Universidad de Buenos Aires Facultad de Agronomía BIOMOLÉCULAS CÁTEDRA DE QUÍMICA DE BIOMOLÉCULAS Profesores: Dra. Ma
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Universidad de Buenos Aires Facultad de Agronomía
BIOMOLÉCULAS
CÁTEDRA DE QUÍMICA DE BIOMOLÉCULAS
Profesores: Dra. Marina Ciancia Dr. Hugo Chludil
Edición 2019 CURSADA
GUÍA DE ESTUDIOS CLASES TEÓRICO-PRÁCTICAS Docentes
Profesora a cargo Dra. Marina Ciancia
Profesores Dra. Marina Ciancia Dr. Hugo Chludil MSc. Lic. Margarita Yaber Grass
Jefes de Trabajos Prácticos Dra. Paula V. Fernández Dra. Elena Mongelli Dra. Mercedes Pérez Recalde Lic. Víctor Martín Zelaya Ing. Agr. Lucía Barriga
Ayudantes Primera Lic. Daiana Perri Lic. Yasmín Daglio Lic. Franco Arias Bioq. Natalia Pagano Ing. Agr. Melisa Cooke Lic. Camila Dávila Lic. Rodrigo Antonio Rodríguez Sánchez Ing. Agr. Gunter Mantilla Lic.Paula Torré Zaffaroni
Ayudantes Segunda Srta. María Belén Regge
TURNOS Cursada 2019
Turno
Día
Horario
Día
Horario
Docentes
Teóricas Virginia Fernández 1 (19684)
Miércoles
11-13
Viernes
11-13
2 (19686)
Miércoles
16-18
Viernes
16-18
3 (19687)
Martes
20-22
Jueves
20-22
Martes
9-11
Jueves
9-11
5 (19690)
Martes
14-16
Jueves
14-16
6 (19602)
Miércoles
13.30 a 15.30
Viernes
13.30 a 15.30
4 (19688)
JTP Victor Martín Zelaya Camila Dávila Teóricas Marina Ciancia JTP Margarita Yaber Grass Melisa Cooke Gunter Mantilla Teóricas Hugo Chludil JTP Lucía Barriga Franco Arias Ilabaca Natalia Pagano Teóricas Marina Ciancia JTP Mercedes Pérez Recalde Yasmin Daglio Rodrigo Antonio Rodríguez Sánchez Teóricas Marina Ciancia JTP Elena Mogelli Paula Torré Zaffaroni Belén Regge Teóricas Margarita Yaber Grass JTP Virginia Fernández Daiana Perri
Información General IDENTIFICACIÓN DE LA ASIGNATURA Nombre de la asignatura: BIOMOLÉCULAS Cátedra: Química de Biomoléculas Carreras: Ingeniería Agronómica, Licenciatura en Ciencias Ambientales y Licenciatura en Gestión de Alimentos Departamento: Biología Aplicada y Alimentos CARACTERÍSTICAS DE LA MATERIA Ubicación en el Plan de Estudios: Segundo Ciclo, segundo año Duración: Cuatrimestral, primer cuatrimestre (contracursada, segundo cuatrimestre) Carga Horaria para el Alumno: 64 horas (4 hs. semanales) Duración: 16 semanas
FUNDAMENTACIÓN El desarrollo de conceptos relacionados con el rol e importancia funcional de metabolitos primarios y secundarios resulta básico en carreras que involucran organismos vivos. Independientemente del área profesional en la que desarrollen su actividad en el futuro, el Ingeniero Agrónomo y el Licenciado en Ciencias Ambientales necesitan un profundo conocimiento del funcionamiento de los seres vivos (microorganismos, plantas y animales). Tales conocimientos resultan inalcanzables sin haber adquirido previamente conocimientos relacionados con las unidades que dan funcionalidad a un ser vivo, sus órganos, tejidos, células. Las estructuras moleculares (metabolitos primarios y secundarios) que forman parte de las distintas organelas en la célula, posibilitan la formación de biomasa y permiten la interacción de esos organismos con el medio ambiente.
OBJETIVOS GENERALES Capacitar al estudiante para entender las bases moleculares de la vida como herramienta para interpretar la fisiología de los seres vivos y el control de su expresión génica, en relación con una producción agropecuaria eficiente y sustentable que preserve la biodiversidad. Desarrollar en el estudiante la destreza y cuidados básicos para el trabajo en un laboratorio de investigación. Incentivar el hábito de la búsqueda bibliográfica y capacitar al estudiante en la confección de informes de laboratorio que lo preparen para elaborar una comunicación técnica y/o científica.
METODOLOGÍA La asignatura Biomoléculas estudia las características físicas y químicas de moléculas producidas por organismos vivos (metabolitos primarios y secundarios), con especial atención en los cuatro grupos de metabolitos primarios relacionados con la formación de biomasa. Se analiza su contribución a la formación de estructuras supramoleculares (membranas, pared celular, músculo) y su función en relación con su estructura química. Se analiza además el rol del metabolismo secundario en las plantas en relación con la interacción planta:entorno. Estos conceptos se imparten en dos clases semanales teórico-prácticas de asistencia obligatoria, de dos horas cada una, en las que se discuten las bases teóricas de cada tema, y se trabaja en la resolución de los correspondientes cuestionarios que forman parte de la Guía de Trabajos Prácticos. El trabajo experimental a realizarse en el laboratorio involucra técnicas básicas para el tratamiento de material vegetal con el fin de aislar y caracterizar biomoléculas en base a sus propiedades físicas y químicas. Se realizarán los siguientes Trabajos Prácticos en el Laboratorio: 1) Comportamiento de solubilidad y reacciones de caracterización de biomoléculas con diferentes grupos funcionales. 2) Cromatografía en capa delgada para la separación de mezclas de compuestos. 3) Lípidos. Extracción. Reacción de saponificación y caracterización. 4) Hidratos de carbono. Obtención de almidón. Reacciones de caracterización. Obtención de biofilms.
5) Proteínas. Aislamiento y desnaturalización de proteínas. Reacciones de caracterización de aminoácidos y proteínas.
RÉGIMEN DE LA MATERIA CUATRIMESTRAL: dos clases teórico-prácticas semanales de asistencia obligatoria. EVALUACIÓN: 3 parciales. CONDICIONES DE PROMOCIÓN Y REGULARIDAD Alumnos Regulares: Los alumnos alcanzarán la condición regular en el caso de poseer: a) Cumplir con el 75% de asistencia. No más de un ausente en trabajos de laboratorio, que no se recuperan. b) Aprobar las 3 (tres) evaluaciones parciales con nota mayor o igual a 4. Sólo será posible recuperar una de ellas por inasistencia o por no haber alcanzado la nota de mínima de aprobación. c) Aprobar los informes correspondientes a trabajos de laboratorio. Asistencia Cumplida Quedarán en esta condición todos los alumnos que cumplan con las condiciones de regularidad indicadas arriba pero no hayan alcanzado la nota mínima de aprobación (4/10) en más de una evaluación parcial, o que habiendo reprobado uno solo de los parciales, reprueben además el recuperatorio de los mismos. Esta condición se mantendrá sólo para la siguiente cursada de la materia. Los alumnos en esta condición se podrán presentar a rendir los parciales sin el requisito de asistencia a las clases de la materia. Alumnos libres Estarán en esta situación los alumnos en caso de: a) No haber cumplido con al menos el 75 % de la asistencia a las clases (hasta 8 inasistencias). b) No haber alcanzado una nota igual o superior a 4 (cuatro) en las evaluaciones parciales y no haber aprobado los informes correspondientes a los trabajos de laboratorio Promoción sin examen final: Los alumnos promocionarán la materia si: a) Cumplieron con el 75% de asistencia (hasta 8 inasistencias) (con no más de un ausente en trabajos de laboratorio) b) Aprobaron cada una de las evaluaciones parciales con nota igual o mayor que 7. c) Aprobaron los informes correspondientes a trabajos de laboratorio. Alumnos que rindan el final en condición de Libres Los alumnos que se presenten al examen final en condición de libres, deberán aprobar un cuestionario sobre los Trabajos Prácticos que se realizan en el laboratorio, que tendrá lugar el día anterior a la fecha de examen. Además, deberán tener un mínimo de 40 % del puntaje en cada uno de los temas evaluados en el examen final
EXÁMENES FINALES: información referente a horario y aulas, publicado en el CED. SÓLO PODRÁN RENDIR EXAMEN FINAL LOS ALUMNOS REGULARES O LIBRES QUE SE HAYAN ANOTADO PREVIAMENTE EN EL LLAMADO CORRESPONDIENTE A TRAVÉS DEL SISTEMA DE ALUMNOS. EN CASO DE TRATARSE DE UN EXAMEN LIBRE, LOS ALUMNOS DEBERÁN RESPONDER UN CUESTIONARIO SOBRE LOS PRÁCTICOS DE LABORATORIO EL DÍA HÁBIL PREVIO AL CORRESPONDIENTE LLAMADO.
PROGRAMA ANÁLITICO Átomo de Carbono. Hibridización en los distintos tipos de compuestos orgánicos. Grupos funcionales, caracterización y comportamiento químico. Reconocimiento de los mismos en las estructuras de las biomoléculas. Conformaciones de alcanos de cadena abierta y cíclicos. Relación de las reacciones de óxido-reducción con los
procesos anabólicos y catabólicos. Polaridad: Estado físico, interacciones entre moléculas. Solubilidad, interacciones con el solvente. Comportamiento ácido-base. Bases de los mecanismos de las reacciones orgánicas, cinética y termodinámica, ejemplos de interés biológico. Metabolitos primarios y secundarios. Isomería. Isomería estructural. Estereoquímica, isomería geométrica y óptica. Relación entre la estereoquímica y el rol biológico de las biomoléculas. Isomería geométrica en relación con la fluidez de membranas. Propiedades de las sustancias ópticamente activas. Estereoespecificidad en las interacciones moleculares de los organismos vivos. Lípidos. Lípidos simples. Clasificación. Ácidos grasos, isomería cis en ácidos insaturados. Características físicas y químicas de los acilglicéridos. Lípidos compuestos. Clasificación. Productos de hidrólisis. Transesterificación y obtención de biodiesel. Carácter anfipático. Lípidos insaponificables. Isoprenoides. Clasificación y ejemplos de Esteroides, Carotenos, Porfirinas, clorofila y hemo. Pigmentos fotosintéticos: Estructura y relación con sus espectros de absorción. Vitaminas. Quinonas. Hormonas vegetales. Hidratos de carbono. Definición y clasificación. Monosacáridos: estructuras acíclica y cíclica. Propiedades físicas y químicas. Unión glicosídica. Glicósidos naturales. Oligosacáridos. Polisacáridos de reserva: componentes del gránulo de almidón. Polisacáridos estructurales: celulosa, hemicelulosas y pectinas. Pared celular: estructura supramolecular, propiedades químicas y biológicas. Ejemplos de otros polisacáridos: Quitina. Glicosaminoglicanos. Estructura química y funciones. Obtención de bioetanol a partir de diferentes materias primas. Aminoácidos y proteínas. α-aminoácidos. Clasificación biológica y estructural. Propiedades físicas y químicas. Punto isoeléctrico. Unión peptídica. Péptidos y proteínas. Estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína. Clasificación biológica y estructural de las proteínas. Propiedades físico-químicas de las proteínas. Desnaturalización. Extensina y otras proteínas de la pared celular vegetal. Estructura del músculo: actina y miosina. Citoesqueleto: Proteínas estructurales y motoras. Nucleótidos y ácidos nucleicos. Estructura de las bases purínicas y pirimidínicas. Nucleósidos y nucleótidos. Tipos y funciones. Estructura del cromosoma, cromatina, nucleosomas. Ácidos nucleicos: ARN y ADN. Estructura y funciones. Complementariedad de las bases. Constitución de los ribosomas en células procariotas y eucariotas. Membranas biológicas y mecanismo de transporte. Composición química y estructura de la membrana plasmática y de las membranas de organelas subcelulares. Función de los lípidos estructurales con ácidos grasos poliinsaturados. Modelo de mosaico fluido. Fenómenos de transporte a través de membranas. Teoría del acoplamiento quimiosmótico. Origen y función de la fuerza protón motriz. ATPsintasa, estructura y función. Transporte pasivo (difusión simple, poros o canales, transporte uniporte). Transporte activo (bomba dependiente de ATP, formas de cotransporte). Bomba de Na+/K+ y bomba electrogénica de protones. Mecanismos de transporte en el tonoplasto y otros ejemplos. Estructuras supramoleculares en la membrana tilacoide y la membrana interna mitocondrial.
BIBLIOGRAFÍA Leicach, S. R. (2009). Biomoléculas. Estructura y rol en el crecimiento y supervivencia de las plantas. Editorial Facultad de Agronomía. Buchanan, B., Gruissem W. and Jones R. (2000). Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Ed. Amer. Soc. of Plant Biology. USA. Lodish H., Berk A., Zipursky S. L., Matsudaira P., Baltimore D. y Darnell J. (2006) Biología Celular y Molecular. 5ª edición.Editorial Panamericana. España. Lehninger A., Nelson D. y Cox M. (2008). Principios de Bioquímica. Ed. Omega, Barcelona. Galagovsky Kurman, L. 1995. Química Orgánica, Fundamentos teórico-prácticos para el laboratorio, EUDEBA. Morrison R. T.; Boyd R.N.. (1998) “Química Orgánica”. Editorial Addison. Wesley Iberoamericana. 5ta Edición. Yurkanis Bruice, P. (2007). “Química Orgánica” Quinta edición, Ed. Prentice Hall Mexico Pearson Educational, México. McMurry, J. (2012). “Química Orgánica”, 8va. Edición, Editorial Thompson, México. McMurry, J. (2007). “Organic Chemistry with Biological Applications”, 2nd Ed. Brooks/Cole Belmont, CA, Estados Unidos.
TRABAJOS PRÁCTICOS 1) Comportamiento de solubilidad y reacciones de caracterización de biomoléculas con diferentes grupos funcionales. 2) Cromatografía en capa delgada para la separación de mezclas de compuestos. 3) Lípidos. Extracción. Reacción de saponificación y caracterización. 4) Hidratos de carbono. Obtención de almidón. Reacciones de caracterización. Obtención de biofilms 5) Proteínas. Aislamiento y desnaturalización de proteínas. Reacciones de caracterización de aminoácidos y proteínas.
