AMMINOACIDI E PROTEINE Vengono chiamate amminoacidi quelle molecole organiche in cui sono contemporaneamente presenti sia un gruppo acido carbossilico -COOH che un gruppo amminico -NH2. Le proteine, a loro volta, sono poliammidi costruite a partire da -amminoacidi, ossia amminoacidi in cui i due gruppi amminico e carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio. Tutte le proteine naturali (sia quindi quelle fibrose che quelle che, nelle cellule viventi, ricoprono i ruoli più vari: enzimi, trasportatori, tessuto connettivo e muscolare, ecc.) sono costruite a partire da un gruppo di soli 20 amminoacidi naturali, tutti della seguente struttura: nella quale R rappresenta un gruppo laterale variabile. La stereochimica è sempre quella indicata. L aldeide poliidrossilata più semplice è il 2,3-diidrossipropanale, o gliceraldeide, che ha un solo centro di asimmetria ed esiste in due enantiomeri. I simboli (+) e (-) riguardano il verso di rotazione della luce polarizzata, rispettivamente destrogiro e levogiro. Le lettere R e S si riferiscono alla configurazione assoluta del centro chirale, così come pure le lettere D (equivalente a R) e L (equivalente a S). Tutti i carboidrati il cui atomo di carbonio asimmetrico più lontano dal carbonile ha la stessa configurazione della D-(+)-gliceraldeide si dicono appartenenti alla serie D; la stragrande maggioranza dei carboidrati naturali appartiene alla serie D. Gli amminoacidi naturali, invece, appartengono tutti alla serie L:
Tutte le proteine naturali sono costituite da soli 20 a-amminoacidi, che differiscono fra loro solo per la natura del gruppo R e uno solo dei quali, la glicina, è privo di chiralità. I 20 amminoacidi naturali sono i seguenti, raggruppati in base alla natura di R: Fra questi ultimi gli acidi glutammico e aspartico portano gruppi laterali acidi, mentre arginina, lisina e istidina portano gruppi laterali basici. Gli amminoacidi sono stati qui indicati con tutti i gruppi funzionali in forma neutra: in realtà, dato che contengono almeno un gruppo acido debole e uno debolmente basico, e a seconda della natura di R anche più di uno, i loro gruppi possono essere in forma neutra o carica a seconda del ph del mezzo. Si consideri ad esempio la titolazione di un amminoacido semplice come l alanina mediante aggiunta di una base forte, a partire da un mezzo a ph 0.
All inizio, a ph 0, l alanina è presente nella forma 1: in cui entrambi i gruppi sono protonati; con l aumentare del ph, tende a cedere H + dapprima il più acido fra i due gruppi protonati. Il gruppo -COOH è leggermente più acido di quello che si trova in un normale acido carbossilico alifatico, a causa dell effetto elettronattrattore del gruppo amminico, che stabilizza la base coniugata. Il pka del gruppo -COOH nell alanina è 2,35 (Ka = 4,5 x 10-3 ), mentre quello di -NH3 + è 9,87 (Ka = 1,3 x 10-10 ), dato che il gruppo -NH2 è leggermente meno basico rispetto ad una normale ammina alifatica (Kb = 7,4 x 10-5 ). Si ricordi che il prodotto Ka Kb = 10-14. Questo significa che, nella curva di titolazione riportata sopra, il primo flesso, corrispondente all aggiunta di mezza mole di OH -, rappresenta il valore di ph al quale la metà di 1 si è trasformata in 2; la trasformazione si completa all aggiunta di un altra mezza mole di OH -, e a quel punto l amminoacido è completamente presente nella forma 2, la cui carica elettrica netta è zero a causa della contemporanea presenza di due cariche opposte (una specie di questo genere viene anche chiamata zwitterione, dalla parola tedesca zwitter, che significa doppio ). Il ph corrispondente si trova dividendo per 2 la somma dei pka dei due gruppi acidi, in questo caso (2,35 + 9,87): 2 = 6,1. Questo è il cosiddetto ph isoelettrico per questo amminoacido, ossia il ph al quale l amminoacido non migra se immerso all interno di un campo elettrico; questa è la condizione di minima solubilità in acqua, perché a questo ph le molecole tendono piuttosto ad aggregarsi fra loro. Aggiungendo ulteriore base, il gruppo ammonio comincia a perdere H+ e l amminoacido comincia a dar luogo alla forma anionica 3. Nel caso in cui sia presente anche un gruppo R acido o basico, occorre confrontarne la Ka con quelle degli altri due gruppi: anche in questo caso, il ph isoelettrico è quello in cui sono presenti sulla molecola solo due cariche, una + e una. Facciamo l esempio dell acido glutammico: i valori di pka sono rispettivamente quelli indicati in figura. Quindi quella in figura è la forma presente a ph 0: aggiungendo base cedono H +, nell ordine, il gruppo -COOH con pka 2,10, l altro gruppo -COOH, più simile ad un gruppo carbossilico normale, e infine il gruppo ammonio. Il ph isoelettrico si trova dunque a (2,10 + 4,07) : 2 = 3,1, al quale l amminoacido sarà nella forma indicata in figura. A ph 7 questo amminoacido avrà una carica + e due cariche.
