Amino AciziDenumire Abreviere Formula structurii lineare======================================================

Alanina Ala CH3-CH(NH2)-COOH

Arginina Arg HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH

Asparagina Asn H2N-CO-CH2-CH(NH2)-COOH

Acid aspartic Asp HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH

Cisteina Cys HS-CH2-CH(NH2)-COOH

Glutamina Gln H2N-CO-(CH2)2-CH(NH2)-COOH

Acid glutamic Glu HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH

Glicina Gly NH2-CH2-COOH

Histidina His NH-CH=N-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH |__________|

Isoleucina Ile CH3-CH2-CH(CH3)-CH(NH2)-COOH

Leucine Leu (CH3)2-CH-CH2-CH(NH2)-COOH

Lizina Lys H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH

Metionina Met CH3-S-(CH2)2-CH(NH2)-COOH

Fenilalanina Phe Ph-CH2-CH(NH2)-COOH

Prolina Pro NH-(CH2)3-CH-COOH |_________|

Serina Ser HO-CH2-CH(NH2)-COOH

Treonina Thr CH3-CH(OH)-CH(NH2)-COOH

Triptofan Trp Ph-NH-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH |_______|

Tirozina Tyr HO-p-Ph-CH2-CH(NH2)-COOH

Valine Val (CH3)2-CH-CH(NH2)-COOH

1

2

DENUMIRE AMINOACIDSTRUCTURA (la pH neutru)

Grupari R nepolare (hidrofobice)Glicina (Gly)

Alanina (Ala)

Valina (Val)

Leucina (Leu)

Isoleucina (Ile)

Prolina (Pro)

Metionina (Met)

3

Fenilalanina (Phe)

Triptofan (Trp)

Grupari R polare (hidrofile)

Serina(Ser)

Treonina(Thr)

Tirozina(Tyr)

Cisteina(Cys)

4

Asparagina(Asn)

Glutamina(Gln)

Grupari R incarcate negativ

Acid aspartic (Asp)

Acid glutamic (Glu)

Grupari R incarcate pozitiv

5

Lizina(Lys)

Arginina(Arg)

Histidina(His)

6

7

Catena laterala

SISTEME DE CLASIFICARE A AMINOACIZILOR

Există mai multe sisteme de clasificare a aminoacizilor proteici, majoritatea bazându-se pe structura şi proprietăţile radicalilor R, care substituie -atomul de carbon.A) În funcţie de comportamentul în mediul apos, aminoacizii proteici pot fi

clasificaţi astfel:1) – aminoacizi cu grupări R nepolare: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro,

Phe, Trp2) – aminoacizi cu grupări R polare, dar neîncărcate electric: Gly, Ser, Thr,

Asn, Gln, Tyr, Cys3) – aminoacizi cu grupări R polare, dar încărcate electric la pH fiziologic

- încărcare pozitivă: Lys, His, Arg- încărcare negativă: Asp, Glu.

A1) Aminoacizii din această clasă sunt mai puţin solubili în apă decât cei cu grupări R polare. Comportamentul cel mai slab hidrofob îl are Ala, aceasta fiind considerată la graniţa cu aminoacizii cu grupare R polară, dar neîncărcată electric.

Pro diferă de toţi ceilalţi aminoacizi, fiind un -iminoacid.Gly este clasificat uneori ca aminoacid cu grupare R nepolare, iar alteori

ca aminoacid cu grupări R polare, dar neîncărcate electric. Clasificarea în prima categorie este justificată de faptul că în acest caz RH, un singur atom de hidrogen neputând să influenţeze gradul ridicat de polaritate al grupărilor - NH2

şi -COOH.A2) Aceşti aminoacizi sunt relativ mai solubili în apă decât cei cu grupare R nepolară. Radicalii lor conţin grupări funcţionale polare neutre care pot forma legături de hidrogen cu apa.

Polaritatea Ser, Thr şi Tyr se datorează grupării lor hidroxil, cea a Asn şi Gln – grupării amidă, iar cea a Cys – grupării SH (sulfhidril).A3) - toţi aminoacizii bazici în care gruparea R prezintă sarcini net pozitive la pH 7 au 6 atomi de carbon (Lys-grupare amino în poziţia ; Arg-grupare guanidină; His-grupare imidazol).

- aminoacizii acizi ce prezintă o a doua grupare COOH ionizată complet.

8

Clasificarea aminoacizilor în funcţie de polaritate

B) În funcţie de structura chimică:- aminoacizi alifatici (cu grupări R alifatice): Gly, Ala, Val, Leu, Ile;- aminoacizi alifatici (non-aromatici) cu grupări OH: Ser, Thr;- aminoacizi cu grupări ce conţin S (aminoacizi cu S): Cys, Met;- aminoacizi acizi şi amidele lor: Asp, Asn, Glu, Gln;- aminoacizi bazici: Arg, Lys, His;- aminoacizi cu inele aromatice: Phe, Tyr, Trp;- iminoacizi: Pro.

C) În funcţie de structura lanţului hidrocarbonat şi a numărului de grupări amino şi carboxil:

- aminoacizi aciclici (alifatici) monoaminomonocarboxilici(Gly, Ala, Ser, Cys, Met, Thr, Val, Ile, Leu)monoaminodicarboxilici

9

Asp, Glu, Gln, AsndiaminomonocarboxiliciLys, Arg

- aminoacizi ciclici aromatici: Phe, Tyrheterociclici: Trp, His, Pro

Prezentarea aminoacizilor standard

Glicina(Gly)- este aminoacid cu cea mai simplă structură şi este singurul care nu prezintă activitate optică. Datorită faptului că radicalul R este un atom de hidrogen, Gly are capacitatea unică de a se “acomoda” în regiunile înalt pliate ale catenelor polipeptidice. Deşi se găseşte atât în regnul vegetal, cât şi în cel animal, Gly nu se întâlneşte în structurile tuturor proteinelor.

Gly se găseşte în stare liberă în seminţele unor plante. Organismul animal sintetizează Gly şi o utilizează în procesele de dezintoxicare, prin combinarea sa cu produşi toxici (acid benzoic, acid nicotinic).

