Legame Peptidico: Sfide e Strategie

Introduzione al legame peptidico e alla struttura delle proteine

• Le proteine sono macromolecole composte da una sequenza lineare di amminoacidi.
• I 20 amminoacidi naturali si uniscono tramite legami stabili per formare le proteine.
• Indipendentemente dalla sequenza proteica, gli amminoacidi sono legati da un unico tipo di legame: il legame peptidico.

Formazione del legame peptidico

• Il legame peptidico unisce due amminoacidi nella sequenza lineare di una proteina.
• Alla base della reazione c'è una reazione di condensazione tra due amminoacidi per formare un dipeptide.
• Il primo amminoacido contribuisce con il carbossi-terminale (gruppo COO-), mentre il secondo amminoacido contribuisce con il gruppo amminico (NH3+).
• La condensazione di due amminoacidi produce un'ammide secondaria.
• La reazione di formazione del legame peptidico è analoga alla reazione di un'ammide.

Sfide nella costruzione delle proteine

• La formazione di una molecola d'acqua rappresenta una sfida nella costruzione di proteine all'interno della cellula.
• Essendo la produzione di acqua un problema, l'equilibrio è influenzato dalla concentrazione relativa degli amminoacidi e del dipeptide.
• L'elevata concentrazione di acqua nell'ambiente acquoso cellulare (circa 55,5 M) rende sfavorevole la reazione.
• La reazione è fortemente endoergonica, richiedendo energia per costruire un legame covalente ad alta energia.

Superamento della barriera energetica

• Per superare la barriera energetica endoergonica in vitro, è necessario ricorrere ad alte temperature (250°C) o all'aggiunta di un anidride fosforica come disidratante.
• Le cellule utilizzano un meccanismo più complesso che consuma energia, utilizzando molecole di ATP (legami ad alta energia) per spostare la reazione verso la direzione desiderata.

Prolina e legami peptidici

• La reazione è simile per 19 dei 20 amminoacidi, ma la prolina si comporta diversamente.
• La prolina, essendo un imminoacido, è un'ammide secondaria e può reagire con il carbossile dell'amminoacido precedente, formando un'ammide terziaria.
• La prolina può essere inserita nelle cellule all'interno delle proteine.

Polarità della catena amminoacidica

• Il primo amminoacido di una proteina ha il gruppo amminico (NH3+) legato al carbonio α libero, mentre tutti gli altri gruppi amminici degli amminoacidi successivi sono impegnati nel legame peptidico.
• Il primo amminoacido mette a disposizione il gruppo COO- e mantiene intatto l'NH3+ legato al carbonio α.
• Il dipeptide derivato dalla reazione mantiene l'amminoterminale libero e mette a disposizione il carbossile dell'ultimo amminoacido aggiunto.
• Nella catena principale di amminoacidi, solo il primo amminoacido ha un gruppo amminico libero e solo l'ultimo ha un carbossile libero.
• Ciò significa che l'unica amina libera legato al carbonio alfa sarà quella del primo amminoacido, l'unico carbossile libero sarà solo quello dell'ultimo amminoacido aggiunto
• Tutti gli altri gruppi carbossilici e amminici sono implicati nei legami peptidici intermedi, rendendo il polipeptide una molecola polarizzata con un inizio e una fine.

Residui amminoacidici

• Un peptide non contiene amminoacidi interi ma residui amminoacidici: per ogni coppia di amminoacidi aggiunti, si libera una molecola d'acqua.
• Un tripeptide è quindi costituito da tre residui amminoacidici.
• I residui amminoacidici sono ciò che rimane di un amminoacido all'interno di una catena peptidica dopo la formazione del legame peptidico.

Caratteristiche della catena polipeptidica

• La catena polipeptidica è formata per condensazione lineare, sequenziale e ordinata dall'amminoterminale del primo amminoacido al carbossiterminale dell'ultimo.

Proprietà del legame peptidico

• Il legame peptidico serve a legare tra loro gli amminoacidi, derivando dalla condensazione del gruppo carbossilico di un amminoacido e del gruppo amminico del successivo.
• Il risultato è un'ammide molto stabile e poco reattiva.
• Per convenzione, la catena peptidica ha una direzione da sinistra verso destra.
• Gli atomi che formano il legame CONH giacciono sullo stesso piano, rendendo il legame planare.

Conformazioni del legame peptidico

• Le catene laterali degli amminoacidi possono assumere conformazioni trans (se R1 e R2 si trovano in parti opposte rispetto al piano) o cis (se R1 e R2 si trovano dalla stessa parte del piano).
• Nella catena polipeptidica è favorita la conformazione trans per minimizzare l'ingombro sterico delle catene laterali.
• La conformazione cis è possibile solo con residui piccoli come la glicina (la cui catena laterale è un atomo di idrogeno).
• La prolina può assumere sia conformazioni cis che trans indipendentemente dal residuo precedente.

