amminoacidi

L’alanina è un a -amminoacido acido 2(S)-ammino propanoico L’alanina è un a -amminoacido

La b-alanina è un b -amminoacido

Il GABA è un g -amminoacido acido 4-ammino butanoico Il GABA è un g -amminoacido

Gli amminoacidi che si ottengono dall'idrolisi delle proteine sono tutti a-amminoacidi  H N C H 2 R

Gli a-amminoacidi naturali appartengono tutti alla serie sterica L. (ad eccezione della glicina, che non ha atomi di carbonio asimmetrici)

H O O C N C H H H R - + Allo stato cristallino gli amminoacidi sono nella forma zwitterionica - H O O C + N C H H H R

C O O H H N C H R 2 Gli amminoacidi naturali differiscono Gruppo funzionale H N C H 2 R Gli amminoacidi naturali differiscono per la struttura della catena laterale

COO- G A V L I P Gly Ala Val Leu Ile Pro + H3N C H R R apolare

H COO- C H3N + Glicina Gly G

CH3 COO- C H H3N + Alanina Ala A

CH2 COO- C H H3N + CH CH3 H3C Leucina Leu L

COO- + H3N C H H C CH3 CH2 CH3 Isoleucina Ile I

COO- C H H3N + CH CH3 H3C Valina Val V

H N CH COO- CH2 H2C + Prolina Pro P

R Ser Thr Cys Met Asn Gln S T C M N Q COO- H3N C H R polare non carica + H3N C H R R polare non carica

COO- + H3N C H CH2OH Serina Ser S

C CH3 H OH COO- H3N + Treonina Thr T

COO- + H3N C H CH2 SH Cisteina Cys C

CH2 S CH3 COO- C H H3N + Metionina Met M

COO- C H H3N + CH2 O H2N Asparagina Asn N

CH2 COO- C H H3N + O H2N Glutammina Gln Q

COO- + H3N C H F Y W Phe Tyr Trp R R aromatica

COO- C H H3N + CH2 Fenilalanina Phe F

OH COO- C H H3N + CH2 Tirosina Tyr Y

COO- C H H3N + N CH2 Triptofano Trp W

COO- + H3N C H D E Asp Glu R R con carica negativa

CH2 COO- C H H3N + Ac. aspartico Asp D

CH2 COO- C H H3N + Ac. glutammico Glu E

R carica positivamente COO- + H3N C H K H R Lys His Arg R R carica positivamente

CH2 NH3 + COO- C H H3N Lisina Lys K

COO- C H H3N + N CH2 Istidina His H

CH2 NH C NH2 + COO- H H3N Arginina Arg R

Alcuni amminoacidi sono essenziali “o indispensabili”

indispensabili H N CH COO- CH2 H2C + glicina [G] (Gly) H COO- C H3N + alanina [A] (Ala) CH3 COO- C H H3N + prolina [P] (Pro) indispensabili leucina [L] (Leu) CH2 COO- C H H3N + CH CH3 H3C isoleucina [I] (Ile) C CH3 CH2 H COO- H3N + valina [V] (Val) COO- C H H3N + CH CH3 H3C

indispensabili asparagiNa [N] (Asn) COO- C H H3N + CH2 O H2N CH2 (Q)lutammina [Q] (Gln) COO- C H H3N + O H2N cisteina [C] (Cys) SH CH2 COO- C H H3N + serina [S] (Ser) CH2OH COO- C H H3N + COO- C H H3N + COO- C H H3N + CH2 H C OH CH2 indispensabili CH3 Treonina [T ] (Thr) S CH3 Attenzione!!!: la corruzione del nome di alcuni AA è solo un trucco mnemonico utile a ricordarne i simboli Metionina [M] (Met)

indispensabili COO- C H H3N + N CH2 COO- C H H3N + CH2 OH COO- C H H3N Attenzione!!!: la corruzione del nome di alcuni AA è solo un trucco mnemonico utile a ricordarne i simboli indispensabili COO- C H H3N + N CH2 COO- C H H3N + CH2 OH COO- C H H3N + CH2 Tripto(W)fano [W] (Trp) Fenilalanina [F] (Phe) tYrosina [Y] (Tyr)

acido glu(E)tammico [E] COO- C H H3N + CH2 COO- C H H3N + CH2 COO- acido aspar(D)ico [D] (Asp) acido glu(E)tammico [E] (Glu) Attenzione!!!: la corruzione del nome di alcuni AA è solo un trucco mnemonico utile a ricordarne i simboli

