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Gli amminoacidi

Gli amminoacidi. Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali più importanti nei sistemi viventi.

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Gli amminoacidi

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Presentation Transcript

  1. Gli amminoacidi

  2. Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali più importanti nei sistemi viventi. • Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di molecole: p. es. la catalisi delle reazioni metaboliche (enzimi), le difese immunitarie (immunoglobuline), il trasporto di ossigeno (emoglobina), il trasporto di nutrienti (albumina), il movimento(actina, miosina).

  3. Le proteine sono macromolecole costituite dall’unione di un grande numero di unità elementari: gli amminoacidi (AA) • Sebbene in natura esistano più di 300 amminoacidi, soltanto20sono incorporati nelle proteine dei mammiferipoiché sono gli unicicodificati dal DNA • La caratteristica strutturale comune a tutte le proteine è di essere dei polimeri lineari di amminoacidi • Ciascuna proteina ha però una propria struttura tridimensionale che la rende capace di svolgere specifiche funzioni biologiche

  4. Struttura degli amminoacidi • Ogni amminoacido (eccetto la prolina) possiede un carbonio centrale, chiamato carbonio a, al quale sono legati quattro differenti gruppi: • un gruppo amminico basico (-NH2) • un gruppo carbossilico acido (-COOH) • un atomo di idrogeno (-H) • una catena laterale, diversa per ciascun amminoacido (-R)

  5. Gli aminoacidi Anatomia di un amminoacido. Ad eccezione della prolina e dei suoi derivati, tutti gli amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine possiedono questo tipo di struttura.

  6. Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno l’atomo di carbonio a legato a quattro gruppi diversi: il carbonio a (asimmetrico) è quindi un centro chiralico o otticamente attivo • Gli amminoacidi che hanno un centro asimmetrico nel carbonio a possono esistere in due forme speculari(D ed L) dette stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri • Le proteine contengono solo L- amminoacidi

  7. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

  8. Quando un amminoacido viene sciolto in H2O diventa uno ione dipolare (zwitterione) che può agire sia come acido (donatore di protoni) che come base (accettore di protoni) Le sostanze che hanno questa doppia natura si definiscono anfòtere o anfoliti. Al pH fisiologico (valore attorno a 7,4) tutti gli amminoacidi hanno: • il gruppo carbossilico dissociato, si forma lo ione negativo carbossilato (-COO-) • il gruppo amminico protonato (-NH3+)

  9. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

  10. Oltre alla parte funzionale, comune a tutti, ogni amminoacido presenta un gruppo -R proprio • La natura del gruppo -R conferisce proprietà diverse a ciascun amminoacido • Punto isoeletrico (pI): è il valore di pH al quale un amminoacido ha carica netta 0 cioè è elettricamente neutro Il pI è una caratteristica di ogni singolo amminoacido

  11. Nelle proteine quasi tutti i gruppi carbossilici e amminici degli amminoacidi sono uniti in legami peptidici • Le proprietà di ciascun amminoacido dipendono dalle catene laterali (-R) che sono i gruppi funzionali responsabili della struttura, delle funzioni e della carica elettrica delle proteine • Ciò che sostanzialmente determina il ruolo di un amminoacido in una proteina è la natura della catena laterale (-R)

  12. Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà delle loro catene laterali (-R),considerando la loro polarità o non polarità al pH fisiologico e quindi la tendenza ad interagire con l’acqua • Gli amminoacidi con catene laterali cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie delle proteine • I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all’interno delle proteine, protetti dal contatto con l’acqua

  13. Amminoacidi con gruppi -R alifatici (non polari) • Glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina. • Le loro catene laterali sono costituite da una catena idrocarburica satura: sono idrofobici. • La metioninaè uno dei due amminoacidi contenenti zolfo. • La prolina ha una caratteristica struttura ad anello, formato dalla catena laterale e dal suo gruppo amminico, e differisce dagli altri amminoacidi perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R’). E’ solo moderatamente polare.

