Amminoacidi Basici Presenti Nelle Proteine: Un Approfondimento

Un amminoacido è un composto organico caratterizzato dalla presenza, nella molecola, di un gruppo acido, carbossilico, −COOH e di un gruppo basico, amminico, −NH2. Gli amminoacidi si possono trovare presenti allo stato libero nei tessuti e nei liquidi dell’organismo, oppure legati in peptidi a basso peso molecolare, di grande importanza dal punto di vista biologico. Soprattutto, però, gli amminoacidi si trovano in natura come costituenti delle proteine, uniti l’uno all’altro in un arrangiamento tipo testa-coda con legame ammidico, detto legame peptidico, che si forma per reazione fra un gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di quello successivo con liberazione di una molecola d’acqua; si vengono così a formare lunghi polimeri lineari chiamati catene polipeptidiche.

Gli amminoacidi delle proteine sono tutti α-amminoacidi, cioè il gruppo amminico si trova legato allo stesso carbonio a cui è legato il gruppo carbossilico. Le catene laterali degli amminoacidi hanno una fondamentale importanza biologica in quanto determinano le proprietà funzionali e strutturali delle proteine stesse. Nella maggior parte dei casi il carbonio in α porta anche un atomo di idrogeno.

Ad eccezione della glicina tutti gli amminoacidi hanno quattro raggruppamenti atomici differenti legati al carbonio a cui è unito il gruppo amminico, che risulta così asimmetrico; per ogni amminoacido possono esistere due stereoisomeri L e D. Solo gli L-amminoacidi sono composti biologicamente attivi e possono essere utilizzati dagli organismi viventi. Gli amminoacidi sono sostanze otticamente attive: uno stereoisomero della serie L può essere destrogiro (+) o levogiro (−).

Un fatto interessante e importante è che quasi tutti gli amminoacidi isolati dalle proteine hanno la configurazione L al carbonio α anche se alcuni amminoacidi isolati da fonti microbiologiche sono isomeri a immagine speculare, cioè hanno la configurazione D (enantiomeri). Non esiste una vera ragione per cui gli amminoacidi naturali debbano appartenere alla serie L piuttosto che alla serie D. La cosa fondamentale è che abbiano tutti la stessa configurazione perché così possono costruire proteine con una struttura ben definita. In natura gli amminoacidi D si incontrano molto raramente.

Un amminoacido può esistere quindi in una forma completamente protonata (forma cationica) o in una forma completamente deprotonata (forma anionica). Esiste un pH al quale l'amminoacido è presente in forma di ione dipolare (zwitterione). Questo valore di pH (caratteristico per ciascun amminoacido) si chiama punto isoelettrico.

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Dal punto di vista chimico, l'aminoacido è un composto organico contenente un gruppo carbossilico (COOH) ed un gruppo aminico (NH2). In chimica, gli aminoacidi detti anche amminoacidi, sono molecole organiche che nella loro struttura recano sia il gruppo funzionale amminico NH2 che è basico, sia quello carbossilico COOH, che è acido. Ogni amminoacido contiene questi due gruppi strutturali, ma ciò che li differenzia, uno dall’altro è la presenza di un residuo detto R o catena laterale.

Classificazione e Importanza Biologica

Fra gli amminoacidi dei materiali viventi, sono circa 20 quelli che vengono a costituire le proteine che si trovano in natura; i rimanenti sono degli intermedi o dei prodotti finali del metabolismo. Delle migliaia di amminoacidi, solo 20 rientrano nella composizione delle proteine. Questi (gli amminoacidi) sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo -COOH e uno -NH2.

Sono stati proposti vari tipi di classificazione degli aminoacidi, tutti basati sulla natura dei gruppi R. Il criterio più diffuso è quello basato sulla polarità dei gruppi laterali, misurata a pH 6,0-7,0, cioè al normale pH intracellulare; in base a tale criterio, si possono individuare quattro classi principali di aminoacidi: non polari o idrofobici, polari ma privi di carica, carichi positivamente, carichi negativamente.

