Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lenhinger

Aminoacidi

1. Caratteristiche generali degli amminoacidi

Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono:

• α-amminoacidi: hanno un gruppo carbossilico (-COO^-) e un gruppo amminico (-NH₃⁺) legati allo stesso atomo di carbonio, ovvero il Cα (il primo carbonio, legato al gruppo funzionale della molecola, che è il gruppo carbossilico, viene indicato con la lettera α) e differiscono tra loro per la catena laterale, cioè il gruppo R.
• Enantiomeri: il Cα è un centro chirale (tranne che nella glicina) poiché è legato a 4 gruppi differenti (-COO^-, -NH₃⁺, -H e -R), per cui gli aa sono molecole chirali (eccetto la glicina in cui -R = -H), quindi la loro struttura non è simmetrica e la loro immagine speculare non è sovrapponibile (non posseggono né piani di simmetria né centri di inversione).
• Otticamente attivi: uno dei due enantiomeri ruoterà il piano della luce polarizzata verso destra e l’altro verso sinistra.
• Stereoisomeri L: nella biosintesi naturale vengono usati solo gli L-amminoacidi.

Ricordiamo che la dicitura D/L deriva dalla configurazione assoluta della gliceraldeide, l'aldoso più semplice, che ha un potere ottico rotatorio destrogiro, e che ha l’-OH a destra (D) nella proiezione di Fischer canonica; a prescindere dal tipo di potere ottico rotatorio, le molecole con -H a sinistra e -OH a destra nella proiezione di Fischer appartengono alla classe D, mentre quelle con -H a destra e -OH a sinistra alla classe L.

2. Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi delle proteine sono 20 e vengono classificati in base al loro gruppo R, poiché è questo che ne definisce le proprietà:

Gruppo R alifatico non polare

Alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine, stabilizzando la struttura proteica tramite interazioni idrofobiche.

• 1. Glicina (G, Gly):
  • È l’unico amminoacido achirale.
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato).
  • Non essenziale: si genera a partire dalla serina (a sua volta generata dal 3-fosfoglicerato) per rimozione di un atomo di C ad opera della serina idrossimetiltransferasi.
• 2. Alanina (A, Ala):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato).
  • Non essenziale: si genera dal piruvato per transaminazione ad opera dell’alanina amminotransferasi.
• 3. Prolina (P, Pro):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in α-chetoglutarato).
  • Non essenziale: si genera a partire dal glutammato (a sua volta prodotto dall’α-chetoglutarato) attraverso un processo complesso.
  • Più che un amminoacido è definito come imminoacido perché la catena laterale oltre che sul C alfa è legata anche sull’N amminico a formare una struttura ciclica (gli imminoacidi sono amminoacidi ciclici che nella loro struttura non presentano il gruppo funzionale amminico primario, ma quello secondario. Hanno carattere di imminoacido la prolina e l'idrossiprolina, nella cui molecola l'azoto del gruppo amminoacidico è incorporato in un anello pirrolidinico). Inserire la prolina in uno scheletro polipeptidico è come inserire un elemento di rigidità. Tipica degli imminoacidi è la loro solubilità in alcol; inoltre il legame peptidico della loro molecola è difficilmente scisso e richiede l'intervento di un enzima specifico.
• 4. Valina (V, Val):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in succinil CoA).
  • Essenziale.
  • Altamente idrofobica.
• 5. Leucina (L, Leu):
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetil CoA e acetoacetil CoA).
  • Essenziale.
  • È importante per la costruzione e il mantenimento del tessuto muscolare poiché promuove la sintesi proteica nei muscoli e nel fegato.
  • Altamente idrofobica.
• 6. Isoleucina (I, Ile):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in succinil CoA).
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetil CoA).
  • Essenziale.
  • Altamente idrofobica.
• 7. Metionina (M, Met):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in succinil CoA).
  • Essenziale.
  • Insieme alla lisina rappresenta l’amminoacido precursore della carnitina.
  • È sempre il primo amminoacido con cui inizia la sintesi proteica, e a volte viene rimosso dopo il completo assemblaggio della proteina.
  • La presenza dello S giustifica una elevata reattività di questo gruppo metilico che invece non si ha per esempio sull’Isoleucina dove si ha un legame covalente omopolare tra un C e un altro C.

