Amminoacidi: Struttura e Funzioni

• Gli amminoacidi sono le macromolecole più abbondanti nelle cellule, essenziali per le funzioni biologiche. Sono il prodotto finale della manipolazione dell'informazione genetica contenuta nelle cellule
• I 20 amminoacidi codificati dal codice genetico sono le unità monomeriche delle proteine, legate covalentemente
• La varietà delle funzioni biologiche dipende dalle diverse proprietà chimiche apportate dai precursori
• Le proteine sono polimeri di amminoacidi legati da specifici legami covalenti.

Proprietà strutturali comuni degli amminoacidi

• Più di 300 amminoacidi sono stati identificati, ma solo 20 sono codificati geneticamente per regolare ordine e combinazioni nelle catene polipeptidiche
• Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono α-amminoacidi
• Hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati all'atomo di carbonio alfa
• Si differenziano per la catena laterale (gruppo R), con variazioni in struttura, dimensioni, carica e solubilità in acqua
• Tutti gli amminoacidi, eccetto la glicina, hanno l'atomo di Ca legato a 4 gruppi diversi, il che li rende centri chirali
• Esistono due categorie di stereoisomeri configurazionali, enantiomeri, che sono immagini speculari non sovrapponibili
• Un sistema di nomenclatura specifica la configurazione assoluta come enantiomeri D o L in riferimento alla gliceraldeide
• Gli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti enantiomeri di tipo L
• Gli amminoacidi della serie D sono presenti in piccoli peptidi con funzioni strutturali, come nella parete dei batteri
• Le cellule sintetizzano specificamente l'enantiomero L perché i siti attivi degli enzimi sono asimmetrici e catalizzano reazioni stereoselettive.

Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R

• A pH fisiologico, gli amminoacidi si trovano nella forma zwitterionica, comportandosi come ioni bipolari
• Possono essere raggruppati in cinque classi principali in base alle proprietà dei gruppi R, specialmente la polarità
• Cisteina, Glicina, Istidina e Prolina sono difficili da caratterizzare e non si adattano bene a nessuno di questi gruppi.

Gruppi R alifatici, non carichi

• I gruppi R di questo gruppo sono non polari e idrofobici, con alcune differenze tra le catene laterali
• Alanina, Valina, Leucina e Isoleucina tendono a ripiegarsi all'interno della proteina, stabilizzandola mediante interazioni idrofobiche
• Glicina (unica il cui carbonio alfa non è un centro chirale) non è in grado di interagire pienamente, ma la sua catena laterale riduce l'ingombro sterico e conferisce flessibilità alla struttura proteica
• Metionina contiene un atomo di zolfo sottoforma di gruppo tioetere (R-S-R')
• Prolina ha una catena alifatica a struttura ciclica, e il gruppo amminico secondario (imminico) è mantenuto in una conformazione rigida che riduce la flessibilità strutturale.

Gruppi R aromatici

• Fenilalanina, Tirosina e Triptofano sono relativamente idrofobici e presentano un anello benzenico nel gruppo R
• Tirosina e Triptofano sono sensibilmente più polari della Fenilalanina per la presenza di un gruppo ossidrile e di un azoto nell'anello indolico del Triptofano
• Tutti e tre assorbono luce ultravioletta, contribuendo all'assorbimento ottico delle proteine a 280 nm
• L'assorbimento di luce è sfruttato in spettroscopia per identificare la natura e la concentrazione delle sostanze in soluzione
• L'Assorbanza è proporzionale al cammino ottico, alla concentrazione e al coefficiente di estinzione molare.

Gruppi R polari, non carichi

• I gruppi R sono polari e idrofilici, interagendo con l'acqua mediante legami a idrogeno
• Serina e Treonina hanno polarità dipendente dai gruppi ossidrilici, mentre Asparagina e Glutammina la ottengono dai gruppi ammidici
• La Cisteina ha polarità modesta; la sua catena laterale contiene un atomo di zolfo sottoforma di gruppo sulfidrilico
• Residui di cisteina possono formare ponti disolfuro idrofobici per stabilizzare le strutture proteiche unendo parti di una stessa proteina o di proteine diverse tramite interazioni covalenti.