Alanina(Ala)- este o componentă de bază a proteinelor, fiind nelipsită din toate proteinele animale şi vegetale. Catena laterală este de tip alifatic şi de natură hidrofobă. Este un aminoacid chimic nereactiv şi are un rol important în stabilirea, precum şi în menţinerea, structurii tridimensionale a proteinelor datorită tendinţei de a “evita” apa (hidrofobicitate).În stare liberă, Ala a fost identificată în diverse alge şi în frunzele de tutun. În bacteria Lactobacillus arabinarus a fost identificată prezenţa D-Ala.

Valina (Val)- are catena laterală alifatică şi hidrofobă. Se găseşte în cantităţi mici în numeroase proteine vegetale şi animale, cu excepţia proteinelor din seminţele de in, care sunt bazate pe Val.

Leucina (Leu)- se găseşte în structura tuturor proteinelor studiate, predominând în proteinele vegetale (zeina şi edestina). Bogată în leucină este globina din hemoglobină (½ din totalul de aminoacizi este reprezentat de Leu).

Izoleucina (Ile)- conţine în moleculă 2 atomi de carbon asimetrici şi se poate prezenta sub forma a 4 izomeri: L şi D-izoleucină, alături de L şi D-aloizoleucina

Metionina (Met)- are un tioeter în catena laterală. Atomul de S, prin electronii săi neparticipanţi poate stabili legături cu atomii metalelor sau poate

10

reacţiona cu alte grupări electrofile. Metionina este prezentă în gelatină şi în keratine. Are rol de metilant (donor de grupare –CH3) în procesele metabolice.

Prolina (Pro)- diferă marcant de restul aminoacizilor, fiind un iminoacid. Are o structură ciclică şi este doar moderat polară. Gruparea iminică a Pro este menţinută într-o conformaţie rigidă, care reduce flexibilitatea structurală a regiunilor polipeptidice care conţin Pro. Rigiditatea se datorează faptului că atomul de N nu poate participa la formarea de punţi de hidrogen. Pro introduce constrângeri conformaţionale, determinând modificarea bruscă a direcţiei catenei polipeptidice. Se găseşte în aproape toate proteinele vegetale şi animale, predominând în prolaminele din cereale.

Fenilalanina (Phe)- prezintă în structură o grupare fenil. În structura proteinelor şi în mediu apos, acest aminoacid este orientat spre interiorul moleculei, evitând contactul cu apa, stabilindu-se între mai multe molecule de Phe interacţii Van der Waals. Se găseşte în majoritatea proteinelor. Phe reprezintă substanţa de plecare în biogeneza hormonilor tirodieni.

Triptofanul (Trp)- are în structură o grupare indol, prezintă o înaltă hidrofobicitate. Este larg răspândit în compoziţia proteinelor şi are un rol important în metabolism, fiind strâns legat de formarea vitaminei PP şi a coenzimelor nucleotidice.

Serina (Ser)- conţine o grupare hidroxil care într-un micromediu special reprezintă situsul catalitic activ al multor enzime, având rolul unui catalizator nucleofil şi putând ioniza. Se găseşte în proteinele din mătase (de ex. sericină), în fibrină, cazeină. Adesea se găseşte în aceste proteine sub formă de esteri fosforici. În stare liberă, se găseşte în seminţele germinate.

Treonina (Thr)- prezintă în structură o grupare hidroxil, dar nu participă la alcătuirea structurii situsului catalitic activ al enzimelor.

Thr se găseşte în cantităţi mai mari în lactoblobulină, edestină şi în proteinele din cereale, soia, cartofi, alge marine. Având 2 atomi de carbon asimetrici, se prezintă sub forma a 4 izomeri optici (2 treonine şi 2 alo-treonine).

Asparagina (Asn)- amida acidului aspartic. Catenele laterale înalt polarizate se găsesc în contact cu mediul apos, într-o poziţie externă a catenei polipeptidice pliate.

Glutamina(Gln)- amida acidului glutamic

11

Tirozina(Tyr)- are în structură o grupare fenilică. Gruparea ei hidroxil are un caracter slab acid, ca şi al fenolului, putând forma legături de hidrogen şi este o grupare funcţională importantă a unor enzime, găsindu-se în situsul catalitic activ al acestora. Tyr este unul dintre cei mai răspândiţi aminoacizi naturali. Se caracterizează prin slabă solubilitate în apă. Tyr are o deosebită însemnătate în organismele animale prin faptul că poate forma adrelină, tiroxină şi tiramină.

Cisteina(Cys)- are în structură o grupare sulfhidril. Deoarece atomii de carbon şi sulf au aproximativ aceeaşi electronegativitate, legătura C-S practic nu este polară. Din aceleaşi considerente, legătura S-H este nepolarizată. Însă atomul de S este polarizabil datorită electronilor din orbitalii exteriori, ce pot fi influenţaţi de câmpurile electrice ale altor molecule şi ioni polari. Ca rezultat, gruparea –SH din Cys este reactivă chimic. Atomul de hidrogen din gruparea SH poate forma punţi de hidrogen cu atomi de O şi N ai altor grupări. Grupările SH- a 2 molecule de cisteină pot fi oxidate cu formarea unei disulfuri, numită cistină.

CH2-SS- CH2

CH-NH2 CH-NH2

COOH COOH

Punţile -S-S- au o mare importanţă în structura proteinelor, putând lega două catene polipeptidice separate sau putând înreţela aceeaşi catenă polipeptidică, formând legături covalente între părţi ale aceleiaşi molecule proteice. Această punte disulfurică conferă stabilitate şi rigiditate structurii unei proteine. Cistina se găseşte, mai ales, în scleroproteinele ţesuturilor animale (unghii, păr, piele etc.), precum şi în unele proteine de origine vegetală (cartofi, orz).

Cisteina se regăseşte printre produşii finali ai hidrolizei proteinelor şi se întâlneşte în regnul animal şi vegetal (în proteinele din piele; edentina din cânepă).

Lizina(Lys)- are o a doua grupare amino primară în poziţia ε, pe catena laterală alifatică. La pH = 7, Lys este o bază puternică. Se găseşte în toate proteinele, îndeosebi în proteinele din lapţii peştilor. Prin decarboxilare, pe

12

parcursul proceselor de putrefacţie (sub acţiunea bacteriilor) trece în diamina corespunzătoare, cadaverina.

