Gli amminoacidi - Università degli Studi di Perugia

Perugia, 22 settembre 2016
PLS
Raimondo Germani
Università degli Studi di Perugia
Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie
Le Biomolecole & La Vita
La vita è una proprietà emergente
 Tutti i componenti che permettono l’esistenza come: gli acidi nucleici,
le proteine, i lipidi, i carboidrati, e moltissime altre biomolecole di per
se non costituiscono la vita.
(La loro presenza è una condizione necessaria ma non sufficiente)
 Solo quando queste molecole sono assemblate insieme in un
particolari strutture spazio/temporali, allora la vita può emergere.
Dalla Materia Inanimata alla Vita
Gas e Inorganici
autoorganizzazione
Piccole molecole
organiche
Evoluzione Biologica
Macromolecole
autoorganizzazione
Membrana
Aumento della complessità
Evoluzione Chimica
Terra alle origini
Protocellula
Cellula
Fotosintesi
Nuove funzioni
Respirazione aerobica
Auto-Aggregazione & Funzione
Con il termine Auto-Organizzazione si intende la spontanea acquisizione di un
più alto ordine strutturale.
Questo accade poiché l'ordine Gerarchico Superiore è energeticamente più
favorevole.
Dalla auto-aggregazione scaturisce poi la funzione.
Due Punti di Vista
sull’origine della vita
1. Quello Cellulare:
C’è necessità di un confine (membrana semipermeabile) in maniera da ottenere la
necessaria organizzazione spazio-temporale, la locale concentrazione delle sostanze, la
protezione e la selezione dei nutrienti.
2. Replicazione Molecolare:
Servono solo specie molecolari (es. RNA) che sono in grado di auto-repplicarsi e mutare
(evolversi).
Il termine organico suggerisce che questa settore della chimica è correlato con gli
organismi (gli esseri viventi).
 I composti organici sono i mattoni delle cose viventi
La Chimica Organica ha come oggetto di studio i composti organici, cioè i
composti del carbonio, non solo quelli provenienti dalla natura ma anche quelli
sintetizzati direttamente dall’uomo.
milioni di composti chimici conosciuti.
Il 95% sono composti del carbonio.
L’American Chemical Society ha un database con più di 108 di
composti di cui il 92% sono organici
Fino al 18 secolo:
 Composti da organismi viventi - Organici
 Composti da materia inanimata - Inorganici
 I composti organici avevano una “forza vitale”
Friedrich Wöhller 1828: sintesi dell’urea da materiali inorganici, prima molecola di origine
animale ottenuta per via sintetica da materiali inorganici.
O
+
NH4
-
O C
N
calore
H2N
NH2
Ammonio cianato
Urea
(da fonti minerali)
“Inorganico”
(dall’urina)
“Organico”
Discreditato il concetto filosofico di “forza vitale” o “vitalismo”

Finalità e Obiettivi

Prerequisiti

Contenuti & Metodologie Didattiche

Tempi

Valutazione e Strumenti di Verifica

Spazi e strumenti dell’azione didattica
Finalità
 Apprendere l’importanza degli -amminoacidi e dei processi che li coinvolgono.
 Gli amminoacidi come monomeri dei copolimeri proteici.
Obiettivi Specifici
R
H
+
NH3
O
-
O






