Amminoacidi

Le PROTEINE sono polimeri di particolari monomeri chiamati amminoacidi legati tra loro da legami ammidici, di cui ora vedremo la nomenclatura e la formula di struttura.

Gli amminoacidi sono acidi carbossilici aventi un gruppo amminico legato al carbonio α (per questo sono tutti detti α-amminoacidi). In natura ne esistono centinaia, ma solo ventuno di essi entrano nei complessi proteici dell’organismo umano. In tutti gli amminoacidi (a parte la glicina che ha il gruppo R formato da un idrogeno) il carbonio α è chirale, dunque tutti gli amminoacidi sono otticamente attivi.

Secondo la proiezione di Fischer (tutti i carboni vengono visualizzati in verticale, con il carbonio più ossidato in alto, mentre il gruppo diverso dall’idrogeno è a sinistra, dunque il composto è L) e la convenzione D-L possiamo classificare tutti e venti gli amminoacidi come L-amminoacidi. Tutti gli amminoacidi presenti nel nostro organismo sono L-α-amminoacidi. Essi si distinguono a seconda del gruppo R legato al carbonio chirale, il quale pùò essere polare, apolare o ionico (il gruppo R è anche detto catena laterale). Gli amminoacidi apolari sono in tutto otto, gli amminoacidi polari sono otto mentre gli amminoacidi ionici sono cinque.

Questi composti sono caratterizzati dalla contemporanea presenza di un gruppo carbossilico e di un gruppo amminico, ma vengono rappresentati meglio nella loro struttura ionica dipolare. Questa struttura è in accordo con la loro natura salina, in quanto hanno punti di fusione elevati, al di sopra dei 200 gradi centigradi (paragonabili ai punti di fusione dei composti ionici, ovvero sono legati nella loro struttura cristallina da forze di attrazione elettrostatica tra cariche di segno opposto). Sono chiamati ZWITTERIONI (dal tedesco ione doppio) ed hanno una solubilità relativamente bassa nei solventi organici. Possiamo così definire gli amminoacidi come sostanze ANFOTERE, in grado di cedere un protone ad una base forte o di ricevere un protone da un acido forte.

Tutto questo però dal pH del mezzo in cui è immerso l’amminoacido: a pH bassi l’amminoacido si trova nella forma di ione ammonio sostituito (l’equilibrio della reazione di dissociazione è molto spostato verso i reagenti), a pH alti è presente come ione carbossilato sostituito (l’equilibrio della reazione di dissociazione è molto spostato verso i prodotti) mentre ad un valore intermedio di pH l’amminoacido è presente in forma di ione dipolare. Possiamo così concludere che se il pH della soluzione è inferiore al valore di pKa il protone è associato, mentre se il pH della soluzione è superiore al valore di pKa il protone è dissociato. Se posto in un campo elettrico, l’amminoacido migra verso il catodo a bassi valori di pH mentre migra verso l’anodo ad alti valori di pH.
Ad un valore intermedio di pH, detto PUNTO ISOELETTRICO (già tabulati per i diversi amminoacidi), l’amminoacido sarà in forma dipolare ed avrà una carica complessiva pari a zero, non sarà in grado dunque di migrare verso uno dei due elettrodi. Gli amminoacidi hanno due pKa, uno intorno al valore 2-3 (fa riferimento alla perdita della carica positiva da parte del gruppo carbossile) e l’altro intorno al valore 9-10 (fa riferimento alla perdita della carica positiva da parte dello ione ammonio), mentre il valore del punto isoelettrico è solitamente a metà strada, intorno a 6.

L’alanina è amminoacido in grado di dissociare due protoni, si comporta dunque come un acido diprotico, in particolare ne può dissociare uno dal gruppo carbossilico è l’altro dal gruppo NH3+: nello stato di zwitterione non migra nè all’anodo nè al catodo dell’apparecchio elettroforetico, si dice che è nel punto isoelettrico. Esistono dunque diverse forme di un amminoacido in base al pH nel mezzo in cui è presente l’amminoacido, la forma scarica è pochissimo rappresentata in realtà, esiste invece di un amminoacido una di queste forme. In base ai pKa dell’amminoacido e del pH del mezzo in cui è presente sappiamo in che tipo di forma l’amminoacido è presente nel mezzo. Se pH < pK1 allora prevale interamente la forma cationica, l’equilibrio della reazione è tutto spostato a sinistra, mentre se pH = pK1 allora avremo presenti nella soluzione e nella stessa quantità le forme A e B dell’alanina (secondo la legge di Henderson-Hasselbach). Se il pH aumenta gradualmente superando il valore di pK1 sarà presente sempre più in maggiore concentrazione la forma B, fino al momento in cui sarà presente al 100 % (punto isoelettrico), poi diminuirà a favore della forma C fino ad arrivare al valore di pH = pK2, in cui le forme B e C saranno presenti al 50 % in soluzione, poi se aumenta il pH aumenterà in corrispondenza la forma C dell’amminoacido.

