AMMINOACIDI

AMMINOACIDI (II, p. 997; App. II, 1, p. 162)

Varî altri a. sono stati trovati in natura in questi ultimi anni, soprattutto per merito della tecnica cromatografica, sia presenti occasionalmente in varie proteine (o in altri composti), sia liberi. I più importanti amminoacidi (o aminoacidi):

Acidi monoaminomonocarbossilici.

ac. α-amino-β-ossibutirrico (omoserina)

o-Diazoacetil-L-Serina (L-Azaserina)

Monoaminodicarbossilici:

e la corrispondente ω-amide.

Diaminomonocarbossilici:

Diaminodicarbossilici:

ac. α,ε-diamino-β-idrossipimelico

ac. L-pipecolico (piperidin-2-carbossilico)

L-Chinurenina (ac. β-antranil-α-aminopropionico)

importante metabolita del triptofano che si ossida a 3-ossi-L-chinurenina che è un precursore dell'acido nicotinico (v.).

D-amino-acidi naturali. - Gli a. della serie D non possono più essere considerati come a. non naturali, cioè non presenti in natura, perché numerosi a. di questa serie sono stati trovati presenti in varî batterî e, soprattutto, come costituenti di numerosi antibiotici. Gli a. della serie D trovati in natura sono: alanina, ac. α -aminoadipico, ac. α-aminobutirrico, ac. aspartico, O-carbomilserina, cicloserina:

ac. glutamico, leucina, α-metilserina, fenilalanina, serina, valina ed infine la penicillinamina (costituente della penicillina) la cui formula è:

Reazioni degli amminoacidi. - Particolare importanza ha la reazione degli a. con la ninidrina (trichetoidrindene idrato) che è stata applicata soprattutto per l'evidenziazione in cromatografia su carta.

La maggior parte degli a. reagiscono con la ninidrina, liberando CO₂ e NH₃ e la corrispondente aldeide:

L'ammoniaca liberata reagisce con la ninidrina sviluppando un intenso color violetto e la reazione può quindi essere usata anche per il dosaggio quantitativo degli amminoacidi.

Tra le reazioni degli a. particolare menzione merita la reazione del gruppo aminico con il 1-fluoro-2-4 dinitrobenzene (DNP). In ambiente leggermente alcalino questo composto reagisce con i gruppi aminici liberi delle proteine formando DNP proteine. F. Sanger è riuscito con questo metodo ad identificare i residui N-terminali delle catene peptidiche costituenti le proteine ed essenzialmente con questo metodo si è studiata la struttura dell'insulina (v.).

Altri reattivi dei gruppi aminici degli a. sono il feniltioisocianato e il p-iodofenilsulfonil cloruro (pipsil cloruro), entrambi usati per l'analisi dei gruppi N-terminali delle proteine e degli ε-amino gruppi della lisina.

I gruppi carbossilici liberi degli a. nelle proteine possono essere determinati molto più difficilmente dei gruppi aminici. Il metodo più usato consiste nell'esterificazione con alcoli in genere aromatici (Benzil, Toluil, toluen-sulfonil esteri, ecc.). Con questo metodo generale Fisher ha sintetizzato numerosi peptidi.

Infine un metodo per la determinazione degli a. C-terminali si basa sull'uso della carbossipeptidasi pancreatica che può idrolizzare specificamente il gruppo carbossilico libero degli a. terminali nelle proteine.

La determinazione degli a. oltre che con i metodi chimici noti, può essere fatta con metodi enzimatici, microbiologici e con l'uso degli isotopi. I metodi enzimatici consistono essenzialmente in una reazione enzimatica di decarbossilazione specifica per singoli aminoacidi (es. istidina, lisina, ac. glutamico, aspartico, fenilalanina, tirosina); quelli microbiologici si basano tutti sull'uso di particolari batterî per il cui accrescimento l'a. da dosare è l'unico fattore limitante. Il metodo con gli isotopi è adoperato per la determinazione degli a. in un idrolizzato proteico; in questo metodo un a. "marcato" (con un atomo radioattivo) si aggiunge all'idrolizzato proteico e poi l'a. viene isolato; la concentrazione si determina dalla diluizione dell'isotopo nell'a. isolato.

Infine di gran lunga più importante, tra i metodi di determinazione degli a., è il metodo cromatografico (v. Cromatografia, App. II,1, p. 734) sia su carta sia su colonne di resine polistireniche (Dowex 50 per es.). Questa ultima tecnica è stata perfezionata da S. Moore e W.H. Stein e ha permesso l'identificazione di un gran numero di a. sia liberi sia legati a proteine o altri composti organici; in particolari condizioni (variazione di pH, della forza ionica ecc.) gli a. in una miscela vengono singolarmente separati per eluzione dalla colonna e determinati quantitativamente con la ninidrina.

