UDE 3 - Sbobinature delle lezioni del professore PDF

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Sbobinature delle lezioni del professore...

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UDE 3 Aminoacidi e peptidi Slide 1  formula generale di un α-aminoacido non esistente in condizioni fisiologiche

Questa importantissima classe di biomolecole presenta all'interno un gruppo amminico ed un gruppo acido, entrambi portati da un unico atomo di carbonio, detto “ carbonio α” (chiamato così perché il gruppo funzionale principale di riferimento è il gruppo acido). Secondo la nomenclatura, che si basa sulle lettere greche, il carbonio α è quello più vicino al C principale di riferimento . Quando parliamo di aminoacidi è sottointeso che essi sono α-aminoacidi, perché sia il gruppo amminico, che quello acido sono legati al C-α. In più, tranne alcune eccezioni (es. Prolina), noi parliamo di aminoacidi (la PROLINA non è un aminoacido, perché non è presente un NH2, ma un NH, noto come “gruppo iminico”  è un α-iminoacido). Tutti gli altri presentano una porzione comune e, tra di loro, gli aminoacidi si differenziano per la catena laterale (genericamente associabile alla lettera R). “R” di solito rappresenta un gruppo organico, con l'eccezione della GLICINA, in cui la R è un H. Gli aminoacidi si differenziano da carboidrati e lipidi, perché in questi troviamo una massiccia presenza di C, H ed O. negli aminoacidi, invece, troviamo, in aggiunta, una massiccia presenza di N.

Slide 2  formula zwitterionica di un’α-aminoacido (presente a pH fisiologico)

In condizioni fisiologiche, guardando un aminoacido, possiamo dire che la contemporanea presenza di questi gruppi aminico e acido non l’abbiamo mai. Per “condizioni fisiologiche” si intende a pH = 7, in cui:  Il gruppo aminico è sempre protonato (+)  Il gruppo acido è sempre deprotonato (-) Quindi i nostri aminoacidi si presentano in forma zwitterionica, ovvero con 2 cariche opposte sulla stessa molecola (una positiva sul gruppo aminico e una negativa sul gruppo acido):  Il gruppo acido è in grado di cedere un protone  Il gruppo amminico è in grado di ricevere un protone, quindi si comporta da base In condizione fisiologica, si invertono i ruoli: quello che era il gruppo acido si comporta da base, quello che era un gruppo aminico si comporta da acido (NH3+ e il COO- può acquisire un protone).

Slide 3  Classificazione degli aminoacidi

Potremmo avere diverse tipologie: 1. Classificazione strutturale  basata sulle catene laterali, cioè gli R 2. Classificazione elettrochimica  è quella più utilizzata. Possiamo parlare di  Aminoacidi acidi  Aminoacidi basici  Aminoacidi neutri A livello elettrochimico, possiamo anche parlare di  Aminoacidi polari (o idrofili)  polari neutri, polari acidi, polari basici  Non polari (o idrofobici) 3. Classificazione biologica (o fisiologica)  abbiamo:  Aminoacidi essenziali  molecole che l'organismo deve attingere dall'esterno per i propri fabbisogni, perché non è in grado di sintetizzarle, o che siamo in grado di biosintetizzarci, ma non in quantità sufficienti;  Aminoacidi non essenziali  sono quelli che siamo in grado di biosintetizzarci,  Aminoacidi semiessenziali  arginina, metionina, fenilalanina  sono tali perché sono essenziali in alcune fasi della crescita (principalmente all'inizio della crescita), oppure che in determinate circostanze, per determinati soggetti sono essenziali, perché magari manca il precursore (Es. la tirosina è considerato non essenziale, perché ce lo possiamo fare dalla fenilalanina, ma se non ingeriamo sufficiente quantità di fenilalanina, non possiamo farci la tirosina, che quindi diventa essenziale). 4. Altro  ci sono poi i cosiddetti:  Aminoacidi proteogenici  che fanno parte delle proteine classiche, detti anche “ standard”  Aminoacidi non proteogenici  “non standard”, che non fanno parte delle proteine (es. taurina o beta-alanina).