Tutti indispensabili CH2 NH3 + COO- C H H3N aRginina [R] (Arg) CH2 NH Attenzione!!!: la corruzione del nome di alcuni AA è solo un trucco mnemonico utile a ricordarne i simboli Tutti indispensabili CH2 NH3 + COO- C H H3N aRginina [R] (Arg) CH2 NH C NH2 + COO- H H3N COO- C H H3N + N CH2 (K)lisina [K] (Lys) (H)istidina [H] (His)

Caratteristiche chimiche degli amminoacidi

PLP -amminoacido aldimmina HC CH2OPO3H2 HO H3C - H2O + H2O C O H N COOH C H R NH2 aldimmina HC COOH C H R N + CH2OPO3H2 HO H3C - H2O + H2O + PLP C O H N CH2OPO3H2 HO H3C

chetimmina aldimmina H HC N CH2OPO3H2 HO H3C HC HO CH2OPO3H2 H3C N H + N CH2OPO3H2 HO H3C COOH C R COOH R C H N HC HO CH2OPO3H2 + H3C N H aldimmina

-chetoacido chetimmina + piridossammina-fosfato HC HO CH2OPO3H2 CH2 COOH C R O + H CH2 N CH2OPO3H2 HO H3C NH2 piridossammina-fosfato COOH R C N + H2O HC H - H2O HO CH2OPO3H2 + H3C N H chetimmina

-amminoacido1 + -chetoacido2 -chetoacido1 + -amminoacido2 Transamminasi PLP-dipendente

pigmento violaceo COOH C H R H2N ninidrina amminoacido ninidrina CO2 R 3 H2O

cisteina cistina ossidazione (-2H) riduzione (+2H) SH CH2 COO- C H H3N

H O O C N C H H H R - + Allo stato cristallino gli amminoacidi sono nella forma zwitterionica (anfionica) - H O O C + N C H H H R

gli amminoacidi sono anfoliti forma anionica forma anfionica forma cationica

possono essere considerati acidi diprotici Gli amminoacidi* possono essere considerati acidi diprotici Ciascuno dei due equilibri comporta la possibilità che l’amminoacido funzioni da tampone *monocarbossilici e monoamminici

Il pKa1 degli amminoacidi è influenzato dal gruppo amminico glicina (ac. amminoacetico) pKa1 = 2.34 acido acetico pKa = 4.75

pH OH- (equivalenti) Ka1 COO- C H H3N + Ka2 COO- C H H2N COOH C H H3N 7 12 pH + NaOH pK2 = 9.60 + NaOH Punto isoelettrico pKa1 = 2.34 0.5 1 1.5 2 OH- (equivalenti)

Al punto isoelettrico [AH2 ] = [A-] + AH2+ A- AH =

. . AH2+ AH + H + Ka1 Ka1 = [AH] [H+] [AH2+] A- AH + H + Ka2 Ka2 = Per calcolare a quale valore di pH si abbia il punto isoelettrico dell’amminoacido si può ricorrere ad un “artificio matematico”

. . . . [AH] [H+] [AH2+] [A- ] [H+] [AH] K1·K2 = · K1 = [AH] [H+] Dal prodotto delle due equazioni si ottiene la seguente : [AH] [H+] [AH2+] . [A- ] [H+] [AH] . K1·K2 = · Elidendo i termini che compaiono sia al numeratore che al denominatore ... K1 = [AH] [H+] [AH2+] . K2 = [A- ] [H+] [AH] .

