Biochimica 1

AMMINOACIDI    

Tutti  i  20  amminoacidi  presenti  nelle  proteine  sono  alfa-­‐amminoacidi:  essi  possiedono  un  gruppo  

carbossilico  (-­‐COOH)  e  un  gruppo  amminico  (-­‐NH2)  entrambi  legati  ad  un  singolo  atomo  di  carbonio,  

chiamato  “carbonio  alfa”,  e  differiscono  l’uno  dall’altro  per  la  catena  laterale,  o  “gruppo  R”,  che  si  

differenzia  per  struttura,  dimensioni  e  carica  e  quindi  influenza  anche  la  solubilità  dell’amminoacido  

nell’acqua.    

Quando  un  atomo  di  carbonio  è  legato  a  quattro  sostituenti  diversi,  formando  così  una  molecola  

asimmetrica,  il  carbonio  viene  detto  “chirale”,  o  “centro  di  chiralità”.  Tutti  gli  amminoacidi,  ad  eccezione  

della  glicina,  hanno  appunto  l’atomo  di  carbonio-­‐alfa  unito  a  quattro  gruppi  diversi:  il  gruppo  

carbossilico,  il  gruppo  amminico,  il  gruppo  R  e  l’atomo  di  idrogeno  (nella  glicina  invece  il  gruppo  R  è  un  

atomo  di  idrogeno).  L’atomo  di  carbonio-­‐alfa  è  quindi  un  “centro  chirale”,  dove  la  disposizione  degli  

orbitali  di  legame  al  carbonio  è  tetraedrica,  quindi  i  quattro  gruppi  sostituenti  si  possono  disporre  nello  

spazio  in  due  diversi  modi,  che  corrispondono  ad  immagini  speculari  non  sovrapponibili:  queste  due  

forme  rappresentano  una  classe  di  stereoisomeri  detti  “enantiomeri”.  Pertanto  per  ogni  amminoacido  

possono  esistere  due  isomeri  che  si  designano  come  forme  D  ed  L  (gli  aminoacidi  delle  proteine  sono  

esclusivamente  aminoacidi  di  tipo  L).  

La  discriminazione  della  cellula  di  una  forma  o  dell’altra  avviene  a  causa  degli  enzimi,  i  cui  siti  attivi  sono  

fortemente  asimmetrici  e  possono  catalizzare  le  loro  reazioni  solo  in  presenza  del  corretto  enantiomero.    

Gli  amminoacidi  possono  essere  classificati  suddividendoli  in  base  alle  proprietà  dei  loro  gruppi  R  e  in  

particolare  considerando  la  loro  “polarità”.  La  polarità  dei  gruppi  R  varia  da  completamente  non  polare  

o  idrofobico  (insolubile  in  acqua)  ad  altamente  polare  o  idrofilico  (solubile  in  acqua).  Si  dividono  in:        

Gruppi  R  alifatici  non  polari:  sono  glicina,  alanina,  prolina,  valina,  leucina,  isoleucina  e  metionina.  

Ciascuno  di  questi  aminoacidi  possiedono  singole  particolarità:      

-­‐ Alanina,  valina,  leucina  e  isoleucina  tendono  a  raggrupparsi  insieme  alle  proteine  stabilizzando  la  

struttura  della  proteina  stessa  grazie  ad  interazioni  idrofobiche;  

-­‐ La  glicina  è  l’aminoacido  più  semplice,  l’unico  a  non  possedere  un  centro  chirale  e  non  fornisce  

un  contributo  significativo  alle  interazioni  idrofobiche;  

-­‐ La  metionina  è  uno  dei  due  aminoacidi  contenenti  zolfo  (il  secondo  è  la  cisteina)  e  il  suo  gruppo  R  

contiene  un  gruppo  tioetere  non  polare  (CH2  −  S  −  CH3);  

-­‐ La  prolina  ha  una  struttura  ciclica  particolare  che  riduce  la  flessibilità  strutturale  del  polipeptide  

nelle  regioni  in  cui  essa  è  presente.    

