Aminoacizi si proteineAminoacizi Structura, clasificare, proprietati fizico-chimiceLegatura peptidicaAlte tipuri de legaturi chimice din moleculele proteiceProteine- nivele de organizareStructura primarStructura secundarStructura teriarStructura cuaternar

Proprietile acido-bazice ale aminoacizilor Avnd n molecul att grupri acide ct i bazice, aminoacizii au caracter amfoter, acionnd, astfel, fie ca acid (donor de protoni), fie ca baz (acceptor de protoni). n soluie, gruparea carboxilic poate s disocieze de H+, cptnd sarcin negativ (COO-), iar gruparea aminic, bazic, poate prelua ioni de H+ (poate fi protonat), cptnd sarcin pozitiv (-NH3+). Dac ambele grupri funcionale ale unui aminoacid au sarcini, se obin zwitterioni (din l. germana, = ioni hibrizi ) = amfiioni.

Caracterul amfoter al aminoacizilorIn mediul acid (exces de ioni H+), gruparea carboxilic negativ a unui amfiion (-COO-) este ocupat de H+, pierzndu-i sarcina (-COOH); rmne astfel ncrcat cu sarcin pozitiv doar gruparea aminic (-NH3+). n mediul acid, aminoacidul este ncrcat pozitiv.In mediul bazic (exces de ioni OH-), gruparea aminic (-NH3+) a unui amfiion elibereaz H+, care se va combina cu OH- pentru a forma H2O. Gruparea aminic i pierde sarcina, rmnnd ncrcat negativ doar gruparea carboxilic. In mediul bazic aminoacidul este ncrcat negativ.

Disocierea gruprilor acide i bazice ale aminoacizilor este guvernat de legea aciunii maselor, ca i n cazul bazelor i acizilor slabi; fiecrei grupri funcionale i corespunde o constant de disociere (K), al crui logaritm (in baza 10) negativ este numit pK. Valoarea pK1 a gruprii acide este 2,0-2,5; pentru gruparea aminic pK2 este 9,0-9,5.

Punctul izoelectric al aminoacizilorAminoacizii dizolvai n medii ionizate prezint fenomenul de migrare n cmp electric, fenomen ce poart numele de ionoforez sau electroforez. n soluii acide, moleculele ionizate vor migra spre catod (-), iar n soluii alcaline spre anod (+). Pentru fiecare dintre aminoacizi exist o valoare de pH, numit pH izoelectric sau punct izoelectric (notat pI), la care molecula este neutr, iar fenomenul de migrare electroforetic nceteaz. La punctul izoelectric, numrul sarcinilor pozitive i negative sunt egale (aminoacidul este deci electroneutru), disocierea lui ca acid fiind egal cu disocierea ca baz. n medii cu pH mai mic dect pI, aminoacidul se va comporta ca baz, iar la pH mai mare dect pI el se va comporta ca acid. Astfel, aminoacizii pot ndeplini funcia de tampon acido-bazic n organism, proprietate manifestat mai pregnant n jurul valorii pK1 i pK2.

Proprietile spectrale ale aminoacizilorAminoacizii aromatici ca: fenilalanina, tirozina i triptofanul sunt responsabili de absorbia n UV (cu un maxim cuprins ntre 275 nm i 285 nm) a majoritii proteinelor. Dintre cei trei aminoacizi, triptofanul absoarbe cel mai intens radiaia UV. Aceste proprietati spectrale ale aminoacizilor aromatici (absorbtia in jur de 280 nm) sunt utilizate pentru determinarea spectrofotometric a concentraiei unor proteine n soluii. Fenilalanina, tirozina i triptofanul prezint i fenomenul de fluorescen, emind lumina absorbit la lungimi de und superioare domeniului UV. Spectrul de absorbie n UV a aminoacizilor, la pH 8

Aminoacizi si ProteineAminoacizi Structura, clasificare, proprietati fizico-chimiceLegatura peptidicaAlte tipuri de legaturi chimice din moleculele proteiceProteine- nivele de organizareStructura primarStructura secundarStructura teriarStructura cuaternar

Legtura peptidicLegtura peptidic este legtura format in urma reactiei de condensare dintre gruparea carboxilic (-COOH) de la C1 al unui aminoacid i gruparea aminic (-NH2) de la C2 al altui aminoacid, cu eliminarea unei molecule de ap.