  14. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

  15. Amminoacidi con gruppi -R aromatici • Fenilalanina, tirosina, triptofano • Le loro catenelaterali sono aromatiche • Sono relativamente non polari (idrofobici) • Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche • I gruppi -OH della tirosina ed NH del triptofano possono formarelegami a idrogeno

  16. Amminoacidi aromatici Non polare ionizzabile Non polare

  17. Amminoacidi con gruppi -R polari, non carichi • Serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina • Sono polari ma in condizioni fisiologiche sono privi di carica elettrica. • I loro gruppi -R sono più idrofilici di quelli degli AA non polari: contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l’acqua. • La polarità di serina e treonina è dovuta al gruppo ossidrilico (-OH), quella della cisteina al gruppo sulfidrilico (-SH), quella di asparagina e glutammina ai gruppi ammidici (-CONH2), dove sia la porzione carbonilica che quella amminica possono entrare in gioco.

  18. Amminoacidi con gruppi -R carichipositivamente (basici) • Lisina, arginina, istidina • Sono accettori di protoni • Le loro catene laterali, contenenti gruppi amminici, a pH fisiologico sono ionizzate ed hanno carica positiva • L’istidina è debolmente basica (pKa = 6,0) ed a pH fisiologico l’amminoacido libero è in gran parte non ionizzato; quando si trova incorporata in una proteina può recare una carica positiva o essere neutra (proprietà molto importante!)

  19. Struttura degli amminoacidi

  20. H Amminoacidi polari con carica Si dispongono all’esterno della molecola proteica a contatto con il solvente *

  21. Amminoacidi con gruppi -R carichi negativamente (acidi) • Acido aspartico, acido glutammico. • Sono donatori di protoni. • I gruppi carbossilici delle loro catene laterali, al pH fisiologico, sono ionizzati ed hanno carica negativa.

  22. PROTEINE ACIDE E BASICHE Le proteine nelle quali il rapporto: (lys + arg ) / (asp + glu ) >1 sono basiche. Quando tale rapporto (lys + arg ) / (asp + glu ) <1 sono acide.

  23. Struttura degli amminoacidi

  24. Amminoacidi con caratteristiche particolari

  25. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

  26. Dal punto di vista biochimico gli amminoacidi si possono classificare in: • Essenziali: quegli AA che una determinata specie non è in grado di sintetizzare (o li sintetizza in quantità non sufficienti *); - devono essere introdotti con la dieta - Phe, Val, Thr, Try, Ile, Met, Leu, Lys, His*, Arg* (* sono necessari nella dieta solo durante lo stadio giovanile di crescita) • Non essenziali: quegli AA che una determinata specie è in grado di sintetizzare.

  27. Glucogenici: tutti gli AA dal cui catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs e che quindi possono essere utilizzati per riformare glucosio (Asp, Glu, Asn, Gln, His, Pro, Arg, Gly, Ala, Ser, Cys, Met, Val). • Chetogenici: gli AA dal cui catabolismo otteniamo acetilCoA o acetoacetilCoA, che quindi non possono essere utilizzati per riformare glucosio (leucina e lisina). • Sia chetogenici che glucogenici: dal loro catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs, oltre che acetil CoA o acetoacetilCoA (Phe, Tyr, Trp, Ile, Thr).

  28. La struttura delle proteine

  29. Proteine globulari e fibrose Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali: proteine globulari e fibrose. Proteine globulari • Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare. • Contengono più tipi di struttura secondaria. • Le proteine globulari comprendono : enzimi, proteine di trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline, etc.

  30. Proteine Fibrose • Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti. • In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria. • Sono insolubili in H2O per la presenza di elevate [ ] di AA idrofobici. • Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche. • Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. a-cheratina, collageno).

  31. Proteine Fibrose e Globulari • Le proteine possono essere divise in due classi: Proteine Globulari Proteine fibrose

  32. Le Proteine Fibrose • Sono di origine animali, • insolubili in acqua, • Assolvono ruoli strutturali per lo più. • Si dividono in tre categorie: • le cheratine • i collageni • le sete Formano tessuti protettivi Formano tessuti connettivi Come i bozzoli dei bachi da seta

  33. Le Proteine Fibrose • Cheratine e collageni hanno strutture ad elica, • Le sete hanno struttura foglietto beta Gruppi apolari e ponti disolfuro tendono a conferire rigidità e insolubilità alle proteine fibrose.