Gruppi  R  aromatici:  sono  fenilalanina,  tirosina  e  triptofano.  Tutti  possono  partecipare  nelle  interazioni  

idrofobiche,  e  il  gruppo  −OH  della  tirosina  può  in  aggiunta  formare  legami  idrogeno,  funzionalmente  

importanti  per  alcuni  enzimi.  La  fenilalanina  è  l’aminoacido  meno  polare  del  gruppo  per  via  del  fatto  che  

il  suo  anello  aromatico  non  è  modificato  da  gruppi  funzionali.    

Gruppi  R  polari  non  carichi:  sono  serina,  treonina,  cisteina,  asparagina  e  glutammina.  La  polarità  è  

derivata  per  serina  e  treonina  dal  gruppo  −OH,  per  la  cisteina  dal  gruppo  −SH,  per  asparagina  e  

glutammina  dai  loro  gruppi  amminici  −NH2.  Asparagina  e  glutammina  sono  gli  amidi  di  due  aminoacidi  

di  base:  aspartato  e  glutammato;  la  cisteina,  invece,  può  velocemente  ossidarsi  per  formare  un  dimero  

aminoacidico  chiamato  cistina,  che  grazie  al  suo  ponte  disolfuro  stabilizza  moltissimo  la  struttura  di  

molte  proteine.    

Gruppi  R  carichi  positivamente  (basici):  sono  lisina,  arginina  ed  istidina.  L’unico  tra  questi  ad  avere  una  

catena  laterale  ionizzabile  con  un  pKa  vicino  alla  neutralità  è  l’istidina,  che  a  pH  7  è  presente  sia  in  forma  

protonata  che  in  forma  neutra.    

Gruppi  R  carichi  negativamente  (acidi):  sono  aspartato  e  glutammato,  entrambi  dotati  di  un  secondo  

gruppo  carbossile.    

Gli  amminoacidi  possono  essere  legati  covalentemente  per  mezzo  della  formazione  di  un  “legame  

ammidico”  tra  il  gruppo  alfa-­‐carbossilico  di  un  amminoacido  e  il  gruppo  alfa-­‐amminico  di  un  altro.  

Questo  legame  è  definito  “legame  peptidico”,  e  i  prodotti  formati  da  questo  legame  sono  detti  

“peptidi”.  Il  prodotto  del  legame  peptidico  tra  una  glicina  ed  una  alanina  è  definito  invece  “dipeptide”,  

poiché  deriva  dalla  condensazione  di  due  amminoacidi.  La  reazione  può  essere  vista  come  semplice  

eliminazione  di  una  molecola  d’acqua  tra  il  gruppo  carbossilico  di  un  amminoacido  e  il  gruppo  amminico  

dell’altro.  Si  noti  che  la  reazione  lascia  ancora  un  gruppo  H3N+  disponibile  ad  un’estremità  del  dipeptide  

e  un  gruppo  carbossilico  libero  all’altra.  Perciò  la  reazione  potrebbe  in  teoria  essere  continuata  

aggiungendo,  per  esempio,  acido  glutammico  a  un’estremità  e  lisina  all’altra,  formando  così  un  

“tetrapeptide”.  La  porzione  di  ciascun  amminoacido  che  entra  a  far  parte  della  catena  viene  detta  

“residuo  amminoacidico”.  Quando  il  numero  degli  amminoacidi  è  relativamente  piccolo,  la  struttura  

viene  detta  “oligopeptide”,  invece  se  gli  amminoacidi  sono  numerosi,  il  prodotto  viene  chiamato  

“polipeptide”.  La  maggior  parte  degli  oligopeptidi  e  dei  polipeptidi  mantengono  un  gruppo  amminico  

libero  ad  un’estremità,  detta  “estremità  amino-­‐terminale”  o  “N-­‐terminale”,  ed  un  carbossile  libero  

all’altra  estremità,  detta  “estremità  carbossi-­‐terminale”  o  “C-­‐terminale”.    

