CURS 8

4.2.5. Proprietăţi chimice ale aminoacizilor Proprietăţile chimice sunt determinate de natura grupelor funcţionale existente în

moleculă, respectiv grupa amino (-NH2) şi grupa carboxil (-COOH). 4.2.5.1. Reacţii datorate grupelor funcţionale carboxil a) Reacţia aminoacizilor cu hidroxizii cu formare de săruri:

CH2H2N COOH + NaOH CH2H2N COONa + H2O

glicocol glicocolat de sodiu b) Reacţia aminoacizilor cu alcoolii cu formare de esteri:

CH2H2N COOH + HO R CH2H2N CO

O

R+ H2O

ester al glicocolului

c) Reacţia aminoacizilor (sau a esterilor aminoacizilor) cu amoniac cu formare de amide:

CH2H2N CO

O

H+ HNH2 CH2H2N C

NH2

O+ H2O

glicocolamidă

Reacţia de formare a amidelor are o mare importanţă biochimică, reprezentând una dintre căile de reglare a conţinutului de amoniac din organismele vegetale, deoarece o concentraţie prea mare de amoniac devine toxică pentru plante. Prin formarea amidelor, plantele realizează blocarea amoniacului în exces, prin reacţia inversă, amoniacul fiind la nevoie, pus în libertate.

d) Decarboxilarea aminoacizilor cu formare de amine biogene:

CH2H2N COOH CO2 + H2N CH3

glicocol metilamina Decarboxilarea aminoacizilor este biocatalizată în organismele vii de enzime din clasa

liazelor (aminoaciddecarboxilaze). Unele dintre aminele biogene rezultate sunt compuşi toxici, altele sunt precursori ai unor coenzime. Astfel, ß-alanina rezultată din acid aspartic este componentă a coenzimei A şi a acidului pantotenic, din histidină se formează histamina, din aminoacizii diaminomonocarboxilici ornitina şi lizina se formează heterocicli cu azot (pirol, piridină) prezenţi în structura vitaminelor sau a unor alcaloizi cu rol fiziologic.

CHH2C NH2

COOH

HS- CO2

CH2CH2HS NH2

cisteină cisteamină

componentă a coenzimei A

CHH2C COOH

NH2

HOOC- CO2

CH2H2CHOOC NH2

β-alanina componentă a coenzimei A şi a acidului pantotenic

acid aspartic

CH2H2N (CH2)2 CH NH2

COOH- CO2

CH2H2N (CH2)2 CH2 NH2 - NH3pirolidina pirol

ornitină putresceină CH2H2N (CH2)3 CH NH2

COOH- CO2

CH2H2N (CH2)3 CH2 NH2 - NH3piperidinã piridinã

lizină cadaverină

4.2.5.2. Reacţii ale aminoacizilor datorate grupei funcţionale amino a) Reacţia aminoacizilor cu acizii cu formare de săruri

Această reacţie a aminoacizilor se datorează caracterului bazic (acceptor de protoni, datorită electronilor neparticipanţi ai azotului aminic). În funcţie de tipul acidului se formează săruri numite: clorhidraţi, sulfaţi, azotaţi etc. ai aminoacizilor.

CH2HOOC NH2 + HCl CH2[HOOC NH3] Cl

acid aminoacetic clorhidrat de glicocol glicocol

b) Alchilarea aminoacizilor Alchilarea aminoacizilor (de exemplu metilarea) cu derivaţi halogenaţi, conduce la derivaţi de

amoniu cuaternar, denumiţi betaine.

CH2HOOC NH2 + 3 CH3IHO

- 2HICH2HOOC N

CH3

CH3

CH3

I -

betaina glicocolului

Aceşti derivaţi au o mare importanţă fiziologică, fiind donatori de grupe metilice. În cazul

glicocolului, metilarea completă conduce la formarea glicocol-betainei (cu structură amfionică), care se găseşte în sfecla de zahăr.

c) Acilarea aminoacizilor Acilarea aminoacizilor decurge prin tratarea aminoacizilor cu cloruri acide sau cu

anhidride acide în mediu bazic şi conduce la formarea de N-acilderivaţi. Astfel, din glicocol şi clorură de benzoil (C6H5-CO-Cl) rezultă acidul hipuric (benzoilglicocolul).

