjase el grupo carboxílico del aminoácido C-terminal (como éster metílico o bencílico), y toda [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) reactiva.
3. Actívese el grupo carboxílico libre con un [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide) y añádase el compañero protegido: se forma un [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide) .
4. Elimínense los grupos protectores, preferiblemente un conjunto ortogonal ( [Definición 28.7](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/28-retrosintesis-y-estrategia-en-varias-etapas#def-b2-retrosynthesis-orthogonal) ); para continuar, elimínese solo la protección de la amina y repítase.

Repetir el ciclo muchas veces en disolución exigiría una purificación en cada etapa. En la síntesis en fase sólida, la cadena en crecimiento está unida por su extremo C-terminal a una perla de [polímero](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/29-polimeros-sintesis-estructura-y-propiedades#def-b2-polymer-synthesis-polymer); los reactivos en exceso y los subproductos se eliminan por lavado tras cada acoplamiento, y el [péptido](#def-b2-biomolecules-peptide) terminado se separa del soporte al final.

![Huevos friéndose. Las proteínas de la clara se despliegan al calentarse y se unen unas con otras: el líquido translúcido se convierte en un sólido blanco y opaco. No se rompe ningún enlace peptídico; el cambio está en la manera en que se pliegan las cadenas (ilustración).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/img-1204f7bcf2a1.jpg)

*Huevos friéndose. Las proteínas de la clara se despliegan al calentarse y se unen unas con otras: el líquido translúcido se convierte en un sólido blanco y opaco. No se rompe ningún [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide); el cambio está en la manera en que se pliegan las cadenas (ilustración).*

## 30.3 Glúcidos

**Definición 30.8 (D y L).**

Un azúcar o un aminoácido se dibuja en proyección de Fischer con su carbono más oxidado arriba. Es D si el $\ce{OH}$ del estereocentro más alejado de la parte superior (o, para un $\alpha$-aminoácido, el $\ce{NH2}$ del carbono $\alpha$) apunta a la derecha, y L si apunta a la izquierda. Estos descriptores comparan configuraciones con la del gliceraldehído; no son los descriptores CIP.

**Definición 30.9 (Monosacáridos).**

Un *monosacárido* es un polihidroxialdehído o una polihidroxicetona, normalmente $\ce{C_nH_{2n}O_n}$ con $n$ de 3 a 7, que no puede hidrolizarse en azúcares más pequeños. Una *aldosa* tiene un grupo aldehído en C1, y una *cetosa*, un grupo cetona, normalmente en C2. La glucosa es una aldohexosa, y la fructosa, una cetohexosa.

En agua una aldohexosa es casi totalmente cíclica: el $\ce{OH}$ de C5 se adiciona al aldehído y forma un anillo hemiacetálico de seis eslabones (una piranosa). La ciclación crea un nuevo estereocentro en C1.

**Definición 30.10 (Anómeros).**

En una *proyección de Haworth* el anillo de un azúcar cíclico se dibuja plano, perpendicular a la página, con su oxígeno atrás a la derecha y sus sustituyentes por encima o por debajo del anillo. El carbono hemiacetálico (C1 de una [aldosa](#def-b2-biomolecules-sugar)) es el *carbono anomérico*; las dos configuraciones que puede adoptar dan dos diastereoisómeros, los *anómeros*: para un azúcar D, el $\alpha$ tiene el $\ce{OH}$ anomérico por debajo del anillo (opuesto al $\ce{CH2OH}$), y el $\beta$, por encima. En agua los anómeros se interconvierten a través de la cadena abierta, y la rotación óptica de un anómero recién disuelto deriva hacia un valor de equilibrio: es la *mutarrotación*.