PROTEINE    

Le  proteine  sono  macromolecole  polimeriche  caratterizzate  da  una  struttura  di  base  uniforme,  

rappresentata  dalla  “sequenza  amminoacidica”.  Le  proteine  non  si  presentano  come  semplici  filamenti,  

ma  assumono  strutture  tridimensionali,  in  quanto  tendono  a  ripiegarsi  su  se  stesse  assumendo  una  

conformazione  precisa:  le  conformazioni  possibili  sono  di  solito  quelle  termodinamicamente  più  stabili,  

ossia  quelle  che  hanno  la  minore  energia  libera  di  Gibbs.  Le  proteine  che  si  trovano  nella  loro  

conformazione  funzionale  sono  dette  “proteine  native”;  la  “stabilità”,  invece,  può  essere  definita  come  

la  tendenza  a  mantenere  una  conformazione  nativa.  Una  catena  polipeptidica  può  teoricamente  

assumere  innumerevoli  conformazioni  per  il  fatto  che  lo  stato  non  avvolto  è  caratterizzato  da  un  elevato  

grado  di  “entropia  conformazionale”  che  si  contrappone  al  ripiegamento,  mantenendo  lo  stato  non  

avvolto.  Le  interazioni  chimiche  che  controbilanciano  questi  effetti  e  stabilizzano  la  conformazione  

nativa  sono:  ponti  disolfuro,  interazioni  deboli  non  covalenti  (legami  idrogeno),  interazioni  idrofobiche,  

interazioni  ioniche  (ponti  salini)  ed  interazioni  di  van  der  Waals.  I  legami  covalenti  che  contribuiscono  

alla  conformazione  nativa  della  proteina  sono  chiaramente  molto  più  forti  delle  singole  interazioni  

deboli,  ma  sono  tuttavia  quest’ultime  che  predominano  nello  stabilizzare  la  struttura  delle  proteine  a  

causa  del  loro  numero  molto  più  elevato.  La  stabilità  di  una  proteina  è  data  anche  dalla  formazione  di  un  

legame  idrogeno,  precedentemente  impegnato  con  una  molecola  d’acqua  prima  che  la  proteina  si  

ripiegasse.  Per  ogni  legame  idrogeno  che  si  genera  all’interno  di  una  proteina,  bisogna  quindi  che  si  

rompa  un  legame  idrogeno  della  stessa  forza  tra  lo  stesso  gruppo  e  l’acqua.  La  conformazione  nativa  di  

una  proteina,  quindi,  è  favorita  rispetto  alle  altre  perché  nessun’altra  molecola  ha  la  stessa  capacità  

dell’acqua  di  formare  legami  idrogeno;  altre  molecole  ad  esempio  potrebbero  interferire  in  qualche  

modo  con  i  legami  idrogeno  esistenti  e  determinarne  la  rottura.  

Effetto  idrofobico:  Esiste  un  altro  fattore  che  contribuisce  alla  stabilità  termodinamica  di  molte  

proteine.  Quando  l’acqua  circonda  un  composto  idrofobico,  la  disposizione  ottimale  dei  legami  idrogeno  

porta  alla  formazione  di  uno  strato  ben  organizzato,  detto  “strato  di  solvatazione”,  di  molecole  di  acqua  

nelle  immediate  vicinanze  della  molecola  idrofobica.  Questo  ordinamento  delle  molecole  d’acqua  

corrisponde  ad  una  diminuzione  del  disordine  del  sistema:  l’entropia  pertanto  diminuisce.  Considerando  

di  avere  una  catena  polipeptidica  contenente  un  elevato  numero  di  residui  laterali  idrofobici  (ad  

esempio  leucina  e  isoleucina):  quando  tale  catena  è  nella  forma  non  ripiegata  questi  residui  sono  a  

contatto  con  l’acqua  e  provocano  il  riordinamento  delle  molecole  d’acqua  nello  strato  di  solvatazione,  

determinando  così  una  diminuzione  dell’entropia.  Se  però  la  catena  si  ripiega  in  una  struttura  globulare,  

questi  residui  laterali  idrofob