HOOC-CH2-NH2 + Cl-CO-C6H5 → HOOC-CH2-NH-OC-C6H5 + HCl

d) Condensarea aminoacizilor cu aldehide cu formare de baze Schiff Această reacţie prezintă importanţă biochimică deosebită, deoarece reprezintă o cale de

biosinteză a aminoacizilor (transaminarea cetoacizilor rezultaţi la biodegradarea aerobă a glucidelor prin ciclul Krebs).

- H2OCHR NH2

COOH

+ C R

H

O CHR N

COOH

CH R

aminoacid aldehidă baza Schiff

e) Dezaminarea aminoacizilor Dezaminările aminoacizilor sunt reacţii catalizate enzimatic şi constau în principiu în

eliminarea grupei amino (sub formă de NH3 sau de N2) şi conservarea grupei carboxil. Se formează substanţe aparţinând unor clase diferite de derivaţi funcţionali. Reacţiile de dezaminare au loc în organismele vii vegetale şi animale şi sunt deosebit de importante în metabolismul aminoacizilor introduşi prin alimentaţie sau rezultaţi în metabolismul proteic. Dezaminările aminoacizilor sunt de mai multe tipuri:

• Dezaminarea oxidativă, conduce la formarea, pe lângă NH3, a cetoacidului cu acelaşi număr de atomi de carbon ca aminoacidul:

- 2 HCHH3C COOH

NH2

C COOH

NH

H3Cenzimã C COOH

O

H3C+ H2O

-NH3

aminoacid iminoacid cetoacid (α-alanină) (acid piruvic) • Dezaminarea hidrolitică, conduce la obţinerea, pe lângă amoniac a unui hidroxiacid cu

număr de atomi de carbon egal cu cel al aminoacidului iniţial:

CHH3C COOH

NH2

/ enzimã+ H2O

-NH3CHH3C COOH

OH α-alanină acid lactic

• Dezaminarea reductivă are ca produs de reacţie un acid saturat care păstrează

numărul de atomi de carbon:

CHH3C COOH

NH2

/ enzimã+2 H

-NH3CH2H3C COOH

acid propionic (acid saturat)

α-alanină • Dezaminarea desaturantă (intramoleculară) conduce la formarea unui acid nesaturat cu

acelaşi număr de atomi de carbon:

CHH3C COOH

NH2

enzimã

-NH3CHH2C COOH

acid acrilic (acid nesaturat)

α-alanină 4.2.5.3. Proprietăţi chimice ale aminoacizilor care implică participarea ambelor

grupe funcţionale a) Reacţia aminoacizilor cu ionii metalelor (Cu, Ni, Pb, Ca, Mg, etc.) cu formare de

complecşi de tip chelatic:

CO

H2C

OH

NH2

Cu2+CH2H2N

C OHO

CO

H2C

O

NH2

CH2

H2N

C OOCu + 2H+

glicocol glicocol glicocolat de cupru Compuşii chelatici sunt combinaţii stabile, nedisociabile, frumos colorate, utilizate în

chimia analitică. b) Reacţiile de condensare ale aminoacizilor pot fi de mai multe feluri:

• condensarea intermoleculară cu formarea de legături peptidice -CO-NH-, implică eliminarea apei între o grupă -COOH a unui aminoacid şi grupa –NH2 a altui aminoacid. Se formează astfel: di-, tri-, tetra-, ..., polipeptide.

Trebuie precizat în cazul legăturii peptidice, caracterul de legătură dublă a legăturii covalente C-N, datorat conjugării electronilor neparticipanţi de la atomul de azot cu electronii de tip π ai legăturii carbonil (conjugare p-π), ceea ce se poate reprezenta prin structuri de rezonanţă.

