AMMINOACIDI

PEPTIDI E PROTEINE

AMMINOACIDI

GRUPPO AMMINICO

GRUPPO CARBOSSILICO

Catena laterale

α

α-Amminoacidi

Gli amminoacidi sono composti che contengono sia il gruppo amminico che il gruppo carbossilico.

Amminoacidi

Nomenclatura

Nome IUPAC

Nome comune

Gli α-amminoacidi generalmente portano un nome comune e sono identificati da due tipi di abbreviazioni: a una e a tre lettere.

Gli atomi di carbonio della catena laterale sono designati con le lettere dell’alfabeto greco a partire dal carbonio α.

Esempio: LISINA

(Lys, K)

α

β

γ

δ

ε Nome IUPAC

Acido 2,6-diamminoesanoico

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 .

Amminoacidi

Classificazione

In base alla struttura e alle proprietà chimiche delle catene laterali (R), gli amminoacidi possono essere suddivisi in:

Alifatici Aromatici ed eterociclici Neutri

Acidi Basici Polari

Non polari (idrofobici)

POLARITA’

La distribuzione non uniforme degli elettroni in un composto contenente legami covalenti viene misurata da una grandezza momento dipolare. Il momento dipolare (μ) è una grandezza vettoriale definita dalla seguente equazione:

μ =qr dove q è il valore della carica e r è il vettore distanza diretto dalla carica positiva alla carica negativa. Il momento dipolare è espresso in Debay (D). Si definiscono molecole polari le molecole che presentano momenti dipolari permanenti.

Amminoacidi

A

L

I

F

A

T

I

C

I

Glicina

(Gly, G)

Alanina

(Ala, A) Valina

(Val, V)

Isoleucina

(Ile, I)

AMMINOACIDI NEUTRI

(non polari)

Leucina

(Leu, L)

Metionina

(Met, M)

Prolina

(Pro, P)

A

R

O

M

A

T

I

C

I

Fenilalanina

(Phe, F)

Triptofano

(Trp, W)

Amminoacidi

A

L

I

F

A

T

I

C

I

AMMINOACIDI NEUTRI

(polari)

Serina

(Ser, S) Treonina

(Thr, T)

Asparagina

(Asn, N) Glutammina

(Gln, Q)

Cisteina

(Cys, C)

A

R

O

M

A

T

I

C

I

Tirosina

(Tyr, Y)

Amminoacidi

AMMINOACIDI ACIDI

AMMINOACIDI BASICI

Acido glutammico

(Glu, E)

Acido aspartico

(Asp, D)

Arginina

(Arg, R)

Lisina

(Lys, K)

Istidina

(His, H)

Amminoacidi

Proprietà acido-base Sostanze anfotere

SWITTERIONE

pI = PUNTO ISOELETTRICO

La carica complessiva è nulla

Carica netta +1

Predomina a pH << pI

Carica netta -1

Predomina a pH >> pI

Alanina

pKa1 = 2.35 pKa2 = 9.69

pI = 6.02

pI = pKa1 + pKa2

2

Amminoacidi

Proprietà acido-base

Acido aspartico

pKa1 = 1.88 pKa2 = 3.65 pKa3 = 9.60

Carica netta +1 Carica netta -1 Carica netta -2 Carica netta 0

pI = 2.76

pI = pKa1 + pKa2

2

= 1.88 + 3.65

2

= 2.76

Amminoacidi

Proprietà acido-base

AA R pKa1 pKa2 pKa3 pI

Ac. aspartico -CH2COOH 1.88 3.65 9.60 2.76

Ac. glutammico -CH2CH2COOH 2.16 4.32 9.67 3.24

Tirosina -CH2PhOH 2.20 9.11 10.07 5.65

Cisteina -CH2SH 1.71 8.18 10.28 5.02

Lisina -(CH2)4NH2 2.18 9.12 10.53 9.82

Arginina -(CH2)3NHC(NH2)=NH 2.17 9.04 12.48 10.76

Istidina -CH2-imidazolo 1.82 6.00 9.17 7.58

Amminoacidi basici

pI > pH neutro

Arginina Lisina Istidina meno

basico

più

basico

Amminoacidi acidi

pI < pH neutro

Carica netta negativa a pH neutro

Amminoacidi

Stereochimica

α

Con la sola eccezione della glicina,

il carbonio α degli amminoacidi è un

CENTRO STEREOGENICO.

MOLECOLA CHIRALE

molecola non sovrapponibile alla

propria immagine speculare.