Gli amminoacidi svolgono nell'organismo tre diverse funzioni. Innanzitutto costituiscono gli elementi di base delle proteine, nelle quali sono uniti l'uno con l'altro mediante legami peptidici: le diverse migliaia di proteine esistenti sono dovute proprio alla diversa sequenza dei singoli aminoacidi. Essi inoltre, come tali o in forme da essi derivate, danno origine ad alcuni ormoni e mediatori chimici, oltre che ad altre molecole di importanza biologica. Gli aminoacidi rappresentano, infine, un'essenziale fonte di energia per l'organismo.

Amminoacidi Essenziali e Non Essenziali

Gli a. costituenti le proteine sono 20, dei quali 8 sono considerati a. essenziali per l’uomo, poiché non possono essere sintetizzati nell’organismo umano: isoleucina, leucina, lisina, fenilalanina, metionina, treonina, triptofano, valina. Gli a. sono componenti indispensabili nella dieta di tutti gli animali, compreso l’uomo.

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Tutte le specie viventi sono capaci di sintetizzare amminoacidi, molte specie tuttavia sono incapaci di sintetizzare entro il proprio sistema metabolico tutti gli amminoacidi occorrenti alla vita della loro specie. Gli otto amminoacidi con questo speciale significato per la specie umana vengono chiamati amminoacidi essenziali. Questi sono essenziali non perché sono i soli amminoacidi richiesti nel funzionamento della vita umana, ma perché essi sono essenziali nella dieta della specie umana, poiché le nostre cellule non riescono a sintetizzarli. Il nostro organismo riesce a sintetizzare alcuni degli amminoacidi necessari per costituire le svariate proteine, ma non è capace di costruirne altri, che vengono perciò definiti "essenziali" e devono essere introdotti con gli alimenti (sono 8, fenilalanina, isoleucina, lisina, leucina, metionina, treonina, triptofano e valina, più l’istidina solo per i ragazzi in crescita).

Si definiscono 'essenziali' quegli aminoacidi, indispensabili alle normali funzioni dell'organismo, che esso non è in grado di sintetizzare e che devono quindi essere presenti nella dieta. Il termine essenziale ha un significato unicamente nutrizionale, in quanto per la sintesi delle proteine sono ovviamente necessari tutti e 20 gli aminoacidi che le costituiscono. Gli aminoacidi essenziali per i mammiferi sono 9, e precisamente lisina, treonina, metionina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano e istidina.

Le proteine mangiate dall'uomo (e dagli altri animali) vengono completamente idrolizzate ad amminoacidi e quindi questi possono essere utilizzati come mattoni per costruire le proteine dell'individuo.

Sono definiti aminoacidi condizionatamente essenziali (L-arginina, L-glicina, L-glutammina, L-prolina e L-taurina) quegli aminoacidi che ricoprono un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'omeostasi e delle funzioni dell'organismo in determinate situazioni fisiologiche. In ogni caso queste carenze possono essere superate semplicemente utilizzando appropriate associazioni alimentari ad esempio pasta e fagioli.

Tabella degli Amminoacidi Essenziali

Amminoacido Essenziale	Funzioni Principali
Isoleucina	Sintesi proteica, metabolismo del glucosio
Leucina	Crescita e riparazione dei tessuti muscolari
Lisina	Assorbimento del calcio, produzione di ormoni e enzimi
Fenilalanina	Produzione di neurotrasmettitori
Metionina	Antiossidante, metabolismo dello zolfo
Treonina	Funzione immunitaria, sintesi del collagene
Triptofano	Precursore della serotonina e melatonina
Valina	Metabolismo muscolare, riparazione dei tessuti
Istidina (condizionatamente essenziale)	Crescita (nei bambini), produzione di istamina

Proprietà Chimiche degli Amminoacidi

Gli amminoacidi sono solubili in solventi polari e, disciolti in acqua, danno luogo alla formazione di anfoioni (che presentano un gruppo -NH3+ e un gruppo -COO- e sono quindi elettricamente neutri). Se nella soluzione c’è un eccesso di ioni H+, l’amminoacido si comporta da base, se c’è invece un difetto di protoni, l’amminoacido si comporta da acido. Ad un determinato valore di pH (punto isoelettrico -P.I.-) l’amminoacido non migra sotto il flusso di alcun campo elettrico.

