Gli amminoacidi o aminoacidi sono una vasta categoria di molecole organiche che hanno sia il gruppo funzionale amminico (-NH2), sia quello carbossilico (-COOH). La parola amminoacido deriva dall'unione dei nomi di questi due gruppi funzionali. Siccome presentano contemporaneamente un gruppo acido (quello carbossilico) e un gruppo basico (quello amminico), sono definite molecole anfotere. In funzione del valore del pH dell'ambiente chimico in cui si trova la molecola, i due gruppi possono essere neutri o ionizzati. In condizioni fisiologiche, gli amminoacidi presentano il gruppo acido carico negativamente (-COO-) e quello basico carico positivamente (-NH3+): se l'amminoacido non ha altre cariche, allora prende il nome di zwitterione, in quanto la sua carica globale sarà neutra; se globalmente è carico positivamente sarà un catione, altrimenti un anione.
In biochimica, con il termine amminoacido ci si riferisce generalmente ad un piccolo sottogruppo di questi: gli L-α-amminoacidi, cioè amminoacidi i cui gruppi amminico e carbossilico sono legati allo stesso atomo di carbonio, chiamato α, e la cui configurazione è L (ovvero il gruppo amminico si trova a sinistra del carbonio α nella proiezione di Fischer della molecola). Gli L-α-amminoacidi che costituiscono la struttura primaria delle proteine sono 22; per questo motivo vengono definiti amminoacidi proteinogenici. Il legame covalente che unisce il gruppo -NH2 di un amminoacido con quello -COOH di un altro amminoacido è definito legame peptidico o giunto peptidico. Le catene di amminoacidi sono indicate col termine di peptidi e possono contenere un numero molto variabile di unità: catene molto corte vengono chiamate dipeptidi o tripeptidi (se composti rispettivamente da 2 o 3 amminoacidi), catene di medie dimensioni vengono definite oligopeptidi, catene molto lunghe polipeptidi.
Gli amminoacidi non proteinogenici invece, sono tutti gli amminoacidi non coinvolti nella struttura delle proteine. Questi rappresentano il gruppo più numeroso di amminoacidi e se ne possono identificare migliaia.
Storia Il primo amminoacido venne scoperto nel 1806, quando i chimici francesi Louis-Nicolas Vauquelin e Pierre Jean Robiquet isolarono un composto dagli asparagi: l'asparagina. Nel 1810 invece, si scoprì la cistina, una molecola composta da due amminoacidi legati assieme. La cistina fu quindi il primo amminoacido non proteinogenico scoperto, mentre la cisteina, l'amminoacido che compone la cistina, venne scoperta solo nel 1884. Nel 1935 venne scoperto da William Cumming Rose l'ultimo amminoacido proteinogenico: la treonina. Rose classificò anche gli amminoacidi in essenziali e non, stabilendo il loro fabbisogno giornaliero minimo.
In passato non si sapeva che gli amminoacidi fossero i componenti delle proteine. Fu nel 1902 che Emil Fischer propose la sua teoria, poi rilevatasi corretta, che le proteine fossero formate da molti amminoacidi legati tra loro e con il gruppo amminico di un amminoacido unito al gruppo carbossilico di un altro, dando luogo a una struttura lineare a catena che Fischer chiamava "peptide". Struttura Affinché una molecola possa essere definita amminoacido, deve avere almeno un gruppo funzionale derivato dalle ammine (-NH2) e uno derivato dagli acidi carbossilici (-COOH). Questo non esclude la presenza di più gruppi amminici o di più gruppi carbossilici, come ad esempio accade nella molecola di asparagina o di acido glutammico. In base a questa proprietà, gli amminoacidi sono dunque sostanze anfotere.
Il primo atomo di carbonio legato al gruppo carbossilico viene convenzionalmente chiamato α, il secondo β, il terzo γ e così via. Qualora il gruppo amminico sia legato al carbonio-α, l'amminoacido apparterrà alla sottocategoria degli α-amminoacidi, se invece il gruppo amminico è legato al Cβ, si identificheranno i β-amminoacidi e così via per ogni carbonio. Spesso, legati ai carboni della catena principale Cα-Cβ-Cγ-ecc., ci possono essere sostituenti generici (-R) di varia natura.
Dissociazione
In soluzione acquosa, gli amminoacidi tendono a dissociarsi a livello dei loro gruppi amminici e carbossilici. A seconda dell'acidità della soluzione, la dissociazione può produrre molecole cariche positivamente, negativamente o neutre con cariche delocalizzate che complessivamente si bilanciano.