Recomendaciones básicas para el trabajo en el laboratorio
Conozca la ubicación de elementos de seguridad, tales como matafuegos, manta no inflamable, lavaojos, etc. AVERIGÜE CÓMO SE UTILIZAN.
Antes de comenzar el Trabajo Práctico, verificar que el material de vidrio esté perfectamente limpio y sano. Al finalizar el mismo limpiar el material de vidrio con detergente y escobilla, enjuagando varias veces con agua corriente y dos veces con agua destilada.
No utilizar la pipeta con la boca, usar pera de goma o dispositivo similar, según instrucciones.
Rotular siempre los tubos y frascos adecuadamente.
Prestar atención a mecheros encendidos, evitar que se apaguen o que haya pérdidas de gas.
Los solventes volátiles, drogas corrosivas o tóxicas deben permanecer y usarse bajo campana. Cerrar cada frasco luego de utilizarlo.
Mantener la mesada libre de elementos personales no relacionados con la práctica.
No descartar nada en las piletas sin antes preguntar al docente responsable.
Toda herida o abrasión, aun los pequeños cortes que puedan producirse durante el trabajo practico deben ser informados al docente.
NO FUMAR, COMER, NI BEBER EN EL LABORATORIO Es requisito indispensable para realizar las prácticas, el saber y entender todos los temas involucrados. Como ayuda se ha agregado a cada Guía de T.P. un cuestionario con preguntas y problemas típicos.
CUESTIONARIO I Átomo de Carbono 1) ¿Qué entiende por “biomolécula”? ¿Qué clasificación general de las biomoléculas se puede hacer respecto a su función metabólica y su distribución en los seres vivos? Mencionar ejemplos de metabolitos primarios y secundarios. 2) Explique cómo se pueden unir los átomos de carbono en las biomoléculas para dar compuestos en los que los mismos se encuentran unidos a otros 4 átomos, o a 3 átomos, o sólo a dos. Indique cuál es la teoría que explica este comportamiento. 3) Para cada uno de los siguientes compuestos: i) Indicar tipo de hibridación de cada átomo de carbono ii) Muestre los tipos de enlaces presentes y iii) dé los ángulos aproximados alrededor de cada átomo (con excepción del hidrógeno) a.
b.
c.
d.
4) ¿Qué tipo de hibridación espera encontrar en cada átomo de carbono de las siguientes moléculas?
Procaína
Vitamina C
5) Proponga las estructuras de las moléculas que cumplan con las siguientes descripciones: a. Dos átomos de carbono con hibridación sp2 y dos átomos de carbono con hibridación sp3. b. Posee solo cuatro átomos de carbono, todos con hibridación sp2. c. Dos átomos de carbono con hibridación sp y dos carbonos con hibridación sp2. 6) Clasifique los siguientes hidrocarburos. (Un compuesto puede entrar en más de una de las siguientes clasificaciones: alcano, alqueno, alquino, cicloalcanos, cicloalqueno, cicloalquino, hidrocarburo aromático).
7) Escriba las fórmulas moleculares, semidesarrolladas y condensadas de los siguientes compuestos: a. 3–etil–2–metilhexano b. 4–etil–2,6–dimetil–5–propildecano c. 2,2–dimetilpentano d. 3–etil–2–penteno e. 2–metil–1–buteno f. 3–metil–4–hepteno g. 3,3–dimetil–1–hexino
h. 4–etil–2,6–octadiino ii. Elija tres compuestos y proponer para cada uno un isómero constitucional, representándolos en fórmulas de esqueleto. iii. Los compuestos d, e y f ¿presentan isomería geométrica? 8) La quetiapina (también conocida como seroquel), es un fármaco neuroléptico utilizado en el tratamiento de enfermedades como la esquizofrenia y trastornos de bipolaridad. i. Proponga la fórmula de esqueleto del compuesto. ii. Determine su fórmula molecular. iii. Para cada átomo de carbono indique tipo de hibridación y tipo de enlace covalente. iv. Marque los heteroátomos presentes.
Quetiapina (Seroquel)
9) Proponga tres isómeros para cada una de las siguientes fórmulas moleculares: a. C8H18 b. C7H16 c. C5H10 10) Para las siguientes moléculas: a) Indique si los dobles enlaces presentan isomería geométrica y aclare de qué geometría se trata en cada caso. b) En caso de fórmulas con enlaces múltiples, indique si éstos están conjugados o aislados. c) Marque con una cruz los átomos que se encuentran en un mismo plano. i. Pentenos
ii. Penteno Ramificado y halogenado iii. Terpenos (componentes de aceites esenciales)
iv. - caroteno (pigmento)
v. Ácido oléico (ácido graso)
11) Dadas las siguientes proyecciones de Newman:
0°
0°
a. Nombre la molécula y formule (fórmula condensada) b. ¿A qué enlace C-C están referidas las distintas conformaciones moleculares? c. Identifique proyecciones eclipsadas o alternadas y dibújelas en estructuras de caballete. d. Ordene de menor a mayor según - Estabilidad termodinámica - Nivel de energía e. Discuta en base a lo anterior a qué se refiere el término “conformación” 12) Considere el enlace C2-C3 en el iso-pentano (2-metilbutano). a. Esquematice la proyección de Newman de la conformación más estable. b. Esquematice la proyección de Newman de la conformación menos estable. c. Justifique su elección. 13) Utilice una proyección de Newman, alrededor del carbono indicado, para representar al confórmero más estable de cada compuesto. (a) 3-metilpentano alrededor del enlace C2—C3. (b) 3, 3-dimetilhexano alrededor del enlace C3—C4. 14) ¿Cual es la conformación más estable para el ciclohexano? a) Formule la estructura de Newman para el enlace C1-C2 del clorociclohexano 15) Dibuje las dos conformaciones de silla del cis-1,3-dimetilciclohexano y marque todas las posiciones como axiales o ecuatoriales. (b) Indique cuál es la conformación de mayor energía y cuál es la de menor energía. 16) a. La forma más estable de la glucosa contiene un anillo de seis miembros en la conformación de silla, con todos los sustituyentes en posiciones ecuatoriales. Dibuje esta conformación más estable de la glucosa.
17) Observe las siguientes moléculas e identifique qué característica estructural encuentra en común. Esquematice los orbitales electrónicos de los enlaces covalentes, para los carbonos involucrados en dicha estructura común. Fenilalanina
Ácido Salicílico
Anilina
Tolueno
18) La siguiente tabla muestra los productos obtenidos por destilación del petróleo. Especular respecto a los puntos de ebullición y el estado de agregación de los mismos. Fracción Gas
P. eb (ºC) 40
Nº de C 5
Gas Licuado
Gasolina
Entre 40-180
Entre 6-10
Combustible
Kerosene
Entre 180-230
Entre 11-12
Calefacción
Aceites Ligeros
Entre 230-305
Entre 13-17
Motores Diesel
Aceites Pesados
Entre 305-405
Entre 18-25
Lubricantes
Vaselina
Entre 405-515 515
Entre 26-38
Cremas
39
Pavimento
Alquitranes/Asfaltos
Usos
19) El GNC (gas natural comprimido) es un hidrocarburo compuesto mayoritariamente por metano, mientras que el GLP (gas licuado de petróleo) está compuesto por una mezcla de propano y butano. Las presiones de servicio de estos dos combustibles varían dependiendo de cuál se trate, el GNC se transporta en estado gaseoso por tuberías hasta su punto de recepción, mientras que el GLP se transporta en recipientes a presión y se encuentra en estado líquido. Explique en base a las estructuras de las moléculas que componen a ambos tipos de gases, por qué uno se utiliza en estado gaseoso y el otro en estado líquido. 20) El “índice de octanos” refiere a una escala en la que arbitrariamente se asigna un valor de 0 al n-heptano y 100 al isooctano (2,2,4-trimetilpentano). Se sabe que a mayor proporción de alcanos ramificados, mayor octanaje y por tanto mayor calidad de combustible. Considerando que los octanos son una familia de isómeros de cadena, proponga la estructura de 3 posibles alcanos que mejoren el índice de octanaje (calidad de nafta).
Cuestionario II Propiedades y Reacciones de moléculas orgánicas 1) Identifique el elemento más electronegativo en las siguientes moléculas:
2) Utilizando la tabla de electronegatividades, i) predecir cuál de los siguientes pares de compuestos será más polar. ii) Indicar la dirección del momento bipolar.
3) i. Analice y justifique la polaridad y la solubilidad en agua de las siguientes moléculas. ii) ii. ¿Cuál sería su solubilidad en solventes no polares como hexano o ciclohexano? a) HCl
b) CH3-CH3
d) CH3-OH
e) CH3-Cl
f) heptano
g) 4) El ioduro de etilo, CH3CH2I, es polar, pero contrariamente a lo que ocurre con el etanol (CH 3CH2OH) y el ácido acético (CH3COOH), que también son líquidos polares, resulta ser insoluble en agua. Explique esta diferencia de comportamiento
5) Explique la diferencia en los puntos de ebullición de los siguientes pares de sustancias:
6) El dietil éter y el 1-butanol son isómeros y tienen solubilidades parecidas en agua. Sin embargo, sus puntos de ebullición son muy diferentes. Explique por qué estos dos compuestos tienen propiedades de solubilidad parecidas pero puntos de ebullición demasiado distintos. CH3CH2— O — CH2CH3 dietil éter, pe 35 °C 8.4 mL se disuelven en 100 mL de H20
CH3CH2CH2CH2— OH butan-l-ol, pe 118 °C 9.1 mL se disuelven en 100 mL de H20
7) Dados los siguientes pares de compuestos: A
B
C
a. Indique si se tratan de isómeros. Fundamente su respuesta. b. Explique la diferencia observada en sus puntos de ebullición. 8) Dados los siguientes pares de moléculas, ¿cómo espera que sean sus puntos de ebullición? Compare y justifique.
a.
b. 9) Formule todas las sustancias que resultan estados intermedios de oxidación de: a) CH4 a CO2, y b) CH3Cl a CCl4. 10) Formule la estructura de todos los posibles productos de oxidación del carbono que está unido al grupo hidroxilo para CH3CH2OH, (CH3)2CHOH y ciclopentanol.
11) Identifique a qué tipo pertenecen las siguientes reacciones:
(e)
(f)
(g) (h) (i)
12) Observe el siguiente diagrama de energía:
a) ¿La reacción es exergónicas o endergónica? b) ¿Cuántos pasos tiene la reacción? ¿Cuál es el paso más rápido? ¿Qué tipo de reacción sucede en cada paso? c) ¿Cuántos estados de transición hay? Márquelos en el diagrama.
13) Considere el siguiente diagrama de energía de reacción
(a) Marque los reactivos, los productos y colocar los nombres a los ejes. Marque la energía de activación del primer y segundo pasos. (b) ¿La reacción global es endotérmica o exotérmica?, ¿cuál es el signo del ΔG°? (c) ¿Qué puntos de la curva corresponden a los intermediarios?, ¿cuáles corresponden a los estados de transición? (d) Marque el estado de transición del paso limitante de la rapidez. ¿La estructura se parece a los reactivos, productos o a un intermediario? 14) Dibuje un diagrama de energía de reacción para una reacción exotérmica de un solo paso. Marque las partes que representan a los reactivos, productos, estados de transición, energía de activación y calor de reacción. 15) Dibuje un diagrama de energía de reacción para una reacción endotérmica de dos pasos, donde el segundo paso sea el limitante de la rapidez. 16) Dibuje un diagrama de energía para una reacción de disociación en un paso, con Keq < 1. Marque el/los reactivo/s y producto/s, el ΔGº. ¿Será éste positivo o negativo?
Cuestionario III Grupos Funcionales 1) Identifique los grupos funcionales en las siguientes moléculas:
2) Proponga estructuras de moléculas que cumplan con las siguientes descripciones: a. Una cetona de cinco carbonos. c. Un éster de cinco carbonos. e. Un cetoéster.
b. Una amida de cuatro carbonos. d. Un aldehído aromático e. Un aminoalcohol.
3) De las siguientes fórmulas moleculares, dibuje un isómero que cumpla con las condiciones indicadas. a. Diacetilo, C4H6O2, una sustancia con el aroma de la manteca; que no contiene anillos ni enlaces múltiples entre carbonos. b. Etilenimina, C2H5N, sustancia utilizada en la síntesis de polímeros de melamina; que no posee enlaces múltiples. c. Glicerol, C3H8O3, aislado de grasas y utilizado en cosméticos, que posee un –OH en cada carbono. 4) i. Grafique, con fórmulas semidesarolladas: una amina primaria de 3 carbonos, ácido butanoico, un alcohol primario de 4 carbonos y el ácido fosfórico ii. Para cada molécula formule el producto de la reacción de condensación con ácido hexanoico. Nombre los nuevos grupos funcionales resultantes. 5) Escriba la fórmula semidesarrollada y nombre los grupos funcionales, indicando si son simples o compuestos, presentes en: a) HOCH-(CH3)2 e) C4H9-COOH h) (CH3CO)2O
b) C3H7-NH(CH3) c) C2H5-CO-NH2 f) C2H5-CO-C3H7 g) CH3-CHO i) CH3-COOC2H5
d) CH3SH
i. Para los ítems e) a i) formule todos los isómeros de posición y/o función que resulten posibles. 6) Dibujar por lo menos tres compuestos (en los casos que sean posibles) que cumplan con las siguientes descripciones: a. Alcoholes con fórmula C4H10O b. Cetonas con fórmula C5H10O c. Ésteres con fórmula C4H8O2
d. Aminas con fórmula C5H13N e. Aldehídos com fórmula C5H10O f. Éteres con fórmula C4H10O
7) El ácido pirúvico, producto de la glucólisis, presenta una cadena de tres átomos de carbono con diferente estado de oxidación. a) Indique el grupo funcional que reacciona y el que se forma en la conversión de ácido pirúvico en ácido láctico ¿se trata de una reducción o una oxidación?
b) Indique lo mismo para la reacción de conversión de gliceraldehído en glicerol ¿se trata de una reducción o una oxidación?
8) Formule la ecuación de disociación del ácido acético (etanoico) en medio acuoso. b) Escriba la reacción general de neutralización de un ácido carboxílico con NaOH acuoso.