  34. Sono solubili in acqua, di forma quasi sferica, Assolvono funzioni biologiche. Possono essere: Enzimi Ormoni Proteine di trasporto Proteine di deposito Le Proteine Globulari

  35. Le Proteine Globulari • Contengono amminoacidi con catene polari e carichi, • Sono strutture elicoidali. Mioglobina, proteina globulare che trasporta l’ossigeno nei muscoli. Le interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R, e alla capacità di formare legame ad idrogeno.

  36. Proteina molecole composte da una o più catene polipeptidiche Proteine monomeriche Proteine multimeriche eteromultimeriche omomultimeriche (stesso tipo di polipeptide) (diversi tipi di polipeptidi)

  37. Le proteine Fondamentali in ogni organismo, hanno molteplici ruoli: • Componenti strutturali (collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle) • Trasportatori (emoglobina, albumina) • Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici) • Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi) • Difesa contro i patogeni (immunoglobuline) • Controllo e regolazione dell’espressione genica (istoni) • Deposito di materiale (ferritina) • Proteine dei sistemi contrattili (miosina) Es. Albumina: aumenta solubilita’ degli acidi grassi nel sangue Istoni: proteine nucleiche, formano la cromatina insieme al DNA

  38. Molte malattie sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme amiloidi): Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II. In altri casi mutazioni puntiformi generano proteine che non raggiungono la loro locazione finale o che non sono più in grado di svolgere la loro funzione perché incapaci di legare i loro substrati. Fibrosi cistica: difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: 1480 amminoacidi). La mutazione più comune è la delezione di un amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si avvolge correttamente.

  39. I 20 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine sono uniti l’uno all’altro da legami peptidici. • La sequenza lineare degli amminoacidi legati contiene l’informazione necessaria a generare una proteina con una forma tridimensionale esclusiva. • La struttura di una proteina è complessa: organizzazione in 4 livelli gerarchici (struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria).

  40. Gli amminoacidi possono unirsi tra loro con legami peptidici Estremità amminica Il ripetersi di questa reazione dà luogo a polipeptidi e proteine.

  41. R R O O H H C C C C N N H H OH OH O H H R R O C N C C C H N H H H OH H + Proprieta’ del legame peptidico: Planare, ha una forza intermedia tra il legame semplice ed il legame doppio.

  42. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

  43. PROPRIETA’ DEL LEGAME PEPTIDICO • I 6 atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano  l’ossigeno legato al carbonio del gruppo carbonilico e l’atomo di idrogeno legato all’azoto amminico, si trovano in trans. • L’ossigeno carbonilico ha una parziale carica negativa e l’azoto amminico ha una parziale carica positiva  ciò genera un parziale dipolo elettrico. • I legami ammidici C-N hanno un parziale carattere di doppio legame per effetto della risonanza non possono ruotare liberamente. • La rotazione è permessa solo attorno ai legami N-Ca e Ca-C. Il legame peptidico è rigido e planare Gli atomi di Ca di amminoacidi adiacenti sono separati da tre legami covalenti: Ca – C – N – Ca

  44. Il legame peptidico è rigido e planare • e  sono di 180° quando il polipeptide è nella conformazione complanare estesa e tutti i gruppi peptidici sono sullo stesso piano. • e  possono assumere tutti i valori compresi tra -180° e +180°, ma molti valori risultano proibiti per interferenze steriche tra gli atomi dello scheletro del polipeptide e quelli delle catene laterali.

  45. peptidi, polipeptidi e proteine energia di legame 100 Kcal/mol gli aminoacici sono uniti tra loro da legami peptidici • non vengono rotti con l’ebollizione, ma solo conl’azione prolungata di acidi o basi concentrate • gli enzimi proteolitici sono in grado di rompere talilegami esistono sequenze lunghe da pochi aminoacidi a migliaia di aminoacidi con peso molecolare da 5 a 1000 KDalton (1 Dalton = 1/12 massa 12C) # aminoacidi peptide (oligopeptide) <20 polipeptide <60 proteina >60

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