Gruppi R carichi positivamente (basici)

• Lisina, Arginina e Istidina sono amminoacidi con una catena laterale carica positivamente a pH fisiologico
• La Lisina ha un secondo gruppo amminico primario nella sua catena alifatica
• L'Arginina possiede un gruppo guanidinico carico positivamente
• L'Istidina ha un gruppo imidazolico aromatico e la particolarità di essere l'unico amminoacido con una catena laterale ionizzabile a pH fisiologico, il che facilita l'attività degli enzimi come donatore e accettore di protoni.

Gruppi R carichi negativamente (acidi)

• Aspartato e Glutammato possiedono una catena laterale con una carica netta negativa a pH fisiologico
• Ognuno di essi ha un secondo gruppo carbossilico.

Curve di titolazione caratteristiche degli amminoacidi

• Un amminoacido senza gruppo R ionizzabile esiste come ione bipolare (zwitterione) in soluzione acquosa, comportandosi sia da acido che da base (anfoterico)
• Gli stati di ionizzazione dipendono dal pH
• La forma zwitterionica è predominante a pH=7
• La titolazione acido-base comporta l'aggiunta o rimozione di protoni a gruppi funzionali ionizzabili
• La curva di titolazione della glicina ha gruppi ionizzabili come il gruppo carbossilico e il gruppo amminico, titolati con una base forte come NaOH
• A pH bassi, la forma prevalente della glicina è completamente protonata con carica netta positiva
• Aumentando il pH, il gruppo -COOH perde il protone, e il punto di flesso si raggiunge quando il pH è uguale al pKa del gruppo carbossilico (pK1)
• Aumentando ulteriormente il pH, il gruppo carbossilico è quasi deprotonato mentre quello amminico comincia ad esserlo
• In questa fase, la glicina è in forma zwitterionica e si assiste alla rimozione completa del protone dal gruppo amminico con pH corrispondente al pK2
• La forma prevalente è completamente deprotonata con carica netta negativa, fornendo diverse informazioni
• I valori di pKa dei gruppi ionizzabili sono influenzati dall'intorno chimico; il gruppo carbossilico della glicina ha un pKa minore per favorire la formazione di una specie zwitterionica stabilizzata
• Il gruppo amminico della glicina ha un valore di pKa inferiore per la presenza dell'atomo di ossigeno carbossilico che facilita la dissociazione
• Il punto di flesso nella curva bifasica segna il passaggio tra le fasi ed è il valore di pH al quale la glicina è zwitterionica con carica netta nulla (punto isoelettrico pI), e per la glicina è la media aritmetica dei valori pK1 e pK2
• Un amminoacido ha carica netta positiva quando pH<pI e negativa quando pH>pI
• Amminoacidi con gruppi R ionizzabili hanno curve di titolazione più complesse, con tre fasi corrispondenti alle tre tappe di ionizzazione
• I punti isoelettrici di questi amminoacidi riflettono le proprietà chimiche dei gruppi R
• L'istidina è l'unico amminoacido con un gruppo R con pKa pari a 6,0, quindi può comportarsi da tampone.

Funzioni importanti di alcuni amminoacidi non comuni

• Le proteine possono contenere residui di amminoacidi modificati chimicamente; un esempio è la 4-idrossiprolina derivata dalla prolina, essenziale per il collagene
• La conversione della prolina è catalizzata dall'enzima prolil idrossilasi in presenza di ioni Fe con stato di ossidazione 2+ e vitamina C (acido ascorbico)
• Una carenza di vitamina C impedisce la fibrillogenesi del collagene causando lo scorbuto.

Legame peptidico

• Il legame peptidico è un legame covalente ammidico che unisce due amminoacidi con eliminazione di una molecola d'acqua
• La reazione, termodinamicamente favorevole, richiede che il gruppo α-amminico di un amminoacido agisca come nucleofilo e reagisca con il gruppo ossidrilico del carbossile di un altro
• I gruppi amminici sono buoni nucleofili, ma il gruppo ossidrilico è un cattivo gruppo uscente, rendendo la reazione non catalizzata molto lenta
• Un basso numero di amminoacidi nel legame peptidico definisce una struttura detta oligopeptide (2-20 Aa), mentre un numero elevato definisce un polipeptide (20-100 Aa) con peso molecolare inferiore a 10 kDa
• Le catene polipeptidiche sono sintetizzate sui ribosomi, con sequenze precise dettate dall'RNA messaggero
• La direzione di sintesi va dall'N-terminale al C-terminale, e ciascuna catena polipeptidica presenta un residuo amminoterminale con gruppo α-amminico e un residuo carbossiterminale con gruppo α-carbossilico libero.

