Biochimica: Amminoacidi proteici

Amminoacidi: Generalità

• Sono composti bifunzionali con un gruppo acido e uno basico.
• In natura, ne esistono oltre 500.
• Il gruppo acido è di solito un carbossile, ma potrebbe essere un gruppo solfonico (es. taurina).
• Il gruppo basico è un ammino, ma potrebbe essere altro.
• Venti amminoacidi sono coinvolti nella costituzione delle proteine
• In organismi più semplici, si possono trovare anche un ventunesimo e un ventiduesimo amminoacido.

Caratteristiche degli amminoacidi proteici

• Il gruppo acido è sempre un carbossile, e quello basico è sempre un ammino.
• Il gruppo carbossile è ionizzabile: esiste in forma protonata (COOH) e deprotonata (COO-).
• Il gruppo ammino esiste in forma non protonata (NH2) e protonata (NH3+).
• 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 α legato al gruppo carbossile, che in chimica organica è il carbonio 2
• Il carbonio α possiede anche un atomo di idrogeno e un gruppo R (radicale) o catena laterale variabile.

Chiralità e Isomeria Ottica

• Diciannove dei 20 amminoacidi sono molecole chirali.
• Le molecole chirali possiedono un’immagine speculare non sovrapponibile e presentano uno o più centri chirali (centri di asimmetria).
• Il carbonio α è tipicamente un carbonio chirale.
• Per essere chirale, un atomo centrale deve formare quattro legami singoli con quattro sostituenti diversi.
• Se il gruppo R non è un atomo di idrogeno, un gruppo carbossile o un gruppo ammino, il carbonio α è sempre un centro chirale.
• La configurazione assoluta (CIP) distingue le molecole chirali in S (sinister) e R (rectus).
• Quasi tutti gli amminoacidi proteici hanno configurazione S, eccetto la cisteina.
• La configurazione di Fischer fa riferimento alla gliceraldeide, uno zucchero a 3 atomi di carbonio.
• Esistono L-gliceraldeide e D-gliceraldeide, con posizioni invertite del gruppo OH e dell'atomo di idrogeno rispetto carbonio 2.
• La serie L o D si assegna con le regole di Fischer, mettendo in ordine verticale gli atomi di carbonio (più ossidato in alto e meno ossidato in basso).
• Se il gruppo funzionale OH sta a sinistra è L-gliceraldeide, a destra è D-gliceraldeide.
• Gli amminoacidi proteici sono nella serie L, mentre quelli della serie D si trovano nei procarioti.
• I legami covalenti con cunei neri escono dalla pagina, quelli tratteggiati si allontanano.
• Il carbonio α è al centro di un tetraedro, con i quattro sostituenti ai vertici.
• I gruppi sostituenti orizzontali sono verso l’osservatore, quelli verticali entrano nello schermo.

Comportamento Acido-Base

• Gli amminoacidi in soluzione acquosa presentano sempre il carbossile COO- e il gruppo amminico NH3+.
• I due gruppi sono dissociabili, e la dissociazione dipende dal pH della soluzione.
• Il carbossile cede uno ione H+ diventando COO-, mentre il gruppo ammino acquista uno ione H+ diventando NH3+.
• Il pKa è -logKa e indica il pH al quale un gruppo ionizzabile è per metà in forma non ionizzata e per metà ionizzata.
• Il gruppo carbossile ha un pKa medio di 2,2; a pH 2,2, si troverà al 50% come COOH e al 50% come COO-.
• Sotto pH 2,2 prevale COOH, sopra pH 2,2 prevale COO-.
• NH3+ ha un pKa di 9,4; a pH 9,4, il gruppo amminico sarà per metà NH3+ e per metà NH2.
• Sotto pH 9.4 prevale NH3+, sopra pH 9.4 prevale NH2.
• Sotto pH 2,2, il gruppo carbossile è in forma COOH e il gruppo ammino è NH3+( carica complessiva +1).
• A pH tra 2,2 e 9,4, il carbossile diventa COO- e il gruppo amminico è sempre NH3+ (forma zwitterionica, carica complessiva 0).
• Sopra pH 9,4, il carbossile è COO- e il gruppo ammino è NH2 (carica negativa -1).
• Non esiste un pH in cui entrambi i gruppi sono neutri.
• Il carbossile dell’acido acetico è meno acido di quello amminoacido.
• Nel momento in cui viene ceduto uno ione H+, si genera una carica negativa COO- e stabilizzata nell’amminoacido dalla presenza della carica positiva del gruppo ammino.
• C'è una trappola elettronica del gruppo carbonile del COO- che attrae elettroni, rendendo più difficile la condivisione con uno ione H+.

