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Aldo Galeone » 17.Amminoacidi e proteine

Proteine: funzioni principali

La struttura (collagene e cheratina).
La catalisi (enzimi).
Il movimento (miosina ed actina).
Il trasporto (emoglobina e proteine di membrana).
La protezione (anticorpi).

Struttura degli amminoacidi

Un amminoacido è un composto che contiene sia un gruppo carbossilico che un gruppo amminico. Dal punto di vista biologico i più importanti sono gli α-amminoacidi perchè sono i monomeri di cui sono costituite le proteine. La comune rappresentazione della formula di un amminoacido è quella a sinistra. Tuttavia, poiché all’interno della stessa molecola è presente un gruppo acido e un gruppo basico che reagiscono tra loro, è più corretta la rappresentazione a destra come sale interno (zwitterione). Per questo motivo gli amminoacidi hanno proprietà molto simili a quelle dei sali.

Un α-amminoacido

Struttura degli amminoacidi

A parte la glicina (H₂NCH₂COOH) tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine posseggono almeno uno stereocentro e perciò sono chirali. In figura sono rappresentati i due enantiomeri dell’alanina. Analogamente ai carboidrati, viene definita una serie D (gruppo –NH2 a destra nella proiezione di Fischer) e una serie L (gruppo –NH₂ a sinistra nella proiezione di Fisher). Tuttavia gli α-amminoacidi naturali sono quasi sempre della serie D, a differenza della stragrande maggioranza dei carboidrati che, invece, appartengono alla serie L.

Gli amminoacidi proteici

Nelle proteine sono presenti 20 tipi di amminoacidi che possono essere suddivisi in quattro categorie a seconda del tipo di catena laterale (R): 1) catena laterale non polare; 2) catena laterale polare; 3) catena laterale acida; 4) catena laterale basica. Tutti i 20 amminoacidi proteici sono α-amminoacidi (il gruppo amminico è localizzato sul carbonio in α al gruppo carbossilico).

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Amminoacidi con catene laterali non polari

La prolina è l’unico amminoacido il cui gruppo amminico è secondario. A parte la glicina, il carbonio α degli amminoacidi è uno stereocentro. L’isoleucina e la treonina contengono un secondo stereocentro con possibilità di quattro stereoisomeri ciascuno. Tuttavia uno solo di essi è presente nelle proteine.

Amminoacidi con catene laterali polari

Amminoacidi con catene laterali acide o basiche

Il gruppo sulfidrilico (-SH) della cisteina, quello dell’imidazolo dell’istidina e l’ossidrile fenolico della tirosina risultano essere parzialmente ionizzati a pH 7.0, ma la forma ionica non è quella più abbondante a pH neutro.

Catene laterali acide

Catene laterali basiche

Alcuni altri L-amminoacidi comuni

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi

Il valore medio del pKa di un gruppo α-carbossilico di un amminoacido protonato è 2.19. Quindi questo gruppo acido risulta notevolmente più forte dell’acido acetico (pKa 4,76). Questa maggiore acidità è dovuta all’effetto induttivo elettron-attrattore del gruppo adiacente -NH₃⁺. Per lo stesso motivo anche i gruppi carbossilici in catena laterale dell’acido aspartico e dell’acido glutammico protonati risultano essere più forti dell’acido acetico. Tuttavia l’effetto induttivo diminuisce con l’aumentare della distanza del –COOH dal gruppo ammonio.

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi: basicità del gruppo guanidinico dell’arginina e del gruppo imidazolico dell’istidina

Il gruppo guanidinico della catena laterale dell’arginina è una base considerevolmente più forte di un’ammina alifatica. Questa notevole basicità è dovuta alla grande stabilizzazione per risonanza della forma protonata rispetto a quella neutra. Nell’istidina la coppia di elettroni presente su un azoto dell’anello imidazolico non fa parte del sestetto aromatico. Questa coppia di elettroni è responsabile delle proprietà basiche dell’anello imidazolico poiché la protonazione di questo azoto forma un catione stabilizzato per risonanza.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Valori del pKa dei gruppi ionizzabili degli amminoacidi

Titolazione degli amminoacidi: curva di titolazione della glicina

Il valori di pKa dei gruppi ionizzabili degli amminoacidi si possono ottenere con una titolazione acido-base, misurando il pH della soluzione in funzione della base aggiunta. Per esempio, consideriamo una soluzione di glicina contenente 1 mole, alla quale è stata aggiunta una sufficiente quantità di acido forte in modo che tutti i gruppi siano completamente protonati. Questa soluzione viene trattata con NaOH. Il volume di base aggiunta e il pH vengono registrati e messi in grafico.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Punto isoelettrico

Tramite le curve di titolazione si può determinare anche il punto isoelettrico, pI, di un amminoacido che corrisponde al valore di pH al quale la maggioranza delle molecole in soluzione ha carica netta zero. Per la glicina il punto isoelettrico cade a metà strada tra i valori dei due pKa dei gruppi carbossilico e ammonio. A pH = 6.06 la forma predominante è lo zwitterione con carica netta zero. La conoscenza del valore del punto isoelettrico di un amminoacido (o anche di una proteina) permette di stimare la sua carica elettrica media a qualunque valore di pH.