Capacità di ionizzazione dei peptidi

• I gruppi amminoterminale e carbossiterminale sono ionizzabili, ma con costanti diverse
• I gruppi R presenti nella catena sono ionizzabili, quindi ciascun peptide presenta una specifica curva di titolazione e un pH isoelettrico.

Peptidi biologicamente attivi

• Anche peptidi piccoli possono svolgere funzioni come l'aspartame, un dolcificante artificiale e la somatostatina, ormone polipeptidico prodotto dall'ipotalamo, dal pancreas, dal tratto gastro-intestinale e dalle cellule APUD, con diverse funzioni (inibizione della produzione di gastrina, modulazione dell'asse ipotalamo-ipofisario , inibizione di insulina e glucagone, e del rilascio di acido cloridrico nello stomaco, agendo come neurotrasmettitore).

Premesse sulla struttura tridimensionale delle proteine

• Le proteine sono molecole grandi e abbondanti con uno scheletro covalente costituito da molti legami
• Data la mobilità dei legami, le proteine possono assumere un numero infinito di strutture, ma la loro funzione specifica suggerisce una specifica struttura tridimensionale
• Questa grande versatilità comporta che le proteine siano le molecole più abbondanti nelle cellule
• La disposizione spaziale degli atomi in una proteina corrisponde a quelle strutture che la proteina può assumere senza rompere legami covalenti
• Le conformazioni delle proteine sono sempre termodinamicamente stabili e con il valore più basso di Energia Libera di Gibbs
• La conformazione che consente alla proteina di svolgere la sua funzione specifica è detta nativa.

Stabilizzazione della conformazione delle proteine attraverso interazioni deboli

• La stabilità di una proteina è la sua tendenza a mantenere la conformazione nativa, opponendosi allo stato non avvolto, stabilizzato da elevata entropia strutturale e interazioni con il solvente acquoso
• Le interazioni che stabilizzano la conformazione nativa sono ponti disolfuro, le interazioni idrofobiche, i legami a idrogeno e interazioni ioniche
• Le interazioni deboli hanno una rilevanza sostanziale nell'avvolgimento nelle strutture secondarie e terziarie
• La conformazione più stabile presenta il maggior numero di interazioni deboli, specialmente le interazioni idrofobiche
• Quando l'acqua circonda una molecola idrofobica, si forma uno strato di solvatazione che inizialmente diminuisce l'entropia
• all'aumentare dei gruppi idrofobici esso si riduce e aumenta l'entropia il che consente l'associazione di gruppi idrofobici.

Rigidità e planarità del legame peptidico

• I carboni α di amminoacidi adiacenti sono separati da tre legami covalenti (Ca-C-N-Ca)
• Il legame peptidico C-N è un po' più corto di un legame singolo e un po' più lungo di un doppio legame, indicando risonanza e condivisione di una coppia di elettroni tra ossigeno carbonilico e azoto ammidico, generando un dipolo elettrico
• I sei atomi coinvolti nel legame giacciono sullo stesso piano, con l'ossigeno carbonilico in posizione trans rispetto all'idrogeno legato all'azoto ammidico e il legame C-N non può ruotare liberamente
• Le catene polipeptidiche possono essere considerate successioni di piani.

Struttura primaria delle proteine

• Data dalla sequenza amminoacidica lineare e dalla disposizione dei ponti disolfuro cioè tutti i legami covalenti
• La sequenza amminoacidica lineare è geneticamente determinata, influenzando la struttura tridimensionale e la funzione
• Proteine con funzioni diverse hanno sequenze diverse, mentre proteine omologhe hanno sequenze simili
• Modifiche nella struttura primaria alterano o perdono la funzione biologica e influenzano:
• Segnali di localizzazione intracellulare come la localizzazione dei ribosomi
• Segnali di modifiche post traduzionali come siti di fosforilazione
• Sequenze segnale per recettori e ligandi:
• Suggerisce le configurazioni successive e la funzione.