Slide 4  il codice genetico standard

Abbiamo anche un'altra classificazione degli aminoacidi basata sul codice genetico: potremmo distinguere gli aminoacidi in base alla tripletta che viene utilizzata, per specificare il messaggio che dà luogo all'inserimento di quel particolare aminoacido. Nella biosintesi, classicamente, il primo aminoacido che viene inserito è un derivato della metionina, a cui corrisponde la tripletta AUG. Si dice che il codice genetico è degenere, perché per alcuni aminoacidi ci sono più triplette . Per il triptofano, abbiamo una singola tripletta in grado di specificare l'inserimento di questo aminoacido. Osservando lo schema, vediamo che c'è una certa corrispondenza di comportamento chimico a macchia di leopardo , ovvero zone dove sono più concentrati aminoacidi polari, altre dove sono di più quelli non polari, o acidi, o basici. Un aminoacido molto importante, che è considerato dai più il 21° aminoacido, è la SELENOCISTEINA che dà luogo a tutta una serie di proteine dette SELENOPROTEINE.

Slide 5  Gli aminoacidi sono i mattoni costituenti delle proteine. Per proteina sono delle catene polipeptidiche. Dagli aminoacidi possiamo avere lo sviluppo maggiore sotto forma di Polimero (ovvero la proteina) o delle forme intermedie, gli oligopeptidi. Di questi peptidi ne possiamo partire dal più semplice, il dipeptide composto costituito da due residui di aminoacidi, tripeptide tetrapeptide e via dicendo. Oligopeptide quando abbiamo poche decine di aminoacidi. In generale parliamo di proteina quando siamo su 80- 100 aminoacidi. Un aminoacido, quello che porta il gruppo amminico terminale, con il suo gruppo acido (COOH) reagisce con quello che è il gruppo amminico dell’aminoacido successivo. Abbiamo una reazione di condensazione di due α-aminoacidi, per formare un dipeptide (legame peptidico = rosso). Nella reazione viene rilasciata una molecola d’acqua e si forma un legame Carboamminico Gli aminoacidi possono reagire fra di loro, sfruttando il gruppo aminico e il gruppo carbossilico  posseggono quindi 2 punti reattivi  Possedendo solo 2 punti reattivi possono dar luogo solo a catene lineari. Dunque, due aminoacidi si combinano sfruttando da una parte il gruppo aminico dall'altra il gruppo carbossilico. Se noi prendiamo due aminoacidi che si condensano tra di loro, da un punto di vista internazionale:  Il primo aminoacido  è quello che sfrutta il gruppo carbossilico e lascia libero il suo gruppo aminico  Il secondo aminoacido  sfrutta il suo gruppo aminico, per la formazione del legame carboammidico anche noto come peptidico. LEGAME PEPTIDICO = quello che si stabilisce tra due aminoacidi standard, perché se non sono standard, gli aminoacidi formano un legame isopeptidico Nella formazione di questo legame fuoriesce dell'acqua  si forma quindi il DIPEPTIDE, che ha una su a direzionalità, in quanto il primo aminoacido è quello che porta libero il gruppo aminico , il secondo è quello che porta libero il gruppo acido.

Slide 6  un tripeptide

Questo gruppo acido può reagire con un terzo aminoacido , che impegnerà il suo gruppo aminico. Anche gli oligopeptidi possiedono un'estremità amino-terminale e una carbossiterminale. A livello internazionale:  L'estremità aminoterminale  è quella riconducibile al primo aminoacido  L’estremità carbossiterminale  è riconducibile all'ultimo aminoacido Ciò perché nella biosintesi delle proteine, il primo aminoacido che viene inserito è la metionina. Quando questa reagisce con il secondo aminoacido, impegna il gruppo carbossilico  quindi ha l'estremità aminoterminale libera. Nella biosintesi, ancora, l' ultimo aminoacido inserito nella catena ha libero il gruppo carbossilico. Gli OLIGOPEPTIDI sono formati da una decina, o qualche decina di amminoacidi  al di sopra di questi numeri, si parla di POLIPEPTIDI e PROTEINE. Da quello che è un dipeptide, si passa ad un TRIPEPTIDE GENERICO:  Se il nostro oligopeptide è formato da X aminoacidi, il numero di legami peptidici è pari a “X – 1”  se ho 3 aminoacidi, avrò 2 legami peptidici. Nomenclatura dei legami peptidici

1. Si parte dal primo amminoacido, che ha il gruppo amminico libero e lo si considera come residuo  per lui, utilizziamo la desinenza “ILE”, considerandolo come residuo  es. residuo alanile, o alanil 2. A seguire, abbiamo il secondo residuo (in questo caso cisteil) 3. L'ultimo amminoacido prende il nome X per intero (in questo caso, valina).  Tale tripeptide si chiama ALANIL-CISTEIL-VALINA Questo tripeptide ci mostra le catene laterali in maniera schematica, come il CH3 nell'alanina, il CH2-SH nella cisteina. La CISTEINA presenta, nella catena laterale, il gruppo SH ( gruppo sulfidrilico o tiolico  tiolico perché, se noi al posto dell'S utilizziamo l'ossigeno, quello è un gruppo alcolico). Il gruppo sulfidrilico è importante, perché il più importante tripeptide a noi noto è il Glutatione.

