Amino Acids and Proteins Notes

Amminoacidi e Proteine

16. Amminoacidi: I Mattoni delle Proteine

Gli amminoacidi sono i monomeri dei peptidi e delle proteine, che sono polimeri contenenti legami peptidici.
Oltre a formare peptidi e proteine, gli amminoacidi partecipano a molte altre funzioni biologiche.

Esempi di Funzioni degli Amminoacidi:

Acido γ-amminobutirrico (GABA): Un neurotrasmettitore che regola le funzioni del sistema nervoso.
Dopamina: Un derivato dell'amminoacido tirosina che agisce come neurotrasmettitore, regolando le funzioni del sistema nervoso.
Istamina: Un derivato dell'amminoacido istidina; media l'infiammazione e le reazioni allergiche.
Tiroxina: Un derivato dell'amminoacido tirosina; un ormone tiroideo contenente quattro atomi di iodio, coinvolto nella regolazione del metabolismo.
Niacina: Un derivato dell'amminoacido triptofano; una vitamina idrosolubile coinvolta nella respirazione cellulare e nella circolazione sanguigna.

Denominazione degli Amminoacidi:

I 20 amminoacidi che costituiscono le proteine includono otto amminoacidi essenziali che il corpo non può sintetizzare. Questi devono essere ottenuti attraverso la dieta e sono cruciali per la crescita, lo sviluppo e il mantenimento.
Gli amminoacidi possono essere indicati con:
- Un nome comune (es. glicina, alanina o arginina).
- Codice a tre lettere, solitamente derivato dalle prime tre lettere del nome inglese dell'amminoacido (es. Gly, Ala, Arg), utilizzato nelle formule peptidiche.
- Un simbolo a una lettera, derivato dalla prima lettera (o una lettera successiva, se la prima è già assegnata) del nome inglese dell'amminoacido (es. G per glicina, A per alanina, R per arginina); utilizzato nelle sequenze di amminoacidi in peptidi e proteine.

Struttura degli Amminoacidi:

Gli amminoacidi sono composti bifunzionali contenenti due gruppi funzionali: un gruppo carbossilico $-COOH$ e un gruppo amminico $-NH_2$ .
Questi gruppi funzionali possono essere attaccati allo stesso atomo di carbonio (come negli α-amminoacidi) o a diversi atomi di carbonio (β-amminoacidi, γ-amminoacidi).
- $\alpha$ -amminoacido: $-CH(NH_2)-R-COOH$
- $\beta$ -amminoacido: $-CH(NH2)-CH2-COOH$
- $\gamma$ -amminoacido: $-CH(NH2)-CH2-CH_2-COOH$
Gli amminoacidi presenti negli organismi viventi, siano essi liberi o come componenti delle proteine, sono tutti α-amminoacidi. La loro formula generale (eccetto per la glicina e la prolina) include un atomo di carbonio centrale legato a un atomo di idrogeno, un gruppo amminico $-NH_2$ , un gruppo carbossilico $-COOH$ e un gruppo radicale (R) o catena laterale. Il gruppo R varia per ogni amminoacido e determina le sue proprietà specifiche.
Nella glicina, la catena laterale è un atomo di idrogeno. Nella prolina, la catena laterale forma un anello con l'azoto del gruppo amminico $-NH_2$ , che quindi ha un solo atomo di idrogeno.

Classificazione degli Amminoacidi

Gli amminoacidi sono classificati in due gruppi principali in base alle proprietà chimiche delle loro catene laterali: apolari (idrofobici) e polari (idrofilici).
- Amminoacidi Apolari: Questi possono avere catene laterali alifatiche o aromatiche, principalmente composte da atomi di carbonio e idrogeno, rendendoli idrofobici (insolubili in acqua).
  - Esempi: Alanina, leucina (alifatici), fenilalanina, triptofano (aromatici).
- Amminoacidi Polari: Suddivisi in non carichi, caricati negativamente (acidi) e caricati positivamente (basici).
  - Le loro catene laterali contengono gruppi funzionali con atomi altamente elettronegativi (ossigeno, azoto), che attraggono elettroni dai legami con gli atomi di idrogeno, creando cariche parziali negative su questi atomi e cariche parziali positive sull'idrogeno.
  - Questi gruppi sono idrofili e solubili in acqua, formando legami idrogeno.
  - Esempi:
    - Serina, cisteina e asparagina (polari, non carichi).
    - Acido aspartico e acido glutammico (caricati negativamente a causa di un gruppo carbossilico nella catena laterale).
    - Lisina e arginina (caricati positivamente a causa di un gruppo amminico nella catena laterale).
    - L'istidina è un amminoacido anfotero, che agisce sia come donatore di protoni (acido) che come accettore (base).