Abbiamo detto che lo ione dipolare è essenzialmente presente al livello di pH del punto isoelettrico, che in particolare è uguale alla media aritmetica dei due pK in cui si trova rappresentato (in questo caso è 6,00). Se nella catena laterale dell’amminoacido abbiamo gruppi laterali acidi o basici il tutto si complica, come ad esempio nell’acido aspartico. Esso si comporta come un acido triprotico, esiste in quattro forme diverse ed il suo punto isoelettrico è al pH = 2,8. In questo caso si formano tre sistemi tamponi. Se vogliamo sapere in che stato elettrico si trovi secondo gruppo carbossilico a pH = 7, utilizziamo l’equazione di Henderson-Hasselbach e vediamo che c’è un rapporto di 1000 a 1 tra la forma dissociata e la forma indissociata. Attraverso queste configurazioni possiamo arrivare a dire in che modo le proteine funzionano da tamponi: un solo amminoacido, l’istidina, ha un pKa che ha un valore circa uguale al pH umano, ed è l’unico che può fungere da sistema tampone, evita così che non si possa modificare il loro stato di carica, viene così salvaguardato lo stato dell’istidina e di altre proteine.

Gli amminoacidi sono composti polifunzionali, daranno le reazioni caratteristiche delle ammine e degli acidi carbossilici, o degli altri gruppi funzionali della catena laterale. Essi possono formare ammidi sia a livello del gruppo amminico che del gruppo carbossilico, attraverso una reazione di condensazione in cui fuoriesce una molecola d’acqua (non esce una molecola di alcol come nella formazione di ammidi vista da noi in precedenza). Se consideriamo il dipeptide (polipeptide formato da due amminoacidi) glicilalanina, vediamo come si formi un ammide secondaria, ed il legame tra i due amminoacidi viene chiamato legame peptidico. L’ananilglicina è il composto inverso, un isomero strutturale della glicinalanina. Questo dipeptide può legarsi all’amminoacido serina per formare un tripeptide. In questo tripeptide possiamo vedere bene le catene laterali che sporgono dalla struttura e lo scheletro del polipeptide che qualunque sia la sua lunghezza è formato da tre atomi che si ripetono, ovvero il carbonio del gruppo carbossilico, il carbonio in α e l’atomo di azoto. Di questo tripeptide però possono esistere 6 isomeri strutturali, che differiscono per la sequenza della successione degli amminoacidi. Con 4 amminoacidi abbiamo 24 isomeri di struttura, mentre con 8 amminoacidi abbiamo 40320 isomeri di struttura. Con venti amminoacidi possono esistere dunque numerosissime proteine, abbiamo un enorme ricchezza di forme.

Il gruppo ammidico presente in questi composti è caratterizzato da un doppietto elettronico delocalizzato sull’ossigeno, che in realtà forma un orbitale molecolare allungato contenente anche i due elettroni liberi sull’atomo di azoto: ne consegue che il legame tra l’atomo di carbonio e l’azoto è assimilabile ad un doppio legame, sia il carbonio che l’azoto sono infatti ibridati sp2, e formano un piano in cui stanno i tre legami σ che formano. Il legame tra carbonio ed azoto in questo caso è infatti lungo 1,32 A, a differenza di un legame semplice C-N lungo 1,47 A. Il gruppo peptidico è così un gruppo planare, rigido a causa della presenza di un doppio legame, insorge dunque l’isomeria di struttura cis-trans tra i carboni α, in queste strutture sempre in forme trans tra loro.

In queste strutture abbiamo sempre da una parte il gruppo carbossilico libero mentre dall’altra abbiamo un gruppo amminico libero, qualunque sia la lunghezza del polipeptide. Abbiamo dunque un amminoacido N-terminale ed un amminoacido C-terminale. La catena polipeptidica inizia sempre dall’estremità N-terminale e termina con l’estremità C-terminale, in quanto le catene proteiche vengono sintetizzate sempre secondo questa disposizione. Le proteine sono catene polipeptidiche che per convenzione superano il peso molecolare di 5000, sono dunque polimeri di numerosi amminoacidi, mentre i peptidi sono oligomeri di pochi amminoacidi.

