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Amminoacidi: Composti Bifunzionali

• Gli amminoacidi sono composti con un gruppo acido e uno basico, con oltre 500 tipi esistenti in natura.
• Di solito, il gruppo acido è un carbossile, ma può essere un gruppo solfonico (es. taurina).
• Il gruppo basico è generalmente un gruppo ammino, ma può variare.
• Venti amminoacidi sono comunemente presenti nelle proteine, mentre in organismi più semplici si possono trovare anche un ventunesimo e un ventiduesimo amminoacido.

Caratteristiche degli Amminoacidi nelle Proteine

• Gli amminoacidi che formano le proteine hanno un gruppo acido carbossile e un gruppo basico ammino.
• Il gruppo carbossile è ionizzabile e si trova in forma protonata (COOH) o deprotonata (COO-), agendo come un acido quando perde uno ione H+.
• Il gruppo ammino si trova in forma non protonata (NH2) o protonata (NH3+), comportandosi come un acido coniugato.
• Nei 20 amminoacidi che costituiscono le proteine, il gruppo ammino è sempre in posizione α rispetto al carbossile.
• Ogni amminoacido ha un atomo di carbonio (carbonio α) legato al gruppo carbossile.
• Nei 20 amminoacidi proteinogenici, il gruppo carbossile e ammino sono legati allo stesso carbonio α, definendoli α-amminoacidi.
• Il carbonio α è legato anche a un atomo di idrogeno e una catena laterale variabile (R), che determina le proprietà dell'amminoacido.

Chiralità degli Amminoacidi

• Diciannove dei 20 amminoacidi sono molecole chirali, con immagini speculari non sovrapponibili.
• Le molecole chirali hanno uno o più centri chirali, o centri di asimmetria.
• Normalmente, il carbonio α è chirale, e in generale, un atomo centrale deve formare quattro legami singoli con quattro sostituenti diversi per essere chirale.
• Se la catena R non è idrogeno, gruppo carbossile, o gruppo ammino, il carbonio α è sempre un centro chirale.

Configurazione Assoluta degli Amminoacidi

• La configurazione assoluta (CIP) distingue tra molecole chirali S (sinister) e R (rectus).
• Quasi tutti gli amminoacidi nelle proteine hanno configurazione S, eccetto la cisteina.
• La configurazione di Fischer si basa sulla gliceraldeide, uno zucchero con tre atomi di carbonio in cui il carbonio 2 ha quattro sostituenti diversi.
• Nella L-gliceraldeide, il gruppo OH è a sinistra; nella D-gliceraldeide, è a destra.
• La serie L o D di una molecola chirale si determina mettendo in ordine verticale gli atomi di carbonio, con il più ossidato in alto.
• Se il gruppo OH è a sinistra, è L-gliceraldeide; se è a destra, è D-gliceraldeide.
• Questo principio si applica a tutti gli zuccheri importanti in biologia, che appartengono alla serie D.
• L'alanina funge da esempio con il carbonio più ossidato (carbossile) in alto e il gruppo amminico a sinistra (L-alanina) o destra (D-alanina).
• Gli amminoacidi che compongono le proteine sono della serie L, mentre quelli della serie D sono presenti nei procarioti.
• I legami covalenti formano cunei neri che escono dalla pagina, e altri sono tratteggiati e si allontanano verso il retro della pagina.
• Il carbonio α è al centro di un tetraedro, e i sostituenti sono ai vertici.

Comportamento Acido-Base degli Amminoacidi

• Gli amminoacidi in soluzione acquosa presentano sempre il gruppo carbossile (COO-) e il gruppo amminico (NH3+) dissociati.
• Questi gruppi sono dissociabili e dipendono dal pH della soluzione: il carbossile cede uno ione H+ diventando COO-, mentre l'ammino può acquisire uno ione H+ diventando NH3+.
• Il pKa è -logKa e indica il pH in cui il gruppo ionizzabile si trova per metà in forma ionizzata e per metà in forma non ionizzata.
• Il gruppo carbossile ha un pKa di circa 2.2, quindi a pH 2.2 si trova al 50% come COOH e al 50% come COO-.
• Sotto pH 2.2 prevale la forma protonata COOH, sopra prevale la forma deprotonata COO-.
• L'NH3+ ha un pKa di 9.4: a pH 9.4 si trova per metà come NH3+ e per metà come NH2; sotto 9.4 prevale NH3+, sopra 9.4 prevale NH2.
• A pH molto acido (sotto 2.2), il carbossile è in forma COOH e l'ammino è NH3+, con una carica complessiva di +1.
• A pH superiori a 2.2, il carbossile perde H+ diventando COO-, mentre l'ammino rimane NH3+, formando lo zwitterione con carica complessiva neutra (0).
• A pH superiori a 9.4, il carbossile è deprotonato (COO-) e l'ammino è in forma NH2, dando una carica complessiva di -1.
• Non ci sono condizioni in cui entrambi i gruppi sono neutri, poiché non sono mai scarichi elettricamente.