. . pK1 + pK2 pI = 2 = [AH2+] [A-] [AH] [H+] [AH2+] [A- ] [H+] [AH] E considerando che al punto isoelettrico = [AH2+] [A-] [AH] [H+] [AH2+] . [A- ] [H+] [AH] . K1·K2 = · [H3O+]2 = K1 · K2 deriva che : pK1 + pK2 pI = 2 E quindi:

pK1 pK2 pKR R non polare R aromatico R polare non carico R negativo R positivo glicina 2.34 9.60 alanina 2.34 9.69 valina 2.32 9.62 leucina 2.36 9.60 isoleucina 2.36 9.68 prolina 1.99 10.96 fenilalanina 1.83 9.13 tirosina 2.2 9.11 10.07 triptofano 2.38 9.39 serina 2.21 9.15 13.6 treonina 2.11 9.62 13.6 cisteina 1.96 8.18 10.28 metionina 2.28 9.21 asparagina 2.02 8.80 glutammina 2.17 9.13 aspartato 1.88 9.60 3.65 glutammato 2.19 9.67 4.25 lisina 2.18 8.95 10.53 arginina 2.17 9.04 12.48 istidina 1.82 9.17 6.0

Gli amminoacidi si legano contraendo legami peptidici

Mesomeria del gruppo funzionale peptidico Planarità del gruppo funzionale peptidico a a

seril-glicil-aspartil-alanil-leucina SGDAL S G D A L amminoacido N-terminale amminoacido C-terminale

2,4-dinitro-fluorobenzene identificazione dell'amminoacido N-terminale + HF 2,4-dinitro-fluorobenzene

+ gli altri AA idrolisi dinitrofenil-peptide dinitrofenil-AA

S G D A L SGDAL 24 combinazioni possibili degli altri 4 AA (n!) GDAL / GDLA / GADL / GALD / GLDA / GLAD DALG / DAGL / DGAL / DGLA / DLAG / DLGA ADLG / ADGL / AGLD / AGDL / ALGD / ALDG LDAG / LDGA / LGDA / LGAD / LAGD / LADG

Determinazione della sequenza mediante “degradazione di Edman” fenilisotiocianato idrolisi oligopeptide di n-1 AA (pronto per il ciclo successivo)

-SCALIQAFTYKESENQPCTGWDFSIMDFIFESGDAL Nei polipeptidi, oltre al legame peptidico, esistono anche altre interazioni fra amminoacidi. Queste interazioni danno origine a strutture superiori

Ogni polipeptide allo stato nativo ha uno specifico folding, che è determinato dalla sua struttura primaria

Le quattro interazioni deboli implicate nel folding di un polipeptide in ambiente acquoso attrazione repulsione Legame ionico ≈10 kcal/mole fra catene laterali 3-7 kcal/mole Legame H fra gruppi amidici 1-2 kcal/mole Interazione idrofobica < 1 kcal/mole Forze di van der Waals

Forze implicate nel folding della barnasi Effetto idrofobico La ribonucleasi batterica barnasi, un piccolo polipeptide di 110 aminoacidi e 12.4 kDa di massa molecolare, è un buon modello per descrivere il folding di un polipeptide Phe7 Val10 Ala11 Leu14 Leu20 Tyr24 Ala74 Ile76 Ile88 Tyr90 Trp94 Ile96 Ile109

Forze implicate nel folding della barnasi Core idrofobico della barnasi Phe56 Leu63 Trp71 Leu89 Tyr97 Tyr103 Phe106

Forze implicate nel folding della barnasi Legami idrogeno Barnase – helix I Amphipathic Phe7-Asp-Gly-Val-Ala-Asp-Tyr-Leu-Gln-Thr-Tyr-His18

Forze implicate nel folding della barnasi Interazioni elettrostatiche Arg69 Asp93 Rompendo questo legame ionico la proteina diventa unfolded