9) Formule la reacción de amoníaco (NH3) con agua, indicando si actúa como ácido o base. Relacione con las características de las aminas. b) Formule una amina primaria, una secundaria y una terciaria, y escriba las ecuaciones correspondientes a sus reacciones con HCl acuoso. c) ¿Qué es una sal de amonio cuaternaria? 10) Una determinada sustancia da positiva la prueba de 2,4-dinitrofenilhidrazina, pero desea saber además si se trata de un aldehído o una cetona, ¿cómo se resuelve esta incógnita? 11) ¿Cómo diferenciaría 1-butanol de 2-propanol? Explicar brevemente 12) Formule las ecuaciones correspondientes a las hidrólisis ácida y alcalina de un éster de 7 carbonos ¿Qué otro nombre recibe la hidrólisis alcalina? b) Formule ambas hidrólisis a partir de una cera: un éster natural proveniente de un ácido carboxílico y alcohol de cadena larga (mínimo 20 carbonos) 13) Formule los ácidos fosfórico, pirofosfórico y trifosfórico. 14) Formule las estructuras de un anhídrido formado entre dos moléculas de ácido carboxílico y la de uno mixto. 15) La amida es un grupo funcional compuesto.a) ¿Qué productos se obtendrán por hidrólisis de una amida? Ejemplifique con una amida de 8 carbonos. b) ¿A qué tipo de reacción química se corresponde? 16) Las estatinas son fármacos utilizados para disminuir la cantidad de colesterol y triglicéridos en sus distintas formas. Dos de las más utilizadas son simvastatina (nombre comercial Zocor) y pravastatina (nombre comercial Pravacol). Identifique los grupos funcionales en cada uno y determine en qué se diferencian.
Simvastatina
Pravastatina
17) a) Marque y nombre los grupos funcionales presentes en cada una de las siguientes biomoléculas. b) Para cada sustancia, analice su polaridad (en términos totales o por “zonas” de la molécula) y su posibilidad de solubilizarse en agua.
18) ¿Cuál es la diferencia entre un isómero constitucional y un estereoisómero? ¿Qué es un isómero geométrico? Dé 3 ejemplos. 19) Indique el estado de agregación en condiciones normales de los compuestos de la serie homóloga de los ácidos carboxílicos. Defina ácido graso y describa la diferencia estructural entre un ácido graso saturado y uno insaturado. Formule y nombre un ejemplo de cada uno. Compare los puntos de fusión de los ácidos grasos saturados e insaturados del mismo nº de átomos de C.
Problemas integradores 1.- a. Proponga un compuesto A de 8 átomos de carbono con dos dobles enlaces conjugados, un grupo carbonilo y un hidroxilo. b. Proponga un isómero estructural de A que contenga un ciclo y sea ácido. c. Proponga un isómero geométrico de A. d. Marque 1 enlace sigma sp3-sp3 en A y dibuje la conformación más estable y la menos estable en estructuras de Newman. 2. a. Formule todos productos de reducción del carbono 1 del ácido butanoico. Adjudique a cada uno de ellos los siguientes puntos de ebullición, justificando su respuesta en base a las interacciones que correspondan: -1º, 74,8º, 117,4º y 163,5ºC. Para todos los casos, indique la hibridación de dicho átomo de carbono y su geometría. b. Escriba una conformación eclipsada y una alternada en fórmulas de Newman para el enlace C2-C3 del ácido butanoico.
3.- i) Dé un ejemplo de metabolito primario y uno de metabolito secundario e indique en que se diferencian en cuanto a su función. ii. Para los siguientes pares de compuestos indique cuál tendrá mayor punto de ebullición; Justifique brevemente. a. 1buteno y butanona; b. 1-hexilamina y trietilamina. Escriba todos los productos de reducción del carbono 2 de la butanona.
iii. Dado el siguiente esquema de energía libre de una reacción, indique: a) De qué tipo de reacción se trata. b) Qué parámetros de la reacción definen la velocidad. c) Qué parámetros de la reacción definen la espontaneidad. d) Indique si la reacción es endergónica o exergónica. CH3I + NaOH CH3OH + NaI
TRABAJO PRÁCTICO N° 1 Solubilidad y reconocimiento de grupos funcionales en sustancias orgánicas OBJETIVO Obtener información de una sustancia desconocida:
-
por el estudio de su solubilidad en distintos reactivos, como H 2O, NaOH, NaHCO3, HCl y H2SO4 diluído, de acuerdo a su comportamiento y presencia de un grupo funcional.
-
determinando presencia de grupos funcionales por medio de reacciones características.
INTRODUCCIÓN Para determinar la solubilidad en agua de una sustancia, hay que tener en cuenta que los compuestos solubles en agua se dividen en tres clases principales: -
Compuestos ácidos, que dan soluciones que viran al rojo el papel de tornasol.
-
Compuestos básicos, que viran a azul el papel tornasol.
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Compuestos neutros, y ácidos y bases débiles, que no hacen virar el papel tornasol. Se considera, arbitrariamente, que una sustancia es soluble si se disuelve al menos en relación de 3 g por 100 mL de solvente (agua). Cuando se está considerando la solubilidad en ácido o base, la observación significativa que debe hacerse es si la sustancia resulta notablemente más soluble en ácido o base acuosa que en agua. En efecto, este incremento en la solubilidad es la prueba positiva deseada para un grupo funcional básico o ácido. Los compuestos orgánicos ácidos se conocen por su solubilidad en hidróxido de sodio al 5.0% (p/v). Los ácidos fuertes se disuelven en bicarbonato de sodio al 5.0% (p/v) y los débiles en hidróxido de sodio. Los compuestos orgánicos que se comportan como bases en solución acuosa, se identifican por su solubilidad en ácido clorhídrico al 5.0% (v/v). En general no se hace ningún intento para diferenciar entre bases fuertes y débiles. Muchos compuestos que son neutros aún en soluciones acuosas fuertemente ácidas, se comportan como bases en disolventes más ácidos, tales como el ácido sulfúrico concentrado (o diluído). Efecto del comportamiento de solubilidad Solubilidad en Agua. Como el agua es un compuesto polar, no puede disolver hidrocarburos. Los dobles y triples enlaces o bien la presencia de benceno, modifican muy poco la polaridad, por lo que los hidrocarburos insaturados y aromáticos no difieren mucho de las alcanos en su solubilidad en agua. La introducción de átomos de halógenos no altera notablemente la polaridad, pero aumenta el peso molecular y por esta razón disminuye la solubilidad en agua. Los compuestos con un grupo único funcional: éteres, las cetonas, los aldehídos, los alcoholes, nitrilos, aminas, pueden considerarse en conjunto por lo que respecta a su solubilidad en agua. En la mayoría de las series homologas de éste tipo, el límite superior de la solubilidad en agua se encontrará cerca del miembro que contenga cinco átomos de carbono.
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Solubilidad en ácido clorhídrico. Las aminas alifáticas primarias, secundarias y terciarias forman sales (compuestos polares), con el ácido clorhídrico diluido. De aquí que las aminas alifáticas sean fácilmente solubles en ácido clorhídrico diluido. Las arilalquilaminas que contienen tan solo un grupo arilo, son solubles. Las amidas di-sustituidas son solubles en ácido clorhídrico. Solubilidad en soluciones diluidas de hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio. Los ácidos carboxílicos, fenoles, fenoles sustituídos y otros tipos de compuestos menos familiares, son solubles en soluciones diluidas de hidróxido de sodio. Los tres primeros grupos funcionales son solubles en soluciones diluidas de bicarbonato de sodio. Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado y frío (diluído al 5%). Éste disolvente se usa para compuestos neutros insol. ubles en agua, que no contienen más elementos que carbono, hidrógeno y oxígenoFrecuentemente la disolución en ácido sulfúrico, va acompañada de una reacción tal como la sulfonación, polimerización, deshidratación o adición del ácido sulfúrico a enlaces dobles o triples. Clasificación en grupos por solubilidad en diferentes medios. La forma en que un compuesto orgánico se comporta frente a distintos medios depende totalmente de su estructura química. Por ejemplo un compuesto polar de cadena corta es soluble en agua y también en éter. Un compuesto con carácter ácido es soluble en medio alcalino. De ahí que en el análisis cualitativo orgánico se lleven a cabo pruebas de solubilidad que darán una información fundamental con relación al tipo de compuesto bajo estudio, y por ende de los grupos funcionales presentes en la molécula. La forma de llevar a cabo las pruebas de solubilidad consiste en mezclar un solvente con una cantidad equivalente al 3.0% en peso de la sustancia problema; si el compuesto se disuelve, entonces se le considera como “soluble”, pero si lo hace parcialmente o no se disuelve entonces se le considera como “insoluble” en ese medio. En el caso del ácido sulfúrico concentrado, éste puede reaccionar con el compuesto o incluso destruirlo, que entonces se considerará como “soluble”, aún cuando sólo se manifieste una elevación de la temperatura. Se considerará como insoluble en ácido sulfúrico concentrado únicamente a aquel compuesto que claramente permanezca si cambio alguno y forme dos fases no miscibles con este ácido. Los reactivos empleados en forma rutinaria para estas pruebas son los siguientes: agua, éter etílico, hidróxido de sodio al 5.0% (p/v), ácido clorhídrico al 5.0% (v/v) y ácido sulfúrico concentrado (diluído al 5%). Adicionalmente puede emplearse ácido clorhídrico 2.0N o al 10% (v/v), ácido fosfórico al 85% (v/v).
MATERIALES Gradilla con tubos de ensayo para cada grupo Papel Tornasol (determina pH) Gotarios REACTIVOS Hidróxido de sódio: NaOH (5% p/v) Ácido sulfúrico: H2SO4 (5% v/v) Bicarbonato de sódio: NaHCO3 (5% p/v) Ácido clorhídrico: HCl (5% v/v)
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METODOLOGÍA Para que las pruebas de solubilidad resulten útiles, deben ser realizadas sistemáticamente y con un objetivo: clasificar al compuesto problema en un grupo que llamaremos “grupo de solubilidad” y que nos permitirá saber qué tipo de compuesto es, así como los posibles grupos funcionales presentes en la molécula. Por lo anterior, estas pruebas son discriminatorias y podremos seguirlas en tablas (al final de este protocolo), para analizar si se trata o no del compuesto. Solubilidad en agua. Agregar aproximadamente 1.0 mL de agua en un tubo de ensayo. Gota a gota agregar la muestra problema líquida, agitando cada vez que se agrega la muestra y observando si se disuelve o forma dos fases, (si se genera turbidez; indica que no es soluble). Solubilidad por reacción. Para el caso de disolución en otros solventes (NaOH al 5.0%, H2SO4 al 5.0%, NaHCO3 al 5.0% ó HCl al 5.0%), primero colocar en tubos diferentes aproximadamente 1.0 mL de cada uno de estas soluciones y agregar poco a poco pequeñas cantidades de la muestra problema líquida, observando si se disuelve. Solubilidad en H2SO4 diluido o concentrado. Tomar y agregar con precaución aproximadamente 1.0 mL de H2SO4 diluido y depositarlo en un tubo de ensayo. Poco a poco agregar 3 gotas de muestra problema líquida. Agitar con una varilla de vidrio.
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IDENTIFICACIÓN DE GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS El comportamiento químico y físico de una molécula orgánica se debe, principalmente, a la presencia en su estructura de uno o más grupos funcionales. Éstos se definen como agrupaciones constantes de átomos, en disposición espacial y conectividad que, por tal regularidad, confieren propiedades físicas y químicas muy similares a las estructuras que los poseen. En la siguiente tabla se muestran los grupos funcionales orgánicos principales.
Los compuestos de origen natural tienen en su estructura más de un grupo funcional. Por esta razón, las propiedades físico-químicas de estas sustancias son el resultado del comportamiento combinado de los grupos funcionales presentes en ella y cómo se distribuyen en el espacio. Conocer los grupos funcionales resulta de gran importancia a la hora de poder explicar o predecir el comportamiento de un determinado compuesto en un proceso químico o físico. El cuadro del final muestra la manera en la que podrá llevarse a cabo la identificación de grupos funcionales mediante reacciones de tubo de ensayo con reactivos colorimétricos. Tales reacciones aprovechan las propiedades químicas más notorias de cada grupo funcional. 23
1) En primera instancia se va a utilizar papel tornasol. Con un ácido el indicador universal vira a color rojo y con una base (amina) a un color verde azulado. Si el indicador permanece amarillo, el compuesto no es ni ácido ni base. La identificación de estos compuestos empezará con el agregado de KMnO 4 (Permanganato de Potasio), un agente oxidante neutro. Este reactivo permite determinar grupos fácilmente oxidables. Al producirse la oxidación, la solución de KMnO4, inicialmente de color violeta oscuro, se torna de color amarillo claro o incoloro; al mismo tiempo que se observa la precipitación de MnO 2. Algunos de los grupos oxidables son: a. Aldehídos: se oxidan a ácidos carboxílicos:
R-COO- + MnO2 + KOH
R-CHO + KMnO4 Violeta Oscuro
Incoloro
Café Oscuro
b. Alquenos: se oxidan en primera instancia a dioles (la oxidación puede continuar para dar dos moléculas carboxílicas). R
CH
CH2
KMnO4 OH , frío
R
H KMnO4
ciclohexeno
OH , frío
CH2
OH OH estereoquímica sin
H
H
CH
OH
OH H cis-1,2-ciclohexanodiol
2) La diferenciación entre un aldehído y un alqueno, se realizará utilizando el Reactivo de Tollens. Los aldehídos reducen la plata, lo que se distingue por la formación de una película de plata (espejo de plata) en el tubo de ensayo.
3) La presencia del grupo cetona se determinará con el reactivo 2,4-dinitrofenilhidrazina. Éste en presencia de una cetona, genera 2,4-dinitrofenilhidrazona, de color rojo.
Amarillo/Anaranjado
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4) La distinción entre alcoholes y alcanos se realizará mediante la prueba de Lucas. Esta prueba se usa para distinguir entre alcoholes primarios, secundarios y terciarios que tienen menos de seis o siete átomos de carbono, de acuerdo a la siguiente reacción:
La prueba requiere que el alcohol esté inicialmente en solución. Conforme la reacción se lleva a cabo, se forma el cloruro de alquilo correspondiente, el cual es insoluble en la mezcla de reacción. Como resultado, la solución se enturbia. En algunos casos se observa una fase diferente. a. Los alcoholes terciarios, alílicos y bencílicos reaccionan de inmediato y provocan turbidez en la solución. Es posible ver una fase diferente del cloruro de alquilo. b. Los alcoholes secundarios generalmente producen turbidez en 3-10 minutos. La solución puede requerir calentamiento para observar una prueba positiva. c. Los alcoholes primarios se disuelven en el reactivo pero reaccionan muy, muy lentamente, de tal modo que a los 10 minutos la solución permanece clara.
