Chimica Organica
Corso di Laurea in: Farmacia
Capitolo
Amminoacidi e Proteine
Introduzione
Le proteine sono fra i principali
componenti degli organismi viventi
dove svolgono ruoli
sia strutturali
sia funzionali
Ad esempio:
Gli enzimi che catalizzano le reazioni negli
organismi viventi sono proteine
Le unghie, i capelli, la pelle sono costituiti
principalmente da proteine
L’emoglobina, che numerosi organismi utilizzano
per trasportare l’ossigeno e gli anticorpi, che gli
organismi superiori generano per difendersi da
agenti estranei, sono altri esempi di proteine
Le proteine sono strutture polimeriche costituite a partire da
20 differenti monomeri contenente un gruppo amminico
ed un acido carbossilico e quindi definiti amminoacidi
Il termine amminoacido si potrebbe riferire a qualunque
composto organico avente un gruppo amminico (–NH2)
e un acido carbossilico (–COOH) tuttavia quando si parla
di amminoacidi ci si riferisce genericamente ai
venti amminoacidi che sono stati selezionati
dalla natura per costruire le proteine
O
H2N
CH
CH3
C
OH
2-aminopropanoic acid
Questi 20 amminoacidi vengono meglio definiti come
amminoacidi protogenici
In essi, i due gruppi funzionali sono legati allo stesso
atomo di carbonio quindi sono a-amminoacidi
a
H2N
O
CH
C
OH
CH3
2-aminopropanoic acid
(alanina)
Nella mitologia
greca Protogenia
il cui significato
del nome è
«la Prima Nata»
Il legame che unisce gli amminoacidi per formare peptidi
e proteine è un legame ammidico cioè uguale a quello
presente nelle ammidi
O
CH3
CH2 C
NH2
propionamide
anche se viene chiamato legame peptidico
Gli oligomeri*, costituiti da un numero limitato di
amminoacidi (da 2 a 40, il numero massimo non è
rigorosamente definito) si definiscono peptidi
Poiché il termine proteine si riferisce a composti
naturali, i polimeri sintetici costituiti da numerose
unità di amminoacidi vengono definiti
polipeptidi
*In chimica, un oligomero consiste in un numero finito e ridotto
di unità monomeriche ("oligo" in greco significa poco)
in contrapposizione a polimero che consiste in un numero
elevato di monomeri
Come tutti i legami ammidici, il legame peptidico ha una
notevole stabilità e rigidità conformazionale, dovuta al
fatto che presenta un parziale carattere di doppio legame a
causa della delocalizzazione per risonanza del doppietto
elettronico dell’azoto
O
O
..
N
+
N
H
H
Inoltre, la barriera rotazionale intorno al legame ammidico
è sufficientemente alta da impedire, a temperatura ambiente
la libera rotazione
I 20 amminoacidi naturali
glicina
(Gly, G)
alanina
(Ala, A)
serina
(Ser, S)
Fenilalanina
(Phe, F)
treonina
(Thr, T)
valina
(Val, V)
tirosina
(Tyr, Y)
cisteina
(Cys, C)
triptofano
(Trp, W)
leucina
(Leu, L)
metionina
(Met, M)
isoleucina
(IIe, I)
prolina
(Pro, P)
I 20 amminoacidi naturali
acido
Aspartico
(Asp, D)
lisina
(Lys, K)
+
3
acido
glutammico
(Glu, E)
arginina
(Arg, R)
+
2
aspargina
(Asn, N)
glutammina
(Gln, Q)
Istidina
(His, H)
Come abbiamo detto questi 20 amminoacidi sono tutti
a-amminoaci
Un’altra caratteristica comune è che, a eccezione della
glicina, priva di stereocentro, sono tutti chirali
