Appunti Biochimica - modulo 1

Le proteine

Le proteine mediano tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono un numero enorme di funzioni, e sono le macromolecole biologiche più abbondanti presenti in tutti i tipi di cellule.

Aminoacidi

Le proteine sono polimeri di aminoacidi in cui ogni residuo (poiché sono ionizzabili in acqua) amminoacidico è unito a quello vicino da uno specifico tipo di legame covalente. Tutti i 20 amminoacidi hanno un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico (-NH₂) legati allo stesso atomo di carbonio asimmetrico alfa (centro chirale), e differiscono l’uno dall’altro per la catena laterale chiamata gruppo R aventi differenti caratteristiche. Gli amminoacidi presentano due stereoisomeri (enantiomeri) che ruotano il piano della luce polarizzata. Gli amminoacidi sono presenti nella forma isomerica L nei composti biologici.

Titolazione acido-base

La titolazione acido-base comporta la graduale aggiunta o rimozione di protoni a gruppi funzionali ionizzabili (-COOH e -NH₂), titolati solitamente con una base forte. L’amminoacido ionizzato è chiamato zwitterione ed ha carica neutra.

• A pH acido entrambi i gruppi sono protonati (COOH, NH₃⁺) mentre
• A pH basico entrambi i gruppi sono deprotonati (-COO^-, NH₂).

Curva di titolazione della glicina

La glicina presenta 2 zone di potere tamponante in prossimità della pK₁ e pK₂ dei rispettivi gruppi ionizzati. A pH acido la glicina presenta entrambi i gruppi protonati con carica netta +1. Al punto isoelettrico, l’amminoacido presenta il gruppo carbossilico deprotonato e globalmente carica netta=0. A pH basico, entrambi i gruppi sono deprotonati e l’amminoacido assume carica netta -1.

Curva di titolazione di amminoacidi con gruppi laterali ionizzabili (glutammato)

• Gli amminoacidi che presentano un gruppo R ionizzabile presentano 3 zone di potere tamponante e pK distinte.
• Prima della titolazione tutti i gruppi sono protonati e l’amminoacido assume carica netta uguale a +1.
• Aggiungendo base forte, il gruppo carbossilico si deprotona e l’amminoacido assume carica neutra.
• A questo livello di pH, il gruppo della catena laterale si ionizza e l’amminoacido assume carica negativa -1.
• Ad elevate presenze di base, il gruppo amminico si deprotona e l’amminoacido assume carica netta uguale a -2.

Proprietà delle proteine

Le proprietà delle proteine sono determinate dalle catene laterali e in particolare:

• Se il pH > pI la proteina assume carica negativa
• Se il pH < pI la proteina assume carica positiva
• A pH = 7 gli amminoacidi con R basico portano carica + il contrario quelli che portano un gruppo R acido.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere classificati in cinque classi principali sulla base delle proprietà dei gruppi R laterali:

Gruppi R alifatici non polari

Questi amminoacidi possiedono catene laterali idrofobiche ed essi tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine stabilizzandone la struttura proteica, grazie alle interazioni idrofobiche.

• Glicina C₂H₅NO₂ (G, Gly) -> acido 2-ammino etanoico
  • Il gruppo laterale è formato da un singolo atomo di idrogeno e perciò è l’unico amminoacido achirale.
  • Il ridotto ingombro sterico del gruppo laterale implica che la glicina può essere inserita in molti spazi dove altri amminoacidi non possono essere inseriti poiché risultano molto ingombranti.
  • La glicina non è un amminoacido essenziale per l'uomo.
  • Pk₁=2,34, Pk₂=9.6, PI=5.97.
• Alanina C₃H₇NO₂ (A, Ala) -> acido 2(S)-amminopropanoico
  • Presenta un gruppo metile come catena laterale ed è il secondo amminoacido più piccolo dopo la glicina.
  • È un amminoacido apolare e presenta carattere anfotero.
  • È un amminoacido non essenziale.
  • Pk₁=2,35, Pk₂=9,87, PI=6,11.
• Prolina C₅H₉NO₂ (P, Pro) -> acido 2 (s)-pirrolidincarbossilico
  • Presenta un gruppo R laterale con un gruppo amminico secondario che si richiude in una struttura ciclica.
  • È un amminoacido apolare.
  • È un amminoacido non essenziale.
  • Pk₁=1,95, Pk₂=10.64, PI=6,3.
• Valina C₅H₁₁NO₂ (V, Val) -> acido 2-ammino-3-metilbutanoico
  • Presenta un gruppo isopropile come catena laterale R, rendendo l’amminoacido apolare e idrofobico.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,39, Pk₂=9,74, PI=6,00.
• Leucina C₆H₁₃NO₂
  • Presenta una catena laterale alifatica e ramificata formata da un gruppo isobutile che rende l’amminoacido idrofobico e apolare.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,36, Pk₂=9,60, PI=5,98.
• Isoleucina C₆H₁₃NO₂ (I, Ile) -> acido (2S, 3S)-2-3-metilpentanoico
  • Presenta una catena laterale alifatica formata da un gruppo sec-butile, ed è l’amminoacido più idrofobico.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,36, Pk₂=9,68, PI=6,02.
• Metionina C₅H₁₁NO₂S (M, Met) -> acido 2S-ammino-4-metilsolfanilbutanoico
  • Presenta una catena laterale R formata da un gruppo S-metiltioetere che rende l’amminoacido alifatico non polare.
  • È un amminoacido essenziale.
  • È coinvolta nella biosintesi della cisteina.
  • Pk₁=2,13, Pk₂=9,28, PI=5,74.
  • La metionina è il primo residuo incorporato nelle proteine e rappresenta la coda N-terminale di una catena polipeptidica, ed è codificata dal codone di inizio dell’RNA (AUG).