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1. Tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine (tranne la glicina) hanno asimmetrico l’atomo di carbonio in posizione a e sono quindi otticamente attivi.
2. Quelli naturali appartengono alla serie stereochimica L, in quanto il loro atomo di carbonio asimmetrico ha la stessa configurazione dell’atomo di carbonio asimmetrico della L-gliceraldeide.
3. Le proprietà chimiche degli amminoacidi sono le stesse del gruppo amminico e del gruppo carbossilico.

α-amminoacido L’acido nitroso reagisce con il gruppo -NH2 trasformando un in un α-ossiacido. La trasformazione di un α-amminoacido in un α-chetoacido si ottiene mediante deidrogenazione enzimatica e successiva reazione con acqua. La decarbossilazione degli amminoacidi porta alla formazione di ammine primarie.

Da un punto di vista biologico, la reazione più importante è quella in cui il gruppo -NH2 di un amminoacido reagisce con il gruppo -COOH di una seconda molecola di amminoacido per formare un dipeptide in cui il raggruppamento carboamidico -CONH- tiene legati fra loro i due residui di amminoacidi. Il legame che tiene uniti C, O e N prende il nome di legame carboammidico; quando è presente nei polipeptidi e nelle proteine viene detto legame peptidico.

Proiezione di Fisher

Cosa si intende per proiezione di Fisher? Per disegnare una molecola con la proiezione di Fischer, la catena principale va disegnata verticale, con il gruppo più ossidato in alto. Il carbonio alfa (C2) è il cuore della struttura degli amminoacidi. Dato che gli amminoacidi si legano tra loro per formare catene lineari (chiamate peptidi se sono corte o proteine se superano le 50 unità), è più conveniente disegnarli con una proiezione di Fischer modificata ponendo a sinistra il gruppo amminico e a destra il gruppo carbossilico. In questo modo la catena laterale R si trova in alto e l'idrogeno in basso.

Esempi di Amminoacidi

• Glicina: è l'amminoacido più piccolo, l'unico non chirale dato che ha due atomi di idrogeno sul carbonio alfa.
• L-alanina: è l'amminoacido con la più piccola catena laterale alchilica che, infatti, è costituita da un solo carbonio.
• L-valina: come catena laterale, ha un gruppo isopropilico.
• L-leucina e L-isoleucina: sono gli amminoacidi alchilici più apolari. La loro catena laterale è un isobutile e un secbutile rispettivamente. La loro struttura può essere ricordata osservando che il sec butile ha la forma di una L che sembrerebbe logico associare a Leucina, invece l'associazione è opposta. La forma ad L è di isoleucina, il gruppo isobutile è di leucina.
• L-triptofano: ha un indolo legato alla catena laterale di un'alanina. E' l'amminoacido con il più forte assorbimento UV a 270 nm.
• L-prolina: è l'unico amminoacido che non ha un gruppo amminico primario in alfa, dato che la sua catena laterale chiude un anello a cinque termini che incorpora l'azoto (pirrolidina) e forma un'ammina secondaria.
• L-metionina: Metionina ha un gruppo CH3S- che però è legato ad una catenella di due carboni e non di uno solo come in fenilalanina.
• L-treonina è un amminoacido alcolico con un carbonio in più della serina. Il suo nome ha la radice treo del D-treosio, lo zucchero di quattro carboni con due centri chirali diversi (2S,3R). Anche la treonina ha quattro carboni e due centri chirali diversi (2S,3R). La treonina è l'unico amminoacido profumato, ha un deciso aroma di liquirizia.
• L-tirosina: è un amminoacido alcolico aromatico. Dopo il triptofano, è quello che assorbe di più all'UV, mentre gli altri amminoacidi, a parte fenilalanina, non assorbono a 270 nm.
• L-cisteina: è un amminoacido tioalcolico. Il fatto che lo zolfo pesi più dell'ossigeno, cambia la priorità secondo le regole CIP e quindi la sua configurazione sul C2 è R invece di S come negli altri amminoacidi. La cisteina, nelle proteine, è importante perché, per ossidazione, può legarsi ad un'altra cisteina formando un ponte disolfuro. Questo è il solo legame covalente che si può formare tra punti diversi di una proteina ed è importante per mantenere stabile la struttura tridimensionale (terziaria) delle proteine.
• L-istidina: ha un anello imidazolico legato ad una catenella di un solo carbonio.