Struttura degli ammino-acidi
Comportamento anfotero
Stereoisomeria (Chiralità)
Punto isoelettrico (pI)
Sintesi e metabolismo degli -amminoacidi
Monomeri delle Proteine
FASE 1: Brainstorming
FASE 2: Richiamo concetti pregressi
FASE 3: Introduzione concetti portanti
FASE 4: Lavori individuale e/o di gruppo per la costruzione ed
analisi di mappe concettuali.
FASE 5: Lavoro in laboratorio e/o dimostrazioni
Fase 1: Brainstorming
Per contestualizzare l’argomento
e renderlo più interessante
Osservazioni
Curiosità
Considerazioni
Legate alla Vita Quotidiana
Fase di Brainstorming
 Quali cibi sono più ricchi di amminoacidi?
 Alcuni Integratori alimentari contengono -amminoacidi puri
 I legumi contengono amminoacidi?
 I cereali contengono amminoacidi?
 Gli amminoacidi li prendiamo solo dai cibi?
 Gli amminoacidi sono presenti nell’universo: tracce sono state
trovate nella comete (sonda spaziale Rosetta).
 L’esperimento di Miller-Urey induce a pensare che queste
molecole potevano formarsi sulla terra prebiotica.
Fase di Brainstorming
L'esperimento di Miller-Urey è la prima dimostrazione che
le molecole organiche di semplice struttura, come gli
amminoacidi, si possono formare spontaneamente, nelle
giuste condizioni ambientali, a partire da sostanze
inorganiche ed organiche più semplici (CH4, H2, NH3, H2O)
che erano presenti sulla terra ai suoi primordi.
Cellule
Rete metaboliche
Complessi polimerici
BioMacromolecole
Bio-monomeri
Molecole
Anche se i chimici riuscissero ad ottenere tutti i
monomeri prebiotici, non avrebbero comunque la
soluzione dell’origine della vita.
Atomi
Fase di Brainstorming
La vita, cosi come noi la conosciamo e la definiamo, è determinata
da specifiche sequenze macromolecolari come quelle degli acidi
nucleici e delle proteine.
A
F
P
H
Y
Z
Fase 2: Richiamo Concetti Pregressi
Conoscere la struttura e il
comportamento chimico del gruppo
amminico e di quello carbossilico.
Conoscere i principali
meccanismi di reazione dei
composti organici
precedentemente affrontati
Conoscere la finizione di isomero ,
riconoscere gli isomeri costituzionali e
gli stereoisomeri
Conoscere e saper utilizzare la
definizione di specie
nucleofila e elettrofila, di
specie basica e acida secondo
le definizioni di Brønsted e
Lewis.
Conoscere e saper applicare il
significato di ibridizzazione,
conoscere il significato di orbitale
molecolare e i vari tipi di legame.
(enantiomeri e diasteroisomeri).
Conoscere il significato di gruppo funzionale come
atomo o gruppo di atomi che caratterizzano le varie
classi di composti organici in termini di
comportamento fisico e chimico.
Fase 3: Introduzione Concetti Portanti
Ibridizzazione
Struttura
…………………………
Configurazione
Elettronica
Siti reattivi
………………………..
……………………
Tipo Reazioni
…………………………
…………………………
…………………………
………………..
Acido-base
……………………
…………………..
Proprietà fisiche
Fase 5: Costruzione Mappe Concettuali
Strumento
grafico
per
informazione e conoscenza.
La struttura complessiva è di tipo
reticolare, quindi potrebbe non
presentare necessariamente un
"preciso punto di partenza".
rappresentare

Serve per rappresentare in un grafico le
proprie conoscenze centrate su un
argomento.

Costituita da interconnessioni concettuali,
ciascuno dei quali rappresenta un
concetto elementare.

I nodi concettuali sono collegati mediante
delle relazioni di connessione.
Gli ammino acidi sono composti bifunzionali:
 Contengono sia un gruppo amminico che uno carbossilico nella stessa molecola
-NH2
5
4
-COOH
2
3
1
-ammino acido
-ammino acido
La presenza contemporanea di un gruppo basico (amminico) ed un gruppo
acido (carbossilico) determina il comportamento anfotero di queste molecole.
Equilibrio acido-base intermolecolare
O
O
R
O
H
H2N
R
R
-
O
pKa ~ 4,5
+
H3N
pKa ~ 9
Equilibrio acido-base intramolecolare
R
O
H2N
O
R
H
+
H3N
O
O
-
Sale interno
Struttura zwitterionica
R
-ammino
Residuo alchilico-
(Catena laterale variabile)
carbossile
carbonio 

Sono 20 (23) gli amminoacidi di tipo proteico (stadard): di cui 19 sono ammine
primarie e 1 è un’ammina secondaria endociclica (L-Prolina).

Possono essere neutri, acidi o basici, contenere residui aromatici ed alifatici.

Alcuni sono detti Essenziali (n. 10) perché non sono sintetizzabili direttamente
dall’organismo umano e quindi devono essere introdotti tramite l’assunzione del cibo.

Il primo -amminoacido individuato (1806) è stato l’asparigina isolata dagli asparagi.