Gruppi R polari non carichi

I gruppi laterali di questi amminoacidi sono molto più solubili in acqua degli amminoacidi non polari perché contengono gruppi funzionali che formano legami a idrogeno con l’acqua. Essi vengono solitamente esposti all’esterno di una proteina per garantire le interazioni a idrogeno tra porzioni polipeptidiche. Serina e treonina sono in grado di legare un gruppo fosfato.

• Serina C₃H₇NO₃ (S, Ser) -> acido 2(S)-ammino-3-idrossipropanoico
  • Presenta una catena laterale formata da un gruppo ossidrile che rende l’amminoacido estremamente polare e solubile in acqua.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Il gruppo laterale può subire glicolizzazione e legare una molecola di glucosio.
  • Pk₁=2,19, Pk₂=9,21, PI=5,68.
• Treonina C₄H₉NO₃ (T, Thr) -> acido 2(S)-ammino-3(R)-idrossibutanoico
  • Presenta una catena laterale formata da un gruppo ossidrile che rende la molecola polare e solubile in acqua.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Il gruppo laterale può subire glicolizzazione.
  • Pk₁=2,09, Pk₂=9,10, PI=5,64.
• Cisteina C₃H₇NO₂S (C, Cys) -> acido (R)2-ammino-3-mercaptopropanoico
  • Presenta una catena laterale formata da un gruppo tiolo (solfanile -SH) che rende l’amminoacido polare e idrofilico.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=1,92, Pk₂=10,7, Pkr=8,37, PI=5,05.
  • Due residui di cisteina possono essere ossidati e formare residui di cistina che permettono il collegamento di porzioni proteiche grazie alla formazione di ponti di solfuro che ne stabilizzano la conformazione.
• Asparagina C₄H₈N₂O₃ (N, Asn) -> 4-ammide dell’acido 2(S)-ammino-1, 4-butandioico
  • Questo amminoacido è un ammide dell’acido aspartico.
  • La sua catena laterale è formata da un gruppo carbossammide (-CONH₂) che rende l’amminoacido polare.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,14, Pk₂=8,72, Pkr=13,2, PI=5,41.
• Glutammina C₅H₁₀N₂O₃ (Q, Gln) -> 5-ammide dell'acido 2(S)-ammino-1.5-pentandioico
  • La catena laterale è formata da un gruppo carbossammide polare e idrofilico.
  • Esso è l’ammide dell’acido glutammico e si forma per reazione tra il glutammato e un gruppo amminico.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,17, Pk₂=9,13, PI=5,65.

Gruppi R aromatici

Questo tipo di amminoacidi presentano catene laterali R aromatiche relativamente non polari e idrofobiche (intervengono nelle interazioni non idrofobiche). Le curve di assorbanza della luce di questi amminoacidi sono utili per quantificare le proteine e la presenza di questi amminoacidi all’interno di esse.