CH

CH3

H2N C

O

OH CH2HNH C

O

OH+- H2O

+ CHHNH C

O

OH

HOH2C

- H2OCH

CH3

H2N C

O

CH2HN C

O

CHHN C

O

OH

HOH2C

alanină glicină serină alanil-glicil-serină (tripeptidă)

Datorită împiedicării sterice a rotaţiei libere, impusă de caracterul parţial de legătură dublă

C=N, apare posibilitatea apariţiei izomeriei sterice geometrice (cis-trans, sau E-Z), evidenţiată prin existenţa în proteinele naturale doar a izomerului trans (E).

C NO

H

RC N

O

H

R • condensarea intermoleculară a două molecule de aminoacizi care implică ambele grupe

funcţionale ale acestora, conduce la compuşi cu ciclu dicetopiperazinic.

C

OH

CH2

ONHH

+C

HO

H2CO

HNH

+- H2O

CCH2

O C

NH

CH2O

NH

glicină dicetopiperazină

• condensarea intramoleculară implică grupele funcţionale -COOH şi -NH2 ale aceluiaşi

aminoacid, aflate cel puţin, în poziţie γ una faţă de alta; se formează compuşi denumiţi lactame.

4.2.5.4. Proprietăţi ale aminoacizilor datorate radicalului R Aminoacizii liberi, peptidele şi proteidele prezintă şi reacţii chimice care depind de natura

radicalului R şi a grupelor funcţionale grefate pe el. • Reacţii ale nucleelor aromatice Acidul azotic concentrat acţionează asupra nucleului aromatic al aminoacizilor cu

structură aromatică: triptofan, fenilalanină, tirozină etc. sau al aminoacidului cu structură heterociclică histidină, formând nitroderivaţi de culoare galbenă (reacţia xantoproteică de recunoaştere a proteinelor).

• Reacţii ale grupelor funcţionale grefate pe radicalul R Acest tip de reacţii pot fi de exemplu, reacţii de formare de legături hidrofobe în care sunt

implicate catenele hidrocarbonate sau reacţii de esterificare a grupelor hidroxil din hidroxiaminoacizi cu formare de fosfoproteide. În medii puternic bazice grupa -SH a cisteinei şi grupa -OH fenolică a tirozinei pot disocia eliberând protoni.

Grupele funcţionale polare din catenele laterale ale aminoacizilor contribuie la formarea de legături de hidrogen între diferitele părţi ale lanţului peptidic, stabilizând molecula proteinei.

4.3. PEPTIDE (POLIPROTIDE INFERIOARE) Peptidele sunt poliprotide inferioare, constituite dintr-un număr relativ mic de aminoacizi

(monoprotide) uniţi prin legături peptidice -CO-NH-. Acestea se stabilesc între grupa amino de la carbonul α al unui aminoacid şi grupa carboxil a altui aminoacid, prin eliminare de apă.

După numărul unităţilor structurale de aminoacizi conţinuţi, peptidele se împart în: • oligopeptide; • polipeptide; • peptone; • albumoze. 4.3.1. Oligopeptide Sunt constituite dintr-un număr mic de aminoacizi (convenţional 2-10) şi denumite în

consecinţă: di-, tri-, tetra-, ..., decapeptide. Datorită naturii aminoacizilor constituenţi, a succesiunii (secvenţei) şi conformaţiei lor,

peptidele se pot prezenta sub forma unui număr foarte mare de izomeri (de exemplu, o pentapeptidă formată din 5 aminoacizi diferiţi, prezintă 120 de izomeri). Existenţa unei asemenea

diversităţi de forme izomere, explică enorma variabilitate structurală, configuraţională şi funcţională a diferitelor forme de proteine din organismele vegetale şi animale.