Oltre costituire i mattoni delle proteine gli -amminoacidi svolgono altri ruoli come
intermedi di biosintesi.
Oltre ai 20 α-amminoacidi (proteici), esistono in natura più di 700 amminoacidi non
proteici, che esplicano diverse funzioni negli organismi in cui vengono prodotti.
Alcuni esempi sono:
I
-
O
SH
HO
O
I
O
+
NH3
I
I
O
Omocisteina
O
È presente nel sangue per
l’instaurarsi di affezioni
cardiache
-
+
Tiroxina
NH3
Prodotta nella ghiandola tiroidea
agisce come ormone
H3C
O
+
N
H3C
CH3 O
-
Betaina (N,N,N-trimetilglicina)
È un agente metilante biologico
è presente in tutti i tessuti
La selenocisteina e la pirrololisina sono altri due esempi di amminoacidi trovati in
alcuni organismi:
CH3
O
H
HSe
O
+
-
H
H3N
H
O
N
+
N
H
O
H
+
O
H
H3N
Selenocisteina
Pirrolisina
Individuata nel 1986
Individuata nel 2004
L’acido -amminobutirrico (GABA) è un altro
esempio di amminoacido naturale non proteico,
esso è presente nel cervello ed agisce come
neurotrasmettitore di tipo inibitorio. (droga degli stupri)
-
-
O
+
O
NH3
Acido--amminobutirrico (GABA)
neurotrasmettitore
Il Carbonio α dell’ammino acido è un centro chirale (carbonio legato a 4 gruppi differenti)
(eccetto nella glicina H2NCH2CO2H)
• La Natura usa solitamente solo un enantiomero per costruire le proteine (L-ammino
acidi). In peptidi naturali non ribosomiali si osservano anche amminoacidi della serie D
O
O
H3C
-
O
H
+
H3N
+
H3N
-
H
H3C
L-Alanina
(S)-Alanina
O
O
D-Alanina
(R)-Alanina
-
O
O
O
-
HO
HS
H
H
+
H3N
L-Cisteina
(R)-Cisteina
+
H3N
L-Serina
(S)-Serina
Centro Stereogenico
Centro Stereogenico
Proiezione di Fischer della L-alanina = S-alanina
priorità
I 20 ammino acidi, in base alla natura dei sostituenti presenti sul gruppo R,
possono essere: acidi, basici e neutri:
•
2 Acidi: acido aspartico e glutammico, contengono un ulteriore gruppo carbossilico.
•
3 Basici: lisina, arginina e istidina hanno un ulteriore gruppo amminico basico.
•
15 Neutri, non hanno gruppi nettamente acidi o basici
– La Cisteina, avente un gruppo tiolico (-SH) e la tirosina avente un gruppo
fenolico (Ar-OH) possono essere deprotonate in soluzione fortemente alcalina,
formando un tiolato ed un fenato rispettivamente.
O
HS
O
O
OH-
-
S
+
NH3
O
-
NH2
O
O
-
O
OH-
O
+
HO
-
NH3
O
-
NH2
-
Gli ammino acidi sono sali interni (reazione acido base intramolecolare):
 Alto momento di dipolo () due cariche nette separate;
 Relativamente solubili in acqua (alcuni) ed insolubili in solventi organici;
 Sostanze cristalline con un alto punto di fusione.
Gli -Ammino acidi esistono in soluzione acquosa principalmente in forma di ione
dipolare, o zwitterione, a seguito della neutralizzazione interna tra il gruppo acido e
quello basico.
Zwitterione
Dal tedesco zwitter, significa “ibrido”
 Possono reagire come acidi
di Brønsted con una specie
basica.
Forma anionica
 Possono reagire come basi
di Brønsted con una specie
acida.
Forma cationica
In soluzione acida, un ammino acido è protonato ed esiste principalmente come
catione (ione ammonio).
In soluzione basica, un ammino acido è deprotonato ed esiste principalmente come
anione (ione carbossilato).
 Punto Isoelettrico, pI
– É il pH a cui il numero di cariche positive e il numero di cariche negative
presenti in soluzione sono uguali (massima quantità della forma zwitterionica).
– Il suo valore dipende dalla struttura dell’ammino acido (quindi da R)
Forma cationica
zwitterionica
O
H3C
O
OH
CH3
+
NH3
pH = 2,1
anionica
H3C
O
O
CH3
-
+
NH3
pH = 5,9
pH acido
H3C
O
CH3
NH2
pH = 9,7
pH basico
La solubilità e le proprietà (esempio nucleofilicità dell’azoto) sono fortemente
influenzate dal pH del mezzo
-
Il pI di ogni ammino acido è ottenuto come media di due valori di pKa dei gruppi.
 Per gli ammino acidi con R acido, il pI è la media dei due valori di pKa
più bassi.
 Per gli ammino acidi con R neutro, il pI è la media di pKa1 e pKa2
 Per gli ammino acidi con R basico il pI è la media dei due valori di pKa
più alti.
Acido aspartico
Alanina
Lisina
L’elettroforesi è una potente tecnica per separare miscele di A.A., che sfrutta i
diversi valori dei punti isoelettrici degli amminoacidi (o delle proteine).
Quando è applicato un potenziale elettrico gli amminoacidi migrano in base alla loro
carica netta (determinata dal pH del tampone):
 Ammino acidi aventi carica negativa migrano lentamente verso l’elettrodo
positivo.
 Ammino acidi con carica positiva verso l’elettrodo negativo.
In condizioni fisiologiche (pH = 7.3):



