Amminoacido

In chimica gli amminoacidi sono molecole organiche che nella loro struttura recano sia il gruppo funzionale amminico (delle ammine) (-NH₂) sia quello carbossilico (degli acidi carbossilici) (-COOH).

In biochimica il termine amminoacidi si riferisce più spesso agli L-α-amminoacidi, di formula generica NH₂CHRCOOH, cioè quelli il cui gruppo amminico ed il cui gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio (chiamato appunto carbonio α) in configurazione L (con l'unica eccezione della glicina, achirale, in cui -R = -H). È a questo tipo di amminoacidi che il presente articolo è dedicato.

Generalità

Gli amminoacidi sono, tra le altre cose, gli elementi costitutivi (monomeri) delle proteine.

Per eliminazione di una molecola di acqua (reazione di condensazione con eliminazione), il gruppo amminico di un amminoacido può legarsi al gruppo carbossilico di un altro formando un legame ammidico (o peptidico)

H2N-CH-COOH  +  H2N-CH-COOH  -->  H2N-CH-CO-NH-CH-COOH   +   H2O
    |               |                 |        |
    R               R'                R        R'

il legame covalente che unisce i due amminoacidi, evidenziato in rosso, prende anche il nome in biochimica di "legame peptidico" o "giunto peptidico". Si noti come l'unione di due o più amminoacidi lasci alle due estremità della catena altri due gruppi liberi, che possono ulteriormente reagire legandosi ad altri amminoacidi (reazioni di questo genere rientrano nella classe più generale delle polimerizzazioni per condensazione). Una catena di più amminoacidi legati attraverso legami peptidici prende il nome generico di polipeptide o di oligopeptide se il numero di amminoacidi coinvolti è limitato; uno o più polipeptidi, a volte accompagnati da altre strutture ausiliarie o ioni dette cofattori o gruppi prostetici, costituiscono una proteina.

Gli amminoacidi che compaiono nelle proteine di tutti gli organismi viventi sono 20 (anche se evidenze recenti suggeriscono che questo numero potrebbe aumentare fino a 23, vedi più sotto) e sono sotto il controllo genetico, nel senso che l'informazione del tipo e della posizione di un amminoacido in una proteina è codificata nel DNA. Talvolta, nelle proteine compaiono anche altri amminoacidi, più rari, detti occasionali che vengono prodotti per modifiche chimiche successive alla biosintesi della proteina, che avviene sul ribosoma.

In natura sono stati finora scoperti oltre 500 amminoacidi diversi che non fanno parte di proteine e svolgono ruoli biologici diversi. Alcuni sono stati addirittura trovati nelle meteoriti. Piante e batteri sono in grado di biosintetizzare amminoacidi particolari, che possono essere trovati, per esempio, negli antibiotici peptidici, ad esempio la nisina e l'alameticina. La lantionina è un solfuro dimero dell'alanina che si trova insieme ad amminoacidi insaturi nei lantibiotici, ovvero antibiotici peptidici di origine batterica. L'acido 1-amminociclopropan-1-carbossilico (ACC) è un semplice amminoacido ciclico disostituito che funge da intermedio nella sintesi dell'etilene, che per gli organismi vegetali è un ormone.

Oltre a quelli coinvolti nella biosintesi delle proteine, vi sono amminoacidi che svolgono importanti funzioni biologiche quali la glicina, l'acido gamma-amminobutirrico (GABA, un γ amminoacido) e l'acido glutammico (tre neurotrasmettitori), la carnitina (coinvolta nel trasporto dei lipidi all'interno della cellula), l'ornitina, la citrullina, l'omocisteina, l'idrossiprolina, l'idrossilisina e la sarcosina.