180°

Amminoacidi

Stereochimica

Assegnazione della configurazione assoluta: sistema R, S

Regole di Cahn-Ingold-Prelog

• Assegnare la priorità ai quattro differenti gruppi

• Se il gruppo a priorità minore si trova sul cuneo tratteggiato si procede

tracciando una freccia dal gruppo a priorità maggiore a quello che segue in

ordine di priorità. Senso orario: configurazione R. Senso antiorario:

configurazione S.

• Se il gruppo a priorità minore non si trova sul cuneo tratteggiato

scambiare tra loro due gruppi in modo tale da portare il gruppo con priorità

4 in tale posizione. Si ottiene così l’enantiomero della molecola di partenza

la cui configurazione assoluta può essere assegnata come sopra. Se si ottiene

configurazione R allora la molecola di partenza ha configurazione S e

viceversa.

1

2

3

Configurazione S

Il carbonio α degli amminoacidi in natura ha configurazione S con l’eccezione della cisteina

Amminoacidi

Stereochimica

Gli amminoacidi in natura hanno configurazione L.

(S)-alanina

1

2

3

(S)-L-alanina

Proiezioni di Fischer

Proiezioni di Fischer

Notazione D, L

Formule prospettiche

Amminoacidi

Attività ottica

Un composto capace di ruotare il piano della luce polarizzata di definisce

OTTICAMENTE ATTIVO. Le molecole chirali sono otticamente attive.

Rotazione del piano della luce polarizzata

In senso

DESTROGIRO

(+) o d

In senso

LEVOGIRO

(-) o l

(S)-(+)-alanina (R)-(-)-alanina

L-alanina D-alanina

Amminoacidi

Conformazioni

Proiezioni di Newman

Analisi conformazionale

Isoleucina

Conformeri eclissati

Conformeri sfalsati

Gauche + Gauche - Anti

Angolo diedro

Più stabile

PEPTIDI E PROTEINE

Legame peptidico

Legame covalente che si forma per

reazione tra i gruppi α-carbossilico di un

amminoacido e α-amminico di un secondo

amminoacido.

La reazione avviene mediante eliminazione

di una molecola di acqua e il legame che si

forma è un legame ammidico.

Legame peptidico

Estremità

N-terminale Estremità

C-terminale

Peptidi e proteine Legame peptidico

• Il legame peptidico può essere descritto come ibrido di due forme tautomeriche

limiti (il legame ha caratteristiche intermedie tra legame semplice e doppio) attraverso

la risonanza.

Forma tautomerica aci-ammidica

risonanza risonanza

Struttura mesomerica

Peptidi e proteine Legame peptidico

• Non è possibile la rotazione libera intorno al legame peptidico a causa del

parziale carattere di doppio legame. La configurazione trans è più stabile.

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

Peptidi e proteine Legame peptidico

Configurazioni cis e trans

Peptidi e proteine

Generalmente la configurazione

trans è più stabile

•Per ragioni di ingombro sterico la

sequenza aa-Pro si ritrova in

configurazione cis.

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.

• La parziale separazione di carica nel legame

peptidico genera un dipolo elettrico.

Peptidi e proteine

Nomenclatura

Estremità

N-terminale

Estremità

C-terminale

Ala-Cys-Val (oppure A-C-V)

Alanilcisteilvalina

Scheletro peptidico

o backbone

Proprietà

Le proprietà caratteristiche di un peptide o di

una proteina dipendono dalla struttura e dal

numero di catene laterali

Sulla base del numero di residui amminoacidici si distinguono:.

Dipeptide, tripeptide

pentapeptide …….

Oligopeptide Polipeptide

Proteina

Proteine

Struttura delle proteine

STRUTTURA PRIMARIA

Sequenza di amminoacidi che costituisce la proteina.

…-Gly-Val-Leu-His-Arg-Thr-…

STRUTTURA SECONDARIA

Disposizione nello spazio dello scheletro peptidico

α-elica, foglietto β, …

STRUTTURA TERZIARIA

Modo in cui la catena o le catene polipeptidiche si ripiegano su se stesse in seguito ad

interazioni intramolecolari dando strutture più complesse come le strutture sferoidali

delle proteine globulari.

STRUTTURA QUATERNARIA

Aggregazione di due o più catene polipeptidiche (subunità) tramite interazioni per lo

più non covalenti.

Proteine

STRUTTURA SECONDARIA

STRUTTURA PRIMARIA

…-Gly-Val-Leu-His-Arg-Thr-… Ordine con cui i diversi amminoacidi si

susseguono nella catena polipeptidica.

Disposizione nello spazio dello scheletro peptidico

Resa stabile da legami idrogeno che coinvolgono gli atomi dello scheletro

peptidico.

