Amminoacidi e proteine

Capitolo 1 - Amminoacidi e proteine

Gli amminoacidi

Caratteristiche e classificazione

Gli amminoacidi rivestono particolare importanza biologica, poiché sono i componenti base delle “strutture portanti” di ogni tipo di tessuto vivente, proteine, le quali costituiscono non solo le membrane cellulari ma entrano anche nella composizione dei catalizzatori biologici noti col nome di enzimi. Gli amminoacidi sono costituiti da: C, H, O, N e a volte anche da zolfo S; essi sono composti bifunzionali che contengono un gruppo amminico primario -NH₂ ed un gruppo carbossilico -COOH; si parla in tal caso di α-amminoacidi in cui gruppo amminico ed il gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio, chiamato appunto carbonio-α.

Ecco la formula generale di un α-amminoacido: in cui R si dice catena laterale o residuo e varia da amminoacido ad amminoacido; dunque il gruppo R è quello che diversifica i vari amminoacidi. Il più semplice degli amminoacidi è la glicina, in cui R=H, per cui la formula della glicina è:

Tranne la glicina, tutti gli altri amminoacidi avendo 4 sostituenti diversi legati al carbonio-α, per cui hanno un centro stereogeno nel C-α e sono otticamente attivi. Essi possono esistere in due forme enantiomere diverse D ed L (forma L e forma D). Fischer introdusse questa nomenclatura stereochimica prima di presentare il sistema R,S ed ancora oggi viene utilizzata per i carboidrati e per gli amminoacidi. Assegnò la lettera maiuscola D alla configurazione della gliceraldeide con l'ossidrile OH a destra e la lettera L all'altro enantiomero con l'ossidrile a sinistra.

Di queste 2 forme (L e D) nelle proteine e nel nostro organismo esiste solo la forma L cioè la forma:

Forma L di un amminoacido: –COOH con il gruppo in alto, R in basso ed NH₂ a sinistra. Quindi, nelle proteine umane e di molti organismi superiori, c’è la sola presenza di amminoacidi con configurazione L detti amminoacidi naturali. Fa però eccezione il lombrico che invece presenta la D-serina (che ha il gruppo NH₂ a destra).

Inoltre, qualche amminoacido in forma D è stato trovato in proteine prodotte da organismi che vivono negli abissi marini ed nelle pareti cellulari di alcuni batteri. Tra gli amminoacidi ricordiamo: glicina, alanina, fenilalanina.

Le proteine sono formate da 20 L-amminoacidi, ricordiamo però che in natura sono presenti più di 500 amminoacidi. L’organismo umano può sintetizzare solo una parte degli amminoacidi che gli occorrono; esistono 8 amminoacidi che l'uomo in età adulta non è in grado di sintetizzare, essi si dicono amminoacidi essenziali e devono essere introdotti con l’alimentazione, in quanto sono indispensabili per la crescita, lo sviluppo ed il mantenimento di un organismo sano. Gli 8 amminoacidi essenziali sono i seguenti e vengono identificati da un nome comune e da una abbreviazione di 3 lettere che viene utilizzata quando bisogna scrivere le strutture primarie delle proteine:

• Valina (Val)
• Leucina (Leu)
• Isoleucina (Ile)
• Fenilalanina (Phe)
• Triptofano (Trp)
• Lisina (Lys)
• Metionina (Met)
• Treonina (Thr)

(Nei bambini gli amminoacidi essenziali sono 10 e ai precedenti vanno aggiunti: l'istidina (His) e l'arginina (Arg)).

La carenza di amminoacidi essenziali dovuta ad una dieta sbilanciata può causare gravi patologie. Esistono poi anche gli amminoacidi semiessenziali (cisteina e tirosina) che l'organismo riesce a sintetizzare a partire da metionina e fenilalanina. Una classificazione degli amminoacidi si può fare in base alle proprietà del radicale R che può essere: polare neutro, apolare o polare con carica elettrica positiva o negativa. Queste caratteristiche di R condizionano le proprietà chimiche e fisiche degli amminoacidi, quali l'affinità con H₂O, la reattività ed il punto isoelettrico (di cui parleremo più avanti). Ecco gli amminoacidi più comuni:

Proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi

Dal punto di vista fisico gli amminoacidi si presentano allo stato solido ed hanno punti di fusione > 200°C (ad esempio la glicina fonde a 233°C), a questi valori di temperatura però spesso si decompongono per cui risulta difficile una esatta determinazione del punto di fusione. Gli amminoacidi con il gruppo R non polare (idrocarburico o aromatico) sono poco solubili in H₂O (cioè sono idrofobi = nemici dell'acqua), invece quelli con il gruppo R polare sono abbastanza solubili in H₂O (idrofili = amici dell'acqua).