MATERIALES Gradillas con tubos de ensayo. Papel tornasol Gotarios REACTIVOS KMnO4 (1%) Ractivo de Tollens: En un tubo de ensayo coloque 1 mL de una solución acuosa de AgNO3 al 5%, seguido de 1 gota de una solución acuosa de NaOH al 10%. Ahora añada hidróxido de amonio concentrado, gota a gota (2 a 4 gotas) agitando, hasta que el precipitado de óxido de plata se disuelva. 2,4-dinitrofenilhidrazina: disolvier 1.0 g de 2,4-dinitrofenilhidrazina en 5.0 mL de ácido sulfúrico concentrado. Añada esta solución lentamente y agitando, a una mezcla de 10 mL de agua y 35 mL de etanol al 95% Reactivo de Lucas: Este reactivo se prepara disolviendo 13.6 g de ZnCl2 anhidro en 10.5 mL de HCl concentrado mientras se enfría en un baño de hielo). NaHCO3 al 5% HCl al 5%
METODOLOGÍA 1) Prueba del KMnO4. A 10 gotas de la sustancia problema se agregan 5 gotas de solución al 1% KMnO 4 se agita suavemente el tubo por aproximadamente un minuto. a. Si después de este tiempo se observa la formación de un precipitado color café (MnO 2), se trata de un aldehído o de un alqueno. 25
b. Si no ocurre cambio de color y la mezcla permanece de color violeta oscuro, ello indica que no ocurrió reacción y que se trata de un alcano, un alcohol o una cetona. 2)
Reactivo de Tollens. Se agregan 2 ml de reactivo de Tollens a 10 gotas de la sustancia desconocida, se agita suavemente un instante (sólo para homogeneizar) y se deja reposar por 5 minutos. a. Si se observa la formación de una capa de precipitado, el espejo de plata, se trata de un aldehído b. Si no se observa precipitado alguno, se puede colocar 5 minutos más a baño maría y ver si se produce el espejo de plata, de lo contrario se trata de un alqueno.
3) 2,4-dinitrofenilhidrazina. Se agregan 3 ml de disolución de 2,4-dinitrofenilhidrazina (precaución: es tóxica) a 10 gotas de la sustancia incógnita, se agita vigorosamente y se deja reposar por dos minutos. Si no se forma de inmediato un precipitado, deberá dejarse reposar hasta 15 minutos. a. Si se observa la formación de un sólido amarillo-anaranjado incluso en las paredes del tubo, la reacción ha ocurrido y se trata de una cetona. b. Si no se observa precipitado alguno (ignore la turbidez), la reacción no ha ocurrido y se trata de un alcano o un alcohol. 4) Reactivo de Lucas. Tomar 0,5 ml de alcohol en un tubo de ensayo, añadir 3 ml del reactivo de Lucas. Agitar durante un instante solo para homogeneizar, y dejar en reposo. Si la solución se enturbia rápidamente el alcohol es terciario, si la reacción permanece clara el alcohol es secundario o primario. Se puedo dar un golpe de calor en baño maría para ver si se forma precipitado. Si no se observa precipitado alguno, la reacción no ha ocurrido y se trata de un alcano.
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INFORME TP N° 1 Esquema orientativo para efectuar informe (máximo 3 carillas/puede incluir fotos/el envío es digital) 1) Objetivo de la práctica 2) Detalle paso a paso la marcha de solubilidad de su Muestra Incógnita ¿qué se observó en cada paso y cómo puede justificarse? 3) Detalle la marcha de determinaciones de grupos funcionales: resultados en cada paso (puede justificarlo escribiendo las reacciones) 4) Enumere conclusiones en cuanto a las posibilidades de estructura de su muestra problema: grupo funcional presente y también en cuanto a largo de la cadena
Cuestionario extra 1) Explique la manera en que afectan a la solubilidad de un compuesto los siguientes factores: a. Polaridad b. Enlace de hidrógeno 2) ¿Qué efecto tienen las ramificaciones de la cadena (sustituyentes alquílicos) de un compuesto sobre la solubilidad? 3) Indique a qué grupo de solubilidad pertenece la sustancia que analizó. Clasifíquela como ácida, básica o neutra. 4) El papel tornasol sólo puede mostrar el carácter ácido o básico de una sustancia, ¿es posible utilizarlo para distinguir un derivado de un ácido carboxílico o para aminas secundarias y terciarias? 5) El ioduro de etilo, CH3CH2I, es polar, pero contrariamente a lo que ocurre con el etanol (CH 3CH2OH) y el ácido acético (CH 3COOH), que también son líquidos polares, resulta ser insoluble en agua. Explicar esta diferencia de comportamiento. 6) Determinar la solubilidad de los siguientes compuestos en agua, soluciones acuosas de NaOH, NaHCO3, HCl y en H2SO4(c): a.
b.
c.
d.
7) ¿Un alquino podría oxidarse con KMnO4? Justificar. 8) Si una molécula posee tanto grupos carbonílicos (aldehído/cetona) como carboxílicos, podría utilizarse una fenilhidrazina para identificarlo? a. ¿Qué ventaja tiene utilizar 2,4-dinitrofenilhidrazina en lugar de fenilhidrazina?
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TRABAJO PRÁCTICO Nº 2 Cromatografía en Capa Delgada – Relaciones Estructura química: Polaridad Se conoce como cromatografía a una técnica que permite separar los componentes de una mezcla. Esta última puede ser una mezcla de compuestos orgánicos, pigmentos, de aminoácidos, de oligosacáridos, etc. La cromatografía puede tener un fin analítico - identificar los componentes de la muestra - o preparativo – permitir aislar un compuesto ya identificado, a partir de una mezcla. La cromatografía se basa en el principio general de distribución de un compuesto entre dos fases, una fija o estacionaria (que puede ser sólida o líquida) y una móvil (líquida o gaseosa). Dicha distribución depende de la afinidad de los componentes de la mezcla - dada por las interacciones intermoleculares que establezca – sea hacia la fase fija o hacia la fase móvil, que difieren en cuanto a su polaridad. Entonces, se define al proceso cromatográfico como la remoción selectiva de los componentes de una mezcla por acción de la fase móvil, que fluye a través de la fase estacionaria donde se encuentran. Los procesos fisicoquímicos que rigen estas separaciones pueden ser de varias clases, dando lugar a diferentes tipos de cromatografía tales como: de intercambio iónico, de adsorción, de partición, y de filtración por geles. De acuerdo a las técnicas cromatográficas y dispositivos utilizados, se las puede agrupar en: -
Cromatografía en papel Cromatografía en columna Cromatografía gaseosa Comatografía en capa delgada
En el TP usaremos la técnica “Cromatografía en Capa Delgada” (C.C.D.), muy comúnmente llamada T.L.C por “Thin Layer Chromatography”. En este tipo de cromatografía se utiliza como fase fija una sustancia saturada de humedad, generalmente sílica-gel, esparcida sobre una delgada placa de metal, acrílico o vidrio, que funciona como soporte. La fase estacionaria será el agua, adsorbida al gel; por lo tanto, tendremos una fase estacionaria polar. La fase móvil será entonces un líquido de baja polaridad o no polar. Por ser ambas fases líquidas, se trata de una cromatografía líquido-líquido y el fenómeno fisicoquímico que predomina se denomina partición. En otras ocasiones se puede utilizar la placa de sílica-gel previamente secada en estufa, eliminando el agua; en ese caso la fase fija pasa a ser la sílica, también polar, y se dice que la placa está “activada”. Como esta fase fija es sólida, se trata de una cromatografía sólido-líquido, y el fenómeno fisicoquímico que predomina es la adsorción.
Polaridad de superficie de síliica Gel
Polaridad de superficie hidratada de síliica Gel
Proceso que predomina: Adsorción
Proceso que predomina: Partición
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Visualización esquemática de los fenómenos de distribución de solutos por Adsorción y Partición Además de la sílica gel (SiO2 en estado coloidal), existen otras fases estacionarias, en muchos casos sílicas modificadas (Sílica C18 y C8 conocidas como fase reversa) las cuales han sido generadas para ampliar el espectro de posibilidades de análisis de los compuestos orgánicos. Desde el punto de vista metodológico, en toda cromatografía T.L.C. se distinguen varias etapas, tales como: - Selección de la fase móvil - Preparación de la cuba cromatográfica - Preparación y siembra de muestras y patrones - Corrida o desarrollo - Revelado - Visualización de manchas y análisis del cromatograma Selección de fase móvil. Luego de optar por la fase estacionaria con la cual se ha de trabajar (en el caso del TP sílica gel) se debe seleccionar la fase móvil de acuerdo a la polaridad de los componentes de la muestra a separar. Puede tratarse de una mezcla de solventes (miscibles entre si) o de uno solo. La elección de la fase móvil asegura el éxito del proceso, por eso esta etapa puede considerarse como la inicial de la cromatografía. Puede utilizarse gran variedad de solventes; generalmente, cuando se emplean placas de sílica, a mayor polaridad de los mismos se ve aumentado el poder de elución. Esa fuerza de elución se ve reflejada en la siguiente serie eluotrópica, en la cual las constantes dieléctricas varían según el solvente (hexano: 2; agua: 82). -
Eter de petróleo Hexano Tetracloruro de carbono Tolueno Cloruro de metileno Cloroformo Eter etílico Acetato de Etilo Acetona Propanol Etanol Metanol Agua Acido acético
Aumento del poder de elución
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Preparación de la cuba cromatográfica. El recipiente o “cuba” donde se coloca la placa de cromatografía debe ser de tamaño adecuado, fondo plano, paredes transparentes y estar tapado para asegurar un ambiente “saturado” con los vapores de la fase móvil, cuando se logra el equilibrio entre la fase líquido y vapor. La fase móvil ha sido incorporada en pequeño volumen y cubre el fondo de la cuba y para facilitar la saturación de la misma se coloca un trozo de papel de filtro por el que asciende la fase móvil por capilaridad; esto ayuda a mantener saturada de vapores la cuba al momento de comenzar el desarrollo de la cromatografía. Preparación y siembra de muestras y patrones. La muestra a analizar debe encontrarse completamente disuelta en un solvente eliminable por evaporación, dicho solvente (“solvente de siembra”) es seleccionado de acuerdo a los componentes de la muestra. Las soluciones de patrones o sustancias de referencia se preparan por lo general en concentración conocida. Para la siembra, que implica la incorporación de la muestra o patrones a la fase fija, se utilizan capilares de bajo calibre y se colocan unas pocas gotas (toques) en el punto de siembra, previamente marcados en la placa. Entre gota y gota se deja evaporar el solvente para evitar distorsiones e incrementos en el diámetro del punto de siembra. Corrida o desarrollo. Es el desarrollo propiamente dicho de la cromatografía; abarca el período en el cual la fase móvil asciende por capilaridad por la fase fija removiendo selectivamente los componentes de la muestra. Tiene una duración variable según el largo de la placa, la porosidad de la fase estacionaria, la volatilidad de la Dirección del ascenso de la fase fase móvil y la temperatura, entre otros factores. Durante el desarrollo nopor debe abrirse ni moverse la cuba. móvil, capilaridad Cubierta de la “cuba de cromatografía” Visualización de la distancia recorrida por la fase móvil
Nivel de fase móvil colocada
Punto de siembra, por encima del nivel del solvente o “fase móvil”
Una vez finalizada la corrida - cuando el frente del solvente llega a aproximadamente un centímetro del tope de la placa - se saca la placa de la cuba y se deja secar al aire. Revelado. En el caso de sustancias coloreadas, como pigmentos, las manchas se visualizan a simple vista, pero en otros casos se necesitan técnicas de revelado para poder verlas. El Iodo (I 2) y los ácidos fuertes con posterior calentamiento son reveladores universales, que dejan manchas visibles donde hay compuestos carbonados. Otro revelador es la solución de cloruro férrico que ha de utilizarse en este TP. Otro modo de visualizar las manchas es mediante el uso de luz ultravioleta (UV), que tiene la ventaja de no ser destructiva. Las placas comerciales de sílica gel vienen preparadas para absorber al UV a 254 nm ó 366 nm. Las zonas de manchas (donde hay sustancia retenida) absorben menos y eso es muy fácilmente detectable con una lámpara UV.
