Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial




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Universidad Nacional de Tucumán


Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial




TRABAJO PRÁCTICO: AMINOÁCIDOS, PROTEÍNAS y ENZIMAS


Objetivos:

-Reconocer los grupos funcionales presentes en los aminoácidos.

-Caracterizar químicamente proteínas

-Caracterizar químicamente enzimas
Introducción
Estructuralmente los aminoácidos son compuestos que contienen simultáneamente los grupos funcionales amino y ácido carboxílico. Esto indica a priori, que se trata de compuestos que se pueden caracterizar químicamente por estos dos grupos funcionales. Los aminoácidos más sencillos contienen sólo un grupo de cada función. Toda célula viviente requiere un suministro constante de aminoácidos para la síntesis de las proteínas de los tejidos y para otros procesos fisiológicos.
La unión de los aminoácidos es a través de enlaces peptídicos, en general:




La secuencia sería: aminoácido  dipéptido  tripéptido  proteínas

R puede ser alifática ó aromática.


PROPIEDADES GENERALES DE LAS PROTEÍNAS

La conformación de una proteína basada en sus estructuras secundarias y terciarias la hace muy frágil. Las proteínas sufren un proceso conocido como desnaturalización, en la cual se altera la disposición espacial de las cadenas polipeptídicas dentro de la molécula y transformándose la estructura típica de ella, en otra más desordenada. Esta modificación no va acompañada por la ruptura de los enlaces peptídicos implicados en la estructura primaria.

Muchas moléculas proteicas sólo retienen su actividad biológica dentro de una fluctuación muy limitada de temperatura y de pH. La exposición de las proteínas globulares a pH extremos o a temperaturas muy altas les hace experimentar un cambio conocido como “desnaturalización”.

Los efectos de la desnaturalización son numerosos y entre ellos se pueden destacar:

1.Descenso de la solubilidad, resultado del desbloqueo de grupos hidrófobos.

2.Alteración en la capacidad de retención de agua.

3.Pérdida de la actividad biológica (enzimas, hormonas).

4.Aumento de la sensibilidad al ataque de proteasas, debido al desbloqueo de los enlaces peptídicos correspondientes a los sitios de acción específica de las proteasas

5. Aumento de la viscosidad intrínseca.

6. Su capacidad de cristalizar.

La desnaturalización puede ser reversible o irreversible, pero cuando se rompen los enlaces disulfuros que contribuyen a la conformación de las proteínas, este proceso es normalmente irreversible.

Bajo ciertas circunstancias puede ser reversible; esto último ocurre, generalmente cuando las condiciones de desnaturalización no han sido demasiado drásticas, ni el tiempo necesario. En algunas ocasiones el proceso de desnaturalización puede ocasionar otras estructuras diferentes a la de la proteína nativa, al establecer interreacciones y enlaces entre regiones de aminoácidos diferentes a los originales.

Entre los principales agentes de desnaturalización de las proteínas se encuentran agentes físicos y agentes químicos:

Agentes físicos: temperatura, presión hidrostática, tratamientos mecánicos (agitación), irradiación (UV).

Agentes químicos: solventes orgánicos, ácidos, bases, metales pesados (cloruro mercúrico, sulfato cúprico).
Reacciones de las proteínas durante la preparación de los alimentos

La preparación de los alimentos puede tener como consecuencia alteraciones químicas de las proteínas cuyo tipo y magnitud dependen de varios parámetros; por ejemplo, de la composición del alimento, de las condiciones del proceso tales como tiempo, temperatura, pH y presencia de oxígeno. El resultado de tales reacciones puede ser una disminución del valor biológico de la proteína debido por ejemplo a la destrucción de aminoácidos esenciales, la transformación de los aminoácidos esenciales en derivados que no pueden ser utilizados metabólicamente o la disminución de la digestibilidad por uniones intra o intercatenarias.

En los alimentos proteicos en los cuales se producen procesos hidrolíticos como en la carne, pescado, queso, etc.; los aminoácidos liberados pueden contribuir al sabor.

La calidad gustativa depende de la configuración de los aminoácidos: los que presentan sabor dulce pertenecen mayoritariamente a la serie D- y los amargos a la serie L-. Los aminoácidos con cadenas laterales cíclicas son o bien dulces o bien amargos. Por ejemplo, el ácido glutámico en concentraciones elevadas tiene sabor a carne, en tanto la metionina tiene sabor a azufre.