Gruparea -CO-NH-, caracteristic legturii peptidice, alternnd cu grupri metinice formeaz "coloana vertebral (din engl. backbone) a catenei polipeptidice.

Capat N-terminalCapat C-terminal

Reprezentarea grafic a legaturii peptidiceReprezentare grafic se poate realiza printr-o linie n zig-zag, atunci cnd configuraia ei este determinat numai de unghiurile de valen ale atomilor de carbon. De acest schelet se fixeaz la nivelul carbonilor metinici resturile R caracteristice aminoacizilor constitueni, orientate alternativ de-o parte i de alta a lanului. Perioada de identitate este de 0,723 nm, ntre carbonul al unui aminoacid i carbonul al celui de al treilea aminoacid

Formarea i geometria legturii peptidice Mezomeria lactam-lactimic se datoreaz oscilaiei dublei legturi dintre atomul de carbon i oxigen, la atomul de carbon i azot, datorit deplasrii alternative al unui electron ntre NH i CO.Rolul mezomeriei lactam-lactimic: determin structura peptidelor i proteinelor.

Dispunerea in plan a atomilor legturii peptidiceAtomii legturii peptidice sunt ntr-un plan, ceea ce confer rigiditate legturii amidice (peptidice). Aceast orientare a legturii peptidice are importan pentru conformaia spaial a catenei polipeptidice. Legtura peptidic poate s existe n dou forme: "cis" i "trans". Forma "cis" este foarte rar ntlnit n structura proteinelor. Forma "trans" este mai stabil din punct de vedere energetic, deoarece este mai srac n energie - aproximativ 2 kcal/mol (respectiv 8,36 kJ/mol).

Flexibilitatea atomilor legturii peptidicePsi ()Phi () Flexibilitatea atomilor din lantul peptidicCatena polipeptidic are flexibilitate numai la nivelul legturilor ce implic participarea carbonilor metinici, capabile s execute astfel de rotiri. Astfel, se pot efectua rotiri la nivelul legturilor dintre C2 (C) i CO (unghi de rotatie notat Psi ()), precum i dintre C2 i NH (unghi de rotatie Phi ()).

Aminoacizi si ProteineAminoacizi Structura, clasificare, proprietati fizico-chimiceLegatura peptidicaAlte tipuri de legaturi chimice din moleculele proteiceProteine - nivele de organizareStructura primarStructura secundarStructura teriarStructura cuaternar

Alte legaturi din moleculele proteicePuntea de hidrogen (numit i legtura de hidrogen) se poate realiza n situaia n care un atom de hidrogen este amplasat ntre doi atomi, ambii electronegativi. De exemplu, in catena polipeptidic, potenialul de donare de hidrogen este reprezentat de gruprile NH, iar cel de acceptare de ctre gruprile C=O ale aceleiai catene, sau a unor catene nvecinate. Cu alte cuvinte, puntea de hidrogen ar reprezenta o aciune de schimb dintre atomul de azot i cel de oxigen, a hidrogenului aparinnd gruprilor NH i CO. Puntea de hidrogenPuntea de H este mai slab dect o legtur covalent, avnd doar 1/10 din energia de legare; energia (entalpia de formare) unei legturi de hidrogen este 2,39 kcal/mol (10 kJ/mol). Distana dintre atomul de azot i cel de oxigen nu trebuie s depeasc 0.28 nm, pentru ca ntre cei doi atomi s se poat stabili o legtur de hidrogen.