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Visualización y análisis del cromatograma. Las manchas que se observen a lo largo de la placa, desde el sitio de siembra hasta el frente del solvente, corresponden a los componentes de la muestra. Según sus posiciones, queda evidenciada la “distancia recorrida” por cada componente desde el punto de siembra. Esa distancia se basa principalmente en las diferentes interacciones de los componentes con la fase fija polar y la fase móvil no polar. Hay que tener en cuenta que una mancha puede contener varias sustancias cuando las mismas poseen polaridades muy similares. Visualizadas las manchas, una manera muy usual de analizar un cromatograma es por medio del “factor de retención” (Rf), que se define como la distancia recorrida por cada sustancia respecto del frente del solvente (la distancia recorrida por la fase móvil) Rf = distancia recorrida por soluto (componente de la muestra) distancia recorrida por solvente (fase móvil) Además, para poder identificar a qué componentes corresponden las manchas observadas, es preciso correr en paralelo (en otra “calle”) una o varias sustancias puras conocidas que, por comparación del R f, nos permiten inferir acerca de la presencia o ausencia de dicha sustancia en la muestra. En el caso de la figura, el patrón y la mancha B tienen el mismo Rf. por lo que podrían ser la misma sustancia, aunque sin más análisis es prematuro asegurarlo. Otras observaciones como forma y color de la mancha tienen valor diagnóstico al inferir la identidad de un compuesto. Asimismo, la intensidad de la mancha puede dar información sobre la concentración de la sustancia en la mezcla, manchas más prominentes y de mayor diámetro indican una mayor concentración de compuesto. Frente del solvente Mancha de compuesto B
distancia recorrida por solvente
Mancha de compuesto A
. . Calle 1: sustancia patrón
distancia recorrida por compuesto A Puntos de siembra e inicio de la corrida
Calle 2: muestra
El Rf de cada sustancia depende principalmente del tipo de fase fija y porosidad de la misma, del solvente o fase móvil elegida, de la temperatura, del tamaño de la cuba y por supuesto de la estructura y polaridad de la sustancia. En análisis estandarizados se puede considerar que cada sustancia tiene un valor de R f característico. Desarrollo del Trabajo Práctico APARECERÁ 31
PRÓXIMAMENTE EN CARTELERA
CUESTIONARIO IV Lípidos 1.- Los lípidos son el conjunto de biomoléculas que se extrae de un tejido animal o vegetal utilizando un solvente orgánico no polar. a) Mencione tres solventes orgánicos que cumplan esa característica. b) Indique la propiedad física que define a los lípidos como tales. 2.- La reacción de saponificación permite clasificar los lípidos en dos fracciones: saponificable e insaponificable, basándose en su estructura. Defínalas y enumere los tipos de compuestos químicos presentes en cada una de ellas. 3.- Compare los puntos de fusión de los ácidos grasos saturados e insaturados del mismo nº de átomos de C, y relaciónelos con las propiedades físicas de grasas y aceites. Indique cual de los isómeros geométricos determina la diferencia en el estado físico entre grasas y aceites, analizando que sucedería si se tratara del otro isómero. c) Explique qué son los CLA, cómo se producen y cuál es su importancia. 5.- Defina lípido simple. Nombre y formule la estructura general los dos grupos de lípidos simples que difieren en el alcohol del que derivan. Analice la solubilidad en agua y la función biológica de estas biomoléculas. 6.- Formule y nombre un ejemplo de monoacilglicérido, diacilglicérido y triacilglicérido. ¿Qué diferencias en hidrofilicidad espera encontrar entre ellos? 7.- Defina lípido compuesto. Nombre los grupos de lípidos compuestos más distribuidos en la naturaleza. Analice la polaridad de los mismos relacionándolo con su función en los seres vivos. Defina carácter anfipático. 8.- Formule la estructura general del fosfatidato y de un fosfoglicérido. b) Formule y nombre distintos fosfoglicéridos naturales obtenidos esterificando fosfatidato con aminoalcoholes o alcoholes. 9.- Defina y formule un glicoglicérido, indicando su función en la organización celular. 10.- Formule la esfingosina, una ceramida y un ejemplo de los dos grupos de esfingolípidos que derivan de ella. b) ¿En qué se diferencian de los glicéridos? ¿Con qué estructuras pertenecientes a los glicéridos puede relacionar a las dos primeras? Analice similitudes entre los diferentes grupos de glicéridos y esfingolípidos. 11.- El aceite de rosa mosqueta se extrae de Rosa rubiginosa; contiene glicéridos de los ácidos palmítico (5%), esteárico (2%), oleico (16 %), linoleico (45%) y linolénico (32%). a) ¿Cómo extraería el aceite, usando un equipo Sohxlet? b) Formule un triglicérido hallable en el aceite de rosa mosqueta. c) Formule la hidrólisis ácida del glicérido y explique cuál es la solubilidad en agua de todos los productos. 12.- Formule la reacción correspondiente a la hidrólisis ácida o enzimática de: a) un aceite. b) una lecitina. c) un galactosilglicérido.
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13.- Formule y nombre los productos de reacción de la saponificación de: a) un triacilglicérido. b) una fosfatidilserina. 14.- Formule la reacción básica de obtención de biodiesel a partir de aceite vegetal. Explique las características que deben cumplir los ácidos grasos presentes. 15.- a) Indique el comportamiento frente al agua de todas las moléculas involucradas en las reacciones de los puntos 10 y 11. ¿Cuáles forman micelas y cuáles liposomas? Justifique su respuesta. b) En la preparación de la mayonesa es clave el rol de la lecitina al homogeneizar la mezcla de yema, vinagre y aceite. Explique lo que sucede a nivel molecular en la mayonesa y proponga que ocurriría de faltar la lecitina. 16.- Grasas y aceites son susceptibles de transformaciones químicas que resultan en la alteración del sabor y el aroma de lácteos y otros alimentos, fenómeno conocido como rancidez. La misma puede ser de tipo oxidativa o hidrolítica. a) Para ambos tipos de rancidez, describa i) qué agentes están involucrados y ii) qué grupo funcional se ve afectado dentro de la estructura del triglicérido. b) Para el caso de la rancidez oxidativa formule el intermediario que se forma e indique cuáles podrían ser los productos finales de la reacción. 17.- Formule la reacción de hidrogenación de un aceite, especificando el producto principal y posibles subproductos. Explique su interés industrial 18.- A partir de un cultivo celular se obtuvo un extracto usando un solvente orgánico no polar. El principal componente de dicho extracto es un compuesto que al sufrir hidrólisis ácida arroja como productos glicerol, ácido fosfórico, ácidos grasos (C18:0 y C18:2) y colina. a) ¿De qué compuesto se trata? ¿Queda realmente definido unívocamente? ¿Puede predecir qué tipo de células tendrá el cultivo que dio origen al extracto? b) Indique la polaridad de dicho compuesto y explique cómo se comportará en un medio acuoso. c) Ordene los ácidos grasos obtenidos por hidrólisis ácida (C18:0 y C18:2) según temperatura de fusión creciente. Justifique brevemente. d) Formule la saponificación del compuesto a), indicando el comportamiento frente al agua de todos los productos obtenidos. 19.- Formule y nombre la unidad repetitiva de los isoprenoides. Mencione y formule tres pigmentos fotosintéticos, explique qué característica estructural tienen en común. Mencione y formule tres vitaminas incluidas dentro de este grupo e indique su importancia biológica. 20.- a) Nombre y formule un esterol de origen vegetal y uno de origen animal. b) Las hormonas esteroidales son en su mayor parte derivados del colesterol, como por ejemplo: andrógenos, progestágenos, glucocorticoides. i) Formule y nombre, la estructura de 5 carbonos que da origen a este grupo de moléculas. ii) A partir de un extracto lipídico, explique cómo haría para separar estas estructuras de los glicéridos. 21.- ¿Qué tipo de estructura tienen en común clorofilas y citocromos? ¿En qué se diferencian? 22.- a. ¿Qué son los eicosanoides? ¿A partir de qué tipo de organismos y en qué forma podrían encontrarse? ¿A partir de qué compuesto se produce su biosíntesis? b. ¿Le parece que sería fácil aislarlos en el laboratorio? ¿Cuál es su importancia biológica? c. Nombre los diferentes grupos de estos compuestos indicando sus características estructurales. 23.- Dados los siguientes compuestos: licopeno, colesterol, lecitina, trioleato de glicerilo, vitamina A, diacilglicérido, ácido cólico, citral, limoneno, gliceroglicolípido, indique justificando su respuesta, cuáles espera encontrar en la fracción saponificable de un extracto lipídico y analice el carácter hidrofílico / hidrofóbico / formador de micelas / formador de bicapas.
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TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 Caracterización de lípidos simples en aceite de maní Introducción: El maní (Arachis hypogaea) es una planta herbácea anual que alcanza 20 a 60 cm de altura, pertenece a la familia de las Leguminosae y a la subfamilia Papilionoideae. Su composición proteica y lipídica lo hace un alimento valioso para el hombre. Las pepas se consumen crudas, cocidas o tostadas y se procesan para producir mantequilla de maní, dulces y bocadillos, también se preparan sopas y salsas. El 40% de la producción mundial se destina a la obtención del aceite. La torta prensada de maní contiene 40-50% de proteína digerible. La harina de maní obtenida por molienda sirve para el enriquecimiento proteico de alimentos y las cáscaras como fibra cruda para forraje y producción de celulosa. Composición de pepas de maní (Escobar Soto, 1997). Composición Agua Proteína Lípidos Carbohidratos Fibra cruda Ceniza
% 5,0 30,0 48,0 15,5 3,0 2,0
Escobar Soto Carlos (1997) Rendimiento y estabilidad de variedades experimentales y comerciales de maní, V Congreso de la Sociedad Colombiana de Fitomejoramiento y Producción de Cultivos. Los aceites de maní tienen un porcentaje alto de grupos acilo insaturados formando parte de los glicéridos. Además del sistema científico de nomenclatura, en alimentos se utiliza el sistema omega. Omega () es la letra número 24 y última del alfabeto griego, se utiliza en uno de los sistemas de nomenclatura de los ácidos grasos para denominar al último carbono de la cadena, que es el que corresponde al grupo metilo (CH 3). La posición del doble enlace en el grupo acilo se designa a partir de él y entonces los ácidos grasos se clasifican en 3, 6 y 9. 1. Ácidos grasos 3 Linolénico (18 carbonos 3 dobles ligaduras), en aceites vegetales3: Eicosapentaenoico (20 carbonos 5 dobles ligaduras), en pescados. Docosahexaenoico (22 carbonos 6 dobles ligaduras), en pescados. 2. Ácidos grasos 6: Linoleico (18 carbonos 2 dobles ligaduras), en aceites vegetales. Araquidónico (20 carbonos 4 dobles ligaduras), en alimentos de origen animal. 3. Ácidos grasos 9: Oleico (18 carbonos 1 doble ligadura), en aceites vegetales (principalmente oliva, maní) y en menor cantidad en carnes de cerdo, vaca y pollo. Erúcico (22 carbonos 1 doble ligadura), casi el 50 % en aceite de colza. De estas tres series de ácidos grasos insaturados designadas por el sistema de nomenclatura omega, la mayor atención se ha puesto en los de la serie 3.
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En el siguiente cuadro se compara la composición de aceites más comunes:
Aceite de oliva Aceite de colza Aceite de maíz Aceite de soja Aceite de sésamo Aceite de maní Aceite de palma Aceite de coco Aceite de girasol Aceite de algodón
Porcentaje de ácidos grasos en aceites vegetales Saturados Monoinsaturados 10 82 11 65 10 36 15 28 19 53 22 49 49 43 92 6 12 20 25 24
Poliinsaturados 8 24 54 57 28 29 8 2 68 51
Procedimiento experimental
Extracción del aceite de maní: 50 g de maníes previamente pelados y molidos se colocan dentro del cartucho del Soxhlet. En el balón de 250 ml se colocan 150 ml de cloroformo. Se adosa el refrigerante y se extrae durante dos horas, luego se evapora el solvente a presión reducida (separación de solvente a temperatura menor que la de ebullición evitando la alteración de sustancias termolábiles).
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Ensayos sobre el extracto obtenido 1) Caracterización de insaturaciones etilénicas (dobles enlaces): Los ácidos grasos no saturados pueden adicionar oxígeno, hidrógeno, cloro, bromo, iodo a los dobles enlaces presentes en su molécula. En el laboratorio utilizaremos el reactivo de Hübl como agente halogenante. Reactivo de Hübl. Solución A: HgCl2 en etanol 30 g/500 ml. Solución B: I2 en etanol 25 g/500ml. Se mezclan ambas soluciones en partes iguales en el momento de realizar el ensayo. La reacción entre ambas soluciones produce el agente halogenante (cloruro de yodo) el que se adiciona a los dobles enlaces de los grupos acilo a razón de un mol por doble ligadura. HgCl2
+
2 I2
2 ICl + agente halogenante
HgI2
Colocar 2 ml de cloroformo en sendos tubos de ensayo y adicionar 3 gotas de reactivo de Hübl a cada tubo. Agregar 5 gotas del aceite de maní a uno de ellos. Agitar y observar la decoloración del reactivo de Hübl por comparación de ambos tubos. 2) Reacción de saponificación: Los ésteres de ácidos grasos se hidrolizan en presencia de un catalizador. Esta hidrólisis conduce a la liberación del alcohol y a la formación de ácidos grasos en el caso de la hidrólisis ácida o jabones (sal de un ácido graso) cuando el catalizador es un álcali.
Añadir 2 ml del extracto de aceite de maní en un Erlenmayer de 250 ml con 20 ml de NaOH 20% (p/v) en agua, agitar enérgicamente y observar cuántas fases hay. Calentar a ebullición suave con agitación ocasional durante 15 minutos, manteniendo constante el nivel de la solución. Dejar enfriar la solución resultante de la saponificación (S) y analizar las fases presentes. Realizar los siguientes ensayos de caracterización de los productos de reacción de la saponificación (S): a) Colocar 1 ml de S en un tubo de ensayo, agregar 5 ml de agua y agitar. b) Colocar 5 ml de S en un tubo de ensayo, dejar en reposo y tomar la fase líquida inferior introduciendo inicialmente una pipeta con su orificio superior obturado hasta el fondo del tubo y luego dejar ascender por capilaridad. Trasvasar la fase líquida obtenida a otro tubo y agregar 2 ml de ácido sulfúrico (1:1) gota a gota, agitando y enfriándolo bajo chorro de agua para evitar proyecciones. c) Colocar 1 ml de S en un tubo de ensayo, agregar 1 ml de agua destilada y 5 gotas de cloruro de calcio al 10% gota a gota.
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Cuestionario extra 1.- ¿De qué ácidos grasos derivan los grupos acilo de los glicéridos que predominan en el aceite extraído de la semilla del maní? Nómbrelos utilizando los dos sistemas de nomenclatura que conoce. 2.- ¿Por qué utiliza cloroformo como solvente para extraer el aceite de las semillas del maní? ¿Cuál es la ventaja de utilizar un aparato Soxhlet en ese proceso? 3.- ¿Qué es el reactivo de Hübl? ¿Cuándo y con qué fin lo utiliza? ¿Qué tipo de reacción química se produce? ¿Por qué se decolora el reactivo? Formule la reacción. 4.- ¿Qué propiedad física se pone de manifiesto cuando se agita la solución que contiene el producto de la saponificación? ¿Cuáles son los compuestos responsables de esa propiedad y por qué? 5.- Formule la reacción química que ocurre por agregado de una solución acuosa de CaCl 2 a los productos de saponificación. ¿Cómo verifica que la reacción ha ocurrido? 6.- Para los siguientes tipos de aceites vegetales: oliva, coco y algodón: a) Analice qué valores de índices de iodo (II2) esperaría encontrar (mayor, menor, intermedio) en cada uno de ellos, teniendo en cuenta que el mismo se calcula como miligramos de iodo fijados por cada gramo de aceite o grasa. b) ¿Cómo cree que se relacionan el II2 con la rancidez de los aceites y grasas? c) Sabiendo que la reacción de hidrogenación (enzimática o industrial) se basa en la adición de hidrógeno (H2) a los enlaces no saturados de los triglicéridos, indique cómo se vería afectado el II 2 en cada uno de estos aceites y qué cambios en las propiedades físicas de cada uno de ellos esperaría encontrar por hidrogenación de los mismos.