Confronto tra Acido Acetico e Amminoacidi

• I valori di pKa del gruppo carbossile variano: il carbossile dell'acido acetico è meno acido del gruppo carbossile degli amminoacidi.
• La carica negativa COO- che si genera viene stabilizzata dalla carica positiva del gruppo ammino nell'amminoacido, assente nell'acido acetico.
• Pertanto, è più facile per il carbossile dell'amminoacido deprotonarsi.
• Considerazioni analoghe si possono fare sul gruppo amminico, dove subentra la trappola elettronica del carbonile (COO-), rendendo più difficile la condivisione di uno ione H+.

Punto Isoelettrico degli Amminoacidi

• Il punto isoelettrico è il pH in cui l'amminoacido ha carica netta pari a 0.
• Matematicamente, si calcola come la media aritmetica tra i valori pKa del gruppo carbossile e del gruppo ammino.
• I punti isoelettrici variano a causa dell'influenza della catena laterale sulla ionizzazione dei gruppi.
• Quindici dei 20 amminoacidi hanno un punto isoelettrico intorno a 6.5, mentre cinque hanno una catena laterale che incide significativamente.

Classificazione Strutturale degli α-L-Amminoacidi

• Gli amminoacidi si classificano in base alla polarità della catena laterale.
• Il delta G di trasferimento indica la polarità: un delta G negativo indica polarità (favorisce il trasferimento da solventi apolari ad acqua), mentre positivo indica apolarità.
• Glicina è il più semplice, con H come catena laterale ed è difficile classificarlo, anche perché il suo delta G è pari a 0.
• Solo la glicina non presenta le forme L e D, dato che non è chirale in quanto lega due idrogeni.

Amminoacidi con Catena Laterale Apolare

• Gli amminoacidi apolari si dividono in alifatici (alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina, metionina) e aromatici (fenilalanina, tirosina, triptofano).
• Alanina ha un gruppo metile (CH3) come catena laterale, che è apolare.
• Prolina è un amminoacido particolare perché la catena laterale (CH2CH2CH2) si lega al gruppo amminico, formando una ammina secondaria (NH2+ quando protonata).
• Valina ha un CH legato a due gruppi metile, con ramificazione sul carbonio beta.
• Leucina ha una catena laterale con ramificazione sul carbonio gamma (CH2CHCH3CH3).
• Isoleucina è un isomero della leucina con la stessa formula, ma la ramificazione è sul carbonio beta.
• Valina, leucina e isoleucina sono metabolizzati attivamente nel muscolo scheletrico.
• Metionina contiene zolfo (S) nella sua catena laterale idrocarburica (CH2CH2SCH3).

Amminoacidi con Catena Laterale Aromatic

• Fenilalanina ha un CH2 legato a un anello benzenico (gruppo fenile).
• Tirosina ha un ossidrile (OH) in posizione para del gruppo fenile, rendendola meno apolare della fenilalanina.
• Triptofano ha una complessa catena laterale con un doppio anello eterociclico (indolo) contenente azoto, che attenua l'apolarità complessiva.

Amminoacidi con Catena Laterale Polare

• Gli amminoacidi polari si dividono in non ionizzabili (serina, treonina, asparagina, glutammina, cisteina) e ionizzabili (acido aspartico/aspartato, acido glutammico/glutammato, lisina, arginina, istidina).