Alte legaturi din moleculele proteicese formeaz ntre dou grupri sulfhidrice aparinnd la dou resturi de cistein, prin dehidrogenare. Aceast legtur covalent foarte puternic, avnd energia de legare de 50-100 kcal/mol (respectiv 208-418 kJ/mol), este rezistent la hidroliza proteinei. Puntea disulfuric

Alte legturi din moleculele proteiceLegtura ionic se formeaz ntre o grupare -COOH liber a unui aminoacid dicarboxilic dintr-o caten polipeptidic i o grupare -NH2 liber a unui aminoacid diaminic din aceeai caten sau dintr-o caten nvecinat.Formarea i meninerea legturilor ionice depind de pH-ul mediului.Energia de atracie dintre cele dou grupri ncrcate cu sarcini de semn opus (NH3+ i COO-), realiznd o aa-zis punte salin, poate ajunge la cel mult -10 kcal/mol (respectiv -42 kJ/mol), la o distan a sarcinilor egal cu 0,3 nm. Aceast energie este de zece ori mai mare dect cea a forelor van der Waals.Legtura eteric se realizeaz prin eliminarea unei molecule de ap dintre dou grupri alcoolice aparinnd unor aminoacizi ca serina din catena polipeptidic.

Alte legturi din moleculele proteiceForele van der Waals. ntre resturile aminoacizilor din catena polipeptidic se pot stabili legturi apolare prin fore van der Waals. Aceste fore sunt de natura unor atracii electrostatice. Ele acioneaz numai la distane foarte mici. Energia de atracie intre doi atomi poate ajunge la 0.5 - 1.0 kcal/mol (2 - 4 kJ/mol). Efect al forelor van der Waals sunt aa numitele "fore hidrofobe" cu care catenele laterale ale aminoacizilor din lanurile peptidice se atrag reciproc, orientndu-se adesea spre interiorul macromoleculei proteice i mpiedic ptrunderea apei n anumite spaii ale edificiului proteic. Forele hidrofobe influeneaz puternic structura spaial a moleculelor proteice n soluii apoase.

PeptideDoi sau mai multi aminoacizi legati intre ei prin legaturi peptidice formeaza un peptid cu eliminarea de apa. Asocierea aminoacizilor prin legaturi peptidice tripeptid, tetrapeptid, pentapeptid etc. Structurile formate din putini aminoacizi legate prin legaturi peptidice = oligopeptide (< 50 aac.). Polipeptide: > 50 aminoacizi.In general, cand polipeptidele au greutati moleculare mai mari de 10 kDa se numesc proteine.

DaltonulDaltonul (Da) este o unitate de mas, apropiat cu cea a atomului de hidrogen (mai precis, este egal cu 1,0 pe scala maselor atomice). A fost numit dup John Dalton (1766-1844), care a dezvoltat teoria atomic a materiei. Un kilodalton (1 kDa) este egal cu 1.000 daltoni. Noiunea de dalton este utilizat n biochimie pentru a exprima masa molecular a macromoleculelor (proteine, acizi nucleici).

Masa moleculara medie a unui aminoacid este de aprox. 110 Da.

Aminoacizi si ProteineAminoacizi Structura, clasificare, proprietati fizico-chimiceLegatura peptidicaAlte tipuri de legaturi chimice din moleculele proteiceProteine - nivele de organizareStructura primarStructura secundarStructura teriarStructura cuaternar

Structura proteinelor Proteinele prezint patru nivele de organizare: 1) structura primar2) structura secundar; 3) structura teriar; 4) structura cuaternar.

Nivele de organizare structural ale proteinelorElementele structurii secundare se combina si formeaza structura tertiaraStructura cuaternara este caracteristica complexelor enzimatice.Multe proteine sunt active in stare de homodimeri, homo/ heterotetrameri etc.

I. Structura primar a proteinelor Structura primar este definit ca fiind succesiunea (secvena) aminoacizilor n lanul polipeptidic. Aceast structur va determina n mod esenial celelalte planuri de organizare a macromoleculei proteice.Prima secven cunoscut a fost cea a insulinei, un polipeptid alctuit din 51 aminoacizi; a fost realizat de Sanger n 1953. Lanul polipeptidic, niruire de aminoacizi legai ntre ei prin legtur peptidic, are la o extremitate o grupare -NH2 liber (extremitatea amino-terminal sau N-terminal), iar la extremitatea cealalt o grupare -COOH liber (extremitatea carboxi-terminal sau C-terminal). Resturile R libere ale aminoacizilor din lanul polipeptidic pot detine grupari functionale care contribuie n ansamblu att la stabilirea structurii proteice, ct i la realizarea interaciunilor specifice dintre proteine sau dintre proteine i ali compui organici (acizi nucleici, substratul enzimatic, etc).

