Corso di Laurea in Farmacia CHIMICA BIOLOGICA Insegnamento di

Corso di Laurea in Farmacia
Insegnamento di
CHIMICA BIOLOGICA
Angela Chambery
Lezione 4
Scoperta degli amminoacidi: gli amminoacidi essenziali
Gli amminoacidi essenziali sono quegli amminoacidi che un organismo vertebrato non è in
grado di sintetizzare da sé in quantità sufficiente, ma che deve assumere con
l'alimentazione. Nell'alimentazione umana si considerano essenziali i seguenti aminoacidi:
fenilalanina, isoleucina, istidina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano, valina.
Arginina, cisteina, e tirosina sono essenziali durante l'infanzia e lo sviluppo.
Amminoacido
mg per kg peso corporeo*
mg per 70 kg
mg per 100 kg
H Istidina
10
700
1000
I Isoleucina
20
1400
2000
L Leucina
39
2730
3900
K Lisina
30
2100
3000
M Metionina +
C Cisteina
15 (totale)
1050
1500
F Fenilalanina +
Y Tirosina
25 (totale)
1750
2500
T Treonina
15
1050
1500
W Triptofano
4
280
400
V Valina
26
1820
2600
*Fabbisogni raccomandati dall'Organizzazione mondiale della sanità (OMS)
La struttura degli amminoacidi
Concetti chiave:
• I 20 amminoacidi standard condividono una struttura comune ma differiscono a
livello della loro catena laterale.
• Alcune catene laterali degli amminoacidi contengono gruppi ionizzabili i cui valori
di pK possono variare.
Gli amminoacidi proteici
Le proteine (próteios, “che occupa la prima posizione”) sono la classe di
macromolecole più abbondante in una cellula, rappresentando più del 50% del suo
peso totale (acqua esclusa). Non c’è fenomeno biologicamente rilevante dove una
o più proteine non abbiano un ruolo essenziale.
Le proteine sono POLIMERI costituite da catene di α- amminoacidi
Struttura degli amminoacidi
La struttura di un α-amminoacido è definita da un atomo di carbonio (carbonio α)
che lega:
i due gruppi funzionali carbossilico ed amminico
un atomo di idrogeno
una catena laterale R, diversa per ciascun amminoacido.
Struttura degli amminoacidi
Ad eccezione della prolina e dei suoi derivati, tutti gli amminoacidi che si trovano
comunemente nelle proteine possiedono una struttura di questo tipo.
Gli amminoacidi proteici sono 20
La prolina ha una struttura ciclica con la catena laterale legata al gruppo
amminico. E’ dunque un imminoacido, e non propriamente un α-amminoacido.
La nomenclatura degli amminoacidi
Struttura degli amminoacidi
I 20 amminoacidi, i mattoni costitutivi della maggior parte delle proteine,
possono essere classificati in base alle proprietà della loro catena laterale come:
NON POLARI (IDROFOBICI)
POLARI NEUTRI
POLARI CARICHI (ACIDI E BASICI)
AMMINOACIDI CON CATENA NON POLARE
GLICINA E ALANINA
GLICINA
ALANINA
VALINA, LEUCINA E ISOLEUCINA
VALINA
LEUCINA
ISOLEUCINA
PROLINA E METIONINA
PROLINA
METIONINA
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE POLARE NEUTRA
SERINA, TREONINA E CISTEINA
SERINA
TREONINA
CISTEINA
La cisteina può formare ponti disolfuro
ASPARAGINA E GLUTAMMINA
ASPARAGINA
GLUTAMMINA
AMMINOACIDI AROMATICI
FENILALANINA, TIROSINA E TRIPTOFANO
FENILALANINA
TIROSINA
TRIPTOFANO
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE IONIZZABILE
LISINA, ARGININA E ISTIDINA
LISINA
ARGININA
ISTIDINA
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE IONIZZABILE
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE IONIZZABILE
ASPARTATO E GLUTAMMATO
ACIDO ASPARTICO
GLUTAMMATO
POTENZIALITA’ DI LEGAME DELLE CATENE LATERALI DEGLI α-AMMINOACIDI
Le proprietà chimiche, e cioè la natura dei gruppi funzionali e le dimensioni
molecolari di ciascun amminoacido, sono alla base del loro ruolo nelle proteine.
