LE PROTEINE: copolimeri di AMMINOACIDI

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1 LE PROTEINE: copolimeri di AMMINOACIDI Albumina Dr. Paola Rota

2 Riassunto lipidi Classe eterogenea di composti (trigliceridi, fosfolipidi, alcune vitamine, alcuni ormoni, colesterolo, prostaglandine ) Composti BIOMOLECOLE NATURALI, utilizzabili dall organismo, INSOLUBILI IN ACQUA, estratti dai tessuti animali o vegetali con tipici SOLVENTI ORGANICI (CHCl 3, CH 3 OH, Et 2 O...); E preponderante la parte idrocarburica IDROCARBURICA. + gruppi funzionali Funzionale LIPIDI FUNZIONE STRUTTURALE FUNZIONE ENERGETICA FUNZIONE REGOLATORIE Caratteristiche chimico-fisiche Apolari: solo porzioni idrofobiche Polari anfifiliche o anfipatiche (COSTITUENTI DELLE MEMBRANE CELLULARI) (PRODUZIONE DI ENERGIA) (PRECURSORI DI VITAMINE E ORMONI) 2

3 Lipidi Lipidi Classificazione di W.R. Bloor modificata H.A. Krebs SAPONIFICABILI FRAZIONE INSAPONIFICABILE SEMPLICI COMPLESSI terpeni terpenoidi acilgliceroli cere oli grassi glicerofosfolipidi sfingolipidi steroidi vitamine liposolubili sfingomieline glicosfingolipidi cerebrosidi solfatidi gangliosidi 3

4 Amminoacidi MONOMERI COSTITUENTI DELLE PROTEINE Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 a-l-amminoacidi Molecole più abbondati 75% del peso secco dei tessuti animali BIOSINTESI ESSENZIALI (DIETA)

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9 IMPORTANTE proteine

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12 Amminoacidi MONOMERI COSTITUENTI DELLE PROTEINE Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 a-l-amminoacidi BIOSINTESI ESSENZIALI (DIETA) Gruppo carbossilico Ione carbossilato L-GLICERALDEIDE a SERIE L Gruppo amminico a Ione ammonico SALE INTERNO

13 Polimeri biologici: formazione e demolizione La sintesi dei polimeri biologici avviene mediante reazioni di condensazione (all aggiunta di ogni monomero viene rimossa una molecola d acqua) La demolizione dei polimeri biologici avviene mediante reazioni di idrolisi. L idrolisi consiste nella rottura dei legami tra monomeri per aggiunta di molecole d acqua.

14 Amminoacidi MONOMERI COSTITUENTI DELLE PROTEINE FORMAZIONE DEL LEGAME AMMIDICO O O H 3 N H C C O + H 3 N H C C O R 1 R 1 - H 2 O O O H 3 N H C C N CH C O R 1 H R 1 Proteine Peptidi (da 20 a 100 a.a.) Oligopeptidi (da 2 a 20 a.a.) Amminoacidi (a.a.) Polipeptide Dipeptidi Tripeptidi

15 Amminoacidi Nomenclatura Esempio: LISINA (Lys, K) Nome IUPAC Acido 2,6-diamminoesanoico β γ δ ε α Nome IUPAC Gli atomi di carbonio della catena laterale sono designati con le lettere dell alfabeto greco a partire dal carbonio successivo al carbossilico. Nome comune Gli α-amminoacidi generalmente portano un nome comune e sono identificati da due tipi di abbreviazioni: a una e a tre lettere.

16 Amminoacidi Natura esistono anche: - a.a. della serie D. - a.a. non a. Esempio: H 3 N CH 2 CH 2 COO β-alanina H 3 N CH 2 CH2 CH 2 COO γ-ammminobutirrico

17 Amminoacidi CONTENGONO TUTTI (TRANNE GLICINA, R=H) UNO STEREOCENTRO AL CARBONIO E APPARTENGONO ALLA SERIE L: L-GLICERALDEIDE * FORMULA GENERALE DEGLI AMMINOACIDI (SERIE L) GLICINA MOLECOLA NON CHIRALE

18 Amminoacidi CONTENGONO TUTTI (TRANNE GLICINA, R=H) UNO STEREOCENTRO AL CARBONIO E APPARTENGONO ALLA SERIE L: STEREOCHIMICA: R o S? L-GLICERALDEIDE H 3 N O C O C H CH 2 OH H 3 N O O C C O H H 2 N C C O H CH 3 CH 2 SH