I gruppi carbossilici in catena laterale degli amminoacidi acidi, Aspartico e Glutammico
sono in forma deprotonata sono quindi presenti come carbossilati (–COO-).
Gli azoti basici in catena laterale della Lisina ed Arginina sono in forma protonata come
gruppi ammonio (-NH3+).
L’anello imidazolinico dell’istidina in queste condizioni non è sufficientemente basico da
essere completamente protonato.
 L’azoto piridinico è basico (ma non a sufficienza)
 L’azoto pirrolico non è basico
Azoto non basico
di natura pirrolica
O
H
N
O
+
N
Azoto basico
di natura piridinica
NH3
L-Istidina
-
Questi sono alcuni esempi di reazioni che permettono di ottenere gli -amminoacidi
Reazione di SN2 di -Aloacidi con NH3
O
O
1. Br2, PBr3
OH
excess
OH
2. H2O
Reazione di Hell-Volhard-Zelinskii
Per ottenere gli -alogeno acidi
Br
O
OH
NH3
NH2
(R,S)-Leucine (45%)
Reazione di Amminazione riduttiva
Acido piruvico
(L,D)-Alanina
Intermedio Imminico
Reazione di Strecker
O
NH3
R
+
NH2
H
KCN
R
H
CN
Aldeide
-Ammino nitrile
H 3O
H 2O
NH3
+
R
H
COOH
(L,D)-Amminoacido
Reazione di Strecker
esempio:
Tutte le procedure di sintesi qui illustrate portano sempre a miscele racemiche.
Si ottengono i due enantiomeri L & D nella stessa quantità.
Dei 20 -Ammino acidi 10 vengono considerati non essenziali per l’uomo, e vengono sintetizzati
all’interno del nostro organismo gli altri 10 devono essere introdotti tramite il cibo.
Tuttavia la distinzione tra i due tipi non è ben definita. Per esempio la maggior parte dell’arginina
viene introdotta con il cibo ma una piccola parte è anche prodotta dall’organismo.
I 10 considerati essenziali sono:
CH3
O
H3C
H3C
OH
NH2
Isoleucina
S
H3C
OH
CH3
Metionina
+
NH3
+
-
HN
NH
-
N
CH3
O
-
-
O
+
+
NH3
Istidina
O
O
NH3
N
H
NH3
O
-
+
Arginina
H3C
Valina
O
O
+
NH3
CH3
Fenilalanina
O
+
Lisina
NH2
NH2
O
O
OH
OH
NH2
Leucina
H3N
O
O
O
NH
NH3
Triptofano
HO
O
+
NH3
Treonina
-
O
 La biochimica degli -amminoacidi, se paragonata a quella dei trigliceridi e dei carboidrati è
più complessa, infatti, le vie sintetiche sono caratteristiche per ogni -amminoacido.
 La loro degradazione (metabolismo) segue invece dei passaggi comuni.
La degradazione metabolica segue fondamentalmente tre stadi.
I. La deamminazione (trans-amminazione), rimozione del gruppo amminico in 
II. La conversione dell’ammoniaca o dell’aspartato in urea
III. Trasformazione dello scheletro rimanente in un intermedio che entra poi nel
ciclo dell’acido citrico.
O
Ciclo acido citrico
R
CO2
+
H
NH3
R
CO2
-
-cheto acido
-
H
NH3
o
CO2
-
+
NH3
CO2
L-Aspartato
O
-
H2N
NH2
urea
 Deamminazione: trasformazione del legame C-N in un carbonile C=O.
H
R
+
NH3
CO 2
O
-
+
CO2
-
O
PLP
CO2
R
- Amminotrasferasi
CO2
-
+
NH3
H
+
CO2
-
CO2
-chetoglutarrato
L-Glutammato
Ogni -ammino acido ha il suo enzima amminotrasferasi
Gruppo formilico
O
O
-
P
O
-
O
HO
H
OH
PLP = Piridossale fosfato agisce da coenzima
O
+
H
+
H
N
OH
CH3
PLP
N
OH
CH3
Piridossina
Vitamina B6
-
 Deamminazione: 1 step.
O
O
O
-
P
O
-
-
O
O
H
H
N
+
H
NH2
N
O
Lisina
R
CO 2
-
P
O
H
O
H
-
+
H
H
N
N
Lisina
R
+
N
H
H
H CO 2
O
CH3