Oltre ai legami covalenti che formano tra i gruppi α-carbossilici e α -amminici, gli
amminoacidi hanno la capacità di interagire chimicamente tra loro, con il
solvente acquoso e con altre molecole, grazie alle loro catene laterali. Tali
interazioni sono in genere di tipo non-covalente e, come già detto, vengono
comunemente denominate legami deboli.
Legami ionici o elettrostatici
Legami a idrogeno
Le catene laterali degli amminoacidi
possono interagire mediante:
Forze di Van der Waals
Interazioni idrofobiche
AMMINOACIDI CON CATENA NON POLARE
AMMINOACIDI CON CATENA NON POLARE
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE POLARE NEUTRA
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE POLARE NEUTRA
AMMINOACIDI CON CATENA LATERALE IONIZZABILE
ACIDI
BASICI
GLI AMMINOACIDI SONO IONI DIPOLARI
In ciascun α-amminoacido sono presenti almeno due gruppi ionizzabili:
quello α- carbossilico ed α- amminico.
In condizioni fisiologiche, gli amminoacidi esistono come zwitterioni, nei quali il
gruppo carbossilico ha ceduto un protone mentre il gruppo amminico ne ha
acquistato uno, formando, così, un “sale interno”. La carica negativa sul
carbossile è delocalizzata tra i due atomi di ossigeno.
IONIZZAZIONE DEGLI AMMINOACIDI
La forma cationica è presente a bassi valori di pH, quella anionica ad alti valori di
pH.
GLI AMMINOACIDI SONO IONI DIPOLARI
Punto isoelettrico
Il valore di pH al quale un amminoacido si trova nella forma con carica netta zero è
detta Punto isoelettrico (pI). Per un α- amminoacido con catena laterale non ionizzabile
il punto isoelettrico è la media aritmetica dei valori di pK del gruppo carbossilico e del
gruppo amminico:
pI=pK1+pK2
2
Valori di pH superiori al punto isoelettrico: Carica netta dell’amminoacido negativa
Valori di pH inferiori al punto isoelettrico: Carica netta dell’amminoacido positiva
Punto isoelettrico
Per gli amminoacidi con catena laterale ionizzabile per il calcolo del pI si
considerano le costanti di dissociazione delle reazioni di dissociazione a carico
delle specie neutre ovvero i due pK più alti per gli aa basici e i due più bassi per
gli aa acidi.
CURVA DI TITOLAZIONE DELLA GLICINA
CURVA DI TITOLAZIONE DELL’ISTIDINA
CURVA DI TITOLAZIONE DEL GLUTAMMATO
Punto isoelettrico
Proprietà degli amminoacidi standard
Proprietà degli amminoacidi standard
Proprietà degli amminoacidi standard
Proprietà degli amminoacidi standard
Proprietà degli amminoacidi standard
Stereochimica
Concetti chiave:
• Gli amminoacidi, come molti altri composti biologici, sono molecole chirali la cui
configurazione può essere rappresentata con le proiezioni di Fischer.
• Gli amminoacidi, nelle proteine, hanno tutti la configurazione stereochimica L.
STEREOCHIMICA DEGLI AMMINOACIDI
Gli atomi di carbonio α degli amminoacidi (eccetto la glicina) sono centri chirali
STEREOCHIMICA DEGLI AMMINOACIDI
Le molecole otticamente attive sono asimmetriche cioè non sono sovrapponibili
alla loro immagine speculare.
STEREOCHIMICA DEGLI AMMINOACIDI
Ad eccezione della glicina, tutti gli amminoacidi sono otticamente attivi ovvero
ruotano il piano della luce polarizzata. La direzione e l’angolo di rotazione possono
essere misurati con un polarimetro.
Proprietà ottiche degli α-amminoacidi
Il senso della rotazione non ha alcuna relazione con l’appartenenza
dell’amminoacido a una delle serie steriche D e L. Si possono infatti ritrovare Lamminoacidi destrogiri (+) o levogiri (-).
La determinazione del potere ottico rotatorio degli amminoacidi è effettuata
mediante POLARIMETRI.
Il potere ottico specifico di qualunque molecola è definito da:
[α]lλ =
Rotazione osservata (gradi · 100)
l·c
l = lunghezza del cammino ottico espressa in dm;
c = concentrazione del campione espressa in grammi per 100 ml di soluzione;
λ = lunghezza d’onda della luce utilizzata.
La misura va effettuata ad una temperatura di 20°C.
