Chimica organica
X Lezione
1
Il carbonio è l’elemento più abbondante
nelle molecole biologiche
Le molecole biologiche contenenti atomi di
carbonio sono chiamate biomolecole.
Le biomolecole fanno parte di un gruppo molto ampio di
composti del carbonio chiamati composti organici.
1
I gruppi funzionali determinano le
proprietà chimiche e fisiche dei
composti del carbonio
Quando sulle catene
carboniose si
inseriscono atomi o
gruppi di atomi
diversi dal carbonio,
vengono chiamati
gruppi funzionali.
2
Cosa sono le biomolecole
Le molecole biologiche, o
biomolecole, sono composti
del carbonio.
Sono molecole molto
grandi, chiamate
macromolecole.
Molte sono polimeri, cioè
monomeri uniti da legami
covalenti.
3
Le macromolecole sono costituite
da moltissime piccole molecole
unite in catene
Le macromolecole
sono polimeri formati
dall’unione di molte
molecole più piccole
(monomeri) unite
mediante legami
covalenti.
Policondensazione
5
4
Quali sono le biomolecole
5
6
Le Proteine
Sono sostanze indispensabili alla vita
Sono i costituenti principali delle cellule e
dei tessuti dell'organismo vivente
6
Le Proteine
Sono delle grandi molecole, formate dall’unione di
molecole più piccole, gli aminoacidi, uniti tra
loro attraverso legami peptidici. Una proteina
può essere costituita da poche decine o da
centinaia di aminoacidi.
8
7
Gli amminoacidi
Si possono immaginare gli amminoacidi
come i mattoni per la costruzione delle
proteine ed i legami peptidici come il
collante che li tiene uniti tra loro
9
8
Gli aminoacidi
La formula di struttura di un aminoacido è:
-NH2 è il gruppo amminico, mentre -COOH è il gruppo acido.
È a loro che gli aminoacidi devono il loro nome.
R- è il radicale, la parte variabile, vale a dire un insieme di
atomi che formano una catena non troppo lunga.
Ogni aminoacido ha un radicale differente che ne cambia le
proprietà e lo rende diverso dagli altri.
9
Gli amminoacidi
Fingiamo che gli aminoacidi siano degli ometti:
Gruppo
acido
Gruppo
acido
Radicale
Idrogeno
Gruppo
amminico
Radicale
Carbonio
Carbonio
Gruppo
amminico
Idrogeno
Il carbonio centrale sarà il corpo, i gruppi
amminico e acido le braccia con le mani e
l’idrogeno le gambe.
Il radicale sono i capelli: …
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Gli aminoacidi
Radicali
… c’è l’aminoacido che li ha lisci, quello che li
ha ricci, uno li ha di un colore, un altro di un
altro… come fossero dei gemelli, che si
distinguono solo per le loro capigliature.
Così tutti gli aminoacidi si differenziano tra
loro solo per il radicale
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Tutte le proteine sono polimeri di ca. 20-22 tipi diversi di a-amminoacidi e
differiscono tra loro per il numero, la composizione e la sequenza degli
aminoacidi, sono definiti amminoacidi proteogenici.
Sono tutti a (la funzione -NH2 è legata al C adiacente alla funzione
carbossilica)
Sono tutti chirali (eccetto la glicina)
Presentano stereochimica L (il C chirale ha la stessa configurazione del C
chirale della L-gliceraldeide)
Il C chirale ha una configurazione assoluta S (ad eccezione della cisteina,
che è R).
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A
m
m
i
n
o
a
c
i
d
i
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Gli aminoacidi possono essere classificati in vari
modi.
Sulla base della natura del gruppo –R possiamo
suddividerli in:
gruppi R alifatici non polari: glicina o
glicocolla, alanina, prolina, ramificati (valina,
leucina, isoleucina);
gruppi R aromatici: fenilalanina, tirosina,
triptofano;
gruppi R polari non carichi: serina, treonina,
solforati (cisteina, metionina), asparagina,
glutammina;
gruppi R carichi positivamente (con + di un
gruppo amminico): lisina, arginina, istidina;
gruppi R carichi negativamente (con due
gruppi carbossilici): aspartato, glutammato.
15
16
GRUPPI R NON POLARI
Le loro catene laterali sono costituite da una catena idrocarburica
satura: sono idrofobici.
La metionina è uno dei due amminoacidi contenenti zolfo.
