Chimica organica per il liceo/Proteine/Più dettagli



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Introduzione

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: dare esempi dei vari ruoli biologici svolti dalle proteine. identificare gli amminoacidi come i mattoni con cui sono fatte tutte le proteine. mostrare, in modo generale, come l'unione di un certo numero di amminoacidi attraverso la formazione di legami peptidici risulti nella formazione di proteine.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: amminoacido enzima legame peptidico proteina
Note di studio	Il "legame peptidico" che si forma tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un secondo amminoacido è identico al legame C-N presente nelle ammidi (vedi Sezione 21.7).

Struttura delle Proteine e degli Amminoacidi

Le proteine sono polimeri di amminoacidi, legati da gruppi ammidici noti come legami peptidici. Un amminoacido può essere pensato come avente due componenti: uno "scheletro" o "catena principale", composto da un gruppo ammonico, un "carbonio alfa" e un gruppo carbossilato, e una "catena laterale" variabile (in verde sotto) legata al carbonio alfa.

An amino acid components - an ammonium group, an alpha-carbon, and a carboxylate, and a variable side chain

Esistono venti diverse catene laterali negli amminoacidi naturali, ed è l'identità della catena laterale che determina l'identità dell'amminoacido: ad esempio, se la catena laterale è un gruppo -CH₃, l'amminoacido è l'alanina, e se la catena laterale è un gruppo -CH₂OH, l'amminoacido è la serina. Molte catene laterali di amminoacidi contengono un gruppo funzionale, mentre altre, come l'alanina, ne sono prive e contengono solo un semplice alcano.

I due "ganci" su un monomero di amminoacido sono i gruppi amminico e carbossilato. Le proteine (polimeri di circa 50 amminoacidi o più) e i peptidi (polimeri più corti) si formano quando il gruppo amminico di un monomero di amminoacido reagisce con il carbonio del carbossilato di un altro amminoacido per formare un legame ammidico, che in terminologia proteica è un legame peptidico. Quali amminoacidi sono legati e in quale ordine – la sequenza proteica – è ciò che distingue una proteina da un'altra, ed è codificato dal DNA di un organismo. Le sequenze proteiche sono scritte in direzione dall'N-terminale (amminico) al C-terminale (carbossilico), con abbreviazioni di tre o una lettera per gli amminoacidi. Di seguito è riportato un peptide di quattro amminoacidi con la sequenza "cisteina - istidina - glutammato - metionina". Usando il codice a una lettera, la sequenza è abbreviata CHEM.

Quando un amminoacido viene incorporato in una proteina, perde una molecola d'acqua e ciò che rimane è chiamato residuo dell'amminoacido originale. Pertanto, potremmo riferirci al "residuo di glutammato" in posizione 3 del peptide CHEM sopra.

Funzione delle Proteine: Enzimi e Recettori

Una volta che un polimero proteico è costruito, in molti casi si ripiega in modo molto specifico in una struttura tridimensionale, che spesso include una o più "tasche di legame" in cui altre molecole possono essere legate. È la forma di questa struttura ripiegata, e la precisa disposizione dei gruppi funzionali all'interno della struttura (specialmente nell'area della tasca di legame), che determina la funzione della proteina.

Gli enzimi sono proteine che catalizzano reazioni biochimiche. Una o più molecole reagenti – spesso chiamate substrati – si legano nella tasca del sito attivo di un enzima, dove avviene la reazione vera e propria.
I recettori sono proteine che legano specificamente una o più molecole – definite ligandi – per avviare un processo biochimico. Ad esempio, il recettore TrpV1 nei tessuti dei mammiferi lega la capsaicina (dai peperoncini piccanti) nella sua tasca di legame e avvia un segnale di calore/dolore che viene inviato al cervello.

Di seguito è mostrata un'immagine dell'enzima glicolitico fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi (in grigio), con la molecola di substrato legata all'interno della tasca del sito attivo.

Strutture degli amminoacidi

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: identificare le caratteristiche strutturali presenti nei 20 amminoacidi comunemente trovati nelle proteine. disegnare la formula di proiezione di Fischer di un enantiomero specifico di un dato amminoacido. classificare un amminoacido come acido, basico o neutro, data la sua struttura. disegnare la forma zwitterionica di un dato amminoacido. spiegare alcune delle proprietà tipiche degli amminoacidi (es. alti punti di fusione, solubilità in acqua) in termini di formazione di zwitterioni. scrivere equazioni appropriate per illustrare la natura anfotera degli amminoacidi.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: α-amminoacidi anfotero amminoacidi essenziali zwitterione
Note di studio	Questo è un buon punto per ripassare alcuni dei principi di stereochimica presentati nel Capitolo 5. Assicurati di fare pieno uso dei modelli molecolari ogni volta che sorgono questioni stereochimiche. Dovresti riconoscere che un codice abbreviato di tre lettere è spesso usato per rappresentare i singoli amminoacidi. Non è necessario memorizzare questo codice. La distinzione tra amminoacidi essenziali e non essenziali non è così netta come si potrebbe supporre. Ad esempio, l'arginina è spesso considerata non essenziale.

Introduzione agli Amminoacidi

Gli amminoacidi formano polimeri attraverso un attacco nucleofilo del gruppo amminico di un amminoacido al carbonio carbonilico elettrofilo del gruppo carbossilico di un altro amminoacido.

Il legame risultante tra gli amminoacidi è un legame ammidico che i biochimici chiamano legame peptidico.

Quando due amminoacidi si legano, la struttura risultante è chiamata dipeptide. Allo stesso modo, possiamo avere tripeptidi, tetrapeptidi e altri polipeptidi. A un certo punto, quando la struttura è abbastanza lunga, viene chiamata proteina. Le proteine sono polimeri di venti amminoacidi naturali. A differenza degli acidi nucleici, che sono polimeri di soli 4 diversi nucleotidi, la diversità delle possibili proteine è enorme.

Different Representations of a Polypeptide (Heptapeptide)

Stereochimica

Tutti gli amminoacidi sono chirali, ad eccezione della glicina, la cui catena laterale è H. Come per i lipidi, i biochimici usano la nomenclatura D e L. Tutte le proteine presenti in natura, in tutti gli organismi viventi, sono costituite da amminoacidi L. La stereochimica assoluta è correlata alla L-gliceraldeide. La maggior parte degli amminoacidi L naturali ha configurazione S, con l'eccezione della cisteina (che è R). È possibile ricordare la configurazione L con l'acronimo CORN: guardando lungo il legame H-Cα, i gruppi COOH, R e NH₂ sono disposti in senso orario.

I biochimici continuano a usare il sistema D/L per zuccheri e amminoacidi perché si adatta meglio alle loro esigenze. Il sistema (R,S), sebbene definisca una configurazione in modo inequivocabile, a volte porta a risultati che riflettono le regole di priorità umane piuttosto che una reale differenza di configurazione. Ad esempio, tutti gli amminoacidi comuni sono L perché hanno la stessa disposizione spaziale, ma la L-cisteina è (R)-cisteina, mentre tutti gli altri sono (S).