Altre Funzioni degli Amminoacidi

Oltre a quelli coinvolti nella sintesi delle proteine, molti altri aminoacidi svolgono funzioni molto importanti.

• Aminoacido non essenziale, presente soprattutto nella carne (la quota assunta con l'alimentazione potrebbe pertanto risultare insufficiente in un alimentazione strettamente vegetariana). E' coinvolto nel ciclo dell'urea, nella gluconeogenesi e nella sintesi di un importante neurotrasmettetore che migliora le funzionalità cerebrali.
• Aminoacido importante per le funzioni nervose e cerebrali in quanto neurotrasmettitore eccitatorio e precursore naturale del GABA. All'interno del sistema nervoso centrale regola la sintesi proteica e per questo motivo viene utilizzato in caso di affaticamento cronico e nel miglioramento delle funzioni cerebrali (apprendimento, memoria ecc.).
• Presente negli alimenti vegetali ed in particolare nei semi germogliati è un aminoacido importante nell'eliminazione dell'ammoniaca, sostanza tossica per l'organismo che può causare disordini cerebrali.
• Importante amminoacido precursore dell'ossido nitrico (NO). Questa molecola è responsabile dell'effetto vaso-dilatante ed è quindi utile come riduttore della pressione sanguigna, miglioramento della circolazione a fini sportivi e migliorativa sul meccanismo di eccitazione. Assunta ad alte dosi per infusione endovenosa, favorisce la produzione dell'ormone della crescita (GH).
• Facilita il trasporto degli acidi grassi a media e lunga catena nel mitocondrio dove verranno ossidati per produrre energia. Particolarmente concentrata nel muscolo scheletrico e nel cuore viene sintetizzata a partire da lisina e metionina in presenza di ferro, vitamina C, B1 e B6. L'eventuale utilità del supplemento potrebbe essere utile per la salute del cuore, soprattutto in età avanzata.
• Questi amminoacidi si convertono a vicenda in caso di necessità. Sono coinvolti nella produzione di collagene e sostengono la salute di capelli e cute. Supplementi di questi aminoacidi vengono utilizzati per il recupero da ustioni e nel trattamento dell'artrite reumatoide.
• La cisteina combatte i radicali liberi (precursore del glutatione) e contribuisce a proteggere il corpo dai danni delle radiazioni ionizzanti (utilizzata in associazione ad alcuni trattamenti anti-cancro) e dell'invecchiamento cellulare. Espleta le sue funzioni soprattutto nel fegato.
• Come altri amminoacidi, la citrullina è coinvolta nel ciclo dell'urea, favorisce l'eliminazione di ammoniaca ed è coinvolta nella funzionalità delle difese immunitarie.
• Viene utilizzata dal cervello per produrre alcuni importanti neurotrasmettitori che, oltre a migliorare l'umore, alleviare il dolore e migliorare la funzionalità cerebrale, riducono la fame e l'appetito favorendo il senso di sazietà.
• Sono due aminoacidi importanti nella sintesi di collagene, insieme alla vitamina C o acido ascorbico. Ha funzioni simili all'acido glutammico, dal quale viene sintetizzata.
• Uno dei tre aminoacidi a catena ramificata (gli altri sono leucina e valina), aumenta la resistenza muscolare, rallenta la decomposizione delle proteine strutturali e favorisce il recupero da uno sforzo prolungato. Partecipa alla formazione di emoglobina e alla sintesi dell'ormone della crescita.
• Aminoacido abbondantemente presente nei globuli bianchi e rossi di cui regola la sintesi. Partecipa alla formazione della guaina mielinica che protegge le cellule nervose e garantisce l'ottimale conduzione dello stimolo nervoso.
• Precursore dell'istamina, questo importante aminoacido collabora alla funzionalità del sistema immune e all'insorgenza del desiderio sessuale. Nei bambini è considerato essenziale.
• Aminoacido di cui sono carenti i cereali. Grazie alla presenza di zolfo combatte i radicali liberi. E' implicata nel controllo del colesterolo sanguigno poiché favorisce la sintesi epatica di lecitina. Supporta la sintesi dell'ormone della crescita ed interviene nella disintossicazione da ammoniaca.
• E' un aminoacido importante per la rigenerazione dei muscoli e delle strutture tendinee. Contrasta il processo di invecchiamento grazie alla sua azione anti-radicali liberi. Una carenza di zinco e di taurina può alterare la visione. E' importante nella funzionalità cardiaca ed è usata nella terapia di ipertensione, aritmie cardiache, epilessia e distrofia muscolare. La taurina è presente in uova, pesci, carne e latte, ma non negli alimenti di origine vegetale.
• Deriva dalla fenilalanina e promuove il corretto funzionamento delle tiroide e delle ghiandole adrenergiche.
• Aminoacido precursore di serotonina e melatonina, usato per alleviare in modo naturale l'insonnia, l'ansia e la depressione.

