04 mag 2009

Amminoacidi e peptidi

Amminoacidi e peptidi

Il nome di queste sostanze contiene l’informazione che gli amminoacidi sono composti che contengono nella loro struttura un gruppo amminico —NH2 e un gruppo carbossilico —CO2H. In realtà queste funzionalità sono presenti come
—NH3+ e —CO2 rispettivamente.

Essi vengono classificati come alfa, beta, gamma, etc. amminoacidi, in relazione all’atomo di carbonio a cui è legato l’atomo di azoto. Ad esempio:






Finora più di 1000 amminoacidi sono stati trovati in natura, ma solo 20 di essi rivestono una importanza speciale. Questi 20 amminoacidi sono i mattoni con cui sono costruite le proteine. Tutti sono alfa-amminoacidi


Essi differiscono per il gruppo R che è legato al carbonio alfa. Le proprietà degli amminoacidi variano al variare della struttura di R.






Di seguito sono illustrati i 20 amminoacidi proteinogenici. Quelli segnati in verde sono definiti essenziali e bisogna assumerli con la dieta, perché noi siamo incapaci di sintetizzarli a partire da altre molecole.


La Glicina è l’amminoacido più semplice (R = H) ed è achirale. Tutti gli altri
alfa-amminoacidi che sono presenti nelle proteine hanno almeno uno stereocentro. 


In natura si ritrovano amminoacidi appartenenti ad entrambe le serie steriche, ma quelli presenti nelle proteine appartengono tutti alla serie sterica L:






Passando alla descrizione della stereochimica assoluta, generalmente il carbossile ha una priorità maggiore di R, e dunque la serie sterica L corrisponde ad una configurazione assoluta S.


Tuttavia nel caso della cisteina il gruppo R (-CH2SH) ha priorità rispetto al carbossile e questo residuo pur appartenendo alla serie sterica L, ha stereochimica assoluta R.








Se analizziamo le proprietà fisiche della glicina si nota che essa ha un alto punto di fusione (233 °C, con decomposizione) ed è insolubile nei comuni solventi organici, ma molto solubile in acqua.


 Questi dati, comuni a molti altri alfa-amminoacidi, sono in accordo con una struttura ionica definita zwitterione o ione dipolare:






La struttura degli amminoacidi è effettivamente quella zwitterionica, come si evince anche dalle considerazioni che seguono sulle loro proprietà acido-base.


Per inquadrare nella maniera più semplice le proprietà acido-base degli amminoacidi, cominciamo a considerare il comportamento della glicina in un mezzo fortemente acido, per esempio a pH = 1. 


A questo valore di pH, la glicina esiste nella sua forma protonata (un monocatione). Ora ci possiamo chiedere: se aumentiamo il pH qual'è il primo protone che verrà rimosso? Le possibilità sono 2, il protone legato all’atomo di ossigeno del carbossile oppure quello legato all’atomo di azoto positivo. 


Possiamo operare una scelta in base ai valori stimati dei rispettivi pKa, e cioè dal pKa1 del gruppo carbossilico e dal pKa2 dello ione alchilammonio.


Il protone più acido è quello che appartiene al gruppo carbossilico. 


Esso è il primo ad essere rimosso. Di conseguenza, la forma neutra più stabile della glicina, è proprio quella zwitterionica.






In realtà il pKa1 della glicina è 2.34. Quindi la glicina è circa 100 volte più acido dell’acido acetico. Questo valore riflette la presenza in posizione alfa di un atomo di azoto caricato positivamente, che agisce da gruppo elettron-attrattore, stabilizzando lo ione carbossilato, carico negativamente. 


Un protone legato all’atomo di azoto nella forma zwitterionica può essere rimosso se il pH aumenta ulteriormente. Il pKa2 che governa la rimozione di questo protone è 9.60. 


Questo valore è all’incirca lo stesso di quello di uno ione ammonio NH4+ (pKa = 9.30). La funzione amminica di un alfa-amminoacido è leggermene più basica dell’ammoniaca e di una ammina primaria. 


Il pH al quale la concentrazione dello zwitterione è massima è definito punto isoelettrico (pI). Il suo valore numerico è la media dei valori di pKa1 e pKa2. Il pI della glicina è 5.97.






Gli amminoacidi hanno valori di pKa1 e pKa2 differenti, perché questi dipendono dalla natura del gruppo R. Le proprietà acido-base degli amminoacidi determinano anche le proprietà delle proteine che essi formano. 


Le differenze nei valori del punto isoelettrico hanno una notevole utilità dal punto di vista analitico. Esse consentono di definire delle metodiche adeguate alla loro separazione ed identificazione.

