PDF Chimica 2 #2 - Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione - PDF

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Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 1 a 13 Chimica 2 #2 Gli amminoacidi Prof. De Curtis – 12/12/2023– Autori: Aron Faustle ed Edoardo Bianchi – linea Verde 2029 DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE Il processo di formazione di una proteina a partire dal DNA è un flusso unidirezionale, cioè non reversibile, che prevede la trascrizione di un gene in mRNA e poi tramite il tRNA la sua traduzione in una proteina. La proteina formata, come sequenza lineare di amminoacidi (STRUTTURA PRIMARIA), assume struttura tridimensionale (TERZIARIA) a seguito del ripiegamento, detto FOLDING. GLI AMMINOACIDI Funzioni Gli amminoacidi sono le unità monomeriche che costituiscono le catene polipeptidiche delle proteine. Questa, tuttavia, non è l’unica funzione degli amminoacidi, che sono anche: - importanti metaboliti, responsabili della produzione di energia nei processi metabolici - la base per la costruzione di importanti molecole, che sono derivati degli amminoacidi. (Ad esempio, derivato dell’amminoacido glutammato (Glu, E) per decarbossilazione è l’acido gamma amminobutirrico GABA, uno dei principali inibitori del sistema nervoso. Il glutammato è anche il principale agente che stimola i neuroni eccitatori del sistema nervoso.) Struttura Gli amminoacidi contengono un gruppo amminico -NH2 e un gruppo carbossilico -COOH. Tra i 20 amminoacidi esistenti, 19 di questi hanno il gruppo amminico primario con la sola eccezione della prolina (Pro, P), formata da un’ammina secondaria poiché l’azoto si lega alla catena laterale formando un imminoacido. In tutti gli amminoacidi, infatti, oltre ai due gruppi funzionali sopra citati (NH2 e COOH) è sempre legato al carbonio centrale anche un idrogeno (H). La variabile degli amminoacidi, cioè il gruppo atomico che li distingue l’uno dall’altro alterando sia le sue proprietà chimiche sia le sue funzioni biologiche, è la catena, o residuo, laterale (R). In ambiente fisiologico, a pH = 6,8/7 in quello intracellulare e pH=7,4 in quello extracellulare, l’amminoacido si presenta in forma zwitterionica (dal tedesco zwitter che significa “tutti e due” riferendosi alla contemporanea presenza sia di una carica positiva sul gruppo amminico, protonato a 𝑁𝐻!" sia di una carica negativa su quello carbossilico deprotonato a 𝐶𝑂𝑂# ). Quando la catena laterale R non ha carica, la carica globale dell’amminoacido in forma zwitterionica è quindi zero. Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 2 a 13 Caratteristiche di R, la catena laterale variabile da amminoacido ad amminoacido: -dimensione (dalla più piccola nella glicina alla più grande nel triptofano. Dalla dimensione di R dipende l’ingombro sterico, rilevante per il folding della proteina) -carica (alcune catene laterali sono neutre, altri sono cariche e influenzano il comportamento degli amminoacidi come si evince dalle curve di titolazione) -idrofobicità (propria delle catene R apolari, che tendono ad essere poco solubili in acqua) -reattività (*si veda “reazioni degli amminoacidi”) -capacità di formare ponti H (che aumenta la solubilità degli amminoacidi in acqua) Rappresentazioni di amminoacidi: -Proiezioni di Fisher -Forma pseudotridimensionale (la linea tratteggiata indica il legame che si allontana e va sotto il piano, la linea spessa indica il legame che si avvicina verso l’osservatore e va sopra il piano, mentre le due linee normali indicano legami sullo stesso piano.) Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 3 a 13 NOMENCLATURA: Gli amminoacidi che noi studiamo e dobbiamo conoscere sono tutti alfa-amminoacidi, ovvero hanno sia il gruppo carbossilico sia quello amminico legati allo stesso carbonio centrale. Esistono, tuttavia amche i beta-, gamma-… amminoacidi. Esistono due nomenclature per i venti amminoacidi: una a tre lettere e una seconda a una sola lettera. PER L’ESAME È RICHIESTO SAPERE I NOMI E LE ABBREVIAZIONI DEI 20 AMMINOACIDI, LE PRINCIPALI PROPRIETA’ E DI RICONSCERNE (NON DISEGNARNE) LA STRUTTURA. STEREOSIOMERIA Gli amminoacidi hanno una struttura tetraedrica e sono molecole chirali contenendo un Cα legato a 4 sostituenti diversi (in 19 casi con l’eccezione della Glicina che contiene due H). Per questo motivo, esistono due conformazioni per ogni amminoacido, dette stereoisomeri (o enantiomeri, quando i due amminoacidi sono uno l’immagine speculare dell’altro). Per gli amminoacidi utilizzati nelle funzioni biologiche e in ogni processo fisiologico si usa la conformazione L. Si tratta quasi sempre di α-L-amminoacidi. Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 4 a 13 CLASSIFICAZIONE DEI 20 AMMINOACIDI La classificazione degli amminoacidi in sottogruppi avviene in base alla catena laterale R (le proprietà chimiche e le caratteristiche di R sono quelle poi assunte da tutto l’amminoacido). Una prima generale distinzione in macrogruppi può essere fatta tra amminoacidi POLARI e APOLARI. Gli amminoacidi polari includono a loro volta una divisione in sottogruppi tra amminoacidi neutri e amminoacidi carichi, negativamente se acidi, positivamente se basici. In tutto vi sono quindi: -GLI AMMINOACIDI POLARI NEUTRI sono caratterizzati da una R su cui non vi sono cariche. Siccome all’interno di uno stesso gruppo le caratteristiche di R sono simili, alcune proprietà sono condivise da tutti gli amminoacidi del gruppo. Gli amminoacidi polari possono formare PONTI H rendendo l’amminoacido pi solubile in acqua. Vi sono 6 amminoacidi di questo gruppo: 3 (Serina, Treonina e Tirosina) contengono un gruppo idrossilico –OH, la cisteina ha un gruppo tiolico –SH, mentre gli ultimi due (Asparagina e Glutammina) presentano un gruppo ammidico. Serina e Treonina sono molto simili tra loro, e da questo deriva la condivisione di molte proprietà e caratteristiche come, ad esempio, la O-glicosilazione a cui vanno incontro legando il gruppo –OH a degli zuccheri. La tirosina è, invece, completamente diversa. Asparagina e Glutammina, neutri, derivano da Aspartato e Glutammato con la differenza che quest’ultimi sono amminoacidi carichi. La cisteina ha caratteristiche idrofobiche a causa del –CH2. Inoltre, il gruppo tiolico SH è molto reattivo e può formare ponti disolforici, ma solo in ambiente extracellulare perché è necessario un ambiente ossidante (all’interno della cellula non può avvenire perché l’ambiente è riducente). Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 5 a 13 -AMMINOACIDI POLARI BASICI hanno una carica positiva sulla catena laterale. Sono tre: Lisina e Arginina, che hanno basicità maggiore e a ph 7 si presentano quasi del tutto protonati, e infine l’Istidina, che a pH fisiologico ha soltanto il 10% protonato essendo una base più debole. Questa differente capacità di protonarsi, in un caso quasi totalmente, nell’altro in minima parte, dipende dalle diverse pKa. -AMMINOACIDI POLARI ACIDI a pH fisiologico sono carichi negativamente sulla catena laterale. Ve ne sono due: aspartato e glutammato (chiamati così anziché acido aspartico ed acido glutammico perché in ambiente fisiologico si trovano quasi sempre in forma deprotonata, ionizzata). -AMMINOACIDI NON POLARI sono caratterizzati da una catena R idrofobica e apolare, che può essere aromatica, e allora la struttura è ciclica, oppure alchilico, quando la struttura di R è lineare o ramificata. Questi amminoacidi ricoprono un ruolo particolarmente importante nel folding delle proteine, grazie alle interazioni idrofobiche tra le catene apolari. Gli amminoacidi aromatici sono Fenilanalina e Triptofano (l’amminoacido più grande). Quelli alchilici sono Glicina (il più piccolo, con R rappresentato da H), Alanina, Valina, Leucina ed Isoleucina (ultimi due tra di loro isforme). Infine, vi sono metionina (contenente Zolfo) e Prolina (amminoacido particolare caratterizzato da un’ammina secondaria dovuta alla chiusura ad anello della catena laterale sul gruppo amminico a formare un imminoacido) Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 6 a 13 PROPRIETA’ DEGLI AMMINOACIDI: - CHIRALITA’: presentano stereoisomeria, si usa la conformazione L. - SOLUBILITA’: come visto, si distinguono in polari (facilmente solubili grazie alla possibilità di formare PONTI H) e apolari (idrofobici e con solubilità minore). In ambiente fisiologico, le concentrazioni di amminoacidi in soluzioni sono talmente piccole (dell’ordine millimolare) che questa differenza ha poca importanza. Sia gli amminoacidi polari che quelli apolari si sciolgono entrambi in acqua. La differente solubilità comincia a manifestarsi in laboratorio, quando vengo messe in soluzione concentrazioni ben maggiori di