Slide 7  GLUTATIONE (γ-glutamil-cisteinil-glicina)

In biochimica, quando si parla di glutatione, senza aggiungere altro , ci si riferisce al glutatione ridotto, ovvero sottoforma di tripeptide  infatti, il glutatione ossidato è composto da 6 aminoacidi (quindi è un esapeptide). Il glutatione ossidato è costituito da 6 aminoacidi perché l' SH della cisteina può reagire con un altro SH di un altro tripeptide  avviene una redox e si forma il legame S-S (noto come ponte disolfuro). Se poi questo ponte disolfuro lo troviamo presente nelle proteine, allora è un ponte disolfuro classico. Il nome sistematico di questo composto prevede l'utilizzo della lettera GAMMA: γ-glutammil-cisteil-glicina. Classicamente, si utilizza il gruppo acido in posizione α (infatti, si parla di α-aminoacidi), ma nel caso del glutatione, il gruppo acido è fornito dal carbossile in posizione γ. Il carbossile legato al carbonio γ stabilisce un legame con il gruppo amminico della cisteina e si forma un legame che non è un legame peptidico puro (perché ci dev'essere la presenza del carbossile α e del gruppo amminico α).

Slide 8  alcuni esempi di oligopeptidi e loro rappresentazioni

Gli aminoacidi sono veicolati anche a livello plasmatico. I più presenti sono alanina e glutammina. Nel sangue vi sono pochissimi oligopeptidi e svariate glicoproteine (tranne l'albumina). Possiamo utilizzare la nomenclatura già detta, oppure possiamo utilizzare un' abbreviazione da associare ad ogni aminoacido . I singoli aminoacidi sono ricordati con 3 lettere, che di solito sono le prime tre lettere del nome, con la prima maiuscola e le altre due minuscole. Si usa anche un'altra convenzione, ovvero ad ogni aminoacido è associata una lettera. Il modo di rappresentare un oligopeptide può avvalersi della nomenclatura, che consta di una lettera per ogni aminoacido. Abbiamo alcuni esempi di oligopeptidi biologicamente attivi, ovvero con associate delle funzioni particolari.

Slide 9  esempi di peptidi biologicamente attivi        

Fattore di liberazione della tireotropina (TRH) è secreto dall'ipotalamo e causa la liberazione dell'ormone tireotropo dall'ipofisi. Vasopressina (antidiuretico o ADH) è molto importante per il riassorbimento di acqua a livello renale. È un ormone legato all'omeostasi salina. Metionina encefalina  sito a livello cerebrale, dove inibisce il senso del dolore Gastrina  secreto dalle cellule dello stomaco. Stimola la secrezione acida da parte delle c. parietali dello stomaco Glucagone  ormone pancreatico implicato nel metabolismo del glucoso; Angiotensina II  vasocostrittore, che agisce sulla pressione arteriosa, aumentandola. Stimola anche il rilascio di aldosterone da parte del surrene Bradichinina  vasodilatatore Sostanza P  neurotrasmettitore

Alcune curiosità strutturali di questi peptidi attivi:  Formazione dell'acido piro-glutammico  questo è un costituente del TRH, della gastrina, etc... Quando si parla di “ piro”, si parla di una struttura ciclica. Nell’acido piro-glutammico, il gruppo COOH in γ è unito covalentemente al gruppo NH2 in α, con un legame amidico. L’aminoacido COOHterminale è amidato, quindi non è libero.  Nella vasopressina, troviamo un ponte disolfuro. Essendo la vasopressina un oligopeptide formato da

aminoacidi legati tra loro da legami peptidici o isopeptidici, la sua catena nello spazio non è lineare , ma può assumere diverse conformazioni  in tal modo, si possono avvicinare tra loro 2 catene laterali appartenenti a due residui di cisteina molto lontani fra loro  nella vasopressina succede che la catena laterale della cisteina 1 si trova vicina a quella della cisteina 6  a questo punto, le condizioni redox permettono la formazione di ponti disolfuro.  Nella gastrina, la tirosina è solforata sul gruppo -OH fenolico della catena laterale e presenta l’acido piro-glutammico Queste particolarità nelle molecole biologicamente attive avvengono affinché le stesse possano mostrare una maggiore EMIVITA (T/2), ergo, possano vivere più a lungo nell'organismo, per svolgere le proprie funzioni (sono delle modifiche di protezione della molecola).