La conformazione dello scheletro peptidico generalmente definita dagli angoli

di rotazione “phi” e “psi” (-180° a +180°) per ogni residuo amminoacidico.

Resa stabile da legami covalenti.

I tipi di strutture secondarie che si

ripetono più frequentemente nelle

proteine sono:

α-elica

foglietto β

Proteine

α-elica

STRUTTURA SECONDARIA

• Coinvolge una singola catena polipeptidica

• È stabilizzata da legami idrogeno paralleli

all’asse dell’elica

• Il legame idrogeno coinvolge il gruppo

C=O di un amminoacido n e il gruppo NH

dell’amminoacido n+4.

• Gli atomi coinvolti nel legame idrogeno

assumono una disposizione lineare.

• Le catene laterali si dispongono verso

l’esterno dell’elica.

• Un giro d’elica è costituito da 3.6 residui e

il passo dell’elica è di 5.4Å.

Proteine STRUTTURA SECONDARIA

foglietto β

(β sheet)

Foglietto β antiparallelo

• Coinvolge una o più catene polipeptidiche

• L’unità costituente i foglietti β è il

filamento β.

• Il legame idrogeno coinvolge il gruppo

C=O di un amminoacido e il gruppo NH

dell’amminoacido del filamento β adiacente.

• I legami idrogeno danno origine ad una

struttura ripetitiva a zig zag.

• Si distinguono in foglietti β paralleli,

antiparalleli e misti.

Foglietto β parallelo

Proteine

L’inversione della direzione della catena polipeptidica è possibile in presenza di

un elemento strutturale definito reverse turn (o ripiegamento inverso).

β-turn

Tipo I

Il legame idrogeno si forma tra il gruppo C=O del residuo n e il gruppo NH del residuo

n+3. Due residui non sono interessati da legame idrogeno.

Tipo II

La differenza principale tra i tipi I e II

consiste nell’orientazione relativa del legame

peptidico tra gli amminoacidi n+1 e n+2.

Tipo III

γ-turn Ω-loop

Proteine Reverse turn

Infine, i segmenti di catena polipeptidica che non assumono una struttura secondaria definita

sono detti ‘random coil’. Sono strutture irregolari, con angoli diedri di ampiezza variabile .

‘Random coil’

Il legame idrogeno interessa il gruppo

C=O del residuo n e il gruppo NH del

residuo n+2. Soltanto un amminoacido

non è interessato dal legame idrogeno.

Strutture secondarie non regolari con

numero di legami idrogeno e ampiezze degli

angoli diedri variabili. Presentano struttura

compatta e non disordinata, con le catene

laterali rivolte verso l’interno della struttura

rendendola stabile. Sono frequenti nelle

proteine globulari. Spesso hanno un ruolo

nel riconoscimento intermolecolare.

Angoli inusuali per n+1

Proteine

STRUTTURA TERZIARIA

La struttura terziaria di una proteina è la disposizione tridimensionale di tutti gli atomi

della molecola. Ha origine dal ripiegamento delle strutture secondarie.

Interazioni : -Legami idrogeno

-Interazioni idrofobiche

-Interazioni elettrostatiche

-Interazioni di Van der Waals

-Ponti disolfuro

Interazioni deboli

Legame covalente

La struttura terziaria è resa stabile da interazioni tra le catene laterali degli

amminoacidi. Si tratta principalmente di interazioni deboli con l’eccezione del

legame disolfuro tra residui di Cys che è un tipo di legame covalente.

Elementi di

struttura secondaria

Strutture

supersecondarie

o motivi

Domini

STRUTTURA

TERZIARIA

Proteine

STRUTTURA QUATERNARIA

Aggregazione di due o più catene polipeptidiche (subunità) tramite interazioni per lo

più non covalenti. Le interazioni coinvolte sono analoghe a quelle che si osservano

nelle strutture terziarie: interazioni elettrostatiche, interazioni idrofobiche, legami

idrogeno e ponti disolfuro.

In funzione del numero di subunità si distinguono in proteine oligomeriche

(dimeri, trimeri,…) e proteine multimeriche. Se le subunità sono uguali si

definiscono proteine omomultimeriche altrimenti proteine eteromultimeriche.

