Biochimica - prima parte

Le proteine e gli amminoacidi

Le proteine sono costituite da un repertorio di 20 amminoacidi. Gli amminoacidi sono unità strutturali delle proteine e sono composti organici contenenti un gruppo AMINICO, un gruppo CARBOSSILICO, un atomo di idrogeno e un gruppo R, legati ad un carbonio. Il carbonio viene identificato come carbonio α. Tutti gli amminoacidi che compongono le proteine sono α-amminoacidi.

Tutti i 20 aa standard condividono una struttura comune, ma differiscono a livello della loro catena laterale. Tutti gli amminoacidi (tranne la Glicina) hanno l'atomo di carbonio α legato a quattro gruppi diversi; quindi il carbonio α (asimmetrico) è un centro chirale. Quindi, in virtù del fatto che il carbonio in α tetraedrico lega 4 sostituenti diversi, gli α-amminoacidi presentano due forme: D e L. Questo vale per tutti gli amminoacidi tranne uno che è la Glicina in quanto ha come gruppo R che è l'idrogeno. Essa

èl’amminoacido più semplice (amminoacido simmetrico). In natura tutte le proteine sono formate da due stereoisomeri D e L. La forma L è la forma preferenziale perché siccome gli amminoacidi sono meno solubili e tendono a formare dei cristalli, la forma L è più solubile. Il gruppo carbossilico ha una pKa intorno a 2, mentre la pKb del gruppo amminico è intorno a 9; quindi a pH fisiologico (circa 7.4), l’amminoacido lo troveremo con il gruppo carbossilico completamente deprotonato (e quindi carico negativamente); mentre il gruppo amminico lo troviamo protonato (quindi carico positivamente). Quindi a pH fisiologico l’amminoacido lo troviamo sotto forma di ione dipolare o zwitterione. Il gruppo R si differenzia per: - Dimensione - Struttura chimica (es: la glicina ha l’H come gruppo R, mentre invece ci sono gruppi R molto più voluminosi) - Polarità (ci possono essere gruppi R apolari idrofobici, gruppi R polari)

non carichi, gruppi R carichi negativamente, e gruppi R carichi positivamente)- Reattività

La diversità dei gruppi R contribuisce in modo determinante alla multiformità delle proteine.

La struttura tridimensionale della proteina è quella che definisce la funzione di una proteina. Essa è una molecola che nello spazio assume una determinata conformazione, ed è questa conformazione che è responsabile della funzione della proteina; se la proteina perde la sua conformazione spaziale, perde la sua funzione.

La proteina nativa: è la proteina che ha raggiunto la propria conformazione tridimensionale stabile; quindi è molto importante che la proteina sia correttamente ripiegata perché se non lo è può perdere parte o tutta la proprietà biologica.

La struttura tridimensionale della proteina, è dettata dalla sequenza degli amminoacidi; e la sostituzione di un singolo amminoacido può avere effetti

importante per quella proteina perché ci possono essere proteine che hanno un solo amminoacido mutato ed esse non sono più biologicamente attive. LO STATO DI IONIZZAZIONE DEGLI AA VARIA CON IL PH L'amminoacido libero ha un gruppo amminico e un gruppo carbossilico e la pKa del gruppo carbossilico è intorno a 2, quindi: - Con pKa < 2 i gruppi carbossilico e amminico saranno protonati. - Con pKa intorno a valori fisiologici (7.4) il gruppo carbossilico tende a perdere il protone e quindi lo troviamo completamente deprotonato; mentre il gruppo amminico lo troviamo comunque protonato. - Con pKa > 9 il gruppo carbossilico sarà deprotonato e il gruppo amminico perde il protone e quindi anche lui sarà deprotonato. Per ogni aa sono possibili 2 stereoisomeri. Essendo immagini speculari non sovrapponibili, le 2 forme presentano una classe di stereoisomeri detti enantiomeri. (L e D) Solo gli L-aa entrano a far parte delle proteine dei mammiferi con qualche

eccezione.Il fatto che tutti gli organismi utilizzano gli stessi aa standard nella sintesi delle proteine suggerisce che tutte le specieviventi discendono da un progenitore comune.

Le proprietà del gruppo R influenzano la struttura tridimensionale (conformazione nativa) delle proteine. Quindi unaproteina si trova nella sua struttura nativa quando è biologicamente attiva; mentre, al contrario, una proteinadenaturata è una proteina che ha perso la propria struttura tridimensionale e quindi non è più biologicamente attiva.

In base alla polarità della loro catena laterale gli amminoacidi vengono suddivisi in gruppi. Circa la metà degli aa hauna catena laterale apolare.

In questa tabella sono indicati gli indici idropatici dei vari gruppi R degli amminoacidi. Esso ci dà un’indicazionedell’idrofobicità o idrofilicità del gruppo R: più è alto il numero e più il gruppo R ha caratteristiche idrofobiche.

Quindi questo indice idropatico ha permesso di suddividere gli amminoacidi tra quelli idrofobici e quelli idrofilici. In base alla disposizione degli amminoacidi in una catena amminoacidica, viene definita la struttura tridimensionale di una proteina; per cui se abbiamo amminoacidi molto idrofobici, questi tenderanno ad escludere l'acqua e quindi questi si ritroveranno all'interno della proteina. Ad esempio negli enzimi, che sono solubili in soluzioni acquose, troveremo gli amminoacidi idrofobici dentro alla proteina, mentre gli amminoacidi idrofilici li troveremo nella superficie della proteina a contatto con la soluzione acquosa. Quindi questo indice idropatico ci permette di predire dove è posizionato un determinato amminoacido all'interno di una proteina. Quindi i valori di idropatia vengono utilizzati per predire quali posizioni della catena proteica (ricche in aa con indice idropatico alto) si troveranno in zone interne della proteina dove non avranno contatto con l'acqua.

l'acqua. Quindi amminoacidi con indice idropatico alto li troveremo all'interno della proteina; mentre amminoacidi con indice idropatico basso li troveremo sulla superficie della proteina.