Arginina(Arg)- are o grupare guanidino încărcată pozitiv şi este cel mai bazic aminoacid. Este prezentă în compoziţia tuturor proteinelor, cu precădere în cele mai simple din clasa protaminelor.

Histidina(His)- are o grupare imidazol. Este singurul aminoacid cu o catenă laterală ionizabilă cu pka aproape de neutralitate. În multe reacţii catalizate enzimatic, un rest de His facilitează reacţia servind ca donor/acceptor de protoni. Este foarte răspândită în proteinele vegetale şi animale, cu deosebire în sturină (12,9%) şi în globulina hemoglobinei. Sub acţiunea unor enzime trece, prin decarboxilare, în histamină.

Acidul aspartic(Asp)- alături de acidul glutamic, pot stabili între ei sau cu alţi compuşi ionici interacţii ionice, iar cu moleculele de apă - punţi de hidrogen şi interacţii ion-dipol. În structura proteinelor, resturile acestor aminoacizi ionizaţi sunt orientate spre exteriorul conformaţiei proteice. Asp este foarte răspândit în lumea vegetală, mai ales sub formă de Asn.

Acidul glutamic(Glu)- se găseşte sub formă de Gln, mult răspândită în proteinele vegetale (seminţe de cereale şi drojdie). Are un rol important în metabolism. Se găseşte în natură şi sub forma D (în proteinele tumorilor canceroase) fiind cel mai răspândit aminoacid din seria D.

Aminoacizi proteici rari

Din hidrolizatele de colagen, principala proteină a ţesutului conjunctiv s-au separat4-hidroxi-prolina şi 5-hidroxi-lizina.

4-hidroxi-prolina

13

6 5 4 3 2 1NH2-CH2-CH-CH2-CH2-CH-COOH

OH NH2

5-hidroxi-lizina

În elastină, proteina fibroasă găsită în majoritatea ţesuturilor conjunctive, se află dezmozina şi izodezmozina, care au o structură neobişnuită, formându-se în urma unor oxidări şi condensări la care participă 4 resturi de lizină, introducându-se în molecula elastinei o serie de legături încrucişate.

Dezmozina

Izodezmozina

14

Din hidrolizatele unor proteine moleculare s-au separat: 3-metil-histidinaşi-N-metil-lizina. 3-metil-histidina

NH-(CH2)4-CH-COOH

CH3 NH2

-N-metil-lizina

În hidrolizatele unor enzime de la procariote şi eucariote a fost identificată seleno-cisteina (de ex. în hidrolizatul celor 2 formiat dehidrogenaze ale E. coli).NH2-CH-COOH

CH2-Se-HStereochimia aminoacizilor

Stereoizomerii sunt izomeri ce diferă numai prin aranjamentul spaţial tridimensional al atomilor. Ei au aceeaşi formulă moleculară şi aceleaşi legături între atomi, numai că acestea sunt diferit aranjate în spaţiu.

Enantiomerii sunt o formă de stereoizomeri, respectiv o pereche de stereoizomeri ce sunt chirali (asimetrici). O moleculă chirală nu este superpozabilă peste imaginea ei în oglindă, astfel încât imaginea din oglindă reprezintă o altă moleculă.

În chimia organică, în general, originea comună a enantiomerilor este atomul de carbon tetraedric legat de 4 grupări diferite. Dacă oricare 2 grupări legate la atomul de carbon sunt identice, atunci şi imaginea în oglindă este aceeaşi.

15

Stereoizomerii aminoacizilorÎn cazul tuturor aminoacizilor standard, cu excepţia Gly, atomul de carbon

α este legat la 4 grupări diferite:- o grupare carboxil;- o grupare amino;- o grupare R (în cazul Gly R=H);- un atom de H.

Existenţa a 4 substituenţi diferiţi la atomul Cα îi determină acestuia structura unui centru de asimetrie sau centru chiral, iar aminoacizilor le conferă activitate optică, adică capacitatea de a roti planul luminii polarizate. Activitatea optică este o caracteristică a substanţelor ce conţin atomi de carbon hibridizaţi sp3 (simetrie tetraedrică).

Datorită aranjamentului tetraedric al orbitalilor în jurul atomului Cα, cele 4 grupări diferite pot ocupa 2 tipuri de aranjări spaţiale, care sunt imagini în oglindă una pentru cealaltă (imagini nesuperpozabile), respectiv o pereche de enantiomeri.

Activitatea optică, cuantificată prin rotaţia planului luminii polarizate la trecerea prin soluţia substanţei respective, a fost măsurată mult înainte ca structura tridimensională a moleculelor să poată fi determinată prin metode ca raze X, cromatografie, RMN. Determinarea experimentală a activităţii optice a evidenţiat posibilitatea ca soluţiile de aminoacizi să rotească planul luminii polarizate spre dreapta (d) sau spre stânga (l).

Din punct de vedere istoric, notaţiile d şi l au fost utilizate iniţial pentru desemnarea activităţii optice a aminoacizilior astfel:

- molecule dextrogire (d) sau prefix (+) în cazul în care rotesc planul luminii polarizate în sensul acelor de ceasornic când se priveşte dinspre sursa de lumină;

- molecule levogire (l) sau prefix (-) în cazul în care rotesc planul luminii polarizate în sensul invers acelor de ceasornic.

O măsură cantitativă a activităţii optice a unei molecule este rotaţia specifică:

[α] 25

D = rotaţia determinată (grade) / l·cl = lungimea drumului optic parcurs de lumină;c = concentraţia soluţiei, în g/100 ml;250C = temperatura la care s-a realizat determinarea;D = linia D a spectrului sodiului (589,3mm) = lumina monocromatică a polarimetrului

16

Configuraţia absolută a grupărilor (aranjamentul spaţial) din jurul unui centru asimetric a fost stabilită în 1891 de Emil Fischer, convenţional în raport cu gliceraldehida.

