Organic Chemistry Second Edition Janice Gorzynski Smith University

Organic Chemistry, Second Edition Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Chapter 28 Lecture Outline Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The Mc. Graw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 1

Amminoacidi e proteine Ammino acidi • Gli amminoacidi naturali hanno un gruppo amminico (NH 2) legato al carbonio di un gruppo carbossilico (COOH), e per questo vengono chiamati -amminoacidi. • I 20 amminoacidi naturali che sono presenti nelle proteine differiscono fra loro per la natura del gruppo R legato al carbonio . Il gruppo R viene definito catena laterale dell’amminoacido. • I prefissi D ed L vengono usati per attribuire la 2 configurazione al centro stereogenico degli

Amminoacidi e proteine Amminoacidi • Gli amminoacidi naturali comuni vengono definiti Lamminoacidi. I loro enantiomeri, i D-ammino acidi, si trovano di raro in natura. • Utilizzando la convenzione R, S, tutti gli L-amminoacidi hanno la configurazione S eccetto la cisteina. • Tutti gli amminoacidi hanno nomi comuni. Questi nomi possono essere sostituiti con una abbreviazione a una lettera oppure a tre lettere. Figure 28. 1 The general features of an α-amino acid 3

Amminoacidi e proteine 4

Amminoacidi e proteine • Gli amminoacidi con un gruppo COOH in più nella catena laterale si chiamano amminoacidi. • Quelli con un azoto basico in più nella catena laterale si chiamano amminoacidi basici. • Tutti gli altri sono amminoacidi neutri. 5

Amminoacidi e proteine Amminoacidi Guardiamo più attentamente la struttura della prolina, dell’isoleucina e della treonina. • Tutti gli amminoacidi contengono un’ammina 1° esclusa la prolina. Questa è un’ammina 2°. • L’isoleucina e la treonina contengono un ulteriore centro stereogenico sul carbonio , così esistono quattro possibili stereoisomeri, uno solo dei quali è quello naturale. • Gli esseri umani sono in grado di sintetizzare solo 10 di questi 20 amminoacidi. I rimanenti 10 vengono definiti amminoacidi 6 essenziali perchè devono essere assunti con la dieta.

Amminoacidi e proteine Amminoacidi • Ricordare che il trasferimento di un protone forma un sale chiamato zwitterione. 7

Amminoacidi e proteine Amminoacidi • Gli amminoacidi possono assumere un diverso numero di cariche in funzione del p. H della soluzione acquosa in cui sono sciolti. • Per amminoacidi neutri, la carica complessiva può essere +1, 0, o – 1. Solo la forma zwitterionica esiste a p. H ~7. Figure 28. 3 How the charge of a neutral amino acid depends on the p. H 8

Amminoacidi e proteine Amminoacidi • I gruppi –COOH e –NH 3+ di un amminoacido sono ionizzabili, perchè possono cedere un protone in soluzione acquosa. Essi hanno differenti valori di p. Ka. Il p. Ka del gruppo –COOH è generalmente ~2, mentre quello del gruppo –NH 3+ è ~9. • Alcuni amminoacidi come l’acido aspartico e la lisina, hanno catene laterali acide o basiche. Questi ulteriori gruppi ionizzabili complicano ulteriormente il comportamento acido-base di questi amminoacidi. • Ricordare che il punto isoelettrico è quel valor di p. H al quale l’amminoacido esiste principalmente nella sua forma neutra. Può essere calcolato dalla media fra i valori di p. Ka dei gruppi -COOH e -NH 3+ (solo per gli ammino acidi neutri). 9

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Peptidi Amminoacidi e proteine • Quando gli amminoacidi sono legati insieme con legami ammidici, formano molecole più grandi chiamate peptidi e proteine. • Il termine proteina è di solito riservato per polimeri di più di 40 amminoacidi. 11

Amminoacidi e proteine Peptidi • Per formare un dipeptide, il gruppo amminico di un amminoacido forma un legame ammidico con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido. Poiché ciascun amminoacido ha sia un gruppo amminico che uno carbossilico, si possono formare due diversi peptidi. Il gruppo COOH dell’alanina può reagire con il gruppo NH 2 della cisteina. 12

Amminoacidi e proteine Peptidi Il gruppo COOH della cisteina può reagire con il gruppo NH 2 dell’alanina. • Notare che, per convenzione, l’amminoacido N-terminale viene sempre scritto all’estremità di sinistra della catena e l’amminoacido C-terminale all’estremità destra. • Il peptide può essere abbreviato scrivendo i simboli ad una o tre lettere per gli amminoacidi della catena partendo 13 dall’estremità N-terminale verso quella C-terminale.