Amminoacidi come Molecole Chirali

L'atomo di carbonio $\alpha$ è uno stereocentro perché è legato a quattro gruppi atomici diversi (eccetto nella glicina, dove R è un atomo di idrogeno).
Tutti gli $\alpha$ -amminoacidi (eccetto la glicina) sono molecole chirali, esistenti come due enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili).

Proiezioni di Fischer:

Gli amminoacidi possono essere rappresentati usando le proiezioni di Fischer, con il gruppo carbossilico $-COOH$ in alto e il gruppo R in basso.
La configurazione è determinata dalla posizione del gruppo amminico $-NH_2$ : a destra indica la configurazione D, e a sinistra indica la configurazione L. Gli amminoacidi presenti in natura hanno la configurazione L.

Struttura Ionica degli Amminoacidi (Zwitterioni):

Gli amminoacidi subiscono reazioni acido-base intramolecolari a causa della presenza di gruppi carbossilici e amminici.
Il gruppo carbossilico $-COOH$ dona uno ione idrogeno $(H^+)$ , diventando uno ione carbossilato $-COO^-$ , mentre il gruppo amminico $-NH2$ accetta l' $(H^+)$ , diventando $-NH3^+$ . Questo forma uno ione dipolare o zwitterione, che ha sia cariche positive che negative su diversi gruppi funzionali.

Natura Anfotera degli Amminoacidi

Nella loro forma ionica dipolare, gli amminoacidi sono composti anfoterici (elettroliti anfoterici), reagendo sia con acidi che con basi.
- In una soluzione basica $(OH^-)$ , agiscono come acidi, donando un protone $(H^+)$ , e diventando un anione con una carica di -1.
- In una soluzione acida $(H_3O^+)$ , agiscono come basi, accettando un protone $(H^+)$ , e diventando un catione con una carica di +1.

Punto Isoelettrico (pI)

Il punto isoelettrico (pI) è il pH al quale un amminoacido esiste nella sua forma zwitterionica e ha una carica netta di zero.
Per gli amminoacidi con un gruppo carbossilico e un gruppo amminico, il pI è intermedio, tra pH 5.0 e 6.5.
Per gli amminoacidi acidi (acido aspartico e acido glutammico), che hanno due gruppi carbossilici e un gruppo amminico, il pI è molto basso (pH 3.0 e 3.2).
Per gli amminoacidi basici (istidina, lisina, arginina), che hanno un gruppo carbossilico e due gruppi amminici, il pI è maggiore di 7 (tra pH 7.6 e 10.8).
La carica di un amminoacido dipende dal pH della soluzione:
- Ad alto pH (soluzione basica), la carica è negativa e l'amminoacido è nella sua forma deprotonata (anionica).
- A basso pH (soluzione acida), la carica è positiva e l'amminoacido è nella sua forma protonata (cationica).

17. Il Legame Peptidico

Il legame peptidico è un legame covalente che si forma tra due amminoacidi.
L'unione di due o più amminoacidi porta alla formazione di peptidi e proteine.
I peptidi sono biopolimeri classificati come oligopeptidi (2-10 amminoacidi) e polipeptidi (11-80 amminoacidi). Le proteine sono biopolimeri formati da catene di più di 80 amminoacidi.
I termini polipeptide e proteina sono spesso usati come sinonimi.

Formazione del Legame Peptidico:

Un legame peptidico si forma tra il carbonio del gruppo carbossilico $-COOH$ di un amminoacido e l'azoto del gruppo amminico $-NH_2$ di un secondo amminoacido.
È un legame ammidico formato tramite una reazione di condensazione con l'eliminazione di una molecola d'acqua.
Il legame peptidico è rappresentato come un singolo legame covalente $(C-N)$ , ma ha una lunghezza intermedia tra un legame singolo e un legame doppio a causa della delocalizzazione della coppia di elettroni liberi sull'atomo di azoto. La risonanza consente di descrivere il legame ammidico con due formule limite.
La risonanza, che porta alla formazione di un parziale doppio legame tra carbonio e azoto, rende rigido il legame C-N, impedendo la rotazione. Pertanto, il gruppo peptidico assume una disposizione planare.
La rigidità del legame peptidico non impedisce la rotazione attorno ai singoli legami che collegano il carbonio $\alpha$ agli atomi di azoto e carbonile. Queste rotazioni consentono ai peptidi e alle proteine di adottare conformazioni ben definite.