Astfel, simbolurile „D” şi „L” au fost asociate cu configuraţia absolută a unei substanţe de referinţă, aleasă în mod arbitrar dar ceea ce trebuie subliniat este faptul că este vorba de desemnarea corectă a configuraţiei absolute a formelor dextro şi levo ale gliceraldehidei. (Gliceraldehida este structură cu 3 atomi de carbon având un atom de carbon chiral central, ceea ce determină existenţa celor 2 enantiomeri „D” şi „L”, în funcţie de activitatea lor optică determinată de planul luminii polarizate ce trece prin soluţia unuia dintre cei 2 stereoizomeri).

Stereoizomerii (+) şi (-) ai gliceraldehidei au fost notaţi D, respectiv L.

Prin convenţia Fischer-Rosanoff, pentru toţi compuşii chirali, stereoizomerii care au o configuraţie asemănătoare L-gliceraldehidei sunt denumiţi L şi stereoizomerii asemănători D-gliceraldehidei sunt denumiţi D.

Activitatea optică este specificată prin folosirea notaţiilor (+) şi (-).În cazul aminoacizilor, convenţia D- şi L- se defineşte prin raportarea

structurii lor la structura D- şi L- gliceraldehidei în următorul mod:

17

- atomul de C asimetric (Cα) al unui α-aminoacid este aliniat cu atomul de C asimetric (C2) al gliceraldehidei.

- grupările chimice similare din cele 2 structuri sunt orientate în mod similar; astfel gruparea –COOH a aminoacidului este aliniată paralel cu gruparea aldehidică (-CHO) a gliceraldehidei, gruparea α-NH2 a aminoacidului este aliniată paralel cu gruparea hidroxil (-OH) ce se leagă de atomul de carbon al gliceraldehidei.

- grupările variabile ale aminoacidului, respectiv radicalii R, sunt aliniaţi cu gruparea metanol (-CH2-OH) a gliceraldehidei.

În această configuraţie, gruparea α-NH2 a oricărui L-aminoacid este localizată în partea stângă şi din punct de vedere spaţial deasupra Cα, întocmai cu gruparea OH legată de carbonul secundar (asimetric) al L-gliceraldehidei. În mod similar, se procedează în cazul D-aminoacizilor.

18

În concluzie, L-aminoacizii vor avea gruparea amino pe aceeaşi parte ca gruparea OH a L-gliceraldehidei, respectiv gruparea amino în partea stângă. D-aminoacizi se află în acelaşi raport cu D-gliceraldehida, deci gruparea amino în partea dreaptă.

Metodă mnemotehnică de identificare a izomerilor L- şi D- prin legea CORN

CORN este acronimul pentru –COOH (gruparea carboxilică din structura principală a aminoacidului), -R (lanţul secundar) şi NH2 (azotul din gruparea amino a aminoacidului).

Legea CORN permite determinarea prin tehnică mnemotică a izomerului optic al aminoacidului în funcţie de ordinea în care se găsesc cele trei grupări ce dau numele acronimului CORN. Se procedează în felul următor:

- se ia ca referinţă legătura H-Cα din structura aminoacidului;- privind de-a lungul legăturii H-Cα se reface acronimul CORN, mişcând

privirea de la gruparea COOH, la R şi apoi la amino;- dacă acronimul CORN se realizează prin mişcarea privirii în sensul

acelor de ceasornic, atunci moleculele sunt în forma izomerului D; - dacă acronimul se realizează în sens invers→ izomer L.

19

Pe lângă izomerii D- şi L-, există şi izomerul meso. Dacă formele D- şi L- se află într-un raport ca un obiect cu imaginea lui în oglindă, forma meso are un plan de simetrie internă care dă naştere unei compensaţii intramoleculare ce conduce la pierderea activităţii optice. Izomerul meso nu există în natură. Forma meso indică aminoacizii şi derivaţii lor care, deşi conţin grupări chirale, sunt achirali.

Un amestec echimolar de compuşi D şi L este un amestec racemic şi este desemnat prin prefix DL sau prin prefix rac- sau prin prefix [+/-].

La fel ca şi izoformele gliceraldehidei, aminoacizii sunt optic activi. În general, soluţiile pure ale oricărui aminoacid standard vor roti planul luminii, la fel ca stereoizomerii gliceraldehidei. Totuşi, nu toţi L-aminoacizii sunt levogiri, iar direcţia de rotaţie a luminii corespunzătoare unui anumit aminoacid depinde de structura sa particulară într-un mod greu previzibil. Cu alte cuvinte, unii aminoacizi sunt levogiri în timp ce alţii sunt dextrogiri din complicate considerente structurale.

În concluzie, aminoacizii standard sunt L-aminoacizii indiferent de proprietăţile lor optice particulare, structură bazată pe omologia lor structurală cu L- şi D-gliceraldehida.

O moleculă poate avea, însă, mai multe centre asimetrice. Pentru astfel de molecule, termenii de stereoizomerie şi izomerie optică se referă la moleculele cu configuraţii diferite la cel puţin unul dintre centrele lor chirale. Deoarece fiecare centru asimetric dintr-o moleculă chirală poate avea 2 configuraţii posibile, o moleculă cu n centre chirale poate avea 2n stereoizomeri diferiţi şi 2n-1

perechi de enantiomeriPentru moleculele cu mai mult decât un centru asimetric se recomandă

folosirea convenţiei CAHN, INGOLD şi PRELOG, introdusă în 1956, în care cele 4 grupări substituente ale unui centru chiral sunt considerate printr-o schemă

20

de prioritate specifică pe baza numărului atomic al atomului legat direct de atomul de carbon asimetric, respectiv descreşterea numărului atomic.

Acest sistem utilizează simbolurile R (rectus-dreapta) şi S (sinister-stânga).

Configuraţiile R şi S sunt desemnate astfel:- pornind de la legătura cu substituentul ce are cea mai mică prioritate (cel

mai mare număr atomic), configuraţia R se regăseşte când ceilalţi 3 substituenţi sunt aranjaţi (în ordine descrescătoare) în sensul acelor de ceasornic;

- forma S corespunde formei moleculare când substituenţii sunt aranjaţi în sensul invers acelor de ceasornic.

