Le proteine

Polimeri composto da 20 diversi aminoacidi

(D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3° ed., John Wiley & Sons, 2004)

PROTEINE come “ATTUATORI” nella cellula

• Trasporto elettronico• Trasporto di ioni e molecole• Trasporto di macromolecole• Azioni catalitiche (enzimi)• Respirazione• Regolazione• Attivita’ muscolare• Risposta immune• Ormoni • ...

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Un aminoacido della serie “L-”

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L’aminoacido Phe

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L’aminoacido Phe

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Curva di titolazione di GlyPa

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I due enantiomeri del fluoroclorobromometano

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Regola “CORN” per gli L-aminoacidi

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Misura dell’ attivita’ ottica

Il legame peptidicoGli aminoacidi polimerizzano durantela sintesi delle proteine mediante laformazione di legami peptidici.

Il legame peptidico C–N si ha quandoil gruppo carbossilico di unaminoacido condensa con il gruppoamminico dell’aminoacido successivomediante l’eliminazione di unamolecola d’acqua.

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Il tetrapeptide Ala-Tyr-Asp-Gly.Pa

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1

Il legame peptidicoIl gruppo peptidico ha una strutturarigida e planare, dovuta al parziale(~40 %) carattere di doppio legame dellegame peptidico.

O O-

C C

N N+

H H

Il legame peptidicoIl legame peptidico C–N è 0.13 Å più corto del legame singolo N–Cα e 0.08 Åpiù lungo di un doppio legame C=N.

Il legame peptidico, quindi, presenta per il 60 % una natura di legame singoloe per il 40 % una natura di legame doppio.

Vincoli rotazionali in un dipeptide

Le infinite possibili strutture primariePer ciascun aminoacido costituente la catena polipeptidica si presentano 20diverse possibilità di catena laterale (o residui), per cui è facile immaginarel’enorme numero di diverse catene polipeptidiche che possono esserecostituite.

Se si considera un dipeptide, si avranno 202 = 400 possibili dipeptidi diversi.Se si considera un tripeptide, si avranno 203 = 8000 possibili tripeptidi diversi.

Nel caso delle proteine, una piccola proteina è costituita da una singola catenapolipeptidica di circa 100 residui, per cui si avranno 20100 = 1.27 × 10130

possibili catene polipeptidiche diverse!

Gli organismi sulla terra sintetizzano un gran numero di proteine, concaratteristiche fisico-chimiche differenti, che derivano dalle diverse proprietàdei 20 aminoacidi ‘standard’ e da come questi si combinano nella catenapolipeptidica.

Amino acids

• How to classify amino acid side chains• What are the structure and properties of amino acid side chains

• What is the isoelectric point• What are post-translational modifications and what they mean.

20 catene laterali diverse per gli aminoacidi:classificazione e caratteristiche

Le 20 diverse catene laterali (gruppo R) che costituisconogli aminoacidi si differenziano considerevolmente perdimensioni, volume e per le loro caratteristiche fisicochimiche, quali polarità, acidità, basicità, aromaticità,flessibilità conformazionale, reattività chimica,tendenza a formare legami idrogeno.

Queste diverse caratteristiche sono le maggiori responsabili della grandevarietà di proprietà delle proteine.

Per convenzione, i nomi degli aminoacidi sono abbreviati con un codice a trelettere e con uno a una lettera.

Gli aminoacidi sono generalmente classificati a seconda della polarità delleloro catene laterali.Infatti, il ripiegamento della catena polipeptidica nella sua conformazionenativa è dovuto principalmente alla tendenza che hanno le catene lateraliidrofobiche a sfuggire il contatto con il solvente e le catene lateraliidrofiliche ad essere esposte all’acqua.

Si possono quindi distinguere 3 gruppi di aminoacidi:

- gruppo R non polare- gruppo R polare non carico- gruppo R polare carico

Gruppo R non polare Gruppo R polare non caricoGlicina Gly G Serina Ser SAlanina Ala A TreoninaThr TValina Val V Asparagina Asn NLeucina Leu L Glutammina Gln QIsoleucina Ile I Tirosina Tyr YMetionina Met M Cisteina Cys CProlina Pro PFenilalanina Phe FTriptofano Trp W

Gruppo R polare caricoLisina Lys KArginina Arg RIstidina His HAcido Aspartico Asp DAcido Glutammico Glu E

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Nomenclatura degli atomi nelle catene laterali degli aminoacidi

Gruppo R non polareGlicinaE’ stato il primo aminoacido ad essere identificatonelle proteine idrolizzate, nel 1820. E’ l’aminoacidopiù semplice, con la catena laterale più piccola,formata soltanto da un atomo H.La presenza del solo atomo H come catena laterale fasì che:

- il Cα non sia asimmetrico, per cui non si puòdistinguere tra forma L e D. La glicina, quindi, èl’unico aminoacido a non essere otticamenteattivo.- la catena polipeptidica in corrispondenza dellaglicina abbia la massima libertà conformazionale.

Gruppo R non polareAlanina, Valina, Leucina e IsoleucinaPresentano catene laterali alifatiche di diversedimensioni, costituite da gruppi inerti metilene(–CH2–) e metile (–CH3).In particolare, la catena laterale dell’isoleucinapresenta un secondo centro chirale (atomo di Cβasimmetrico), per cui in teoria sono possibili22 = 4 stereoisomeri per l’isoleucina. In realtà, lacatena laterale dell’isoleucina isolata nelleproteine e’ sempre di tipo L.