Amminoacidi Polari Non Ionizzabili

• Serina ha una catena laterale semplice e idrofila (CH2OH).
• Treonina ha una catena laterale (CHOHCH3) che risulta idrofila a causa del gruppo OH.
• Serina, treonina e tirosina possono essere fosforilate grazie al gruppo OH, formando fosfoserina, fosfotreonina e fosfotirosina.
• Asparagina ha un gruppo ammidico (CONH2) nella catena laterale (CH2CONH2) che non ha proprietà acido-base a causa del gruppo carbonile adiacente.
• Glutammina è l'omologo superiore dell'asparagina.
• Cisteina ha un gruppo CH2SH come catena laterale, conferendo polarità e somigliando alla serina con zolfo al posto dell'ossigeno.

Cisteina (Cis, C)

• Cisteina è un amminoacido polare simile alla serina (CH2OH), ma con zolfo (SH) al posto dell'ossigeno.
• A differenza della metionina, la cisteina è più polare grazie al gruppo SH.

Amminoacidi con Catena Laterale Ionizzabile

• Gli amminoacidi con catene laterali ionizzabili si dividono in acidi (acido aspartico/aspartato, acido glutammico/glutammato) e basici (lisina, arginina, istidina).

Amminoacidi con Catena Laterale Acida

• Acido aspartico/aspartato (Asp, D) ha un gruppo CH2COO- come catena laterale, con pKa del carbossile a 3.9 (COOH/COO-).
• A pH fisiologico (7.4), si trova solo come COO- ed ha tre funzioni ionizzabili (due comuni e una nella catena laterale).
• A pH fisiologico, l'aspartato ha una carica pari a -1.
• Il punto isoelettrico è la media aritmetica dei pKa dei gruppi carbossilici, circa 3.
• Acido glutammico/glutammato (Glu, E) ha la catena CH2CH2COO- e sono le ammidi rispettive di asparagina e glutammina.
• Asparagina e glutammina presentano la funzione ionizzabile del carbossile.

Amminoacidi con Catene Laterale Basica

• Lisina (Lys, K) ha una catena laterale CH2CH2CH2CH2NH3+, con la nomenclatura partendo dal carbonio alfa e proseguendo con beta, gamma, delta ed epsilon.
• Il gruppo amminico della lisina è legato al carbonio epsilon ed ha un pKa intorno a 10.5.
• Il punto isoelettrico si calcola come la media dei pKa dei gruppi amminici, circa 10.
• È un aminoacido basico, presenta una carica positiva pari a 1+ a pH neutro.
• Arginina (Arg, R) è formata dalla catena laterale CH2CH2CH2 legata ad un gruppo guanidinico con tre atomi di azoto e delocalizzazione elettronica.
• Ha un pKa molto alto, circa 12.5, risultando così l'amminoacido più basico.
• Istidina (His, H) ha una catena laterale aromatica con un CH2 legato ad un gruppo imidazolico (anello a 5 atomi, di cui 3 carbonio e 2 azoto).
• Possiede un pKa di circa 6, il più vicino alla neutralità tra gli amminoacidi ionizzabili.
• Il pKa varia a seconda che l'amminoacido è libero o in catena polimerica.

Ruolo dell'Istidina e Selenocisteina

• L'istidina si trova spesso nei siti attivi degli enzimi, dove piccole variazioni di pH influenzano il suo grado di ionizzazione.
• Quando protonata, l'istidina è positiva e attrae substrati negativi; inoltre, può donare o accettare ioni H+ durante la catalisi.
• La selenocisteina (Sec, U) è codificata dal codone UGA (di stop), ma inserita in una catena nucleotidica specifica, codifica per l'inserimento di una selenocisteina senza arrestare la traduzione.

Selenocisteine

• tRNA di trasferimento lega la serina e la trasforma in selenocisteina e poi, sul ribosoma, si lega con il codone UGA e si incorpora nella catena polipeptidica.
• La selenocisteina è presente in poche proteine con funzione enzimatica antiossidante (es. glutatione perossidasi).
• La catena laterale è formata da CH2SeH dove Se (selenio) è presente nel sesto gruppo A della tavola periodica.