![La D-glucosa. Izquierda: la cadena abierta en proyección de Fischer, con el OH de C5 a la derecha (D). Centro y derecha: los dos anómeros piranosa en proyección de Haworth; los grupos situados a la derecha en la proyección de Fischer apuntan hacia abajo, los de la izquierda hacia arriba, y C5 lleva el CH2OH hacia arriba. Los anómeros solo difieren en C1. Se omiten los hidrógenos de C2 a C5.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-cf6efa355cfd.svg)

![La D-glucosa. Izquierda: la cadena abierta en proyección de Fischer, con el OH de C5 a la derecha (D). Centro y derecha: los dos anómeros piranosa en proyección de Haworth; los grupos situados a la derecha en la proyección de Fischer apuntan hacia abajo, los de la izquierda hacia arriba, y C5 lleva el CH2OH hacia arriba. Los anómeros solo difieren en C1. Se omiten los hidrógenos de C2 a C5.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-0f2da3e1362d.svg)

![La D-glucosa. Izquierda: la cadena abierta en proyección de Fischer, con el OH de C5 a la derecha (D). Centro y derecha: los dos anómeros piranosa en proyección de Haworth; los grupos situados a la derecha en la proyección de Fischer apuntan hacia abajo, los de la izquierda hacia arriba, y C5 lleva el CH2OH hacia arriba. Los anómeros solo difieren en C1. Se omiten los hidrógenos de C2 a C5.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-a6a5c60d569d.svg)

*La D-glucosa. Izquierda: la cadena abierta en proyección de Fischer, con el $\ce{OH}$ de C5 a la derecha (D). Centro y derecha: los dos [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) piranosa en [proyección de Haworth](#def-b2-biomolecules-anomer); los grupos situados a la derecha en la proyección de Fischer apuntan hacia abajo, los de la izquierda hacia arriba, y C5 lleva el $\ce{CH2OH}$ hacia arriba. Los [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) solo difieren en C1. Se omiten los hidrógenos de C2 a C5.*

**Método 30.11 (De Fischer a Haworth (D-aldopiranosa)).**

1. Dibújese el anillo con O atrás a la derecha, C1 a la derecha, y luego C2, C3, C4 en el sentido de las agujas del reloj por delante y a la izquierda, con C5 atrás a la izquierda.
2. Los grupos situados a la derecha en la proyección de Fischer van hacia abajo, y los de la izquierda, hacia arriba.
3. En C5 (serie D), el $\ce{CH2OH}$ va hacia arriba.
4. En C1, el $\ce{OH}$ va hacia abajo para $\alpha$ y hacia arriba para $\beta$ .

**Proposición 30.12 (Equilibrio de mutarrotación).**

Si las rotaciones específicas de los [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) puros son $[\alpha]_\alpha$ y $[\alpha]_\beta$ y la de la mezcla en equilibrio es $[\alpha]_{\mathrm{eq}}$, la fracción molar del anómero $\alpha$ en el equilibrio es

$$
x_\alpha = \frac{[\alpha]_{\mathrm{eq}} - [\alpha]_\beta}{[\alpha]_\alpha - [\alpha]_\beta}.
$$

**Demostración.** La cadena abierta es una fracción ínfima de la mezcla y se desprecia. Las rotaciones de los dos [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) se suman en proporción a sus concentraciones (ley de Biot, volumen del primer año); como tienen la misma masa molar, $[\alpha]_{\mathrm{eq}} = x_\alpha[\alpha]_\alpha + (1 - x_\alpha)[\alpha]_\beta$, que se resuelve para $x_\alpha$. ∎

La D-glucosa en equilibrio en agua tiene $[\alpha] = +52.7$ (en ${}^{\circ}\,\mathrm{dm}^{-1}\,\mathrm{g}^{-1}\,\mathrm{mL}$). Con rotaciones de los [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) de $+112$ y $+18.7$ (datos de ejercicio), $x_\alpha = (52.7 - 18.7)/(112 - 18.7)
\approx 0.36$: un 36 % de $\alpha$ y un 64 % de $\beta$, aproximadamente. El anómero $\beta$, con todos sus sustituyentes ecuatoriales en la silla, es el más estable.

**Definición 30.13 (Glicósidos).**

Un *glicósido* es el acetal que se forma cuando el $\ce{OH}$ anomérico de un azúcar se sustituye por un grupo $\ce{OR}$ procedente de un alcohol, a menudo otro azúcar; el enlace del [carbono anomérico](#def-b2-biomolecules-anomer) con ese oxígeno es el *enlace glicosídico*. Un *azúcar reductor* es el que reduce oxidantes suaves como el licor de Fehling o el reactivo de Tollens.