Dei venti amminoacidi proteici, alcuni sono definiti essenziali. Un amminoacido è definito essenziale se all'interno dell'organismo non sono presenti le strutture (enzimi, proteine di sintesi) necessarie a biosintetizzarlo; è perciò necessario che questo amminoacido venga introdotto con la dieta. Gli amminoacidi essenziali sono la lisina, la leucina, l'isoleucina, la metionina, la fenilalanina, la treonina, il triptofano, la valina e l'istidina. Riguardo all'istidina, è importante precisarne l'essenzialità: l'istidina è un amminoacido essenziale durante tutta la vita, ma durante l'età adulta il fabbisogno non è molto rilevante, poiché l'organismo riesce a conservarla in modo particolarmente efficiente, riducendone la richiesta biologica. Nei bambini e nelle donne in gravidanza la richiesta di istidina invece è molto più alta perché questo meccanismo non si è ancora sviluppato.
Esistono poi amminoacidi condizionatamente essenziali, ossia che devono essere assunti con la dieta solo in alcuni periodi della vita o a causa di alcune patologie. Di questo gruppo fanno parte l'arginina (è sintetizzata dall'organismo come derivato del glutammato prodotto nel Ciclo di Krebs, ma nelle donne in gravidanza e nei bambini la sua produzione non è sufficiente a coprire la richiesta biologia, perciò deve essere assunta con la dieta), la tirosina (è prodotta a partire dall'amminoacido essenziale fenilalanina, perciò è necessario assumere quest'ultima con la dieta per sintetizzarla; inoltre non sono infrequenti i casi di fenilchetonuria, una patologia che descrive l'incapacità dell'organismo di metabolizzare la fenilalanina, che perciò non è trasformata in tirosina e si accumula provocando gravi danni all'organismo), e la cisteina (per la sua sintesi, derivata dalla glicolisi, è necessario il contributo della metionina, un altro amminoacido essenziale, perché rende possibile la presenza del gruppo sulfidrilico della cisteina). Va infine precisato che il concetto di essenzialità varia a seconda degli organismi.

Una nota particolare meritano due amminoacidi, detti occasionali,: la selenocisteina, corrispondente ad un codone UGA che normalmente è un codone di interruzione, e la pirrolisina, presente negli enzimi di alcuni batteri metanogeni coinvolti nel processo di generazione del metano, corrispondente ad un codone UAG. La scoperta del primo, nel 1986, venne interpretata dalla comunità scientifica come un fenomeno marginale e ristretto. Tuttavia, dopo la scoperta del secondo amminoacido extra, nel 2004, la comunità scientifica internazionale sta rivedendo le sue posizioni, e si è aperta la caccia ad altri amminoacidi extra.

Amminoacidi di interesse commerciale o farmacologico

• Il glutammato sodico è usato nell'industria alimentare come esaltatore di sapidità
• La L-diidrossifenilalanina (L-DOPA) è un farmaco usato per il trattamento del morbo di Parkinson.
• Il 5-idrossitriptofano (5-HTP) è stato usato per il trattamento dei sintomi neurologici associati alla fenilchetonuria.
• L'acido gamma-amminobutirrico o GABA ha diverse funzioni fisiologiche (neurotrasmissione, ipotensivo, effetti diuretici, effetto tranquillizzante, prevenzione del diabete). Utilizzato come farmaco ed integratore, è anche contenuto naturalmente in alcuni alimenti fermentati.

Struttura generica degli amminoacidi

Struttura generica di un amminoacido. R rappresenta un gruppo laterale specifico di ogni amminoacido.

Ogni amminoacido presenta uno specifico gruppo laterale (detto anche gruppo R). In funzione delle proprietà chimiche di tale gruppo, un amminoacido viene classificato come acido, basico, idrofilo (o polare) e idrofobo (o apolare).

L'ingombro dei vari gruppi R che sporgono dalla catena polipetidica, l'affinità reciproca tra gruppi polari e tra gruppi apolari, l'attrazione tra gruppi basici e gruppi acidi sono alcune delle forze che concorrono a modellare la conformazione della proteina nello spazio (la struttura terziaria), conformazione dalla quale dipende in modo essenziale l'attività biologica della proteina stessa.

A causa della basicità del gruppo amminico e dell'acidità di quello carbossilico, gli amminoacidi isolati si presentano in forma di zwitterioni, cioè molecole che recano contemporaneamente le due cariche opposte, mantenendo la neutralità.

