Proteine fibrose: cheratina e collagene

Gli Amminoacidi: Definizione Generale

• Le proteine sono le macromolecole più abbondanti nelle cellule e nelle frazioni subcellulari.
• Svolgono la maggior parte delle funzioni biologiche.
• Derivano dalla manipolazione dell'informazione genetica nelle cellule.
• Le unità monomeriche sono 20 amminoacidi codificati, legati covalentemente.
• La varietà di funzioni biologiche dipende dalla combinazione di questi precursori.
• Le proprietà chimiche degli amminoacidi determinano le proprietà della biomolecola.
• Le proteine sono polimeri di amminoacidi legati da legami covalenti specifici.

Proprietà Strutturali Comuni degli Amminoacidi

• Si identificano più di 300 amminoacidi, ma solo 20 sono codificati geneticamente.
• L'informazione genetica regola l'ordine di questi 20 precursori nelle catene polipeptidiche.
• Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono α-amminoacidi.
• Questi amminoacidi hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati all'atomo di carbonio alfa.
• La catena laterale (gruppo R) differenzia gli amminoacidi per struttura, dimensioni e carica, influenzando la solubilità in acqua.
• L'atomo di Cα è legato a 4 gruppi diversi nei precursori, eccetto la glicina.
• La disposizione degli orbitali ibridati sp⁴ permette due diverse disposizioni dei sostituenti.
• Il carbonio alfa è un centro chirale; ogni amminoacido può esistere come stereoisomero configurazionale (enantiomero).
• Amminoacidi e zuccheri sono identificati come enantiomeri D o L in riferimento alla configurazione assoluta della gliceraldeide.
• Amminoacidi con configurazione assoluta assimilabile alla D-gliceraldeide sono D-Aa, altrimenti L-Aa.
• I residui amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti enantiomeri di tipo L.
• La serie D è presente in pochi 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

• Gli amminoacidi si presentano nella forma zwitterionica a pH fisiologico, comportandosi come ioni bipolari.
• Sono raggruppati in cinque classi principali in base alle proprietà dei gruppi R, in particolare alla polarità.
• Alcuni amminoacidi come cisteina, glicina, istidina e prolina sono difficilmente caratterizzabili.

Gruppi R Alifatici, non Carichi

• Alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a ripiegarsi all'interno, stabilizzando la proteina mediante interazioni idrofobiche.
• La glicina, con H come gruppo R, non può fare altrettanto data l'assenza di un centro chirale.
• Metionina contiene un atomo di zolfo sottoforma di gruppo tioetere (R-S-R').
• La prolina ha una catena alifatica a struttura ciclica, con gruppo amminico secondario (gruppo imminico) rigido che riduce la flessibilità.

Gruppi R Aromatici

• Fenilalanina, tirosina e triptofano sono relativamente idrofobici, con un anello benzenico.
• La tirosina e il triptofano sono più polari per la presenza di un gruppo ossidrile e di un azoto nell'anello indolico, rispettivamente.
• Tutti e tre assorbono luce ultravioletta, con un assorbimento del triptofano circa 4 volte maggiore rispetto a quello della tirosina a 280 nm.
• È possibile identificare la natura delle sostanze chimiche e la concentrazione in soluzione mediante uno studio spettroscopico.
• L'assorbanza è proporzionale al cammino ottico (l), alla concentrazione della sostanza e al coefficiente di estinzione molare (ε), secondo la legge di Lambert-Beer: log(Io/T) = εcl.

Gruppi R Polari, Non Carichi

• I gruppi R sono polari e idrofilici, con atomi che interagiscono mediante legami a idrogeno.
• Questa classe include serina, treonina, cisteina, asparagina e glutammina.
• La polarità della serina e della treonina dipende dai gruppi ossidrilici, quella dell'asparagina e della glutammina dai gruppi ammidici.
• La polarità della cisteina è modesta, ma essa contiene un atomo di zolfo sottoforma di gruppo sulfidrilico.
• I residui di cisteina possono formare ponti disolfuro idrofobici per ossidazione, stabilizzando le strutture proteiche, unendo parti di una proteina o proteine diverse mediante interazioni covalenti.