Va osservato inoltre che allo stato solido gli amminoacidi allo stato puro sono dei solidi cristallini bianchi ed esistono sotto forma di ioni dipolari (struttura ionica dipolare) o zwitterioni. Lo zwitterione (dal tedesco "ione ibrido") è una molecola elettricamente neutra nel suo complesso che però presenta sia cariche positive che negative localizzate.

In pratica, i gruppi funzionali (COOH acido ed NH₂ basico) sono presenti in forma ionizzata (COO^- ed NH₃⁺). In realtà è stato dimostrato che la forma non ionizzata di un amminoacido non esiste a nessun valore di pH (le formule con gruppo amminico e carbossilico sono troppo semplificate rispetto alla reale struttura degli amminoacidi). Le loro molecole sono quindi dei composti anfoteri, nel senso che possono comportarsi sia da acidi cedendo un protone H⁺ sia da base ricevendolo. In soluzione acquosa si stabilisce un equilibrio tra lo ione dipolare e le due forme anionica e cationica dell’amminoacido:

- R-CH-COOH ↔ R-CH-COO^- ↔ R-CH-COO^-

NH₃⁺ H₂

forma cationica ione dipolare forma anionica

In soluzione acida (pH = 0) al punto isoelettrico in soluzione basica (pH = 14) l'equilibrio dipende sia dal pH che dalla natura dell’amminoacido. Esiste un valore del pH detto punto isoelettrico (pI) in corrispondenza del quale si trova in forma zwitterionica (neutra), cioè si trova sotto forma di ione dipolare. Al punto isoelettrico la concentrazione dello ione dipolare è massima e la concentrazione della forma cationica è uguale alla concentrazione della forma anionica. Al punto isoelettrico l’amminoacido ha carica netta = 0 (risultante dalla somma delle cariche positive e negative) e quindi posto in un campo elettrico non migra né verso l’anodo né verso il catodo cioè la migrazione dell’amminoacido sotto l’azione di un campo elettrico non ha luogo. Invece, a pH diverso dal punto isoelettrico l’amminoacido avrà una carica netta positiva o negativa e quindi sotto l’azione di un campo elettrico migrerà verso l’anodo (+) o verso il catodo (-) con una velocità che dipende dalla sua massa molare (MM). Su tali principi si basa una tecnica separativa detta elettroforesi. Si ricordi che per ciascun amminoacido ha un proprio punto isoelettrico, per la alanina pI = 6,02; per l’arginina pI = 10,76.

Il legame peptidico

Il legame peptidico è il legame chimico responsabile dell'unione degli amminoacidi e della conseguente formazione di polipeptidi (polipeptide è una singola catena di amminoacidi) e proteine (le proteine sono costituite da due o più catene polipeptidiche differenti). Come quasi tutti i legami che avvengono nelle molecole organiche e in generale nella chimica biologica, si tratta di un legame di tipo covalente.

Il legame peptidico si genera nel momento in cui, tramite un processo di condensazione (ovvero l'unione di due strutture molecolari con la perdita di una molecola di H₂O), la parte basica di un amminoacido (il gruppo funzionale amminico -NH₂) si unisce con quella acida di un amminoacido diverso (il gruppo carbossilico -COOH). Quando ciò avviene, uno degli idrogeni legati all'azoto (in -NH₂) si separa e si unisce al gruppo OH di COOH formando una molecola d'acqua e permettendo a C e ad N di unirsi con un legame detto appunto peptidico. Il gruppo amminico -NH è quasi sempre in posizione trans rispetto al gruppo carbonilico -C=O perché esiste una repulsione sterica che porta la conformazione trans ad essere più stabile della cis. Il gruppo chimico CONH è detto gruppo peptidico.