Gli α-Amminoacidi Naturali

L'idrolisi delle proteine produce un assortimento di molecole identificate come α-amminocarbossilici. I più comuni sono elencati nella tabella seguente. Gli amminoacidi con nomi colorati in verde sono componenti essenziali della dieta, poiché non sono sintetizzati dai processi metabolici umani.

Ad eccezione della prolina, sono tutti ammine 1ª; ad eccezione della glicina, sono tutti chirali. Le catene laterali (gruppi R) variano da semplici idrocarburi a gruppi contenenti funzioni ossidriliche, tioliche, basiche (amminiche), acide (carbossiliche) o ammidiche.

Lo Zwitterione e le Proprietà Anfotere

Le formule degli amminoacidi scritte in forma covalente semplice sono in realtà errate. Ciò è evidente da un confronto delle loro proprietà fisiche.

Proprietà Fisiche di Acidi e Ammine Selezionati
Composto	Formula	Peso Mol.	Solubilità in Acqua	Solubilità in Etere	Punto di Fusione (°C)	pKa
acido isobutirrico	(CH₃)₂CHCO₂H	88	20g/100mL	completa	-47	5.0
acido lattico	CH₃CH(OH)CO₂H	90	completa	completa	53	3.9
3-ammino-2-butanolo	CH₃CH(NH₂)CH(OH)CH₃	89	completa	completa	9	10.0
alanina	CH₃CH(NH₂)CO₂H	89	18g/100mL	insolubile	ca. 300 (decomp.)	9.8

Le proprietà dell'alanina (punto di fusione molto alto, insolubilità nei solventi organici e acidità un milione di volte più debole di un normale acido carbossilico) indicano la formazione di un sale interno tramite un trasferimento di protone dalla funzione carbossilica acida a quella amminica basica. La struttura risultante, un carbossilato di ammonio, è comunemente definita zwitterione.

${\ce {CH3CH(NH2)CO2H <=> CH3CH(NH3)+CO2-}}$

Come previsto dal suo carattere ionico, lo zwitterione dell'alanina ha un alto punto di fusione, è insolubile in solventi non polari e ha la forza acida di uno ione ammonio 1°.

La struttura di un amminoacido gli permette di agire sia da acido che da base (proprietà anfotera). Un amminoacido ha questa capacità perché a un certo valore di pH (diverso per ogni amminoacido), quasi tutte le molecole esistono come zwitterioni.

Se si aggiunge un acido a una soluzione contenente lo zwitterione, il gruppo carbossilato cattura un ione idrogeno (H⁺) e l'amminoacido diventa carico positivamente.
Se si aggiunge una base, la rimozione dello ione H⁺ dal gruppo amminico dello zwitterione produce un amminoacido carico negativamente.

In entrambe le circostanze, l'amminoacido agisce per mantenere il pH del sistema.

Altri Amminoacidi Naturali

Esistono molti altri amminoacidi naturali. Alcuni, come l'idrossilisina e l'idrossiprolina, si trovano solo nel collagene. L'omoserina e l'omocisteina sono omologhi superiori. La β-alanina è un componente dell'acido pantotenico (una vitamina del complesso B). L'omologo γ-amminico, GABA, è un neurotrasmettitore inibitore. Molti amminoacidi insoliti, inclusi gli enantiomeri D, sono prodotti da microrganismi.

Amminoacidi, equazione di Henderson-Hasselbalch e punti isoelettrici

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: disegnare la forma predominante di un dato amminoacido in una soluzione di pH noto, dato il punto isoelettrico dell'amminoacido. descrivere, brevemente, come una miscela di amminoacidi possa essere separata tramite elettroforesi su carta.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: elettroforesi punto isoelettrico

Poiché gli amminoacidi, così come i peptidi e le proteine, incorporano sia gruppi funzionali acidi che basici, la specie molecolare predominante presente in una soluzione acquosa dipenderà dal pH della soluzione. Per determinare la natura delle specie molecolari e ioniche presenti in soluzioni acquose a diversi pH, facciamo uso dell'Equazione di Henderson-Hasselbalch.

${\ce {pH=pK_{a}\ +log({\frac {[concentrazione\ della\ base\ coniugata]}{[concentrazione\ di\ acido\ debole]}})}}$

La curva di titolazione per l'alanina dimostra questa relazione. A un pH inferiore a 2, sia la funzione carbossilato che quella amminica sono protonate, quindi la molecola di alanina ha una carica netta positiva. A un pH superiore a 10, l'ammina esiste come base neutra e il carbossile come sua base coniugata, quindi la molecola di alanina ha una carica netta negativa. A pH intermedi, la concentrazione dello zwitterione aumenta e, a un pH caratteristico, chiamato punto isoelettrico (pI), le specie molecolari cariche negativamente e positivamente sono presenti in egual concentrazione.

Elettroforesi

La distribuzione delle specie cariche in un campione può essere mostrata sperimentalmente osservando il movimento delle molecole di soluto in un campo elettrico, utilizzando la tecnica dell'elettroforesi. Per tali esperimenti, una soluzione tampone ionica viene incorporata in una matrice solida (carta o un gel). Una piccola quantità del campione di amminoacido, peptide o proteina viene posta vicino al centro della striscia di matrice e viene applicato un potenziale elettrico alle estremità della striscia.

Elecphorese - four different amino acids are examined simultaneously in a pH 6.00 buffered medium -1

Nell'esempio mostrato qui, quattro diversi amminoacidi vengono esaminati simultaneamente in un mezzo tamponato a pH 6.00 (in alto la situazione di partenza, in basso l'animazione dell'elettroforesi)

A pH 6.00:

L'alanina e l'isoleucina esistono in media come molecole zwitterioniche neutre (pI ≈ 6) e non sono influenzate dal campo elettrico, rimanendo al punto di origine.
L'arginina è un amminoacido basico (pI = 10.8). A pH 6.00 è protonata, ha una carica netta positiva e si muove verso il catodo (elettrodo negativo).
L'acido aspartico è un amminoacido acido (pI = 3.0). A pH 6.00 è deprotonato, ha una carica netta negativa e si muove verso l'anodo (elettrodo positivo).
At pH 6.00 alanine and isoleucine exist on average as neutral zwitterionic molecules

È chiaro che il risultato di questo esperimento dipende in modo critico dal pH del tampone. Se ripetessimo l'elettroforesi a pH 3.80, l'acido aspartico rimarrebbe al suo punto di origine e gli altri amminoacidi si muoverebbero verso il catodo.

Amminoacidi Polifunzionali

Alcuni amminoacidi hanno funzioni acide o basiche aggiuntive nelle loro catene laterali. Questi composti sono elencati nella tabella sottostante. Un terzo pK_a, che rappresenta l'acidità o la basicità della funzione extra, è elencato nella quarta colonna. I pI di questi amminoacidi (ultima colonna) sono spesso molto diversi da quelli dei membri più semplici. Come previsto, tali composti mostrano tre punti di flesso nelle loro curve di titolazione.

