CCUURRSS 77 44.. PPRROOTTIIDDEE

Protidele sunt biomolecule cu structur complex, constitueni universali i indispensabili

ai tuturor formelor de via. Este puin probabil s existe n univers alt tip de molecule cu proprieti mai remarcabile dect cele ale protidelor (protos = cel dinti), ele asigurnd organizarea i meninerea structurilor morfologice ale celulelor, precum i manifestarea funciilor i activitilor vitale ale acestora.

Proporia protidelor n organismele vii este mai constant dect a lipidelor i glucidelor; n regnul vegetal, coninutul de protide este mai mic i foarte variat, n funcie de specie i organ. Coninutul cel mai mare de protide se gsete n organele de rezerv ale plantelor, n seminele de leguminoase, o cantitate mijlocie se gsete n boabele de cereale, cele mai puine protide gsindu-se n legume, rdcinoase i tuberculifere.

Este esenial de remarcat rolul dominant al protidelor n organismele vii, deoarece nu se cunosc forme de via fr protide. Astfel, reaciile chimice din celule depind de combinarea enzimelor de natur proteic cu diferitele substraturi, structuri cum ar fi cele ale muchilor depind de interaciile dintre protide, controlul genetic este determinat de interaciile protide-ADN, activitatea nervoas implic interacii transmitor-protid, imunoprotecia se bazeaz pe interacii anticorp-antigen.

Protidele prezint proprieti fizico-chimice caracteristice care sunt corelate cu un coninut de energie ridicat (entropie ridicat), ceea ce le asigur atribuiile unui sistem dinamic n permanent autorenoire i interaciune cu mediul exterior.

Constituind suportul chimic structural i funcional al materiei vii i al fenomenelor specifice acesteia, protidele sunt purttorul material al nsuirilor biologice: diferenierea, creterea, dezvoltarea i reproducerea.

Protidele ndeplinesc n organism, datorit naltului grad de organizare i diversitate, roluri multiple:

rol structural (plastic), fiind constitueni principali ai protoplasmei i nucleului celular. Ele reprezint: 65-70% din materia uscat a organismului animal, 2-35% din materia uscat a organismului vegetal, 80-90% din materia uscat din microorganisme;

rol biocatalitic, deoarece sub form de enzime, catalizeaz selectiv reaciile biochimice din organismele vii;

rolul fizico-chimic al protidelor se datoreaz caracterului lor coloidal i amfoter care le ofer posibilitatea de a participa la reglarea presiunii osmotice, a permeabilitii selectiv a membranelor, a echilibrului electrostatic i acido-bazic, precum i la transportul n organism al ionilor de importan vital;

rol de anticorpi, participnd la procesele imunologice de aprare a organismelor superioare;

rol de represori, prin aptitudinea de a traduce din genomul celular numai mesajul necesar ntr-un anumit moment din viaa celulei sau organismului;

rol de reglare fin a proceselor biochimice, prin intermediul hormonilor. 4.1. STRUCTUR CHIMIC. CLASIFICARE Protidele sunt substane cuaternare, constituite din atomi de C, H, O, N. Protidele cu rol

fiziologic important mai conin i atomi de S, P, iar unele conin n proporie mai mic i atomi de metale: Mg, Ca, Zn, Fe, Cu etc., n metalproteide i cromoproteide.

Protidele sunt compui macromoleculari, care prin hidroliz pun n libertate aminoacizi (au ca unitate structural fundamental aminoacizii). innd cont de complexitatea structurii lor, protidele se clasific astfel:

Monoprotide (aminoacizi)

Poliprotide inferioare (peptide)

Poliprotide superioare (proteide)

Oligopeptide

Protide Polipeptide

Holoproteide (proteine) Heteroproteide

Dintre protide, numai proteidele formeaz macromolecule, iar pentru caracterizarea lor

calitativ i cantitativ este necesar determinarea aminoacizilor componeni prin hidroliza total a proteinelor.

4.2. AMINOACIZI (MONOPROTIDE) Aminoacizii reprezint unitile structurale nehidrolizabile ale poliprotidelor. Dei n natur se

cunosc aproximativ 200 de aminoacizi, doar 20-22 sunt utilizai pentru biosinteza protidelor i sunt codificai de codul genetic, fiind denumii i aminoacizi proteinogeni (ordinari). Ceilali aminoacizi, mai puin rspndii, sunt numii aminoacizi neproteinogeni (ocazionali).

