Biochimica 1: introduzione al metabolismo; proteine

PROTEINE

Amminoacidi - L’unità fondamentale delle proteine è l’amminoacido.

Gli amminoacidi sono biomolecole formate da un carbonio centrale detto carbonio-α, chirale

in tutti gli amminoacidi tranne che nella glicina. Chirale vuol dire che lega quattro sostituenti

diversi, e che dunque le due immagini speculari della molecola amminoacidica risultante non

sono sovrapponibili. La glicina fa eccezione, poiché due dei quattro sostituenti sono uguali (H).

₃⁺

I sostituenti del carbonio-α sono sempre un gruppo amminico (NH₂, NH in soluzione), un

gruppo carbossilico (COOH, COOˉ in soluzione), un atomo di idrogeno (H) e una catena

laterale detta gruppo R, che rappresenta l’elemento variabile fra i diversi amminoacidi.

Per via delle proprietà opposte che si annullano del gruppo amminico e di quello carbossilico

(basico il primo e acido il secondo), le proprietà chimiche di un amminoacido sono determinate

dalla natura del gruppo R. I gruppi R, così, permettono di classificare gli amminoacidi in alifatici

apolari, aromatici, alifatici polari, carichi positivamente e carichi negativamente.

Proprietà acido-base di un amminoacido - Come detto, il gruppo amminico conferisce proprietà

basiche ad un amminoacido, mentre il gruppo carbossilico gli conferisce proprietà acide. Gli

amminoacidi sono, dunque, anfipatici. In virtù di questo, un amminoacido assume proprietà

acide o basiche a seconda dell’ambiente in cui è posto e del pH dello stesso ambiente. Si

definisce punto isoelettrico di un amminoacido il valore di pH a cui lo stesso amminoacido si

presenta come zwitterione, cioè come molecola la cui risultante delle cariche è pari a 0. Un

amminoacido in forma zwitterionica, avendo carica complessiva neutra, raggiunge il minimo

della sua solubilità.

Legame peptidico - Gli amminoacidi, per formare le proteine, si legano fra loro attraverso un

particolare legame di condensazione detto legame peptidico. Il legame interessa il gruppo

carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro, e in quanto legame di

condensazione implica la perdita di una molecola d’acqua, rappresentata dalla perdita di un

OH da parte del gruppo carbossilico e dalla perdita di un H da parte del gruppo amminico.

Il legame peptidico ha una particolare caratteristica, che è quella di parziale doppio legame: un

legame singolo, come risaputo, permette la rotazione fra i due atomi coinvolti e tutti gli altri legati

ad essi, mentre un legame doppio no; il legame doppio parziale peptidico crea un piano che

esclude la rotazione formato dai gruppi coinvolti nel legame, ossia il gruppo carbossilico di un

amminoacido e il gruppo amminico di un altro. I carboni-α legati a ciascun gruppo giacciono,

invece, sugli spigoli di questo piano non deformabile e hanno la possibilità di ruotare,

permettendo i vari ripiegamenti delle proteine che, al contrario, risulterebbero una catena rigida e

lineare.

Il carbonio-α di un amminoacido presenta due angoli diedri di legame, uno con il C del gruppo

carbossilico chiamato angolo Ψ (psi) e uno con la N del gruppo amminico detto angolo Ф

(phi). Le variazioni dei valori di questi angoli determinano diversi tipi di ripiegamento di una

catena polipeptidica.

I legami peptidici esistono in forma cis e trans: trans è quando le catene laterali degli

amminoacidi si trovano ai due lati opposti; cis è quando essi si trovano agli stessi lati. L’unico

amminoacido che non forma legami trans è la prolina, che dunque li forma solo cis.

Peso di una proteina a partire dagli amminoacidi - Se si conosce il numero di amminoacidi di una

proteina e lo si moltiplica per 110 si ottiene, grossolanamente, il peso della stessa proteina.

Amminoacidi e α-chetoacidi - Gli amminoacidi deaminati, cioè senza gruppo amminico,

diventano α-chetoacidi. Gli enzimi responsabili del distacco e dell’attacco di un gruppo

amminico ad un amminoacido, quindi della transizione da amminoacido ad α-chetoacido e

viceversa, sono le transaminasi. L’α-chetoacido coniugato dell’alanina è il piruvato: il piruvato

è il prodotto finale della glicolisi, e può andare incontro a diversi destini: decarbossilazione per

formare acetil-CoA; riduzione per formare acido lattico e sua riossidazione a piruvato nel

fegato. L’α-chetoacido coniugato dell’aspartato è l’ossalacetato. L’α-chetoacido coniugato

del glutammato è l’α-chetoglutarato.

Assorbimento luminoso – Per effettuare una stima grossolana degli amminoacidi che

compongono una soluzione proteica, ci si può avvalere di una particolare proprietà degli stessi:

l’assorbimento della luce. A tal proposito è importante sottolineare che gli amminoacidi

aromatici assorbono la luce a 280 nm.

Classificazione degli amminoacidi - Gli amminoacidi si classificano, in base alle proprietà

chimiche dei loro gruppi R, in apolari alifatici, aromatici, polari alifatici, carichi positivamente

e carichi negativamente.

