Amminoacidi e proteine - Schemi riassuntivi di Biochimica

Amminoacidi e proteine

Le proteine mediano praticamente tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono un numero enorme di funzioni. Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti, presenti in tutti i tipi di cellule e in tutte le frazioni subcellulari. Unità monomeriche relativamente semplici sono alla base della struttura di migliaia di differenti proteine. Le proteine di qualsiasi organismo, dai batteri più semplici agli esseri umani, sono formate sempre dalla stessa serie di 20 amminoacidi. Poiché ogni amminoacido ha una catena laterale con specifiche proprietà chimiche, questo gruppo di 20 precursori delle proteine può essere considerato come una forma di alfabeto con cui è scritto il linguaggio della struttura delle proteine.

Per generare una particolare proteina, gli amminoacidi vengono legati covalentemente in una caratteristica sequenza lineare. Gli amminoacidi possono essere considerati come le unità costitutive con cui organismi diversi possono generare prodotti molto diversi, come enzimi, ormoni, anticorpi, trasportatori, fibre muscolari e miliardi di altre sostanze che posseggono attività biologiche specifiche.

Gli amminoacidi

Le proteine sono polimeri di amminoacidi in cui ogni residuo amminoacidico è unito a quello vicino da uno specifico tipo di legame covalente. Il termine "residuo" sottolinea la perdita di una molecola di H₂O quando un amminoacido si unisce ad un altro. Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono α-amminoacidi. Essi hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legato allo stesso atomo di C, il Cα, e differiscono per la catena laterale, o gruppo R, che si differenzia per struttura, dimensioni e carica, quindi influenza anche la solubilità dell’amminoacido nell’acqua.

In aggiunta a questi 20 amminoacidi ne esistono altri:

• Alcuni residui subiscono modificazioni dopo essere stati inseriti nelle proteine.
• Altri sono amminoacidi presenti nell’organismo ma che non fanno parte delle proteine.

A ogni amminoacido presente nelle proteine è stata assegnata un’abbreviazione a 3 lettere e un simbolo a una lettera utilizzati per indicare le sequenze e le composizioni in amminoacidi delle proteine. In tutti i comuni amminoacidi, eccetto la glicina, il Cα è legato a 4 gruppi differenti:

• Un gruppo carbossilico
• Un gruppo amminico
• Un gruppo R
• Un atomo di H

Il Cα è quindi un centro chirale. A causa della disposizione tetraedrica degli orbitali di legame, i 4 gruppi differenti possono disporsi nello spazio in due modi diversi, quindi per ogni amminoacido sono possibili 2 stereoisomeri. Tutte le molecole con un centro chirale sono anche otticamente attive, cioè ruotano in piano della luce polarizzata.

È stato sviluppato uno speciale sistema di nomenclatura per specificare la configurazione assoluta dei 4 sostituenti degli atomi di C asimmetrici. La configurazione viene stabilita con il sistema D, L. Quasi tutti i composti biologici con un centro chirale sono presenti in natura soltanto in una forma stereoisomerica, L o D. I residui degli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L. Le cellule sono in grado di sintetizzare specificamente l’isomero L degli amminoacidi in quanto i siti attivi degli enzimi sono asimmetrici e le reazioni che essi catalizzano sono quindi stereospecifiche.

Classificazione degli amminoacidi

I 20 amminoacidi essenziali possono essere classificati in base al loro gruppo R. Gli amminoacidi possono essere raggruppati in 5 classi principali, sulla base delle proprietà dei gruppi R, utilizzando in particolare la loro polarità, cioè la tendenza a reagire con l’acqua a pH fisiologico (intorno a 7,0).

Gruppi R alifatici non polari

I gruppi R di questa classe di amminoacidi sono non polari e quindi idrofobici. Le catene laterali di alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine, stabilizzando la struttura proteica tramite interazioni idrofobiche. La glicina, l'unico amminoacido non chirale, a causa della sua minuscola catena laterale non contribuisce alla formazione di interazioni idrofobiche. La metionina, uno dei due amminoacidi contenente lo zolfo, ha un gruppo tioetere non polare nella sua catena laterale. La prolina ha una catena laterale alifatica con una caratteristica struttura ciclica.

Gruppi R aromatici

I tre amminoacidi fenilalanina, tirosina e triptofano, con le loro catene laterali aromatiche, sono relativamente non polari (idrofobici). Tutti e tre possono intervenire nelle interazioni idrofobiche. Il gruppo ossidrilico della tirosina può formare legami idrogeno. La tirosina e il triptofano sono sensibilmente più polari della fenilalanina, per la presenza del gruppo ossidrilico nella tirosina e dell’atomo di azoto nell’anello indolico del triptofano.

Gruppi R polari, non carichi

I gruppi R di questi amminoacidi sono molto più solubili in acqua, o più idrofili, di quelli degli amminoacidi non polari, perché contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l’acqua. Questa classe di amminoacidi comprende la serina, la treonina, la cisteina, l’asparagina e la glutammina. La polarità della serina e della treonina è dovuta al loro gruppo ossidrilico, mentre quella dell’asparagina e della glutammina ai loro gruppi ammidici. L’asparagina e la glutammina sono ammidi di altri due amminoacidi presenti nelle proteine, rispettivamente aspartato e glutammato.