INFORME TP N° 3 Esquema orientativo para efectuar informe (máximo 3 carillas/puede incluir fotos/el envío es digital) -
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Objetivo de la práctica. Detalle objetivo/s específico/s si los hay. a) Explicar brevemente como funciona un equipo de Soxhlet Formule reactivos y productos de cada reacción química realizada ¿qué se observó en cada caso positivo o negativo? a) Caracterización de Insaturaciones b) Producción de jabones (1) Propiedades físicas en agua (2) Propiedades físicas en aguas duras (3) Propiedades físicas en medio ácido Formule con ejemplos de biomoléculas bajo estudio, en todos los casos (no se considera aprobado con fórmulas abreviadas). Discusión y conclusiones finales
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CUESTIONARIO V Primera parte: isomería óptica 1.- Indique cuando un objeto es quiral o asimétrico. Considerando la estructura tetraédrica del átomo de C defina carbono quiral o asimétrico (C*). b) ¿Qué tipo de isomería genera un C*carbono quiral? 2.- En las siguientes fórmulas marque con un asterisco (*) los átomos de carbono quirales. Cl H C H H
COOH H2N C H H2COH
Cl
COOH
H C CH3 HO C H H
CH3
CH3
COOH
H C OH
H C OH
C O
H C OH
CH3
COOH
b) Indique el número de estereoisómeros que tendrá cada una de las estructuras anteriores y el criterio que usó para decidirlo. 3.- ¿Cuál es el significado de las letras D y L en las proyecciones de Fisher? b) Indique a qué serie pertenecen las sustancias ópticamente activas de la pregunta anterior. 4.- Defina, formule y nombre ejemplos de un par de enantiómeros y compare sus propiedades físicas, químicas y biológicas. 5.- Defina actividad óptica e indique el nombre del aparato utilizado para determinar el poder rotatorio. ¿Se puede predecir su valor y/o signo a partir de la fórmula espacial de una molécula? 6.- a) ¿A qué serie pertenecen y de qué tipo son los isómeros representados por las siguientes estructuras? ¿Puede deducir el carácter dextrógiro o levógiro de cada uno? COOH H2N C H
COOH H C NH2
CH3
CH3
b) ¿Qué relación existe entre los valores de poder rotatorio de ambos isómeros? 7.- Defina mezcla racémica e indique si tiene actividad óptica. Justifique. b) Defina y formule un ejemplo de mesoforma.
Segunda parte: hidratos de carbono 1.- Nombre y formule según Fischer el monosacárido que cumple el rol de combustible celular, marcando los C*. b) Formule y nombre su enantiómero y un diastereómero. c) Formule las estructuras de D-ribosa, Dgalactosa y D-manosa. 2.- La (+)-glucosa y la (-)-fructosa son monosacáridos que pertenecen a la serie D. ¿Qué indican los signos entre paréntesis? b) ¿Existe alguna relación entre el poder rotatorio y la serie a la que pertenece un monosacárido según la convención de Fischer? 3.- Defina carácter anomérico. ¿Qué tipo de reacción se produce en la formación de los anómeros? Utilizando representaciones de Harworth formule y nombre todas las estructuras piranósicas de la D-glucosa, D-galactosa, la D-manosa y las formas furanósicas de la D-fructosa y D-ribosa, indicando el carácter anomérico. 4.- ¿Qué entiende por carácter reductor de una sustancia? ¿Qué grupo funcional cumple ese rol en un hidrato de carbono? b) ¿Qué reactivo utiliza para comprobar el carácter reductor de un hidrato de carbono? Formule la reacción de óxido-reducción y nombre el producto obtenido en el caso de D-galactosa. 5.- Formule y nombre un: desoxiazúcar, aminoazúcar, ácido glicurónico, ácido glicónico y dos posibles productos fosforilados de monosacáridos. Indique cuáles de los compuestos formulados poseen carácter reductor. 38
6.- Defina enlace glicosídico. Formule ejemplos y nombre las diferentes clases de enlace glicosídico. b) Formule utilizando estructuras de Haworth un disacárido reductor y uno no reductor ambos formados por una -D-galactopiranosa y una -D-fructofuranosa. 7.- Escriba las estructuras de Harworth de: lactosa, sacarosa, maltosa ycelobiosa, y analice el carácter reductor de cada disacárido. ¿Por qué se define como galactosídico el enlace entre los monosacáridos en la lactosa? 8.- Formule un disacárido reductor y uno no reductor que puedan obtenerse a partir de inulano (fructosano con enlaces -(21) y -D-glucopiranosa terminal) ¿Cuál es el rol biológico de estas sustancias? 9.- a) Nombre y describa la estructura y localización de polisacáridos de reserva vegetal y animal. b) Nombre y describa la estructura y localización de otros hidratos de carbono de reserva presentes en ciertos vegetales. 10.- a) Describa estructura de la celulosa e indique el disacárido que se repite en ella (unidad repetitiva del polisacárido). b) Nombre y describa otro polisacárido de estructura similar, pero conteniendo diferente monómero. c) Describa un glicano de entrecruzamiento (hemicelulosa). 11.- Enumere las características fisicoquímicas de las sustancias pécticas e indique su función en la pared vegetal. b) Formule la estructura de la unidad repetitiva d el HG y en la cadena principal del RG I. 12.- A partir de un material vegetal se aisló un polisacárido formado por una cadena lineal de unidades de Dmanosa unidas -(14) que presentaba ramificaciones de tres monosacáridos con predominio de D-galactosa. ¿Cómo lo nombraría? Formule dos disacáridos diferentes que podrían provenir de la hidrólisis de este polisacárido. 13.- Dados los siguientes hidratos de carbono: celobiosa, fructosano, amilosa, quitina, sacarosa, amilopectina, heparina, xiloglucano, maltosa, homogalacturonano (HG), glucógeno, fructosa, estaquiosa, indique cuáles: a) son constituyentes de la pared celular b) son derivados de N-acetilglucosamina c) son homopolisacáridos d) son polisacáridos de reserva e) poseen poder reductor 14. Indique los principales hidratos de carbono utilizados como fuentes de bioetanol. Explique características básicas del proceso, ventajas y desventajas de cada una de las materias primas utilizadas. 15. En plantas con flores, el néctar - segregado por las glándulas nectarios - es una estrategia para atraer polinizadores. Se trata de una solución dulce que contiene principalmente sacarosa, fructosa, glucosa; en menor medida contiene también maltosa y melobiosa (un disacárido formado por una unidad de D-galactosa unida a D-glucosa por un enlace α-(16), ambos en forma piranósica). i. ii. iii.
Formule los cinco componentes mencionados del néctar Especule sobre el poder reductor de una solución de néctar. ¿Con qué reactivo lo probaría? ¿Qué resultado esperaría obtener al introducir al néctar unas gotas de reactivo de Lugol? Justifique.
Tercera parte: hidratos de carbono en estructuras supramoleculares 1.-Defina estructura supramolecular y nombre cuatro ejemplos. 2. a. Describa las funciones de la pared celular en los organismos vegetales y enumere las redes de polímeros que son sus principales constituyentes. B. Explique las diferencias entre las paredes celulares de Tipo I y II e indique en qué plantas encontrará cada una de ellas. 3.a. Explique la diferencia entre una pared celular primaria y una secundaria. b. Dé tres ejemplos de paredes secundarias diferentes. c. Discuta posibles aplicaciones industriales de cultivos en base a sus paredes celulares (textiles, papel, biocombustibles). 39
TRABAJO PRÁCTICO Nº 4 Almidón en tubérculos de papa: extracción y propiedades Introducción: La papa (Solanum tuberosum) pertenece a la familia de las solanáceas. Es cultivada por todo el mundo por sus tubérculos comestibles. Se originó y fue domesticada por primera vez en los Andes de Sudamérica. La papa es el tercer cultivo alimenticio más importante del mundo en términos de consumo humano después del arroz y del trigo. Aproximadamente 1.4 mil millones de personas alrededor del mundo consumen papa como alimento básico, y la producción total del cultivo sobrepasa los 300 millones de toneladas. La papa es esencial en términos de seguridad alimentaria frente al crecimiento de la población. Es un alimento muy nutritivo desde el punto de vista energético debido a la gran cantidad de almidón que aporta, además vitaminas hidrosolubles, minerales y fibra. El almidón, que contiene los principales polisacáridos de reserva, se encuentra en el endosperma de los tubérculos y cereales en forma de unidades discretas denominadas "gránulos", de distinta forma (redondeada, poliédrica) y tamaño dependiendo de la especie. El gránulo de almidón, insoluble en agua fría, la absorbe y se hincha al calentar en agua. Durante este proceso puede romperse la cubierta proteica liberando los dos componentes principales: amilosa, un polímero esencialmente lineal de α−(1→4)glucosa y amilopectina, un polímero ramificado por cadenas cortas de α−(1→4) glucosa unidas a través de ramificaciones α−(1→6) a la cadena principal α−(1→4). Las cantidades relativas de amilosa y amilopectina están genéticamente determinadas. La presencia de las enzimas hidrolíticas α−amilasa, β−amilasa y fosforilasa es necesaria para el proceso de germinación, ya que permiten la liberación de azúcares simples, siendo la α−amilasa la más importante durante la germinación de semillas. Composición química y nutricional: El 80% de su composición corresponde a agua, y un 1-2% a fibra alimentaria (en la cáscara). Contiene de 16 a 20% de hidratos de carbono, particularmente almidón, polisacárido que libera glucosa por hidrólisis enzimática. La concentración de azúcares sencillos es baja (0,1 - 0,7%) siendo los más importantes la glucosa, fructosa y sacarosa. Los lípidos no tienen importancia desde un punto de vista cuantitativo (0,1%) y se encuentran mayoritariamente en la piel. El contenido de proteínas llega al 2%. La papa tiene niveles significativos de vitamina C y es una fuente de minerales, predominando el potasio, el hierro y el zinc, que son los de mayor interés, debido a que la elección varietal para obtener mayores concentraciones de estos micronutrientes pueden contribuir a reducir la desnutrición de la población en aquellos lugares donde hay un alto consumo de papa. El glicósido solanina, potencialmente tóxico, formado por el alcaloide solanidina que glicosila a un trisacárido de galactosa, glucosa y ramnosa, forma parte de sus componentes menores. Su concentración media (50-100 mg/100g) puede llegar a valores tóxicos (200 mg/100g) cuando las papas se exponen al sol. La solanina se concentra en los brotes y la cáscara de la papa, por lo que retirarla puede prevenir la intoxicación aunque de esta manera, se eliminan una parte importante de los nutrientes y fibra (RedePapa, Boletín de la papa, Vol. 3, Nº 23, 2001). Comparación del contenido de macronutrientes de la papa (cruda y referido a peso seco) con otros alimentos vegetales, (Woolfe, 1987): % Energía (Kcal) Humedad Proteína Grasa Glúcidos Fibra Bruta Cenizas Hortalizas
14-33
85-95
0,3-0,9
0-0,1 1,2-7,3
1-3,4
0-0,5
Frutas
25-83
80-95
0,3-1,2
0-0,1 6-20
1,3-4
0-0,5
Papa cruda 80,4
78,0
2,1
0,1
18,5
2,1
1,0
Papa seca
321,0
11,7
8,4
0,4
74,3
8,4
4,0
Arroz
365,5
21,0
6,8
0,5
80,2
2,4
0,6
Trigo
333,4
12,3
13,3
2,0
70,9
12,1
1,7
40
La papa es un alimento muy nutritivo desde el punto de vista energético debido a la gran cantidad de almidón que aporta además vitaminas hidrosolubles, minerales y fibra. Tiene un contenido no despreciable de proteínas, de valor biológico relativamente alto dentro de los alimentos de origen vegetal. En el cuadro anterior se puede comparar el valor nutricional de las papas con otros alimentos de origen vegetal como frutas, hortalizas y cereales. Procedimiento Experimental. Precauciones: Los ácidos y bases concentrados son corrosivos y dañan piel, mucosas y ojos por contacto. Todos los solventes orgánicos son tóxicos. 1. Extracción del almidón: Rallar la papa pelada y recoger el líquido y la papilla en un vaso de precipitados. Filtrar por tela, recoger el filtrado. Esperar que el almidón decante en el filtrado y separarlo cuidadosamente del sobrenadante. 2. Preparación del engrudo de almidón: Tomar una punta de espátula del almidón decantado y suspender en 10 ml de agua fría agitando con una varilla de vidrio. En un vaso de precipitados llevar a ebullición 50 ml de agua y agregar la suspensión de almidón manteniendo el sistema en ebullición con agitación hasta observar una solución opalescente, interrumpir el calentamiento y dejar enfriar. 3. Hidrólisis ácida del engrudo de almidón. Colocar 10 ml del engrudo de almidón en un Erlenmeyer, agregar 10 ml de ácido clorhídrico 5%. Trasvasar esta solución directamente (sin usar pipeta) a dos tubos de ensayo (aproximadamente 5 cm de altura en cada uno). Calentar ambos tubos en baño de agua en ebullición durante 15 minutos y se dejan enfriar. 4. Hidrólisis enzimática (amilasa) La hidrólisis de almidón es catalizada enzimáticamente en la boca de los mamíferos por la enzima amilasa. Colocar 2 ml de agua en un tubo de ensayo, agregar una punta de espátula de amilasa, mezclar con una varilla de vidrio. Agregar 1 ml de engrudo de almidón, calentar en baño de agua tibia (40ºC) 10 minutos y dejar enfriar hasta temperatura ambiente. 5. Caracterización del engrudo de almidón y de su hidrolizado. Reactivo de Lugol: solución acuosa de iodo en ioduro de potasio. Permite detectar el carácter helicoidal de los polisacáridos en solución acuosa. El iodo se introduce en la estructura helicoidal de los polisacáridos del almidón formando compuestos de inclusión, resultando una solución de color azul cuando predomina la amilosa. I2 + I -K+ ↔ I3- K+ Reactivo de Fehling: Fehling I: solución acuosa de sulfato de cobre (II) pentahidratado. Fehling II: solución acuosa de hidróxido de sodio y tartrato de sodio y potasio. Las dos soluciones se agregan en forma consecutiva al tubo de ensayo en el que se efectúa la reacción. Permite determinar poder reductor en azúcares. Si el glúcido es reductor se oxida reduciendo el sulfato de cobre (II) en solución (azul) a óxido de cobre (I) que aparece como un precipitado de color rojo-ladrillo.