NH2
H
O
C
C
H
glicina (Gly, G)
OH
e presentano stereochimica L, secondo la convenzione
di Fischer, ossia hanno la stessa configurazione del
carbonio stereogenico della L-gliceraldeide
Configurazione D, L
[(S)-gliceraldeide]
[(S)-amminoacido]
Gli amminoacidi proteogenici hanno quindi tutti
la seguente formula generale
Nella proiezione di Fischer di un
generico a-amminoacido, il gruppo
amminico si trova a sinistra
(dove è posizionato il gruppo –OH
della gliceraldeide) e l’atomo di
idrogeno a destra
Il gruppo acido carbossilico si trova
in verticale rivolto verso l’alto, dove,
nella L-gliceraldeide, si trova il
gruppo aldeidico
Quindi tutti gli amminoacidi hanno
stereochimica S
(secondo i descrittori di
stereochimica previsti dalla IUPAC
L’unica eccezione è la cisteina che ha
sterochimica R, pur mantenendo la stessa
geometria, per il fatto che cambia l’ordine di
priorità dei sostituenti
COOH
H2N
H
CH2SH
Gli amminoacidi si differenziano
tra loro solo per la natura
del gruppo R, definito
residuo amminoacidico
o catena laterale dell’amminoacido
O
H2N
Poiché gli amminoacidi dispongono
sia di un centro acido sia di un centro
+
H3N
basico si va incontro ad una reazione
acido-base intramolecolare
che porta alla formazione di un sale
interno definito zwitterione (o ione doppio)
CH
C
OH
R
O
CH
R
C
O-
Questa
classificazione
vuol tener conto
delle proprietà
che tali
amminoacidi
inducono nelle
porzioni di
proteina in cui si
trovano, quali
zone idrofobe,
zone idrofile,
centri acidi o
basici ecc.
Classificazione degli Amminoacidi sulla base
delle loro proprietà chimico-fisiche
amminoacidi neutri
amminoacidi contenenti
cariche
apolari
CH3
con residuo
basico
H3N
CO2
alanina
(Ala, A)
+
NH3+
+
polari
H3 N
lisina
- (Lys, K)
CO2
OH
+
H3N
con residuo
acido
CO2
O
serina
(Ser, S)
O
+
H3N
CO2
acido aspartico
(Asp, D)
L’uomo, come
molti organismi
superiori, non è
in grado di
biosintetizzare
alcuni
amminoacidi
che devono
essere quindi
assunti con la
dieta e che
vengono
pertanto definiti
amminoacidi
essenziali
Oltre ai 20 amminoacidi proteogenici riportati, nelle proteine sono
presenti altri 2 amminoacidi, l’idrossiprolina a la cistina
Essi vengono generati per ossidazione, rispettivamente, della prolina
e della cisteina dopo che la proteina è stata formata
HO
Da notare,
inoltre il fatto
che la prolina
(Pro)
è l’unico
amminoacido in
cui l’azoto fa
parte di un ciclo
a cinque termini
N
H
Ox
CO2
+
CO2-
+
N
H
prolina
(Pro, P)
H H
idrossiprolina
(Hyp, O)
SH
CO2
S
S
Ox
+
H3N
CO2
cisteina
(Cys, C)
-
+
H3N
-
CO2
cistina
(Cys-Cys)
NH3+
Negli organismi viventi sono presenti altri amminoacidi che
non si trovano nelle proteine, ma svolgono ruoli diversi
Tiroxina
Presente nella tiroide con un ruolo ormonale, raro esempio
di composto naturale contenente Iodio
Un altro esempio è l’omocisteina, presente nel
sangue o la selenocisteina, insolito esempio di
composto naturale contenente selenio
SH
+
H3N
CO2-
omocisteina
SeH
+
H3N
CO2-
selenocisteina
Molto importante, infine, è l’acido g-amminobutirrico (GABA)
un g-amminoacido che svolge il ruolo di neurotrasmettitore