Gruppo R aromatico

• 8. Fenilalanina (F, Phe):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in fumarato).
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetoacetil CoA).
  • Essenziale.
  • I soggetti affetti da fenilchetonuria sono incapaci di metabolizzare la fenilalanina. In presenza di questa malattia genetica, dalla nascita alla pubertà si ha un accumulo dell’amminoacido nel sangue, nelle urine e nei vari tessuti, e si ha un mancato sviluppo del SNC con conseguente ritardo mentale. Inoltre alte dosi di fenilalanina nel sangue abbassano i livelli di serotonina, determinando una sensazione continua di fame.
  • È un derivato dell’alanina perché l’alanina ha un gruppo metilico e se un atomo di H del gruppo metilico dell’alanina lo sostituiamo col gruppo benzenico otteniamo la Fenilalanina. Grazie a questo gruppo benzenico è molto idrofobico.
• 9. Tirosina (Y, Tyr):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in fumarato).
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetoacetil CoA).
  • pKa della catena laterale: 10,1.
  • Non essenziale: si genera a partire dalla fenilalanina attraverso un processo di idrossilazione ad opera della fenilalanina idrossilasi.
  • Presenta un gruppo benzenico e un gruppo ossidrilico in posizione para rispetto al gruppo metilenico. La presenza di questo gruppo ossidrilico in alcuni casi giustifica una certa, seppur molto limitata, idrofilicità della molecola perché questo gruppo è capace di per sé di formare ponti a H, sebbene il resto della catena laterale sia molto idrofobico. Inoltre, questo gruppo ossidrilico permette le cosiddette modificazioni post-traduzionali delle proteine. Le modificazioni avvengono in senso attivatorio o inibitorio, sono degli effettori di tipo positivo oppure negativo della proteina. In uno scheletro polipeptidico, non tutti gli amminoacidi possono essere modificati con l’aggiunta o rimozione di questi gruppi, ma soltanto quegli amminoacidi che hanno delle funzioni chimiche in grado di reagire. Per esempio, col gruppo fosforico, uno dei gruppi che maggiormente può reagire con esso, è il gruppo ossidrilico OH e infatti la tirosina rappresenta uno degli amminoacidi in moltissime proteine che è soggetto a questo tipo di modificazione.
  • Assorbe la luce ultravioletta.
• 10. Triptofano (W, Trp):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato).
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetil CoA e acetoacetil CoA).
  • Essenziale.
  • Per la presenza dell’atomo di azoto nell’anello indolico è più polare rispetto alla fenilalanina.
  • Assorbe la luce ultravioletta.

Gruppo R polare, non carico

Sono molto solubili in acqua perché contengono gruppi funzionali che formano legami a H con l’acqua. Si noti che le catene laterali non necessariamente sono cariche ma possono esserlo a seconda della loro pKa, che è influenzata dall’ambiente circostante. Ad esempio, il pKa della cisteina diminuisce se intorno ci sono molte cariche positive che stabilizzano la sua carica negativa. Polarità negativa.

