Struttura degli Amminoacidi

Struttura degli Amminoacidi

• Gli amminoacidi, composti organici bifunzionali, abbondano in natura con oltre 500 molecole esistenti.
• Contengono almeno due gruppi funzionali: un gruppo acido e uno basico.
• Di norma, il gruppo amminico (-NH2) costituisce la componente basica, mentre il gruppo carbossilico (-COOH) quella acida.
• Alcuni amminoacidi, come la taurina, presentano un acido solfonico.
• Solo 20 degli amminoacidi esistenti entrano nella costituzione delle proteine.
• In questi 20 amminoacidi, il gruppo acido è sempre un gruppo carbossilico e quello basico un gruppo amminico.
• I 20 amminoacidi costituenti le proteine sono α-amminoacidi, ovvero il gruppo amminico è legato al carbonio α, adiacente al gruppo carbossilico.
• A pH fisiologico, i gruppi funzionali si presentano in forma ionizzata: -NH3+ (protonata) e -COO- (deprotonata).
• Il carbonio α forma quattro legami semplici: uno con un atomo di idrogeno e uno con una catena laterale R.
• Il carbonio α, il gruppo carbossilico, il gruppo amminico e l'atomo di H sono comuni a tutti i 20 amminoacidi, mentre la catena laterale R ne permette la distinzione variando a seconda dell'amminoacido.
• Quando il carbonio α forma 4 legami con sostituenti diversi, diventa uno stereocentro, rendendo la molecola chirale con due forme possibili.
• Tra i 20 amminoacidi costituenti le proteine, 19 sono molecole chirali.

Sistema di Nomenclatura D, L di Fischer

• Il carbonio α è sempre un centro di asimmetria a meno che R non sia idrogeno, carbossile o amminico.
• La molecola di partenza non è sovrapponibile alla sua immagine speculare.
• Nella convenzione di Fischer per la gliceraldeide (zucchero a 3 atomi di carbonio con 4 sostituenti diversi sul carbonio 2), i 3 atomi di carbonio sono disposti verticalmente con il carbonio più ossidato (aldeidico) in alto e quello meno ossidato in basso.
• L'enantiomero L-gliceraldeide ha il gruppo -OH a sinistra e l'idrogeno a destra, mentre la D-gliceraldeide ha le posizioni invertite.
• Le due forme di gliceraldeide differiscono nella capacità di ruotare il piano della luce polarizzata.
• Da un punto di vista biologico, i catalizzatori riconoscono la D-gliceraldeide, rendendo importanti gli zuccheri della serie D.
• Per gli α-amminoacidi che formano le proteine, come l'alanina, gli atomi di carbonio sono disposti verticalmente con il gruppo carbossile in alto, il carbonio α al centro e la catena laterale (gruppo metile -CH3) in basso.
• Se il gruppo amminico è a sinistra si ha L-alanina, a destra D-alanina.
• Sul corpo umano, sono rilevanti solo gli amminoacidi della serie L, sebbene si entri in contatto anche con quelli della serie D (procarioti).
• Bisogna ricordare la tridimensionalità di queste molecole, in questo caso il carbonio sta al centro di un tetraedro in cui i gruppi sostituenti posti orizzontalmente vanno verso l’osservatore e tre quelli posti verticalmente entrano nello schermo.

Comportamento Acido-Base degli Amminoacidi

• A pH fisiologico (7,4), un amminoacido presenta un gruppo carbossilico deprotonato (-COO-) e un gruppo amminico protonato (NH3+), con cariche opposte che si compensano, risultando in una carica netta nulla.
• A pH neutro, i gruppi sono ionizzati (dissociati).
• A pH acido, la concentrazione idrogenionica aumenta, il gruppo amminico è già protonato, e il gruppo carbossilico (-COO-) può legare uno ione H+ diventando COOH.
• Al di sotto di un certo valore di pH, corrispondente alla pKa del gruppo carbossilico, tale gruppo tende ad acquistare un protone, per cui a indissociarsi.
• La pKa indica il valore di pH in cui un gruppo chimico è metà ionizzato (dissociato,COO-) e metà indissociato (-COOH); in questo caso si considera la pKa della funzione acida.
• Nel caso del carbossile, ciò avviene a pH circa 2,2, e la carica elettrica totale dell'amminoacido diventa +1, data la carica positiva del gruppo amminico.
• A pH basico, il pH aumenta e la concentrazione idrogenionica diminuisce, il gruppo carbossile rimane invariato mentre il gruppo amminico tende a perdere uno ione H+ e diventare -NH2.
• Ciò accade superando il valore di pKa del gruppo amminico protonato (circa 9,4), dove metà è -NH3+ e metà -NH2, e la carica complessiva diventa -1, mantenendo solo la componente negativa.
• Ricapitolando: a pH fisiologico, entrambi i gruppi sostituenti sono nella loro forma ionizzata, ma ciò cambia a pH superiore alla pKa del gruppo amminico o inferiore a quella del gruppo carbossilico.
• Non coesistono condizioni in cui l'amminoacido abbia entrambi i gruppi scarichi elettricamente.
• La carica complessiva determina la forma zwitterionica (0) a pH fisiologico (2,2 < pH < 9,4), la forma con carica +1 a pH molto acido (pH < 2,2, con NH3+), e la forma con carica -1 a pH molto basico (pH > 9,4, con NH2).
• Il pKa del carbossile di un amminoacido è generalmente più basso di quello di un acido carbossilico perché la carica positiva del gruppo amminico nell'amminoacido stabilizza la forma deprotonata del carbossile tramite interazione elettrostatica.

