Gli amminoacidi ( 20) hanno proprietà strutturali comuni

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1 Quando nel XIX secolo gli scienziati rivolsero per la prima volta la loro attenzione alla nutrizione, in breve tempo scoprirono che i prodotti naturali contenenti azoto erano essenziali per la nutrizione degli animali. Nel 1839 il chimico svedese Jacob Berzelius coniò per questa classe di composti il termine di PROTEINA (dal greco Proteius cioè che occupa la prima posizione). Gruppo AMMINICO: gruppo basico Gruppo R: catena laterale che differenzia i diversi amminoacidi. I carboni del gruppo R sono indicati attraverso le lettere dell alfabeto greco a partire da β Gruppo CARBOSSILICO : gruppo acido Gli amminoacidi ( 20) hanno proprietà strutturali comuni 1

2 I venti amminoacidi costituenti le proteine, variano considerevolmente per le loro proprietà chimico-fisiche come la polarità, l'acidità, la basicità, l'aromaticità, la dimensione, la flessibilità conformazionale, la capacità di formare legami crociati e legami idrogeno e la reattività chimica. Queste caratteristiche, molte delle quali sono correlate, sono in gran parte responsabili della varietà di strutture e funzioni delle proteine. Tutti gli amminoacidi ad eccezione della glicina sono otticamente attivi, cioè ruotano il piano della luce polarizzata. Le molecole otticamente attive sono asimmetriche cioè non sovrapponibili perché posseggono un atomo di carbonio chiralico I centri chiralici danno origine ad ENANTIOMERI 2

3 ISOMERIA Le molecole chirali esistono in due forme isomeriche che sono speculari e non sovrapponibili, dette Tutti gli a.a., eccetto uno (la glicina), contengo un atomo centrale chirale (carbonio in α). Gli stereoisomeri di tutte le molecole proteiche esistenti in natura sono L-STEREOISOMERI 3

4 Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche ad eccezione nel modo in cui reagiscono con la luce piano-polarizzata La configurazione di un centro di chiralità viene definita assegnando le priorità relative dei quattro gruppi. La molecola a più bassa priorità viene orientata opposta agli altri tre a più alta priorità che si dirigono verso l osservatore. Se per passare dal gruppo a più alta priorità a quello a più bassa, passando per il gruppo a priorità intermedio, si percorre una curva in senso antiorario, lo steroisomero avrà configurazione S, se in senso orario avrà configurazione R FORMULE GEOMETRICHE PROIEZIONE DI FISCHER 4

5 OGNI AMMINOACIDO DERIVANTE DA UNA PROTEINA E NELLA CONFORMAZIONE STECHIOMETRICA L. Gli a.a. sono classificati in base alla capacità del loro gruppo R di interagire con l H 2 O Sono presenti 20 catene laterali diverse che variano per: Dimensioni Carica Capacità di formare legami idrogeno Idrofobicità Reattività chimica Suddivideremo gli amminoacidi in quattro gruppi in base alle caratteristiche generali dei loro gruppi R: a.a. IDROFOBICI a.a. POLARI a.a. AROMATICI a.a. CARICHI NEGATIVAMENTE 5

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8 La prolina influenza profondamente l architettura delle proteine poiché la sua struttura ad anello determina più costrizioni conformazionali nelle proteine rispetto agli altri a.a. 8

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11 Gli a.a. aromatici presentano un picco di assorbimento alla lunghezza d onda di 280 nm. 11

12 Sono a.a. carichi positivamente a ph neutro La lisina termina con un gruppo amminico primario L arginina con un gruppo guanidinico L istidina contiene un gruppo IMIDAZOLICO che vicino a ph fisiologico può prendere o rilasciare protoni 12

13 Questi a.a. sono chiamati spesso glutammato e aspartato per sottolineare che a ph fisiologicoper sottolineare che le loro catene laterali sono deprotonate 13

14 Le proprietà strutturali e chimiche dei 20 a.a. permettono alle proteine di svolgere numerosi ruoli funzionali. Esistono altri a.a. che non fanno parte della struttura delle proteine perché troppo reattivi vcome l omocisteina che potrebbe formare strutture cicliche non adatte. L omocisteina può ciclizzare e formare un anello stabile a cinque termini, che potenzialmente potrebbe scindere il legame peptidico. La ciclizzazione della serina è invece impedita perché l anello a 4 termini è instabile Altri a.a., diversi dai venti elencati, possono far parte di alcune strutture proteiche ma generalmente derivano da modificazioni specifiche di un residuo a.acidico standard dopo la sintesi della catena polipeptidica su cui è inserito 14