   COO-
   |
 H-C-R
   |
   NH3+

l'attrazione tra le cariche opposte tra più zwitterioni spiega inoltre perché gli amminoacidi isolati sono polveri cristalline, a differenza delle ammine e degli acidi carbossilici aventi peso molecolare simile.

Isomeria

Con l'eccezione della glicina, per la quale R è un atomo di idrogeno, gli amminoacidi sono molecole chirali, di ciascuna delle quali esistono due enantiomeri.

Come convenzionalmente avviene per le molecole di interesse biochimico, gli enantiomeri degli amminoacidi sono contrassegnati dalle lettere D o L a seconda che i sostituenti legati all'atomo di carbonio asimmetrico abbiano disposizione simile a quella della L-gliceraldeide o a quella della D-gliceraldeide.

La stragrande maggioranza delle proteine sintetizzate da organismi viventi è formata da amminoacidi L. Qualche amminoacido D è stato trovato in proteine prodotte da organismi che vivono negli abissi marini e nelle pareti cellulari di alcuni batteri. Amminoacidi D sono presenti anche nel veleno di alcuni animali come molluschi (coni), oppure nelle secrezioni mucose di alcune specie anfibie.

Gli amminoacidi ordinari

Strutture

Queste sono le strutture dei 20 L-amminoacidi ordinari, cui vanno aggiunti i due codificati da codoni di stop, in particolari condizioni e solo in alcune specie: la pirrolisina e la selenocisteina.

L'atomo di idrogeno legato all'atomo di carbonio stereogenico è sotto il piano di lettura, il gruppo amminico sporge dal piano di lettura verso l'osservatore (con l'eccezione della prolina, in cui a sporgere verso l'osservatore è il gruppo carbossilico). L'alchile R distintivo per ogni amminoacido appare alla sinistra del gruppo amminico.

(+) Alanina (Ala, A)	(+) Arginina (Arg, R)
(—) Asparagina (Asn, N)	(+) Acido aspartico (Asp, D)
(—) Cisteina (Cys, C)	Glicina (Gly, G)
(+) Acido glutammico (Glu, E)	(+) Glutammina (Gln, Q)
(—) Istidina (His, H)	(+) Isoleucina (Ile, I)
(—) Leucina (Leu, L)	(+) Lisina (Lys, K)
(—) Metionina (Met, M)	(—) Fenilalanina (Phe, F)
(—) Prolina (Pro, P)	(—) Serina (Ser, S)
(—) Treonina (Thr, T)	(—) Triptofano (Trp, W)
(—) Tirosina (Tyr, Y)	(+) Valina (Val, V)

Proprietà chimiche

I 20 amminoacidi standard possono essere divisi in gruppi a seconda della carica e della polarità delle loro catene laterali:

• Catene laterali neutre apolari: alanina, fenilalanina, glicina, isoleucina, leucina, metionina, prolina, triptofano, valina
• Catene laterali neutre polari: asparagina, cisteina, glutammina, serina, tirosina, treonina
• Catene laterali cariche acide: aspartato, glutammato
• Catene laterali cariche basiche: arginina, istidina, lisina

Gli amminoacidi standard hanno delle proprietà chimiche in comune:

• sono tutti α-amminoacidi (ovvero, il gruppo amminico ed il gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio)
• a pH fisiologico si trovano in forma di zwitterioni
• presentano attività ottica e si trovano tutti nella forma L

Quella che segue è una tabella che riassume nell'ordine

• il simbolo convenzionale ad una lettera
• il simbolo convenzionale a tre lettere
• il nome
• il tipo di gruppo laterale R
• il peso molecolare (PM)
• il punto isoelettrico (pI)
• la costante di dissociazione acida del gruppo carbossilico (pK₁)
• la costante di dissociazione acida del sale del gruppo amminico (pK₂)
• la costante di dissociazione acida del gruppo R (pK_r), dove applicabile
• eventuali note

per ognuno degli amminoacidi ordinari. Il simbolo convenzionale ad una lettera per un amminoacido generico è X; il simbolo a tre lettere asx indica indifferentemente sia l'asparagina che l'acido aspartico.