Struttura secondaria delle proteine

• Descrrive l'organizzazione spaziale un segmento della catena polipeptidica
• Le strutture secondarie regolari mantengono gli angoli del legame peptidico costante
• Si distinguono l'α-elica, la configurazione β e il ripiegamento β.

α-elica

• Corrispondeva alla struttura secondaria più semplice che garantiva la massimizzazione dei legami a idrogeni.
• Lo scheletro carbonioso polipeptidico si avvolge attorno ad un asse e i gruppi R sporgono
• L'unità ripetitiva è un singolo giro che si estende per 5,4 Å e contiene 3,6 residui amminoacidici
• La forma destrorsa (più presente) è stabilizzata da legami a idrogeno tra l'atomo di idrogeno legato all'azoto di un legame peptidico e l'atomo di ossigeno carbonilico del quarto amminoacido successivo
• Ciascun giro dell'elica è collegato al successivo da tre o quattro legami a idrogeno adiacenti.

Instabilità dell’alfa elica

• Non tutti i polipeptidi possono formare alfa eliche stabili
• La sequenza amminoacidica influenza la stabilità e si possono distinguere cinque categorie di limitazioni:
• La propensione intrinseca di un residuo amminoacidico
• L'interazione tra gruppi R a distanza di 3 o 4 residui
• Ingombro sterico e repulsione di gruppi R adiacenti
• Presenza di residui particolari (Pro e di Gly)
• Interazione tra residui amminoacidici alle estremità e dipolo elettrico dell'alfa elica

Il foglietto Β

• Lo scheletro della catena polipeptidica si estende a formare una struttura a zig-zag il cui piano corrisponde a quelli dei legami peptidici di tipo foglietto β
• I legami a idrogeno si formano tra regioni adiacenti della catene polipeptidiche
• I gruppi R sporgono sopra e sotto il piano
• Le catene polipeptidiche adiacenti si definiscono parallele o antiparallele rispettivamente.

Ripiegamenti β

• Alcuni residui amminoacidici possono ritrovarsi in ripiegamenti (o anse), collegando tratti successivi in alfa eliche o in foglietti beta antiparalleli
• Un ripiegamento di 180° vede coinvolti solo quattro residui amminoacidici, in particolare i legami peptidici centrali non contribuiscono in alcun modo
• La Gly impartisce flessibilità e Pro può formare legami peptidici in configurazione cis.

Il grafico di Ramachandran

• Definisce le conformazioni possibili tramite diagrammi che mostrano gli angoli di torsione riscontrabili e quelli proibiti
• Ogni tipo di struttura secondaria può essere descritto definendo i valori degli angoli diedrici associati.

Struttura terziaria e quaternaria

• La terziaria definisce la disposizione di tutti gli atomi nello spazio tridimensionale tramite le interazioni a lungo raggio della catena polipeptidica con interazioni deboli e ponti disolfuro
• Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche (subunità) identiche o diverse
• Sulla base di tali livelli strutturali le proteine possono essere:
  • Fibrose: catene disposte in lunghi fasci con unità strutturale ripetuta, determinano resistenza, la forma e la protezione esterna e sono insolubili in acqua
  • Globulari: catene ripiegate con forme globulari, dove i residui si localizzano in base alla polarità.

Proteine fibrose

• α-cheratine proteggono dalle sollecitazioni
• Coiled coil è dove le catene con alfa eliche sono avvolte l'una sull'altra e la superficie sono ricche di amminoacidi
• collagene avvolge le catene alfa con tre residui amminoacidici per giro, con glicina, alanina, prolina, di 4-idrossiprolina