La prolina ha una caratteristica struttura ad anello, formato dalla
catena laterale e dal suo gruppo amminico, e differisce dagli altri
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amminoacidi perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R’).
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E’ solo moderatamente polare.
GRUPPI R AROMATICI
Sono relativamente non polari (idrofobici).
Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche.
I gruppi -OH della tirosina ed
legami a idrogeno
NH del triptofano possono formare
18
17
GRUPPI R POLARI, NON CARICHI
Sono polari ma in condizioni fisiologiche sono privi di carica elettrica.
I loro gruppi -R sono più idrofilici di quelli degli AA non polari:
contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con
l’acqua.
La polarità di serina e treonina è dovuta al gruppo ossidrilico (-OH),
quella della cisteina al gruppo sulfidrilico (-SH), quella di
asparagina e glutammina ai gruppi ammidici (-CONH2), dove sia la
porzione carbonilica che quella amminica possono entrare in gioco. 18
GRUPPI R CARICHI POSITIVAMENTE (BASICI)
+
H
Sono accettori di protoni.
Le loro catene laterali, contenenti gruppi amminici, a pH fisiologico
sono ionizzate ed hanno carica positiva.
L’istidina è debolmente basica (pKa = 6,0) ed a pH fisiologico
l’amminoacido libero è in gran parte non ionizzato; quando si trova
incorporata in una proteina può recare una carica positiva o essere
neutra (proprietà molto importante!)
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GRUPPI R CARICHI NEGATIVAMENTE (ACIDI)
Sono donatori di protoni.
I gruppi carbossilici delle loro catene laterali, al pH fisiologico, sono
ionizzati ed hanno carica negativa.
20
21
Proprietà acido-basiche degli amminoacidi
Avendo sia il -COOH sia l’-NH2, gli a-aminoacidi
sono degli elettroliti deboli, sono ionizzati a
tutti i valori di pH e la specie neutra non può
esistere in soluzione
Gli amminoacidi sono zwitterioni (sali interni).
•Hanno momenti dipolari elevati.
•Sono, generalmente, solubili in H2O.
•Sono sostanze cristalline con alti punti di fusione.
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zwitterioni
…può agire sia come acido (donatore di protoni) che come base
(accettore di protoni).
Le sostanze che hanno questa doppia natura si definiscono
anfòtere o anfoliti.
Al pH fisiologico (valore attorno a 7,4) tutti gli amminoacidi
hanno:
- il gruppo carbossilico dissociato,
si forma lo ione negativo carbossilato (-COO-);
- il gruppo amminico protonato (-NH3+)
22
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Quando gli amminoacidi sono in forma zwitterionica non hanno
una carica netta. Il pH al quale la carica netta è 0 viene detto
punto isoelettrico (pI).
zwitterioni
Punto isoelettrico (pI): è il valore di pH al quale un
amminoacido ha carica netta 0 cioè è elettricamente
neutro.
Il pI è una caratteristica di ogni singolo
amminoacido
23
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Se un amminoacido in soluzione viene sottoposto
all’azione di un campo elettrico esterno tenderà :
A migrare verso il catodo (elettrodo negativo) se è in forma
cationica.
A migrare verso l’anodo (elettrodo positivo) se è in forma
anionica.
A non migrare se si trova al suo punto isoelettrico (PI).
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PROPRIETÀ GENERALI
Una reazione che interessa anche gli aminoacidi
degli alimenti é la loro decarbossilazione ad opera di
enzimi di origine endogena (intrinseci all’alimento) o
esogena (provenienti da microrganismi):
R-CH (NH2) COOH
aminoacido
→
R-CH2-NH2 + CO2
ammina
Le ammine sono tutte molecole biologicamente
attive, in particolare vasoattive
Gli amminoacidi
Gli aminoacidi si legano tra loro con un legame detto
peptidico, formato dall’unione del gruppo acido con quello
amminico per la perdita di una molecola d’acqua.
H2N-CH- COOH + H2N -CH-COOH --> H2N-CH-CO-NH-CH-COOH + H2O
|
|
|
|
R
R'
R
R'
Questo è il legame che viene sciolto dal nostro apparato
digerente durante la digestione.
