AMMINOACIDI

Gli amminoacidi comuni o standard che tutti gli organismi viventi utilizzano perl’assemblaggio delle PROTEINE sono 20 e sono codificati dal codice genetico.

Sono tutti α-amminoacidi il carbonio α (C-2) è un carbonio conorbitali di legame tetraedrici legato ad 1 gruppo CARBOSSILICO (C-1), 1gruppo AMMINICO, 1 IDROGENO, 1 CATENA LATERALE.

α-amminoacido generico scritto nella sua forma completamente protonata

COOH

H3N C H

R

+ α

COOH

H3N C H

R

+

COOH

H3N C H

R

++ α

1

2 C = OOHC-1

GRUPPO CARBOSSILICO

GRUPPO AMMINICO protonato

(il doppietto elettronico libero dell’N è impegnato in un 4° legame con un

Protone H+ e ha carica positiva)

H H N+

H

Stereoisomeria degli amminoacidi

In tutti gli AA standard (ad eccezione della Glicina) il C-α è CHIRALE o ASIMMETRICO

Glicina (Gly) unico AA non chirale

Per ogni centro chirale sono possibili due diverse disposizioni spaziali dei gruppi adesso legati: 2 STEREOISOMERI, che sono ENANTIOMERI e sono anche otticamenteattivi: l’isomero D e quello L (convenzione di Fisher)

TUTTI GLI AMMINOACIDI CHE FORMANO LE PROTEINE SI TROVANO NELLACONFIGURAZIONE L (TUTTAVIA gli isomeri D degli amminoacidi sonopresenti in alcuni antibiotici e nella parete cellulare di alcunimicrorganismi ma non sono utilizzati per sintetizzare le proteine deimammiferi)

COOH

H3N C H

R

+ α

COOH

H3N C H

R

+

COOH

H3N C H

R

++ α

COOH

H3N C H

R

+

COOH

H3N C H

R

+ α

COOH

H3N C H

R

++

COOH

H3N C H

R

++ α

3 | 6Nelson • Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2014

CONFIGURAZIONE D, L

RIFERIMENTO

Gli amminoacidi differiscono tra loro per il tipo di catena laterale R legata all’atomo di Cα. Dalla natura della catena laterale R

dipendono: carica, idrofobicità, dimensioni, reattività, capacità di formare legami idrogeno.

5 gruppi di amminoacidi: raggruppati in base alla polarità della loro catena laterale

COOH

H3N C H

R

+ α

COOH

H3N C H

R

+

COOH

H3N C H

R

++ α

COOH

H3N C H

R

+

COOH

H3N C H

R

+ α

COOH

H3N C H

R

++

COOH

H3N C H

R

++ α

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

STRUTTURA DEI 20 AMMINOACIDI STANDARD

Phe (F) Tyr (T) Trp (W)

Lys (K) Arg (R) His (H)

Asp (D) Glu (E) Asn (N) Gln (Q)

Ser (S) Thr (T) Cys (C)

Leu (L) Ile (I) Met (M)

Gly (G) Ala (A) Pro (P) Val (V)

H+

Catene laterali apolari

Fondamenti di biochimica 3E. Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt. Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A.

CarbonioAzotoIdrogenoOssigeno

Catene laterali polari non cariche

Fondamenti di biochimica 3E. Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt. Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A.

CarbonioAzotoIdrogenoOssigeno

Catene laterali polari cariche

Fondamenti di biochimica 3E. Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt. Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A.

CarbonioAzotoIdrogenoOssigeno

La cisteina può formare ponti disolfuro

Fondamenti di biochimica 3E. Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt. Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A.

Accettore di idrogeno

Contengono elettroni π delocalizzati

Hanno un massimo di assorbimento a 280 nmnell’UV, che è utile per rilevare la presenza diproteine in soluzione e per determinare laloro concentrazione.

TIROSINA, FENILALANINA E TRIPTOFANO SONO AMMINOACIDI AROMATICI

TIROSINA Tyr (Y)

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

lOH

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

lOH

H

FENILALANINA Phe (F)

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

H COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

N H

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

N H

H

TRIPTOFANO Trp (W)

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Il 21° amminoacido: selenocisteina (Sec).Incorporato in alcune proteine di varie speciee codificato da un codone di stop in particolaricondizioni

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2lSH

H

SeH

AMMINOACIDI NON COMUNITutte le specie viventi contengono, oltre agli amminoacidi standard, diversi altri amminoacidi in configurazione L che sono intermedi nelle vie metaboliche o precursori degli AA standard.

ORNITINA (omologo inferiore della Lisina)

COO-

+ lH3N―Cα―H

lCβH2

lCγH2

lCδH2

lNH3+

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2

lCH2

lCH2

lNHlC

NH2 O

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2

lCH2

lCH2

lNHlC

NH2 O

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2

lCH2

lCH2

lNHlC

NH2 O

CITRULLINA

GLI AMMINOACIDI SONO ANFOLITI: IN SOLUZIONE POSSONO COMPORTARSI SIA DA ACIDI SIA DA BASI DEBOLI

HANNO GRUPPI IONIZZABILI CAPACI DI SCAMBIARE PROTONI CON LA SOLUZIONE ACQUOSA:

α-AMMINICO

α-CARBOSSILICO

Da cosa dipende lo stato di ionizzazione (protonazione) dei due gruppi?

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+

OHC O

HH N C H

HCH3

++ α

O¯C = O + H+

+ H+

H – N –H

..

Acido debole Base coniugata

Equazione di Henderson-Hasselbalch

Ka = costante di dissociazione dell’acido. Più è grande, maggiore è la dissociazione dell’acido.