**Proposición 30.14 (Reductor o no).**

Un azúcar con un grupo hemiacetal (o hemicetal) libre es reductor; un [glicósido](#def-b2-biomolecules-glycoside) cuyos [carbonos anoméricos](#def-b2-biomolecules-anomer) están todos comprometidos en [enlaces glicosídicos](#def-b2-biomolecules-glycoside) no lo es.

**Argumento.** Un hemiacetal está en equilibrio con la cadena abierta, cuyo grupo aldehído es oxidado por el reactivo; el equilibrio abre entonces más anillos hasta que ha reaccionado todo el azúcar. Un acetal no se abre en agua neutra o básica: el [carbono anomérico](#def-b2-biomolecules-anomer) queda bloqueado, sin aldehído que oxidar. ∎

La maltosa (dos glucosas, el C1 de una unido al O4 de la otra) conserva un hemiacetal libre y es reductora; la sacarosa une entre sí los [carbonos anoméricos](#def-b2-biomolecules-anomer) de la glucosa y de la fructosa y no lo es. El almidón y la celulosa son ambos cadenas de glucosa unidas C1–O4: $\alpha$ en el almidón, que se enrolla y se digiere; $\beta$ en la celulosa, cuyas cadenas rectas se empaquetan en fibras unidas por enlaces de hidrógeno.

## 30.4 Lípidos

**Definición 30.15 (Lípidos).**

Un *ácido graso* es un ácido carboxílico de cadena larga no ramificada, normalmente de 12 a 22 carbonos, saturada o con dobles enlaces (*Z*). Un *triglicérido* es el triéster del propano-1,2,3-triol (glicerol) con tres ácidos grasos. Un *fosfolípido* es un diéster del glicerol con dos ácidos grasos cuya tercera posición lleva un grupo fosfato unido a un pequeño grupo polar.

Los dobles enlaces (*Z*) doblan las cadenas, que entonces se empaquetan mal: el ácido esteárico (18 carbonos, saturado) funde a $69{}^{\circ}\mathrm{C}$, y el ácido oleico (18 carbonos, un doble enlace *Z*), a $13{}^{\circ}\mathrm{C}$. Las grasas ricas en cadenas saturadas son sólidas a temperatura ambiente; los aceites, ricos en cadenas insaturadas, son líquidos. Los [triglicéridos](#def-b2-biomolecules-lipid) se saponifican en glicerol y jabones ([Capítulo 24](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#ch-b2-acyl-substitution)).

![Una bicapa de fosfolípidos, esquema: las cabezas polares miran al agua por ambos lados, y las colas hidrocarbonadas se encuentran en el interior. Las membranas celulares se construyen sobre esta estructura; los jabones, con una cola por cabeza, forman en cambio pequeñas esferas con las colas en el interior, llamadas micelas.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-ff985e9c2799.svg)

*Una bicapa de [fosfolípidos](#def-b2-biomolecules-lipid), esquema: las cabezas polares miran al agua por ambos lados, y las colas hidrocarbonadas se encuentran en el interior. Las membranas celulares se construyen sobre esta estructura; los jabones, con una cola por cabeza, forman en cambio pequeñas esferas con las colas en el interior, llamadas micelas.*

## 30.5 Nucleótidos

**Definición 30.16 (Nucleótidos).**

Una *base nitrogenada* es un heterociclo nitrogenado: la adenina (A) y la guanina (G), purinas; la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U), pirimidinas. Un *nucleósido* es una base nitrogenada unida por un nitrógeno al C1 de la ribosa o de la 2-desoxirribosa (un $N$-glicósido). Un *nucleótido* es un éster fosfórico de un nucleósido. En los ácidos nucleicos los nucleótidos están unidos por *enlaces fosfodiéster*: un fosfato une el O3 de un azúcar con el O5 del siguiente.

El ADN usa 2-desoxirribosa y las bases A, G, C, T; el ARN usa ribosa y U en lugar de T. La cadena tiene un sentido, de su extremo 5$'$ a su extremo 3$'$, y los fosfatos, ionizados a pH fisiológico, la convierten en un polianión. Dos hebras de ADN discurren en sentidos opuestos y se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre bases enfrentadas.

