Amino Acidi: Definizione

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1 Amino Acidi: Definizione
Un alfa aminoacido è una molecola formata da un carbonio alfa a cui sono legati un acido carbossilico e un gruppo amminico. The alpha carbon also has one H and one side chain substituent (R) except glycine which has two Hs. C R H N 3 + O Generic amino acid at physiological pH: zwitterion form a C

2 If the R group is not H, the AA can exist in two enantiomeric forms (mirror images)
+ + H N C H H C N H 3 3 a carbon R1 R1 Mirror plane L D

3 AMMINOACIDI

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7 Struttura degli amminoacidi
Ogni amminoacido (eccetto la prolina) possiede un carbonio centrale, chiamato carbonio a, al quale sono legati quattro differenti gruppi: un gruppo amminico basico (-NH2) un gruppo carbossilico acido (-COOH) un atomo di idrogeno (-H) una catena laterale, diversa per ciascun amminoacido (-R)

8 Gli aminoacidi acido Idrogeno Gruppo amminico Radicale Carbonio
Anatomia di un amminoacido. Ad eccezione della prolina e dei suoi derivati, tutti gli amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine possiedono questo tipo di struttura.

9 Abbreviazioni e simboli degli α-amminoacidi

10 Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno l’atomo di carbonio a legato a quattro gruppi diversi: il carbonio a (asimmetrico) è quindi un centro chiralico o otticamente attivo Gli amminoacidi che hanno un centro asimmetrico nel carbonio a possono esistere in due forme speculari (D ed L) dette stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri Le proteine contengono solo L- amminoacidi

11 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

12 Quando un amminoacido viene sciolto in H2O diventa uno ione dipolare (zwitterione) che può agire sia come acido (donatore di protoni) che come base (accettore di protoni) Le sostanze che hanno questa doppia natura si definiscono anfòtere o anfoliti. Al pH fisiologico (valore attorno a 7,4) tutti gli amminoacidi hanno: il gruppo carbossilico dissociato, si forma lo ione negativo carbossilato (-COO-) il gruppo amminico protonato (-NH3+)

13 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

14 Oltre alla parte funzionale, comune a tutti, ogni amminoacido presenta un gruppo -R proprio
La natura del gruppo -R conferisce proprietà diverse a ciascun amminoacido Punto isoeletrico (pI): è il valore di pH al quale un amminoacido ha carica netta 0 cioè è elettricamente neutro Il pI è una caratteristica di ogni singolo amminoacido

15 Nelle proteine quasi tutti i gruppi carbossilici e amminici degli amminoacidi sono uniti in legami peptidici Le proprietà di ciascun amminoacido dipendono dalle catene laterali (-R) che sono i gruppi funzionali responsabili della struttura, delle funzioni e della carica elettrica delle proteine Ciò che sostanzialmente determina il ruolo di un amminoacido in una proteina è la natura della catena laterale (-R)

16 La cisteina può formare ponti disolfuro

17 Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà delle loro catene laterali
(-R), considerando la loro polarità o non polarità al pH fisiologico e quindi la tendenza ad interagire con l’acqua Gli amminoacidi con catene laterali cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie delle proteine I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all’interno delle proteine, protetti dal contatto con l’acqua

18 Amminoacidi con gruppi -R alifatici (non polari)
Glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina. Le loro catene laterali sono costituite da una catena idrocarburica satura: sono idrofobici. La metionina è uno dei due amminoacidi contenenti zolfo. La prolina ha una caratteristica struttura ad anello, formato dalla catena laterale e dal suo gruppo amminico, e differisce dagli altri amminoacidi perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R’). E’ solo moderatamente polare.

19 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

20 Amminoacidi con gruppi -R aromatici
Fenilalanina, tirosina, triptofano Le loro catene laterali sono aromatiche Sono relativamente non polari (idrofobici) Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche I gruppi -OH della tirosina ed NH del triptofano possono formare legami a idrogeno

21 Amminoacidi aromatici
Non polare ionizzabile Non polare

22 Amminoacidi con gruppi -R polari, non carichi
Serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina Sono polari ma in condizioni fisiologiche sono privi di carica elettrica. I loro gruppi -R sono più idrofilici di quelli degli AA non polari: contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l’acqua. La polarità di serina e treonina è dovuta al gruppo ossidrilico (-OH), quella della cisteina al gruppo sulfidrilico (-SH), quella di asparagina e glutammina ai gruppi ammidici (-CONH2), dove sia la porzione carbonilica che quella amminica possono entrare in gioco.