Orice peptidă se caracterizează prin prezenţa legăturilor peptidice, în care sunt implicate toate grupele carboxil şi amino grefate la Cα, cu excepţia unei grupe carboxil şi a unei grupe amino care rămân la capetele catenei peptidice (polipeptidice). Aceste două grupări funcţionale neimplicate în formarea legăturilor peptidice sunt denumite grupare carboxil C-terminală (aminoacid C-terminal), respectiv, grupa amino N-terminală (aminoacid N- terminal).

Prin convenţie, aminoacidul N-terminal dintr-un lanţ peptidic (polipeptidic) se consideră a fi primul aminoacid din structura respectivă. Numele peptidelor se stabileşte prin indicarea succesivă a denumirii fiecărui aminoacid component, cu adăugarea sufixului il şi terminând cu numele întreg al aminoacidului care are gruparea carboxil intactă. Denumirea poate fi acordată şi prin utilizarea prescurtării numelui aminoacidului, respectiv primele trei litere din denumire:

H2N-Ala-Ala-Glu-Arg-Val-Ser-Arg-COOH

aminoacid N-terminal aminoacid C-terminal

heptapeptida alanil-alanil-glutamil-arginil-valil-seril-arginină Pentru a preciza faptul că este vorba de o moleculă de sine stătătoare, se scrie:

H-Ala-Ala-Glu-Arg-Val-Ser-Arg-OH

ceea ce înseamnă că, atomul de hidrogen din grupa -NH2 a primului aminoacid şi grupa -COOH a ultimului aminoacid nu participă la formarea altor legături peptidice. Datorită grupelor funcţionale terminale (-NH2 şi -COOH), peptidele manifestă caracter amfoter.

Prin hidroliză acidă sau enzimatică (cu enzimele peptidaze), peptidele sunt scindate în aminoacizii componenţi.

4.3.1.1. Proprietăţi fizico-chimice ale oligopeptidelor Peptidele sunt răspândite atât în regnul vegetal cât şi în cel animal, unde îndeplinesc un

anumit rol fiziologic, sau se formează în metabolism ca faze intermediare, sau intră în compoziţia unor hormoni, antibiotice etc. Ciupercile şi bacteriile produc antibiotice care conţin şi peptide.

Se cunoaşte un mare număr de oligopeptide şi polipeptide cu funcţii fiziologice importante: hormonală, endorfine şi encefaline din sistemul nervos central etc. Peptidele prezintă proprietăţi intermediare între cele ale aminoacizilor şi cele ale proteinelor. Peptidele cu masă moleculară mare sunt solubile în apă şi insolubile în alcool, solubilitatea scăzând odată cu creşterea masei moleculare. Sub acţiunea căldurii nu coagulează şi nu sunt denaturate. Hidroliza enzimatică a peptidelor (sub influenţa enzimelor peptidaze) conduce, în cazul homopeptidelor, la aminoacizii din care s-au format, iar în cazul heteropeptidelor, se obţine, pe lângă aminoacizi, şi o componentă neproteică (componentă prostetică).

Proprietăţile chimice ale peptidelor sunt determinate de prezenţa grupelor funcţionale amino şi carboxil libere, de la capetele sistemului, manifestându-se sub forma reacţiilor specifice acestor grupe funcţionale. Legătura peptidică se caracterizează şi prin mobilitatea atomului de hidrogen aminic care poate fi substituit cu halogeni sau cu metale.

4.3.1.2. Reprezentanţi naturali ai oligopeptidelor Glutationul, un reprezentant important al oligopeptidelor este o tripeptidă, şi anume,

glutamil-cisteinil-glicina, cu răspândire universală.

În regnul vegetal, glutationul se găseşte în special în seminţe, unde conţinutul său creşte în timpul încolţirii. In embrionul de grâu şi în ţesuturi, glutationul se găseşte atât sub formă redusă, cât şi sub formă oxidată.