Los aminoácidos de las proteínas naturales tienen un carbono asimétrico, son ópticamente activos y presentan la configuración L-; en tanto que la configuración D- se encuentra en los obtenidos por síntesis.

Importancia de las proteínas en los alimentos

Podemos distinguir la importancia fisiológica de la importancia tecnológica:

-Importancia en fisiología alimentaria: Composición en aminoácidos, disponibilidad de los aminoácidos.
-Importancia tecnológica: solubilidad, dispersabilidad, coagulabilidad, fijación de agua, formación de geles, formación de masa panificable, elasticidad, viscosidad, adhesividad, formación de espuma, volumen y estabilidad de espuma, capacidad emulsionante, estabilidad de las emulsiones, extrusión.

ENZIMAS

Las enzimas son proteínas especializadas en la catálisis de las reacciones biológicas. Se encuentran entre las más notables de las biomoléculas conocidas, debido a su extraordinaria especificidad y a su poder catalítico, que es mucho mayor que la de los catalizadores preparados por el hombre.



Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo asa al nombre del sustrato, es decir, de la molécula sobre la cual la enzima ejerce su acción catalítica. Por ejemplo, la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea con producción de amoníaco y CO2; la arginasa cataliza la arginina originando ornitina y urea.

Las enzimas son, por lo tanto, responsables directas de todos los cambios bioquímicos que se suceden dentro de la célula, no sólo siendo agentes naturales de cambio de los alimentos, sino que son, además, potenciales catalizadores para su transformación o producción.

Animales, plantas y microrganismos como fuentes de enzimas

Desde el descubrimiento de enzimas digestivas en el siglo XIX, la obtención a partir de animales se complicó por el hecho de obtener “cócteles de enzimas”. En cuanto a la obtención a partir de plantas, también presentó problemas:

-El suministro y concentración de las enzimas varía con las estaciones del año.

-El requerimiento de grandes cantidades de plantas como material.

-El procesamiento de grandes cantidades de plantas es un trabajo muy duro.

Sin embargo, obtener enzimas a partir de microorganismos, mostró fácil manejo, alto rendimiento y estabilidad. En la Tabla 1 se presentan algunas enzimas microbianas y sus aplicaciones.

Tabla 1. Enzimas microbianas. Aplicaciones.

Enzima

Fuente

Aplicación industrial

Industria

Amilasa

Hongos

Pan

Panadera




Bacterias

Revestimientos amiláceos

Papelera




Hongos

Fabricación de jarabe y glucosa

Alimentaria




Bacterias

Almidonado en frío de la ropa

Almidón




Hongos

Ayuda digestiva

Farmacéutica




Bacterias

Eliminación de revestimientos

Textil




Bacterias

Eliminación de manchas; detergentes

Lavandería

Proteasa

Hongos

Pan

Panadera




Bacterias

Eliminación de manchas

Limpieza en seco




Bacterias

Ablandador de la carne

Cárnica




Bacterias

Limpieza de las heridas

Medicina




Bacterias

Eliminación de revestimientos

Textil




Bacterias

Detergente doméstico

Lavandería

Enzima

Fuente

Aplicación industrial

Industria

Invertasa

Levadura

Relleno de caramelos

Confitería

Glucosa

Oxidasa

Hongos

Eliminación de glucosa y oxígeno,

papeles para pruebas de la diabetes

Alimentaria

Farmacéutica

Glucosa Isomerasa

Bacterias

Jarabe de cereales rico en glucosa

Bebidas refrescantes

Pectinasa

Hongos

Prensado, clarificación del vino

Zumos de frutas

Renina

Hongos

Coagulación de la leche

Quesera

Celulasa

Bacterias

Suavizante y abrillantador de tejidos; detergente

Lavandería

Lipasa

Hongos

Degradar la grasa

Lechería, lavandería

Lactasa

Hongos

Degradar la lactosa a glucosa y galactosa

Lechería, alimentos

DNA polimerasa

Bacterias; Archea

Replicación del DNA por PCR

Investigación biológica y forense

Inactivación de las enzimas

Tal como sucede con muchas proteínas, las enzimas pueden ser desnaturalizadas por varios medios físicos o químcios, entre ellos el calor. La mayoría de las enzimas son, por lo tanto termolábiles y generalmente una temperatura de 70 a 80 °C durante 2 a 5 minutos basta para inactivarlas.

Sin embargo, la enzima peroxidasa es particularmente estable y puede llegar a soportar por algunos minutos, temperaturas de hasta 120 ºC, sin perder por completo su actividad.