**Proposición 30.17 (Apareamiento de bases).**

En el ADN bicatenario, la adenina se aparea con la timina mediante dos enlaces de hidrógeno, y la guanina con la citosina mediante tres.

**Argumento.** Los pares son aquellos cuyos bordes hacen coincidir dadores ($\ce{N-H}$) con aceptores (oxígeno de $\ce{C=O}$, nitrógeno del anillo) a las distancias adecuadas, con una purina frente a una pirimidina para que todos los pares tengan la misma anchura. A ofrece $\ce{N-H}$ (su grupo amino) y un $\ce{N}$ del anillo; T ofrece $\ce{C=O}$ y $\ce{N-H}$: dos enlaces. G ofrece $\ce{C=O}$, $\ce{N-H}$ y $\ce{N-H}$ (amino); C ofrece $\ce{N-H}$ (amino), $\ce{N}$ y $\ce{C=O}$: tres enlaces. La figura los muestra. ∎

![Los dos pares de bases del ADN. Izquierda: timina y adenina, dos enlaces de hidrógeno (punteados). Derecha: citosina y guanina, tres. R es la desoxirribosa de cada hebra; los dos grupos R de un par apuntan hacia el mismo lado, hacia los dos esqueletos.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/fig-fcc2635bae7c.svg)

*Los dos pares de bases del ADN. Izquierda: timina y adenina, dos enlaces de hidrógeno (punteados). Derecha: citosina y guanina, tres. R es la desoxirribosa de cada hebra; los dos grupos R de un par apuntan hacia el mismo lado, hacia los dos esqueletos.*

**Historia — Los azúcares, 1891.**

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-biomolecules/img-b204aaeb5672.jpg)

Emil Fischer estableció, hacia 1891, las configuraciones de la glucosa y de sus isómeros, antes de que ningún método físico pudiera ver una molécula: convirtiendo unos azúcares en otros y contando los estereoisómeros obtenidos. La proyección que inventó para escribirlos aún lleva su nombre. Preparó también los primeros [péptidos](#def-b2-biomolecules-peptide) sintéticos, y recibió el Premio Nobel de Química de 1902. (Retrato: Atelier Victoria, Berlín, hacia 1895, dominio público; Wikimedia Commons.)

## 30.6 Ejercicios

**Ejercicio 30.1 ★.**

Dibújese la alanina como [ion dipolar](#def-b2-biomolecules-amino-acid), y luego las formas que predominan a pH 1 y a pH 12.

**Solución de Ejercicio 30.1.**

- Entre pH 3 y 9, el [ion dipolar](#def-b2-biomolecules-amino-acid) $\ce{H3N+-CH(CH3)-COO-}$ .
- A pH 1, el catión $\ce{H3N+-CH(CH3)-COOH}$ .
- A pH 12, el anión $\ce{H2N-CH(CH3)-COO-}$ .

**Ejercicio 30.2 ★.**

Calcúlese el [punto isoeléctrico](#def-b2-biomolecules-amino-acid) de la glicina, y el de la alanina ($\mathrm pK_a$ 2.35 y 9.87).

**Solución de Ejercicio 30.2.**

Glicina: $(2.35 + 9.78)/2 \approx 6.1$. Alanina: $(2.35 + 9.87)/2 \approx 6.1$.

**Ejercicio 30.3 ★.**

Dibújese el dipéptido Ala–Gly y rodéese con un círculo su [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide). ¿En qué se diferencia de Gly–Ala?

**Solución de Ejercicio 30.3.**

$\ce{H2N-CH(CH3)-CO-NH-CH2-COOH}$: la alanina aporta el extremo N-terminal, y la glicina, el C-terminal. Gly–Ala, $\ce{H2N-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH}$, es un isómero de constitución: el grupo amino libre está en la glicina.

**Ejercicio 30.4 ★.**

En una proyección de Fischer con el $\ce{COOH}$ arriba y la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) $\ce{CH2OH}$ abajo, el $\ce{NH2}$ de la serina apunta a la izquierda. ¿Es D o L? Dese su descriptor CIP.