• 11. Serina (S, Ser):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato).
  • Non essenziale: si genera dal 3-fosfoglicerato attraverso un processo complesso.
  • La polarità è dovuta al gruppo ossidrilico.
• 12. Treonina (T, Thr):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato e succinil CoA).
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetil CoA).
  • Essenziale.
  • La polarità è dovuta al gruppo ossidrilico.
• 13. Cisteina (C, Cys):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in piruvato).
  • pKa della catena laterale: 8,3 (la cisteina si deprotona facilmente) (SH = acido solfidrico) (la cisteina è un acido debole per cui può formare deboli legami a H con l’ossigeno e l’azoto).
  • Non essenziale: si genera da una via di transulfurazione della serina e della omocisteina.
  • Insieme alla lisina prevale nelle cheratine dei capelli.
  • La sua modesta polarità è dovuta al gruppo un gruppo tiolico, o sulfidrilico (-SH) che è fondamentale nel mondo biologico. Il gruppo -SH in generale, riveste un’importanza fondamentale perché può andare incontro a reazioni di tipo redox e quindi può funzionare da difesa anti-ossidante della cellula. Con la reazione di ossidazione a cui vanno incontro 2 residui di Cisteina si ha la formazione del ponte disolfuro (In ambienti ossidanti 2 molecole di cisteina si uniscono tramite un ponte disolfuro costituendo il dimero chiamato cistina che è apolare e idrofobo). Oltre a questa funzione anti-ossidante dei gruppi tiolici in generale, in realtà, scendendo nello specifico della Cisteina, la formazione del ponte disolfuro rappresenta anche una funzione molto importante nella formazione della struttura terziaria delle proteine perché la creazione di ponti di solfuro è uno degli aspetti chimici che si ha nel processo di folding delle proteine. Quindi, questi punti disolfuro in uno scheletro polipeptidico si possono formare soltanto tra molecole di Cisteina poiché è l’unico amminoacido che possiede il gruppo tiolico.
• 14. Asparagina (N, Asn):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in ossalacetato).
  • Non essenziale: si genera dall’aspartato (a sua volta generato dall’ossalacetato) tramite un processo ATP dipendente catalizzato dall’asparagina sintetasi. L’ATP serve per il processo di attivazione e la formazione dell’intermedio adenilato (adenilazione), cui segue la liberazione di pirofosfato e AMP. Il donatore di NH₂ è la glutammina che viene convertita in glutammato.
  • La polarità è dovuta al gruppo ammidico.
• 15. Glutammina (Q, Gln):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in α-chetoglutarato).
  • La polarità è dovuta al gruppo ammidico.
  • Non essenziale: si genera dal glutammato (a sua volta generato dall’α-chetoglutarato) attraverso una reazione ATP dipendente catalizzata dalla glutammina sintetasi in 4 tappe:
    • 1) Formazione intermedio γ-glutammil-fosfato (composto intermedio con un legame fosfoanidridico ad alta energia: anidride mista) per reazione tra glutammato e ATP.
    • 2) Entra un NH₄⁺ che viene deprotonato da un residuo di aspartato dell’enzima stesso, e si forma ammoniaca (NH₃), la quale fa un attacco nucleofilo sul carbonio γ del γ-glutammil-fosfato determinando la formazione di un intermedio tetraedrico che presenta la separazione di cariche.
    • 3) Riarrangiamento della carica negativa sull’ossigeno e liberazione di PO₄^3-.
    • 4) Il PO₄^3- immediatamente strappa un H⁺ legato all’azoto e si ha la liberazione di P_i e glutammina.

Gruppo R carico positivamente (basico)

• 16. Lisina (K, Lys):
  • Chetogenico (questo aa può essere convertito in acetoacetil CoA).
  • Essenziale.
  • pKa della catena laterale: 10 (presenta una carica netta positiva a pH fisiologico).
  • Molto idrofilico.
  • Nella sua forma idrossilata, grazie all’intervento della vitamina C, rientra nella composizione del collagene.
  • Insieme alla metionina rappresenta l’amminoacido precursore della carnitina.
  • Favorisce la formazione di anticorpi, ormoni ed enzimi.
  • È un precursore della vitamina B3.
  • Insieme alla cisteina prevale nelle cheratine dei capelli.
• 17. Arginina (R, Arg):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in α-chetoglutarato).
  • pKa della catena laterale: 12,5 (è un pKa molto alto, per cui la troviamo sempre protonata, presenta una carica netta positiva a pH fisiologico).
  • Molto idrofilico.
  • Non essenziale: si genera dal glutammato (a sua volta generato dall’α-chetoglutarato) attraverso un processo complesso.
• 18. Istidina (H, His):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in α-chetoglutarato).
  • Essenziale.
  • pKa della catena laterale: 6,0.
  • L’istidina è l’unico amminoacido ad avere una catena laterale ionizzabile con un pKa vicino alla neutralità: a pH=7 l’istidina può essere carica positivamente o pressoché priva di carica, per cui in molte reazioni catalizzate da enzimi i residui di istidina agiscono da donatori o da accettori di protoni. Ciò è possibile in quanto sulla catena laterale essa presenta l’anello imidazolico, che conferisce la capacità di funzionare come sistema tampone (*). Quindi piccole oscillazioni di pH intorno al pH fisiologico fanno comportare questo anello imidazolico dell’istidina sia da base che da acido (carattere anfoterico).
  • L’istidina è un precursore dell’istamina, agente fondamentale dell’immunità poiché aumenta la risposta infiammatoria dell’organismo.