PARTE EXPERIMENTAL

Preparación de una solución de albúmina

Se prepara una solución de albúmina, batiendo la clara de un huevo durante unos minutos y

homogeinizando después, con cinco veces su volumen de agua. La mezcla se filtra a través de una gasa y con el filtrado se realizan los ensayos que se indican a continuación:
Coagulación de la albúmina

En una serie de cinco tubos de ensayo se pone en cada uno 2 cm3 de solución de clara de huevo. Uno, se calienta poco a poco y se observa la temperatura aproximada a la que tiene lugar la coagulación. En otro tubo se añade 4 cm3 de etanol. Al tercer tubo se añaden unas gotas de HCl cc.

Al cuarto tubo, ácido nítrico y al quinto, solución de NaOH.

Se deben anotar los resultados obtenidos en cada caso.

Precipitación de una proteína mediante cationes

En seis tubos de ensayo se ponen las siguientes soluciones:

1- 5 cm3de agua

2- 5 cm3de solución de clara de huevo

3- 5 cm3 de agua y 4 gotas de HCl al 10%

4- 5 cm3 de clara de huevo y 4 gotas de HCl al 10%

5- 5 cm3 de agua y 4 gotas de solución de NaOH al 10%

6- 5 cm3 de solución de clara de huevo y 4 gotas de solución de NaOH al 10%.

A continuación, en cada tubo se agregan 2 cm3 de solución de sulfato de cobre al 10% y se observan los resultados. Los ensayos en blanco, en los que no se utiliza proteína, son necesarios para determinar si el efecto observado en cada caso es realmente debido a la precipitación de la proteína ó a la precipitación del hidróxido metálico.

Precipitación de proteínas mediante aniones

Se preparan soluciones idénticas a las 2, 4, 6 del apartado anterior, a cada una se añaden 2 gotas de solución de ferricianuro de potasio y se observa en qué tubo el precipitado se forma más rápidamente.

Reacción coloreada de formaldehído para proteínas

En un tubo de ensayo se pone una pequeña cantidad de solución de clara de huevo y se añade una gota de solución diluida de formaldehído. A continuación se agrega con cuidado, ácido sulfúrico concentrado de tal manera que se forme una capa separada en el fondo del tubo.

Reacción de Biuret
A una solución de clara de huevo se añade un volumen igual de solución de NaOH al 10%. Después se añade una gota de solución de sulfato de cobre al 1%. Se observa el color.
Ecuación:

Proteína + NaOH + CuSO4
2 moléculas de urea + NH3
La estructura del producto de reacción con una sección de una cadena de un polipéptido puede representarse por la fórmula siguiente:



Esta reacción permite seguir el grado de hidrólisis de una proteína. Del color rosado del reactivo de Biuret se obtiene una coloración violeta y a medida que se hidroliza la cadena de polipéptidos se hace más chica y el color va suavizándose. Cuando hay solamente aminoácidos, no se produce el encadenamiento y por lo tanto no se puede acomplejar y entonces, la reacción da negativa.
Reacción xantoproteica de las proteínas
Entre las proteínas de la piel, uñas, cueros, existen algunas con grupos aromáticos (fenil alanina, tirosina, triptófano, etc.) que en presencia de ácido nítrico dan reacción coloreada.

En un tubo de ensayo con 1 cm3 de HNO3 concentrado se añade un trozo pequeño de lana ó seda y se calienta el tubo. Se observa el color del material añadido.
Ecuación:


La nitración de los grupos aromáticos de las proteínas presenta color amarillo (reacción xantoproteica).
Hidrólisis ácida de gelatina
En un matraz de fondo redondo conteniendo 100 cm3 de ácido sulfúrico al 25% se agregan 20 g de gelatina. Se une al matraz un refrigerante de reflujo y se monta en un soporte sobre una rejilla con amianto. La solución se calienta a reflujo. Se sigue el curso de la hidrólisis con el reactivo de Biuret.

Reacción de la Ninhidrina para aminoácidos



Entre las principales reacciones de identificación de los aminoácidos se encuentra la reacción con la ninhidrina. Esta reacción es útil para detectar y cuantificar aminoácidos en cantidades del orden del microgramo.

Fundamento: Los  aminoácidos en general reaccionan con ninhidrina en presencia de calor dando dióxido de carbono, amoníaco y un aldehído. La reacción da lugar a la formación de un complejo de color azul o púrpura (= 570 nm), que es útil para la estimación cualitativa y cuantitativa de los aminoácidos. Los iminoácidos prolina e hidroxiprolina, producen un color amarillo con este reactivo.
Determinación Cualitativa: Impregnar una tira de papel de filtro con la solución de gelatina hidrolizada que contiene aminoácidos y secar. Mojar posteriormente con ninhidrina y llevar a estufa a 100 ºC.

