Amminoacidi

Amminoacidi, peptidi e proteine

Amminoacidi

Classificazione degli amminoacidi

Mentre il loro nome implica che gli amminoacidi sono composti che contengono un gruppo NH₂ e un gruppo COOH, questi gruppi sono attualmente presenti come NH₃⁺ e CO₂ rispettivamente. Sono classificati in amminoacidi alfa, beta, gamma a seconda del carbonio che lega l’azoto.

• Alpha (α): è una componente del metabolismo di proteine e azoto.
• Beta (β): è una delle unità strutturali che compongono il coenzima A.
• Gamma (γ): è coinvolto nella trasmissione dell’impulso nervoso.

Esistono 700 amminoacidi in natura, ma solo 20 di essi sono specialmente importanti (sono alfa a.a.). Si differenziano in base al gruppo attaccato al carbonio alfa. Gli a.a ottenuti dall’idrolisi delle proteine differiscono rispetto a R; le proprietà degli a.a variano in funzione di R. L’a.a più semplice è la glicina (è l’unica chirale). In tutti gli altri a.a, il carbonio alfa è un centro stereogenico.

Gli a.a sono divisi in gruppi in base ai loro gruppi R. Si possono separare gli a.a in: non polari, polari neutri e polari carichi.

Amminoacidi non polari

Ci sono solo carbonio e idrogeno nelle loro catene laterali. Sono generalmente non reattivi e idrofobici, determinando la struttura 3D delle proteine (tendono a raggrupparsi sopra la molecola).

Gruppi R carichi negativamente

Sono l’aspartato e il glutammato. Essi conferiscono una carica negativa alle proteine.

Gruppi R carichi positivamente

La lisina e l’arginina hanno entrambe un pH=10 e sono sempre cariche positivamente a pH neutro. Con un pH=6.5, l’istidina può essere non carica o carica positivamente a seconda dell’ambiente locale. L’istidina ha un ruolo importante nel meccanismo di catalizzazione degli enzimi e questo spiega perché spesso si trova nel sito attivo.

Classificazione in base alla costituzione chimica di R

• Piccoli a.a: Glicina, alanina
• Ramificati: Valina, leucina, isoleucina
• Idrossidi (gruppo –OH): Sierina, treonina
• Solforosi: Cisteina, metionina
• Aromatici: Fenilalanina, tirosina, triptofano
• Acidi e loro derivati: Aspartato, asparagina, glutamato, glutamina
• Basici: Lisina, arginina, istidina
• Immino acido: Prolina

Configurazione degli alfa-amminoacidi

La glicina è achirale. Tutti gli altri a.a nelle proteine hanno la configurazione a L nel loro carbonio. Gli a.a. possono avere forme a L e a D, ma solo la L si trova nelle proteine. Essi hanno delle caratteristiche curve di titolazione.

Per gli amminoacidi con una carica (+ o -) nel residuo R, il PI è:

• La media dei valori di pKa più bassi, se R è un residuo acido
• La media dei valori di pKa più alti, se R è un residuo basico

Dissociazione delle catene laterali degli amminoacidi

Il pKa è il pH al quale metà delle molecole hanno catene laterali cariche mentre l’altra metà sono scariche. Gli amminoacidi, per un pH inferiore al pI, si presentano in forma protonata (carica positiva), mentre per un pH superiore al pI si presentano in forma deprotonata (carica negativa).

Modificazioni post-traduzionali degli amminoacidi nelle proteine

• Addizione di carboidrati
• Addizione di lipidi
• Regolazione
• a.a modificati

Peptidi

Sono composti in cui un legame ammidico lega il gruppo amminico di un alfa a.a e il gruppo carbossilico di un altro. Un legame ammidico di questo tipo è spesso indicato come un legame peptidico. Alanilglicina -> Due alfa amminoacidi sono uniti da un legame peptidico in alanilglicina. È un dipeptide.

Struttura dei peptidi

Il legame peptidico è un legame ammidico. Gli ammidi sono molto stabili e neutri.

I livelli strutturali delle proteine

• Struttura primaria: la sequenza degli amminoacidi nella catena e i collegamenti disolfuro.
• Secondaria: struttura formata da legami idrogeno. Esempi sono l’alfa elica e fogli ripiegati.
• Terziaria: conformazione 3-D completa.
• Quaternaria: associazione di due o più catene peptidiche per formare proteine.