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24 Amminoacidi con gruppi -R carichi positivamente (basici)
Lisina, arginina, istidina Sono accettori di protoni Le loro catene laterali, contenenti gruppi amminici, a pH fisiologico sono ionizzate ed hanno carica positiva L’istidina è debolmente basica (pKa = 6,0) ed a pH fisiologico l’amminoacido libero è in gran parte non ionizzato; quando si trova incorporata in una proteina può recare una carica positiva o essere neutra (proprietà molto importante!)

25 Struttura degli amminoacidi

26 Amminoacidi polari con carica
Si dispongono all’esterno della molecola proteica a contatto con il solvente * H Possono formare legami ionici

27 Amminoacidi con gruppi -R carichi negativamente (acidi)
Acido aspartico, acido glutammico. Sono donatori di protoni. I gruppi carbossilici delle loro catene laterali, al pH fisiologico, sono ionizzati ed hanno carica negativa.

28 PROTEINE ACIDE E BASICHE
Le proteine nelle quali il rapporto: (lys + arg ) / (asp + glu ) >1 sono basiche. Quando tale rapporto (lys + arg ) / (asp + glu ) <1 sono acide.

29 Struttura degli amminoacidi

30 Amminoacidi con caratteristiche particolari

31 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

32 Dal punto di vista biochimico gli amminoacidi si possono classificare in:
Essenziali: quegli AA che una determinata specie non è in grado di sintetizzare (o li sintetizza in quantità non sufficienti *); - devono essere introdotti con la dieta - Phe, Val, Thr, Try, Ile, Met, Leu, Lys, His*, Arg* Cys *Tyr * (* sono necessari nella dieta solo durante lo stadio giovanile di crescita) Non essenziali: quegli AA che una determinata specie è in grado di sintetizzare.

33 acronimo iniziale codone nome Ala alanina Leu leucina Arg arginina Lys
Questa tabella riporta i 20 amminoacidi ordinari ed i codoni che li codificano acronimo iniziale codone nome Ala A GCU, GCC, GCA, GCG alanina Leu L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG leucina Arg R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG arginina Lys K AAA, AAG lisina Asn N AAU, AAC asparagina Met M AUG metionina Asp D GAU, GAC aspartico Phe F UUU, UUC fenilalanina Cys C UGU, UGC cisteina Pro P CCU, CCC, CCA, CCG prolina Gln Q CAA, CAG glutammina Ser S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC serina Glu E GAA, GAG glutammico Thr T ACU, ACC, ACA, ACG treoninba Gly G GGU, GGC, GGA, GGG glicina Trp W UGG triptofano His H CAU, CAC istidina Tyr Y UAU, UAC tirosina Ile I AUU, AUC, AUA isoleucina Val V GUU, GUC, GUA, GUG valina start AUG, GUG stop UAG, UGA, UAA

34 neutri apolari (senza carica e idrofobici).
Ec E E E Ec Ec E= essenziale (non sintetizzabile dall’organismo umano da assumere con la dieta Ec = condizionatamente essenziale (la biosintesi nell’uomo non è sufficiente)

35 neutri polari (senza carica e idrofilici);
Ec Ec Ec * E * E Ec

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37 C R H N O + 3 Questa struttura ionica è in accordo
I punti di fusione elevati (glicina 233°C) Solubilità relativamente basse nei solventi organici Proprietà elettriche degli aa ai diversi valori di pH Amminoacido generico a pH fisiologico : zwiterione Non ha una carica netta

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43 L’unico Aminoacido che può funzionare da tampone è l’istidina
Unico Aa che può funzionare da tampone L’unico Aminoacido che può funzionare da tampone è l’istidina

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45 peptidi, polipeptidi e proteine
IMP!!!Deve essere un derivato acilico legami peptidici Avvengono tra il gruppo carbossilico attivato di un Aa e il gruppo amminico di un altro Aa Non è così anche se il risultato finale è questo esistono sequenze lunghe da pochi aminoacidi a migliaia di aminoacidi con peso molecolare da 5 a 1000 KDalton (1 Dalton = 1/12 massa 12C) # aminoacidi peptide (oligopeptide) <20 polipeptide <60 proteina >60