Slide 10-11  strutture covalenti ed abbreviazioni degli amminoacidi standard

Glutammina o acido glutammico  o l'uno o l'altro vengono ricordati come GLX Asparagina o acido aspartico  ASX, ad una lettera non hanno corrispondenza acido aspartico =B; all'asparagina la N, a tre lettere c'è invece l'accoppiata perché ci sono dei sistemi di determinazione, di indagine di un campione che non permettono di discriminare tra acido glutammico e glutammina quindi alla fine del test il risultato ci dirà la quantità di glutammina o acido glutammico senza differenziarli. La grande maggioranza delle lettere sono associate alla prima lettera. Per alcuni aminoacidi si è andati per esclusione ad esempio L'acido aspartico erano state utilizzate le lettere per altri aminoacidi x questo è stata messa la D,stesso discorso dell'acido glutammico =E. Una modalità di riportare la classificazione di queste molecole si basa sull'aspetto elettrochimico, guardando la catena laterale.  

AMINOACIDI CHE HANNO CATENE LATERALI NON POLARI (glicina, alanina, valina, ecc...) Per ricavarsi le formule di struttura:  Glicina  è il più semplice. Sappiamo che ci sono dei raggruppamenti fissi. A variare è la catena laterale (nel caso della glicina, c'è l'idrogeno).  Alanina  è una glicina sostituita con un metile  Valina  è un’alanina sostituita al livello del metile con due altri metili  Leucina  è una valina con un CH2 in più Ogni qualvolta confrontiamo due composti che si differenziano per un CH2, diremo che quello che ha il CH2 in più è l'omologo superiore, l'altro è l'omologo inferiore.  Isoleucina  è l'isomero della leucina.  Metionina  è uno dei due aminoacidi solforati, come la cisteina  Prolina  è l'unico iminoacido che ha un NH e non NH2. Questo perché questo gruppo ex amminico si trova legato per mezzo di 3 CH2, quindi una catena di natura propionica con il Carbonio α  Fenilalanina  è un'alanina CH3, con al posto di un H il fenil.  Triptofano  ha una struttura particolare, formata da un anello eterociclico a 5 atomi, con un azoto  ovvero il pirrolo + un anello benzenico, che insieme formano l'indolo. Altra caratteristica molto importante degli aminoacidi è il peso molecolare  il più basso è associabile alla glicina, quello più alto al triptofano. La media del peso molecolare di tutti gli aminoacidi è intorno a 120 dalton. Quando 2 aminoacidi si uniscono, esce fuori una molecola di acqua (che ha peso molecolare 18 Da)  nel peptide, il peso da considerare è circa 120 – 18 (circa 100 Da). La presenza percentuale nelle proteine generalmente non supera il 10% . L’aminoacido più rappresentato è la leucina, quello meno presente è il triptofano. Valori di pK del gruppo α-carbossilico (α-COOH) e del gruppo α-aminico (α-NH3+)  pK = - log della costante acida o basica Il pk lo possiamo associare all'equazione di Henderson-Hasselbalch e lo possiamo associare al pH, quando il rapporto tra acido e base è uguale a 1. Il pK dell'α-carbossile è intorno a 2  questo significa che se, ad esempio, abbiamo cento aminoacidi, di queste 100 molecole a pH = 2, 50 si presentano con il COOH e altre 50 con il COO-.