Valore biologico degli amminoacidi. - Recenti studî sul valore nutritivo delle proteine e quindi essenzialmente degli a. hanno mostrato che l'"essenzialità" o meno degli a. non è un concetto molto rigido; infatti un a. può essere "essenziale" o "non essenziale" per un organismo secondo le condizioni particolari in cui si trova l'organismo stesso. Così l'accrescimento, il mantenimento del bilancio azotato, l'età, la presenza nella dieta di altri fattori (vitamine, ecc.) e l'esistenza di particolari condizioni fisiologiche o patologiche, sono tutti fattori che hanno una grande importanza nel determinare l'essenziahtà o meno degli a. Inoltre il fabbisogno di a. varia da specie a specie animale; comunque i seguenti otto a. sono indispensabili per tutte le specie animali: leucina, isoleucina, fenilalanina, metionina, triptofano, treonina, lisina e valina.

L'istidina non è da considerarsi essenziale nell'uomo adulto per il bilancio azotato; l'arginina, infine, che era considerato un a. essenziale per l'uomo adulto, sembra essere necessario soltanto per un regolare accrescimento.

Un concetto di notevole interesse che si è formato con lo studio di miscele di aminoacidi essenziali nella dieta è quello per cui un'ottima utilizzazione degli a. si ha solo se questi vengono introdotti contemporaneamente. Queste ricerche mostrano che gli a. non possono essere immagazzinati nell'organismo ma vengono rapidamente metabolizzati.

Effetto della deficienza di amminoacidi. - Una dieta completamente priva di a. produce una perdita generalizzata delle proteine corporee con conseguente perdita di peso, anemia, ipoprotinemia ecc. Più interessanti sono le ricerche fatte con diete prive di un solo aminoacido essenziale che hanno mostrato la diversa importanza dei singoli a. per l'organismo. Deficienza di triptofano produce, nel ratto, cataratta corneale, degenerazione del cristallino, alopecia; nell'uomo deficienza di lisina produce nausee, vertigini, e ipersensibilità ai suoni e la deficienza di metionina produce danni al fegato e ai reni.

Nei batterî, e in minor misura negli animali, i D-amminoacidi vengono utilizzati in maniera più o meno notevole; l'utilizzazione degli a. della serie D- può avvenire in due modi:1) conversione ossidativa del D-isomero nell'analogo a -cheto acido e seguente aminazione L-specifica; z) racemizzazione enzimatica diretta per opera di una specifica racemasi.

Antagonisti degli amminoacidi. - È noto che per effetto di una piccola variazione della struttura di un prodotto del metabolismo si può ottenere un composto che impedisce l'utilizzazione da parte dell'organismo dell'analogo normale da cui deriva; a queste sostanze si dà il nome generico di antagonisti o antimetaboliti. L'effetto della gran maggioranza degli antibiotici è proprio dovuto a un'azione antagonista, nel senso che questi avendo una struttura analoga ma non identica a qualche metabolita indispensabile per la crescita e la moltiplicazione della cellula batterica si sostituiscono ad esso e ne impediscono la normale utilizzazione.

Molto numerosi sono gli antagonisti degli a. e un gran numero di ricerche sono state fatte che hanno rivelato interessanti dati sulle interrelazioni metaboliche tra gli amminoacidi. Di particolare interesse sono alcuni antagonisti della metionina, dell'acido glutamico e della fenilalanina; un a. sintetico, la etionina che è l'analogo S-etilico della metionina, è stato particolarmente studiato. Esso produce, nel ratto, gravi alterazioni degenerative a carico del fegato che possono essere evitate da sommmistrazione di grandi dosi di metionina. I più importanti antimetaboliti dell'acido glutamico sono: metioninsulfosside, acido α-metilglutammico, e γ-glutamiletilamide; antimetaboliti della fenilalanina sono la tienilalanina, la fluoroalanina e la cloromicetina. Infine sono da ricordare come antimetaboliti con una forte azione antitumorale l'azaserina e la 6-diazoossi - L-norleucina.