Forze implicate nel folding della barnasi Ponti disolfuro Ser-Cys85 His-Cys102 mutante

Conseguenze della mesomeria del gruppo funzionale peptidico Planarità e isomeria cis/trans Angoli diedri di torsione intorno ai legami  e 

  R R Queste torsioni sono limitate dall’ingombro sterico (e da interazioni elettrostatiche). La piccola catena laterale della alanina impedisce le modificazioni conformazionali molto meno di quella, “più ingombrante”, del triptofano. La glicina gode della massima libertà conformazionale mentre la prolina, per la struttura ciclica in cui è compreso l’azoto del gruppo funzionale, ha una libertà di modificazioni conformazionali fortemente limitata.

Il paradosso di Levinthal Per un polipeptide di 101 amminoacidi : 8100 = 2x1090 conformazioni possibili. Con una frequenza di modificazione conformazionale = 1013 s-1 (diecimila milardi di volte al secondo) al polipeptide occorrerebbero poco meno di 1070 anni per assumere tutte le conformazioni possibili

Cooperatività The folding funnel G stato “folded”

Ogni polipeptide allo stato nativo ha uno specifico folding, che è determinato dalla sua struttura primaria

Ogni polipeptide allo stato nativo ha uno specifico folding, che è determinato dalla sua struttura primaria

C O C O Ca Ca H N Ca Ca Legame H della struttura secondaria H R N H N

a-elica Mioglobina & GAPDH

Struttura secondaria a “foglietto pieghettato” b-sheet antiparallelo b-sheet parallelo

Effetti della struttura secondaria sulle caratteristiche dei polipeptidi STRUTTURA CARATTERISTICHE ESEMPI a-elica con cross-linking di cistina 0,54 nm/giro dell’elica 3,6 residui AA/ giro dell’elica Catene laterali rivolte all’esterno a-cheratina (peli, unghie, piume) durezza e rigidità (variabili) b-sheet distanza fra i residui: 0,65-0,70 nm o 0,34 nm Catene laterali alternativamente sopra e sotto il piano Fibroina della seta Filamenti flessibili Tripla elica del collageno Coiled-coils determinati da legami non-covalenti (talora anche da ponti disolfuro) Collagene dei tendini, proteine della matrice ossea Alta resistenza alla tensione

a-cheratina

Coiled-coils (collageno)

Si definiscono legami della struttura terziaria tutti i legami che si stabiliscono fra catene laterali di amminoacidi costituenti la stessa catena polipeptidica

Gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi rasmol

Struttura quaternaria dell’emoglobina

indice idropatico R non polare R aromatico prolina - 1.6 glicina - 0.4 R polare non carico R negativo R positivo prolina glicina alanina leucina valina isoleucina tirosina triptofano fenilalanina asparagina glutammina serina treonina metionina cisteina aspartato glutammato arginina lisina istidina - 1.6 - 0.4 1.8 3.8 4.2 4.5 - 1.3 - 0.9 2.8 - 3.5 - 3.5 - 0.8 - 0.7 1.9 2.5 - 4.5 - 3.9 - 3.2

2D-PAGE

La soluzione proteica viene risolta nelle sue componenti mediante focalizzazione isoelettrica su un gradiente di pH immobilizzato proteine acide proteine basiche + - pH 3 gradiente di pH immobilizzato pH 10 Ogni proteina migra nel campo elettrico fino a raggiungere la zona il cui pH (immobilizzato) corrisponde al suo punto isoelettrico

- Gel di agarosio Gel di poliacrilammide +

- +

SDS – 2D PAGE 4 5 6 7 8 pI Mr (kD) 100 50 40 Ad ogni proteina (spot) corrisponde uno specifico valore di Mr e di pI 30 20 10

Una procedura semplice per l’analisi proteomica “spot picking” estratto proteico coltura cellulare o tessuto elettroforesi bidimensionale digestione triptica ricerca in banca-dati identificazione Spettrometria di massa

eme mioglobina