Punto Isoelettrico

• Il punto isoelettrico (pI) è il valore di pH in cui la carica elettrica complessiva dell'amminoacido è esattamente zero.
• Si calcola come la media aritmetica dei due valori di pKa dei gruppi amminico e carbossilico.
• Non tutti i pI degli amminoacidi sono uguali perché influenzati dalla catena laterale (gruppo R).
• La maggior parte degli amminoacidi ha un pI intorno a 6,5.
• La curva di titolazione della glicina mostra tre punti di flesso corrispondenti al pKa del carbossile, al pKa del gruppo amminico e al punto isoelettrico.

Classificazione Strutturale

• Un grafico che rappresenta l'idrofobicità relativa delle catene laterali degli α-amminoacidi descrive l'energia libera del trasferimento in acqua di ciascuno dei 20 amminoacidi.
• L'asse delle ordinate varia per descrivere la spontaneità del trasferimento, quindi della solubilità in acqua
• L'asse delle ascisse riporta le lettere che rappresentano i 20 amminoacidi delle proteine.
• Energia libera negativa indica un amminoacido idrofilo (affinità con acqua, idrosolubile, polare)
• Energia libera positiva indica un amminoacido idrofobo (meno solubile in acqua, apolare)
• Gli amminoacidi si possono classificare in base all'idrofobia o idrofilia della catena laterale, quindi catena laterale idrofoba oppure catena laterale idrofila.

Glicina

• La glicina non può essere classificata perchè ha valore di energia libera pari a zero.
• Può essere indicata con la sigla a tre lettere Gly oppure con una sola lettera G.
• È l'unico tra i 20 amminoacidi a non essere L o D, quindi a non essere una molecola chirale.
• Il suo gruppo R formato solo da H impedisce l'asimmetria del carbonio centrale, pertanto non esiste la D-glicina o la L-glicina.
• Non si può definire ne idrofila ne idrofoba

Amminoacidi con catena laterale apolare/idrofoba

• Si dividono in alifatici e aromatici
• Tra gli alifatici: Alanina
  • La catena laterale è un gruppo metile CH3 che non crea legami a idrogeno
• Prolina
  • La catena laterala, con tre gruppi CH2, si lega al gruppo amminico formando una struttura ciclica.
  • Ciò significa che non è più NH3+ ma NH2+o se è deprotonata NH

Amminoacidi alifatici con catena laterale ramificata

• Valina
  • Legato al carbonio α c'è un carbonio β a cui si legano due gruppi metilici CH3 e la ramificazione parte da quest'ultimo.
• Leucina
  • Simile alla valina, ma più lunga e con la ramificazione che parte dal carbonio gamma
• Isoleucina
  • Isomero della leucina con la ramificazione che parte dal carbonio β.
  • Le catene laterali di queste molecole sono nettamente idrocarburiche, per cui apolari.
• Metionina
  • L'ultima tra gli amminoacidi apolari, presenta una catena lineare con un atomo di zolfo S ma senza influenza sulla polarità.

Amminoacidi con catena laterale aromatica

• Fenilanina
  • Con nella catena laterale un CH2 e un anello benzenico detto gruppo fenile
• Tirosina
  • Simile alla fenilanina ma con un ossidrile al posto di uno degli atomi di idrogeno sull'anello benzenico.
  • L'ossigeno potrebbe far pensare ad una molecola polare e idrofila in grado di formare legami a idrogeno, ma in realtà la componente aromatica è fortemente idrofoba, per cui risulterà meno apolare della fenilalanina ma comunque idrofoba.
• Triptofano
  • Con un gruppo indolo eterociclico legato al carbonio β.
  • Questo atomo di azoto all'interno dell'anello non è sufficiente a rendere idrofila la molecola.