19 Amminoacidi CONTENGONO TUTTI (TRANNE GLICINA, R=H) UNO STEREOCENTRO AL CARBONIO E APPARTENGONO ALLA SERIE L: STEREOCHIMICA: R o S? L-GLICERALDEIDE H 3 N O C C (S) CH 2 OH O H H 3 N O O C C (S) O C H H 2 N C (R) CH 3 CH 2 SH O H

20 CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA NATURA DEL GRUPPO R: - AMMINOACIDI NEUTRI NON POLARI POLARI R APOLARE (GLICINA, ALANINA, VALINA, LEUCINA ) R POLARE (OH, SH...) - AMMINOACIDI ACIDI R CONTIENE UN GRUPPO COO - (O ANIONICI) (AC.GLUTAMMICO, AC. ASPARTICO) - AMMINOACIDI BASICI R CONTIENE UN GRUPPO NH + 3 (O CATIONICI) (LISINA)

21 AMMINOACIDI NEUTRI (non polari) Amminoacidi Glicina (Gly, G) * essenziali A L I F A T I C I Alanina (Ala, A) Valina (Val, V) Metionina (Met, M) A R O M A T I C I Fenilalanina (Phe, F) Leucina (Leu, L) Isoleucina (Ile, I) Prolina (Pro, P) Triptofano (Trp, W)

22 AMMINOACIDI NEUTRI (polari) Amminoacidi * essenziali A L I F A T I C I Serina (Ser, S) Asparagina (Asn, N) Treonina (Thr, T) Glutammina (Gln, Q) Cisteina (Cys, C) A R O M A T I C I Tirosina (Tyr, Y)

23 AMMINOACIDI ACIDI Amminoacidi Acido aspartico (Asp, D) Acido glutammico (Glu, E) AMMINOACIDI BASICI Istidina (His, H) Arginina (Arg, R) Lisina (Lys, K)

24 Amminoacidi Gli amminoacidi più comuni presenti nelle proteine sono 20. Anche altri amminoacidi, ottenuti da modifiche post-traduzionali (esempi: idrossiprolina, idrossilisina, ) possono partecipare alla struttura delle proteine. ESSENZIALI: Valina, Leucina, Isoleucina, Triptofano, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina. NON ESSENZIALI: Glicina, Alanina, Prolina, Tirosina, Serina, Cisteina, Acido glutammico, Acido aspartico, Istidina *, Arginina **. *Istidina: essenziale per i bambini e non per gli adulti. **Arginina: sintetizzata ma in quantità non sufficienti per il fabbisogno metabolico.

25 Amminoacidi particolari: la prolina N H COOH N H H COO - l'unico AA che contiene un gruppo amminico secondario 1 25

26 Abbreviazioni a 1 e a 3 lettere per gli AA Abbreviazioni 1 26

27 Proprietà acido-base degli AMMINOACIDI NEUTRI H R C COO - NH H 2 O base 1 acido 2 H R C COOH + OH - NH 3 + acido 1 base 2 STRUTTURA CATIONICA H R C COO - NH H 2 O H R C COO - + H 3 O+ NH 2 base 2 acido 1 base 1 acido 2 STRUTTURA ANIONICA

28 Proprietà acido-base degli AMMINOACIDI NEUTRI IN SOLUZIONE ACQUOSA EQUILIBRIO FRA 3 SPECIE: CATIONE AA ANFIONE ANIONE AA Carica netta +1 Predomina a ph ACIDO pk a1 = 2.35 pk a2 = 9.69 Carica netta -1 Predomina a ph BASICO CATIONE: ACIDO PIU FORTE DEGLI ACIDI CARBOSSILICI (pk A ~ 5) ANFIONE: ACIDO POCO PIU FORTE DEI SALI DI AMMONIO (pk ~ 11) CATIONE AA PREVALE IN AMBIENTE ACIDO ANIONE AA PREVALE IN AMBIENTE BASICO A SECONDA DEL ph PREVALE UNA SPECIE O L ALTRA

29 Proprietà acido-base degli AMMINOACIDI NEUTRI IN SOLUZIONE ACQUOSA EQUILIBRIO FRA 3 SPECIE: CATIONE AA ANFIONE ANIONE AA pk a1 = 2.35 pk a2 = 9.69 H 2 A HA A -