• Gli amminoacidi apolari alifatici

sono:

1. Glicina, l’unico in cui il carbonio-

α non è chirale, in quanto il

sostituente R è un atomo di

idrogeno;

2. Alanina, il quale gruppo R è

rappresentato da un gruppo

metilico (CH₃); l’α-chetoacido

coniugato dell’alanina è il

piruvato (o acido piruvico), • Gli amminoacidi aromatici sono:

ossia il prodotto della glicolisi; 1. Fenilalanina, il più apolare dei

3. Prolina, la quale catena laterale tre; assorbe la luce a 280 nm;

è legata sia al carbonio-α che al

gruppo amminico; pertanto, la 2. Tirosina, abbastanza polare in

prolina ha dimensioni ridotte, e quanto contenente un gruppo

questo si traduce in una difficoltà OH; assorbe la luce a 280 nm;

di formare strutture secondarie 3. Triptofano, anch’essa

tipiche. La prolina, in effetti, forma abbastanza polare in quanto

soprattutto ripiegamenti-β o α- contenente un gruppo NH;

eliche speciali chiamate eliche assorbe la luce a 280 nm.

di tipo secondo delle

poliproline, in cui il numero di • Gli amminoacidi alifatici polari

amminoacidi per giro è 3 (e non sono:

3,6 come nelle α-eliche normali). 1. Serina;

Le proline formano legami

peptidici sempre di tipo cis, in cui 2. Treonina;

cioè le catene laterali sporgono 3. Asparagina e glutammina, che

verso lo stesso lato di quelle degli sono ammidi dei due

amminoacidi a cui si legano, amminoacidi bicarbossilici,

mentre gli altri li formano rispettivamente acido aspartico e

principalmente trans. Le proteine acido glutammico;

ricche in prolina sono

riconosciute da altre proteine 4. Cisteina, contenente, nella sua

particolari contenenti un motivo catena laterale, un gruppo

detto dominio SH3; sulfidrilico (SH) che le consente

di formare ponti disolfuro con

4. Metionina, la quale catena altre cisteine. I ponti disolfuro si

laterale contiene un atomo di formano, in genere, in ambiente

zolfo (S) che, tuttavia, non può extracellulare per dare

formare ponti disolfuro poiché resistenza e stabilità alla

non è legato sotto forma di struttura della proteina. Poiché il

gruppo sulfidrilico (SH) come ponte disolfuro si forma tramite

nel caso della cisteina. La una reazione di ossidazione,

metionina è l’amminoacido tramite eliminazione di due

codificato dal codone d’inizio idrogeni, per spezzare un ponte

AUG; disolfuro serve un agente

5. Valina; riducente che dona due H. Due

cisteine legate con un ponte

6. Leucina; disolfuro formano una molecola

7. Isoleucina. detta cistina.

• 1. Acido aspartico, che è un

Gli amminoacidi carichi amminoacido bicarbossilico il

positivamente sono: quale α-chetoacido coniugato è

1. Lisina; l’ossalacetato;

2. Arginina; 2. Acido glutammico, che è un

amminoacido bicarbossilico il

3. Istidina. quale α-chetoacido coniugato è

• Gli amminoacidi carichi l’α-chetoglutarato.

negativamente sono:

Catena polipeptidica e proteine - Le catene polipeptidiche sono polimeri di amminoacidi legati

fra loro attraverso legami peptidici. Il legame peptidico non è un legame di condensazione vero

e proprio, perché non avviene in soluzione, bensì mentre gli amminoacidi sono legati al tRNA;

dunque l’eliminazione di una molecola d’acqua avviene sotto forma di eliminazione di un H dal

gruppo amminico di un amminoacido e di un OH dal gruppo carbossilico di un altro. Una

catena polipeptidica ha, ai suoi poli, un N-terminale (per convenzione riconosciuto come inizio)

e un C-terminale.

Tuttavia, in una proteina non sono presenti solo legami peptidici, ma anche altri tipi di legami,

come ponti disolfuro, interazioni idrofobiche, legami di Van Der Waals e legami a idrogeno,

che ne stabilizzano i vari livelli di organizzazione strutturale.

Apoproteina e gruppo prostetico - Una proteina può non essere unicamente caratterizzata da una

o più catene polipeptidiche, ma anche da molecole non proteiche legate alla catena. La parte

proteica prende il nome di apoproteina, la parte non proteica prende il nome di gruppo

prostetico. In virtù di ciò, si possono avere metalloproteine, glicoproteine, lipoproteine,

emeproteine, fosfoproteine.

Struttura primaria - Si definisce struttura primaria di una proteina la semplice catena

polipeptidica di amminoacidi legati fra loro. I legami di riferimento della struttura primaria sono

i legami peptidici, ma anche i ponti disolfuro. Semplicisticamente, la struttura primaria di una

proteina è la sequenza amminoacidica.

Ad esempio, per descrivere la struttura primaria dell’insulina si dice che essa è formata da due

catene, una A e una B, si descrive la sequenza amminoacidica partendo dal N-terminale e si

evidenziano i ponti disolfuro, in questo caso uno intracatena nella catena A e due intercatena

(7-7 e 20-19).

Struttura secondaria - La struttura secondaria consiste in quell’insieme di primi ripiegamenti di

una proteina che coinvolgono tratti di catena, dunque amminoacidi vicini. Questi ripiegamenti

includono legami a idrogeno e interazioni idrofobiche.

Per quanto riguarda la struttura secondaria è importante tornare al concetto di rotazione

permessa dal legame peptidico. Come detto, questo legame immobilizza su un piano il carbonio

carbossilico e l’ossigeno ad esso legato, l’azoto amminico e l’idrogeno ad esso legato e i

carboni-α dei due amminoacidi. Questo piano rappresenta una sorta di mattone, e dunque la

catena polipeptidica risulta un insieme di questi mattoni che hanno la possibilità di ruotare con

fulcro proprio nei carboni-α. Ciascun carbonio-α, come detto, forma un legame Ψ (psi) con il

carbonio carbo