Amminoacidi con catena laterale polare/idrofila

• Occorre distinguere tra quelli ionizzabili e non ionizzabili (senza caratteristiche acido-base)

Amminoacidi con catena polare non ionizzabile

• Serina
  • Sostituisce un atomo di idrogeno dell'alanina con un gruppo CH2-OH e il è in grado di formare legami a idrogeno con l'acqua.
• Treonina
  • Con carbonio in più e un gruppo metile e risulta il meno idrofilo tra gli amminoacidi polari.
• Asparagina
  • Il suo gruppo ammidico deriva dalla reazione tra acido carbossilico e ammoniaca.
  • L'NH2 inserito in un gruppo ammidico non può legare ioni H+ perché la parte carbonilica attrae la coppia di elettroni.
  • Formano bene legami a idrogeno sia l'ossigeno del carbonile che gli atomi di idrogeno dell'NH2, ma non ha la funzione ionizzante.
• Glutammina
  • Simile all'asparagina, ma con un CH2 in più
• Cisteina
  • Assomiglia alla serina, ma con uno zolfo che può formare legami a idrogeno e che è reattivo, sia da solo che con altri gruppi SH della cisteina stessa

Amminoacidi con catena laterale polare ionizzabile

• Si dividono in acidi e basici

Amminoacidi con catena laterale acida

• Acido aspartico
  • amminoacido con gruppo carbossilico nella catena laterale
  • spesso chiamato aspartato, per via della sua forma prevalente a pH neutro dove il gruppo carbossilico è in forma ionizzata
  • l'asparagina è l'ammide dell'acido aspartico
• Acido glutammico
  • chiamato glutammato, se nella sua forma ionizzata a ph neutro.
• La glutammina è l'ammide di questo acido.

Amminoacidi con catena laterale basica

• Lisina
  • Presenta una catena laterale di 4 CH2 e un legame al carbonio ϵ (epsilon) con un gruppo amminico in forma ionizzata a pH fisiologico.
• Arginina
  • Formata da una catena laterale con 3 CH2 e un gruppo guanidino con tre atomi di azoto e un atomo di carbonio legato ad un gruppo NH e due gruppi NH2 dove è impossibile stabilire il legame visto che la molecola è delocalizzata
  • É basica e la pKa raggiunge valori di circa 12,5
• Istidina
  • Presenta una catena laterale con CH2 ed è basico anche il suo anello aromatico, un eterociclico chiamato imidazolo con due atomi di azoto e tre di carbonio ma ha una pKa pari a 6 molto vicina al pH fisiologico
  • all'interno della catena presenta un valore che varia fino a raggiungere valori sempre più prossimi al pH fisiologico fino a passare dalla forma protonata a quella deprotonata
  • accetta e dona ioni ad un pH vicino a quello fisiologico
  • si trova spesso all'interno dei siti attivi degli enzimi giocando ruoli importanti nell'accettazione e donazione degli ioni H+

21esimo Amminoacido

• Selenocisteina (Sec, U)
  • Simile alla cisteina ma con il gruppo SeH al posto del gruppo SH.
  • La tripletta UGA viene inserita in queste sequenze e codifica il codone di stop diventando segnale di inserimento di una selenocisteina: un tRNA lega una serina che viene dopo trasformata in selenocisteina in proteine coinvolte nella antiossidazione dette seleno proteine

Ingobro Sterico

• L'ingombro sterico ha molta variabile e dipende sia dalle dimensioni della catena laterale che dal volume che occupa l'amminoacido

Amminoacidi Essenziali

• Tra i 20 che costituiscono le proteine 9 sono definiti essenziali perchè non possono essere sintetizzati dalle cellule ma dal nostro corpo tramite l'alimentazione
• Treonina e Metionina
  • Con una catena a 4 atomi di carbonio complessa
• Lisina
  • Gruppo amminico molto lontano e difficile da posizionare
• Valina, Leucina e Isoleucina
  • Catena Laterale Ramificata
  • Fenilalanina, Triptofano e Istidina
  • Anello Aromatico laterale

Reattività Amminoacidi

• Non sono reattivi ma dentro le cellule, in particolari condizioni, sono in grado di far avvenire una reazione di condensazione tra in gruppo carbossilico di un amminoacido e gruppo il amminico dell'amminoacido successivo con eliminazione di molecola d'acqua e che formano il legame peptidico
• La formazione di questo legame comporta la perdita delle due cariche del gruppo amminico e carbossilico e lungo questa catena troveremo questi gruppi solo all'inizio e alla fine perchè i gruppi sono legati a formare nuove strutture
• Si possono creare spontanee spontanea di gruppi SH tendono ad ossidardi, con perdita di ioni e formazione di legami disolfuro.
• Questo è chiamata Cistina
• Si possono formare basi di Schiff tra gruppo amminico reattivo laterale e gruppi aldeici.

Amminoacidi non Codificati

• Si trovano all'interno delle proteine ma derivano dalla modificazione di altri amminoacidi creando nuovi legami dopo che la proteina è già stata sintetizzata.
• Sono chiamate modificazioni post-traduzionali e possono essere sia irreversibili (nel collageno o nella miosina), oppure reversibili con funzione regolatoria come la forforilazione o la la metilazione.