Formazione e Scissione dei Legami Peptidici:

La reazione tra due amminoacidi $(aa1$ e $aa2)$ : condensazione.
Per convenzione, i dipeptidi sono scritti con l'amminoacido con il gruppo amminico libero a sinistra (amminoacido N-terminale) e l'amminoacido con il gruppo carbossilico libero a destra (amminoacido C-terminale).

Isomeri Dipeptidici:

Due amminoacidi $(aa1$ e $aa2)$ possono formare due diversi dipeptidi $(aa1-aa2$ e $aa2-aa1)$ . Questi sono isomeri a causa della diversa disposizione dei gruppi carbossilici e amminici.
Ad esempio, alanina e serina possono formare alanilserina (Ala-Ser) o serilalanina (Ser-Ala).
Il numero di possibili peptidi aumenta con il numero di amminoacidi nella catena. Il numero (n) di peptidi che possono essere ottenuti da (m) amminoacidi è dato da: $n = 1 \cdot 2 \cdot 3 \dots m$

Idrolisi dei Peptidi:

I peptidi possono essere scomposti in singoli amminoacidi attraverso l'idrolisi, una reazione catalizzata da enzimi specifici negli organismi viventi.

Legami Disolfuro

Oltre ai legami peptidici, un altro tipo di legame covalente, il legame disolfuro, può formarsi tra due amminoacidi in un peptide o proteina.
Il legame disolfuro è un singolo legame covalente tra due atomi di zolfo (S-S).
Nelle proteine, i legami disolfuro si formano tra i gruppi -SH delle catene laterali di due unità di cisteina.
I legami disolfuro possono formarsi tra diversi peptidi o tra due cisteine all'interno dello stesso peptide, causando il ripiegamento della catena. Questo ripiegamento è cruciale per la conformazione tridimensionale della proteina.

18. Classificazione delle Proteine

Le proteine sono biopolimeri formati da molti amminoacidi (più di 80) legati insieme da legami peptidici.

Classificazione Basata sulla Composizione Chimica:

Proteine Semplici: Composte solo da amminoacidi.
Proteine Coniugate: Composte da amminoacidi e un gruppo prostetico (una molecola non proteica).
- Lipoproteine: Contengono lipidi (es. LDL e HDL).
- Glicoproteine: Contengono carboidrati (es. immunoglobuline).
- Nucleoproteine: Contengono acidi nucleici (es. nucleosomi del DNA).
- Metalloproteine: Contengono ioni metallici (es. citocromi della catena respiratoria mitocondriale).

Classificazione Basata sulla Funzione Biologica:

Proteine Strutturali: Formano tessuti e organi (es. cheratina nelle unghie e nei capelli, collagene nel tessuto connettivo, fibroina nella seta).
Proteine Catalitiche: Enzimi che regolano le reazioni chimiche nelle cellule.
Proteine Contrattili e di Movimento: Consentono la contrazione muscolare (actina e miosina) e il movimento di ciglia e flagelli (tubulina).
Proteine di Trasporto: Facilitano il trasporto di sostanze (es. l'emoglobina trasporta l'ossigeno nel sangue).
Proteine di Riserva: Immagazzinano nutrienti (es. la ferritina immagazzina il ferro nel fegato, l'ovalbumina immagazzina nutrienti negli embrioni).
Proteine di Difesa: Proteggono l'organismo dai patogeni (es. gli anticorpi).
Proteine Regolatrici: Ormoni che regolano vari processi metabolici (prodotti dalle ghiandole endocrine).

Proteine Fibrose vs. Proteine Globulari

Proteine Fibrose: Composte da due o tre catene polipeptidiche disposte fianco a fianco, reticolate da legami disolfuro (es. cheratina) o legami idrogeno (es. collagene) per formare lunghi filamenti.
Proteine Globulari: Catene polipeptidiche ripiegate in strutture compatte, approssimativamente sferiche a causa di numerose interazioni intramolecolari e ioniche.
- Esempi: Enzimi, ormoni, proteine di trasporto (emoglobina), proteine di riserva (ovalbumina) e proteine di difesa (anticorpi/immunoglobuline).