Valori di pKa degli Amminoacidi Polifunzionali
Amminoacido	α-CO₂H (pKa₁)	α-NH₃⁺ (pKa₂)	Catena Laterale (pKa₃)	pI
Arginina	2.1	9.0	12.5	10.8
Acido Aspartico	2.1	9.8	3.9	3.0
Cisteina	1.7	10.4	8.3	5.0
Acido Glutammico	2.2	9.7	4.3	3.2
Istidina	1.8	9.2	6.0	7.6
Lisina	2.2	9.0	10.5	9.8
Tirosina	2.2	9.1	10.1	5.7

Il Punto Isoelettrico

Il punto isoelettrico (pI) è il pH di una soluzione acquosa di un amminoacido (o peptide) al quale le molecole, in media, non hanno carica netta. In altre parole, i gruppi carichi positivamente sono esattamente bilanciati dai gruppi carichi negativamente.

Per gli amminoacidi semplici (senza catena laterale ionizzabile), il pI è la media dei pKa del gruppo carbossilico e del gruppo ammonico. Per l'alanina, pI = (2.34 + 9.69) / 2 = 6.02.
Se sono presenti gruppi acidi o basici aggiuntivi nelle catene laterali, il pI è la media dei pKa dei due gruppi più simili.
- Per l'acido aspartico (con una catena laterale acida), i gruppi simili sono le due funzioni carbossiliche. pI = (pKa α-CO₂H + pKa catena laterale) / 2 = (2.1 + 3.9) / 2 = 3.0.
- Per l'arginina (con una catena laterale basica), i gruppi simili sono le due funzioni di tipo ammonico/guanidinico. pI = (pKa α-NH₃⁺ + pKa catena laterale) / 2 = (9.0 + 12.5) / 2 = 10.75.

Sintesi degli amminoacidi

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: delineare, tramite equazioni, come una miscela racemica di un dato amminoacido possa essere preparata da un acido carbossilico usando reazioni studiate in precedenza. delineare, tramite equazioni, la preparazione di un dato amminoacido tramite la sintesi ammidomalonica. identificare l'amminoacido formato dall'uso di un dato alogenuro alchilico in una sintesi ammidomalonica. identificare l'alogenuro alchilico necessario per produrre un dato amminoacido tramite la sintesi ammidomalonica. descrivere, tramite equazioni, come un α-chetoacido possa essere trasformato in un amminoacido tramite amminazione riduttiva. descrivere un metodo generale per risolvere una miscela racemica di un dato amminoacido. fornire un breve esempio di come un metodo biologico possa essere impiegato per risolvere una miscela racemica di un dato amminoacido. mostrare la preparazione enantioselettiva di un amminoacido dal corrispondente acido Z-enammidico.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: sintesi ammidomalonica sintesi enantioselettiva miscela racemica
Note di studio	Non allarmarti per il numero di metodi di sintesi degli amminoacidi descritti in questa sezione. Hai già visto molte di queste reazioni nelle sezioni precedenti e dovresti già avere familiarità con gli approcci discussi qui. Per soddisfare i requisiti del primo obiettivo, ripassa la reazione di Hell-Volhard-Zelinskii (Sezione 22.4) e la sintesi della ftalimmide di Gabriel (Sezione 24.6). La sintesi ammidomalonica è una semplice variazione della sintesi malonica (Sezione 22.7). Una base astrae un protone dal carbonio alfa, che viene poi alchilato con un alogenuro alchilico. Successivamente, l'idrolisi sia degli esteri che del gruppo protettivo ammidico in condizioni acquose acide genera l'α-amminoacido. Amidomalonate synthesis Un altro metodo per ottenere l'α-amminoacido è tramite amminazione riduttiva dell'α-chetoacido, che hai già incontrato in precedenza (Sezione 24.6). Reductive amination of the α‑keto acid

Sintesi di α-Amminoacidi

1) Amminazione di Acidi α-Bromo Carbossilici

Questo metodo diretto prevede due passaggi:

L'acido carbossilico viene convertito nel corrispondente acido α-bromo carbossilico tramite la reazione di Hell-Volhard-Zelinskii ( ${\ce {Br2 + PBr3}}$ ).
L'acido α-bromo carbossilico reagisce con un eccesso di ammoniaca ( ${\ce {NH3}}$ ) tramite una reazione SN2 per dare l'α-amminoacido.

Sebbene questo approccio diretto dia risultati mediocri per la preparazione di semplici ammine, è più efficace per la sintesi di amminoacidi, grazie alla ridotta nucleofilia dell'atomo di azoto nel prodotto.

Amination of alpha-bromocarboxylic acids

2) Sintesi Ammidomalonica (Variazione di Gabriel-Malonica)

Modificando l'azoto come sale di ftalimmide, si elimina la tendenza delle ammine a subire sostituzioni multiple. Questa procedura, nota come sintesi di Gabriel, può essere vantaggiosamente utilizzata per amminare gli esteri bromomalonici.

Un estere bromomalonico reagisce con il sale di ftalimmide.
L'estere ftalimmido-malonico risultante ha un idrogeno acido (colorato in arancione) che può essere rimosso da una base per formare un anione.
L'anione viene alchilato con un alogenuro alchilico.
Infine, l'idrolisi catalizzata da base della porzione ftalimmide e degli esteri, seguita da acidificazione e decarbossilazione termica, produce un amminoacido.

3) Sintesi di Strecker

Una procedura elegante, nota come sintesi di Strecker, assembla un α-amminoacido a partire da ammoniaca (il precursore dell'ammina), cianuro (il precursore del carbossile) e un'aldeide. Questa reazione è essenzialmente un analogo imminico della formazione di cianidrine. L'α-amminonitrile così formato può essere poi idrolizzato ad amminoacido tramite catalisi acida o basica.

Strecker synthesis

Risoluzione

Le procedure sintetiche descritte sopra, e molte altre, producono amminoacidi racemici. Se si desiderano enantiomeri puri L o D, è necessario risolvere queste miscele racemiche. Un metodo comune è la formazione di sali diastereomerici con un acido o una base chirale pura. Questo è illustrato per un amminoacido generico nel diagramma seguente.

Nell'esempio, la funzione acido carbossilico contribuisce alla formazione del sale diastereomerico.

L'amminoacido racemico viene prima convertito in un derivato benzammidico per rimuovere il carattere basico del gruppo amminico.
Successivamente, si forma un sale di ammonio combinando l'acido carbossilico con un'ammina otticamente pura, come la brucina.
Poiché la porzione di amminoacido è racemica e la base è un singolo enantiomero, si forma una miscela equimolare di sali diastereomerici.
I diastereoisomeri possono essere separati per cristallizzazione, cromatografia o altra manipolazione fisica.
Infine, il sale viene scisso con trattamento acido, ottenendo il derivato amminoacidico risolto insieme all'agente di risoluzione recuperato.