Dintre toate organismele vii, cele vegetale pot sintetiza i deci conine numrul cel mai mare de aminoacizi, rspndii mai ales n seminele fructelor, plante rdcinoase, conifere, etc. Aminoacizii: valin, leucin, izoleucin, treonin, metionin, lisin, fenilalanin, triptofan pot fi sintetizai numai de plante i se numesc aminoacizi eseniali. Lipsa lor n alimentaie provoac grave tulburri ale metabolismului (boli careniale). Aminoacizii care pot fi sintetizai i de organismul uman i animal se numesc aminoacizi neeseniali i sunt reprezentai de: glicocol, alanin, serin, cistein, acid aspartic, acid glutamic, arginin, tirozin, prolin, hidroxipriolin, histidin.

Unii dintre aminoacizi pot fi convertii pe cale chimic n glucide i sunt denumii aminoacizi glucoformatori: glicocol, alanin, serin, acid aspartic, acid glutamic, arginin, citrulin.

4.2.1. Structura chimic a aminoacizilor Aminoacizii sunt compui organici difuncionali, care conin grupele funcionale amino (-

NH2) i carboxil (-COOH). Caracteristic acestei structuri este grefarea ambelor grupe funcionale pe acelai atom de carbon (poziia ) n cazul aminoacizilor din structura proteidelor (-aminoacizi). Se cunosc i aminoacizi la care grupa -NH2 este legat de al doilea atom de carbon fa de grupa -COOH, (poziia ), al treilea (poziia ) etc.

La ali aminoacizi apare legat de atomul de carbon , n afar de grupa funcional -NH2, un rest hidrocarbonat, care poate fi un rest hidrocarbonat alifatic sau aromatic, sau grupe funcionale.

4.2.2. Nomenclatura aminoacizilor Denumirea tiinific a aminoacizilor este format din prefixul amino i numele acidului de

la care provine, cu indicarea poziiei atomului de carbon de care este legat grupa funcional -NH2 (, , , , sau 2, 3 etc.) etc., fa de grupa funcional carboxil -COOH.

n general nomenclatura raional este mai puin folosit, deoarece sunt utilizate n general, denumiri uzuale, specifice fiecrui aminoacid (glicocol, alanin, serin, triptofan etc.).

4.2.3. Clasificarea aminoacizilor dup structura lor chimic, care cuprinde toi cei 20 de aminoacizi proteinogeni, este urmtoarea:

Alifatici

Aromatici

Monoamino-monocarboxilici Tioaminoacizi

Heterociclici

Monoamino-dicarboxilici

Diamino-monocarboxilici

Hidroxiaminoacizi

Bazici

Acizi

Neutri Aminoacizi

4.2.3.1. Aminoacizi alifatici n aceast grup sunt cuprini toi aminoacizii n care R este un rest hidrocarbonat alifatic. a) Aminoacizi monoamino-monocarboxilici (cu caracter neutru): Glicocolul (glicina, acidul aminoacetic), cunoscut i sub denumirea de zahrul gelatinei

a fost obinut prin hidroliza acid a gelatinei. Este singurul -aminoacid care nu are atom de carbon asimetric, i deci nu prezint izomerie optic.

Majoritatea organismelor vegetale conin glicocol (0,2-1%), dar exist i proteide vegetale mai bogate n glicocol, ca de exemplu edestina (2,5-3,8%), ricinina (6,6%) etc. Glicocolul lipsete complet din zein (porumb) i hordein (orz).

L (-) Alanina (acidul -aminopropionic) este nelipsit din proteidele vegetale i animale, i a fost identificat la hidroliza proteinelor din soia. Este prezent n cantitate mare n zein (9-10%), iar n stare liber a fost identificat n alge i n frunze de tutun. Izomerul -alanina a fost pus n eviden n soia, mere crude, tomate i n structura acidului pantotenic.

L (+) Valina (acidul -aminovalerianic) este regsit n cantiti mici n structura multor proteide. Bogate n valin sunt seminele de in (12,7%) i de fasole (6,2%). n stare liber a fost pus n eviden n lucern i germenii de secar.

L (-) Leucina (acidul -aminoizocapronic), descoperit n hidrolizatele de ca, este foarte rspndit n organismele vegetale, n special n zein (19,25%) i n edestin.

L (+) Izoleucina (acidul -amino--metilvalerianic) este izomera de poziie a leucinei. Prezena n molecul a doi atomi de carbon asimetrici conduce la existena a patru izomeri optici. Leucina i izoleucina se transform n timpul fermentaiei alcoolice (prin decarboxilare i dezaminare) n alcool amilic i alcool izoamilic.