Ciò accade perché a pH acidi, dunque quando la soluzione abbonda di protoni, i gruppi come -NH2 si associano a questi protoni, formando -NH3+. A pH basici invece, i gruppi come -COOH si dissociano in -COO-. Ne consegue che a pH neutri, come quelli del sangue (7,4) o dell'acqua pura (7), molti degli amminoacidi si trovano con cariche positive e negative che complessivamente si bilanciano. Questa struttura molecolare è definita zwitterione.
Non sempre la forma zwitterionica si ottiene raggiungendo pH neutri. Per gli amminoacidi che hanno più gruppi basici o acidi, la forma zwitterionica è raggiunta a pH non neutri. Ad esempio l'acido glutammico, che ha un gruppo carbossilico in più all'estremità della catena laterale -R, raggiunge la sua forma zwitterionica a pH 3, dunque in ambiente acido.
Il valore esatto di pH per il quale un composto esiste sotto forma zwitterionica è definito punto isoelettrico e dipende dalla costante di dissociazione acida e basica dei vari gruppi presenti nella molecola.
Catena laterale La catena laterale di un amminoacido viene convenzionalmente chiamata gruppo R, questo perché in chimica organica il sostituente -R indica un generico sostituente che è di natura alchilica o che inizia come tale e che poi può contenere altri gruppi funzionali. In questo modo, la definizione di catena laterale degli amminoacidi acquisisce un senso ampio, in quanto comprende una vasta gamma di gruppi chimici.
In funzione delle proprietà chimiche del gruppo R, un amminoacido viene classificato come acido, basico, idrofilo o idrofobo. Esempi di catene laterali acide sono quelle degli amminoacidi acido aspartico e acido glutammico, mentre esempi di gruppi R basici sono quelli di asparagina e lisina.
La catena laterale assume un ruolo fondamentale nelle interazioni tra amminoacidi. Quando questi si legano assieme, possono anche formare catene molto lunghe definite proteine. Le proteine hanno quindi una struttura lineare di base, definita struttura primaria. Tridimensionalmente però, le proteine non assomigliano a catene lineari, questo perché ripiegano la loro struttura primaria fino a formare gomitoli e filamenti. Il ripiegamento tridimensionale delle proteine è guidato dalle proprietà chimiche delle catene laterali. Se il loro ingombro sterico non lo permette, la proteina non si ripiegherà come previsto e non funzionerà. Così accade anche se la loro idrofobicità, la loro acidità o la loro basicità non lo permette.
Isomeria
Quando un atomo di carbonio porta legati 4 differenti gruppi funzionali (-NH2, -COOH, -R e un atomo di idrogeno) viene definito elemento stereogenico, ossia elemento in grado di generare stereoisomeri. Quando ciò accade la molecola può essere identificata come L-amminoacido o D-amminoacido. Se i 4 gruppi funzionali sono legati al Cα, si parlerà di L-α-amminoacidi. Essi sono gli amminoacidi che compongono tutte le proteine degli esseri viventi e per tale motivo vengono definiti amminoacidi proteinogenici. Gli D-α-amminoacidi possono talvolta entrare a far parte delle glicoproteine di alcuni esseri viventi, come accade nei procarioti, ma generalmente hanno funzioni differenti e per tale motivo rientrano nel grande gruppo di amminoacidi non proteinogenici.
Talvolta capita che gli amminoacidi abbiano più stereocentri, come ad esempio accade per la cistina e la cistationina. In questi casi si utilizza il sistema di nomenclatura assoluta R/S (che riguarda i singoli atomi), preferendolo al sistema di Fischer-Rosanoff (D/L).
La glicina invece, rappresenta un'eccezione tra gli amminoacidi proteinogenici in quanto priva di stereocentri, è dunque l'unico amminoacido proteinogenico non chirale.
Proprietà chimico-fisiche
Amminoacidi proteinogenici I 22 amminoacidi che prendono parte alla sintesi proteica hanno tutti una struttura simile:
Hanno il gruppo amminico, il gruppo carbossilico, il gruppo R e un atomo di idrogeno sul Cα; Il Cα è uno stereocentro in configurazione L; Il gruppo amminico è derivato da un'ammina primaria.
A queste regole strutturali, la glicina e la prolina fanno eccezione: la glicina non ha uno stereocentro al Cα, la prolina è un'ammina secondaria.