Diastereomeric salt formation with a pure chiral acid or base

Poiché gli amminoacidi sono anfoteri, la risoluzione potrebbe essere ottenuta anche utilizzando il carattere basico della funzione amminica, utilizzando un acido chirale enantiomericamente puro come l'acido tartarico come agente di risoluzione.

La risoluzione dei derivati amminoacidici può essere ottenuta anche tramite discriminazione enzimatica. Ad esempio, un enzima amminoacilasi scinde un derivato ammidico di un amminoacido L naturale molto più velocemente di quanto non faccia con l'enantiomero D. Se la miscela racemica di ammidi viene trattata con questo enzima, l'enantiomero L verrà rapidamente convertito nella sua forma zwitterionica libera, mentre l'enantiomero D rimarrà in gran parte inalterato. Questa separazione di enantiomeri, basata su velocità di reazione molto diverse, è chiamata risoluzione cinetica.

Sintesi Enantioselettiva

Fino ad ora, tutte le vie sintetiche discusse producono una miscela racemica. Tuttavia, si stanno sviluppando metodi di sintesi enantioselettiva per produrre direttamente composti puri. Ad esempio, sono ora disponibili diversi catalizzatori per la riduzione di C=C per esporre amminoacidi enantiopuri. Un buon esempio è la sintesi industriale della L-DOPA, un farmaco usato nel trattamento del morbo di Parkinson. W.S. Knowles ha condiviso il Premio Nobel del 2001 per i suoi contributi nel campo delle riduzioni catalitiche asimmetriche, avendo sviluppato diversi catalizzatori chirali a base di fosfina-metallo.

Peptidi e proteine

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: mostrare, tramite un diagramma, come due diversi residui amminoacidici possano essere combinati per dare due dipeptidi diversi. disegnare la struttura di un peptide relativamente semplice, dato il suo nome completo o abbreviato e le strutture degli amminoacidi appropriati. disegnare, o nominare, i sei possibili tripeptidi isomerici che possono essere formati combinando tre diversi residui amminoacidici di data struttura. spiegare il fatto che esiste una rotazione limitata attorno ai legami C-N nei peptidi. illustrare la formazione di un legame disolfuro tra due residui di cisteina e mostrare come tali legami possano unire due catene peptidiche separate o fornire un ponte tra due residui di cisteina presenti in una singola molecola peptidica.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: amminoacido C-terminale amminoacido N-terminale peptidi residui
Note di studio	Se necessario, ripassa la discussione sulla delocalizzazione della coppia di elettroni solitari dell'azoto nelle ammidi, presentata nella Sezione 24.3. Allo stesso modo, potresti voler fare riferimento alla Sezione 18.8 per ripassare l'interconversione tra tioli e disolfuri.

Formazione del Legame Peptidico (Sintesi Ammidica)

La formazione dei peptidi non è altro che l'applicazione della reazione di sintesi delle ammidi. Per convenzione, il legame ammidico nei peptidi dovrebbe essere fatto nell'ordine in cui sono scritti gli amminoacidi. L'estremità amminica (N-terminale) di un amminoacido è sempre a sinistra, mentre l'estremità acida (C-terminale) è a destra. La reazione della glicina con l'alanina per formare il dipeptide glicilalanina è scritta come mostrato nel grafico. L'ossigeno (rosso) dell'acido e gli idrogeni (rossi) dell'ammina formano una molecola d'acqua. L'ossigeno del carbossile (verde) e l'azoto dell'ammina (verde) si uniscono per formare il legame ammidico.

Se l'ordine degli amminoacidi viene invertito, si forma un dipeptide diverso, come l'alanilglicina.

Contributori di Risonanza per i Legami Peptidici

Una considerazione dei contributori di risonanza è cruciale in qualsiasi discussione sul gruppo funzionale ammidico. Uno degli esempi più importanti di gruppi ammidici in natura è il legame peptidico che unisce gli amminoacidi per formare polipeptidi e proteine.

È fondamentale per la struttura delle proteine il fatto che, sebbene sia convenzionalmente disegnato come un legame singolo, il legame C-N in un legame peptidico ha una significativa barriera alla rotazione, quasi come se fosse un doppio legame.

Questo, insieme all'osservazione che i legami attorno all'azoto peptidico hanno una geometria trigonale planare, suggerisce fortemente che l'azoto sia ibridato sp². Un importante contributore di risonanza ha un doppio legame C=N e un legame singolo C-O, con una separazione di carica tra l'ossigeno e l'azoto.

Sebbene B sia un contributore minore a causa della separazione delle cariche, è molto rilevante in termini di struttura peptidica e proteica – le nostre proteine semplicemente non si ripiegherebbero correttamente se ci fosse libera rotazione attorno al legame C-N peptidico.

Struttura dello Scheletro (Backbone) di Peptidi o Proteine

La struttura di un peptide può essere scritta abbastanza facilmente senza mostrare la reazione completa di sintesi ammidica, imparando la struttura dello "scheletro" per peptidi e proteine.

Lo scheletro peptidico consiste in unità ripetute di "N-H, CH, C=O". Dopo aver scritto lo scheletro, si torna indietro e si scrivono le strutture specifiche per le catene laterali rappresentate da "R", come per gly-ala-leu in questo esempio. L'estremità amminica (N-terminale) è sempre a sinistra (glicina), mentre l'estremità acida (C-terminale) è a destra (leucina).

Ponti Disolfuro e Ossidazione-Riduzione

L'amminoacido cisteina subisce reazioni di ossidazione e riduzione che coinvolgono il gruppo -SH (gruppo sulfidrilico o tiolico). L'ossidazione di due gruppi sulfidrilici provoca la formazione di un legame disolfuro tramite la rimozione di due idrogeni. L'ossidazione di due amminoacidi di cisteina è mostrata nel grafico. Un agente ossidante non specificato (O) fornisce un ossigeno che reagisce con l'idrogeno (rosso) sul gruppo -SH per formare acqua. Gli atomi di zolfo (gialli) si uniscono per formare il ponte disolfuro. Questa è un legame importante da riconoscere nella struttura terziaria delle proteine. La riduzione di un legame disolfuro è la reazione opposta, che porta di nuovo a due molecole di cisteina separate.

Disulfide Bridges and Oxidation-Reduction

I residui di cisteina nella catena peptidica possono formare un cappio creando un legame disolfuro (—S—S—) all'interno della stessa catena (legame intracatena), mentre residui di cisteina in diverse catene peptidiche possono effettivamente legare quelle che altrimenti sarebbero catene separate (legame intercatena).

L'insulina è stata la prima proteina di cui è stata determinata la sequenza amminoacidica. Questo lavoro pionieristico, completato nel 1953 dopo circa 10 anni di sforzi, valse un premio Nobel al biochimico britannico Frederick Sanger. Egli scoprì che la struttura primaria era composta da due catene legate da due ponti disolfuro intercatena. Inoltre, notò che la prima catena peptidica possedeva un cappio interno formato da un legame disolfuro intracatena.