CH2 COOH

NH2acid aminoacetic glicin glicocol Gli

CH COOH

NH2

CH3

acid 2-aminopropanoicacid -aminopropionic -alanin Ala

CH COOH

NH2

CH3CHCH

CH3acid 2-amino-3-metilpentanoicacid -amino--metilcapronic -izoleucin Ile

CH COOH

NH2

(CH3)2CH

acid 2-amino-3-metilbutanoic acid -amino--metilbutiric acid -aminoizovalerianic -valin Val

CH COOH

NH2

(CH3)2CHCH2

acid 2-amino-4-metilpentanoic acid -amino--metilcapronic acid -aminoizocapronic -leucin Leu

b) Hidroxi-aminoacizi L (-) Serina (acidul -amino--hidroxipropionic) se gsete n stare liber n seminele

germinate, iar n cantiti mici n numeroase proteide vegetale. n proporie mare se afl n edestina din cnep i n unele proteide din migdale i din algele marine. Sub form de esteri fosforici intr n constituia serinfosfatidelor.

L (-) Treonina (acidul -amino--hidroxibutiric) nsoete n proteide serina, n cantiti mai mici, prezentnd proprieti analoage serinei. n proporii mai ridicate se gsete n proteidele din cereale, soia, cartofi, alge marine. Ea intr n constituia antibioticelor actinomicine. Treonina posed doi atomi de carbon asimetrici, deci are patru izomeri optici.

HO CH2 CH

NH2

COOH

acid 2-amino-3-hidroxipropanoicacid -amino--hidroxipropionic serin Ser

CH3 CH CH

NH2

COOH

OHacid 2-amino-3-hidroxibutanoic acid -amino--hidroxibutiric treonin Tre

c) Tioaminoacizi (aminoacizi cu sulf) L (+) Cisteina (acidul -amino--tiopropionic) se gsete n toate proteidele vegetale (0,5-

4,5%) i animale. Proteidele din cartofi conin 4-4,4%, iar glutelinele din gru, orez, secar conin 2,7% cistein. Cisteina se transform uor, prin oxidare, n cistin, disulfura corespunztoare care, fiind greu solubil, se poate separa. Prin hidrogenare, cistina trece n cistein. Pe baza acestor reacii de oxido-reducere, sistemul cistein-cistin joac n organism rol de sistem redox, fiind implicat n procesele de transport de atomi de hidrogen n ciclul respirator. Gruparea reductoare (-SH) din cistein are rol important n reaciile biocatalitizate de enzimele n structura crora se regsesc astfel de grupe funcionale.

S CH2 CH

NH2

COOHSCH2CH

NH2

HOOC

acid 2,7-diamino-4,5-ditiaoctandioic cis Cis

HS CH2 CH

NH2

COOH

tin-S-S-Cis

acid 2,7-diamino-4,5-ditianoctandionic cistin

Cis-S-S-Cis

acac cis Cis

CH2 CH2 CH

NH2

COOHSCH3

a a

cid 2-amino-3-metiltiobutanoiccid -amino--metiltiobutiric

m M

etioninet

acid 2-amino-3-metiltiobutanoic acid -amino--metiltiobutiric

metionin Met

id 2-amino-3-mercaptopropanoicid -amino--mercaptopropionic

tein

acid 2-amino-3-mercaptopropanoic acid -amino--mercaptopropionic

cistein Cis

L (-) Metionina (acidul -amino--metiltiobutiric) este prezent n zein, seminele de tomate, n proteidele din seminele de cereale. Are rol de agent metilant, prin cedarea grupei metil, transformndu-se n homocistein.

d) Aminoacizi monoamino-dicarboxilici (cu caracter acid) Acidul L (+) aspartic (asparagic, acid aminosuccinic) se gsete n toate proteidele

vegetale, mai ales sub forma amidei sale, asparagina. n stare liber, asparagina apare n seva de sparanghel i a altor plante tinere: mazre, migdale etc.

CH2 COOHCHHOOC

NH2acid 2-aminobutandioic acid aminosuccinic acid asparagic acid aspartic Asp

CH2 CONH2CHHOOC

NH2monoamida acidului 2-aminobutandioic monoamida acidului aminobutandioic monoamida acidului aspartic asparagin Asn

CH2 CH2CHHOOC

NH2

COOH

acid 2-aminopentandioic acid -aminoglutaric acid glutamic Glu

CH2 CH2CHHOOC

NH2

CONH2

monoamida acidului 2-aminopentanoic monoamida acidului -aminoglutaric monoamida acidului glutamic glutamin Gln

Acidul L (+) glutamic (acidul -aminoglutaric) este foarte rspndit n proteidele

vegetale. Amida sa glutamina, ca i asparagina, servete la biosinteza proteidelor din plante. Glutamina se ntlnete n stare liber n alge, n fructe i sfecla de zahr, unde prezena ei, ca i a asparaginei, micoreaz randamentul produciei, deoarece mpiedic cristalizarea zahrului.

e) Aminoacizi diamino-monocarboxilici

L (+) Arginina (acidul -amino--guanidilvalerianic) a fost identificat n conifere, ricin, cartofi i n hidrolizate proteice. Denumirea provine de la faptul c prezint o reacie caracteristic cu srurile de argint.