R C
O +2 + Cu H
NaOH ,H2O tartrato de sodio y potasio
R C
O + O Na
+
Cu2O
rojo-ladrillo
5.1 Ensayo de Lugol. a) Colocar en un tubo de ensayo una alícuota (2 cm de altura) de engrudo de almidón y agregar una gota de Lugol. Calentar en baño de agua hirviente hasta desaparición del color y dejar enfriar. Observar variaciones del color con la temperatura. b) Realizar el mismo ensayo sobre el contenido de uno de los tubos provenientes de las hidrólisis ácida y enzimática del engrudo de almidón. Comparar y justificar los resultados obtenidos. 41
5.2 Ensayo de Fehling. a) Colocar en un tubo de ensayo 0,5 ml del engrudo de almidón y añadir 2 ml de Fehling I y 2 ml de Fehling II. Agitar con varilla, el líquido del tubo de ensayos adquirirá un color azul fuerte. Calentar el tubo a baño de agua hirviente. La reacción se considera positiva si aparece precipitado color rojo-ladrillo. b) Realizar el mismo ensayo con uno de los tubos provenientes de la hidrólisis ácida del engrudo de almidón neutralizando previamente con 10 gotas de hidróxido de sodio al 40 %. Comparar y justificar ambos resultados.
Cuestionario extra 1.- ¿Cuál es el objetivo de la práctica? ¿Qué tipo de productos vegetales contienen almidón como principal componente? ¿Qué tipo de uniones se rompen en la hidrólisis ácida del almidón y qué otro método utilizaría para obtener el mismo producto de reacción? 2.- ¿Cuáles son los polisacáridos que forman parte del almidón? ¿En qué se diferencian estructuralmente? Indique la unidad monomérica y la unidad repetitiva en cada caso. 3.- Explique qué indica la reacción de Lugol sobre el engrudo de almidón y a qué se debe la aparición del color. Justifique lo que ocurre al calentar a ebullición y luego dejar enfriar. 4.- ¿Qué resultado espera de la reacción de Fehling sobre el engrudo de almidón? Justifique. 5.- Justifique los resultados obtenidos en los ensayos de Lugol y Fehling sobre el hidrolizado.
INFORME TP Nº 4: Esquema orientativo para efectuar informe (máximo 3 carillas/puede incluir fotos/el envío es digital) -
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Objetivo de la práctica. Detalle objetivo/s específico/s si los hay. Formule reactivos y productos de cada reacción química realizada ¿qué se observó en cada caso positivo o negativo? a) Obtención de almidón b) Obtención de unidad monomérica c) Estructura helicoidal en “a” y “b” d) Poder reductor en “a” y “b” Formule con ejemplos de biomoléculas bajo estudio, en todos los casos (no se considera aprobado con fórmulas abreviadas). Discusión y conclusiones finales
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CUESTIONARIO VI Nucleótidos y ácidos nucleicos 1.- Formule y nombre las principales bases purínicas y pirimidínicas presentes en los ácidos nucleicos. b) Analice los grupos funcionales comunes y diferenciales que en ellas se encuentran. c) Indique la diferencia entre un nucleótido y un nucleósido, formule y nombre un ejemplo en cada caso. 2.- Formule las conformaciones Syn y Anti de los nucleósidos, indique de qué dependen estas conformaciones. 3.- La unidad biológica de energía libre es el ATP, formule su estructura e indique de qué tipo de biomolécula se trata. b) Analice y nombre sus partes constitutivas indicando los tipos de unión que las vincula. c) Formule y nombre las estructuras que se obtienen por pérdida consecutiva de cada uno de los grupos fosfato. 4.- El glucagón es una hormona, relacionada con el aumento de glucosa en sangre a través de diversos mecanismos. Se une a un receptor en la membrana de los hepatocitos y desencadena la cascada del AMPc. Formule este nucleótido. ¿De qué tipo de proceso se trata? 5.- ¿Qué tipo de biomoléculas son UTP y CTP desde el punto de vista estructural? Indique la ruta metabólica en la que cada uno de ellos cumple una función específica. b) Nombre la molécula encargada de transportar grupos acilo en el metabolismo de los lípidos, e indique a través de qué unión asegura la activación de dicho grupo. 6.- Nombre y formule las estructuras de los nucleótidos que se desempeñan como cofactores de óxidoreductasas, indique si son mono o dinucleótidos. b) Indique la diferencia estructural entre NADH y NADPH y su relación con el rol metabólico que cumplen. Formule la ecuación correspondiente a un paso metabólico en que participen NAD+ y NADPH, respectivamente. 7.- En las reacciones de óxido-reducción en las que participan FAD y NAD + aparecen formas oxidadas y reducidas de los mismos. a) Escriba las ecuaciones de las correspondientes hemireacciones. b) Escriba las ecuaciones completas de la oxidación de un sustrato en la que intervenga cada uno de estos cofactores. 8.- Indique cuál es la molécula que guarda la información relacionada con la herencia en los seres vivos y donde se encuentra ubicada en la célula, explique por qué se denomina macromolécula o biopolímero. b) ¿Qué otra biomolécula interviene en la transmisión de los caracteres hereditarios? Nombre las etapas y los sitios en los cuales estas se realizan. Describa brevemente los procesos involucrados. 9.- ¿Qué tipo de unión química existe entre nucleótidos en los ácidos nucleicos? Formule la unión de dos nucleótidos en una cadena de ARN. ¿Cuál es la diferencia entre esa unión y la unión entre nucleótidos en el NAD+ y el FAD? 10.- Defina complementariedad de las bases e indique su función biológica. Nombre y formule los pares de bases complementarias y analice el número y tipo de interacciones en ambos casos. Describa de qué modo influye el pH del medio sobre dichas interacciones 11.- Analice las diferencias estructurales entre el ARNm, el ARNt y el ARNr y relaciónelas con sus funciones. Explique la estructura y rol biológico de ARNi. 12.- Haga un análisis comparativo detallado de las características químicas, estructurales y funcionales de ADN y ARN. b) Discuta desde un punto de vista exclusivamente estructural, la posibilidad de reemplazar desoxirribosa por ribosa en el ADN. ¿Cuál podría ser la causa de la ausencia de uracilo en el ácido desoxirribonucleico? 13.- Desde un punto de vista estructural discuta las diferentes conformaciones que puede adquirir el ADN (ADN B, ADN A y ADN Z).
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14.- Explique que es un palíndromo en la secuencia de un ácido nucleico y que consecuencias estructurales tiene. 15.- Formule el apareamiento de bases de Hoogsteen y compare con el apareamiento clásico de Watson y Crick. ¿Qué tipo de estructuras tridimensionales permite y cuál podría ser su importancia biológica. 16.- Dada la siguiente secuencia en la cadena complementaria de la doble hélice del ADN: 3'CTTGTCCAATCA-5’ a) ¿cuál será la secuencia transcripta en el correspondiente ARNm y cuáles los anticodones de los cuatro ARNt que se sucederán en esa etapa del proceso de traducción? 17.- a) ¿Qué es un nucleosoma? Describa de qué manera se organiza un cromosoma. b) ¿Qué son las histonas y qué características estructurales les permiten interactuar con el ADN? c) ¿Cuáles y por qué son tan importantes las modificaciones químicas que sufren estas proteínas? 18. Dado el tripéptido Pro-Cys-Gln, indique una posible cadena de ARNm para la biosíntesis del mismo. Indique cómo sería la cadena de la información en el ADN.
Código genético. (Tabla de icodones
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CUESTIONARIO VII Primera parte:Aminoácidos y proteínas 1.- a) Explique el significado químico del término -aminoácido, formule su estructura general e indique el tipo de isomería que presenta. b) Analice las propiedades físicas de los aminoácidos y clasifique a los aminoácidos proteicos en función del grupo R. c) ¿Qué es un aminoácido no codificable? Dé un ejemplo. 2.- Defina punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido y analice la relación entre éste y las características químicas de los grupos R. ¿Cómo se denomina la estructura que adopta un aminoácido al pH correspondiente a su pI? 3.- Formule los siguientes aminoácidos: alanina, ácido glutámico, lisina, cisteína, asparragina, serina y tirosina. b) Clasifíquelos según corresponda como no polares, polares sin carga, ácidos o básicos. c) Formule la estructura de cada uno de ellos en su punto isoeléctrico. 4.- Formule los aminoácidos: glicina, alanina, lisina y ácido aspártico a pH: i)1, ii) 6 y iii) 10. 5.- Defina aminoácidos codificables o universales, esenciales, no proteicos y no codificables. 6.- Defina dipéptido, tripéptido y polipéptido. Nombre la unión a través de la cual se forman y los grupos funcionales involucrados. b) ¿De qué tipo de unión química se trata? 7.- Formule un tripéptido en su pI en el cual el resto prolil sea segundo en la secuencia, nómbrelo y señale el aminoácido N-terminal y el C-terminal. b) Formúlelo a pH: 2 y a pH: 11. 8.- Defina estructura primaria de una proteína. b) ¿Qué biomolécula codifica esa información? 9.- ¿Qué tipos de estructura secundaria pueden presentar las cadenas polipeptídicas? b) ¿Qué efecto tiene la presencia de un residuo prolil o hidroxiprolil durante el armado de ese nivel estructural de una secuencia en la que predominan otros restos aminoacilo? Nombre los aminoácidos más frecuentes en los giros 10.- En el siguiente diagrama se muestra el péptido vegetal llamado sistemina. Ante un ataque por herbivoría las plantas de la familia Solanáceas aumentan los niveles de este péptido que sirve como señal (es una hormona) para inducir la expresión de genes relacionados con mecanismos de defensa, especialmente inhibidores de proteasas digestivas.
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a) Resalte la cadena principal del péptido. b) En un punto de la cadena principal se interrumpe la secuencia “amino, carbono , carbonilo”. Marque su ubicación y proponga una explicación a esta irregularidad. c) Indique cuantos restos de aminoácidos componen el péptido. d) Nombre los restos que pueda reconocer 11.- ¿Qué tipo de interacción estabiliza las estructuras -hélice y -plegada, qué átomos están involucrados en ella? b) ¿Cómo quedan ubicados los grupos R una vez estructurado el nivel secundario? 12.- Defina estructura terciaria, nombre los tipos de proteína que resultan de ella y analice comparativamente todas sus características estructurales y biológicas. Analice en detalle todos los tipos de interacciones que se producen. Describa un ejemplo de cada tipo de estructura terciaria. b) ¿A qué se denomina dominio en una proteína? c) Si las secuencias Asp-Pro-Ser y Gln-Lys formaran parte de una misma cadena polipeptídica, esquematice cómo imagina la interacción entre ambos segmentos para estabilizar la estructura terciaria, a pH fisiológico. Detalle tipo de interacción en cada caso. 13.- ¿A qué se denomina estructura cuaternaria de una proteína y qué tipo de interacciones la estabilizan? Describa una proteína que presente este nivel de estructuración. 14.- Analice la diferencia entre una proteína simple y una conjugada, y nombre ejemplos en la célula vegetal. b) Defina cofactor e indique en qué tipo de proteínas aparece. En qué casos se conoce como “grupo prostético” y en cuáles, como “coenzima”? 15.- ¿A qué se refiere el nombre “proteína nativa”? ¿Cuál es la teoría que explica la formación de esta estructura tridimensional? ¿Qué es una superestructura secundaria? 16.- Explique qué sucede cuando se produce la desnaturalización de una proteína. Dé ejemplos de desnaturalización reversible e irreversible. Relacione el proceso de desnaturalización con la teoría del glóbulo fundido. 17.- Explique el método de electroforesis conocido como SDS-PAGE (electroforesis en geles de poliacrilamida) aplicado a la separación de mezclas de proteínas. Indique claramente en base a qué característica se produce la separación. Esquematice qué observará si separa por esta técnica dos proteínas, A y B. A está formada por una sola cadena de peso molecular 83 KDa, mientras que B está formada por dos unidades, una de ellas de 55 kDa y la otra, de 234 kDa. Además, cuenta con proteínas patrón de 10, 50, 200 kDa.
Segunda parte: Proteínas en estructuras supramoleculares 1.- Nombre ejemplos de proteínas estructurales y solubles de la pared celular describiendo el rol biológico en cada caso. ¿Dentro de qué grupo clasificaría a las extensinas? Justifique. 2.- Nombre dos proteínas estructurales y dos proteínas motoras del citoesqueleto y describa la función de las mismas. b) Compare desde el punto de vista estructural actina G con actina F, y describa el proceso de transformación de una en otra. c) ¿Qué proteínas se autoensamblan para formar los microtúbulos en las células animales? d) ¿Qué proteínas motoras interactúan con ellos para mover organelas dentro de una célula? 3.- i. Explique brevemente el rol del citoesqueleto durante la mitosis. ii. Indique cómo se define la orientación de las microfibrillas de celulosa en la pared celular. 4.- Describa los filamentos grueso y delgado del músculo y analice la función de los componentes proteicos de cada uno. b) Describa el proceso a través del cual interaccionan actina y miosina para generar fuerza mecánica e indique qué influencia tiene la concentración de Ca 2+ sobre la contracción muscular.