• Fenilalanina C₉H₁₁NO₂ (F, Phe) -> acido 2(S)-ammino-3-fenilpropanoico
  • La catena laterale è formata da un gruppo benzile.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,2, Pk₂=9,31, PI=5,49.
• Tirosina C₉H₁₁NO₃ (Y, Tyr) -> acido 2(S)-ammino-3-(4-idrossifenil) propanoico
  • La catena laterale è formata da un gruppo p-idrossibenzile (gruppo ossidrile in posizione para nell’anello benzenico).
  • Non è un amminoacido essenziale ma viene sintetizzato dall’amminoacido essenziale fenilalanina.
  • Pk₁=2,20, Pk₂=9,21, Pkr=10,46, PI=5,64.
  • Il gruppo OH della tirosina può formare legami a idrogeno ed essere implicato nella catalisi enzimatica poiché è in grado di legare un gruppo fosfato, importante per la trasduzione del segnale a livello cellulare.
• Triptofano C₁₁H₁₂N₂O₂ (W, Trp) -> acido 2S-ammino-3-(indol-3-il)propanoico
  • La sua catena laterale presenta un gruppo indolico (anello benzenico+pirrolico) che rende la molecola poco polare.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,46, Pk₂=9,41, PI=5,89.

Gruppi R caricati positivamente

Questi amminoacidi presentano un carattere basico e presentano i gruppi laterali R idrofilici contengono cariche positive e negative, a pH 7.00 la lisina, arginina e istidina presentano carica netta pari a +1.

• Lisina C₆H₁₄N₂O₂ (K, Lys) -> acido 2(S),6-diamminoesanoico
  • La sua catena laterale presenta un secondo gruppo amminico che rende la molecola polare e idrofilica.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,16, Pk₂=9,06, Pkr=10,54, PI=9,80.
• Arginina C₆H₁₄N₄O₂ (R, Arg) -> acido 2(S)-amino-5-guanidilpentanoico
  • Presenta una catena laterale formata da un gruppo guanidinico (derivato della guanidina CH₅N₃) che rende la molecola polare e solubile in acqua.
  • Può subire processi di metilazione.
  • È un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=1,82, Pk₂=8,99, Pkr=12,48, PI=10,76.
• Istidina C₆H₉N₃O₂ (H, Hys) -> acido 2(S)-ammino-3-(4-imidazoil) propanoico
  • La catena laterale presenta un gruppo imidazolico (anello formato da 5 atomi con due azoti) che rende la molecola polare.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=1,80, Pk₂=9,33, Pkr=6,04, PI=7,60.
  • Il gruppo imidazolico dell’istidina a pH fisiologico può avere carica netta neutra o positiva, il suo residuo rende l’amminoacido funzionale nell’attività enzimatica come donatore o accettatore di protoni.
  • Essa è fondamentale nelle proteine e in particolare nell’emoglobina poiché è in grado di legare ioni metallici e purificare e ordinare le proteine ponendo lo ione al centro di esse.
  • Essa possiede un potere tamponante a pH fisiologico = 7.00.

Gruppi R caricati negativamente

Questi amminoacidi hanno un carattere acido e presentano carica negativa netta a pH=7.00 pari a -1. Le catene laterali possiedono un secondo gruppo COOH e i residui di questi amminoacidi sono in grado di legare ioni metallici in alcune proteine. Essi vengono solitamente esposti dalla superficie esterna della proteina e interagiscono con il solvente.

• Acido glutammico C₅H₉NO₄ (E, Glu) -> acido 2(S)-ammino-1,5-pentanoico
  • Presenta una catena laterale che termina con un gruppo carbossilico che rende la molecola polare e acida in soluzione.
  • In forma anionica si chiama glutammato.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=2,10, Pk₂=9,47, Pkr=4,07, PI=3,15.
• Acido aspartico C₄H₇NO₄ (D, Asp) -> acido 2-ammino-1,4 butandioico
  • Presenta una catena laterale che termina con un gruppo carbossilico che rende la molecola polare e acida in soluzione.
  • È coinvolto nel ciclo dell’urea.
  • Non è un amminoacido essenziale.
  • Pk₁=1,99, Pk₂=9,90, Pkr=3,90.

Amminoacidi derivati e modificazioni post-traduzionali

Esistono altri due amminoacidi derivati da altri amminoacidi:

• Selenocisteina (Sec) derivato della serina.
• Pirrolisina derivato della lisina e sintetizzato a partire dalla 3-metilornitina.

Gli amminoacidi possono anche subire modificazioni di carattere post-traduzionale attraverso reazioni chimiche che aggiungono un gruppo chimico alla catena laterale tra cui:

• Ossidrilazione (-OH) ad esempio, i residui di 4-idrosssiprolina e 6-idrossilisina sono utilizzati nella formazione delle fibre di collagene e nella formazione delle pareti delle cellule vegetali. L’ossidrilazione della lisina e prolina è compiuta dalla vitamina C (acido ascorbico funge da antiossidante) e la carenza di essa porta allo scorbuto.
• Carbossilazione -COOH, un esempio è l’acido carbossiglutammico (carbossilato dalla vitamina K) fondamentale per l’attivazione della protrombina (interviene nel processo di riparazione dei vasi sanguigni).
• Fosforilazione -PO₄ utile per la regolazione di diversi processi cellulari.
• Altri processi sono la metilazione -CH₃ e l’acetilazione -COCH₃.