30 Punto isoelettrico e punto isoionico PUNTO ISOELETTRICO DI UN AA (pi) VALORE DI ph CUI CORRISPONDE LA CONCENTRAZIONE MASSIMA DELL ANFIONE. ANFIONE VALORE DETERMINATO SPERIMENTALMENTE, CHE DIPENDE DA K a1 E K a2 E ANCHE DA ALTRE SPECIE IN SOLUZIONE Determinato con TECNICHE ELETTROFORETICHE SI PUO CALCOLARE UN VALORE APPROSSIMATO DEL pi, DETTO PUNTO ISOIONICO DI UN AA (pi s ) CHE E IL VALORE CALCOLATO DI ph IN CUI VALORE TEORICO CATIONE AA ANIONE AA

31 Calcolo del punto isoionico AMMINOACIDI NEUTRI H R C COOH NH 3 + acido 1 STRUTTURA CATIONICA + H 2 O R H C COOH + H 3 O+ NH 2 HA K COOH = [ H 3 O + ] [HA] [H 2 A] H 2 A H R C COO - NH H 2 O H R C COO - + H 3 O+ NH 2 K NH3+ = [ H 3 O + ] [A - ] [HA] STRUTTURA ANFIONICA HA A - SI PUO CALCOLARE UN VALORE APPROSSIMATO DEL pi, DETTO PUNTO ISOIONICO DI UN AA (pi s ) CHE E IL VALORE TEORICO CALCOLATO DI ph IN CUI per una soluzione ottimale di a.a., in assenza di ioni esterni (diversi da H 3 O + e OH - ) la concentrazione dell ANFIONE E MASSIMA

32 Calcolo del punto isoionico AMMINOACIDI NEUTRI E il valore di ph al quale la concentrazione molare di AA in forma di anfione a carica netta zero è massima. [FORMA CATIONICA] = [FORMA ANIONICA] H 2 A = A - K COOH = [ H 3 O + ] [HA] [H 2 A] K NH3+ = [ H 3 O + ] [A - ] [HA] [H 2 A] = [ H 3O + ] [HA] K COOH [A - ] = K NH3+ [HA] [ H 3 O + ] [ H 3 O + ] [HA] K COOH = K NH3+ [HA] [ H 3 O + ] [ H 3 O + ] = K COOH K NH3+ Da cui si può ricavare il ph

33 Calcolo del punto isoionico IL VALORE DEL pi s E INDIPENDENTE DALLE CONCENTRAZIONI DELLE SPECIE IN SOLUZIONE: pis = (pk 1 +pk 2 )/2 LA MASSIMA CONCENTRAZIONE DELL ANFIONE SI HA A UN ph = pis: ~ 6 AA NEUTRI ~ 3 AA ACIDI ~ 11 AA BASICI ph FISIOLOGICO 7,4 AA NEUTRI, anfioni AA ACIDI, anionici AA BASICI, cationici Glicina (Gly, G) Acido aspartico (Asp, D) Lisina (Lys, K)

34 Proprietà acido-base Sostanze anfotere Amminoacidi Alanina pk a1 = 2.35 pk a2 = 9.69 Carica netta +1 Predomina a ph << pi SWITTERIONE pi = 6.02 pi = PUNTO ISOELETTRICO La carica complessiva è nulla Carica netta -1 Predomina a ph >> pi pi = pk a1 + pk a2 2

35 Proprietà acido-base Amminoacidi Acido aspartico pk a1 = 1.88 pk a2 = 3.65 pk a3 = 9.60 Carica netta +1 Carica netta 0 Carica netta -1 Carica netta -2 pi = 2.76 pi = pk a1 + pk a2 2 = = 2.76

36 Proprietà acido-base Amminoacidi Amminoacidi acidi pi < ph neutro Carica netta negativa a ph neutro AA R pk a1 pk a2 pk a3 pi Ac. aspartico -CH 2 COOH Ac. glutammico -CH 2 CH 2 COOH Tirosina -CH 2 PhOH Cisteina -CH 2 SH Lisina -(CH 2 ) 4 NH Arginina -(CH 2 ) 3 NHC(NH 2 )=NH Istidina -CH 2 -imidazolo Amminoacidi basici pi > ph neutro più basico Arginina > Lisina > Istidina meno basico

37 Punto isoelettrico base più debole COO - COO - + H 3 N H CH 3 acido più forte ione dipolare + H 2 O ph = 7 H 2 N H + H 3 O+ CH 3 L'alanina in soluzione acquosa ha una netta carica negativa 1 37

38 Punto isoelettrico ALANINA COO - base più debole COO - + H 3 N H CH 3 acido più forte ione dipolare + H 2 O H 2 N HCl H + H 3 O+ CH 3 ph = 7 L'alanina in soluzione acquosa ha una netta carica negativa ph = 6 = PI 1 38

