Biotrasformazioni alimentari - modulo 1

Derivati degli acidi carbossilici

I derivati degli acidi carbossilici sono cloruri, anidridi, esteri, ammidi e nitrili. I fattori che influenzano la loro reattività verso i nucleofili sono l'effetto induttivo, l'ingombro sterico e la risonanza.

Gli esteri sono composti organici che derivano dagli acidi carbossilici per sostituzione del gruppo OH con il gruppo OR e hanno formula RCOOR. Gli esteri sono sostanze che possono essere ottenute per reazione tra un acido carbossilico e un alcol. Questa reazione acido-catalizzata è nota come esterificazione di Fisher. Gli esteri possono essere idrolizzati ad acidi carbossilici sia in catalisi acida che basica. L'idrolisi acida è la reazione inversa dell'esterificazione di Fischer. Poiché è un equilibrio, un eccesso di acqua spinge la reazione verso destra.

La transesterificazione è la reazione tra un alcol e un estere per fare un altro estere diverso.

I tioesteri sono composti che formalmente derivano dagli esteri per...

sostituzione dell'ossigeno alcossidico con lo zolfo: I tioesteri danno le stesse reazioni degli esteri con il medesimo meccanismo di reazione; la sostituzione nucleofila di un estere fatta avvenire con un alcol o acqua porta alla formazione di un tiolo: Le ammidi sono composti che derivano dagli acidi carbossilici e possono essere ammide primaria, secondaria e terziaria a seconda del numero di sostituenti presenti sull'azoto. Meccanismo di azione delle proteasi Il meccanismo di azione delle proteasi è basato sull'idrolisi di derivati di acidi carbossilici: l'acqua è uno dei reagenti e fa parte dell'ambiente della reazione. L'acqua è il mezzo di reazione e può diventare un agente limitante. L'idrolisi di un derivato di un acido carbossilico può essere fatta chimicamente in condizioni acide o basiche con meccanismi diversi e genericamente con la catalisi acida si lavora a pH 2 con temperatura superiore a 60°C. L'idrolisi

Avviene perché l'eccesso di protoni favorisce il legame tra il protone dell'ambiente e l'ossigeno, creando una carica parzialmente negativa sul carbonio, formando un intermedio che può evolvere grazie al fatto che X è un atomo nucleofilo e va a legarsi con uno degli idrogeni dell'acqua, diventando un buon gruppo uscente come RXH. Quello che rimane dell'intermedio evolve con la chiusura del legame CO con l'ossigeno dell'acqua, che viene incorporato a dare l'acido carbossilico. La stessa cosa succede in ambiente basico con una chimica leggermente diversa, dove l'eccesso di basicità va a legarsi al carbonio del CO. Se RX è un'ammina, non si ha il doppietto elettronico e quindi non si può fare l'idrolisi. Si forma un intermedio dove l'elettrone dell'ossigeno chiude a formare un doppio legame, esce RX e si forma l'acido carbossilico. Le idrolasi fanno questo tipo di idrolisi con meccanismi simili.

con un trasferimento di ioni nel sito attivo dell'enzima e questo trasferimento è fatto in condizioni blande per effetto del microambiente. La caratteristica generale è che molte idrolasi che agiscono sui derivati degli acidi carbossilici hanno esposti dei gruppi nucleofili OH o SH e questi, nelle condizioni del microambiente, sono in grado di formare i complessi acil-enzima, ovvero intermedi di reazione dove parte della molecola rimane legata all'enzima. Questo intermedio permette, in presenza di acqua, l'evolversi del ciclo catalitico e lo stabilirsi delle condizioni iniziali; per esempio, con la chimotripsina si parla di triade catalitica: si ha una serin-proteasi dove la catalisi avviene grazie all'azione catalitica dell'acido aspartico 102, dell'istidina-57 e della serina-195 ed è lo stesso meccanismo che accade in molte proteasi ed esterasi. La restante parte dell'amminoacido coinvolto ha un effetto di ingombro sterico.diinterazione con il substrato. Il meccanismo di idrolisi è basato sul fatto che un protone sull'istidina è mobile e può trasferirsi su porzioni diverse dell'anello in base alle condizioni del microambiente, quindi può interagire con la carica negativa dell'acido aspartico in posizione 102 (conformazione primaria proteina) e l'aspartato va a deprotonarsi. Questo meccanismo diventa produttivo quando è presente una specie (substrato) che è in grado di accettare gli elettroni, ovvero il gruppo carbonilico CO; nel primo step si ha il substrato CO, avviene la prima sequenza con la formazione di un intermedio tetraedrico acil-enzima per eliminazione della parte R'X. La carica negativa dell'ossigeno chiude diventando un doppio legame, R'XH esce e poi interviene l'acqua che diventa un buon nucleofilo grazie al microambiente, ovvero l'ossigeno interagisce con il carbonio dell'acil-enzima e si forma un altro.