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TRABAJO PRÁCTICO N° 5- PROTEÍNAS Introducción Las proteínas son macromoléculas compuestas por una gran cantidad de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. La variación en el orden y número de estos monómeros, y su conformación espacial final las hace sumamente versátiles en relación a la diversidad de funciones que pueden llevar a cabo en la célula o el medio extracelular. Entre de los productos con mayor valor nutricional para el ser humano se encuentra la leche. Su importancia radica en el alto contenido de proteínas, entre otros nutrientes. Hay proteínas solubles, como albúminas, proteínas séricas, etc. y otra de menor solubilidad. A este último grupo pertenece el complejo proteico caseína, cuya función principal es la de proveer de calcio y fosfatos, indispensables para la formación y mantenimiento de la estructura ósea en el recién nacido. Por otra parte, debido a su alta proporción y a su insolubilidad a pHs bajos, su extracción resulta metodológicamente sencilla. Si bien la estructuración exacta de este complejo no se conoce con certeza, los modelos actuales proponen que se encuentra formando estructuras esféricas llamadas micelas constituidas por una asociación de péptidos conocidos como αS1-, αS2-, β- y κ-caseína. La mayor parte de estos contiene una alta proporción de aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas, los que dan lugar a fuerzas hidrofóbicas, capaces de estructurar las micelas. Un elemento estructural clave resulta de la presencia de grupos fosfato unidos covalentemente a residuos de serina (y en menor medida de treonina) que le confieren cargas negativas capaces de retener Ca 2+ insoluble en el medio acuoso de la leche y contribuyen a la cohesión interna de las micelas. Además, la presencia de grupos sulfhidrilos en las subunidades αS2- y κ-, permiten la dimerización de las mismas mediante puentes disulfuro. La longitud de cada tipo de péptido, la cantidad relativa de sus residuos hidrofóbicos, de grupos fosfato y la presencia o no de sulfuros son particularmente variables en distintas especies, lo que denota un alto grado de especialización a las necesidades nutricionales en los diferentes grupos de mamíferos. Otra particularidad de las micelas de caseína es una alta proporción de residuos de prolina de los péptidos constituyentes, lo que impide la formación de estructuras secundarias, como hélices α y las hojas β plegada. Aun así, las micelas resultan altamente resistentes a la temperatura, dada la alta proporción de uniones hidrofóbicas presentes. En el trabajo práctico se procederá a extraer caseína a partir de leche descremada de origen vacuno, para luego analizar las principales propiedades físico-químicas que distinguen a las proteínas del resto de las biomoléculas. Procedimiento Experimental I) Obtención de caseína Objetivo: Obtener caseína sólida a partir de leche descremada de origen vacuno Materiales: Leche descremada Solución de ácido acético (HAcO) 10% v/v Solución de etanol 96% 1) Colocar 100 ml de leche descremada en un erlermeyer y calentar en un baño térmico a 40°C, durante 15 a 20 minutos. 2) Agregar 6mL de ácido acético 10% v/v lentamente y sin quitar del baño térmico hasta observar la formación de un precipitado (cuajo). Controlar constantemente la temperatura del baño. 3) Medir el pH de la solución obtenida y estimar el punto isoeléctrico (pI). 4) Filtrar por tela a un vaso de precipitados. Descartar el líquido (percolado) y escurrir el precipitado. 5) Agregar el cuajo en un tubo falcon y llevar a 50 ml con volumen suficiente de etanol 96%. Conservar el tubo verticalmente durante al menos 30 minutos. 47
6) Descartar el sobrenadante con extremo cuidado y extender el precipitado en un vidrio de reloj dejando el mismo en contacto con el aire, para que se seque. Los siguientes pasos serán realizados a partir de una solución de caseína provista por los docentes. II) Ensayos de insolubilización con sales. Objetivo: Analizar la solubilidad diferencial de la caseína en soluciones con distintos cationes divalentes. Se pondrá a prueba la solubilidad de la caseína en soluciones con alto contenido de cationes divalentes (Ca2+ y Zn2+). Transcurridos 10 minutos, se analizaran las diferencias en relación a la función de la caseína como proteína transportadora. Reactivos: Solución de caseína 6 mg/ml Solución de ZnCl2 0,1M Solución de CaCl2 0,1M Preparar dos tubos de ensayo según el siguiente esquema: Tubo 1 2
ZnCl2 0,1M (ml) 2 -
CaCl2 0,1M (ml) 2
Caseína (ml) 2 2
III) Cuantificación de proteínas totales Objetivo: Determinar la concentración de proteínas presentes en muestras de clara de huevo de gallina mediante el método de Biuret utilizando curvas de calibración adecuadas. Proteínas de la clara de huevo de gallina: La principal proteína de la clara de huevo es la ovoalbúmina (60-65% de las proteínas totales). Otras proteínas del huevo son: conoalbúmina (13%), ovomucoide (11%), lisozima (3,5%), ovomucina (1,5%), flavoproteinas (0,8%), avidina (0,05%) y otras (8%). La ovoalbúmina es una proteína (o grupo de moléculas proteicas estrechamente relacionadas) que se desnaturaliza fácilmente al agitar la clara. Se trata de una fosfoglicoproteína integrada por tres fracciones, A1, A2 y A3, en una proporción de 85:12:3, respectivamente, que se diferencian por su contenido en fósforo. Es rica en cisteína y metionina y presenta grupos sulfhidrilos (es la única de las proteínas de huevo que posee esta característica) que hacen una gran contribución aparte del sabor, textura y aroma característicos del huevo. Es una proteína de referencia en bioquímica y es conocida a la industria alimentaria por sus propiedades como transportadora, estabilizadora y formadora de emulsiones. Se desnaturaliza por calor a los 78ºC perdiendo su estructura replegada de albúmina y produciendo un gel con gran retención de agua. Reactivos Muestras de concentración desconocida (2 muestras incógnitas) Muestra patrón de albúmina de huevo (20 g / L). Ensayo de Biuret: Preparación del reactivo de Biuret: 2,25g de tartrato de sodio y potasio (PM 282,22); 0,75g de sulfato cúprico pentahidratado (PM 249,68); 1,25g de ioduro de potasio (PM 166,0), todo disuelto en este orden en 100 ml de NaOH 0,2M. Llevar a volumen a 250 ml con agua destilada. 48
Método: El reactivo de Biuret detecta la presencia de proteínas, péptidos cortos y otros compuestos con dos o más enlaces peptídicos en muestras de composición desconocida. Composición: hidróxido potásico (KOH) y sulfato cúprico (CuSO4), junto con tartrato de sodio y potasio (KNaC4O6·4H2O). El reactivo, de color azul, cambia a violeta en presencia de proteínas, y vira a rosa cuando se combina con polipéptidos de cadena corta. El KOH no participa en la reacción, pero proporciona el medio alcalino necesario para que ésta tenga lugar. La coloración violácea se debe a la formación de un complejo de coordinación entre el Cu2+y los pares electrónicos libres de los átomos de nitrógeno de los grupos amino de la unión peptídica. Esta reacción se utiliza en el ensayo de Biuret, un método colorimétrico que permite determinar la concentración de proteínas de una muestra mediante espectroscopía ultravioleta-visible a una longitud de onda de 540 nm (para detectar el ión Cu2+). La intensidad del color formado es proporcional a la concentración de proteínas totales presentes en la muestra. La reacción que resulta positiva son los compuestos que tengan 2 o más enlaces peptídicos.
Curva estándar y muestra incógnita utilizando el ensayo de Biuret: Para la determinación del contenido de proteínas por el método de Biuret primero se realiza una curva de calibración utilizando una solución patrón de proteína, siguiendo las indicaciones de la tabla. A) Preparación de la curva estándar: Se parte de una solución de albúmina de huevo de gallina que contiene 20 g de clara de huevo en un litro de agua. Marcar cinco tubos de ensayo como B (Blanco), S1, S2 (Standard), MIA y MIB (muestras incógnitas A y B). En la siguiente tabla figuran las cantidades que se utilizarán para la determinación aproximada de la concentración de proteínas de las muestras incógnitas. Agregar cada reactivo en el orden en que aparecen en la tabla. Muestra/tubo B S1 S2 MIA MIB
Patrón (ml) 0 2 5 0 0
Muestra (ml) 0 0 0 3 3
Agua (ml) 6 4 1 3 3
Reactivo de Biuret (ml) 4 4 4 4 4
Mezclar y dejar a temperatura ambiente 20 minutos e interpolar. Cada grupo recibirá dos soluciones de proteínas de concentración desconocida MIA y MIB. Averiguar e informar dentro de que rango de concentraciones aproximadas se encuentran las muestras incógnitas, expresadas en miligramos de proteína por litro de solución comparando visualmente los colores obtenidos.
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Cuestionario extra 1) ¿Por qué la clara de huevo tiene alto valor nutricional? 2) Explique brevemente qué procesos fisico-químicos ocurren para obtención de la caseína de la leche. 3) Indique los cambios ocurridos que sufre la proteína cuando se desnaturaliza. 4) ¿A qué se debe que las proteínas de la clara de huevo sean solubles en agua? 5) ¿En la reacción de Biuret ocurre desnaturalización de proteína? Justifique su respuesta. 6) ¿La reacción de Biuret permite determinar aminoácidos presentes en la clara de huevo? ¿Por qué? 7) El aspartamo (aspartil-fenilalanina-1-metil éster) es un edulcorante no calórico 200 veces más dulce que el azúcar. Indique si dará reacción positiva con el reactivo de Biuret y por qué.
8) ¿Qué tipo de proteínas son la caseína y la albúmina estructural y funcionalmente? 9) ¿Qué es el punto isoeléctrico de una proteína? 10) Explique en términos fisicoquímicos el efecto que provoca la adición de un ácido o una base fuerte. INFORME TP Nº 5: Esquema orientativo para efectuar informe (máximo 3 carillas/puede incluir fotos/el envío es digital) -
Objetivo de la práctica. Detalle objetivo/s específico/s si los hay. Formule reactivos y productos de cada reacción química realizada ¿qué se observó en cada caso positivo o negativo? Discusión y conclusiones
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CUESTIONARIO VIII Primera parte: Membranas como estructuras supramoleculares 1.- Enumere los tipos de biomoléculas que forman parte de la membrana plasmática, indicando su rol en la misma. ¿Cuál es la diferencia con las membranas de las organelas? b) Indique y formule las estructuras del componente más importante en la membranas plasmática, en la tilacoide y en la membrana interna de la mitocondria. ¿A qué subgrupo de biomoléculas pertenecen? ¿A qué se refiere la “teoría del mosaico fluido”? 2.- a) La siguiente tabla muestra la composición en ácidos grasos de las membranas de Escherichia coli (bacteria modelo) cultivadas a distintas temperaturas. Explique el motivo de tales variaciones. ¿Por qué algunos ácidos aumentan mientras otros disminuyen? Temp de incubación (Cº)
Ácido Graso (%) Mirístico (14:0)
10 4
20 4
30 4
40 8
Palmítico (16:0)
18
25
29
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Palmitoléico (16:1)
26
24
23
9
Oléico (18:1)
38
34
30
12
Hidroxymirístico (14:0) Relación: Ac. Gras. Insat./Ac. Gras Sat.
13 2,9
10 2
10 1,6
8 0,4
b) ¿Cómo esperaría que fuera la composición de los perfiles de ácidos grasos, en renos (Rangifer tarandus) adaptados a las tundras boreales, respecto de los antílopes africanos del desierto de Namibia (Bovidae spp.)? ¿Cuál sería el rol y mecanismo de acción del colesterol en ambos casos? 3.- Nombre un ejemplo de cada clase de proteína de la membrana. b) ¿Cuál es la diferencia entre proteínas integrales y periféricas? ¿Cómo se subdividen las integrales? b) Nombre cuatro tipos de proteínas transmembrana con diferente función. 4.- ¿Qué clase de proteína es una porina y cuál su función biológica? b) ¿Qué tipos de aminoácidos estarán necesariamente presentes en la estructura primaria de polipéptidos que forman parte de las porinas? c) ¿Cuáles de ellos interaccionarán con los componentes de la membrana? ¿Cuántos niveles estructurales presenta este tipo de proteína? d) ¿Qué función tienen las acuaporinas? 5.- ¿Qué tipo de proteína es una ATPasa? ¿Por qué se habla de complejo proteico cuando se hace referencia a ellas? b) Describa su estructura y función e indique qué diferencia hay con una ATPsintasa. c) ¿Cuál es la ubicación de ambos tipos de complejos proteicos en la célula vegetal? 6.- ¿Qué funciones cumplen los hidratos de carbono en la membrana plasmática? ¿Están presentes en otras membranas?
Segunda parte: Transporte a través de la membrana 1) ¿Qué entiende por difusión a través de una membrana? ¿Qué característica molecular influye sobre la velocidad de difusión de una sustancia a través de la bicapa lipídica? b) ¿Qué es la difusión facilitada y en qué casos es necesaria? 2) ¿A qué se llama transporte pasivo? b) ¿En qué casos es necesaria la energía para el transporte de una molécula a través de la membrana? ¿Cómo denomina a ese tipo de transporte? 3) ¿Qué tipos de proteínas transmembrana sufren cambios conformacionales al transportar metabolitos? b) Compare una porina con una proteína uniportadora, y explique la diferencia entre sus mecanismos de transporte. ¿Qué justifica las diferencias de velocidad para hacerlo? 51
4) Haga un esquema de las formas de cotransporte, indicando dirección y gradiente de las moléculas o iones en movimiento. Indique en cada caso si se trata de transporte activo o pasivo. 5) Complete el siguiente cuadro: Difusión simple bomba
uniporte
simporte
antiporte
poro o canal
Dirección respecto del gradiente electroquímico ¿Utiliza transportador? ¿Cuál? Gasto de energía Origen de la energía gastada Ejemplo de Soluto transportado 6) i. Explique cómo se produce la absorción de glucosa en el intestino de los animales, haciendo hincapié en el rol y modo de acción de la bomba de Na/K. ii. Explique los mecanismos que permiten la acumulación de sacarosa en la vacuola de las células vegetales. ¿Cómo se mantiene el pH ácido en la misma? Describa las estructuras proteicas involucradas. iii. Explique los mecanismos que permiten la regulación de la concentración de Ca ++ en el sarcómero.
Tercera parte: Acoplamiento quimiosmótico 1) Explique la teoría del acoplamiento quimiosmótico. ¿En qué membranas ocurre? Defina fuerza protón motriz (FPM). ¿Qué estructura supramolecular es imprescindible para generarla? b) Nombre dos procesos bioquímicos que generen FPM e indique a partir de qué tipo de energía ocurre en cada uno de ellos. 2) A. Escriba la reacción general de la fotosíntesis e indique sus etapas. B. Escriba la reacción que sucede durante la fotofosforilación acíclica. En éste proceso hay tres fenómenos que contribuyen a la generación del gradiente de protones, ¿cuáles son y en qué sector ocurren?
3) ¿Qué molécula proporciona los electrones para reducir el NADP + en las plantas superiores? b) Si sólo tenemos en cuenta el potencial redox de los pares oxígeno/agua y NADP +/NADPH ¿esperaría que ese proceso fuera espontáneo? ¿Cómo se explica que suceda? 4) ¿Qué rol cumplen: i) la plastoquinona, ii) la plastocianina y iii) la ferredoxina en la fotofosforilación acíclica? b) ¿Cuál es la ubicación y solubilidad de cada una de esas moléculas? 5) Indique la característica estructural común a las moléculas de pigmentos. b) ¿Cuál es la razón de la diversidad de los mismos en un centro cosechador de energía? c) Formule y nombre dos biomoléculas incluidas en ese conjunto. 6) La distribución de los distintos tipos de pigmentos en los complejos antena no es casual. Se ha detectado, por ejemplo, el siguiente patrón de distribución, desde la periferia hacia las cercanías de los centros de reacción: clorofila b (máximo de absorción a 650 nm)- clorofila a (662 nm)- clorofila a (670 nm)- clorofila a (677 nm). Explique esta observación. 7) Enumere las etapas del proceso de respiración celular. ¿En qué etapa ocurre acoplamiento quimiosmótico y dónde? Escriba la reacción general y la que corresponde a esta etapa. ¿Cuál es el origen de la energía para el paso de los protones hacia el espacio intermembrana en contra de su gradiente electroquímico?
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