Punto Isoelettrico

• Il punto isoelettrico (pI) è il pH al quale l’amminoacido ha carica netta zero.
• Si calcola come la media aritmetica tra i due valori di pKa del gruppo carbossile e amminico.
• I pI non sono tutti uguali a causa dell'influenza della catena laterale (gruppo R) sulla ionizzazione dei gruppi amminici e carbossilici.
• Il pI di 15 dei 20 amminoacidi è intorno a 6,5, mentre 5 hanno catene laterali che influenzano notevolmente il pI.

Classificazione Strutturale

• Gli amminoacidi sono classificati in base alla polarità della catena laterale.
• L'energia libera di trasferimento in acqua indica se un amminoacido è polare o apolare.
• Valori delta G negativi indicano amminoacidi polari (favoriti termodinamicamente in acqua), positivi indicano amminoacidi apolari.
• Essendo la catena laterale costituita da un atomo di idrogeno, la glicina è difficile da classificare come polare o apolare.
• La glicina è l’unico degli amminoacidi a non esistere in forma L e in forma D perché il carbonio α non è chirale.
• Gli amminoacidi con catena laterale apolare si dividono in alifatici e aromatici.

Amminoacidi Apolari Alifatici

• Alanina: ha un gruppo metile (CH3) come catena laterale; il gruppo metile è apolare.
• Prolina: la catena laterale (CH2CH2CH2) si lega al gruppo amminico, rendendola un'ammina secondaria (NH2+ dopo protonazione). La catena laterale è apolare
• Valina: ha un CH con due gruppi metile legati (ramificazione sul carbonio beta).
• Leucina: costituita da CH2,CH,CH3,CH3 (ramificazione sul carbonio gamma).
• Isoleucina: isomero della leucina con la stessa formula molecolare ma la ramificazione in posizione beta.
• Valina, leucina e isoleucina hanno catene ramificate e sono metabolizzate attivamente nel muscolo scheletrico.
• Metionina: ha un atomo di zolfo nella catena laterale (CH2CH2SCH3), che è una catena idrocarburica con zolfo apolare.

Apolari Aromatici

• Fenilalanina: catena laterale con CH2 e un anello benzenico (gruppo fenile); un atomo di idrogeno dei metili alaninici è sostituito da gruppo fenile.
• Tirosina: ha un ossidrile (OH) legato al gruppo fenile in posizione para; l'OH forma legami idrogeno con l'acqua. È classificata tra gli apolari.
• Triptofano: possiede una catena laterale complessa con CH2 e un doppio anello eterociclico (indolo) con un atomo di azoto.

Polari Non Ionizzabili

• Serina: catena laterale semplice e idrofila (CH2OH).
• Treonina: catena laterale (CHOHCH3) con idrofilicità prevalente del gruppo OH.
• Serina, treonina e tirosina sono suscettibili di fosforilazione sulla catena laterale dell'OH.
• Asparagina: ha un CH2 e un gruppo ammidico (CONH2); il gruppo NH2 non è protonabile a causa del gruppo C doppio legame O adiacente che sottrae elettroni
• Glutammina: è l’omologo superiore dell’asparagina,.
• Cisteina: catena laterale (CH2SH) con polarità prevalente del gruppo SH; simile alla serina (CH2OH) ma con zolfo al posto dell’ossigeno.

Ionizzabili

• Cinque amminoacidi hanno catene laterali ionizzabili: acide o basiche.
• Acide:
  • Acido aspartico (o aspartato): ha un gruppo CH2COO- come catena laterale. Il pKa del carbossile è 3.9, quindi a pH 7.4 si trova solo in forma COO-. Presenta tre funzioni ionizzabili (due comuni e un COO- nella catena laterale). A pH fisiologico ha carica -1
  • Acido glutammico (o glutammato): ha un CH2 in più nella catena laterale (CH2CH2COO-).
  • Il punto isoelettrico non è vicino alla neutralità, ma calcolato attraverso la media aritmetica dei pKa dei due gruppi carbossilici degli amminoacidi.
  • Sparagina e glutammina sono le rispettive ammidi e quindi non hanno la funzione ionizzabile perché le ammidi non sono ionizzabili.
• Basiche:
  • Lisina: ha una catena laterale CH2CH2CH2CH2NH3+. Il gruppo amminico è legato al carbonio epsilon e ha un pKa di circa 10. Presenta un punto isoelettrico che si calcola effettuando la media aritmetica tra il pKa del gruppo amminico della catena laterale e il pKa del gruppo amminico legato al carbonio alfa, ottenendo così un valore di circa 10. A pH neutro ha carica +1.
  • Arginina: ha una catena laterale CH2CH2CH2 legata a un gruppo guanidinico con tre atomi di azoto e delocalizzazione elettronica. Il pKa del gruppo guanidinico è circa 12,5.
  • Istidina: possiede una catena laterale aromatica con un CH2 legato a un gruppo imidazolico (anello a 5 atomi con 3 carboidrati di carbonio e 2 di azoto. Questo gruppo è ionizzabile (pKa ~6).

Selenocisteina

• La selenocisteina (Sec, U) è codificata dal codone UGA (codone di stop).