Rotazione del legame peptidico

• A seconda dell'ingombro degli amminoacidi, il legame può ruotare e assumere una conformazione cis, ma se sono e i residui laterali sono molto ingombranti, la rotazione diviene praticamente impossibile e l'unica conformazione possibile è la trans.
• In realtà il legame peptidico non può ruotare troppo a causa del suo carattere di parziale doppio legame, permettendo solo rotazioni di 180 gradi.

Rigidità del legame peptidico

• Il legame peptidico è rigido a causa del suo carattere di parziale doppio legame (ibrido di risonanza).
• La possibilità di rotazione è limitata a +/- 180 gradi, permettendo all'amminoacido di trovarsi in posizione cis o trans.
• Gli angoli diedri Ψ (tra Cα e gruppo carbonilico) e φ (tra Cα e gruppo amminico) sono importanti e consentono una rotazione limitata a causa dell'ingombro sterico della catena polipeptidica

Grafico Ramachandran

• Il grafico di Ramachandran mostra le combinazioni possibili di angoli φ e ψ per ogni residuo di amminoacido.
• Le aree colorate nel grafico rappresentano le combinazioni di angoli energeticamente favorevoli, mentre le aree chiare rappresentano combinazioni impossibili.
• La variazione degli angoli e dei residui dipende dai tipi di amminoacidi (es. Glicina o Triptofano) e dalle strutture secondarie della proteina e dal folding

Funzioni dei peptidi

• I peptidi sono molecole più corte dei polipeptidi (fino a circa 5000 dalton) costituiti da una catena lunga fino ad alcune decine di amminoacidi, uniti da legami peptidici
• I peptidi e polipeptidi sono costituenti delle proteine
• Ormoni: insulina e glucagone
• Veleni: mastoparan(nel veleno delle vespe)
• Neurotrasmettitori: endorfine e encefaline (sono pentapeptidi): derivano dalla sintesi di una proteina; colpiscono gli organi bersaglio dei neuroni o cellule che rispondono ai propri meccanismi
• Antibiotici: gramicidina con una sequenza strana di amminoacidi
• Farmaci
• Sviluppo di patologie: peptide Β amiloide per le patologie neurodegenerative (ex. Alzheimer)

Peptidi e Polipeptidi

• Ogni peptide ha una lunghezza determinata dal numero di residui amminoacidici;
• Dipeptidi, tripeptidi e tetrapeptidi: condensazione di 2,3 o 4 amminoacidi
• Peptidi contenenti fino a 10-20 residui sono definiti oligopeptidi,quelli più residui sono definiti polipeptidi
• Le proteine sono polipeptidi composti da diverse decine o centinaia di residui amminoacidici.
• I peptidi sono polimeri polarizzati con un'estremita amminoterminale (N-terminale) e una carbossiterminale (C-terminale)
• Si usa in sequenza il nome dei residui con il suffisso "il",escludo il residuo C-terminale (metionil-aspartil-leucil-tirosina)
• La maggior parte dei peptidi/polipeptidi biologici sono polimeri lineari perchè l'unico risultato possibile nella sintesi delle proteine dai ribosomi sull' Rna messaggero,se vi sono polimeri ramificati,peptidici o circolari vuol dire che devono intervenire meccanismi si sintesi.Es la ciclosporina per un farmaco per evitare il rigetto degli organi

Ponti Disolfuro

• Quando parleremo della conformazione finale di una proteina, oltre ad interazioni deboli ci sono ponte disolfuro dati dalle unone di due cisteine che si trovano alla giusta distanza con un enzima e una condizione ambientale per ossidare i gruppi
• Gli SH per formare una cistina che lega il ponte disolfuro (intracetena o intercatena)
• L'insulina ha sia due ponti disolfuro intracatena che uno intercatena
• Ambienti intracellulare deve essere riducente
• Le cellule producono insulina ma poi la secerne per proteggere le cisteine dei proteine stesse.

Metodo Merrifield

• Tecnica fatta per la sintesi dei peptidi in laboratorio (Merrifield prese il premio Nobel per la chimica nel 1984)
• Prende milioni di micropallini con la superficie poco reattiva con gruppi dimetilcloruro
• I grandi vantaggi della sintesi sono fase solida: posssibilià di utilzzare tipi di micropallini dipendenti dal processo e si vedono i micropallini in soluzioni sia solide che liquide; usando residui reattivi aggiunge anche il numeo dell' amminoaciido per un peptide
• Si ha ogni pallino legato a decine di migliaia di queste proteine per centrifugare e buttare tutto cio che non serve
• Inizia la bradichirina inserendo, in condizioni opportune,il primo amminoacido nell'ambiente di reazione, diversamente in natura in cui si inizia dall' N terminale
• Inserisce il secondo amminoacido.
• La temperatura è molto elevata per la disidratazione e avere il legame peptidico.
• Alla fine la sequnza è 120 volte per costruire una proteina.
• Si inizia al contrario (dal C terminale verso l'N terminale)

Esplora le sfide termodinamiche della formazione del legame peptidico in acqua e le strategie in vitro per superarle. Scopri come le cellule rendono favorevole questa reazione essenziale, nonostante sia endoergonica. Analisi del ruolo unico della prolina e interpretazione del grafico di Ramachandran.