La struttura tridimensionale di una proteina è piuttosto complessa, ne distinguiamo una primaria, una secondaria, una terziaria ed una quaternaria. La struttura primaria ci indica la sequenza lineare degli amminoacidi della catena polipeptidica, che possono ripiegarsi attraverso legami intramolecolari covalenti detti ponti disolfuro, che si formano tra due unità di cisteina. Questi legami sono molto importanti nella struttura di una proteina, se questi ponti vengono rotti ad esempio per riduzione dei gruppi tiolici, viene persa la funzione biologica della proteina.

Una struttura secondaria è invece data dall’orientazione dei piani formati da ciascun amminoacido a livello dello scheletro peptidico dei tre atomi di ciascun amminoacido: ognuno di questi piani rigidi è collegato all’altro attraverso un carbonio α che è ibridato sp3, dunque è in grado di far ruotare attorno al suo asse i legami che forma, diventando una sorta di cerniera tra i piani degli amminoacidi. Gli angoli di rotazione dei piani vengono misurati da una situazione teorica che non esiste (l’ossigeno è troppo vicino all’idrogeno) in cui i due piani coincidono, da cui misuriamo i gradi di rotazione dei due piani presi in considerazione che s’instaurano tra il carbonio α, il carbonio carbossilico e l’azoto. Questi ripiegamenti danno le strutture secondarie delle proteine, che però ammettono solo pochi valori di rotazione per l’effetto dell’ingombro sterico dei gruppi R, le strutture secondarie sono infatti poche.
Una struttura secondaria è anche detta β-struttura o struttura a foglieto ripiegato, in cui le catene polipeptidiche si dispongono una accanto all’altra, in modo che siano tra loro parallele o antiparallele, dipende dalla loro direzione. Queste catene polipeptidiche sono tenute insieme da legami idrogeno che s’instaurano tra il gruppo carbonilico e l’idrogeno legato all’azoto della catena vicina, i gruppi R però essendo molto vicini tra una catena e l’altra devono essere piccoli, ad esempio nella fibroina della seta s’instaura questo tipo di struttura perchè sono maggiormente rappresentati gli amminoacidi con meno ingombro sterico (tipo la glicina (al 36 %) e l’alanina (al 22%)). I legami idrogeno sono molto importanti perchè stabilizzano queste strutture secondarie. Tra le strutture secondarie però quella più rappresentata è la cosiddetta struttura ad α-elica, dove la catena polipeptidica si avvolge ad elica attorno ad un asse immaginario centrale.

Essa è resa possibile dalla rotazione dei piani successivi della catena polipeptidica attorno ai legami del carbonio α. I valori di questa rotazione sono misurati a partire dalla situazione immaginaria che i due piani originariamente siano allo stesso livello, e si può notare che tra i due carboni si ha un angolo di circa -45/-50 gradi, mentre il valore di rotazione attorno all’azoto è di circa -60 gradi, e queste orientazioni si ripetono lungo tutta la struttura. Il passo, ovvero la distanza che l’elica copre formando un giro attorno all’asse su cui ruota, è di 5,6 A ed ogni passo comprende tre residui amminoacidici. In questa struttura i gruppi R possono anche essere ingombranti perchè sporgono lateralmente dalla catena, verso l’esterno. Questa struttura è stabilizzata da legami idrogeno verticali tra l’idrogeno legato all’azoto presente a livello del legame peptidico e l’ossigeno del gruppo carbonilico facente parte del gruppo peptidico presente a livello della catena quattro residui amminoacidici più avanti.
Esistono però degli amminoacidi che sono in grado di destabilizzare l’α-elica, ovvero quelli che sono in grado di caricarsi da un punto di vista elettrico, ad esempio nell’ambiente cellulare la lisina e l’arginina hanno due cariche positive e si respingono con una forza maggiore di quella stabilizzante del legame idrogeno sulla struttura, dunque tenderanno ad aprire la catena polipeptidica. Se invece a pH cellulare sono presenti due amminoacidi che si ritrovano ad avere cariche di segno opposto sono in grado di schiacciare la struttura, ecco dunque spiegata l’importanza del perchè una variazione del pH cellulare può portare a serie conseguenze per la funzionalità delle proteine, in quanto possono arrivare a destabilizzare l’intera struttura ad α-elica. Altri amminoacidi invece sono in grado d’interrompere la catena, tipo la prolina, che porta ad un allargamento della catena. Dalla struttura primaria derivano così le proprietà delle strutture secondarie delle proteine.
Nel collagene, una proteina fibrosa, abbiamo una struttura secondaria di tipo diverso: 1/3 degli amminoacidi di questa catena è rappresentato dalla glicina, 1/3 è rappresentato da prolina, idrossiprolina ed alanina, ed il restante è formato dagli altri amminoacidi. In questo caso l’elica della catena polipeptidica ha caratteristiche diverse rispetto a quelle dell’α-elica, ha infatti un passo molto più ampio, di circa 9,3 A, sempre formato da tre residui amminoacidici. Queste catene alfa si associano poi a formare tre catene polipeptidiche che si intrecciano tra loro tenute insieme dai legami dei gruppi polari delle catene adiacenti.
Questa superelica forma la fibrilla di tropocollagene (ha un passo di 28 A) che a loro volta possono unirsi per formare le fibrille del collagene. Anche l’elastina ha una struttura particolare ma noi non la faremo. Queste strutture bastoncellari sono tipiche delle proteine fibrose, che danno resistenza ai tessuti, tipo le α-cheratine presenti nei capelli, nelle unghie o nei peli, il collagene è invece presente nei tessuti connettivi, nella matrice preossea, o nei tendini.