**Solución de Ejercicio 30.4.**

$\ce{NH2}$ a la izquierda: L. Prioridades $\ce{NH2}$ > $\ce{COOH}$ > $\ce{CH2OH}$ > $\ce{H}$: la L-serina es (*S*).

**Ejercicio 30.5 ★★.**

Dese la carga neta del tripéptido Lys–Gly–Asp a pH 1, 7 y 12.

**Solución de Ejercicio 30.5.**

Grupos: amonio N-terminal (unos 9), [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) de la lisina (10.7), [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) del aspartato (3.9), grupo carboxílico C-terminal (unos 2). pH 1: $+1 +1 + 0 + 0 = +2$. pH 7: $+1 +1 -1 -1 = 0$. pH 12: $0 + 0 - 1 - 1 = -2$ (la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) de la lisina, 1.3 unidades por debajo de pH 12, es mayoritariamente neutra).

**Ejercicio 30.6 ★★.**

¿Por qué se usa un [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide) para formar un [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide), en lugar de un [cloruro de acilo](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-derivative) del aminoácido protegido preparado con cloruro de tionilo y calentado?

**Solución de Ejercicio 30.6.**

El cloruro de tionilo y el calor atacarían también otros grupos y, sobre todo, el [cloruro de acilo](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-derivative), muy reactivo, de un aminoácido pierde fácilmente su configuración (el hidrógeno $\alpha$ se vuelve ácido): el [péptido](#def-b2-biomolecules-peptide) quedaría parcialmente racemizado. Un [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide) activa el ácido a temperatura ambiente, en condiciones suaves.

**Ejercicio 30.7 ★★.**

La D-fructosa se cicla a través del $\ce{OH}$ de su C5 sobre la cetona de C2. Indíquese el tamaño del anillo y dibújese la $\beta$-D-fructofuranosa en [proyección de Haworth](#def-b2-biomolecules-anomer).

**Solución de Ejercicio 30.7.**

O5 unido a C2: un anillo de C2, C3, C4, C5 y O, de cinco átomos (una furanosa). En [proyección de Haworth](#def-b2-biomolecules-anomer), el O del anillo atrás, C2 a la derecha con el $\ce{CH2OH}$ (C1) hacia abajo y el $\ce{OH}$ hacia arriba ($\beta$); el $\ce{OH}$ de C3 hacia arriba (a la izquierda en Fischer), el $\ce{OH}$ de C4 hacia abajo, y C5 con el $\ce{CH2OH}$ (C6) hacia arriba.

**Ejercicio 30.8 ★★.**

Los [anómeros](#def-b2-biomolecules-anomer) puros de la D-galactosa tienen rotaciones específicas de $+150.7$ ($\alpha$) y $+52.8$ ($\beta$), y la mezcla en equilibrio, $+80.2$ (datos de ejercicio). Calcúlese la composición en el equilibrio.

**Solución de Ejercicio 30.8.**

$x_\alpha = (80.2 - 52.8)/(150.7 - 52.8) = 27.4/97.9 \approx 0.28$: 28 % de $\alpha$, 72 % de $\beta$.

**Ejercicio 30.9 ★★.**

Explíquese por qué la maltosa reduce el licor de Fehling y la sacarosa no, y por qué la sacarosa sí lo hace tras calentarla con ácido diluido.

**Solución de Ejercicio 30.9.**

La maltosa conserva un hemiacetal libre en su segunda glucosa, que se abre a un aldehído: es reductora. En la sacarosa ambos [carbonos anoméricos](#def-b2-biomolecules-anomer) están comprometidos en el [enlace glicosídico](#def-b2-biomolecules-glycoside): sin hemiacetal, no es reductora. El ácido diluido hidroliza el [enlace glicosídico](#def-b2-biomolecules-glycoside), un acetal: se liberan glucosa y fructosa, y ambas son reductoras.

**Ejercicio 30.10 ★★★.**

El índice de [saponificación](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-saponification) de una grasa es la masa de hidróxido de potasio, en mg, que saponifica 1 g de ella. Calcúlese para la trioleína, $\ce{C57H104O6}$, y explíquese por qué una grasa de cadenas más cortas tiene un valor más alto.