HOOC CH CH2 CH2 CO NH COCH

NH2 CH2 SH

COOHCH2NH

glutamil-cisteinil-glicina

Glutationul, prezent în seminţe, drojdie de bere, ficat, este o substanţă solidă, de culoare

albă, solubilă în apă, alcool. Prezintă activitate optică şi un pronunţat caracter acid, datorat celor două grupe carboxil libere. Importanţa biologică a glutationului derivă din uşurinţa cu care se poate oxida grupa funcţională -SH (tiol). Oxigenul molecular, în prezenţa urmelor de metale cu rol catalitic (de exemplu, Fe), determină oxidarea formei R-SH, iar reducerea formei R-S-S-R este biocatalizată de glutation-reductază, enzimă prezentă în toate organismele vii.

2 Glutation SHreducereoxidare

Glutation S S Glutation 2 Glutation SH

glutation redus diglutation glutation redus (glutation oxidat)

Glutationul îndeplineşte în organism roluri biochimice complexe: rol de sistem redox

neenzimatic, rol antioxidant, de protejare a unor substraturi (de exemplu, acid ascorbic) faţă de procesele de oxidare, component al coenzimei donatoare de atomi de hidrogen în procese redox etc.

Neuropeptidele reprezintă o grupă de peptide întâlnite în sistemul nervos central. Un interes deosebit prezintă endorfinele, deoarece se leagă de receptori care pot lega şi morfina. Cel mai simplu reprezentant este grupul pentapeptidelor denumite encefaline.

Insulina şi proinsulina sunt hormoni peptidici care joacă un rol foarte important în reglarea metabolismului glucidic. Insulina a fost prima protidă a cărei secvenţă de 51 de aminoacizi a fost clarificată în 1953, constituind din punct de vedere ştiinţific un pas foarte important în cercetarea biochimică.

Antibiotice peptidice. Din această clasă fac parte substanţe produse de ciuperci sau microorganisme care conţin tipuri de aminoacizi neproteinogeni. Una dintre cele mai cunoscute substanţe din această serie este penicilina (care are în structură aminoacizii valină şi cisteină). Gramicidina este o peptidă ciclică formată din 10 aminoacizi, printre care fenilalanina. O structură complicată (un colorant legat de o pentapeptidă) prezintă actinomicina, care manifestă proprietăţi antibiotice şi citostatice.

Otrăvuri. O serie de otrăvuri de origine vegetală sau animală sunt de natură peptidică. Amanitina şi faloidina secretate de ciuperci sunt peptide ciclice formate din 7 aminoacizi. Veninul de şarpe conţine neurotoxine de origine peptidică.

4.3.2. Polipeptide

Polipeptidele sunt peptide în compoziţia cărora intră peste 10 aminoacizi, (până la 100 de aminoacizi). Delimitarea între oligopeptide şi polipeptide, ca şi faţă de proteine este relativă, fiind greu de stabilit, pe baza unor reacţii chimice specifice. O astfel de reacţie este de exemplu

reacţia biuretului (reacţie de culoare între peptide şi o soluţie alcalină de CuSO4). Oligopeptidele se colorează roz-roşu, poliprotidele se colorează violet, iar aminoacizii nu dau această reacţie.

Biuretul este compusul rezultat din două molecule de uree, care în reacţia cu Cu din CuSO4 prezintă o coloraţie albastră.

H2N-CO-NH2 + H2N-CO-NH2 → H2N-CO-NH-CO-NH2 + NH3 4.3.2.1. Substanţe intermediare între peptide şi proteide Prin hidroliza menajată a proteinelor, sau la biosinteza acestora, se formează ca

substanţe intermediare, albumozele şi peptonele.

proteine → albumoze → peptone → peptide → aminoacizi Albumozele şi peptonele sunt substanţe cu mase moleculare situate între cele ale

peptidelor şi proteinelor, cu structură asemănătoare peptidelor. Albumozele formează cu apa soluţii coloidale, precipită sub acţiunea acizilor, a sulfatului de amoniu, coagulează la temperaturi ridicate, asemănându-se mai mult cu proteinele, în timp ce peptonele, care nu prezintă aceste proprietăţi se aseamănă mai mult cu peptidele.