Altre proteine che svolgono la loro funzione in soluzione acquosa non possono avere questa struttura perchè non sarebbero più solubili, avendo molti gruppi apolari, molte però sono in grado lo stesso di funzionare, e sono le cosiddette proteine globulari, rappresentate da enzimi, proteine di trasporto o ormoni peptidici. Queste proteine si raggomitolano su sé stesse per preservare le strutture idrofobiche dall’acqua, si avvolgono su loro stesse per formare la cosiddetta struttura terziaria, in cui all’esterno della struttura proteica sono presenti i residui polari e ionici, mentre all’interno sono presenti i gruppi apolari. Queste proteine sono stabilizzate dai legami idrogeno formati con l’acqua e dalle forze di Van der Waals presenti internamente tra i residui apolari. La funzione degli enzimi dipende dalla loro struttura terziaria, dunque sarà oggetto di maggiore studio in biochimica.

Per chiarire meglio l’argomento consideriamo la struttura terziaria della mioglobina, una proteina che trasporta ossigeno nei tessuti biologici, in particolare nei muscoli. È una proteina coniugata in quanto è formata da una parte proteica legata covalentemente ad una parte di natura non polipeptidica, ovvero il gruppo eme, che serve a trasportare l’ossigeno. Questa catena si avvolge su sè stessa per avvolgere i propri gruppi apolari (a parte due istidine che rivestono un ruolo fondamentale nel sito attivo della proteina) formando 8 segmenti e 7 ripiegamenti interni, 4 dovuti alla presenza di una prolina e 3 per le caratteristiche particolari di alcuni gruppi R. Questa struttura è formata da segmenti di α-elica, ma altre proteine possono essere formate da β-strutture per quanto riguarda le loro strutture terziarie, altre ancora possono essere formate sia da α-eliche che da β-strutture, altre ancora possono intervallare a queste strutture delle parti proteiche in cui la proteina non assume nessuna struttura secondaria.
La struttura quaternaria di una proteina è formata da diverse subunità globulari che si uniscono assieme, e sono tenute assieme da legami di natura elettrostatica. Una proteina di questo tipo è l’emoglobina, in quanto è formata da 4 subunità globulari a due a due uguali tra di loro, ed ognuna di esse porta un gruppo prostetico che servirà per legare l’ossigeno. Questa struttura ha anche un importante ruolo funzionale in quanto gli enzimi possono attivarsi quando le subunità si avvicinano tra loro o si allontanano, vengono così regolate in questa maniera diverse funzioni enzimatiche.

Le proteine coniugate hanno una parte di natura polipeptidica ed una parte non proteica legata covalentemente, tipo carboidrati o glucidi, che formano le glicoproteine e i proteoglicani. Le glicoproteine sono costituite prevalentemente da una parte polipeptidica, più rappresentata rispetto alla parte glucidica, e sono rappresentate dagli anticorpi, dagli ormoni tireotropi o dagli interferoni (agenti antivirali). Al di fuori delle cellule sono presenti a livello del glicocalice, formano i sistemi di adesione cellulare, mentre possono anche essere secreti dalle cellule sottoforma di ormoni, anticorpi od ormoni digestivi. Solitamente questi glucidi sono legati alle proteine attraverso legami O-glicosidici in configurazione β, ma sono presenti anche legami N-glicosidici. Solitamente questi glucidi sono formati da non più di 15 derivati di monosaccaridi uniti tra loro. Nei proteoglicani, in cui la parte glucidica è preponderante sulla parte proteica, abbiamo spesso legati a residui di serina dei condroitin-solfati o acido ialuronico, che formano sempre legami di natura glicosidica con la parte proteica.