Altre Classificazioni e Amminoacidi Essenziali

• Gli amminoacidi possono essere classificati in base all'ingombro sterico (glicina, alanina, cisteina, valina poco ingombranti vs. isoleucina, leucina, lisina e aromatici più ingombranti).
• Dal punto di vista nutrizionale, si distinguono amminoacidi essenziali e non essenziali.
• Quelli essenziali non possono essere sintetizzati dall'organismo e devono essere assunti con l'alimentazione.
• L'essenzialità dipende dall'organismo: un amminoacido può essere essenziale per l'uomo, ma non per altri organismi.
• Nell'uomo, 9 amminoacidi sono essenziali e non vengono sintetizzati a causa della disponibilità in natura e del dispendio energetico richiesto.
• Il triptofano richiede 15-16 reazioni e altrettanti enzimi, rendendo la sintesi troppo costosa.
• Gli amminoacidi essenziali (9) sono perlopiù apolari (fenilalanina, triptofano, valina, leucina, isoleucina, metionina, treonina, lisina, istidina).
• L'arginina essenziale nei primi mesi di vita, poi i processi di sintetici si avviano se è coinvolta nel cido dell'urea.

Reattività degli Amminoacidi e Legame Peptidico

• Gli amminoacidi sono molecule poco reattive ciòe che si genera semplicemente aggiungendo acido glutammico in acqua.
• Per la reazione, i gruppi carbossilico e amminico devono essere attivati, attraverso processi cellulari che si ripetono ad ogni sintesi proteica.
• Il gruppo carbossilico di un amminoacido (R1) reagisce con il gruppo amminico di un altro amminoacido (R2).
• Tutto ciò genera una reazione di condensazione che elimina acqua per formare un legame peptidico tra carbonio (carbossile) e azoto (amminico).
• L'attivazione avviene al ribosoma quando l'amminoacido viene legato al tRNA
• Avvengono tra due residui di cisteina creando ponti disolfuro (legami S-S) con reazione spontanea e di ossidazione, eliminando due atomi di idrogeno dai gruppi -SH.
• La reazione è reversibile con agenti riducenti che ripristinano i gruppi SH.
• Il gruppo amminico della lisina può reagire con molecole aldeidiche come il glucosio creando un legame noto come "base di schiff".
• Può succedere quando lo zucchero è in quantità elevate nel sangue per un prolungato tempo, come nei soggetti diabetici.

Modifiche Post-Traduzionali

• Esistono altri amminoacidi oltre ai 21 normali che si possono trovare all'interno delle proteine.
• Questi amminoacidi, modificati covalentemente, vengono definiti post-tradizionali; ovvero in seguito alla traduzione dell'RNA.
• Possono essere irreversibili o reversibili.

Modifiche Non Reversibili

• Nel collagene, ovvero la proteina più importante del corpo si ritrovano idrossiprolina e idrossilisina (non fanno parte dell'RNA messaggero).
• Dopo l'inserimento di prolina e arginina vengono modificate attraverso idrossilazioni.
• Questo tipo di reazione é irreversibile.
• Lo stesso effetto avviene con la miosina, un'importante proteina inplicata nella conrazione muscolare, dove si può meditare una catena di lisina
• Le proteine che partecipano alla coagulazione del sangue come protrombina, subiscono una reazione di carbossilazione del carbonio gamma dei residui del glutammato sul carbonio gamma (questi legano uno ione calcio e così si attiva la cascata della coagulazione).
• Nelle proteine fibrose, le catene di lisina possono reagire a formare delle strutture complesse, come quelle della desmosina nell'elastina.
• La selenocisteina non é post-traduzionale.

Modifiche Reversibili

• Serina treonina e tirosina possono essere fosforilate, ovvero legate al gruppo fosfato formando: fosfoserina, fosfotreonina e la fosfotirosina.
• Essendo reversibile é possibile anche la reazione inversa.
• La reazione reversibile serve ad influenzare e cambiare la forma della proteine in modo permanente.
• Lo stesso effetto avviene anche con arginina, metilata e lisina, acetilata.
• Negli istoni, le catene di lisina e arginina risultano modificate, permettendo così una compattazione del DNA.
• La tiroxina può essere modificata attravero reazioni di adenilazione, dove si lega un AMP alla catena laterale di quest'ultima.

Amminoacidi del Metabolismo

• Esistono anche altri amminoacidi coinvolti nei processi metabolici.
• Come la ornitina, omologo della lisina caratterizzata da un CH2 in meno, o la citrullina, ambedue presenti nel ciclo dell'urea nelle cellule del fegato.
• Il gamma-ammino butirrato (GABA), é un amminoacido con 4 atomi di carbonio che a sua volta risulta legata sul carbonio gamma formando un gruppo amminico
• Non é un alfa amminoacido, si forma dalla decarbossilazione e é un neurotrasmettitore.