**Solución de Ejercicio 30.10.**

La trioleína, $885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$, consume tres $\ce{KOH}$ ($56.105\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): $3 \times 56.105/885.45 =
0.190$ g por g, un índice de [saponificación](https://one-course.com/books/chemistry/3/es/chapter/24-derivados-de-los-acidos-carboxilicos#def-b2-acyl-substitution-saponification) de 190. Cadenas más cortas implican una masa molar menor para los mismos tres grupos éster: más moles de grasa por gramo, más KOH.

**Ejercicio 30.11 ★★★.**

Planifíquese la síntesis de Gly–Ala a partir de glicina y alanina: grupos protectores, activación, acoplamiento, desprotección, con un par ortogonal.

**Solución de Ejercicio 30.11.**

Protéjase la amina de la glicina como carbamato de *terc*-butoxicarbonilo, y el ácido de la alanina como éster metílico. Acóplese con una carbodiimida. Elimínense el carbamato con ácido y el éster con base diluida (condiciones ortogonales, de modo que cualquiera de los dos extremos puede liberarse por separado): Gly–Ala.

**Ejercicio 30.12 ★★★.**

Escríbase la hebra complementaria de 5$'$-ATGCGT-3$'$, a partir de su extremo 5$'$, y cuéntense los enlaces de hidrógeno que mantienen unida la doble hebra.

**Solución de Ejercicio 30.12.**

5$'$-ACGCAT-3$'$ (leída en antiparalelo: A se aparea con T, y G con C). Pares: A–T, T–A, G–C, C–G, G–C, T–A: $3 \times 2 + 3 \times 3 = 15$ enlaces de hidrógeno.

## 30.7 Problema: el aspartamo

**Problema 30.1.**

Problema de fin de semana — los dos aminoácidos y sus configuraciones, la carga del dipéptido en función del pH, su síntesis y el problema $\alpha$/$\beta$, y su hidrólisis en un refresco

El aspartamo es el éster metílico del dipéptido formado por el grupo $\alpha$-carboxílico del ácido L-aspártico con el grupo amino de la L-fenilalanina. Datos: $\mathrm pK_a$ del ácido aspártico 2.0, 3.9 y 9.9 (valores modelo para los grupos del dipéptido). Masas molares ($\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999.

**Parte I — Los dos aminoácidos.**

1. Nómbrense los tres compuestos que libera la hidrólisis completa del aspartamo.
2. Dibújense el ácido L-aspártico y la L-fenilalanina en proyección de Fischer.
3. Dese el descriptor CIP de cada estereocentro.
4. ¿Cuántos estereoisómeros tiene el aspartamo?
5. Dibújese el aspartamo y señálense el [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide) y el éster.
6. ¿Por qué es importante la configuración de cada aminoácido para el sabor dulce?

**Parte II — La carga en función del pH.**

7. Enumérense los grupos ionizables del aspartamo. ¿Por qué el extremo C-terminal no es uno de ellos?
8. Con los valores modelo, dese la carga neta a pH 2.
9. Lo mismo a pH 7.
10. Lo mismo a pH 12.
11. Estímese el [punto isoeléctrico](#def-b2-biomolecules-amino-acid) en este modelo.
12. ¿Por qué los verdaderos valores de $\mathrm pK_a$ del dipéptido diferirían de los del ácido aspártico libre?

**Parte III — Síntesis.**

13. ¿Por qué no pueden simplemente calentarse juntos el ácido aspártico y el éster metílico de la fenilalanina?
14. ¿Qué grupos del ácido aspártico deben protegerse?
15. ¿Qué le hace un [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide) al grupo carboxílico libre?
16. El ácido aspártico tiene dos grupos carboxílicos. ¿Qué se forma si se acopla el equivocado?
17. Propóngase una protección ortogonal que deje libre solo el grupo $\alpha$ -carboxílico, y su eliminación.
18. ¿Por qué no debe dejarse demasiado tiempo el aminoácido activado en condiciones básicas?
19. Escríbase la secuencia de etapas.