Analisi degli amminoacidi dei peptidi

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di descrivere, brevemente, come l'identità e le quantità di ciascun residuo amminoacidico presente in un peptide di struttura sconosciuta possano essere determinate.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto il seguente termine chiave: analizzatore di amminoacidi
Note di studio	Non è necessario memorizzare la reazione tra la ninidrina and un α-amminoacido.

Cromatografia a Scambio Ionico

Quando una proteina deve essere analizzata, viene prima riscaldata con acido per idrolizzare tutti i legami peptidici. Quando una tale miscela di amminoacidi deve essere purificata e stimata quantitativamente, la cromatografia a scambio ionico è la tecnica di scelta. Sono ora disponibili analizzatori di amminoacidi completamente automatizzati, dotati di una pompa per solventi che eroga i tamponi richiesti in modo programmato. C'è una colonna, riempita con resina Dowex 50. Questo supporto solido è costituito da sferette polimeriche che portano gruppi acido arilsolfonico. La resina a scambio cationico aiuta nella separazione degli amminoacidi. In un'analisi tipica, l'eluente è un tampone. Il valore di pH del tampone può essere variato come eluizione a gradini o come eluizione a gradiente. Il cromatogramma mostrato è un'analisi eseguita con la tecnica di eluizione a gradiente, utilizzando la ninidrina come trattamento post-colonna. Il rivelatore è un rivelatore UV che scansiona le lunghezze d'onda di 570 nm e 440 nm.

A Cation Rasin like Dowex 50 is a polymeric bead bearing aryl sulfonic acid groups

Una resina cationica come Dowex 50 è formata da perle polimeriche che portano gruppi aril-sulfonici

Some typical chromatograms from an amino acid analyzer

Alcuni cromatogrammi tipici provenienti da un analizzatore di aminoacidi

La Reazione alla Ninidrina

Gli alfa-amminoacidi mostrano reattività ai loro siti acido carbossilico e amminico, tipica di quei gruppi funzionali. Oltre a queste reazioni comuni, gli alfa-amminoacidi comuni, ad eccezione della prolina, subiscono una reazione unica con l'idrato di trichetoneidrindene, noto come ninidrina. Tra i prodotti di questa insolita reazione c'è un derivato imminico di colore viola, che fornisce un utile test cromatico per questi amminoacidi, la maggior parte dei quali è incolore.

Un'applicazione comune del test alla ninidrina è la visualizzazione degli amminoacidi nella cromatografia su carta. Come mostrato nel grafico a destra, campioni di amminoacidi o loro miscele vengono applicati lungo una linea vicino al fondo di un foglio di carta rettangolare (la linea di base). Il bordo inferiore del foglio viene immerso in un tampone acquoso, e questo liquido sale lentamente verso il bordo superiore. Man mano che il fronte del solvente passa le macchie del campione, i composti in ciascun campione vengono trasportati a una velocità che è caratteristica della loro funzionalità, dimensione e interazione con la matrice di cellulosa della carta. Alcuni composti si muovono rapidamente su per il foglio, mentre altri possono a malapena muoversi. Il rapporto tra la distanza percorsa da un composto dalla linea di base e la distanza del fronte del solvente dalla linea di base è definito come il fattore di ritenzione (Rf). Amminoacidi diversi di solito hanno Rf diversi in condizioni adeguate.

La degradazione di Edman

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: descrivere come una degradazione di Edman viene utilizzata per determinare la sequenza dei residui amminoacidici in peptidi che contengono fino a 20 di tali residui. descrivere, brevemente, come la procedura viene modificata per trattare peptidi e proteine che contengono più di 20 residui amminoacidici. scrivere un meccanismo dettagliato per la degradazione di Edman. determinare la struttura di un peptide, data una lista dei frammenti prodotti da un'idrolisi acida parziale. determinare la struttura di un peptide, data una lista dei frammenti prodotti quando il peptide viene scisso da un enzima specifico e i dettagli dei tipi di legami scissi da quell'enzima. prevedere i frammenti che verrebbero prodotti quando un peptide di struttura nota viene scisso da un enzima specifico, date sufficienti informazioni sui tipi di legami che vengono scissi dall'enzima in questione.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto il seguente termine chiave: Degradazione di Edman
Note di studio	Il reagente utilizzato nella degradazione di Edman è il fenil isotiocianato. Potresti trovare utile ripassare la relazione tra cianati, isocianati, tiocianati e isotiocianati. Non è necessario memorizzare i legami peptidici specifici che vengono rotti dagli enzimi tripsina e chimotripsina.

Degradazione di Edman

La degradazione di Edman è il processo di purificazione di una proteina rimuovendo sequenzialmente un residuo alla volta dall'estremità amminica (N-terminale) di un peptide. Per risolvere il problema di danneggiare la proteina con condizioni di idrolisi, Pehr Edman creò un nuovo modo di etichettare e scindere il peptide. Edman pensò a un modo per rimuovere un solo residuo alla volta, che non danneggiasse il sequenziamento complessivo. Questo fu fatto aggiungendo fenil isotiocianato, che crea un derivato feniltiocarbammoilico con l'N-terminale. L'N-terminale viene quindi scisso in condizioni acide meno drastiche, creando un composto ciclico di feniltioidantoina (PTH-amminoacido). Questo non danneggia la proteina e lascia i due costituenti del peptide. Questo metodo può essere ripetuto per il resto dei residui, separando un residuo alla volta.

La degradazione di Edman è molto utile perché non danneggia la proteina. Ciò permette di eseguire il sequenziamento della proteina in meno tempo. Il sequenziamento di Edman funziona meglio se la composizione dell'amminoacido è nota. Come abbiamo visto nella Sezione 26.5, per determinare la composizione dell'amminoacido, il peptide deve essere idrolizzato. Questo può essere fatto denaturando la proteina, riscaldandola e aggiungendo HCl per un lungo periodo. Ciò causa la separazione dei singoli amminoacidi, che possono essere separati tramite cromatografia a scambio ionico. Vengono poi colorati con ninidrina e la quantità di amminoacido può essere determinata dalla quantità di assorbanza ottica. In questo modo, si può determinare la composizione ma non la sequenza.

Sequenziamento di Proteine più Grandi

Le proteine più grandi non possono essere sequenziate tramite il sequenziamento di Edman a causa dell'efficienza non perfetta del metodo. Una strategia chiamata "dividi et impera" scinde con successo la proteina più grande in amminoacidi più piccoli e pratici. Questo viene fatto utilizzando una certa sostanza chimica o un enzima che può scindere la proteina in corrispondenza di specifici residui amminoacidici. I peptidi separati possono essere isolati tramite cromatografia. Successivamente possono essere sequenziati con il metodo di Edman, grazie alle loro dimensioni ridotte.