L (+) Ornitina (acidul ,-diaminovalerianic) este rspndit n stare liber n plantele superioare, dar apare foarte rar n compoziia proteidelor.

L (+) Lizina (acidul ,-diaminocapronic) se gsete aproape n toate proteidele, mai puin n zein. Mai bogate n lizin sunt seminele necoapte i cele n curs de germinare.

CH2 CH2 CH2 CH COOH

NH2 NH2acid 2,5-diaminopentanoicacid ,-diaminovalerianic ornitin Or

CH2 CH2 CH2 CH2 CH

NH2

COOH

NH2acid 2,6-diaminohexanoicacid ,-diaminocapronic lisin Lis

CH2 CH2 CH2 CH COOH

NH2

HNC

HN

H2N

acid 2-amino-5-guanidinopentanoicacid -amino--guanidinovalerianic arginin Arg

L (-) Citrulina (acid -carbamino--aminovalerianic) se formeaz intermediar n sinteza

argininei. A fost identificat n produii de hidroliz ai cazeinei. f) Aminoacizi aromatici L (-) Fenilalanina (acidul -amino--fenilpropionic) este rspndit n plantele tinere de

bostan, bob, lupin i n numeroase proteide (zeina, legumina). L (-) Tirozina (acidul para-hidroxifenilalanina) este ntlnit mpreun cu fenilalanina n

toate proteidele. Se gsete n proporie de 10% n proteidele de porumb i de 4-5% n proteidele din smburii de pepene, castravei i bostani.

CH COOH

NH2

C6H5CH2

acid 2-amino-3-fenilpropanoicacid -amino--fenilpropionic acid -aminohidrocinamic -fenilalanin Fen

CH2 CH

NH2

COOHHO

acid 2-amino-3-(4-hidroxifenil)propanoicacid -amino--(p-hidroxifenil)propionic tirosin Tir

g) Aminoacizi cu structur heterociclic conin n molecul un heterociclu cu un atom

de azot dintr-un nucleu indolic, imidazolic i pirolic. L (-) Triptofanul (acidul -amino--indolilpropionic, -indolilalanina) intr n compoziia

multor proteide naturale. n stare liber se gsete n organele tinere ale plantelor, n fructe, n glutenul de gru, n soia, semine de dovleac, alge (8,8%). Triptofanul este unul dintre aminoacizii eseniali, lipsa sa din organism conduce la grave tulburri.

Este precursor n biosinteza vitaminei PP i promotor al sintezei pirolului, component al hemoglobinei. Prin decarboxilarea triptofanului se formeaz triptamina, compus cu activitate biologic.

L (-) Histidina (acid -amino--imidazolilpropionic) este rspndit n proteidele de origine vegetal i animal. Se gsete n seminele de tomate, n polen i n edestin (4%). Prin decarboxilare enzimatic trece n histamin.

L (-) Prolina (acidul -pirolidincarboxilic) este un iminoacid, solubil n alcool (spre

deosebire de restul aminoacizilor), proprietate pe care o imprim i proteidelor n care se gsete n procent mare. Prezint caracter amfoter i este rspndit att n proteinele vegetale (12% n prolaminele din cereale) ct i n cele animale.

NCOOH

Hacid pirolidin-2-carboxilicacid pirolidin--carboxilic prolin Pro

NCOOH

HO

H acid 4-hidroxipirolidin-2-carboxilicacid '-hidroxipirolidin--carboxilic hidroxiprolin Hip

N

N

CH2 CH

NH2

COOH

Hacid 2-amino-3-(4-imidazolil)propanoicacid -amino--(4-imidazolil)propionic histidin His

acid 2-amino-3-(3-indolil)propanoicacid -amino--(3-indolil)propionic triptofan Trip

N

CH2 CH

NH2

COOH

H

4.2.4. Proprieti fizice ale aminoacizilor Proprietile fizico-chimice ale aminoacizilor sunt determinate de structura lor. Aminoacizii

se prezint ca substane solide, cristaline; unii au gust dulce, alii gust amrui sau sunt fr gust.