Proteine globulari

• E le varie strutture terziarie, che possono essere considerate come polipeptidi segmentati assemblate in a-elica e in conformazione
• Il motivo e i domini:Il motivo (o ripiegamento) è un avvolgimento polipeptidico (caratteristico, formato da elementi di struttura secondaria); mentre il dominio è una porzione della catena polipeptidica di per sé stabile. Domini possono essere regolazione dal dominio catalitico vero e proprio
• Strutture terziarie, divise in quattro classi: tutto a, tutto β, a/β (con le due conformazioni alternate, a+β (con le due conformazioni alquanto distanziate)

Struttura quaternaria

• L'associazione di catene polipeptidiche dette subunità, in una stessa proteina costituisce la struttura quaternaria
• Una proteina costituita da più subunità viene indicata come multimero
• L'unità strutturale ripetitiva di un multimero è il protomero
• Simmetria può essere:
  • ciclica
  • diedrica
  • icosaedrica, dei virus

Denaturazione delle proteine

• La perdita della struttura tridimensionale è sufficiente a determinare la perdita della funzione di una proteina prende il nome denaturazione ( con il calore, mediante cambiamenti di pH)
• In soluzione di urea sono spezzati i ponti disolfuro, ma l'esposizione a solo urea causa rottura delle interazioni idrofobiche
• Stato non avvolto caratterizzato da entropia conformazionale.

Il processo di ripiegamento

• Il ripiegamento di una proteina molto lunga è un processo molto complesso
• Le vie principali di ripiegamento hanno un carattere gerarchico.
• L'energia libera di Gibbs ha un andamento a imbuto

Gli chaperoni

• Chaperoni interagiscono polipeptidi parzialmente ripiegati o in modo improprio
• La famiglia Hsp70 abondano nelle cellule con lo shock termico
• Enzimi che catalizzano reazioni di isomerizzazione
• disolfuro isomerasi (catalizza l'interscambio e l'eliminazione)
• prolil cis-trans isomerasi (catalizza l'interconversione cis-trans).

Amiloidosi

• Patologie come il diabete di tipo II, la malatia di alzheimer
• Le malattie che ne derivano prendono nel complesso il nome di amiloidosi
• Alterazione esse tendono a concentrare nell'ambiente cellulare,UРR che concentrano gli chaperoni a livello
• Di conseguenza sviluppo di malattie generative correlate all', accumulo di amiloidi
• I tipi si basano sul motivo originario delle proteine

Funzione reversibile di un legando con una proteina

• Le funzioni delle proteine richiedono un contatto specifico con altre molecole
• Per svolgere la funzione corretta
• Interazioni avvengono prontamente con le molecole
• Si lega livello del sito di legami
• Interazioni che devono essre regolate costantemente

Proteine ossigeno

• Le proteine mirano
• Mioglobulina
• Emoglobina

Gruppo eme

• Il grupo è una molecola protoporfirinica protoporfirina IX al lato del suo singolo Atomo

La mioglobina

• La mioglobina una globina monomerica con un polipeptide di 153 e il sito di ioni contiene un idrofobica
• La globina svolte la. Funzione di trasporto ed accumulo di ossigeno

Quantifica

• La funzione del. La proteina dipende dalla capacità di creare equilibrali
• Il valore del sito di ligame È occupando è baso

Meccanismo di legami.

• le proteine nei sistemi che rispettivi liganti Hanno un ione
• interazioni

Emoglobina

• presente la quantità di legame sono diversi di quattro di atomio
• Gli enzimi. A livelli molecolari possono raggiungere l'eccellenza e la perfezione

La transizione T

• La trasizione deve essere la pressione parziale
• Stabilizzata dal grado di interazioni che aumentala la massa delle cellule

Il grafico di Hill

• Il grfico è quello che dimostra l'alterazione dell'anidride.
• La struttura per avere la capacità degli enzimi ha questo concetto

Il trasporto di co2 e ioni

• La concentrazione di gli ioni e ha la catena di diversa intensità
• Tutti i componenti hanno una reazione con una molecola con il calore la denataurazione con agentis

anemia falciforme.

• e una malattia caratteristica ha a livello della supeficie una modifica all'emoglobina.

Gli amminoacidi sono macromolecole essenziali nelle cellule, derivanti dall'informazione genetica. Venti amminoacidi formano le proteine, uniti da legami covalenti. La diversità delle loro funzioni biologiche deriva dalle proprietà chimiche dei precursori.