nel cervello
Come dice il nome, nel GABA i gruppi amminico e carbossilico
si trovano distanti tre atomi di carbonio
+
H3N
-
CO2
GABA (sigla dell'ingl. Gamma-AminoButyric Acid)
Proprietà acido-base
Data la presenza di un gruppo COOH e di un gruppo NH2 gli
amminoacidi sono anfoteri
Gli amminoacidi con un solo gruppo amminico ed un solo gruppo
carbossilico hanno struttura ionica dipolare (zwitterione)
hanno punti di fusione elevati e bassa solubilità in solventi organici
forma cationica
forma zwitterionica
+ H+
forma anionica
Punto isoelettrico
Se un amminoacido in soluzione viene sottoposto
all’azione di un campo elettrico, esso tenderà:
-A muoversi verso l’elettrodo negativo, se la sommatoria
delle sue cariche è positiva
-A muoversi verso l’elettrodo positivo, se la sommatoria
delle sue cariche è negativa
-A restare fermo, se si trova al suo punto isoelettrico
Punto isoelettrico
Si definisce punto isoelettrico il valore del pH al quale la
molecola ha carica elettrica netta pari a 0
Per gli amminoacidi
neutri, il punto
isoelettrico (pI)
è rappresentato dalla
media dei pKa
pI =
(pKa1 + pKa2)
2
Elettroforesi
Una miscela di amminoacidi può essere risolta, sfruttando
il diverso punto isoelettrico, sotto l’azione di un campo
elettrico mediante una tecnica chiamata elettroforesi
Peptidi
Come anticipato all’inizio del capitolo, l’unione di due o più
amminoacidi attraverso un legame peptidico porta alla
formazione di peptidi
Il legame peptidico ha l’importante caratteristica di avere un
parziale carattere di doppio legame che impedisce la rotazione dei
gruppi attorno a questo legame
O-
O
..
N
+
N
H
H
+
N
OC
H
120°
Dipeptidi - 2 amminoacidi
Oligopeptidi - fino a 40 amminoacidi
Polipeptidi > 40 amminoacidi
Scrittura di un peptide per convenzione
H3C
C
H2N
OH + H2N
C
H2N
C
O
serina (Ser)
C
O
H2N
+
C
HOH2C
OH
C
H
H
O
N
C
OH
C
H
CH2OH
alanilserina (Ala-Ser)
O
OH
H2N
CH2OH
H
C
OH
serina (Ser)
C
H
C
C
H
O
alanina (Ala)
HOH2C
H3C
O
H
CH3
alanina (Ala)
H
C
H2N
C
O
O
N
C
C
H
CH3
serilalanina (Ser-Ala)
OH
Un tetrapeptide
H3C
H
CH COOH
Glicina
NH2
CH COOH
Alanina
NH2
H2C
CH COOH
NH2
Triptofano
N
H
HO
CH COOH
Tirosina
NH2
H
OH
O
H3C
O
CH C
N
NH2
H
CH2 C
N
O
N
CH
C
H
Ala-Gly-Tyr-Trp
CH2
N
H
CH
COOH
Legame peptidico (ammidico) e STRUTTURA PRIMARIA
(costituita dalla sequenza degli amminoacidi nella catena)
STRUTTURA SECONDARIA delle proteine
Descrive la conformazione dei segmenti dello scheletro
della proteina
Tre fattori determinano la struttura secondaria:
• La planarità dei singoli legami peptidici (ammidici)
• La massimizzazione del numero di gruppi coinvolti in
legami idrogeno
• Le interazioni steriche dei vari gruppi R
Struttura secondaria
Struttura a foglietto ripiegato
Struttura secondaria
Struttura ad a-elica, stabilizzata dai legami idrogeno
Ponti disolfuro
Struttura terziaria
I ponti disolfuro (insieme a legami idrogeno, interazioni elettrostatiche,
interazioni idrofobiche) contribuiscono a determinare la forma
tridimensionale delle proteine (struttura terziaria)
Le interazioni che stabilizzano le strutture secondaria e terziaria della proteina
Fine