Fabbisogno e Biodisponibilità

Da quando W.C. Rose ha presentato dati quantitativi relativi al fabbisogno di aminoacidi essenziali nell'adulto, numerosi studi si sono susseguiti per definire il fabbisogno di aminoacidi nelle diverse classi di età (lattanti, bambini, adolescenti, adulti maschi e femmine). Di regola si accetta che il fabbisogno di aminoacidi, in condizioni di adeguata introduzione di energia, sia pari alla quantità necessaria per ottenere negli adulti l'equilibrio di azoto, cioè la condizione in cui la quantità di azoto introdotta nell'organismo è uguale a quella eliminata. Nei soggetti in accrescimento, invece, tale bilancio deve naturalmente essere positivo.

Nel valutare la qualità biologica di un alimento proteico non è sufficiente determinarne il contenuto di aminoacidi essenziali, ma bisogna sapere in che quantità esso possa essere effettivamente assorbito e utilizzato dall'organismo: tale quantità viene detta 'biodisponibile'. Il termine biodisponibile è stato coniato in seguito all'osservazione che l'imbrunimento subito dal latte in polvere preparato con la metodologia a rulli, oggi non più in uso, e la riduzione della qualità delle sue proteine erano dovuti a una reazione non enzimatica che coinvolgeva la lisina, simile a quella descritta da L.C.

Sia la formazione del composto di Amadori sia quella dei prodotti sopra citati comporta una riduzione della biodisponibilità dell'aminoacido coinvolto. Per es., a livello dell'aminoacido terminale valina della catena β della emoglobina, si verifica una glicosilazione non enzimatica ed è stato provato che l'entità di questa glicosilazione riflette lo stato della glicemia nelle 3-4 settimane precedenti la determinazione. Il prodotto di tale reazione ha quindi nel soggetto diabetico un valore diagnostico che integra quello della normale glicemia.

Oltre alla qualità biologica, essa influenza anche altri aspetti qualitativi degli alimenti, come l'aroma, il gusto e il colore. A seconda del tipo di materiale trattato l'attenzione viene posta su aspetti diversi, quali la formazione di aromi (come nella tostatura del cacao, del caffè, delle nocciole e nella cottura delle carni), il contenimento della perdita di lisina (come nei processi di sterilizzazione al calore, in particolare del latte, e nei processi di essiccamento) o la formazione di antiossidanti.