Gruppi R Carichi Positivamente (Basici)

• Gli amminoacidi con carica netta positiva a pH fisiologico sono lisina, arginina e istidina.
• Lisina presenta un secondo gruppo amminico primario nella posizione e della sua catena alifatica.
• Arginina ha un gruppo guanidinico carico positivamente.
• L'istidina ha un gruppo imidazolico aromatico ed è l'unico con catena laterale ionizzabile a pH fisiologico, facilitando l'attività enzimatica come donatore/accettore di protoni.

Gruppi R Carichi Negativamente (Acidi)

• Aspartato e glutammato hanno una catena laterale con carica netta negativa a pH fisiologico, ognuno con un secondo gruppo carbossilico.

Curve di Titolazione degli Amminoacidi

• Un amminoacido senza gruppo R ionizzabile esiste come ione bipolare (zwitterione) in soluzione acquosa, comportandosi da acido e da base (anfoterico).
• Gli stati di ionizzazione dipendono dal pH, con la forma zwitterionica predominante a pH=7.
• La titolazione acido-base comporta l'aggiunta/rimozione di protoni a gruppi funzionali ionizzabili.
• La curva di titolazione della glicina, con gruppi ionizzabili carbossilici e amminici, mostra: A pH bassi, prevale la forma completamente protonata con carica positiva. Con l'aumento del pH, il gruppo -COOH perde il protone, raggiungendo il punto di flesso quando il pH è uguale al pKa del gruppo carbossilico (pK1).
• Incrementando il pH, il gruppo carbossilico è quasi completamente deprotonato mentre quello amminico comincia ad esserlo.
• In questa fase zwitterionica si assiste alla formazione di un nuovo punto di flesso. La seconda fase della titolazione corrisponde alla rimozione completa del protone dal gruppo amminico e il pH al punto di flesso corrisponde al pK2 del gruppo stesso. In questa seconda fase la forma prevalente sarà quella completamente deprotonata con carica netta negativa.

Informazioni Ricavabili dalla Curva di Titolazione

• I valori di pKa dei gruppi ionizzabili sono influenzati dall'intorno chimico.
• Il pKa del gruppo carbossilico della glicina è minore rispetto a quello dell'acido acetico perché l'espulsione del protone favorisce la formazione di una specie zwitterionica stabilizzata dalla presenza di due cariche opposte.
• Il pKa del gruppo amminico è inferiore rispetto a quello della metilammina per via dell'atomo di ossigeno carbossilico che attira gli elettroni.
• Esiste una relazione tra pH e carica netta dell'amminoacido. Il punto di flesso nella curva bifasica che segna il passaggio dalla prima alla seconda fase, è il valore di pH al quale la glicina si trova sottoforma di zwitterione con una carica netta nulla. Il valore di pH al quale la carica netta di un Aa è pari a 0 è detto punto isoelettrico (pI). Per la glicina che non presenta gruppi R ionizzabili, il punto isoelettrico è la media aritmetica dei due valori pK1 e pK2.
• Un amminoacido ha una carica netta positiva quando pH<pI mentre una carica netta negativa quando pH>pI.
• Gli 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 avente un pKa pari a 6,0 e quindi in soluzione acquosa può comportarsi da tampone in quanto è in grado di protonarsi in condizioni di neutralità

Amminoacidi Non Comuni con Funzioni Importanti

• Le proteine possono contenere residui di amminoacidi chimicamente modificati, come la 4-idrossiprolina derivata dalla prolina.
• Essa è una componente fondamentale del collagene, proteina fibrosa del tessuto connettivo.
• La conversione della prolina è catalizzata dall'enzima prolil idrossilasi, che agisce in presenza di ioni Fe²⁺ e α-chetoglutarato, richiedendo vitamina C (acido ascorbico) per prevenire l'ossidazione del ferro. La carenza di vitamina C causa scorbuto.

Quiz sulle proteine fibrose, α-cheratina e collagene, concentrandosi sulla loro struttura, composizione amminoacidica e importanza biologica. Esplora i ruoli di glicina e vitamina C nella sintesi del collagene e le interazioni che stabilizzano queste proteine.