Câteva din regulile de determinare ale configuraţiei R/S:Grupuri prioritare: SH>OH>NH2>COOH>CHO>CH2OH>C6H5>CH3>HGrupări mai mari sunt aranjate (ordonate) în funcţie de punctele lor de divergenţă (respectiv de atomii ce îi deosebesc), de ex: CH2-CH2-OH, deoarece numărul atomic al S>numărul atomic al O.

Dacă definirea stereochimiei izomerilor L şi D este într-o anumită măsură intuitivă, bazându-se pe similitudinile dintre grupările chimice a 2 tipuri de molecule, acest sistem (conversia R-S) este mai riguroasă şi este recomandată pentru analiza detaliată a stereochimiei.

Conform acestei convenţii, D-gliceraldehida poate fi descrisă ca R-gliceraldehidă, iar L-gliceraldehida ca S-gliceraldehidă.

În consecinţă, configuraţia L pe care o posedă aminoacizii chirali din proteine, corespund aproape întotdeauna formei S din sistemul R/S, deoarece în cazul majorităţii aminoacizilor, ordinea priorităţilor grupărilor din jurul C2

este: NH+3, COO-, R, H.

În cazul sistemului R/S, modificarea unui singur substituent poate modifica ordinea, respectiv desemnarea izomerului. Acest lucru se întâmplă în cazul L-cisteinei şi L-cistinei, când gruparea R precede COOH deoarece numărul atomic al sulfului ataşat la C3 este mai mare decât cel al oxigenului ataşat la C. Din această cauză, Cys şi Cys-Cys fac excepţie de la regula generală a aminoacizilor standard, care sunt de tip 2S, aceşti 2 aminoacizi fiind de tip 2R.

L – cisteina Glicina

21

Treonina şi izoleucina au câte 2 centre chirale şi deci 22= 4 stereoizomeri

posibili, având şi la C3 un carbon asimetric.Configuraţia absolută a Thr din proteinele normale, respectiv a L-Thr, este

L – treonina L - izoleucina

2S, 3R, iar a enantiomerului (compusul corespunzător imaginii în oglindă) este D-Thr (2R, 3S).

În cazul Thr, perechile L şi D de enantiomeri sunt diastereoizomeri cu L-alo şi D-alo Thr. Formele D şi L pe de o parte şi formele D-alo şi L-alo pe de altă parte se găsesc în aceeaşi relaţie cu un obiect şi imaginea lui în oglindă. Diastereoizomerul cu configuraţia 2S, 3S se numeşte L aloThr, iar cel cu configuraţia 2R, 3R se numeşte D-aloThr.

În cazul Ile, configuraţia normală a L-Ile este 2S, 3S.În contrast cu cazul perechilor de enantiomeri, diastereoizomerii se

deosebesc prin unii parametrii fizico-chimici: puncte de topire, spectre, reactivitate chimică.

Importanţa enantiomerilorToţi α-aminoacizii obţinuţi prin hidroliza proteinelor au configuraţia

stereochimică L, dar nu toţi L-aminoacizii sunt levogiri. De ex., în hidrolizatele proteice se regăsesc L (+)-Ala, L (+)-Val, L (+)-Ile, dar L (-)-Leu, L (-)-Phe, L (-)-Ser.

În cele mai multe cazuri, enantiomerii au proprietăţi fizice şi chimice identice. Totuşi, diferenţele dintre cei 2 enantiomeri pot avea un impact imens, în

22

special în cazul sistemelor biologice, deoarece multe molecule biologice importante sunt chirale.

Cum toţi aminoacizii naturali există într-una sau alta din formele de enantiomeri, prin extensie, toate proteinele şi enzimele sunt de asemenea chirale.

Distincţia dintre cei 2 enantiomeri este de multe ori critică din punct de vedere a supravieţuirii organismului, încât există unele microorganisme care utilizează D-aminoacizi pentru sinteza unor peptide ce sunt toxice pentru alte organisme.

Astfel, D-aminoacizii sunt importanţi în structurile multor antibiotice, de tipul bacitracinei, gramicidinei, actinomicinelor.

Rinichii animalelor au capacitatea de a distruge D-aminoacizii, eliminând orice posibilitate de sinteză a unor peptide toxice.

D-aminoacizii sunt legaţi de 2 probleme biologice majore: cancerul şi senescenţa:

- s-a pus în evidenţă că proteinele tumorale conţin D-aminoacizi;- s-a emis ipoteza că menţinerea gradului de puritate a izomerilor optici

este în corelaţie cu vârsta şi vitalitatea organismului animal.

Proprietăţile fizice ale aminoacizilor

Aminoacizii care se întâlnesc în structura proteinelor native au fost izolaţi sub formă de substanţe incolore, cristalizate, stabile în stare solidă şi la temperatura mediului ambiant (250C).

Aminoacizii sunt substanţe solubile în apă, însă gradul de solubilitate este diferit de la un aminoacid la altul.

Solubilitatea cea mai mică în apă o are cisteina şi tirozina, iar cea mai mare-prolina şi oxiprolina. Prolina este singurul aminoacid cu o solubilitate bună în alcool (aproximativ 1,6g la 100ml, la temperatura de 200C), în timp ce restul aminoacizilor se dizolvă foarte greu în alcool.

Clorhidraţii şi diclorhidraţii aminoacizilor sunt mult mai solubili în apă decât aminoacizii corespunzători în stare liberă; majoritatea clorhidraţilor sunt solubili şi în etanol. Sărurile de sodiu ale aminoacizilor sunt, de asemenea, mai uşor solubile în apă decât aminoacizii liberi din care provin.

În soluţii slab alcaline sau acide, toţi aminoacizii sunt uşor solubili. Cu toate acestea, după o anumită perioadă de timp unii aminoacizi sunt oxidaţi (triptofanul, cisteina şi altele) sau se descompun parţial (serina, treonina, etc.).

23

Aceste transformări se întâlnesc şi în cazul hidrolizei acide sau alcaline a proteinelor când aceşti aminoacizi suferă modificări chimice sau sunt racemizaţi.

De remarcat faptul că triptofanul pur în soluţii acide este stabil, în timp ce în amestecuri sau în hidrolizatele proteice se oxidează.