amminoacidi. Nel FOLDING delle proteine la diversa solubilità gioca un ruolo importante (interazioni idrofobiche ad esempio). - si comportano come ACIDI e come BASI deboli (sono sostanze ANFOTERICHE): il comportamento acido o basico, la carica e le proprietà di un amminoacido variano al variare del pH. Lo stato di ionizzazione dell’amminoacido (se sia protonato e quindi basico oppure deprotonato e quindi acido) in funzione del pH è descritto da un grafico, la curva di titolazione. LA CURVA DI TITOLAZIONE L’amminoacido va considerato come una popolazione di molecole caratterizzate da dinamicità, ovvero possibilità di un continuo interscambio delle singole molecole che, tuttavia, non varia lo stato totale dell’amminoacido. Quello che varia lo stato totale dell’amminoacido è una variazione del pH. Il grafico mostra come a pH fisiologico, intorno alla neutralità, il gruppo carbossilico sia deprotonato diventando 𝐶𝑂𝑂! mentre il gruppo amminico sia protonato diventando 𝑁𝐻!". Perciò, quando R non ha carica, la carica netta dell’amminoacido a pH fisiologico è zero. Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 7 a 13 Il punto isoelettrico è il punto del grafico in cui l’amminoacido è totalmente in forma zwitterionica e la carica netta è uguale a 0. La media tra le pKa dei vari gruppi ionizzabili dell’amminoacido (solo COOH ed NH2 se R è neutra) dà come risultato il punto isoelettrico. - se pH < pI --> l’amminoacido avrà una carica netta positiva poiché diminuendo il pH, l’amminoacido si protona. - se pH > pI --> l’amminoacido avrà una carica netta negativa poiché aumentando il pH, l’amminoacido si deprotona. Le tre curve sul grafico (rosa, azzurra e verde) mostrano che a pH 0 entrambi i gruppi sono nella forma protonata; man mano che il valore del pH aumenta si assiste a una progressiva deprotonazione del gruppo carbossilico. Intorno al pH 2 le curve rosa e azzurra si incontrano e il punto di intersezione indica che metà della popolazione dell’amminoacido è ancora protonata, mentre l’altra metà è in forma zwitterionica. Aumentando ancora il pH si passa al punto isoelettrico (pI), in cui tutta la popolazione di molecole è in forma zwitterionica, e quando l’ambiente diventa basico ha inizio la progressiva deprotonazione. Esempi: 1) catena laterale R neutra, la GLICINA: Siccome sono solo due i gruppi ionizzabili, consideriamo due sole pKa. Al massimo della protonazione, la glicina ha un protone in più. Se immaginiamo di spostarci lungo la curva di pH verso valori maggiori, togliendo protoni dalla soluzione (come abbassiamo la concentrazione di protoni 𝐻" ? Aumentando la concentrazione di OH! ), abbiamo la perdita del protone dal primo acido, quello che ha la pk più piccola. Salendo con il pH, arriviamo al valore di pk2, il punto in cui l’amminoacido inizia a perdere anche il secondo protone e ad arrivare dalla forma zwitterionica, a quella completamente deprotonata. La curva si appiatisce nelle zone tampone, intorno alle pKa, perché l’azione tamponante limita la variazione di pH, mentre fuori dale zone tampone la curva cresce linearmente. Tra I gruppi ionizzabili, i primi a deprotonarsi sono gli acidi più forti perché hanno una pKa più bassa Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 8 a 13 Le regioni intorno ai pKa sono quelle in cui l’amminoacido he potere tamponante, detta zona tampone. I valori della curva di titolazione variano da amminoacido ad amminoacido, ma per tutti quelli con R neutra, l’andamento è all’incirca lo stesso della glicina. A seconda del ph, l’amminoacido varia la propria carica netta, e quindi le sue proprietà e caratteristiche. 2) Catena laterale R contenente un gruppo ionizzabile basico, l’ISTIDINA: In questo caso, non bastano due valori di pK e abbiamo 3 coppie acido-base coniugata, ovvero tre zone tampone. La pk1 sarà sempre intorno al 2 ed è relativa all’acido COOH; la pk2 (definita anche come pKr, cioè del residuo laterale) avrà un valore intermedio tra la pk1 riferita all’acido a-carbossilico e la pk3, relativa al gruppo a-amminico. Nella curva ci sono tre punti di flesso: il primo è diverso perché c’è l’influenza della catena laterale, il secondo punto di flesso è intorno a 6 e il terzo intorno a 9. Il punto isoelettrico lo andiamo a cercare tra il pk2 e il pk3 perché è in questo punto che la carica netta è uguale a zero. In tutto abbiamo quattro diverse forme dell’amminoacido (da quella completamente protonata, a quella zwitterionica, fino a quella completamente deprotonata). 