Di seguito sono riassunte le principali proprietà chimico-fisiche degli L-α-amminoacidi proteinogenici: Abbreviazione Nome completo Struttura Catena laterale Indice idrofobico Peso molecolare Punto isoelettrico Costante di dissociazione Frequenza nelle proteine (%) 1 lettera 3 lettere Tipo Polarità -COOH -NH2 -R A Ala Alanina AlifaticaApolare 1,8 89,09404 6,11 2,35 9,87 - 8,76 C Cys Cisteina TiolicaAcida 2,5 121,15404 5,05 1,92 10,70 8,37 1,38 D Asp Acido aspartico AnionicaAcida -3,5 133,10384 2,85 1,99 9,90 3,90 5,49 E Glu Acido glutammico AnionicaAcida -3,5 147,13074 3,15 2,10 9,47 4,07 6,32 F Phe Fenilalanina AromaticaApolare 2,8 165,19184 5,49 2,20 9,31 - 3,87 G Gly Glicina AlifaticaApolare -0,4 75,06714 6,06 2,35 9,78 - 7,03 H His Istidina AromaticaAcida e basica -3,2 155,15634 7,60 1,80 9,33 6,04 2,26 I Ile Isoleucina AlifaticaApolare 4,5 131,17464 6,05 2,32 9,76 - 5,49 K Lys Lisina CationicaBasica -3,9 146,18934 9,60 2,16 9,06 10,545,19 L Leu Leucina AlifaticaApolare 3,8 131,17464 6,01 2,33 9,74 - 9,68 M Met Metionina TioetericaApolare 1,9 149,20784 5,74 2,13 9,28 - 2,32 N Asn Asparagina AmmidicaPolare -3,5 132,11904 5,41 2,14 8,72 3,93OPylPirrolisinaAmmidicaPolare255,313 P Pro Prolina CiclicaApolare -1,6 115,13194 6,30 1,95 10,64 - 5,02 Q Gln Glutammina AmmidicaPolare -3,5 146,14594 5,65 2,17 9,13 3,90 R Arg Arginina CationicaBasica -4,5 174,20274 10,76 1,82 8,99 12,48 5,78 S Ser Serina IdrossilicaPolare -0,8 105,09344 5,68 2,19 9,21 7,14 T Thr Treonina IdrossilicaPolare -0,7 119,12034 5,60 2,09 9,10 5,53USecSelenocisteinaSelenicaPolare168,064 V Val Valina AlifaticaApolare 4,2 117,14784 6,00 2,39 9,74 - 6,73 W Trp Triptofano AromaticaApolare -0,9 204,22844 5,89 2,46 9,41 - 1,25 Y Tyr Tirosina AromaticaPolare -1,3 181,19124 5,64 2,20 9,21 10,46 2,91
Amminoacidi non proteinogenici Gli amminoacidi non proteinogenici sono definiti come tutti gli amminoacidi che non prendono parte alla sintesi proteica. A seconda della molecola considerata le proprietà chimico-fisiche possono variare di molto.
Utilizzi
In natura
La funzione principale degli L-α-amminoacidi è quella di essere i costituenti fondamentali delle proteine. La struttura primaria di una proteina, ovvero la sua struttura lineare, è composta da una catena di amminoacidi uniti da legami covalenti. Il numero di amminoacidi che possono comporre una proteina è molto variabile: l'insulina ad esempio, è composta da due catene di 21 e 30 amminoacidi, per un totale di 51, la titina invece è composta da circa 27.000 amminoacidi, che possono diventare 33000 a seconda dell'isoforma considerata. Quest'enorme variabilità rispecchia l'enorme numero di possibili proteine che si trovano in natura.
Un'altra funzione degli L-α-amminoacidi è quella di agire come neurotrasmettitori: l'acido glutammico ad esempio, è il principale neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso centrale. La glicina invece, è un neurotrasmettitore inibitorio del sistema nervoso.
Alcuni amminoacidi non proteinogenici sembrano essere inclusi nelle strutture proteiche. Ciò accade perché gli L-α-amminoacidi possono venire modificati dopo la loro inclusione nelle proteine. Un esempio è l'idrossiprolina, derivata dalla prolina, che è un componente importante del collagene. Allo stesso modo, in alcune proteine dei procarioti, avviene l'inclusione degli D-α-amminoacidi. La D-alanina ad esempio, è un componente fondamentale del peptidoglicano, la glicoproteina che riveste alcuni batteri.