46 IMPORTANTE!!! In realtà il legame peptidico si forma tra il gruppo carbossilico attivato (a estere)di un aminoacido e il gruppo aminico di un altro aminoacido (estere + ammina = amide + alcol) Tutti i testi generalizzano questa reazione perché considerano la somma delle reazioni che sono: Acido + alcol = estere + acqua Estere + ammina = amide + alcol Tot Acido + ammina = ammide + acqua Ma è fondamentalmente un errore perché un acido + una base = sale + acqua In natura abbiamo infatti

47 Gli aminoacidi sono legati da un legame amidico
Gruppo carbossilico attivato

48 Ala Leu Arg Lys Asn Met Asp Phe Cys Pro Gln Ser Glu Thr Gly Trp His
Questa tabella riporta i 20 amminoacidi ordinari ed i codoni che li codificano Ala A GCU, GCC, GCA, GCG Leu L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG Arg R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Lys K AAA, AAG Asn N AAU, AAC Met M AUG Asp D GAU, GAC Phe F UUU, UUC Cys C UGU, UGC Pro P CCU, CCC, CCA, CCG Gln Q CAA, CAG Ser S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC Glu E GAA, GAG Thr T ACU, ACC, ACA, ACG Gly G GGU, GGC, GGA, GGG Trp W UGG His H CAU, CAC Tyr Y UAU, UAC Ile I AUU, AUC, AUA Val V GUU, GUC, GUA, GUG start AUG, GUG stop UAG, UGA, UAA

49 Ogni tRNA ha legato a se un Aa con legame estere (il gruppo carbossilico dell’Aa reagisce con l’OH del ribosio formando un estere e poi reagisce con l’Aa dell’altro tRNA formando il legame peptidico)

50 Questa è la reazione

51 The nascent polypeptide, one residue longer, is now linked to the tRNA in the A site.
Così si allunga la catena peptidica

52 GGC Pro AUG CCG UAU GCU CUU UAA P A UAC Met AUG CCG UAU GCU CUU UAA
Ripercorriamo il processo con qualche passaggio in più GGC Pro AUG CCG UAU GCU CUU UAA P A UAC Met AUG CCG UAU GCU CUU UAA P A UAC Met GGC Pro 2) Arriva la prolina e si lega con la metionina 1) Metionina nel sito P e prolina in arrivo P A AUG CCG UAU GCU CUU UAA Met GGC Pro AUA Thr 4) Il ribosoma, scorrendo lungo il filamento di mRNA, sposta il tRNA con la catena proteica in allungamento dal sito A al sito P AUG CCG UAU GCU CUU UAA P A UAC Met GGC Pro 3) Il tRNA presente nel sito P si stacca dalla metionina e si allontana

53 The Peptide Bond C C H H + N N - O O a a
The peptide bond is rigid and planar due to partial double bond between C & N from resonance between structures shown below. C O N H a C O N H a + -

54 The Peptide Bond R1 R1 R2 C H C N N H O O R2
Peptide bond is usually in trans conformation to prevent crowding between R groups, except for Gly. C O N H a trans R1 R2 cis C O N H a R1 R2

55 The peptide bond The 6 atoms of the peptide group are co-planar. The C-N bond can’t rotate due to double-bond character.

56 Peptides The dihedral angles between adjacent peptide groups restrict protein conformations; only a narrow range of F (fi)and Y (psi) ( angles are allowed. Il singolo legame C-N infatti si comporta per il 40% come un doppio legame, esso è perciò rigido e non può ruotare liberamente, limitando notevolmente i vari tipi di conformazioni proteiche possibili. Vi sono tuttavia altri due legami interni agli aminoacidi che invece possono ruotare liberamente, essi sono: il legame C-C di un aminoacido, il quale forma un angolo di rotazione detto "psi" e e il legame N-C di un altro aminoacido, con angolo di rotazione "phi". Legame amidico