Aminoacizii sunt substanţe cu caracter amfoter datorită prezenţei concomitente în moleculă a unei grupări funcţionale acide (-COOH) şi a unei grupări funcţionale bazice (-NH2). De aceea, moleculele de aminoacizi au structura unor amfioni bipolari de forma:

R H3N-CH-COO-

Existenţa ionului bipolar explică utilizarea aminoacizilor pentru prepararea soluţiilor tampon:

R R + H3N-CH-COO- + (Cl-) + H3O+ H3N-CH-COOH + H2O + (Cl-)

R R + H3N-CH-COO- + (Na+) + OH- H2N-CH-COO- + H2O + (Na+)

Dacă la soluţia aminoacizilor se adaugă un acid tare, de ex. HCl, protonii săi sunt consumaţi dând naştere unui acid slab, iar dacă se adaugă o bază tare, de ex. NaOH, ionii hidroxil sunt consumaţi concomitent cu formarea unei baze slabe. În acest mod, pH-ul soluţiei nu variază apreciabil, aminoacizii îndeplinindu-şi rolul de „soluţie tampon”.

Proprietăţile acido-bazice

Aminoacizii au cel puţin 2 grupări ionizabile.Astfel, gruparea acidă ionizează conform ecuaţiei: HA A- + H+

24

+

Bază tareAcidtare

Acid slab Bază slabă

Acid tare Bază tare

Bază slabă Acid slab

descrisă de ka =[ A-]· [ H+]/ [ HA ](1)

Logaritmând ecuaţia se obţine: log ka= log [H+] + log [A-] /[HA] (2) Rescriind ecuaţia 2: pH = pka + log [A-]/[HA]→ec. Henderson-

Hasselbalchce stabileşte o corelaţie între pH soluţiei unui acid, constanta sa de aciditate k a şi raportul concentraţiei bazei sale conjugate şi a acidului în condiţii de echilibru.

Gruparea carboxil din poziţia α a acizilor monoaminomonocarboxilici este un acid mai puternic decât gruparea COOH a acizilor alifatici corespunzători, datorită grupării amino din poziţia α şi sarcinii sale pozitive, care produce un puternic efect de câmp, crescândastfel tendinţa hidrogenului carboxilic de a discocia ca proton (efect – IS).

Gruparea amino din poziţia α a acizilor monoaminomonocarboxilici este o bază mai slabă (sau un acid mai tare) decât gruparea amino a aminelor alifatice corespunzătoare.

Toţi aminoacizii monoaminomonocarboxilici (mNH2mCOOH) cu radicali R neîncărcaţi au valori pk’1 şi pk’2 aproape identice.

Nici unul dintre aminoacizi mNH2mCOOH nu au capacitate de tamponare în jurul pH-ului fiziologic, între pH 6 şi pH 8. El prezenta capacitate de tamponare la pH apropiat de valorile pk, între pH 1,3-3, şi 8,6-10,6.

Singurul aminoacid cu putere de tamponare semnificativă între pH 6 şi 8 este histidina.

Gruparea β-carboxil a acidului aspartic şi γ-carboxil a acidului glutamic, deşi complet ionizate la pH 7, au valori pka considerabil mai mari decât valorile pka ale grupărilor α-COOH şi aproape egale cu cele ale acizilor carboxilici simpli.

Gruparea tiol a cisteinei şi gruparea p-hidroxil a tirozinei sunt foarte slab acide. La pH 7, prima este ionizată în proporţie de aproximativ 8%, iar a doua de 0,01%.

Gruparea δ-amino a lizinei şi gruparea guanidinice a argininei sunt puternic bazice; aceste grupări cedează protoni numai la valori foarte ridicate ale pH-ului. La pH 7 aceşti aminoacizi prezintă o sarcină net pozitivă.

Proprietăţile spectrale ale aminoacizilor

Nici unul dintre cei 20 aminoacizi standard nu prezintă absorbţie în vizibil.Trei aminoacizi: Tyr, Trp şi într-o măsură mai mică Phe absorb în UV.

Cys-Cys prezintă o absorbţie slabă la 240 nm datorită punţilor disulfurice. Toţi aminoacizii absorb în UV îndepărtat (220nm).

25

Valoarea pH-ului soluţiei aminoacizilor are un efect major asupra maximului de absorbţie, de aceea dozările spectrofotometrice se realizează în soluţii alcaline.

Punctele de intersecţie ale curbelor de absorbţie sunt la 257nm şi 294nm. La aceste puncte, valorile extincţiei sunt proporţionale cu conţinutul total de Tyr şi Trp.

La 280nm, concentraţia celor 2 aminoacizi poate fi calculată după formula lui GOLWIN şi MORTON:

E280= y EM1+ (x-y) EM2

unde x = moli totali/ly = moli Tyr/l(x-y) = moli Trp/lEM1 Şi EM2 = extincţiile molare ale Tyr şi Trp în soluţie alcalină (0,1N la

280nm).Întrucât majoritatea proteinelor conţin resturi de Tyr, determinarea DO280nm

a unei soluţii proteice reprezintă o metodă de determinare a concentraţiei proteice.

Proprietăţile chimice ale aminoacizilor

Reacţiile caracteristice ale aminoacizilor sunt cele ale grupărilor funcţionale prezente în structura generală a aminoacizilor, şi anume grupările –COOH, -NH2 şi R din lanţurile laterale. De aceea, proprietăţile chimice ale aminoacizilor sunt comune, în general, şi sunt utilizate în chimia proteinelor pentru:

- identificarea şi analiza aminoacizilor din extracte, hidrolizate şi lichide biologice;

- identificarea secvenţei de aminoacizi în moleculele proteice,- identificarea resturilor de aminoacizi specifici proteinelor native, care

sunt esenţiali pentru funcţia biologică;- identificarea resturilor de aminoacizi din molecula proteică în vederea

producerii de modificări ale activităţii biologice sau ale altor proprietăţi ale proteinei.

A) Reacţii ale grupării carboxilGrupările COOH din structura aminoacizilor reacţionează cu metale, oxizi

metalici, hidroxizi etc.

26

Din punct de vedere biochimic, o reacţie importantă este cea de decarboxilare a aminoacizilor cu formare de amine. In vivo, reacţia are loc sub acţiunea enzimelor specifice, decarboxilaze, care sunt piridoxal-5-fosfat dependente.