Datorit prezenei grupelor funcionale polare (-NH2 i -COOH) sunt solubili n ap, n acizi diluai i n hidroxizi alcalini. Procesul de dizolvare conduce uneori la distrugerea moleculei de aminoacid; astfel, triptofanul este distrus n mediu acid, iar histidina n mediu bazic. Sunt greu solubili n solveni organici; unii dintre ei sunt solubili n alcool etilic i n alcool butilic, proprietate care servete la separarea lor dintr-un amestec de aminoacizi.

4.2.4.1. Izomeria aminoacizilor Prezena atomului de carbon asimetric n poziia fa de gruparea carboxil, confer

moleculelor aminoacizilor (cu exceptia glicocolului), chiralitate i ca urmare, apariia activitii optice (enantiomeria), exprimat prin capacitatea moleculelor lor de a roti planul luminii polarizate spre dreapta (izomerul, enantiomerul dextrogir), sau spre stnga (izomerul, enantiomerul levogir).

Asemntor glucidelor, aminoacizii aparin unei anumite serii sterice, D sau L. La stabilirea configuraiei aminoacizilor, s-a pornit de la L-alanin prin comparaie cu L-aldehida gliceric (comparndu-se poziia grupei NH2 din aminoacid cu poziia grupei OH din glucid). Trebuie remarcat faptul c, aminoacizii naturali prezeni n structura proteinelor aparin exclusiv formei sterice L. Ca i n cazul glucidelor, configuraia steric a aminoacizilor este independent de activitatea optic.

4.2.4.2. Structura amfionic Caracterul amfoter al aminoacizilor se datoreaz prezenei concomitente n molecul a

grupelor -NH2 (care confer proprieti bazice, acceptoare de protoni) i a grupelor -COOH (care confer proprieti acide, donoare de protoni).

n soluiile apoase, moleculele aminoacizilor au structura unor amfioni (ioni dipolari), care pot funciona att ca baz ct i ca acid:

CH

R

H3N COO

structura amfiionului a) comportare de acid (donor de protoni):

CH

R

H3N COO + HOH CH

R

H2N COO + H3O b) comportare de baz (acceptor de protoni):

CH

R

H3N COO + CH

R

H3N COOH + HOHOH n soluie, exist deci permanent, un echilibru ntre cei trei ioni:

CH

R

H3N COOH- H

+ HCH

R

H3N COO- H

+ HCH

R

H2N COO

cation amfiion anion n cazul n care catenele laterale (R) ale diferiilor aminoacizi conin i alte grupe

funcionale ionizabile, n afara celor ataate la atomul de carbon , sarcina real a moleculei va reflecta prezena lor. Este cazul aminoacizilor monoaminodicarboxilici, (acidul aspartic i glutamic), cu caracter acid sau al celor diaminomonocarboxilici, (arginina, lisina, histidina), cu caracter bazic. Ceilali aminoacizi cu numr egal de grupe funcionale acide i bazice pot fi considerai neutri.

Existena amfionului explic utilizarea soluiilor de aminoacizi ca soluii tampon (creeaz i menin constant un anumit pH la adugarea unor cantiti mici de acizi sau de baze tari):

CH

R

H3N COO

CH

R

H3N COO

+ H3O

+ HO

CH

R

H3N COOH + HOH

CH

R

H2N COO + HOH

Se numete punct izoionic, pH-ul la care soluia apoas a unui aminoacid conine anioni i cationi ai aminoacidului n proporii egale i deci sarcina electric net a moleculei de aminoacid dizolvat n ap este nul.

Datorit sarcinii electrice nete (pozitiv sau negativ) aminoacizii manifest la un anumit pH proprieti electroforetice, deplasndu-se sub aciunea unui cmp electric. Astfel, n mediu acid, ca urmare a deplasrii echilibrului existent ntre cei trei ioni spre forma cationic, aminoacidul migreaz spre catod (polul negativ), iar n mediu alcalin, datorit deplasrii echilibrului spre forma anionic, aminoacidul migreaz spre anod (polul pozitiv).

La un anumit pH, denumit pH sau punct izoelectric (pHi), amfionul nu migreaz n cmp electric deoarece aminoacidul se afl disociat ca anion i cation n pri egale, solubilitatea fiind redus datorit atraciei electrostatice ntre anionii i cationii existeni.

Aminoacizii prezint pHi diferii, n funcie de structura catenelor laterale -R: aminoacizii monoamino-dicarboxilici au pHi n zona acid (pHi = 3,0-3,2); aminoacizii diamino-monocarboxilici au pHi = 7,5-11, deci n zona alcalin; aminoacizii monoamino-monocarboxilici nu au pHi la pH = 7, ci n jur de valoarea 6,0

(grupa -COOH este mai puternic ionizat dect grupa -NH2).