Struttura primaria

La sequenza degli aminoacidi di una proteina si chiama struttura primaria. Nelle proteine, gli amminoacidi sono uniti covalentemente con legami peptidici. I legami peptidici sono legami ammidici tra il gruppo α-carbossilico (-COOH) di un amminoacido ed il gruppo α-amminico (-NH₂) dell’amminoacido successivo. Durante la formazione del legame peptidico viene eliminata una molecola di acqua (reazione di condensazione).

Struttura secondaria

Si riferisce alla conformazione locale della catena polipeptidica. È determinata da interazioni di tipo legame a idrogeno fra l’ossigeno di un gruppo carbonilico del legame peptidico e l’idrogeno del gruppo ammidico di un altro legame peptidico. Esistono due tipi principali di strutture secondarie: l’alfa-elica ed il foglietto beta.

Alfa elica

Nell’alfa elica il gruppo CO di un amminoacido forma un ponte ad idrogeno col gruppo NH del quarto amminoacido successivo. Ogni ossigeno del carbonile può formare un legame idrogeno con un NH idrogeno nel turno successivo della bobina (ogni 3,6 residui). La sequenza colpisce la stabilità dell’elica. Piccoli residui idrofobici, come Ala, sono dei forti formatori di eliche. Pro agisce come un interruttore a elica perché la rotazione intorno al legame N - Cα non è possibile. Gly agisce come un interruttore elica perché il piccolo gruppo R sostiene altre conformazioni.

Foglietto ripiegato

I filamenti beta sono disposti uno accanto all'altro in modo che si possono creare legami idrogeno tra NH e gruppi CO adiacenti.

Foglietto beta: la catena del polipeptide si estende in maniera zig-zag. Il legame idrogeno è in alfa-eliche (tutto C=O e NH), ma tra le catene anziché entro una catena. I gruppi R di aminoacidi adiacenti sporgono in direzioni opposte (su, giù, su...). I fogli beta sono di due tipi: in parallelo e in antiparallelo.

Parallelo

Nella disposizione in parallelo, il gruppo NH di un aminoacido è idrogeno legato al gruppo CO di un aminoacido nella catena adiacente, e il gruppo CO è idrogeno legato al gruppo NH di un amminoacido lungo due residui nella catena adiacente.

Antiparallelo

Nella disposizione antiparallelo, il gruppo NH e il gruppo CO di ciascun amminoacido sono rispettivamente idrogeno legato al gruppo CO ed il gruppo NH di un partner sulla catena adiacente. La configurazione dei foglietti beta può essere presente nella stessa proteina (anti paralleli e paralleli). I piccoli gruppi R sono preferiti quando i foglietti beta sono stratificati insieme all'interno di una proteina. Gly e Ala sono contenute nella beta cheratina.

Struttura secondaria regolare con elemento ripetitivo: alfa elica; beta a foglietto

Struttura secondaria senza elemento ripetitivo:

• Angoli (beds)
• Anse (loops)
• Giri (turns)

Si ottengono con bruschi cambiamenti di direzione e si trovano spesso sulla superficie di una proteina.

Struttura secondaria delle proteine

Una struttura secondaria non è ripetitiva, ma casuale.

Esempi di struttura secondaria tridimensionale di alcune proteine

I singoli filamenti b-a foglietto sono rappresentati come frecce. Questi filamenti sono connessi con a-eliche e con strutture non ripetitive: si tratta di Ubiquitina e di Alcol deidrogenasi.

Caso clinico

Nelle malattie neurodegenerative indotte dalle proteine prioniche la proteina prione endogena PrP_C cambia di struttura. Una volta formata, la PrP_SC, induce cambiamenti conformazionali nelle altre PrP_C attraverso un meccanismo autocatalitico fino a quando non viene raggiunta una concentrazione critica che porta all'aggregazione delle proteine stesse (fibre amiloidi). Il prione esogeno PrP_SC si inserisce nella membrana plasmatica, dove è presente la proteina prionica cellulare venendone in contatto diretto ne causa la conversione a PrP_SC. Quando la PrP_SC e la PrP_C entrano in contatto, la prima modifica irreversibilmente la seconda, facendole assumere la sua stessa conformazione.