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Gli amminoacidi
Gli aminoacidi presenti in natura sono 22 le cui
combinazioni danno origine ad una grande varietà
di proteine
Aminoacido
Le combinazioni di aminoacidi sono infinite, ma solo
alcune (e in ogni modo tantissime) sono proteine
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Gli amminoacidi
Se paragoniamo gli aminoacidi alle diverse lettere
dell’alfabeto, potremo dire che come le lettere
dell’alfabeto si possono unire a formare le parole,
così gli aminoacidi si uniscono a formare le
proteine
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Gli amminoacidi
Però non tutte le sequenze di aminoacidi
danno proteine esistenti, così come non
tutte le lettere messe insieme danno
parole di senso compiuto
ULASCO
SCUOLA
non ha alcun significato
ha un preciso significato
Esistono proteine semplici come parole e
proteine complesse come libri
29
Gli amminoacidi
Otto dei 22 aminoacidi sono detti essenziali,
perché il nostro organismo non è capace di
sintetizzarli, cioè fabbricarli partendo da altri
composti e deve necessariamente prenderli da
alimenti che li contengono
Le proteine che
contengono tutti e
otto questi
aminoacidi sono
dette complete.
Aminoacidi essenziali
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Proteine globulari e fibrose
Le proteine possono essere classificate in due gruppi
principali: proteine globulari e fibrose.
Proteine globulari
Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma
compatta, sferica o globulare.
Contengono più tipi di struttura secondaria.
Le proteine globulari comprendono: enzimi, proteine di
trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine
regolatrici, immunoglobuline, etc.
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Proteine Fibrose
Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o
in foglietti.
In genere presentano un unico tipo di struttura
secondaria.
Sono insolubili in H2O per la presenza di elevate [ ] di
AA idrofobici.
Le catene polipeptidiche si associano in complessi
sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le
superfici idrofobiche.
Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. a-cheratina,
collageno).
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Proteine Fibrose e Globulari
Le proteine possono
essere divise in due
classi:
Proteine
Globulari
Proteine
fibrose
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Le Proteine Fibrose
Sono di origine animali,
insolubili in acqua,
Assolvono ruoli strutturali per lo più.
Si dividono in tre categorie:
le cheratine
i collageni
le sete
Formano tessuti protettivi
Formano tessuti connettivi
Come i bozzoli dei bachi da seta
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Le Proteine Fibrose
Cheratine e collageni
hanno strutture ad
elica,
Le sete hanno struttura
foglietto beta
Gruppi apolari e ponti
disolfuro tendono a
conferire rigidità e
insolubilità alle proteine
fibrose.
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Le Proteine Globulari
Sono solubili in acqua,
di forma quasi sferica,
Assolvono funzioni biologiche.
Possono essere:
Enzimi
Ormoni
Proteine di trasporto
Proteine di deposito
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Le Proteine Globulari
Mioglobina, proteina
globulare che
trasporta l’ossigeno
nei muscoli.
Contengono
amminoacidi con
catene polari e carichi,
Sono strutture
elicoidali.
Le interazioni sono dovute
a ponti disolfuro, alla
polarità o meno dei
gruppi R, e alla capacità
di formare legame ad
idrogeno.
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PEPTIDI
Il legame che si instaura fra gli amminoacidi per
formare i peptidi e le proteine è un legame
ammidico, detto legame peptidico
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Il dipeptide è il più semplice peptide, formato
dall’unione di due amminoacidi
Per formare il legame peptidico, un amminoacido
mette a disposizione il proprio gruppo –COOH,
mentre l’altro amminoacido interviene con il suo
gruppo –NH2, con formazione di una molecola di
H2O.
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I dipeptidi si indicano scrivendo i simboli dei due residui
amminoacidici che li costituiscono
Per convenzione si scrive partendo da sinistra:
l’aminoacido con l’aminogruppo libero+ legame peptidico -CONH- +
quello con il gruppo carbossilico libero.
La nomenclatura del primo è terminante in –il che sostituisce la
desinenza ina
Si continua la sequenza aminoacidica con questa sostituzione via via
sino all’ultimo aminoacido che mantiene il nome normale
.
Per esempio la glicilalanina è
NH2CH2CONHCH(CH3)COOH
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LA GLICILALANINA È
41
Il legame peptidico è scritto come legame
semplice covalente, ma in realtà è un ibrido di
risonanza che presenta un parziale (40%)
carattere di doppio legame tra carbonio ed
azoto.