**Parte IV — Hidrólisis en un refresco.**

20. ¿Qué enlaces del aspartamo pueden hidrolizarse en una bebida ácida? ¿Cuál se rompe primero?
21. Dense los productos de la hidrólisis del éster solo.
22. ¿Por qué un refresco viejo sabe menos dulce?
23. Calcúlese la masa molar del aspartamo, $\ce{C14H18N2O5}$ .
24. Calcúlese la cantidad de aspartamo en una lata que contiene $180\,\mathrm{mg}$ .
25. Indíquese la masa de metanol liberada por la hidrólisis completa de $180\,\mathrm{mg}$ de aspartamo.

**Solución de Problema 30.1.**

**1.** Ácido L-aspártico, L-fenilalanina y metanol. **2.** En ambos, $\ce{COOH}$ arriba, la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) abajo ($\ce{CH2COOH}$, $\ce{CH2C6H5}$), y el $\ce{NH2}$ a la izquierda. **3.** (*S*) para ambos. **4.** Dos estereocentros: cuatro estereoisómeros. **5.** $\ce{H2N-CH(CH2COOH)-CO-NH-CH(CH2C6H5)-COOCH3}$: el [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide) une los dos restos; el éster es el $\ce{COOCH3}$ del extremo C-terminal. **6.** Los receptores del gusto son quirales: se unen a un estereoisómero y no a su imagen especular ni a sus diastereoisómeros, como decía la introducción. **7.** El $\ce{NH3+}$ N-terminal y el $\ce{COOH}$ de la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) del ácido aspártico; el ácido C-terminal es un éster metílico, sin hidrógeno ácido. **8.** A pH 2: $\ce{NH3+}$ ($+1$), $\ce{COOH}$ de la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) (0): $+1$. **9.** A pH 7: $+1 - 1 = 0$. **10.** A pH 12: $0 - 1 = -1$. **11.** Entre los dos $\mathrm pK_a$ de los grupos que cambian: $(3.9 + 9.9)/2 \approx 6.9$. **12.** En el dipéptido el carbono de la amina lleva una amida en lugar de un carboxilato: los grupos y cargas vecinos cambian, y con ellos los $\mathrm pK_a$ (el amonio N-terminal de un [péptido](#def-b2-biomolecules-peptide) es claramente más ácido que el de un aminoácido libre). El modelo da la forma, no los valores exactos. **13.** El ácido y la amina forman primero una sal; calentar daría mezclas (Asp–Asp, cadenas más largas, el grupo carboxílico equivocado) y racemizaría los estereocentros. **14.** Su grupo amino y el grupo carboxílico de su [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid). **15.** Convierte el $\ce{OH}$ del ácido en un buen grupo saliente, un derivado activado que la amina ataca a temperatura ambiente (sustitución de acilo). **16.** El $\beta$-dipéptido, unido a través de la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid): un isómero del aspartamo, no el aspartamo. **17.** La amina como carbamato de benciloxicarbonilo y la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid) como éster bencílico: ambos se eliminan a la vez por hidrogenólisis sobre paladio, que deja intacto el éster metílico (ortogonal a él). **18.** Un ácido activado tiene un hidrógeno $\alpha$ ácido; la base lo arranca y el estereocentro se racemiza. **19.** Protéjase el ácido aspártico (carbamato sobre N, éster bencílico en la [cadena lateral](#def-b2-biomolecules-amino-acid)); actívese el $\alpha$-$\ce{COOH}$ libre con el [agente de acoplamiento](#def-b2-biomolecules-peptide); añádase el éster metílico de la L-fenilalanina; hidrogenolícese. **20.** El éster metílico y el [enlace peptídico](#def-b2-biomolecules-peptide); primero el éster, pues una amida es mucho menos reactiva. **21.** El dipéptido Asp–Phe (ácido libre) y metanol. **22.** La molécula dulce se consume: sus productos de hidrólisis no la sustituyen. **23.** $14 \times 12.011 + 18 \times 1.008 + 2 \times 14.007 + 5 \times 15.999 =
294.307\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$. **24.** $0.180/294.307 = 6.116 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$, $0.612\,\mathrm{mmol}$. **25.** Un metanol por aspartamo: $0.6116 \times 32.042 = \boldsymbol{\approx 19.6\,\mathrm{mg}}$ de metanol. methanol.