La aparición de un color azul indica un resultado positivo para alfa-aminoácidos, un color amarillo indica la presencia de prolina y/o hidroxiprolina y la asparagina, que tiene un grupo amido en la cadena lateral, origina un color café. Esta reacción también identifica los grupos alfa-amino libres presentes en péptidos y proteínas.
Advertencia: la Ninhidrina es un producto combustible y nocivo por ingestión. Irrita los ojos, la piel y las vías respiratorias.

Enzimas: CATALASA



Triturar en un mortero 5 g de papa, agregar luego 30 cm3 H2O destilada y centrifugar, para separar las enzimas que quedaran en el líquido sobrenadante.

Efecto de la Temperatura


En tres tubos marcados con: calor, frío y temperatura ambiente, colocar 3 cm3 de la solución de enzima en cada tubo.

1- Colocar el tubo marcado como “calor” en un baño de H2O caliente por tres minutos.

2- Colocar el tubo marcado como “frío” en un baño de hielo por tres minutos.

3- Dejar el tubo marcado a “Temperatura ambiente” en la gradilla por tres minutos.
Después de este tiempo, agregar H2O2 al 3% (aproximadamente 10 volúmenes) a cada tubo. Incubar la mezcla durante 1 minuto y anotar la altura en cm, de la espuma que producen las burbujas de O2 desprendidas.

Medir el radio del tubo en cm y anotar.

Efecto del pH

En tres tubos marcados con: ácido, base y agua, colocar 3 cm3 de solución de catalasa en cada tubo.





  1. Agregar diez gotas de HCl al tubo denominado “ácido”

  2. Agregar 10 gotas de NaOH 1M al tubo con la denominación “base”.

  3. Agregar 10 gotas de H2O al tercer tubo. Mezclar muy bien y esperar dos minutos. Luego agregar 3 cm3 de H2O2 a cada tubo.

Incubar la mezcla durante 1 minuto a temperatura ambiente y medir la altura de las burbujas en cm. Medir el radio del tubo de ensayo y anotar. Realizar los cálculos correspondientes con la ecuación: r2h. Anotar los cálculos en las tablas 2 y 3.
Tabla 2. Efecto de la Temperatura sobre la acción de la catalasa







Altura de las burbujas (cm)

Radio del tubo de ensayo (cm)

Volumen de reacción (cm3)

Calor









Temperatura ambiente










Frío










Tabla 3. Efecto de pH sobre la acción de la catalasa





Altura de la espuma (cm)

Radio del tubo de ensayo (cm)

Volumen de reacción (cm3)

Ácido











Agua










Base











REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1-Curso Práctico de Química Orgánica. Brewster, R. Q.; Vanderwerf, C. A.; Mc Ewen, W. 1965.

2- Rose, A. en Weissberger. “Techniques of Organic Chemistry”. Vol. 4. 1-174 (Mc Graw-Hill)

3-Experimentación en Química. Práctica 8. Universidad del País Vasco. http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/expe_quim/practica8.pdf

4- Rose, A. Ind. Eng. Chem. v33. 594. 1944.

5- Carey, F. A. Química Orgánica. 6ª Edición. Mc Graw Hill. 2003.

6-
www.quimicaorganica.net

7- Nelson, D. L.; Cox, M. M. Principios de Bioquímica. Lehninger. 5ª Edición. 2009.

8- Leverton, R. M.; Odell, G.U. The nutritive value of cooked meat: Ok1ahoma Agric. Exp. Stab. 1985.

9- Belitz, H. D., Grosch, W. Química de los Alimentos, 2a Ed. Zaragoza, España. 1985.

10- Braverman, J. B. S. Introducción a la Bioquímica de los Alimentos. 2a Ed. El Manual Moderno, S.A: México. 1980.

11- Schmidt-Hebbel H. Avances en Ciencia y Tecnología de Alimentos. Santiago-Chile. 1981.

12- Schmidt-Hebbel H., Pennacchiotti, M.I. Las enzimas en los alimentos. Su importancia en la química y tecnología de los alimentos. 1982.

13- Schmidt-Hebbel, H., Pennacchiotti M.I., Masson S.L., Mella M.A. Tabla de composición química de los alimentos chilenos. Santiago-Chile. 1992.

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