Se consideriamo invece l arginina, in cui il gruppo R è molto basico a causa della forte stabilizzazione di risonanza dell acido coniugato (vedi figura): in questo caso, quando il gruppo -COOH si dissocia, la molecola ha tre cariche, due positive e una negativa; è solo a ph (8,99 + 12,48) : 2 = 10,7 che è presente la forma zwitterionica con una carica + (quella sul gruppo R) e una carica, mentre il gruppo -NH2 è deprotonato. Nella seguente Tabella sono riportati i valori di pka a 25 C per i gruppi acidi e basici degli amminoacidi naturali, e inoltre il valore del ph isoelettrico per ciascuno di essi. Gli aminoacidi naturali sono indicati normalmente con un abbreviazione costituita da tre lettere; è anche possibile trovare una notazione alternativa, in cui ogni amminoacido è rappresentato da una lettera maiuscola, come si vede nella tabella.
Gli amminoacidi si legano fra loro a formare un ammide fra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro. Il legame così formato, nelle proteine, prende il nome di legame peptidico. In questo modo numerosi amminoacidi si concatenano dando luogo a polipeptidi, che sono delle poliammidi naturali. Quando gli amminoacidi concatenati sono in numero compreso tra 2 e 7 si parla di oligopeptidi, fra 8 e 49 si usa il termine polipeptidi e solo a partire da almeno 50 amminoacidi si parla di vera e propria proteina. Ogni amminoacido è indicato da una sequenza di tre lettere, e per indicare un tripeptide formato da, ad es., valina, glycina e lisina si scrive Val-Gly-Lys, il che sottintende che il primo amminoacido a sinistra (Val) è quello con il gruppo -NH2 terminale libero, mentre all altra estremità si trova il gruppo -COOH. Questo concatenamento di amminoacidi è quella che viene chiamata la struttura primaria delle proteine, costituita dalla sequenza dei legami s della
macromolecola. Normalmente le proteine contengono circa il 50% di amminoacidi non polari; vi sono inoltre amminoacidi che si ritrovano più comunemente e altri che sono invece più rari. La possibilità di instaurare legami idrogeno all interno della stessa catena dà poi luogo alla struttura secondaria della catena proteica, che consiste nell avvolgimento che la catena assume nello spazio. Oltre al cosiddetto random coil (avvolgimento casuale), la proteina può assumere ad esempio la geometria detta -elica (tipica delle cheratine, proteine fibrose alla base della struttura di lana, capelli, unghie e corna) oppure quella a foglietto tipica della seta, o ancora l elica sinistrorsa delle proteine del collagene. A sinistra l -elica, con il legame idrogeno che si instaura tra l H dell azoto ammidico e l O del gruppo carbonilico; il giro della spirale è lungo 3,6 amminoacidi. I gruppi R puntano tutti verso l esterno. Qui sopra, il foglietto, in cui le catene stanno fra loro parallele e i gruppi R, sopra e sotto il piano, sono paralleli fra loro, il che richiede che siano in buona parte di piccole dimensioni. La presenza dei diversi gruppi R, poi, capaci di interazioni di vario tipo fra loro (legami idrogeno, legami ionici, interazioni di London, sovrapposizioni (dette -stacking) fra anelli aromatici), fa sì che la proteina, invece di mantenere una forma distesa, si avvolga su se stessa secondo una geometria (struttura terziaria) che appunto dipende dalle diverse interazioni intracatena e intercatena. La catena polipeptidica può inoltre associarsi ad altre catene (struttura quaternaria) dando luogo ad esempio ad un enzima, o ad altri aggregati cosiddetti supramolecolari in grado di esplicare una qualche funzionalità.
Anche le proteine, come gli amminoacidi, hanno un proprio ph isoelettrico, determinato dai gruppi COOH e NH2 terminali e inoltre dai gruppi laterali acidi o basici. Le proteine, in natura, si dispongono, in condizioni di ph fisiologico, secondo una ben precisa struttura terziaria, strettamente determinata dalla sequenza di amminoacidi. Nella figura che segue è rappresentata una molecola di ribonucleasi bovina, una proteina costituita da 124 amminoacidi. Alcuni degli amminoacidi presenti sono in grado di formare specifiche interazioni fra loro, che mantengono la proteina nativa ripiegata come indicato. Qualora la proteina venga sottoposta, ad esempio, a blando riscaldamento o a variazioni di ph, si può avere perdita del ripiegamento (denaturazione), ma se la proteina non viene danneggiata il ripristino delle condizioni iniziali porta al recupero della struttura (rinaturazione).