Introduzione Capitolo 1 -Proteine e amminoacidi 6 l'abbreviazione di tre lettere, in genere le prime tre lettere del nome, sia con un simbolo costituito da una lettera (tabella 1). [2] Tabella 1 -Proprietà e simboli convenzionali degli amminoacidi standard A basso pH un amminoacido è nella forma cationica, mentre ad alto pH è nella forma anionica. Ad un particolare valore intermedio di pH, un amminoacido non presenta alcuna carica netta, benchè sia ancora nella forma ionizzata. Questa forma è chiamata zwitterionica. E' stato dimostrato che nello stato cristallino e in soluzione acquosa, gli amminoacidi sono presenti principalmente nella forma zwitterionica. Ciò conferisce loro le caratteristiche proprietà fisiche dei composti ionici, come ad esempio un elevato punto di fusione e di ebollizione, una elevata solubilità in acqua e una bassa solubilità in solventi organici quali etere e cloroformio. Il pH al quale è predominante tale forma in una soluzione acquosa viene definito pH isoelettrico, perchè è il pH al quale il numero delle cariche negative prodotte dalla ionizzazione dei gruppi carbossilici risulta uguale al numero delle cariche positive acquisite dai gruppi amminici accettando protoni.Ad eccezione dell'amminoacido glicina, in cui R=H, tutti gli amminoacidi nelle molecole proteiche contengono un atomo di carbonio asimmetrico (centro chiralico) e sono quindi otticamente attivi e presenti in natura con la configurazione L.Gli amminoacidi possono essere classificati in base al gruppo R (figura 2). Le caratteristiche principali delle catene laterali sono l'ingombro sterico e la polarità.L'ingombro sterico deriva dalla dimensione e dalla mobilità del residuo. La glicina, la cui catena laterale è rappresentata da un singolo atomo d'idrogeno, è l'amminoacido più piccolo, mentre quello col maggior ingombro sterico è il triptofano. Va osservato che il basso ingombro sterico della glicina le permette di occupare spazi molto ristretti all'interno di una molecola proteica, dove non entrerebbero residui dotati di catene laterali più ingombranti. La prolina costituisce un'eccezione allo schema classico, come già accennato prima: differisce da tutti gli altri amminoacidi standard a causa della sua flessibilità molto limitata, dovuta proprio dalla chiusura del gruppo amminico modificato. [3] La polarità degli amminoacidi dipende in primo luogo dal fatto che alcune catene laterali sono ionizzate a pH fisiologico. Le catene di acido glutammico e acido aspartico sono cariche negativamente a pH fisiologico, mentre i residui di lisina e arginina sono carichi positivamente. I residui di cisteina, serina, treonina, asparagina, pur non potendosi ionizzare, possiedono un alto momento di dipolo intrinseco. Gli altri amminoacidi hanno essenzialmente caratteristiche non polari. Gli amminoacidi si legano tra loro mediante un legame amidico chiamato legame peptidico che altro non è che una reazione di condensazione tra il gruppo carbossilico α di un amminoacido e il gruppo amminico α dell'altro, con eliminazione di una molecola d'acqua (figura 3).Figura 3 -Formazione di un legame peptidico tra due amminoacidi.Il legame peptidico, definito anche Ω, non può rotare liberamente, è rigido: ha parziali caratteristiche di doppio legame (figura 4). Studi di diffrazione ai raggi X hanno mostrato che nel gruppo peptidico il legame C-N è più breve (1.32 Å) di un normale legame C-N (1.46 Å), mentre il legame C=O è leggermente più lungo (1.24 Å) di un normale doppio legame C=O (1.20 Å), come rappresentato in figura 5.Questa osservazione è giustificabile poichè si verifica una delocalizzazione della coppia di elettroni presenti sull'atomo di azoto sull'atomo di ossigeno. Quest'ultimo acquista una parziale carica negativa e l'azoto una carica positiva parziale, generando un piccolo dipolo elettrico (figura 4). [4] Figura 4 -Il gruppo peptidico planare. Ogni legame peptidico ha qualche carattere del legame doppio per effetto della sua risonanza e non può ruotare.I sei atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano (legame planare), in modo che l'atomo di ossigeno del gruppo carbonilico e l'atomo di idrogeno legato all'azoto amidico siano in posizione trans.Lo scheletro o backbone di una proteina è costituito dai legami tra i carboni α di ammininoacidi adiacenti che, insieme, caratterizzano la struttura portante proteica, definita core; esso può essere raffigurato come una serie di piani rigidi consecutivi che hanno in comune un perno di rotazione costituito dal carbonio α (figura 5).I legami peptidici rigidi limitano il numero di conformazioni che una catena polipeptidica può assumere. Per convenzione, gli angoli generati dalla rotazione di questi legami vengono indicati con la lettera greca Φ (phi, per il legame N -Cα) e Ψ (psi, per il legame Cα -C). Sempre per convenzione, gli angoli Φ e Ψ sono uguali a 180° quando il polipeptide è nella conformazione completamente estesa e tutti i gruppi peptidici sono sullo stesso piano (figura 5). In linea di principio, phi e psi possono assumere tutti i valori compresi tra +/-180°, ma molti di questi risultano I valori permessi di questi angoli possono essere riportati in un grafico in cui Ψ viene analizzato in funzione di Φ, un'indagine che va sotto il nome di grafico di Ramachandran (dal nome del biofisico indiano che effettuò i calcoli sui valori consentiti delle coppie degli angoli di rotazione). Un esempio è riportato in figura 6. Con la Ramachandran map (figura 7) è possibile interpretare il Ramachandran plot. Le regioni in verde scuro rappresentano il core della proteina: sono conformazioni in cui non si hanno sovrapposizioni steriche; le aree in verde chiaro rappresentano conformazioni permesse, ma si trovano al limite estremo della stabilità in termini di contatti non favorevoli tra atomi ("allowed"). Le zone in giallo, definite "generous", riportano conformazioni ancora accettabili se è consentita una certa flessibilità agli angoli di legame mentre le porzioni in rosso della Ramachandran map rappresentano conformazioni non consentite ("outside").L'asimmetria nella distribuzione delle conformazioni permesse che si osserva nel grafico dipende dalla stereochimica L degli amminoacidi. Le regioni consentite per amminoacidi ramificati come valina, isoleucina e triptofano sono più ristrette rispetto a quelle dei residui di alanina. La glicina non ha impedimenti sterici e presenta la zona permessa più grande. Per la prolina vi sono impedimenti considerevoli in quanto i valori dell'angolo Φ sono limitati dalla catena laterale ciclica in un ambito tra -35° e -85°. 