Per ricomporre tutte le sequenze dei diversi peptidi, si usa un metodo di peptidi sovrapposti. La strategia del "dividi et impera" seguita dal sequenziamento di Edman viene utilizzata una seconda volta, ma usando un enzima o una sostanza chimica diversa per scinderla in corrispondenza di residui diversi. Ciò permette di ottenere due serie diverse di sequenze amminoacidiche della stessa proteina, ma in punti diversi. Confrontando queste due sequenze e cercando eventuali sovrapposizioni tra le due, si può conoscere la sequenza della proteina originale.

Ad esempio, la tripsina può essere utilizzata sul peptide iniziale per scinderlo sul lato carbossilico dei residui di arginina e lisina. L'uso della tripsina per scindere la proteina e il sequenziamento individuale con la degradazione di Edman produrrà molti risultati individuali diversi. Sebbene la sequenza di ogni singolo segmento di amminoacido scisso sia nota, l'ordine è mescolato. Si può quindi usare la chimotripsina, che scinde sul lato carbossilico dei residui aromatici e di altri residui non polari voluminosi. La sequenza di questi segmenti si sovrappone a quella della tripsina. Possono essere sovrapposti per trovare la sequenza originale della proteina iniziale. Tuttavia, questo metodo è limitato nell'analisi di proteine di grandi dimensioni (più di 100 amminoacidi) a causa dell'interferenza dei legami a idrogeno secondari.

Sintesi peptidica

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: descrivere perché è necessario proteggere certi gruppi amminici e carbossilici durante la sintesi di un peptide. descrivere, usando equazioni appropriate, come i gruppi carbossilici sono protetti tramite formazione di esteri e i gruppi amminici tramite la formazione dei loro derivati ammidici terz-butossicarbonilici. scrivere un meccanismo dettagliato per la formazione di un legame peptidico tra un amminoacido con un gruppo amminico protetto e un amminoacido con un gruppo carbossilico protetto, usando la dicicloesilcarbodiimmide (DCC). delineare i cinque passaggi richiesti per formare un dipeptide da due dati amminoacidi.

Per sintetizzare un peptide dai suoi amminoacidi componenti, devono essere superati due ostacoli. Il primo è di natura statistica ed è illustrato considerando il dipeptide Ala-Gly come bersaglio. Se ignoriamo la chimica coinvolta, una miscela di quantità equimolari di alanina e glicina genererebbe quattro dipeptidi diversi: Ala-Ala, Gly-Gly, Ala-Gly e Gly-Ala. Nel caso dei tripeptidi, il numero di prodotti possibili da questi due amminoacidi sale a otto. Chiaramente, è necessario esercitare una qualche forma di selettività per evitare miscele complesse.

La seconda difficoltà sorge dal fatto che gli acidi carbossilici e le ammine 1ª o 2ª non formano legami ammidici per semplice miscelazione, ma reagiranno generalmente per trasferimento di protoni per dare sali (l'equivalente intermolecolare della formazione di zwitterioni).

Dal punto di vista di un chimico organico, la sintesi peptidica richiede un'acilazione selettiva di un'ammina libera. Per realizzare la formazione del legame ammidico desiderato, dobbiamo prima disattivare tutte le funzioni amminiche superflue in modo che non competano per il reagente di acilazione. Poi dobbiamo attivare selettivamente la funzione carbossilica designata in modo che acili l'unica ammina libera rimasta. Fortunatamente, le reazioni chimiche che ci permettono di realizzare queste selezioni sono ben note.

In primo luogo, la basicità e la nucleofilia delle ammine sono sostanzialmente ridotte dalla formazione di ammidi. Di conseguenza, l'acilazione degli amminoacidi serve a proteggere i loro gruppi amminici da ulteriori reazioni.

In secondo luogo, l'attivazione di un reagente carbossilico specifico (ad esempio come alogenuro acilico o anidride) deve avvenire come preludio alla formazione del legame peptidico. Questo è possibile, a condizione che le reazioni competitive che coinvolgono altre funzioni carbossiliche eventualmente presenti siano precluse dalla formazione preliminare di un estere. Ricorda che gli esteri sono reagenti acilanti più deboli sia delle anidridi che degli alogenuri acilici.

Infine, la dicicloesilcarbodiimmide (DCC) effettua la disidratazione di una miscela di acido carbossilico e ammina per dare la corrispondente ammide in condizioni relativamente blande.

La strategia per la sintesi peptidica, come delineata qui, dovrebbe ora essere evidente. L'esempio seguente mostra una sintesi selettiva del dipeptide Ala-Gly.

Selective synthesis of the dipeptide Ala-Gly

Gruppi Protettivi

Rimane una questione importante da affrontare. Poiché il gruppo N-protettivo è un'ammide, la rimozione di questa funzione potrebbe richiedere condizioni che scinderebbero anche il legame peptidico appena formato. Inoltre, le condizioni drastiche spesso richieste per l'idrolisi delle ammidi potrebbero causare un'estesa racemizzazione degli amminoacidi nel peptide risultante. Questo problema colpisce al cuore la nostra strategia, quindi è importante riflettere attentamente sulla progettazione di specifici gruppi N-protettivi. In particolare, sono desiderate tre qualità:

Il gruppo protettivo dovrebbe essere facile da attaccare agli amminoacidi.
Il gruppo amminico protetto non dovrebbe reagire nelle condizioni di formazione del peptide.
Il gruppo protettivo dovrebbe essere facile da rimuovere in condizioni blande.

Sono stati ideati numerosi gruppi protettivi che soddisfano queste condizioni; due dei più usati, il carbobenzossi (Cbz) e il t-butossicarbonile (BOC o t-BOC), sono descritti qui.

Carbobenzoxy (Cbz) and t-butoxycarbonyl (BOC or t-BOC) protective groups

I reagenti per introdurre questi gruppi N-protettivi sono i cloruri acilici o le anidridi mostrati nella parte sinistra del diagramma sopra. La reazione con una funzione amminica libera di un amminoacido avviene rapidamente per dare il derivato amminoacidico "protetto". Questo può quindi essere utilizzato per formare un legame peptidico (ammidico) con un secondo amminoacido. Una volta creato il legame peptidico desiderato, il gruppo protettivo può essere rimosso in condizioni relativamente blande e non idrolitiche. La scissione dei gruppi reattivi benzile o terz-butile genera un intermedio acido carbammico comune (HOCO-NHR) che perde spontaneamente diossido di carbonio, dando la corrispondente ammina. Se l'estere metilico al C-terminale viene lasciato al suo posto, questa sequenza di reazioni può essere ripetuta, usando un diverso amminoacido N-protetto come reagente acilante, per produrre un tripeptide specifico.

Struttura delle proteine

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: discutere, con riferimento a un esempio adeguato (fornito o a tua scelta), la struttura delle proteine, prestando particolare attenzione alla distinzione tra struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. descrivere la struttura secondaria ad α-elica mostrata da molte proteine. descrivere la struttura a foglietto-β pieghettato mostrata da molte proteine.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: α-elica foglietto-β pieghettato struttura primaria struttura quaternaria struttura secondaria struttura terziaria
Note di studio	Nota che in un diagramma della struttura ad α-elica di una proteina, il C-terminale della proteina si trova in basso nel diagramma e l'N-terminale in alto. In un'α-elica, come quella mostrata, i gruppi R ingombranti si trovano tutti all'esterno dell'elica, dove hanno più spazio.