De exemplu, prin decarboxilarea histidinei se obţine histamina, care este implicată în reacţiile alergice. Histamina este un agent vasodilatator, creşte permeabilitatea vaselor sanguine provocând pierderea proteinelor din plasmă în spaţiul extracelular, creşte viteza bătăilor inimii, scade presiunea arterială. Forma acută a acestor simptome se numeşte şoc histaminic.

O altă reacţie a grupărilor carboxil din structura aminoacizilor care prezintă importanţă practică în biochimie este reacţia de esterificare, ce este folosită pentru protejarea grupărilor carboxil în cazul sintezei peptidelor. Esterii metil-, etil-, benzil-, p-nitrobenzil- şi t-butil ai aminoacizilor sunt cei mai frecvent utilizaţi în sinteza peptidelor.

B) Reacţii ale grupării aminoDatorită prezenţei în molecula aminoacizilor a grupării –NH2, aceştia pot

reacţiona cu acidul azotos (HNO2) cu formare de azot molecular şi a hidroxiacidului corespunzător: NH2 OH

R-CH-COOH + HONO → R-CH-COOH + N2↑ + H2OAceastă reacţie stă la baza metodei van Slyke de determinare a azotului

aminic al aminoacizilor prin măsurarea volumului de azot degajat în timpul reacţiei.

Clorurile acide acilează gruparea amino a aminoacizilor, astfel clorura de benzoil reacţionează cu glicina formând acidul hipuric, forma de excreţie a acidului benzoic.C6H5-CO-Cl + NH2-CH2-COOH + NaOH→C6H5-CO-NH-CH2-COOH +

NaCl + H2O Metilarea aminoacizilor conduce la betaine, care sunt agenţi de metilare în

reacţiile biochimice: +

CH2-COO- + 3CH3I + 3NaOH→(CH3)3N-CH2-COO- + 3NaI + 3H2O + NH3

27

Aminoacizii reacţionează cu dioxidul de carbon. Această reacţie se regăseşte în cazul funcţiei hemoglobinei de transport a acestui gaz de la ţesuturile periferice la plămâni.

R-CH-COO-Na+ + CO2 R-CH-COO-Na+

NH2 NH-COO-Na+

derivat carbaminoGrupările α-amino ale aminoacizilor reacţionează reversibil cu aldehidele,

formând compuşi numiţi baze Schiff, care apar ca intermediari ai unor reacţii enzimatice în cazul în care substratul este un compus carbonilic, iar enzima are în centrul catalitic activ un rest de lizină. Baza Schiff poate fi redusă în prezenţa LiBH4, formându-se un produs separabil, ceea ce în cazul particular al compusuui intermediar dintre substrat şi enzimă permite separarea complexului E-S.R’-CH=O + R-CH-NH2 →R-CH-N=CH-R’ +H2O

COOH COOH

C) Reacţii ale grupărilor R

Grupările R ale aminoacizilor conţin, de asemenea, radicali reactivi care pot participa la diferite tipuri de reacţii.

De exemplu, cisteina poate reacţiona cu săruri ale metalelor grele (Ag, Pb sau Hg). Din reacţia Cys cu clorura mercurică se formează un mercaptan (cloromercuri-cisteina).NH2-CH-COOH + HgCl2 → NH2-CH-COOH +HCl

CH2-SH CH2-S-HgCl

Reacţii de identificare a aminoacizilor

28

NaOH

Reacţii generale de identificare a aminoacizilor

a) Reacţia cu acidul azotos (metoda van Slyke) (vezi „Reacţii ale grupării amino”)

Obs. În cazul glicinei (un aminoacid alifatic) se constată o puternică eliberare de azot gazos

În cazul tirozinei (un aminoacid aromatic) se formează, într-o primă etapă, o sare de diazoniu, care prin încălzire se descompune în azot şi acid p-hidroxifenilen beta lactic.

b) Reacţia cu ninhidrina este cea mai comună reacţie de detecţie şi de dozare cantitativă a unui aminoacid. Ninhidrina (tricetohidrinden hidrat) este un puternic agent oxidant, care reacţionează cu toţi α-aminoacizii şi determină dezaminarea oxidativă a acestora, reacţie însoţită de eliberarea de NH3, CO2 şi de formarea aldehidei corespunzătoare şi a formei reduse a ninhidrinei. Reacţia are loc în domeniu de pH 4-8 şi se formează compuşi coloraţi în albastru-violet (purpura lui Ruhemann). Excepţie, fac iminoacizii- prolina şi hidroxiprolina – care în urma reacţiei cu ninhidrina formează o serie de compuşi coloraţi în galben.

În timpul reacţiei:- are loc dezaminarea şi decarboxilarea aminoacizilor, sub acţiunea oxidantă a ninhidrinei, însoţită de eliberarea de CO2 şi NH3; aminoacidul trece prin stările intermediare de acid α-iminic şi de acid α-cetonic (grupare carbonil la Cα).

COOH COOH COOH R

H-C-NH2 C=NH C=O C=O

R R R H

29

-2H+ NH3 CO2

- concomitent, ninhidrina este redusă; ninhidrina redusă condensează cu un al doilea mol de ninhidrină şi reacţionează cu amoniacul eliberat pe parcursul reacţiei de dezaminare a aminoacidului, formând o substanţă purpurie ce are absorbţia maximă la 570nm. Prolina formează un compus galben cu maxim de absorbţie la 440nm.

4) Reacţia cu prolina

30

Reacţia aminoacizilor cu ninhidrina este foarte sensibilă şi este frecvent utilizată pentru identificarea aminoacizilor.

Deoarece absorbţia este proporţională cu cantitatea de aminoacid prezent în probă, această reacţie furnizează o metodă colorimetrică de dozare cantitativă a aminoacizilor.