19. Struttura delle Proteine

Le proteine hanno quattro livelli di organizzazione strutturale: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

Struttura Primaria

La struttura primaria è la sequenza di amminoacidi legati da legami peptidici nella catena polipeptidica.
Ogni proteina ha la sua sequenza specifica, che ne determina la funzione biologica.
Esempio: Ossitocina e vasopressina, ormoni ipotalamici, differiscono solo per due amminoacidi ma hanno funzioni diverse (ossitocina: contrazione uterina; vasopressina: riassorbimento di acqua nel rene).
Mutazioni (sostituzione, delezione o aggiunta di amminoacidi) possono alterare l'attività proteica e causare malattie. Ad esempio, una mutazione genetica nell'emoglobina può causare una sostituzione dell'acido glutammico con la valina, portando all'anemia falciforme.
La struttura primaria influenza i successivi livelli di organizzazione strutturale e la forma finale della proteina, che ne determina la funzione. Le catene laterali con diverse proprietà steriche e polarità influenzano la disposizione tridimensionale della proteina.

Struttura Secondaria

La struttura secondaria si riferisce alla disposizione spaziale della catena polipeptidica, stabilizzata da legami idrogeno tra l'ossigeno del gruppo carbonilico (CO) di un amminoacido e l'idrogeno del gruppo $-NH$ di un altro.
La struttura secondaria si presenta principalmente sotto forma di α-eliche e foglietti β.
- α-Elica: La catena polipeptidica è attorcigliata a spirale in senso orario, stabilizzata da legami idrogeno tra il carbonile di un amminoacido e il gruppo amminico del quarto amminoacido lungo la catena. I gruppi R puntano verso l'esterno. Questa configurazione compatta è favorita da gruppi R piccoli e non carichi, conferendo flessibilità ed elasticità. Esempio: cheratina ed elastina.
- Foglietto β: Interazione tra filamenti della stessa catena polipeptidica disposti parallelamente tra loro, stabilizzati da legami idrogeno tra il gruppo carbonilico (>CO) di un filamento e il gruppo $-NH$ di un filamento parallelo. Le catene laterali (gruppi R) sono perpendicolari su lati alternati del foglietto. Esempio: fibroina.

Dettagli sul Foglietto β:

Un foglietto β può avere fino a 10 filamenti, ciascuno contenente fino a 15 amminoacidi.
Può esistere in conformazioni parallele o antiparallele in base alla direzione dei filamenti (N a C terminale o viceversa).
- Foglietto β Parallelo: Tutti i filamenti corrono nella stessa direzione (N a C).
- Foglietto β Antiparallelo: I filamenti adiacenti corrono in direzioni opposte.
Alcune proteine hanno sia α-eliche che foglietti β.

Struttura Terziaria

La struttura terziaria è la forma tridimensionale complessiva della proteina, stabilizzata da legami idrogeno, ponti disolfuro, interazioni ioniche e interazioni di van der Waals tra gli amminoacidi.
Le catene laterali idrofobiche sono posizionate all'interno della struttura, mentre le catene laterali idrofiliche sono all'esterno a causa della loro solubilità in acqua.
Una proteina può svolgere la sua specifica attività biologica solo quando ha assunto la sua definitiva struttura tridimensionale (ripiegamento proteico).

Struttura Quaternaria

La struttura quaternaria risulta dall'associazione di due o più catene polipeptidiche (subunità), stabilizzate da legami idrogeno, interazioni tra gruppi R non polari e legami disolfuro.
Esempio: Emoglobina, composta da due subunità α e due β, ciascuna legata a un gruppo eme contenente uno ione ferro.
Gli anticorpi, proteine di difesa, sono anch'essi composti da quattro catene polipeptidiche (due catene leggere e due pesanti) legate da legami disolfuro.

Denaturazione delle Proteine

I legami chimici responsabili delle strutture secondarie, terziarie e quaternarie delle proteine sono deboli.
Alte temperature, valori di pH estremi e solventi organici possono rompere questi legami, portando alla denaturazione delle proteine, cioè la perdita di struttura e funzione.
La denaturazione può essere irreversibile se la proteina forma nuovi legami intramolecolari e intermolecolari.