Il pK del gruppo alfa aminico è 9,5  Se io guardo un aminoacido a quel particolare valore di pH (9,5), in quel gruppo aminico di 100 molecole, 50 avranno un gruppo aminico protonato NH3+ e altre 50 NH2. AMINOACIDI CON CATENE POLARI NON CARICHE  serina, treonina, asparagina ecc.  Serina  la possiamo ricavare come il derivato alcolico dell'alanina, dove un H del CH3 lo sostituisco con un OH.  Cisteina  derivato Tioalcolico dell'alanina.  Treonina  deriva dalla serina, quando un H del CH2 viene sostituito con un CH3  qui mi si crea un centro asimmetrico, che si forma anche nell'isoleucina (infatti, questi due sono gli unici due aminoacidi che hanno 2 atomi di carbonio chirali, tutti gli altri ne hanno 1 tranne, la glicina)  Tirosina  si ricava dalla fenilalanina, quando in posizione PARA del gruppo fenilico si mette un OH.  Asparagina  prima di parlare di lei, dobbiamo spendere due parole per l’acido aspartico. L'acido aspartico, nella catena laterale, presenta un gruppo acido, che in condizioni fisiologiche, è dissociato. Questo, inoltre, oltre ad un α-carbossile, presenta un β-carbossile. L'asparagina non è altro che il derivato amidico dell'acido aspartico: invece del gruppo acido, abbiamo il raggruppamento carboamidico  Glutammina  parliamo prima dell'acido glutammico. Questo oltre a presentare un gruppo αcarbossilico, ne presenta anche uno γ. L'acido glutammico è l'omologo superiore dell'acido aspartico (i composti si differenziano per un CH2). La glutammina si ricava dall'acido glutammico, allo stesso modo dell’asparagina dall’acido aspartico. Acido aspartico e acido glutammico sono due aminoacidi acidi, che all’atto pratico si comportano da base. CATENE CARICHE IN CONDIZIONI FISIOLOGICHE  Lisina  la associamo alla presenza di un gruppo EPSILON aminico. Me lo ricavo utilizzando i CH2 partendo dal carbonio α.  Arginina  me la ricavo isolando un gruppo particolare, il gruppo GUANIDINICO (dato da un C circondato da 3 azoti). Il gruppo guanidinico è legato al carbonio α utilizzando 3 CH2.  Istidina  oltre a presentare un CH2 che fa da ponte tra la porzione comune e la restante parte, è l'unico aminoacido che presenta un valore di pK tra i più vicini al pH fisiologico, per x quanto riguarda la catena laterale. La struttura legata al CH2 che fa da ponte è un anello eterociclico con 2 atomi di azoto (questi azoti sono messi in maniera alternata). Nel caso specifico, la struttura a 5 atomi, di cui 2 sono azoti, prende il nome di IMIDAZOLO. Tutti gli aminoacidi che abbiamo visto finora sono mono-amino-monocarbossilici, poiché presentano un solo gruppo carbossilico e un solo amminico. L'acido glutammico e l'acido aspartico sono mono-ammino-dicarbossilici La lisina è un di-ammino-monocarbossilico. Valori di pK associabili alle catene laterali Nell'ambito dei valori classici dei pH da zero a 14, oltre alla possibile ionizzazione dei gruppi α-acido e αaminico, possiamo avere la ionizzazione della catena laterale . Questa può contribuire alla carica dell'aminoacido e molte delle catene laterali sono ionizzabili da 0 a 14. Ad esempio  Il fenolo nella tirosina ha pK =10,46  se mi metto molto al di sotto di 10,46, il gruppo OH si presenta come tale, se mi metto più in alto, il nostro fenolo diventa fenolato (cioè si dissocia, diventa O-, si stacca l'idrogeno)  A pH 10,5, di 100 molecole di tirosina, 50 avranno il gruppo OH, altre 50 O-.  Il gruppo sulfidrilico della cisteina ha pK = 8,4  Il gruppo epsilon aminico della lisina ha pK=10,5  L'arginina ha il pK più alto (12,5), riconducibile al gruppo guanidinico.  L'imidazolo della istidina è quello più vicino al pK fisiologico. In questo caso, è l'azoto in posizione 3 che può accettare il protone  a pH =6, di 100 molecole, avremo 50 N e 50 NH+  L'acido aspartico e l'acido glutammico hanno pK = intorno a 4 (acido aspartico = 4 e acido glutamminico circa 4,1)

Slide 12  rappresentazione

Per quanto riguarda la realtà sterica, di occupazione dello spazio delle catene laterali di questi aminoacidi,

abbiamo sia i modelli a sfere e bastoncini, che quelli a riempimento di spazio (o spaziali). Guardando queste strutture, abbiamo un'idea sull'ingombro delle catene laterali  Aminoacidi a catena laterale molto in...