Denumirea unui lant oligo/polipeptidicPrin convenie, ordinea de prezentare a secvenei ncepe ntotdeauna cu aminoacidul care are gruparea aminic liber (care devine astfel aminoacidul nr.1) i se termin cu acela care are gruparea carboxilic liber (care devine aminoacidul n). Altfel spus, prezentarea unei secvene ncepe cu extremitatea N-terminal.

Denumirea unui polipeptid se face enumernd radicalii aminoacizilor n ordinea secvenei, ncepnd cu cel de la extremitatea N-terminal; n aceast enumerare vor avea sufixul "-il" toi aminoacizii a cror carboxil este legat peptidic, cu excepia aminoacidului C-terminal care i va pstra terminaia neschimbat.

Siclemia sau anemia falciform (anemia cu hematii n form de secer)Activitatea biologic a proteinelor depinde de particularitile lor structurale. Modificarea secvenei, nlocuirea, pierderea (deleia) sau introducerea (inseria) unor aminoacizi poate duce la modificarea activitii biologice. Bettelheim & March (1990) Introduction to Organic & Biochemistry (International Edition) Philadelphia: Saunders College Publishing, p301

II. Structura secundar a proteinelor Structura secundar este definit de poziiile spaiale pe care le au resturile R ale aminoacizilor, unul fa de altul, de-a lungul aceleiai catene polipeptidice. Poate un lant polipeptidic sa se plieze in mod regulat intr-o structura repetitiva? In 1951, Linus Pauling si Robert Corey- 2 structuri repetitive: helix si structura in folie pliata. Ulterior, s-au evidentiat alte structuri nerepetitive: structuri in agrafa de par (engl. "-turn" sau "hairpin turn"), bucle (engl. loop), regiuni de intoarcere (engl. turn). Toate aceste structuri repetitive si nerepetitive contribuie la formarea nivelului secundar de organizare al proteinei.

1. Structura -spiral (-helix)Structura -helicoidal se ntlnete att la proteinele fibrilare, ct i la cele globulare. Este cea mai raspandita structura secundara prezenta in organizarea proteinelor. De exemplu, in cazul feritinei (proteina cu rol in depozitarea fierului), aprox. 75% din structura este de tip -helix. Are aspectul unui tirbuson care se rasuceste spre dreapta.Este formata din 4 - 40 aminoacizi.resturi

Proprietatile -helixuluiCatena polipeptidic este nfurat pe o spiralFiecare spir conine 3,6 aminoacizi, iar distana dintre spire (perioada mic de identitate) este de 0.54 nm, unui aminoacid revenindu-i 0.15 nm n pasul helixului.Gruparea CO a fiecarui aminoacid formeaza punti de hidrogen cu hidrogenul gruprii NH a celui de al 4-lea aminoacid, care urmeaza in structura lantului dupa aminoacidul cu gruparea CO.Gruparea CO a unui aminoacid va forma punti de H la o deprtare de 0,28 nm, distan ce asigur realizarea unei puni de hidrogen. Energia legturilor de hidrogen intracatenare asigur o deosebit stabilitate structurii helicoidale a catenei polipeptidice.

Stabilitatea -helixuluiStabilitatea helixului poate fi influentata de compozitia structurii primare a proteinei.Anumiti aminoacizi favorizeaza structura spiralata: Ala, Glu, Leu, Met. Alti aminoacizi intrerup structura helicala: Pro, Gly, Tyr.Stabilitatea helixului este mult micorat n stare dizolvat a proteinei. Acidul poliglutamic, de natur sintetic, are nfiare -helix n mediul acid, n timp ce n mediul bazic, datorit ionizrii gruprilor carboxilice laterale, respingerea lor electrostatic rupe legturile de hidrogen i molecula capt o nfurare ntmpltoare (din engl. "random coil").