Gruppo R carico negativamente (acido)

• 19. Aspartato (D, Asp, acido aspartico):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in fumarato e ossalacetato).
  • pKa della catena laterale: 3,9.
  • Non essenziale: si genera dall’ossalacetato per transaminazione ad opera dell’amminotransferasi.
• 20. Glutammato (E, Glu, acido glutammico):
  • Glucogenico (questo aa può essere convertito in α-chetoglutarato).
  • pKa della catena laterale: 4,2.
  • Non essenziale: si genera dall’α-chetoglutarato per transaminazione ad opera dell’amminotransferasi.

3. Comportamento acido-base di aa, polipeptidi e proteine

3.1 Definizioni

• Acido:
  • Arrhenius -> sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni H⁺.
  • Bronsted-Lowry -> sostanza capace di cedere ioni H⁺ (protoni).
• Base:
  • Arrhenius -> sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni OH^-.
  • Bronsted-Lowry -> sostanza capace di ricevere ioni H⁺.
• Soluzione tampone: soluzione di una coppia acido/base che resiste a variazioni di pH. È quindi costituita da una miscela di:
  • Un acido debole e di un suo sale con una base forte.
  • Oppure da una miscela di una base debole e di un suo sale con un acido forte.

Ha la proprietà caratteristica di manifestare variazioni di pH limitate, per effetto dell’aggiunta di quantità moderate di acidi o di basi.

3.2 Comportamento acido-base dei peptidi

I peptidi contengono un solo gruppo α-amminico libero e un solo gruppo α-carbossilico libero posti alle estremità della catena.

Questi gruppi ionizzano come quelli degli aa liberi.

I gruppi α-amminici e α-carbossilici di tutti gli altri aa non terminali sono legati covalentemente con legami peptidici e non possono ionizzarsi, quindi i gruppi posti alle estremità della catena sono gli unici a contribuire al comportamento acido-base dei peptidi.

A determinare le caratteristiche acido-base del peptide sono i gruppi R di alcuni aa che possono ionizzarsi.

Il comportamento acido-base di un peptide può quindi essere previsto in base ai suoi gruppi α-amminici e α-carbossilici liberi e alla natura dei gruppi R ionizzabili.

3.3 Comportamento acido-base degli amminoacidi

I gruppi amminici e i gruppi carbossilici degli amminoacidi, insieme con i gruppi R ionizzabili di alcuni di essi, si comportano come acidi e basi deboli.

Quando un aa che non possiede gruppi R ionizzabili viene sciolto in H₂O a pH neutro, esso si trova in soluzione sotto forma di ione dipolare o zwitterione, e può comportarsi come acido o come base.

I composti con questa doppia natura acido-base sono detti anfoterici e sono chiamati anfoliti.

3.4 Costante di dissociazione

Per gli amminoacidi, e per tutte le molecole che possono essere cariche positivamente oppure negativamente, esiste un’importante correlazione tra il valore di pH e il valore di pKa.

Questa relazione è impostata dalla equazione di Henderson Hasselbach.

La Ka è la costante di dissociazione acida, quindi maggiore è il valore della Ka e maggiore sarà la forza dell’acido.

Stessa cosa dicasi anche per il pKb.

Il pKa, come anche il pH, è dato dal –log10 della Ka, oppure dal log10 dell’inverso di Ka.

Quindi pKa è uguale a –log Ka e quanto più è piccola tanto più l’acido è forte.

+ = − log = − log

In realtà, il rapporto tra le concentrazioni di un acido debole e della sua base coniugata dipende dal pH della soluzione e dalla sua capacità intrinseca di rilasciare il protone.

− ( ) = p + si utilizza quando la soluzione tampone è costituita da un acido () debole e dalla sua base coniugata.

+ ( ) = p + si utilizza quando la soluzione tampone è costituita da una base () debole e dal suo acido coniugato.

Procedimento matematico per ottenere l’equazione:

− + HA + + 2 3

+ − ( )( ) = (HA)(HA)

+ ( ) = − ( ) (HA)

+ ( ) = log [ ] − ( ) (HA)

+ )( ) = log( +