Di conseguenza l’azoto non ha il doppietto a sua
disposizione per legami con H+ e
non può accettare protoni e
il legame C-N non può ruotare liberamente
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Perciò il legame peptidico risulta rigido e planare. Così
la rotazione attorno al legame C-N è impedita, i
quattro atomi del legame peptidico e i 2 C a si trovano
sullo stesso piano. La planarità di questi elementi ha
conseguenze
importanti
per
le
tre
strutture
tridimensionali delle proteine.
43
44
46
Proteine:
Sono formate da lunghe catene amminoacidiche.
Queste catene possono assumere conformazioni
diverse, così che si hanno quattro livelli di
struttura:
La struttura primaria di una proteina è una
lunga sequenza di amminoacidi legati per
mezzo del legame peptidico: il gruppo
carbossilico di un amminoacido si lega al
gruppo amminico di quello adiacente con la
liberazione di una molecola d'acqua.
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Struttura secondaria delle proteine, costituita dalla
conformazione ordinata che i vari segmenti della catena
possono assumere
Gli angoli e le lunghezze di legame sono ben
definite:
Il gruppo ammidico sta su un piano,
L’azoto è ibridato sp2 e il legame peptidico
ha un carattere di doppio legame,
Ciascun gruppo amminico è planare
Ma non è detto che due
gruppi amminici
adiacenti siano coplanari
(nello stesso piano).
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La Struttura Secondaria
È molto facile formare
dei legami idrogeno
Essenziale per
la
determinazion
e della
struttura.
La catena si avvolge in
modo che l’idrogeno di
un ammino gruppo si
leghi con legame ad
idrogeno col carbonile
di un altro residuo aa.
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49
La Struttura Secondaria
•
•
L' α-elica ha un passo di 5.4 Å
e ogni spira dell'elica è
costituita da 3.6 residui
amminoacidici.
L'eccezionale stabilità di questa
conformazione dipende dal
fatto che tutti gli NH e i C=O
dei gruppi peptidici sono
impegnati in legami a ponte di
idrogeno.
L‘a-elica è il risultato del ripiegamento
probabilmente più "naturale" che una
catena peptidica possa assumere.
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50
La Struttura Secondaria
L' a-elica presente nelle proteine è quasi
sempre destrogira (l'andamento è quello
della filettatura di una vite tradizionale).
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La Struttura Secondaria
•
Perché è destrogira?
•
È dovuto al fatto che
gli amminoacidi
proteici sono tutti
nella configurazione
"L" e in un'elica
sinistrorsa i gruppi
laterali R
risulterebbero troppo
vicini ai gruppi C=O,
destabilizzando
l'elica.
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La Struttura Secondaria
•
•
•
Le catene laterali R dei
residui amminoacidici
sono tutte rivolte verso
l'esterno dell'elica.
Procedendo dall’azoto
terminale, tutti i gruppi
carbonilici sono rivolti
verso il basso.
Sono legati con legami
ad idrogeno a gruppi NH che di trovano avanti
lungo la catena.
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La Struttura Secondaria
Le catene peptidiche
sono affacciate e sono
tenute assieme da
legami ad idrogeno fra
le diverse catene.
•
•
Studiando ai raggi
X altre strutture si
è trovato un
sistema ripetitivo
diverso.
Con passo di 7 Å.
Struttura a
foglietto a pieghe
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La Struttura Secondaria
•
•
•
I gruppi R delle
due catene si
trovano una volta
sopra e una volta
sotto il piano.
Possono dare
repulsioni.
Quindi la struttura
beta si trova in
proteine con
amminoacidi che
presentano R
piccoli.
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Struttura terziaria delle proteine, data dai ripiegamenti
che le varie proteine assumono per generare la loro
forma
Struttura quaternaria, che descrive come le varie
subunità che eventualmente costituiscono la proteina si
assemblano fra loro
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FUNZIONI PROTEINE
•Modulano l’espressione dei geni (es.ribonucleasi)
•Regolano il metabolismo come enzimi e ormoni (es. insulina)
•Trasportano ioni o molecole attraverso liquidi circolanti o membrane
(es. emoglobina)
•Intervengono nella coagulazione del sangue (es. trombina)
•Proteggono l’organismo dalle infezioni (es. anticorpi)
•Intervengono nelle contrazioni muscolari (es. miosina o actina)
•Partecipano a generazione e trasmissione di impulsi nervosi (es.
sinapsina)
•Costituiscono la struttura di tessuti di sostegno (es. cheratina,
fibroina)
•Rappresentano forme di deposito di principi nutritivi (es.
ovoalbumuina, caseina)
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