Esistono poi altri amminoacidi precursori di altre molecole proteiche ma biologicamente attivi che fungono da neurotrasmettitori (istamina, dopamina e tirosina), mediatori locali e da ormoni.

Citrullina e ornitina

Citrullina e ornitina sono intermedi nella biosintesi dell’arginina e sono coinvolti nel metabolismo dell’azoto in particolare nel ciclo dell’urea.

• Citrullina -> acido 2-ammino-5-(carbamoilammino)pentanoico
  • Precursore dell’arginina e coinvolto nel ciclo dell’urea formato da un residuo carbamidico aggiunto all’ornitina.
• Ornitina -> acido 2,5-diamminopentanoico
  • Precursore dell’arginina e coinvolto nel ciclo dell’urea.

Peptidi

Due amminoacidi possono unirsi covalentemente mediante legame peptidico formando un dipeptide (catena di più amminoacidi -> polipeptide) eliminando una molecola d’acqua (reazione di condensazione).

• Il legame si forma tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico di due amminoacidi differenti.
• Le unità amminoacidiche di un polipeptide sono chiamate residui amminoacidici (poiché si è perso un protone nel gruppo amminico e un OH nel gruppo carbossilico).
• Il residuo aminoterminale ha un gruppo amminico libero (N-terminale), e un residuo carbossiterminale (C-terminale).
• L’idrolisi del legame peptidico è una reazione esoergonica ma molto lenta poiché possiede elevata energia di attivazione.
• I gruppi R laterali conferiscono le proprietà ai polipeptidi.
• Presenta le caratteristiche di un doppio legame, risultando in un ibrido di risonanza, con una parziale carica negativa sull’ossigeno e una parziale carica positiva sull’azoto.
• La conformazione del legame è planare e rigida.

Scheletro della catena polipeptidica

Lo scheletro della catena polipeptidica può essere considerato come una serie di piani rigidi, in cui i piani consecutivi hanno in comune un punto di rotazione in corrispondenza del: carbonio alfa-C=O (angolo diedro psi) e il carbonio alfa-NH (angolo diedro phi). Data la rigidità del legame peptidico per ciascun residuo gli angoli diedri sono fissati e un residuo non può avere una qualunque coppia di valori phi e psi perché certe combinazioni causano impedimenti sterici. Per convenzione, agli angoli diedri φ e ψ viene assegnato valore di +/- 180°. Le strutture del legame peptidico mostrate in figura non sono possibili a causa dell’ingombro sterico tra atomi vicini che si respingono, l’unica possibile è la terza in cui il gruppo carbonilico viene spostato più lontano dalla catena laterale.

Plot di Ramachandran

Le coppie (φ, ψ) permesse per gli amminoacidi sono riportate in un diagramma chiamato plot di Ramachandran:

• Qualunque scelta accettabile si faccia del raggio di van der Waals, si ottengono comunque solo 3 regioni del plot di Ramachandran fisicamente accessibili alla catena polipeptidica.
• Le zone blu scuro sono quelle largamente permesse senza sovrapposizioni steriche.
• Le zone blu chiaro indicano conformazioni possibili che hanno distanze di van der Waals al limite inferiore dell’accettabilità.
• Le zone in azzurro sono consentite solo a determinati livelli di flessibilità.
• Le zone bianche non sono accessibili.

Il plot di Ramachandran è valido per tutti gli amminoacidi tranne per glicina e prolina che fanno eccezione, gli altri hanno uno spazio del 25/30% del diagramma occupato da conformazioni accessibili.

Grafico della glicina

Le zone permesse di angoli della glicina occupano fino al 45% del plot, esso infatti è centro-simmetrico riflettendo il fatto che la glicina è l’unico amminoacido achirale (la glicina svolge la funzione di conferire conformazioni inusuali alla catena per le sue piccole dimensioni).

Grafico della prolina

La catena laterale della prolina limita i valori dell’angolo phi in un ambito tra –35° e –85°, ciò rende la prolina l’amminoacido con maggiori restrizioni conformazionali.

Struttura secondaria

L’espressione struttura secondaria si riferisce...