I Quattro Livelli della Struttura Proteica

La struttura delle proteine può essere discussa a quattro livelli distinti.

Struttura Primaria

La struttura primaria di una proteina è bidimensionale - è semplicemente la sequenza degli amminoacidi nella catena peptidica.

Struttura Secondaria

La struttura secondaria è tridimensionale, ma è un fenomeno locale, confinato a un tratto relativamente breve di amminoacidi. Principalmente, ci sono tre elementi importanti di struttura secondaria: eliche, foglietti-beta e anse (loop).

In un'elica, la catena principale della proteina adotta la forma di una scala a chiocciola in senso orario, e le catene laterali puntano lateralmente verso l'esterno.
In una struttura a foglietto-beta (o filamento-beta), due sezioni della catena proteica sono allineate fianco a fianco in una conformazione estesa.
Beta-sheet (or beta-strand) structure
Le anse sono segmenti relativamente disordinati della catena proteica, ma spesso assumono una struttura molto ordinata quando sono in contatto con una seconda proteina o un composto organico più piccolo.

Sia l'elica che le strutture a foglietto-beta sono tenute insieme da interazioni di legame a idrogeno molto specifiche tra l'azoto ammidico di un amminoacido e l'ossigeno carbonilico di un altro, esclusivamente lungo lo scheletro peptidico. La struttura secondaria non include legami tra i gruppi R degli amminoacidi.

Struttura Terziaria

La struttura terziaria di una proteina è la forma in cui l'intera catena proteica si ripiega nello spazio tridimensionale. È questo livello di struttura che fornisce agli scienziati la maggior parte delle informazioni sulla funzione specifica di una proteina.

Struttura Quaternaria

Mentre la struttura secondaria e terziaria sono definite da come la catena proteica si ripiega, la struttura quaternaria è definita da come due o più catene proteiche ripiegate (chiamate subunità) si uniscono per formare una 'superstruttura'. Molte proteine sono costituite da una sola catena e quindi non hanno una struttura quaternaria.

Molte altre sono costituite da due subunità identiche (omodimeri) o due subunità non identiche (eterodimeri).

Approfondimento sulla Struttura Secondaria

α-Eliche

Un'α-elica è un avvolgimento destrorso di residui amminoacidici su una catena polipeptidica, che comprende tipicamente da 4 a 40 residui. Questo avvolgimento è tenuto insieme da legami a idrogeno tra l'ossigeno di un C=O e l'idrogeno di un N-H situato esattamente quattro residui amminoacidici più avanti nella catena. Ogni giro completo dell'elica contiene 3.6 residui amminoacidici.

L'integrità strutturale di un'α-elica dipende in parte da una corretta configurazione sterica. Amminoacidi i cui gruppi R sono troppo grandi (triptofano, tirosina) o troppo piccoli (glicina) destabilizzano le α-eliche. Anche la prolina destabilizza le α-eliche a causa della sua geometria irregolare e dell'incapacità di partecipare ai legami a idrogeno.

Foglietti-β Pieghettati

Questa struttura si verifica quando due (o più) segmenti di una catena polipeptidica si sovrappongono e formano una serie di legami a idrogeno tra di loro. Questo può accadere in una disposizione parallela o antiparallela.

Antiparallela: L'estremità C-terminale di un segmento si trova sullo stesso lato dell'estremità N-terminale dell'altro. I legami a idrogeno sono allineati direttamente l'uno di fronte all'altro, rendendoli più forti e stabili.
B-Pleated Sheet Anti-Parallel
Parallela: Le estremità C-terminale e N-terminale si trovano sugli stessi lati per entrambi i segmenti. La geometria costringe i legami a idrogeno a formarsi ad angolo, rendendoli più lunghi e quindi più deboli.
B-Pleated Sheet Parallel

Foglietti-α Pieghettati

Una struttura simile al foglio pieghevole beta è il foglio pieghevole alfa. Questa struttura è energeticamente meno favorevole rispetto al foglio pieghevole beta ed è piuttosto rara nelle proteine. Un foglio α-pieghettato è caratterizzato dall'allineamento dei suoi gruppi carbonilici e amminici; i gruppi carbonilici sono tutti allineati in una direzione, mentre tutti i gruppi N-H sono allineati nella direzione opposta. La polarizzazione dei gruppi amminici e carbonilici determina un momento dipolare netto sul foglio α-pieghettato. Il lato carbonilico acquisisce una carica netta negativa, mentre il lato amminico acquisisce una carica netta positiva.

Le Forze Molecolari che Tengono Insieme le Proteine

Le forze che causano il ripiegamento corretto di una proteina e la mantengono in tale stato sono le stesse forze non covalenti di base: interazioni ione-ione, ione-dipolo, dipolo-dipolo, legami a idrogeno e interazioni idrofobiche (forze di van der Waals). Un tipo interessante di interazione idrofobica è l'impilamento aromatico (aromatic stacking), che si verifica quando due o più anelli aromatici planari si impilano come piatti, massimizzando il contatto superficiale.

Uno dei concetti più importanti da capire riguardo alla struttura terziaria è che una proteina, quando è correttamente ripiegata, è polare in superficie e non polare all'interno. È la superficie della proteina ad essere a contatto con l'acqua, e quindi deve essere idrofila affinché l'intera struttura sia solubile. All'interno della proteina, lontano dall'acqua, tendono a esserci molti più residui idrofobici. Se una catena proteica viene denaturata (ad esempio, per esposizione al calore o a pH estremi), di solito perde la sua solubilità e forma precipitati solidi, poiché i residui idrofobici interni entrano in contatto con l'acqua.

Negli ultimi anni, gli scienziati si sono interessati sempre più alle proteine di microrganismi cosiddetti "termofili" (amanti del calore) che prosperano in ambienti caldi. Mentre le proteine della maggior parte degli organismi si denaturano rapidamente in acqua calda, le proteine dei microbi termofili rimangono stabili. La differenza critica sembra essere semplicemente che le proteine termostabili hanno reti più estese di interazioni non covalenti, in particolare interazioni ione-ione sulla loro superficie, che forniscono loro una maggiore stabilità al calore.

Enzimi e coenzimi

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: descrivere il ruolo catalitico di un enzima in una reazione biochimica. fornire un esempio di una vitamina liposolubile e una idrosolubile.
Parole chiave	Assicurati di essere in grado di definire e utilizzare nel contesto i seguenti termini chiave: coenzima cofattore enzima substrato vitamina
Note di studio	Dovresti avere una conoscenza generale della funzione degli enzimi, ma non è necessario memorizzare nomi specifici o il sistema di classificazione.