In questa tabella sono elencati i 20 amminoacidi:

Questi 20 amminoacidi sono indicati con il nome per esteso quindi: glicina, leucina, metionina, ecc.. ma essi possono essere indicati anche con un nome abbreviato a 3 lettere che è abbastanza semplice perché sono le prime tre lettere del nome inglese. Esempio: Glicina Gly

Poi c'è un'altra abbreviazione ad una lettera che è stata proposta perché negli studi di sequenza, per ridurre al massimo la voluminosità delle informazioni, è molto più semplice poter identificare gli amminoacidi con una sola lettera. La lettera, a volte, non ha niente a che fare con il nome originale. Nella tabella sono indicati tutti e tre i nomi.

I 20 AA COMUNI PRESENTI NELLE PROTEINE CLASSIFICATI IN BASE

ALLA POLARITÀ

Essi sono classificati in base alla polarità, quindi in base alla tendenza che essi hanno di interagire con l’acqua a pH fisiologico (7.4)

Abbiamo 5 amminoacidi che sono:

1. Gruppi R alifatici, non polari (sono 7): Glicina, Alanina, Prolina, Valina, Leucina, Isoleucina e Metionina.
2. Gruppi R aromatici (sono 3): Fenilalanina, Tirosina, Triptofano.
3. Gruppi R polari, non carichi (sono 5): Serina, Treonina, Cisteina, Asparagina e Glutammina.
4. Gruppi R carichi negativamente (sono 2): Aspartato e Glutammato.

NELLO SPECIFICO

1. GRUPPI R, ALIFATICI, NON POLARI

Questi amminoacidi hanno una scarsa solubilità in acqua; la Glicina che è l’amminoacido più semplice in quanto ha come gruppo R un atomo di idrogeno, è quell’amminoacido che troviamo nei punti in cui la proteina si ripiega perché un altro gruppo R più ingombrante non sarebbe ammesso.

La sequenza della tabella va dal meno idrofobico al più idrofobico;

quindi la Glicina avendo come gruppo R l'idrogeno, è la meno idrofobica; mentre la Metionina, avendo un gruppo R molto ingombrante, è la più idrofobica. Questi amminoacidi hanno la tendenza ad aggregarsi a causa del cosiddetto effetto idrofobico che rappresenta il fattore principale per la stabilizzazione della struttura delle proteine. Inoltre, essi hanno un ruolo fondamentale nel ripiegamento delle proteine (folding = ripiegamento proteine). Quindi, riassumendo, questi amminoacidi interagiscono tra di loro e guidano il ripiegamento delle proteine. Tra i 20 amminoacidi solo la Metionina e la Cisteina contengono lo zolfo. 2. GRUPPI R AROMATICI, IDROFOBICI Qui abbiamo la Fenilalanina che è quello più idrofobico in quanto ha un gruppo R particolarmente ingombrante; poi c'è la Tirosina che ha un gruppo OH in più rispetto alla Fenilalanina; e infine c'è il Triptofano che ha un anello indolico. Tirosina e Triptofano sono

più polari della Fenilalanina in quanto hanno: - La Tirosina un gruppo OH - Il Triptofano un gruppo NH nell’anello indolico

SPETTRO DI ASSORBIMENTO DEGLI AMMINOACIDI AROMATICI

Questi amminoacidi che hanno l’anello aromatico (Tirosina e Triptofano) hanno la caratteristica di assorbire la luce nell’ultravioletto (280 nm).

La caratteristica di assorbire la luce a determinate lunghezze d’onda, è una caratteristica che troviamo in altre molecole biologiche; ed è una caratteristica importante in quanto ci permette di dosare le proteine. Infatti la legge di Lambert-Beer dice che in base all’assorbanza, si può ricavare, ad una determinata lunghezza d’onda, la concentrazione proteica.

RAPPRESENTAZIONE EFFETTO IDROFOBICO

➔Effetto idrofobico Rappresenta il fattore principale per la stabilizzazione della struttura della proteina. Quindi la proteina tende ad assumere una determinata conformazione guidata dall’effetto idrofobico che

è dato dal gruppo R degli amminoacidi. Questo, per quanto riguarda le proteine globulari, ovvero le proteine che si trovano nel citosol disperse all'interno della cellula.

Poi ci sono altre proteine come le proteine canale (che attraversano il doppio strato lipidico) in cui gli amminoacidi idrofobici saranno posizionati in modo da interagire con i lipidi di membrana.

Quindi:

• Nelle proteine globulari gli amminoacidi idrofobici li troveremo all'interno;
• Nelle proteine canale essi sono posizionati in modo da interagire con i lipidi di membrana.

Quindi la disposizione di questi amminoacidi determina la funzione della proteina stessa.

3. AA CON GRUPPI R POLARI, NON CARICHI

La Serina e la Treonina hanno entrambe, nella catena laterale, un gruppo OH e questo gruppo OH e quello ammidico permettono ai rispettivi aa di formare legami H con l'acqua, tra di loro, con l'ossatura proteica o con altri composti polari.

La Cisteina ha uno zolfo nel gruppo R.

L'Asparagina

(deriva dall’Aspartato, un altro amminoacido) e la Glutammina (deriva dal Glutammato) hanno entrambe la carbossammide nel gruppo R.