La cisteina è un caso particolare poiché la sua polarità, a cui contribuisce il suo gruppo sulfidrilico, è abbastanza modesta. La cisteina è un acido debole, per cui può formare legami idrogeno deboli con l’O e con l’N. La cisteina è facilmente ossidabile e forma, mediante un legame covalente, un dimero chiamato cistina, in cui i due monomeri sono uniti da un ponte disolfuro. I residui di cisteina uniti da un ponte disolfuro sono molto idrofobici (non polari). Ponti disolfuro sono presenti in molte proteine e ne stabilizzano la struttura formano un legame covalente tra parti di una stessa proteina o tra due proteine diverse.

Gruppi caricati positivamente (basici)

I gruppi R più idrofili sono quelli che contengono cariche nette sia positive sia negative. Sono la lisina, che ha un secondo gruppo amminico primario nella sua catena alifatica, l’arginina, che ha un gruppo guanidinico carico positivamente e l’istidina, che contiene un gruppo imidazolico aromatico.

Gruppi R caricati negativamente (acidi)

I due amminoacidi che hanno gruppi R con una carica negativa netta a pH 7,0 sono l’aspartato e il glutammato, ognuno dei quali ha un secondo gruppo carbossilico.

Amminoacidi modificati e non standard

Oltre ai 20 amminoacidi comuni, le proteine possono contenere dei residui amminoacidici modificati formati per modificazione chimica dei residui già incorporati nel polipeptide. Tra questi ricordiamo la selenocisteina, che contiene selenio al posto dell’atomo di zolfo della cisteina, e la pirrolisina, che è identica alla lisina, con l’aggiunta del pirrolo. Quest’ultima gli esseri umani non ce l’hanno.

Gli amminoacidi non standard non riusciamo a codificarli, ma fanno parte delle proteine. Gli amminoacidi infatti possono assumere svariate funzioni, ad esempio possono svolgere catalisi enzimatica (enzimi), possono essere usati come trasporto (emoglobina/ferritina), possono fungere da sostegno meccanico (collagene), come protezione immunitaria (anticorpi) o come trasmissione di impulsi nervosi (recettori).

I gruppi amminici e i gruppi carbossilici degli amminoacidi, insieme con i gruppi R ionizzabili di alcuni di essi possono comportarsi come acidi e basi deboli. Quando un amminoacido che non possiede un gruppo R ionizzabile viene sciolto in acqua a pH neutro, esso esiste in soluzione sotto forma di ione dipolare, chiamato “zwitterione” e può comportarsi come acido o come base, quindi può donare o accettare protoni e diventare un catione (+) o diventare un anione (-).

Titolazione degli amminoacidi

Un semplice α-amminoacido monoammino monocarbossilico, come l’alanina, quando è completamente protonato, è un acido diprotico, in quanto possiede due gruppi funzionali che possono cedere protoni: il gruppo –COOH e il gruppo –NH₃⁺. La titolazione acido-base comporta la graduale aggiunta o rimozione di protoni a gruppi funzionali ionizzabili.

I due gruppi ionizzabili della glicina, il gruppo carbossilico e il gruppo amminico, vengono titolati come base forte, come l’NaOH. La curva di titolazione mostra due fasi distinte corrispondenti ai due differenti gruppi titolabili della glicina:

• Nella prima fase della titolazione il gruppo carbossilico –COOH della glicina perde il suo protone. Nel punto di mezzo di questa fase si hanno delle concentrazioni equimolari delle due forme, protonata (H₃N⁺–CH₂–COOH) e non protonata (H₃N⁺–CH₂–COO^-).
• Man mano che la titolazione procede si raggiunge un punto molto importante chiamato “punto isoelettrico”. In questo punto la rimozione del primo protone è quasi completa, mentre la rimozione del secondo protone è appena iniziata. In questo punto la glicina si trova nella sua forma dipolare (zwitterione). In questo punto la glicina ha carica netta pari a zero (H₃N⁺–CH₂–COO^-).
• Nella seconda fase della titolazione si ha la rimozione di un protone dal gruppo amminico –NH₃⁺ della glicina.

Osservando la curva di titolazione possiamo dedurre che questo amminoacido ha due regioni a potere tamponante: quella durante la quale il gruppo carbossilico perde il proprio protone, indicando che intorno al pH corrispondente ad un pK_a = 2,34 la glicina è un buon tampone, e quella in cui il gruppo amminico perde il proprio protone, altra zona in cui la glicina ha un potere tamponante è centrata intorno a pH = 9,60. Gli amminoacidi con un solo gruppo α-amminico e un solo gruppo α-carbossilico e un gruppo R non ionizzabile hanno curve di titolazione simili a quelle della glicina.

Il valore di pK_a del gruppo –COOH ha una variabilità tra 1,8 e 2,4 e il pK_a del gruppo –NH₃⁺ ha una variabilità tra 8,8 e 11,0. Gli amminoacidi con un gruppo R ionizzabile hanno curve di titolazione più complesse, con tre fasi corrispondenti alle tre possibili tappe di ionizzazione, quindi avremo in questi casi 3 valori.