La capacità di un acido di dissociare e scambiare il protone con la soluzione dipende non solo dalla sua Ka ma anche dal pH della soluzione (cioè dalla

concentrazione di ioni H+ presenti in soluzione).

Può essere espressa in forma logaritmica: pKa (-log Ka)

Quanto più è piccolo il pKa, tanto più l’acido è forte

HA H+ + A-HA H+ + A-Ka

Ka =[H+] [A-]

[HA]Ka =

[H+] [A-]

[HA]

pH = pKa + log [A-][HA]

pH = pKa + log [A-][HA]

DISSOCIAZIONE DI UN ACIDO DEBOLE

Forma completamenteProtonata

-COOH-NH3

+

Carica netta: +1

Ionizzazione di un Amminoacido diprotico (CON 2 GRUPPI CHE DISSOCIANO ILPROTONE):-2 gruppi dissociabili, α-amminico e α-carbossilico-2 costanti di dissociazione acida, Ka1 e Ka2, quindi 2 pKa (pKa1, pKa2)-in soluzione saranno presenti 3 forme diversamente ionizzate in equilibrio tra loro.

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+

OHC O

HH N C H

HCH3

++ α

pKa1

H+

H+

H+

H+

pKa2

Forma ZWITTERIONICA

-COO-

-NH3+

Carica netta: 0

Forma completamenteDeprotonata

- COO-

-NH2Carica netta: -1

O-

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+

C OH

H N C HH

CH3

++

O-

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+

C OH

H N C HH

CH3

++

O-

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+ α

C OH

H N C HH

CH3

+

C OH

H N C HH

CH3

++

O-

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

C O

H N C HH

CH3

O-

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

C O

H N C HH

CH3

Da cosa dipende la prevalenza in soluzione di una forma sulle altre?

Alanina(Ala)

AA+ AA0 AA-

100

50

0

21 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

AA+ AA0AA-

[AA+1]= [AA0] [AA0]= [AA-1]

pH

Fraz

. M

ola

re %

La distribuzione delle forme ioniche di un AA dipende dal pH della soluzione e dai suoi pKa.

(costante di dissociazione acida del gruppo α-COOH).

Se [AA+1]=[AA0] il gruppo α-COOH sarà dissociato al 50%

pKa1H +

H +

H +H +

H +H +

O-

C O

C HH

CH3

+ α

C O

C HH

+ α

C O

C HH

+

C O

C H++

O

C O

C H+ α

C O

C H+ α

C OHN C H+

C O

C H++HHH

O

C O

C HH

CH3

+ α

C O

C HH

+ α

C O

C HH

+

C O

C H++

OH

C O

C H+ α

C O

C H+ α

C OHN C H+

C O

C H++HHHAA+1 AA0

pH = pKa1 + log [AA0]

[AA+1] → pH = pKa1 = -log Ka1

Quando [AA0]=[AA-1] il gruppo α- NH3+ è dissociato al 50%

AA0 AA-1

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+

OHC O

HH N C H

HCH3

++ α

pKa1 O-

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+

C OH

H N C H

HCH3

++

H+

H+

O-

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

C O

H N C HH

CH3

H+

H+

pKa2OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+ α

OHC O

HH N C H

HCH3

+

OHC O

HH N C H

HCH3

++ α

pKa1 O-

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+

C OH

H N C H

HCH3

++

O-

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+ α

C OH

H N C H

HCH3

+

C OH

H N C H

HCH3

++

H+

H+

H+H+

H+H+

O-

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

C O

H N C HH

CH3

O-

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

α

C O

H N C HH

CH3

C O

H N C HH

CH3

H+

H+

H+H+

H+H+

pKa2

AA-1AA0

pH = pKa2 + log [AA-1]

[AA0] → pH = pKa2 = -log Ka2

(costante di dissociazione acida del gruppo α-NH3

+).

pH = pKa1 pH = pKa2

100

50

0

21 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

AA+ AA0AA-

[AA+1]= [AA0] [AA0]= [AA-1]

pH

Fraz

. M

ola

re %

PUNTO ISOELETTRICO (pI)pI = corrisponde a quel valore di pH al quale l’amminoacido in soluzione ha carica netta = 0

Forma ionica prevalente: zwitterione ~ 100%

Forma anionica e forma cationica sonopresenti in soluzione in uguale concentrazione

rapporto 1:1 fra Ala-1 e Ala+1

Per un amminoacido con due gruppi dissociabili si calcola:

Per es.: Alanina >>> pI = (2.3+9.7)/2 = 6.0

(pKa1(α-COOH) + pKa2(α-NH3+))

pI =pI =2

Ala0

pH = pI

Qual è la forma ionica prevalentemente presente a valori intorno alla neutralità (pH 7.0)?

100

50

0

21 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

AA+ AA0AA-

pH

Fraz

. M

ola

re %

[AA+1]= [AA-1]

AA0

Acido aceticopKa COOH è circa 4,8

MetilamminapKa NH3

+ è circa 10,6

α-Amminoacido (Gly)Per effetto di repulsione tra il gruppo NH3

+

e il protone del COOH >>> il pKa del COOH si abbassa a 2.3

La deprotonazione stabilizza lo zwitterione

α-Amminoacido (Gly)Gli ossigeni elettronegativi del gruppo COO- deprotonato attraggono elettroni dal gruppo amminico abbassando il suo

pKa ad un valore di 9,6

I valori dei punti isoelettrici degli amminoacidi con due gruppi ionizzabili sono molto simili e compresi fra 5,0 e 6.5. In una soluzione a pH neutro la forma ionica prevalente degli amminoacidi diproticiè quella zwitterionica con carica netta zero.I valori dei pKa1 e pKa2 degli amminoacidi diprotici sono molto simili tra loro