Aminoacizi, peptide, proteine

Studiul structurii, proprietăților și rolului biologic al aminoacizilor, peptidelor și proteinelor.

Aminoacizii – structură și clasificare

Un aminoacid este un compus cu funcțiune mixtă: conține în aceeași moleculă o grupă carboxil (–COOH), cu caracter acid, și o grupă amino (–NH2), cu caracter bazic. Tocmai coexistența lor explică toate proprietățile pe care le cere BAC-ul.

Aminoacizii naturali din proteine sunt alfa-aminoacizi: grupa –NH2 este legată de atomul de carbon imediat vecin grupei carboxil (carbonul alfa). Formula generală a unui alfa-aminoacid monoaminomonocarboxilic este R–CH(NH2)–COOH.

De reținut, pentru că apar constant în subiecte:

• glicina (acidul aminoacetic), H2N–CH2–COOH, M = 75 g/mol – singurul aminoacid proteic fără atom de carbon asimetric, deci optic inactiv;
• alanina (acidul 2-aminopropanoic), CH3–CH(NH2)–COOH, M = 89 g/mol;
• serina, cu o grupă –OH suplimentară;
• cisteina, cu grupa tiol –SH, cea care formează punțile disulfurice;
• acidul glutamic și acidul aspartic – dicarboxilici (aminoacizi acizi);
• lizina – diaminomonocarboxilică (aminoacid bazic).

Clasificarea cerută la examen se face după numărul grupelor funcționale: neutri (o grupă –NH2 și una –COOH), acizi (mai multe –COOH decât –NH2) și bazici (mai multe –NH2 decât –COOH).

O a doua clasificare, biologică: aminoacizi esențiali, pe care organismul uman nu îi poate sintetiza și trebuie luați din alimentație, și neesențiali. Atenție la termen: esențial nu înseamnă mai important, ci doar că trebuie procurat din hrană.

Caracterul amfoter, ionul amfion și punctul izoelectric

Pentru că are și grupă acidă, și grupă bazică, aminoacidul este amfoter: reacționează atât cu acizii, cât și cu bazele.

• Cu acizi tari (HCl), grupa –NH2 acceptă un proton și se formează o sare de amoniu: H2N–CH2–COOH + HCl → [H3N+–CH2–COOH]Cl−.
• Cu baze (NaOH), grupa –COOH cedează protonul: H2N–CH2–COOH + NaOH → H2N–CH2–COONa + H2O.

În stare solidă și în soluție apoasă la pH apropiat de neutru, aminoacidul nu există sub formă de moleculă neutră, ci ca ion amfion (zwitterion): +H3N–CH(R)–COO−. Protonul migrează intramolecular de la carboxil la amino. Amfionul explică de ce aminoacizii sunt solide cristaline, cu puncte de topire mari și solubile în apă, deși au mase moleculare mici — se comportă practic ca niște compuși ionici, nu ca acizii carboxilici obișnuiți.

Punctul izoelectric (pHi) este valoarea pH-ului la care aminoacidul se află preponderent sub formă de amfion, cu sarcină electrică netă zero. La această valoare, aminoacidul nu migrează în câmp electric — este observația care se cere la itemii despre electroforeză.

Regula de deducere, foarte utilă la grile:

• la pH < pHi (mediu acid), aminoacidul este încărcat pozitiv și migrează spre catod;
• la pH > pHi (mediu bazic), este încărcat negativ și migrează spre anod.

Aminoacizii acizi au pHi mic (în jur de 3), cei bazici au pHi mare (peste 9), iar cei neutri au pHi în jur de 6.

Legătura peptidică și formarea peptidelor

Doi aminoacizi se pot uni prin eliminarea unei molecule de apă între grupa –COOH a unuia și grupa –NH2 a celuilalt. Se formează gruparea –CO–NH–, numită legătură peptidică (o legătură amidică), iar produsul este o dipeptidă.

Exemplu de reacție: H2N–CH2–COOH + H2N–CH(CH3)–COOH → H2N–CH2–CO–NH–CH(CH3)–COOH + H2O (glicilalanina).

Câteva reguli de calcul pe care se pierd puncte:

• o peptidă formată din n aminoacizi conține n − 1 legături peptidice și elimină n − 1 molecule de apă;
• masa peptidei = suma maselor aminoacizilor minus 18 × (n − 1);
• din doi aminoacizi diferiți se pot obține patru dipeptide distincte (gli-gli, ala-ala, gli-ala, ala-gli), pentru că ordinea contează.