Polipeptidi e proteine: il legame peptidico

Le proteine sono costituite da lunghe catene di amminoacidi tenuti insieme da legami ammidici tra il gruppo α-carbossilico di uno col gruppo α-amminico di un altro. Questi legami prendono il nome di legami peptidici.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Classificazione di polipeptidi e proteine

Struttura primaria di polipeptidi e proteine

La struttura 1° di un polipeptide o una proteina rappresenta la sequenza di amminoacidi lungo la catena polipeptidica. In questo senso la struttura 1° è la descrizione completa di tutti i legami covalenti. Per convenzione una sequenza di amminoacidi viene scritta incominciando da sinistra con l’amminoacido con il gruppo –NH₂ libero (amminoacido N-terminale) e procedendo verso destra fino all’amminoacido col gruppo –COOH libero (amminoacido C-terminale). Può essere usato sia il codice degli amminoacidi a tre lettere che quello ad usa sola lettera.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Geometria del legame peptidico

Il legame peptidico è planare: l’azoto, il gruppo carbonilico e i due carboni α giacciono sullo stesso piano. Per spiegare questa geometria il legame peptidico può essere meglio rappresentato come un ibrido di risonanza tra le strutture (1) e (2) in cui sia il carbonio carbonilico che l’azoto sono ibridati sp².

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Geometria del legame peptidico

A causa del parziale carattere doppio del legame tra carbonio e azoto non vi è libera rotazione intorno ad esso. Ciò implica che per gli atomi di un legame peptidico sono possibili due configurazioni. Nella prima i due carboni in a sono cis l’uno rispetto all’altro, mentre nella seconda i due carboni sono in trans. Quest’ultima configurazione è favorita perchè i carboni in α, con i gruppi ingombranti ad esso legati, si trovano più lontani tra loro. Praticamente tutti i legami peptidici delle proteine esaminate fino ad oggi posseggono una configurazione trans.

cis. Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSESl

trans. Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Struttura secondaria di una proteina

La struttura 2° descrive le sistemazioni ordinate (conformazioni) assunte dagli amminoacidi in particolari regioni di un polipeptide o di una proteina. Nelle conformazioni più stabili tutti gli atomi del legame peptidico giacciono sullo stesso piano e vi sono legami idrogeno tra l’N-H di un legame peptidico e il C=O di un altro.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

La conformazione ad α-elica

In una conformazione ad α-elica la catena polipeptidica è avvolta ad elica intono ad un asse. L’elica è destrorsa e vi sono 3.6 amminoacidi per ogni giro d’elica. I legami peptidici sono planari e in configurazione trans con l’N-H che punta verso il basso ed il C=O verso l’alto. I legami idrogeno che stabilizzano questa struttura si stabiliscono tra due amminoacidi che distano 4 unità. Le catene laterali (R) puntano verso l’esterno dell’elica.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

La conformazione β a foglietto ripiegato

La conformazione β a foglietto ripiegato consiste di una catena polipeptidica distesa, con altre catene adiacenti che corrono i direzioni opposte (antiparallele). Tuttavia sono possibili anche disposizioni parallele. I legami peptidici sono planari e trans. I gruppi N-H e C=O puntano l’uno verso l’altro e giacciono sullo stesso piano in modo da formare legami idrogeno tra catene polipeptidiche adiacenti. Su ciascuna catena i gruppi –R si alternano verso l’alto e verso il basso.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Struttura terziaria di una proteina

La struttura 3° si riferisce al tipo di avvolgimento complessivo e alla sistemazione nello spazio di tutti gli atomi di una singola catena polipeptidica. I legami disolfuro giocano un ruolo importante nel mantenere la struttura 3°. Essi si formano tra le catene laterali di due unità di cisteina in seguito all’ossidazione dei loro gruppi tiolici (-SH) per formare un legame disolfuro. L’isulina umana è formata da due catene polipeptidiche tenute insieme da due legami disolfuro intracatena.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

La struttura terziaria della mioglobina

La figura rappresenta un modello “a nastro” della mioglobina. La catena amminoacidica è colorata in giallo mentre il gruppo eme è in rosso. Al centro di questo gruppo è presente un atomo di ferro (sfera bianca). Sono visibili diverse regioni della proteina che assumono la conformazione ad α-elica.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Struttura quaternaria di una proteina

Molte proteine con peso molecolare maggiore di 50000 Dalton sono costituite da due o più catene polipeptidiche non unite da legami covalenti. La sistemazione relativa di queste catene in una certa aggregazione molecolare è nota come struttura quaternaria. La figura rappresenta un modello “a nastro” dell’emoglobina. Questa consiste di due catene di 141 amminoacidi ciascuna, dette “α” (in porpora) e di altre due catene di 146 amminoacidi ciascuna dette “β” (in giallo). I quattro gruppi eme sono in rosso e gli atomi di ferro sono rappresentati come sfere bianche.