simbolo		nome	tipo di R	PM	pI	pK1	pK2	pKr	note
A	Ala	Alanina	idrofobo	89,09	6,11	2,35	9,87
C	Cys	Cisteina	idrofilo	121,16	5,05	1,92	10,70	8,37	In ambiente ossidante, due molecole di cisteina si uniscono tramite un ponte disolfuro -S-S- dando luogo ad un dimero, la cistina, che invece è apolare idrofobo; questo fenomeno nelle proteine permette di unire tra loro punti distanti di una catena polipeptidica o catene polipeptidiche diverse.
D	Asp	Acido aspartico	acido	133,10	2,85	1,99	9,90	3,90
E	Glu	Acido glutammico	acido	147,13	3,15	2,10	9,47	4,07
F	Phe	Fenilalanina	idrofobo aromatico	165,19	5,49	2,20	9,31
G	Gly	Glicina	idrofobo	75,07	6,06	2,35	9,78		Avendo due atomi di idrogeno legati al carbonio α, la glicina non è chirale.
H	His	Istidina	basico	155,16	7,60	1,80	9,33	6,04
I	Ile	Isoleucina	idrofobo	131,17	6,05	2,32	9,76		Sia il carbonio α che quello β sono stereogenici
K	Lys	Lisina	basico	146,19	9,60	2,16	9,06	10,54
L	Leu	Leucina	idrofobo	131,17	6,01	2,33	9,74
M	Met	Metionina	idrofobo	149,21	5,74	2,13	9,28		È sempre il primo amminoacido con cui inizia una sintesi proteica; a volte viene rimosso dopo che la proteina è stata assemblata.
N	Asn	Asparagina	idrofilo	132,12	5,41	2,14	8,72
P	Pro	Prolina	idrofobo	115,13	6,30	1,95	10,64		Non potendo il legame Cα-N ruotare, questo amminoacido interferisce con il ripiegarsi delle strutture di tipo elica α o foglietto β.
Q	Gln	Glutammina	idrofilo	146,15	5,65	2,17	9,13
R	Arg	Arginina	basico	174,20	10,76	1,82	8,99	12,48
S	Ser	Serina	idrofilo	105,09	5,68	2,19	9,21
T	Thr	Treonina	idrofilo	119,12	5,60	2,09	9,10		Sia il carbonio α che quello β sono stereogenici
V	Val	Valina	idrofobo	117,15	6,00	2,39	9,74
W	Trp	Triptofano	idrofobo aromatico	204,23	5,89	2,46	9,41
Y	Tyr	Tirosina	idrofobo aromatico	181,19	5,64	2,20	9,21	10,46

Reazione di protonazione/deprotonazione

Dal valore del pKa degli ammino e carbossilo gruppi e alcuni gruppi R si possono ricavare informazioni sulla carica parziale nei differenti valori di pH; in una soluzione neutra:

• Il gruppo carbossilico è preferibilmente carico negativo.
• Il gruppo amminico è preferibilmente carico positivo.
• Il gruppo R dell'aspartato e glutammato è preferibilmente carico negativamente.
• Il gruppo R della lisina e arginina è a pH 7 preferibilmente positivamente caricato.
• Il gruppo R della tirosina è per lo più neutro.
• Il gruppo R dell'istidina ha il 10% di probabilità di essere carico positivo a pH 7, ma la probabilità aumenta fino al 50% in soluzioni a pH 6. Per questo l'istidina è molto sensibile alle variazioni di pH nell'intervallo fisiologico.

Sintesi degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere sintetizzati attraverso 3 vie:

1. amminazione degli acidi α-amminocarbossilici;
2. sintesi di Gabriel modificata;
3. sintesi di Strecker.

Voci correlate

• Amminoacidi essenziali
• Amminoacidi glucogenetici
• Amminoacidi chetogenici
• Amminoacidi insulinogenici
• Gruppo funzionale
• Proteina
• Peptidi
• Proteosintesi
• Proteolisi

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