Denumirea se face pornind de la aminoacidul cu grupa –NH2 liberă (capătul N-terminal), care se scrie la stânga, spre aminoacidul cu –COOH liberă (capătul C-terminal), la dreapta. Aminoacizii intermediari primesc sufixul -il: glicil-alanil-serina.

După numărul de resturi: oligopeptide (până la circa 10), polipeptide (până la circa 100) și proteine (peste 100 de resturi, mase moleculare de ordinul zecilor de mii).

Confuzia clasică: legătura peptidică se formează între carboxilul unuia și amino-ul celuilalt, nu între două grupe –COOH și nici între două grupe –NH2.

Structura proteinelor – patru niveluri de organizare

Proteinele sunt polipeptide naturale cu masă moleculară mare, iar activitatea lor biologică depinde de forma spațială. Programa cere patru niveluri, cu tipul de legătură care le susține — exact acolo se dau punctele.

• Structura primară – succesiunea (ordinea) aminoacizilor în lanț, determinată genetic. Este stabilizată exclusiv de legături peptidice (covalente).
• Structura secundară – modul în care lanțul se răsucește local: alfa-helix (spirală) sau beta-foaie pliată. Este stabilizată prin legături de hidrogen între grupele –CO– și –NH– ale lanțului principal.
• Structura terțiară – pliere globală a lanțului în spațiu, care dă forma finală (de exemplu globulară). Este stabilizată prin punți disulfurice (–S–S–, covalente, între resturi de cisteină), legături de hidrogen, interacțiuni ionice și forțe van der Waals între radicalii R.
• Structura cuaternară – asocierea mai multor lanțuri polipeptidice într-o singură unitate funcțională. Exemplul standard este hemoglobina, formată din patru lanțuri, fiecare cu o grupare hem cu fier.

După compoziție, proteinele se împart în holoproteine (numai aminoacizi) și heteroproteine (aminoacizi + o grupare neproteică, de exemplu hemul).

După formă și solubilitate: globulare (albumine, globuline, enzime — solubile, cu rol dinamic) și fibrilare (cheratina din păr și unghii, colagenul, fibroina mătăsii — insolubile, cu rol de structură).

Proprietăți chimice: hidroliză, denaturare, reacții de identificare

Hidroliza desface legăturile peptidice și, dusă până la capăt (acid tare, bază tare sau enzime), eliberează aminoacizii componenți. Hidroliza parțială dă peptide mai scurte. În organism, hidroliza proteinelor din alimente este realizată de enzime precum pepsina (în stomac, mediu acid) și tripsina (în intestin).

Denaturarea este modificarea ireversibilă a structurilor secundară, terțiară și cuaternară, cu pierderea activității biologice, fără ruperea legăturilor peptidice. Deci structura primară rămâne intactă — aceasta este diferența-cheie față de hidroliză și cea mai frecventă întrebare de examen.

Agenți denaturanți: temperatura ridicată (albușul de ou care se coagulează), acizii și bazele tari, alcoolul, sărurile metalelor grele (Pb, Hg, Cu), radiațiile ultraviolete, agitarea mecanică puternică. Faptul că albușul de ou precipită proteinele metalelor grele explică folosirea lui ca antidot în intoxicații.

Reacții de identificare, care se cer nominal:

• reacția biuretului – proteina sau peptida cu cel puțin două legături peptidice, tratată cu NaOH și sulfat de cupru(II), dă o coloraţie violet-albăstruie; este testul general pentru legătura peptidică;
• reacția xantoproteică – cu HNO3 concentrat apare o coloraţie galbenă, care devine portocalie la adăugarea de amoniac; este pozitivă doar pentru proteinele care conțin aminoacizi aromatici (de aceea acidul azotic îngălbenește pielea);
• reacția cu acetat de plumb – dă precipitat negru de sulfură de plumb pentru proteinele cu sulf (cisteină).

Rolul biologic: structural (colagen, cheratină), catalitic (enzimele), de transport (hemoglobina transportă oxigenul), de apărare (anticorpii), de reglare (insulina, un hormon proteic) și contractil (actina și miozina).

Test — 6 întrebări ca la examen