CH3
PLP legato all’enzima via
legame imminico tramite un
residuo di lisina della catena
peptidica.
Equilibrio acido-base
O
-
O
immine
-
P
O
+
H
O
O
+
-
P
O
O
-Lisina-NH2
H
-
+
R
N
+
H
O
CH3
N
Lisina
R
N
H
- H
O
CH3
H
N
N
CO 2
H
H
O
-
H
H
Immina del PLP del generico
-ammino acido
CO2
-
 Deamminazione: 2 step.
O
O
-
O
P
O
-
O
O
R
CO 2
N
+
H
O
O
+
H
H
O
-
N
O
P
O
R
CO2
- chetoacido
+
H
N
O
-
CH3
Piridossamina fosfato
(PMP)
H2O
H2N-Lisina
R
H
H
N
H
+
H
-
H
+
-
O
O
-
CO 2
-
O
H
R
CH3
O
O
H
N
Idrogeno
acido
O
-
H
-
P
O
-
H
CH3
O
P
O
H
N
-
+
N
H
H
+
H
N
O
CH3
-
P
O
-
O
H
O
H
H
CO2
H
O
-
-
Equilibrio
acido-base
+
H
N
O
CH3
-
N
H
R
H
O
+
H
CO2
-
 Deamminazione: 3 step, ripristino del PLP-enzima
O
O
-
P
O
O
-
H2N-Lisina-
O
H
H
P
O
-
O
H
H
+
N
O
-
O
-
N
H
H
CH3
N
+
+
O
H
CO2
-
CO2
Piridossamina fosfato
(PMP)
-
N
O
Lisina
+
H
O
H
-
CO2
Assalacetato
-
CO2
-
+
NH3
CO2
CH3
Immina PLP-enzima)
CO2
H
CO2
-
L-Glutammato
+
NH3
CO2
Aspartato
-
-
 Deamminazione: 4 step, deamminazione ossidativa del glutammato
Cofattore ossidante
+
N
NAD+
Glutammato
deidrogenasi
NH2
H
O
H
His
CO2
H
H
CO2
-
H
N
+
N
H
CO2
NH
-
+
N
H
N
CO2
+
-
NH2
H
-imminioglutarato
H
NADH
-
H2O
O
CO2
-
CO2
-
-chetoglutarato
+
NH4+
O
L’ammoniaca (NH3) prodotta viene eliminata secondo tre meccanismi
che sono dipendenti dal tipo di organismo:
1. Pesci e animali acquatici la disperdono come tale nell’ambiente acquoso esterno
2. Organismi terrestri la smaltiscono sotto forma di urea
3. Gli uccelli la smaltiscono come acido urico
O
H2N
NH2
O
Urea
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido urico
NH3
Ammoniaca
Il primo passo è la trasformazione dell’ammoniaca in carbamoil fosfato, il quale viene poi convertito in
urea. La reazione inizia con l’attivazione del Bicarbonato da parte del Guanosintrifosfato (GTP), tutta la
sequenza è catalizzata dall’enzima fosfato sintetasi I.
HO
O
O
-
O
Legame anidride mista
NH
N
O
-
O
O
P
O
-
O
P
O
O
-
O
P
N
N
O
O
-
NH2
-GDP
O
-
O
P
O
Mg++
OH
O
O
-
O
OH
Carbossilfosfato
OH
:NH3
-Pi
Ciclo
dell’urea
O
H2N
O
O
O
-
P
O
+GTP
H2N
-
O
Carboamoilfosfato
-GDP
-
O
Carboammato
Esempio di Mappa Concettuale
Composti
zwitterionici anfoteri
sono
-Amminoacidi
Composti
otticamente attivi
solo
sono
Determinano la
sono
Sono costituiti da
Solidi con
alti p.f.
Presenza di
un pI
(L)-Amminoacidi
sono presenti nelle
proteine
Gruppo carbossile
(-COO-) in 
Gruppo Ammino
(-NH3+) in 
Gruppo R in 
sono
20 tipi di R
con
R non polare
Alanina
Glicina
Isoleucina
Metionina
Fenilalanina
Prolina
Triptofano
Valina
con
R polare non
carico
Asparigina
Cisteina
Glutammina
Serina
Treonina
Tirosina
con
R acido
Acido aspartico
Acido glutammico
per cui
Gruppo R carico (-)
a pH fisiologico
con
R basico
Arginina
(Istidina)
Lisina
per cui
Gruppo R carico (+)
a pH fisiologico
 Dalla unione di più -amminoacidi tramite legame ammidico (peptidico)
si possono formare copolimeri come:
– Peptidi contenenti 40-50 unità amminoacidiche.
– Proteine polimeri con un più elevato numero di monomeri
amminoacidi.
Legame ammidico
O
n
R
R
O
+
NH3
O
-
NH
HN
O
R
O
NH
NH
R
O
R
NH
R
O