15 Gli amminoacidi in soluzione a ph neutro esistono in forma di ioni dipolari chiamati ZWITTERIONI Quando un amminoacido che non possiede un gruppo R ionizzabile viene posto in acqua a ph neutro, si trova in soluzione sottoforma di ione bipolare, o ZWITTERIONE. Possiede uno ione basico ( gruppo amminico) ed uno acido (groppo carbossilico) perciò può comportarsi come acido o come base. In soluzione acquosa gli a.a. si comportano cioè come basi ed acidi deboli 15

16 Curva di titolazione della GLICINA La curva di titolazione mostra due fasi distinte, corrispondenti ai due differenti gruppi titolabili della glicina. A ph bassi prevale la forma completamente protonata (pk 1 ) a ph alti quella deprotonata (pk 2 ). A metà tra i due pk troviamo il PUNTO ISOELETTRICO (pi) il ph in cui la glicina si trova nella sua forma bipolare zwitterionica e dove la sua carica netta è zero. LO STATO DI IONIZZAZIONE DIPENDE DAL PH DELLA SOLUZIONE 16

17 Gli amminoacidi con un gruppo R ionizzabile hanno curve di titolazione più complesse, con tre fasi corrispondenti alle tre possibili tappe di ionizzazione. 17

18 Nel 1953 Frederick Sanger determinò la sequenza degli amminoacidi dell insulina, un ormone proteico. Il suo lavoro è stato una pietra miliare nello sviluppo della biochimica perché ha dimostrato per la prima volta che le proteine hanno sequenze amminoacidiche definite con grande precisione, costituite da L-amminoacidi legati con legame peptidico. 18

19 Due molecole di amminoacidi possono unirsi covalentemente mediante un legame ammidico, chiamato LEGAME PEPTIDICO, formando un DIPEPTIDE Questo tipo di legame avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico del secondo amminoacido per eliminazione di una molecola di acqua 19

20 Il legame che deriva dalla condensazione di α - amminoacidi (con eliminazione di una molecola di H 2 O) viene chiamato legame peptidico: Struttura rigida planare per le interazioni di risonanza che forniscono al legame peptidico circa il 40% di carattere di doppio legame Caratteristiche del legame peptidico I legami peptidici non si rompono nelle condizioni che denaturano le proteine: riscaldamento o concentrazioni elevate di urea. Per idrolizzare questi legami, non enzimaticamente, occorrono esposizioni a acidi o basi forti con temperature elevate 20

21 Nomenclatura dei polimeri amminoacidici I polimeri (di tipo poliammiacidico) contenenti due, tre, pochi (da tre a dieci) oppure molti residui amminoacidici sono detti rispettivamente dipeptidi, tripeptidi, oligopeptidi oppure polipeptidi. I polipeptidi sono polimeri lineari che possono contenere da circa 40 fino a più 4000 residui amminoacidici e, poiché la massa media degli amminoacidi è di 110 Da, essi hanno masse molecolari che variano da circa 4 a 440 kda. Nel peptide, il residuo amminoacidico con cui termina la catena polipeptidica, viene chiamato residuo AMMINOTERMINALE (n-terminale), ha il gruppo amminico libero; il residuo all altra estremintà ha un gruppo α-carbossilico libero e viene chiamato residuo CARBOSSITERMINALE (C-terminale). Quando si riporta la fotografia di un polipeptide l estremità amminoterminale viene posta a sinistra quella carbossiterminale a destra 21

22 La struttura delle proteine viene suddivisa in quattro livelli di organizzazione: La funzione delle proteine può essere compresa analizzando la loro struttura. La struttura delle proteine viene suddivisa in quattro livelli di organizzazione: 1) La struttura primaria è la sequenza amminoacidica di una catena polipeptidica; 22

23 Struttura delle proteine Quando nel XIX secolo gli scienziati rivolsero per la prima volta la loro attenzione alla nutrizione, in breve tempo scoprirono che i prodotti naturali contenenti azoto erano essenziali per la nutrizione degli animali. Nel 1839 il chimico svedese Jacob Berzelius coniò per questa classe di composti il termine di PROTEINA (dal greco Proteius cioè che occupa la prima posizione). 23