Reacţii specifice de identificare a aminoacizilorDenumire Reactanţi Aminoacid Culoare

Reacţia Millon HgNO3 cu urme de HNO2 Tyr roşuReacţia xanto-

proteicăHNO3 conc. la fierbere Tyr

TrpPhe

galben

Reacţia Hopkins-Cole

acid glioxilic în H2SO4 conc. Trp purpuriu

Denumire Reactanţi Aminoacid CuloareReacţia Erlich p-dimetilaminobenzaldehidă

în HCl conc.Trp albastru

Reacţia Sakaguchi

α-naftol şi NaClO Arg roşu

Reacţia cu nitroprusiat de

sodiu Na2Fe(CN)5NO

nitroprusiat de Na în NH3

diluatCys roşu

Reacţia Sullivan

1,3-naftochinon-4-sulfonat de sodiu şi hidrosulfit de

sodiu

Cys roşu

Reacţia Pauly acid sulfanilic diazotat, în mediu alcalin

HisTyr

roşu

Reacţia Folin-Ciocâlteu

acid fosfomolibdotungstic Tyr albastru

Reacţia Ellman acid 5,5’-ditio-bis-2-nitro benzoic

Cys

31

Metode de determinare cantitativă a aminoacizilor

Metode microbiologiceMulte microorganisme cresc şi se dezvoltă pe medii ce includ cantităţi

adecvate de aminoacizi, vitamine, săruri, baze purinice şi pirimidinice.Multe bacterii cresc cu o viteză scăzută când unul dintre aminoacizii

esenţiali este prezent în cantităţi mai mici decât cea optimă. Pornind de la această constatare experimentală, se poate determina cantitativ un aminoacid în următorul mod:

- I experienţă: se realizează un studiu al variaţiei vitezei de creştere a unei bacterii în funcţie de diferite cantităţi cunoscute din aminoacidul ce urmează a fi determinat;

- II experienţă: se determină viteza de creştere a bacteriei în medii în care s-au introdus cantităţi variabile dintr-un amestec de aminoacizi ce conţin şi aminoacidul ce urmează a fi determinat;

- calcularea rezultatelor: prin compararea vitezelor de creştere în cele 2 tipuri de experienţe se poate calcula cantitatea de aminoacid din amestec.

Viteza de creştere a unei bacterii în mediu lichid poate fi determinată prin măsurarea creşterii turbidităţii suspensiei celulare în mediul de cultură sau prin determinarea concentraţiei unui produs al metabolismului ei.

Metode enzimaticeCele mai precise şi sensibile metode de dozare a aminoacizilor utilizează

enzime ce caracterizeză transformarea unui singur aminoacid (chiar a unui singur stereoizomer al acestuia), cum ar fi decarboxilazele şi dezaminazele.

R-CH-COOH R-CH2-NH2 + CO2

NH2

aminoacid amină

R-CH-COOH + A + H2O R-C=O + NH3 + AH2

NH2 COOH cetoacid

Metode cromatografice

32

decarboxilaza

dezaminază

Metoda cromatografică este o metodă fizico-chimică de separare a unor amestecuri lichide sau gazoase în zone separate spaţial şi se bazează pe diferenţa funcţiilor de repartiţie a substanţelor între 2 faze: lichid-lichid, lichid-gel, gaz-lichid la suprafaţa unei faze solide.

Repartiţia între 2 faze se repetă în mod continuu în diferitele puncte ale fazei staţionare prin care curge amestecul ce trebuie separat.

În cazul aminoacizilor se folosesc 2 tipuri de cromatografii: cromatografia pe hârtie şi cromatografia în strat subţire. Cele 2 metode cromatografice sunt similare atât din punct de vedere al principiului metodei, cât şi din punct de vedere experimental, diferenţa constând în natura fazei staţionare (suportul) care în primul caz este hârtia cromatografică (de obicei hârtie Whatmann 1,2,3), iar în cel de-al doilea caz este un oxid de siliciu (de obicei, Silicagel).

După direcţia de migrare se deosebesc mai multe tipuri de cromatografie:

- ascendentă: când solventul migrează de jos în sus;

- descendentă: când direcţia de migrare a solventului este de sus în jos;

- radială şi sferică: când se utilizează rondele de hârtie sau sfere compacte ale acesteia.

După numărul de migrări ale solventului:- cromatografie unidimensională- cromatografie bidimensională (solventul migrează în două direcţii

diferite şi perpendiculare una pe alta).Etape ale cromatografiei1. obţinerea amestecului de aminoacizi (de exemplu prin extracţii de

material vegetal sau din ser)2. aplicarea probelor (0,2-0,4mg proteină)3. irigarea hârtiei sau plăcii cromatografice cu un amestec de solvenţi,

care reprezintă faza mobilă4. uscarea cromatogramelor5. revelare cu o soluţie de ninhidrină 0,2-0,3% în alcool 960 prin

pulverizare.6. uscare7. determinare calitativă: spoturile colorate ce apar corespund

diverşilor aminoacizi din amestecul de analizat. Identificarea aminoacizilor se face prin determinarea valorii Rf (factor de retenţie)

Rf = distanţa parcursă de o componentă a amestecului/distanţa parcursă de frontul solventului

33

Pentru un compus, valoarea Rf reprezintă în condiţii bine standardizate o constantă caracteristică prin care se poate identifica un anumit aminoacid prin determinarea experimentală a valorii Rf şi compararea acesteia cu valorile din tabele sau prin comparare cu un standard sau etalon al aminoacidului pur respectiv, ce a fost tratat în mod similar cu amestecul de analizat.

Deoarece unii aminoacizi au în anumite amestecuri de solvenţi valori R f

foarte apropiate, separarea lor necesită realizarea unei cromatograme bidimensionale, folosind succesiv 2 solvenţi de irigare diferiţi, astfel aleşi încât unul din cei 2 compuşi să aibă valori Rf diferite în unul din solvenţi.

8. determinarea cantitativă se face prin eluţia petelor (spoturilor) şi anume: pe hârtia cromatografică se depunde fiecare probă în dublu exemplar, iar după irigare se developează numai una, obţinându-se spoturi corespunzătoare aminoacizilor. Probele nedevelopate se identifică prin comparaţie cu nivelul spoturilor colorate, se taie şi se eluează în eprubete cu apă distilată, la temperatura camerei timp de 15 minute. Probele se tratează cu CdCl2.

Eluţia se mai poate realiza şi după developarea cu ninhidrină.

34