39 Per l arginina COOH pk 1 = 2,18 H 3 N pk 1 = 9,09 C H (CH 2 ) 4 HN pk 1 = 13,2 H 2 N C NH 2 Arginina 1 39

40 L istidina HOOC - OOC - OOC - OOC + H 3 N H + H 3 N H + H 3 N H H 2 N H HN NH HN NH N NH N NH pk 1 = 1,77 pk 2 = 6,10 pk 1 = 9,

41 Punto isoelettrico PUNTO ISOELETTRICO DI UN AA (pi) VALORE DI ph CUI CORRISPONDE LA CONCENTRAZIONE MASSIMA DELL ANFIONE. ANFIONE VALORE DETERMINATO SPERIMENTALMENTE, CHE DIPENDE DA K a1 E K a2 E ANCHE DA ALTRE SPECIE IN SOLUZIONE Determinato con TECNICHE ELETTROFORETICHE Tecnica analitica separativa basata sul movimento di particelle elettricamente cariche immerse in un fluido quando sottoposte ad un campo elettrico Un ANFIONE NON MIGRA.

42 Polimeri biologici POLIMERI BIOLOGICI: SOSTANZE BIOLOGICHE CHE RISULTANO DALL UNIONE, MEDIANTE LEGAME COVALENTE, DI PICCOLE MOLECOLE (MONOMERI) POLIMERI MONOMERI LEGAME PROTEINE AMMINOACIDI LEGAME PEPTIDICO (AMIDICO) POLISACCARIDI MONOSACCARIDI LEGAME GLICOSIDICO ACIDI NUCLEICI NUCLEOTIDI LEGAME FOSFODIESTERE TANTE UNITA POCHE UNITA POLIMERO OLIGOMERO

43 Polimeri biologici POLIMERI (MOLECOLE GRANDI) NON SOLUBILI IN H 2 O IN H 2 O DANNO DISPERSIONI COLLOIDALI (DISPERSIONI ETEROGENEE) SOLUZIONE: MISCELA OMOGENEA IN SOLVENTE (TRASPARENZA) DISPERSIONE COLLOIDALE: NELLA FASE DISPERDENTE (H 2 O) VI E UNA FASE DISPERSA COSTITUITA DA PARTICELLE DI DIMENSIONI MAGGIORI RISPETTO AI COMUNI SOLUTI (OPALESCENZA) I COLLOIDI NON PASSANO ATTRAVERSO LE MEMBRANE DIALIZZANTI (CELLOPHAN), CHE PERMETTONO IL PASSAGGIO DI ACQUA E SALI DIALISI MEMBRANE DIALIZZANTI BIOLOGICHE: PARETI VASI SANGUIGNI, TUBOLI RENALI

44 Polimeri biologici: formazione e demolizione La sintesi dei polimeri biologici avviene mediante reazioni di condensazione (all aggiunta di ogni monomero viene rimossa una molecola d acqua) La demolizione dei polimeri biologici avviene mediante reazioni di idrolisi. L idrolisi consiste nella rottura dei legami tra monomeri per aggiunta di molecole d acqua.

45 Proteine (POLIMERI DERIVATI DALLA POLICONDENSAZIONE DEGLI a-aa) MONOMERI a-amminoacidi LEGAME " PEPTIDICO SERIE L (AMIDICO)STRUTTURE COMPLESSE E FUNZIONI DIVERSE : ENZIMI, ANTICORPI, COSTITUENTI DELLE MEMBRANE.. LA COMBINAZIONE DEGLI AA NATURALI (20) PORTA A UN NUMERO ENORME DI COMBINAZIONI POSSIBILI. PROTEINE SEMPLICI (OLOPROTEINE): SOLO AA PROTEINE CONIUGATE (ETEROPROTEINE): PARTE PROTEICA+ GRUPPO PROSTETICO: METALLO PROTEINE GLICOPROTEINE, LIPOPROTEINE FOSFOPROTEINE EMICHE

46 Alcune Funzioni delle proteine vcatalisi Enzimatica; vtrasporto e deposito (Emoglobina/mioglobina etc); vsupporto meccanico (collagene); vgenerazione e trasmissione dell impulso nervoso (recettori dell acetilcolina etc.) vcontrollo della crescita e differenziamento. 1 46