VEGF

omodimero

Proteine

Classificazione delle proteine

basata sulla forma

Proteine GLOBULARI Proteine FIBROSE

• Forma sferica o globulare

• AA idrofobici all’interno e idrofilici

all’esterno

• Solubili in acqua (fluidi biologici)

• Costituite da diverse strutture secondarie

• Funzioni biologiche: funzione dinamica

(catalisi, trasporto …)

• Più tipi

• Esempi: emoglobina e mioglobina

• Forma lineare, semplice e regolare

• Tendenza ad aggregarsi dando strutture

macromolecolari (fibre, foglietti …)

• Insolubili in acqua

• Generalmente costituite da un unico tipo

di struttura secondaria

• Funzioni biologiche: funzione strutturale e

protettiva

• Massa totale maggiore

• Esempi: cheratina e collagene

Proteine di MEMBRANA

Proteine:

legami e interazioni

Proteine

Legami covalenti

Legame disolfuro

Altre interazioni

Legami idrogeno

Interazioni elettrostatiche (legami ionici e interazioni dipolo-dipolo)

Interazioni di Van der Waals

Interazioni idrofobiche

Legame peptidico (legame ammidico)

LEGAME COVALENTE

Legame chimico formato da due atomi che condividono una

o più coppie di elettroni.

Legame covalente polare: Gli elettroni di legame non sono

equamente condivisi. La differenza di elettronegatività tra gli

atomi è compresa tra 0.5 e 1.9.

Legame covalente non polare: Gli elettroni di legame

sono equamente condivisi. La differenza di elettronegatività

tra gli atomi è inferiore a 0.5.

Proteine

LEGAME DISOLFURO

Il legame disolfuro si forma per reazione di

ossidazione di gruppi tiolici.

Nelle proteine tale legame si forma tra residui di

cisteina per formare una molecola definita cistina.

Importante per la stabilizzazione intra ed inter-

catene di proteine.

Proteine

LEGAME IDROGENO

Il legame idrogeno è un’interazione dipolo-dipolo tra un atomo di idrogeno legato

covalentemente ad un atomo elettronegativo (donatore di legame a idrogeno) e un

altro atomo elettronegativo che presenta una coppia di elettroni non condivisa

(accettore di legame a idrogeno). E’ un’interazione debole.

Donatore di

legame idrogeno

Legami idrogeno che interessano una singola molecola sono definiti intramolecolari,

se tra molecole diverse intermolecolari.

Accettore di

legame idrogeno

Nelle proteine …

La lunghezza del legame è quasi doppia a quella dei legami covalenti.

Nelle proteine i legami idrogeno coinvolgono frequentemente i gruppi C=O

(accettore) e NH (donatore) dello scheletro peptidico.

.

Proteine

Potenziali gruppi donatori di legami idrogeno:

Es. -OH (Ser, Tyr, Thr) –SH (Cys) - NHn

Principali gruppi coinvolti in legami idrogeno

I gruppi accettori di legame idrogeno contengono atomi elettronegativi (come

ossigeno e azoto) con un coppia di elettroni non condivisa.

Es. -COO-

.

Proteine

INTERAZIONI ELETTROSTATICHE

Le interazioni elettrostatiche sono interazioni non covalenti che coinvolgono gruppi

carichi.

Le forze di attrazione elettrostatica tra cariche nette (ioni) determinano la formazione

di sali (legami ionici). Esempio: interazione tra atomi di azoto con carica positiva (Lys,

His, Arg) e ioni carbossilato (Glu, Asp).

Le interazioni dipolo-dipolo sono generate da forze di attrazione tra l’estremità

positiva di un dipolo e quella negativa di un altro dipolo. Sono interazioni deboli che

coinvolgono molecole con carica parziale.

Le forze di repulsione allontanano cariche nette di segno uguale.

Le interazioni idrofobiche sono interazioni deboli che coinvolgono residui

idrofobici (nuclei aromatici e catene alchiliche) che tendono ad interagire tra loro per

effetto della stessa natura non polare.

Partecipano alla conformazione e stabilità delle proteine.

Proteine

INTERAZIONI IDROFOBICHE

INTERAZIONI DI VAN DER WAALS

Le interazioni di Van der Waals si originano per azione di deboli forze attrattive

(forze di Van der Waals o forze di dispersione) tra dipoli istantanei di atomi o

molecole vicini. Possono essere definite interazioni dipolo – dipolo indotto.

Possono essere coinvolti in interazioni di Van der Waals e interazioni

idrofobiche gli amminoacidi neutri non polari.

ESEMPI DI PEPTIDI

Peptidi

Ormone prodotto dall’ipotalamo e secreto dalla neuroipofisi.

Peptide costituito da 9 amminoacidi.

Ossitocina

Stimola la contrazione della

muscolatura uterina e la

lattazione per azione sulla

ghiandola mammaria.

Sequenza primaria:

Ponte disolfuro tra i residui di cisteina 1 e 6

genera un ciclo a 20 atomi

Tirosina

Isoleucina

Asparagina

L’ossitocina presenta

scarsa stabilità metabolica