Amminoacidi e proteine Peptidi Il carbonio carbonilico di un’ammide è ibrido sp 2 e presenta una geometria trigonale planare. Le ammidi sono più stabilizzate per risonanza rispetto agli altri composti acilici, quindi la struttura di risonanza che contiene il legame C=N dà un contributo significativo all’ibrido. 14

Amminoacidi e proteine Peptidi La stabilizzazione per risonanza ha conseguenza significative. La rotazione attorno al legame C—N è limitata a causa del suo parziale carattere di doppio legame. Di conseguenza, ci sono due possibili conformazioni. 15

Amminoacidi e proteine Peptidi • Una seconda conseguenza della stabilizzazione per risonanza è che tutti i sei atomi coinvolti nel legame peptidico giacciono sullo stesso piano. • Tutti gli angoli sono ~120° ed i legami C=O e N—H sono orientati a 180° l’uno rispetto all’altro. 16

Amminoacidi e proteine Peptidi • La struttura di un tetrapeptide illustra questi effetti in una lunga catena peptidica. 17

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • La sintesi di un determinato dipeptide come Ala-Gly a partire da alanina e glicina è complicato dal fatto che entrambi gli amminoacidi hanno due gruppi funzionali. Di conseguenza, è possibile ottenere quattro prodotti— cioè, Ala-Ala, Ala-Gly, Gly-Gly e Gly-Ala. 18

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • Per sintetizzare i peptidi, è importante proteggere i gruppi funzionali che non vogliamo che reagiscano, e poi formare il legame ammidico. 19

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi 20

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi 21

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • Un gruppo protettore largamente usato è capace di convertire un’ammina in un carbammato, un gruppo funzionale che presenta un carbonile legato ad un atomo di ossigeno ed uno di azoto. • Poiché l’atomo di N del carbammato è legato ad un gruppo carbonilico, l’ammino gruppo protetto non è più nucleofilo. 22

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi Esempio: il gruppo protettore t-butossicarbonile, abbreviato come Boc, si forma per reazione dell’ amminoacido con di-tbutil dicarbonato mediante una reazione si sostituzione nucleofila acilica. • Per essere un gruppo protettore utile, il gruppo Boc deve essere rimosso in condizioni che non disturbino gli altri gruppi funzionali della molecola. Può essere rimosso con un acido come l’acido trifluoroacetico, HCl o HBr. 23

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • Il gruppo carbossilico viene generalmente protetto come estere metilico o benzilico per reazione con un alcol ed un acido. • Questi esteri sono di solito rimossi per idrolisi in basi acqose. 24

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • Un vantaggio nell’utilizzo dell’estere benzilico nella protezione risiede nel fatto che può essere rimosso anche da H 2 in presenza di Pd come catalizzatore. • Questo processo è chiamato idrogenolisi. • Le condizioni di idrogenolisi sono particolarmente blande perché evitano l’uso di acidi e di basi. • Gli esteri benzilici possono anche essere rimossi con HBr in acido acetico. 25

Amminoacidi e proteine Sintesi di peptidi • Questo metodo può essere applicato alla sintesi di tripeptidi e anche di polipeptidi più grandi. 26

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura primaria • La struttura primaria delle proteine è costituita dalla sequenza degli amminoacidi uniti insieme con legami peptidici. L’elemento più importante della struttura è il legame ammidico. 27

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria • Le conformazioni tridimensionali di porzioni circoscritte di una proteina vengono chiamate le sue strutture secondarie. Queste regioni sono il risultato della formazione di legami ad idrogeno fra il protone del gruppo N—H di un’ammide e l’ossigeno del gruppo C=O di un’altra. • Due conformazioni sono particolarmente stabili—l’ elica ed il foglietto -pieghettato. 28