47 LE PROTEINE SONO DEI POLIMERI DI AMMINOACIDI Sono le molecole mediante le quali la cellula può svolgere le proprie funzioni. Alcune funzioni biologiche delle proteine sono: catalisi: i catalizzatori di cui dispone la cellula sono proteine (enzimi) trasmissione di segnali chimici: molti ormoni e trasmettitori cellulari sono proteine (insulina) funzione di difesa da agenti patogeni: gli anticorpi sono proteine (immunoglobuline) funzioni di trasporto (emoglobina) componenti strutturali (collagene) Insulina

48 Esempio di peptidi Ossitocina Stimola la contrazione della muscolatura uterina e la lattazione per azione sulla ghiandola mammaria. Sequenza primaria: Ormone prodotto dall ipotalamo e secreto dalla neuroipofisi. Peptide costituito da 9 amminoacidi. Tirosina Elementi strutturali importanti per l attività Ponte disolfuro tra i residui di cisteina 1 e 6 genera un ciclo a 20 atomi Isoleucina L ossitocina presenta scarsa stabilità metabolica Asparagina

49 Amminoacidi MONOMERI COSTITUENTI DELLE PROTEINE FORMAZIONE DEL LEGAME AMMIDICO O O H 3 N H C C O + H 3 N H C C O R 1 R 1 - H 2 O O O H 3 N H C C N CH C O R 1 H R 1 Proteine Peptidi (da 20 a 100 a.a.) Oligopeptidi (da 2 a 20 a.a.) Amminoacidi (a.a.) Polipeptide Dipeptidi Tripeptidi

50 PEPTIDI: RESIDUI DI a AA OLIGOPEPTIDI: 2-20 RESIDUI DI a AA DI-,TRI-, TETRA... PROTEINE (POLIPEPTIDI): OLTRE i 100 a AA ( ) LEGAME PEPTIDICO: tra il GRUPPO CARBOSSILATO (COO - ) di un AA e il GRUPPO AMMONIO ( + NH 3 ) di un altro AA + NH 3 -CHR-COO - + NH 3 -CHR 1 -COO - + NH3 CHR C NH CHR 1 COO - O DIPEPTIDE

51 Legame peptidico PEPTIDI: RESIDUI DI a AA OLIGOPEPTIDI: 2-20 RESIDUI DI a AA DI-,TRI-, TETRA... PROTEINE (POLIPEPTIDI): OLTRE i 100 a AA ( ) LEGAME PEPTIDICO: tra il GRUPPO CARBOSSILATO (COO - ) di un AA e il GRUPPO AMMONICO (NH 3+ ) di un altro AA Legame peptidico Estremità N-terminale DIPEPTIDE Estremità C-terminale

52 Legame peptidico Estremità N-terminale Estremità C-terminale Alanina (Ala, A) Legame peptidico si numera a partire dalla estremità N-terminale: ALANIL-ALANIL-ALANINA; ALA-ALA-ALA o A-A-A

53 Legame peptidico

54 Legame peptidico IL LEGAME PEPTIDICO E UN LEGAME AMIDICO MOLECOLA PLANARE ATTORNO AL LEGAME AMIDICO OSSIGENO del C=O e IDROGENO dell NH in TRANS (RESIDUI R DEGLI a-aa IL PIU LONTANO POSSIBILE)

55 Peptidi e proteine Legame peptidico Il legame peptidico può essere descritto come ibrido di risonanza di due strutture (il legame ha caratteristiche intermedie tra legame semplice e doppio). Non è possibile la rotazione libera intorno al legame peptidico a causa del parziale carattere di doppio legame. La configurazione trans è più stabile. Per ragioni di ingombro sterico la sequenza aa-pro si ritrova in configurazione cis. Possono invece ruotare liberamente il legame C-C di un amminoacido il quale forma un angolo di rotazione detto psi e il legame N-C di un altro amminoacido con angolo di rotazione phi. La rotazione dipende dall ingombro sterico delle catene laterali

56 Com è fatto il legame peptidico? Risonanza Per convenzione l'angolo di rotazione attorno al legame N-Cα è detto phi (Φ), mentre quello attorno al legame Cα-C' è detto psi. 1 56

57 Peptidi e proteine Configurazioni cis e trans Generalmente la configurazione trans è più stabile La prolina genera configurazioni cis

58 Peptidi e proteine Legame peptidico Gli atomi di carbonio e di azoto coinvolti nel legame peptidico e gli atomi ad essi legati giacciono su un piano. La planarità influenza il modo in cui le catene laterali si ripiegano nella struttura tridimensionale delle proteine.