Gruppo R non polareMetioninaLa sua catena laterale presenta un gruppo tioetere (R–S–R) che ricorda ungruppo n-butile in molte delle sue proprietà fisiche quali volume,conformazione, polarità (gli atomi C e S hanno elettronegatività quasiuguale ed S è circa delle dimensioni di un gruppo metilene –CH2). S e’nucleofilo. Puo essere ossidato a solfossido e a solfone. E’ il punto diattacco per Br-CN, nella frammentazione delle proteine.

Gruppo R non polareProlinaIl gruppo alifatico che costituisce la catena laterale della prolina è legatocovalentemente all’atomo N della catena principale, a formare un anellopirrolidinico (caratteristica unica fra i 20 aminoacidi).La struttura ciclica della catena laterale della prolina impone rigidi vincoliconformazionali sulla catena principale (la rotazione intorno al legame N–Cα èbloccata a circa -60°). Il 10 % delle proline nelle proteine adotta un legamepeptidico in conformazione cis.

Il ΔG tra le forme cis e trans della Proe’ 2 kcal/mol. L’energia di attivazione perl’isomerizzazione cis/trans di Pro e’ di13 kcal/mol, contro 20 kcal/mol deglialtri aminoacidi.

Gruppo R non polareFenilalanina e TriptofanoLa fenilalanina e il triptofano sono aminoacidiaromatici, in quanto la loro catena laterale contieneun anello aromatico chimicamente paragonabile aquello del benzene.In particolare, la catena laterale del triptofano,costituita da un gruppo indolico, è la più grande evoluminosa di tutti i 20 aminoacidi.

La presenza di un anello aromatico conferisce a taliaminoacidi la proprietà di assorbire la radiazioneelettromagnetica nella banda dell’ultravioletto equindi di essere un’utile sonda fluorescente perstudiare la struttura delle proteine nelle zone adessi circostanti.

Gruppo R non polareFenilalanina e TriptofanoNessuno degli aminoacidi assorbe la lucenella banda del visibile, alcuni aminoacidiassorbono la radiazione nella bandadell’ultravioletto e tutti assorbono nellabanda dell’infrarosso.

Solo gli aminoacidi aromatici Phe, Tyr eTrp hanno un significativo assorbimentonell’ultravioletto al di sopra di λ = 250 nm.Emettono in fluorescenza tra 282 e 348 nm.

I coefficienti di estinzione molare misuratia 280 nm sono (M-1 cm-1):

Phe 195Tyr 1420Trp 5600

Gruppo R polare non caricoSerina e TreoninaLe catene laterali di serina e treonina presentano un gruppo idrossilico(R–OH) di dimensioni diverse.In particolare, anche la catena laterale della treonina presenta un secondocentro chirale (atomo di Cβ asimmetrico). Discorso analogo alla catenalaterale dell’isoleucina.

Gruppo R polare non caricoAsparagina e GlutamminaAsparagina e glutammina sono la forma ammidica rispettivamente di acidoaspartico e acido glutammico. Non sono, però, il prodotto dell’amidazionedei due acidi, ma ricorrono in natura e sono incorporati direttamente nelleproteine.

Gruppo R polare non caricoTirosinaLa catena laterale della tirosina presenta un gruppofenolico (anello aromatico–OH), responsabile,insieme agli anelli aromatici di Phe e Trp,dell’assorbimento nell’ultravioletto e dellafluorescenza delle proteine che contengono questiaminoacidi.

CisteinaLa catena laterale della cisteina contiene un gruppotiolo (R–SH), estremamente reattivo. Due cisteine chesi trovano in posizioni diverse della catenapolipeptidica, ma adiacenti nella strutturatridimensionale di una proteina possono essereossidate e formare un ponte disolfuro.

Ponte disolfuroIl ponte disolfuro è di solito il prodotto finale dell’ossidazione da parte di O2atmosferico, secondo il seguente schema di reazione:

Gruppo R polare caricoLisina, Arginina e IstidinaSono tre aminoacidi basici, carichi positivamente a pH fisiologico.La catena laterale della lisina presenta un gruppo butilammonio, quelladell’arginina un gruppo propilguanidinico e quella dell’istidina un gruppoimidazolico. ( Lys, pKa = 10.5; Arg, pKa = 12.5)

Gruppo R polare caricoL’istidina, in particolare, ha un pKa = 6.3-6.8 e ionizza entro l’intervallo dipH fisiologico. A pH = 6.4, il suo gruppo imidazolico è carico positivamentesolo al 50 %; a pH = 7.4 la catena laterale dell’istidina è elettrostaticamentecarica solo al 10 %, tendendo alla neutralità all’estremità basicadell’intervallo del pH fisiologico. Conseguenza di tale proprietà è che lecatene laterali dell’istidina spesso sono coinvolte nelle reazioni catalitichedegli enzimi che richiedono scambio di ioni H+.

Gruppo R polare caricoAcido aspartico e Acido glutammicoSono due aminoacidi acidi, carichi negativamente sopra pH = 4 (gruppoCOO-). Essi differiscono uno dall’altro solo nell’avere rispettivamente uno odue gruppi metilene.La piccola differenza in lunghezza della loro catena laterale fa sì cheabbiano una reattività chimica sensibilmente diversa.Quando si trovano nel loro stato ionizzato, ci si riferisce ad essi comeaspartato e glutammato. (Asp, pKa = 3.9; Glu, pKa = 4.1)

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Titolazione dell’aminoacido Gly

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Titolazione di un piccolo enzima di circa 110 aminoacidi

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Modificazioni post-traduzionali di alcuni aminoacidi

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Alcuni derivati degli aminoacidi di interesse metabolico