Metabolismo e Malattie Genetiche

Per primo A.E. Garrod, nelle Croonian Lectures alla Royal society of physicians del 1908, fece notare che quattro alterazioni del metabolismo, e precisamente albinismo, alcaptonuria, cistinuria e pentosuria, avevano in comune alcune caratteristiche, cioè il manifestarsi nei primi giorni di vita, avere una ricorrenza familiare ed essere più frequenti nei figli di consanguinei. La mancanza di un enzima coinvolto nella sintesi di un aminoacido può portare all'accumulo di precursori di sostanze tossiche, le quali provocano una sequela di manifestazioni morbose, talora mortali.

Anche se solo in alcuni casi è nota la natura molecolare dell'alterazione, si sa che queste malattie vengono di regola ereditate come carattere autosomico recessivo (v. genetiche, malattie) e, per alcune di esse, è stato possibile mappare il locus cromosomico del gene implicato.

Una delle malattie dovute alla mancanza di amminoacidi essenziali è quella conosciuta con il nome kwashiorkor (parola che deriva da un dialetto africano che tradotta significa "primo e secondo"); tale malattia colpisce il primogenito ma dopo la nascita del secondo figlio perché viene a mancare al primo il latte materno che contiene il corretto apporto di proteine.

Nel nostro corpo, la tirosina è sintetizzata a partire dalla fenilalanina. Se l'enzima che fa questa conversione è difettoso, la fenilalanina si può accumulare e diventa tossica per il sistema nervoso provocando ritardi mentali irreversibili fin dai primi mesi di vita. Questa sindrome è chiamata fenilchetonuria e i suoi effetti tossici possono essere prevenuti solo con una dieta povera di fenilalanina. Per questo, nelle bevande addolcite con aspartame, un dipeptide formato da acido aspartico e fenilalanina, è riportata l'avvertenza: contiene una fonte di fenilalanina.

Qualità Biologica e Integrazione

La qualità biologica delle proteine è legata al loro contenuto di aminoacidi essenziali ed è dettata dal livello dell'aminoacido essenziale presente in quantità minore rispetto al bisogno, definito per questo 'limitante'. Uno dei modi per correggere la presenza insufficiente di uno o più aminoacidi consiste nell'operare un'opportuna scelta di proteine o di alimenti proteici, così da correggere reciprocamente le rispettive limitazioni (complementazione). Un altro metodo consiste nell'aggiungere direttamente l'aminoacido limitante, come avviene di regola in zootecnica, dove è pratica generalizzata quella di integrare i mangimi con l'aminoacido limitante metionina.

L'indice chimico è dato dal rapporto tra la quantità di un dato aminoacido in un grammo della proteina in esame e la quantità dello stesso aminoacido in un grammo della proteina di riferimento biologica (dell'uovo).

Produzione di Amminoacidi

Esistono due tipi di processi per la produzione su larga scala di aminoacidi, i processi chimici e quelli biotecnologici. Con i primi si ottiene il prodotto racemico, cioè L- e D-aminoacidi in uguale proporzione, ed è quindi necessario un ulteriore trattamento per isolare la forma L, cioè quella biologicamente attiva. Con i secondi invece si ottiene direttamente la forma L e, grazie alla notevole semplificazione del processo, sono possibili rese molto elevate e un cospicuo abbattimento dei costi.

Tra i processi biotecnologici possono essere distinti i processi fermentativi e quelli di biotrasformazione. Negli ultimi anni la produttività di alcuni ceppi è stata migliorata grazie all'impiego di tecniche di ingegneria genetica. Nei processi di biotrasformazione invece una sostanza A (per es., un precursore o un intermedio) viene trasformata nella sostanza B mediante l'uso di un biocatalizzatore (enzima) di origine microbica o purificato da cellule animali o vegetali.

I biocatalizzatori hanno il vantaggio, rispetto ai catalizzatori chimici, di essere fortemente specifici o stereospecifici. Spesso vengono impiegati enzimi in soluzione o enzimi immobilizzati, che rimangono attivi per tempi molto lunghi.

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