La convenzione di Fischer
Con la convenzione di Fisher
descrive la configurazione dei centri
asimmetrici.
La configurazione dei gruppi
intorno al centro asimmetrico è
confrontata con quella della
gliceraldeide che contiene un
centro chirale.
La L-Gliceraldeide (levo, sinistra)
ruota il piano della luce polarizzata
verso sinistra mentre la DGliceraldeide (dextro, destro) ruota
il piano della luce polarizzata verso
destra.
Configurazione relativa
La configurazione degli L-amminoacidi può essere
correlata alla configurazione della L-gliceraldeide.
CO-R-N: letta in senso orario (con H verso di noi)
-NH2 =
-COOH =
-H
=
-CH2OH=
- OH
- CHO
-H
-R
Configurazione relativa
Nelle proteine si trovano esclusivamente gli enantiomeri L
Enantiomeri della L-Alanina e D-Alanina
Configurazione relativa
Il sistema RS
Notazione R-S di Cahn, Ingold e Prelog
“Il numero atomico superiore precede quello inferiore”
SH > OR > OH > NH-COCH3 > NH2 > COOR > COOH > CHO > CH2OH > C6H5 >
CH3 > 3H > 2H > H
1: - NH2
2: - COOH
3: - R
Configurazione S (sinister)
Configurazione R (rectus)
3
3
2
1
2
1
Enantiomero con azione anti-infiammatoria
L'ibuprofene è un principio attivo che rientra nella
famiglia dei farmaci antinfiammatori non steroidei
(FANS). Il farmaco è dotato di proprietà
analgesica, antinfiammatoria e antipiretica.
Solo l’enantiomero illustrato possiede azione
antinfiammatoria.
L'enantiomero del talidomide con effetto sedativo
L’enantiomero inattivo del talidomide determina gravi malformazioni alla nascita.
La sintesi organica chirale è divenuta un’area di della chimica medica oggetto di
intense ricerche nell’industria farmaceutica.
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
La radiazione elettromagnetica è, dal punto di vista dell'elettromagnetismo
classico, un fenomeno ondulatorio dovuto alla contemporanea propagazione di
perturbazioni periodiche di un campo elettrico e di un campo magnetico, oscillanti
in piani tra di loro ortogonali.
E = h ν = h c/ λ
h= costante di Plank
E= Energia
λ= Lunghezza d’onda
1/λ= λ -1 = Numero d’onda
c = velocità di propagazione (3 x 1010 cm /sec2)
ν = Frequenza = numero di onde che passano in punto per unità di tempo
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
700 nm
340 nm
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
• Gli amminoacidi proteici non sono colorati, cioè non assorbono la luce nello
spettro del visibile (380-780 nm), ma assorbono tutti la luce violetta (UV) a
lunghezza d’onda sotto i 220 nm.
• La capacità di assorbire luce UV in un campo spettrale compreso tra i 320 e i 240
nm è è una caratteristica degli amminoacidi aromatici:
FENILALANINA
TIROSINA
TRIPTOFANO
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
• La proprietà di assorbimento della luce UV da parte di Triptofano, Tirosina e
Fenilalanina è particolarmente utile per il riconoscimento e la determinazione
quantitativa delle proteine.
• L’assorbimento di luce ad una qualunque lunghezza d’onda può essere messo in
relazione con la concentrazione della sostanza assorbente mediante la LEGGE DI
LAMBERT E BEER
A=εcl
A = assorbimento ad una determinata lunghezza d’onda;
c = concentrazione della sostanza espressa in moli per litro di soluzione;
l = lunghezza del cammino ottico espressa in cm;
ε = coefficiente di estinzione molare (assorbimento di una soluzione 1M del composto in
esame, quando questa è attraversata per 1cm dalla luce incidente).
Proprietà degli α-amminoacidi: Assorbimento della luce
La luce della lampada passa attraverso un monocromatore per la selezione della
lunghezza d’onda. Il raggio attraversa la cella al quarzo (UV) o in vetro o
policarbonato (visibile) in cui è contenuto il campione e viene registrato da un
detector collegato con un registratore.
Monocromatore
Lenti
Detector
Reticoli o prismi
Lampada a H o D⇒
⇒UV
Lampada ad incandescenza
o filamento di tungsteno ⇒Visibile
Cuvetta
Campione
Amplificatore
Registratore
La concentrazione bisogna sceglierla in modo tale che l’assorbanza non superi il
valore di 2-3.