Nel caso di amminoacidi che recano sulla catena laterale altre funzionalità acido-base, il punto isoelettrico può assumere valori molto bassi o molto alti. Consideriamo i casi dell’acido aspartico e della lisina:






Al punto isoelettrico un amminoacido non ha una carica netta e quando è posto in un campo elettrico non si ha migrazione di materia ne al catodo ne all’anodo. Per l’acido aspartico il pH al quale corrisponde la massima concentrazione dello zwitterione deve essere quel valore di pH che permette l’esistenza della funzione alfa-carbossilica in forma dissociata (governata dal pKa1) e la contemporanea presenza della funzione beta-carbossilica in forma indissociata (governata dal pKa2). 


Di conseguenza questo valore è la media dei valori di pKa1 e pKa2 e cade quindi in un pH notevolmente acido. Analoghe considerazioni possono essere fatte per l’amminoacido lisina. Al punto isoelettrico questo amminoacido deve presentare la funzione carbossilica dissociata e solo la funzione e-amminica protonata. Il suo pI è quindi la media dei valori di pKa2 e pKa3.



Peptidi: I peptidi sono composti nei quali un legame ammidico lega il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro. Un legame ammidico di questo tipo è spesso riferito come un legame peptidico.

I peptidi sono classificati in accordo al numero di amminoacidi legati insieme.
Così abbiamo dipeptidi, tripeptidi, tetrapeptidi, etc. Quando il numero di amminoacidi supera le 50 unità, si parla esplicitamente di proteine.

Consideriamo un caso molto semplice, la formazione di un dipeptide tra glicina e alanina:






In realtà, un legame ammidico si può formare impegnando il carbossile della glicina e la funzione amminica della alanina, ma anche viceversa, cioè utilizzando il gruppo carbossilico della alanina e la funzione amminica della glicina. 


Questa doppia possibilità conduce alla formazione di due dipeptidi diversi, che sono fra di loro isomeri strutturali:





Questi due dipeptidi hanno proprietà chimico-fisiche diverse, ma in generale isomeri strutturali di questo tipo possono avere anche proprietà biologiche decisamente diverse. 


A questo proposito un aspetto particolarmente interessante riguarda in numero di strutture peptidiche possibili, a partire da un numero finito di amminoacidi. Se indichiamo con L la lunghezza del peptide (di-, tri-, tetra-, etc.) e con m il numero degli amminoacidi coinvolti, abbiamo la seguente relazione generale, che mostra il numero complessivo n di possibili peptidi: 


n = (m)eL. 




Nel caso che abbiamo appena visto, volendo formare dipeptidi utilizzando solo glicina e alanina, sono possibili ben 4 dipeptidi (2e2), perché sono possibili anche i dipeptidi Gly-Gly ed Ala-Ala, con i singoli amminoacidi che condensano con se stessi. 


Per esempio sono possibili ben 32 pentapeptidi costruiti utilizzando solo Gly ed Ala: n = 2e5 = 32







Strutture secondarie di Peptidi e di Proteine

Essendo le proteine delle macromolecole costituite da centinaia di amminoacidi, la loro struttura può essere esaminata a vari livelli:

• Il primo luogo abbiamo la struttura primaria di una proteina, che riflette semplicemente la sequenza degli amminoacidi da cui è composta e vanno aggiunti anche i ponti disolfuro.

• La struttura secondaria definisce le relazione conformazionali tra residui amminoacidici vicini. Le due principali strutture secondarie individuate sono la alfa-elica e quella cosiddetta a foglietti beta-ripiegati. Queste due strutture sono entrambe caratterizzate dalla geometria planare dei legami peptidici e da una disposizione di tipo anti delle catene laterali ed infine da legami ad idrogeno tra gruppo N-H e C=O.

• La struttura terziaria è riferita alla forma complessiva che una catena polipeptidica assume e può essere classificata secondo due criteri generali: le strutture fibrose (capelli tendini, lana) hanno una forma allungata; oppure strutture globulari, approssimativamente sferiche. Molti enzimi sono proteine globulari come ad esempio la carbossipeptidasi.

• Infine in alcune proteine è possibile osservare delle strutture quaternarie. Infatti alcune proteine sono un assemblaggio di due o più catene. I modi in cui queste catene sono organizzate tra loro vengono chiamati strutture quaternarie. Un esempio è costituita dalla emoglobina, che consiste di 4 sub-unità. Ci sono due identiche catene alfa e due identiche catene beta. Ogni sub-unità contiene un gruppo eme.

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