Un catalizzatore è una qualsiasi sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza essere modificata o consumata nella reazione. Gli enzimi sono catalizzatori biologici e quasi tutti sono proteine. Inoltre, gli enzimi sono altamente specifici nella loro azione; cioè, ogni enzima catalizza un solo tipo di reazione in un solo composto o in un gruppo di composti strutturalmente correlati. Il composto o i composti su cui agisce un enzima sono noti come suoi substrati.

**Tabella 26.11.1**: Classi di Enzimi
Classe	Tipo di Reazione Catalizzata	Esempi
Ossidoreduttasi	reazioni di ossido-riduzione	Le deidrogenasi catalizzano reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono l'idrogeno.
Transferasi	trasferimento di gruppi, come metile, ammino e acetile	Le transaminasi catalizzano il trasferimento di un gruppo amminico; le chinasi catalizzano il trasferimento di un gruppo fosfato.
Idrolasi	reazioni di idrolisi	Le lipasi catalizzano l'idrolisi dei lipidi; le proteasi catalizzano l'idrolisi delle proteine.
Liasi	rimozione di gruppi senza idrolisi o addizione di gruppi a un doppio legame	Le decarbossilasi catalizzano la rimozione di gruppi carbossilici.
Isomerasi	reazioni in cui un composto è convertito nel suo isomero	Possono catalizzare la conversione di un aldoso in un chetoso.
Ligasi	reazioni in cui si formano nuovi legami; è richiesta energia	Le sintetasi catalizzano reazioni in cui due molecole più piccole vengono unite.

Meccanismo dell'Azione Enzimatica

Le reazioni catalizzate da enzimi avvengono in almeno due passaggi. Nel primo, una molecola di enzima (E) e la molecola di substrato (S) si scontrano e reagiscono per formare un composto intermedio chiamato complesso enzima-substrato (E-S). Questo passaggio è reversibile. Una volta formato il complesso E-S, l'enzima è in grado di catalizzare la formazione del prodotto (P), che viene poi rilasciato dalla superficie dell'enzima:

Legami a idrogeno e altre interazioni elettrostatiche tengono insieme l'enzima e il substrato nel complesso. Le caratteristiche strutturali o i gruppi funzionali sull'enzima che partecipano a queste interazioni si trovano in una fessura o tasca sulla superficie dell'enzima. Questa tasca, dove l'enzima si combina con il substrato e lo trasforma in prodotto, è chiamata il sito attivo dell'enzima.

Il sito attivo possiede una conformazione unica che è complementare alla struttura del substrato, in modo che l'enzima e il substrato si incastrino in modo molto simile a come una chiave si inserisce in una serratura. Infatti, un primo modello che descriveva la formazione del complesso enzima-substrato era chiamato modello chiave-serratura.

Elaborando le precise strutture tridimensionali di numerosi enzimi, i chimici hanno affinato il modello originale. Hanno scoperto che il legame di un substrato spesso porta a un grande cambiamento conformazionale nell'enzima. La teoria attuale, nota come modello dell'adattamento indotto, afferma che gli enzimi possono subire un cambiamento di conformazione quando legano le molecole di substrato, e il sito attivo ha una forma complementare a quella del substrato solo dopo che il substrato si è legato. Dopo la catalisi, l'enzima riprende la sua struttura originale.

Cofattori Enzimatici e Vitamine

Molti enzimi sono semplici proteine. Altri enzimi contengono una componente non proteica chiamata cofattore, necessaria per il corretto funzionamento dell'enzima. Esistono due tipi di cofattori: ioni inorganici (es. ioni zinco) e molecole organiche note come coenzimi. La maggior parte dei coenzimi sono vitamine o derivano da vitamine.

Le vitamine sono composti organici essenziali in piccolissime quantità (tracce) per il mantenimento del normale metabolismo. Generalmente non possono essere sintetizzate a livelli adeguati dall'organismo e devono essere ottenute con la dieta. Le vitamine sono suddivise in due grandi categorie: le vitamine liposolubili (A, D, E e K) e le vitamine idrosolubili (vitamine del complesso B e vitamina C).

Le vitamine liposolubili sono in gran parte idrocarburiche e non polari. Al contrario, le vitamine idrosolubili contengono un gran numero di atomi di ossigeno e azoto elettronegativi, che possono formare legami a idrogeno con l'acqua.

**Tabella 26.11.2**: Vitamine Liposolubili e Funzioni Fisiologiche
Vitamina	Funzione Fisiologica	Effetto della Carenza
vitamina A (retinolo)	formazione dei pigmenti visivi; differenziazione delle cellule epiteliali	cecità notturna; la carenza continuata porta alla cecità totale
vitamina D (colecalciferolo)	aumenta la capacità del corpo di assorbire calcio e fosforo	osteomalacia (rammollimento delle ossa); nota come rachitismo nei bambini
vitamina E (tocoferolo)	antiossidante liposolubile	danno alle membrane cellulari
vitamina K (fillochinone)	formazione della protrombina, un enzima chiave nella coagulazione del sangue	aumenta il tempo necessario per la coagulazione del sangue

**Tabella 26.11.3**: Vitamine Idrosolubili e Funzioni Fisiologiche
Vitamina	Coenzima	Funzione del Coenzima	Malattia da Carenza
vitamina B₁ (tiamina)	tiamina pirofosfato	reazioni di decarbossilazione	beri-beri
vitamina B₂ (riboflavina)	flavina mononucleotide o flavina adenina dinucleotide	reazioni di ossido-riduzione	—
vitamina B₃ (niacina)	nicotinammide adenina dinucleotide	reazioni di ossido-riduzione	pellagra
vitamina B₆ (piridossina)	piridossal fosfato	varietà di reazioni, incluso il trasferimento di gruppi amminici	—
vitamina B₁₂ (cianocobalamina)	metilcobalamina	reazioni di riarrangiamento intramolecolare	anemia perniciosa
biotina	biotina	reazioni di carbossilazione	—
acido folico	tetraidrofolato	trasportatore di unità monocarboniose	anemia
acido pantotenico	coenzima A	trasportatore di gruppi acilici	—
vitamina C (acido ascorbico)	nessuno	antiossidante; formazione del collagene	scorbuto

Specificità del Substrato

Una caratteristica che distingue un enzima da tutti gli altri tipi di catalizzatori è la sua specificità di substrato. Un acido inorganico come l'acido solforico può essere usato per aumentare la velocità di reazione di molte reazioni diverse. Al contrario, gli enzimi sono molto più specifici. Alcuni enzimi agiscono su un singolo substrato (es. l'ureasi catalizza l'idrolisi solo dell'urea), mentre altri enzimi agiscono su un gruppo di molecole correlate (es. la carbossipeptidasi rimuove quasi ogni amminoacido dall'estremità carbossilica di qualsiasi peptide).

La specificità enzimatica deriva dall'unicità del sito attivo di ogni enzima, a causa dell'identità, della carica e dell'orientamento spaziale dei gruppi funzionali che vi si trovano.

Fonte

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_(Morsch_et_al.)/26%3A_Biomolecules-_Amino_Acids_Peptides_and_Proteins