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria • L’ -elica si forma quando una catena peptidica si attorciglia formando una spirale che va verso destra, in senso orario. Figure 28. 9 Two different illustrations of the α-helix 29

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria Quattro caratteristiche importanti dell’ -elica sono: [1] Ciascun giro dell’elica è costituito da 3. 6 aminoacidi. [2] dell’elica. Tutti i legami C=O sono rivolti in una direzione, e tutti i legami N—H sono rivolti nella direzione opposta. [3] legame idrogeno al gruppo N—H del residuo amminoacidico quattro gruppi più avanti lungo la catena. Quindi il legame idrogeno si forma tra due amminoacidi della stessa catena. [4] I legami idrogeno sono paralleli all’asse dell’elica. [5] 30 all’esterno rispetto al centro dell’ -elica.

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria [6] Un’ -elica si può formare solo se c’è libera rotazione attorno ai legami del carbonio del gruppo carbonilico, e non tutti gli amminoacidi l’hanno. [7] La prolina, il cui gruppo amminico fa parte di un anello a cinque termini, è più rigida degli altri amminoacidi, ed il suo legame C —N non può ruotare liberamente. Inoltre, non ha un idrogeno N—H con il quale formare un legame idrogeno intramolecolare che stabilizza l’elica. Quindi la prolina non può far parte di un’ -elica. [8] Sia la miosina dei muscoli che l’ -cheratina nei capelli sono proteine composte quasi esclusivamente di -eliche. 31

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria La struttura secondaria a foglietto -pieghettato si forma quando due o più catene peptidiche, definite filamenti, si allineano una vicino all’altra. Tutti i foglietti -pieghettati hanno le seguenti caratteristiche: [1] I legami C=O ed N—H giacciono nel piano del foglietto. [2] dei residui amminoacidici vicinali. [3] si alternano da un lato e dall’altro lungo il filamento. [4] frequentemente con amminoacidi contenenti gruppi R piccoli, come l’alanina e la glicina. Con gruppi R più ingombranti, le interazioni steriche impediscono alle catene di avvicinarsi e così i foglietti non possono essere stabilizzati da legami idrogeno. 32

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria Figure 28. 10 Three-dimensional structure of the β-pleated sheet 33

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria I filamenti dei peptidi del foglietto -pieghettato possono essere orientati in due modi diversi: Figure 28. 11 The parallel and antiparallel forms of the β–pleated sheet 34

Amminoacidi e proteine Proteine—Struttura secondaria • La maggior parte delle proteine contengono porzioni di -elica e foglietto -pieghettato, oltre ad altre regioni che non possono essere incluse in queste definizioni. • Rappresentazioni schematizzate vengono spesso usate per indicare le porzioni delle proteine che si organizzano come -elica e/o foglietti -pieghettati. Per indicare l’ -elica, si usa un nastro piatto ed avvolto ad elica, mentre per il foglietto -pieghettato si usa una freccia larga e piatta. 35

Aminoacidi e proteine Proteine—Struttura terziaria e quaternaria 36

Aminoacidi e proteine Proteine—Struttura terziaria e quaternaria [4] I legami disolfuro sono gli unici legami covalenti che stabilizzano la struttura terziaria. 37

Aminoacidi e proteine Proteine—Struttura terziaria e quaternaria Figure 28. 14 The stabilizing interactions in secondary and tertiary protein structure 38

Aminoacidi e proteine Proteine—Struttura terziaria e quaternaria • La forma adottata dalla proteina quando due o più catene polipeptidiche si aggregano in un unico complesso viene chiamata struttura quaternaria della proteina. • Ciascuna catena polipeptidica viene definita subunità della proteina. • Come esempio, l’emoglobina consiste di due subunità e due subunità tenute insieme da forze intermolecolari in una struttura compatta tridimensionale. La specifica funzione dell’emoglobina è possibile solo quando tutte le quattro subunità sono insieme. 39

Aminoacidi e proteine Proteine—Quattro livelli di struttura Figure 28. 15 The primary, secondary, tertiary, and quaternary structure of proteins 40