intermediotetraedrico 2 e si ha la carica negativa sull'ossigeno che diventa un doppio legame RCOO- o RCOOH e poi i residui amminoacidici sono identici a quelli iniziali. Questo vale per tutte le proteasi e può cambiare la presenza di un nucleofilo come la serina oppure di un metallo o di altri agenti chimici come le metallo-proteasi dove l'attrattore di elettroni non è il gruppo nucleofilo ma un metallo formando sempre l'intermediotetraedrico con rimozione del gruppo RH ecc. L'enzima accelera una reazione in quanto abbassa l'energia di attivazione ma non interviene sulla termodinamica in quanto prevede l'intervento esterno modificando l'ambiente di reazione. Quando si ha l'acil-enzima si elimina R'XH e poi interviene l'acqua che dà l'acido carbossilico ma se si aggiunge una specie chimica nucleofila fa la reazione: ad esempio, se si ha R''XH come un' ammina o un alcol fa

L'attacco nucleofilo produce un altro estere e quindi non si fa una reazione di idrolisi ma una reazione di transesterificazione: si parte da un estere RCOOR' e invece di aggiungere acqua si aggiunge alcol R''OH e si ottiene un altro estere dove la porzione R' viene sostituita da R''. Questo permette di influenzare i prodotti. Questo può essere fatto in alcol al 100% con etanolo con il problema della stabilità dell'enzima nell'ambiente di reazione; se si fa la reazione in un alcol miscibile in acqua si ha una competizione tra transesterificazione e idrolisi. Se si fa in alcol al 98% e acqua al 2% si dà stabilità all'enzima e poi si ha sempre intervento dell'acqua in termini di idrolisi, quindi si produce un estere nuovo ma c'è sempre l'acqua. Se lo scopo è ottenere l'estere bisogna fermare la reazione ma è un modo per indirizzare la reazione di idrolisi.

proteasi che lavorano come la chimotripsina con la triade catalitica molto spesso non hanno unaspecificità di substrato elevata; la chimotripsina si può usare come proteasi ma fa anche l'idrolisi di esteri, quindi hanno applicazioni nell'alimentare nella produzione delle cagliate ma anche per fare biotrasformazionidi molecole su cui sono attivi. Questi enzimi hanno specificità di substrato bassa e facendo l'idrolisi di un estere con un'idrolasi spesso è possibile farla anche una proteasi. Come tutte le idrolasi, il significato è l'idrolisi e la degradazione di macromolecole; queste appartengono a una famiglia di enzimi che non hanno specificità di substrato come le ammidasi. Un esempio è l'idrolisi del legame ammidico di alcune penicilline per fare amminoacidi. Esistono 4 diversi tipi di proteasi in funzione del meccanismo d'azione: - Le serin-proteasi, il gruppo β-idrossi di una serina agisce da

nucelofilo come con la tripsina.

• Le cistein-proteasi, il gruppo b-tiolico di una cisteina agisce da nucelofilo come papaina e bromelaina.
• Le metallo-proteasi comprendono la termolisina con un meccanismo in cui alcuni cationi bivalenti(zinco) fanno da acido di Lewis per la formazione dell'intermedio a pH neutro.
• Le proteasi acide come la gastrina o le proteasi dell'HIV sono acide perché gli aa coinvolti sono glutammato e acido aspartico.

Alcune applicazioni sono: la caseificazione dove le idrolasi sono impiegate come proteasi per la formazione della cagliata ma anche nella maturazione dei formaggi dove intervengono altre idrolasi come lipasi ed esterasi provenienti dallo starter impiegato o come enzimi esogeni nella preparazione del caglio (rennina). La chimosina ha specificità per alcune porzioni delle caseine e porta alla produzione della cagliata.

Produzione di aspartame: L'aspartame è una molecola dipeptide fatta da acido aspartico e...

fenil-alanina; sesi sintetizza l'alfa-aspartame si ottiene undolcificante con un potere 200 voltemaggiore del saccarosio, mentre l'isomerobeta è amaro e quindi bisogna avere unasintesi specifica. Si usa il carbonio beta oalfa per fare il legame peptidico. Siprendono due amminoacidi con unasintesi stereospecifica con un enzima e siottiene un dipeptide con il 90% di resa: trai due amminoacidi si forma un legamepeptidico con un enzima in ambienteacquoso, quindi con un'idrolasi in 100%acqua. Questo si fa spostando l'equilibrio della reazione verso la sintesi rispetto all'idrolisi; ci sono diversestrategie attuabili: la prima è formare quel determinato legame peptidico con la termolisina, 10 mol di acidoaspartico e 10 mol di fenilalnina portando alla formazione dell'aspartame-alfa ma anche di tutti i peptidipossibili, come aspartico-aspartico in quanto si hanno i gruppi COOH e H2 liberi. Si riesce a fare solo l'alfa-aspartame

proteggendo chimicamente gli amminoacidi andando ad occupare i gruppi non interessati nella formazione del legame: nell'acido aspartico il gruppo Z viene legato al gruppo amminico libero e nella fenilalanina viene bloccato il COOH esterifcandolo con metanolo. Gli amminoacidi sono quindi protetti e vengono messi in acqua con la termolisina e non avviene nessuna reazione perché la proteasi in acqua fa l'idrolisi; si agisce quindi sull'equilibrio di reazione con un eccesso molare, ovvero si altera il rapporto molare dei substrato aggiungendo un eccesso molare di fenilalanina rispetto all'acido aspartico. Questo perché quando si fa l'esterificazione chimica della L-fenilalanina metil-estere si ottiene poi anche la D-fenilalanina meti-estere e quindi bisogna aggiungerne molta per ottenere la formazione del dipeptide; la fenilalanina metil-estere è anche ingr