3) Catena laterale R acida, l’ASPARTATO: Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 9 a 13 A pH fisiologico, l’acido aspartico si presenta come aspartato perché contiene entrambe le COO # in forma deprotonata. Infatti il suo punto isoelettrico, in cui la carica netta è zero, è intorno a 2,7. L’ELETTROFORESI L’elettroforesi (da “elettro”: cariche legate agli atomi; e “foresi”: movimento; dunque movimento legato alle cariche delle molecole) è una tecnica utilizzata per isolare amminoacidi, proteine o frammenti di DNA. La mobilità di uno ione nell’elettroforesi dipende quindi dalla carica: le molecole cariche positivamente (cationi) migrano verso l’elettrodo negativo (catodo). Viceversa le molecole cariche negativamente (anioni) migrano verso l’elettrodo positivo (anodo). Le molecole neutre non migrano. Nel caso in cui due molecole abbiano la stessa carica, queste si possono distinguere l’una dall’altra grazie alla massa: una molecola più piccola è infatti più veloce di una molecola più complessa e di conseguenza percorrerà più strada, distinguendosi dalla seconda. Per eseguire l’elettroforesi è necessario disporre di: un supporto solido, che può essere carta o gel di acrilammide per le proteine e gli amminoacidi, oppure gel di agarosio per il DNA e l’RNA; un catodo e un anodo; due spazi appositi nei quali mettere gli elettrodi all’interno di una soluzione. ESEMPIO ELETTROFORESI SU CARTA DI AMMINOACIDI: facendo attenzione a immergere le estremità del foglio di carta nella soluzione in cui si trovano i due elettrodi (in modo che questo si inzuppi), si disponga una miscela di due amminoacidi, glicina e cisteina, avente pH 5,5 al centro di questo. Una volta accesi gli elettrodi la glicina, carica positivamente (pI = 6), si muoverà verso il catodo, mentre la cisteina, carica negativamente (pI = 5), si muoverà verso l’anodo. Passato un po' di tempo si potranno distinguere sulla carta le due popolazioni di amminoacidi ben distinte. G C G C G C G C G C G C Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 10 a 13 REAZIONI DEGLI AMMINOACIDI Di seguito si vedranno velocemente alcune reazioni degli amminoacidi. I gruppi funzionali -NH2 e COOH possono reagire. Per esempio -NH2 può effettuare reazioni di sostituzione grazie al doppietto elettronico libero, che fa comportare il gruppo amminico da nucleofilo. Oltre a queste interazioni gli amminoacidi apolari non compiono altre reazioni (eccezion fatta per la prolina, che può essere idrossilata) poiché possiedono gruppi funzionali inerti in ambiente biologico, a differenza degli amminoacidi polari. Questi avendo gruppi funzionali reattivi possono fare diverse reazioni: - Fosforilazione: aggiunta di un gruppo fosfato al gruppo -OH di un residuo di serina, treonina o tirosina a dare un estere fosforico – – serina fosfo-serina - O-glicosilazione: aggiunta di uno zucchero sul gruppo -OH di un residuo di serina o treonina Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 11 a 13 - N-glicosilazione: aggiunta di uno zucchero sul gruppo -NH2 di un residuo di asparagina - Decarbossilazione del glutammato: perdita di uno dei due gruppi COOH del glutammato per produrre GABA (un neurotrasmettitore) glutammato GABA - Acetilazione della lisina: attacco del gruppo acetile (CH3-C=O) al gruppo -NH2 della lisina. È un processo importante per assemblare e disassemblare la cromatina Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 12 a 13 Altre reazioni importanti: - Idrossilazione della prolina: aggiunta di un gruppo -OH sull’anello ciclico della prolina. Utile per la formazione del collagene prolina idrossi - prolina - Ossidazione della cisteina: importante per la formazione dei ponti disolfuro Chimica 2 #2 – Prof De Curtis – Gli amminoacidi: struttura, nomenclatura, classificazione, proprietà, forma e separazione per elettroforesi. Pag. 13 a 13 Per finire ci sono 20 amminoacidi, di cui 11 NON ESSENZIALI -ossia che possono essere sintetizzati dal nostro organismo- e 9 ESSENZIALI, che il nostro organismo non può sintetizzare e che dobbiamo assumere con la dieta. Questi ultimi sono: - istidina (His) - isoleucina (Ile) - leucina (Leu) - lisina (Lys) - metionina (Met) - fenilalanina (Phe) - treonina (Thr) - triptofano (Trp) - valina (Val)