In questo modo tutte le proteine si presentano costituite da un lungo filamento chimico comune, formato dalla successione di gruppi CH e CONH, dal quale sporgono i residui amminoacidici (-R), la cui successione è diversa da proteina a proteina. Tale successione definisce la peculiare struttura primaria di una proteina. Convenzionalmente la struttura primaria si rappresenta iniziando con il gruppo amminico e terminando con il gruppo carbossilico. Il primo amminoacido della sequenza è detto amminoacido N-terminale (enne-terminale o ammino-terminale), l'ultimo amminoacido C-terminale (ci-terminale o carbossi-terminale).

Siccome un dipeptide (ovvero una molecola che possiede un solo legame peptidico tra due amminoacidi), così come pure i polipeptidi, comprende ancora nella sua molecola sia un gruppo amminico che uno carbossilico, esso potrebbe nuovamente allungarsi in seguito ad altre condensazioni. Si possono così ottenere i peptidi e le proteine:

• Un di/tri-peptide è costituito da due/tre amminoacidi legati da un legame peptidico
• Un oligopeptide è composto da un numero di amminoacidi inferiore a 10
• Un polipeptide è costituito da un numero di amminoacidi superiore a 10
• Le proteine sono polimeri formati da una o più catene polipeptidiche costituite da almeno 50 unità amminoacidiche

Il legame peptidico (o giunto peptidico) non è un legame singolo perché i legami C-N e C=O non sono presenti nella struttura reale. Molti studi di diffrazione ai raggi X dimostrano che il legame C-N abbia in parte carattere di legame doppio, mentre il legame doppio C=O si comporta parzialmente da legame singolo. Questo comportamento è spiegabile grazie ad una condizione di risonanza o tautomeria tra le due strutture: si può parlare cioè di due strutture limite del legame peptidico in cui si ha la delocalizzazione del legame.

Proprio perché il legame peptidico è di ordine intermedio tra un legame singolo ed un legame doppio delocalizzato, esso non può ruotare liberamente, anzi costituisce un punto di rigidità della catena peptidica; l'azoto N ed il carbonio C peptidici sono di fatto ibridati sp², con una struttura planare e angolo di circa 120°.

L'idrolisi enzimatica è la reazione più semplice per rompere un legame covalente peptidico. Essa consiste nella reazione inversa alla condensazione: con l'aggiunta di acqua e l'azione di un enzima si passa dai prodotti ai reagenti, quindi, nel caso di un dipeptide, ai due amminoacidi separati. Questa reazione è sfruttata nell'apparato digerente in cui esistono, a più livelli, numerosi enzimi detti proteolitici (pepsina, chimotripsina, tripsina, ecc.) per tramutare le proteine ingerite con l'alimentazione nei dipeptidi e/o amminoacidi (nelle loro unità costituenti) che sono i soli a poter essere assorbiti direttamente dalle cellule epiteliali intestinali prima di essere trasferiti nel sangue per le necessità dell'organismo.

Le proteine

Funzioni delle proteine

Le proteine costituiscono oltre il 18% della materia vivente e, tenendo conto che il 66% di questa è costituita da acqua, esse ne rappresentano la parte più consistente rispetto agli altri componenti chimici. Il termine “proteina” deriva dal greco “proteios” che significa “protagonista” e sta ad indicare appunto che le proteine tra le biomolecole svolgono un ruolo molto rilevante. Chimicamente esse sono composti quaternari formati da: C, H, O, N, ma molte contengono anche zolfo (S) e fosforo (P) e raramente altri elementi (per es. l’emoglobina contiene ferro). Sono molecole di grandi dimensioni, macromolecole biologiche formate da una o più catene amminoacidiche; hanno una massa molare (MM) che ha ordine di grandezza di 10⁴ - 10⁶ u.m.a. Le proteine svolgono numerose funzioni biologiche tra le quali ricordiamo:

• Funzione strutturale: le proteine sono le molecole costitutive della materia vivente ed entrano nella formazione delle membrane cellulari, del citoplasma e del nucleo; contribuiscono a formare l’impalcatura del corpo, alcuni tessuti sono costituiti prevalentemente da proteine. Proteine sono sia il collagene presente nella pelle che la cheratina presente nei capelli e nelle unghie.
• Funzione di trasporto: le proteine sono il mezzo di trasporto utilizzato dal nostro organismo per trasferire molecole e ioni nei vari distretti in cui vengono richiesti; ad esempio l’emoglobina dei globuli rossi dei vertebrati (è il pigmento rosso del sangue ed una proteina) trasporta l’ossigeno O₂ dai polmoni ai tessuti oppure l’albumina che trasporta acidi grassi.
• Funzione catalitica: le proteine sono catalizzatori biologici (enzimi) e rendono più veloci le reazioni che avvengono all’interno degli organismi viventi, ad es. la lipasi rende più veloci le reazioni dei lipidi con l’H₂O.
• Funzione di riserva: conservano nell’organismo importanti sostanze di riserva. Ad esempio le proteine possono essere utilizzate come riserva di amminoacidi come accade nei semi dei vegetali.
• Funzione contrattile: ci sono proteine che rendono possibile il movimento dei muscoli; per esempio l’actina e la miosina rendono possibile la contrazione muscolare.
• Funzione immunitaria: ogni organismo si differenzia dagli altri per la sua costituzione proteica, le molecole estranee dette antigeni vengono riconosciute e neutralizzate mediante delle proteine dette anticorpi. Il fatto notevole è che la cellula ricorda un antigene già incontrato e si attiva contro di esso per neutralizzarlo producendo degli anticorpi specifici. È questo il modo in cui noi ci immunizziamo contro diverse malattie come il tetano o il morbillo. Quindi, ci sono proteine (come gli anticorpi) che rendono più forti le difese immunitarie dell’organismo (difese da infezioni). In particolare la γ-globulina è preposta alla formazione di anticorpi ed il fibrinogeno serve per la coagulazione del sangue.
• Funzione ormonale: alcuni ormoni sono a struttura proteica: insulina e glucagone che regolano il metabolismo del glucosio.
• Funzione di controllo: l'informazione genetica viene trasmessa da un organismo alla propria discendenza sotto lo stretto controllo di numerose proteine.
• Funzione di tampone e osmotica: le proteine hanno comportamento anfotero per cui possono comportarsi sia da acidi che da basi, neutralizzando le variazioni di acidità dell'ambiente biologico. Esse funzionano da tamponi e questa caratteristica è molto importante per il sangue che deve avere costantemente un pH compreso tra 7.35 e 7.45 per evitare i pericoli dell'acidosi o dell'alcalosi.
• Funzione di accettori, conduttori e trasformatori di energia: queste attività permettono alla cellula di rendere disponibile l'energia in modo tale che possa essere utilizzata.

Classificazione delle proteine

Si distinguono: A) proteine semplici costituite da soli amminoacidi e B) proteine coniugate costituite, invece, da una proteina semplice a cui è legato un gruppo chimico di natura non proteica detto gruppo prostetico. Inoltre, le proteine con funzione strutturale e alcune di quelle contrattili (con funzione di movimento) hanno una forma fibrosa. Sono costituite da catene polipeptidiche allungate, disposte in fasci lungo uno stesso asse a costituire delle fibre. Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di trasporto hanno invece una forma globulare. Le catene sono strettamente avvolte in forma compatta, sferica o globulare, come un gomitolo.

• Proteine fibrose: presentano una forma fibrosa e sono insolubili in H₂O, dal punto di vista funzionale sono principalmente materiali strutturali passivi. Hanno in prevalenza struttura secondaria. Esempi: cheratine e collagene.
• Proteine globulari: hanno in prevalenza struttura terziaria con amminoacidi idrofobici all'interno della molecola e amminoacidi idrofilici esposti all'ambiente acquoso esterno che le rendono solubili in H₂O. Esempio: emoglobina e mioglobina.
• Proteine fibroglobulari: sono composte da parti fibrose e da parti globulari, spesso unite come sub-unità indipendenti ma complementari nella funzione. Esempio: miosina.

Struttura delle proteine

Le proteine sono macromolecole naturali formate da amminoacidi legati fra loro mediante il legame peptidico che si instaura tra il gruppo carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico dell’amminoacido successivo.