57 F Y

58 Ψ Φ

59 Definizione degli angoli di rotazione (,)

60 Gli angoli f e y possono ruotare

61 Catena polipeptidica

62 La rotazione dipende dall’ingombro sterico dei gruppi R

63 Legame peptidico: possibili rotazioni degli altri legami

64 Ramachandran plot shows which  &  angles are allowed for proteins
La conformazione degli atomi di una catena polipeptidica è perciò determinata dalla coppia di angoli psi e phi di ciascun aminoacido, i quali possono ruotare fino a quando le rispettive catene laterali degli aminoacidi non entrano in collisione tra loro. Per prevedere gli angoli di legame, si utilizza il grafico di Ramachandran (vedi figura) in cui ciascun punto rappresenta una coppia osservata di angoli psi e phi di una proteina. Questa libertà di conformazione permette così alla catena polipeptidica di ripiegarsi fino a formare notevoli strutture regolari

65 Per motivi di reciproco ingombro sterico dei grossi gruppi laterali R e affinché sia ottimizzata la stabilizzazione del peptide attraverso la formazione di legami H intracatena, gli angoli ψ e F possono assumere solo determinati valori. La conformazione della catena polipeptidica è definita da questi valori. Riportando in un grafico ψ in funzione del corrispondente F , si ottiene il cosiddetto grafico di Ramachandran (dal nome del biofisico indiano che effettuò i calcoli sui valori consentiti delle coppie degli angoli di rotazione), in cui si individuano 3 regioni ben definite corrispondenti alle coppie di valori consentiti. Le regioni sono definite β, α e L e corrispondono rispettivamente a strutture β, α-eliche destrorse e α-eliche sinistrorse. In queste restrizioni non rientra la glicina che, avendo un H come gruppo R, e quindi un limitato ingombro sterico, può assumere angoli non consentiti ad altri amminoacidi. La glicina può così avere un ruolo importante nella struttura proteica, potendo far assumere alla catena angolazioni "insolite".

66 Oltre alle proprietà specifiche dei legami intraaminoacidici, vi sono un insieme di forze deboli (non covalenti) che guidano il processo di ripiegamento della proteina nella sua conformazione nativa; questi legami sono: legami H, legami ionici, attrazioni di Van der Waals... La stabilità complessiva della struttura dipende dalla somma delle suddette forze agenti. Durante il processo di ripiegamento, detto "folding proteico", la driving force che guida l'intero processo è rappresentato dalle proprietà idrofobiche delle catene laterali di alcuni aminoacidi che in soluzione tendono spontaneamente a disporsi lontano dalla fase acquosa, per ridurre al minimo l'energia totale del sistema. Si ha così che i gruppi idrofobici degli aminoacidi come fenilalanina, leucina, valina e triptofano tendono a raggrupparsi internamente alla struttura proteica, mentre gli altri aminoacidi polari come arginino glicina e istidina presenti nella catena tendono a porsi sulla superficie della struttura, a diretto contatto con l'acqua (o altri solventi polari) dove stabiliscono legami idrogeno. In termini energetici le proteine tendono sempre a disporsi in conformazioni con livelli di energia libera minimi (G°).

67 Applicazione del grafico di Ramachandran

68 Physiologically Interesting Small Peptides

69 MANIFESTAZIONE da carenza di singoli aminoacidi nell'uomo
NOME MANIFESTAZIONE da carenza di singoli aminoacidi nell'uomo Cistina Cisteina Necrosi e atrofia epatica, lesioni cutanee, tendenza agli edemi ed alle infezioni. Fenilalanina Tirosina Alterazioni della funzionalità tiroidea e surrenalica, anomalie pigmentarie, anemia. Isoleucina Treonina Alterazione dell'assorbimento dell'azoto esogeno con ipoproteinemia, edemi, calo ponderale. Istidina Anemia, cataratta. Leucina Atrofia del fegato, testicoli, timo, surreni, ipofisi, cheratite. Ipoproteinemia, proteinemia. Lisina Ritardato accrescimento staturo-ponderale, inibizione ossificazione delle epofisi, modificazioni del ciclo mestruale, della lattazione, dell'attività sessuale, anemia. Metionina Degenerazione grassa del fegato, cirrosi, diminuita resistenza alle sostanze tossiche, anemia, cheratite, lesioni renali, atrofia muscolare, ipoproteinemia, alopecia.

70 Aa molto importanti in biochimica sono: Serina,treonina,tirosina,lisina,arginina,
istidina,aspartico,glutammico e cisteina oltre a saperli identificare per le loro caratteristiche