Metabolismo. - Il metabolismo degradativo degli a. riguarda essenzialmente il gruppo aminico che viene separato dalla catena carboniosa; questa generalmente dà origine a prodotti che vengono metabolizzati nella via dei grassi e dei glicidi. L'azoto aminico, nei mammiferi, viene eliminato principalmente come urea, e in piccola parte anche come acido urico, creatinina, allantoina e ammoniaca. Negli uccelli e nei serpenti, invece, il prodotto finale del metabolismo dell'azoto aminico è costituito essenzialmente da acido urico; negli invertebrati acquatici infine l'azoto aminico viene eliminato quasi completamente come ammoniaca o come ossido di trimetilamina. Gli animali, quindi, si dividono in tre gruppi per quanto riguarda il metabolismo azotato: ureotelici (mammiferi), uricotelici (uccelli e serpenti) e ammoniotelici (pesci e invertebrati acquatici). Per i mammiferi l'ammoniaca (NH₃) è molto tossica e quindi il gruppo aminico che viene staccato dalla molecola di a. non può, come tale, rimanere a lungo libero.

Le più importanti vie di deaminazione degli a. sono essenzialmente due: deaminazione ossidativa e transaminazione. La deaminazione ossidativa è dovuta ad un enzima (amino-acido ossidasi) il cui gruppo prostetico è costituito dal flavindinucleotide (FAD); la reazione si svolge secondo questo schema:

La formazione dell'imino-acido (in parentesi quadre) non è stata dimostrata forse perché esso rapidamente si idrolizza. È interessante il fatto, osservato per primo da Krebs, che è molto più diffusa, negli animali superiori, la D-aminoacidossidasi, ossia l'enzima che agisce sugli a. della serie D, che non la L-a.-ossidasi; la funzione della D-a.- ossidasi nei tessuti non è stata ancora ben spiegata.

La L-a.- ossidasi non è presente che in minima quantità negli organi di animali superiori (essa invece è molto diffusa in numerosi serpenti e in microrganismi); è quindi chiaro che gli a. non vengono ossidati normalmente secondo lo schema suddetto; in effetti è ormai dimostrato che il gruppo aminico viene trasferito da una molecola di un a. ad un'altra di chetoacido senza la formazione di ammoniaca libera.

I chetoacidi più attivi nell'"accettare" il gruppo aminico sono essenzialmente l'acido a-chetoglutarico, l'acido ossalacetico e l'acido piruvico che danno origine, per transaminazione, rispettivamente ad ac. glutamico, acido aspartico e alanina; in realtà, ormai è dimostrato che quasi tutti gli a. sono attivi, anche se in minor misura, nelle reazioni di transaminazione enzimatica.

Che l'acido glutamico svolga un ruolo fondamentale nel metabolismo degli a. è dimostrato dal fatto che negli organi degli animali superiori è presente, in grande quantità un enzima che ossida specificamente solo l'ac. glutamico (glutamico deidrogenasi) dando origine ad ac. chetoglutarico e NH₃.

Per comprendere l'importanza delle reazioni di transaminazione nella formazione di urea occorre ricordare che questa si forma in seguito ad una sequenza di reazioni complesse terminanti nel distacco del gruppo guanidinico dell'arginina

con formazione di urea e ornitina.

Uno degli atomi di N del gruppo guanidinico dell'arginina deriva appunto dall'NH₃ che si forma per ossidazione dell'ac. glutamico; questa ammoniacá si lega con anidride carbonica (CO₂) dando origine ad ac. carbammico; questo in presenza di adenosintrifosfato (ATP) e ioni di Mg⁺⁺ dà origine a carbamil-fosfato + adenosindifosfato (ADP) secondo questo schema:

Un'altra via del metabolismo degli a. consiste nella decarbossilazione secondo questo schema generale:

Questa reazione dà origine quindi alle rispettive amine, le più importanti amine, da un punto di vista biologico, sono: l'istamina, che deriva dall'istidina, la tiramina, che deriva dalla 3,4-diossifenilalamina, la 5-ossitriptamina (serotonina) che deriva dal triptofano, e l'ac. γ-aminobutirrico che deriva dall'acido glutammico.

Lo stato dinamico degli amminoacidi. - Ricerche eseguite somministrando ad animali N radioattivo sotto forma di ammoniaca o di a. (Schoenheimer, 1938) hanno mostrato che la distinzione che si faceva un tempo tra metabolismo endogeno ed esogeno delle proteine è completamente errato. In realtà non è vero che le proteine (e quindi gli a.) introdotte con gli alimenti vengono metabolizzate in modo completamente distinto dalle proteine costituenti i tessuti. Così se si somministra glicina contenente N radioattivo in un animale, soltanto una piccolissima parte di radioattività viene ritrovata nell'urina sotto forma di urea; la gran maggioranza viene ritrovata nelle proteine e non soltanto sotto forma di glicina radioattiva, ma sotto forma di un numero notevole di altri a. fra cui, più abbondanti di tutti, l'acido glutamico. Queste e molte altre esperienze ormai classiche hanno stabilito in modo inequivocabile una stretta interrelazione sia tra il metabolismo degli aminoacidi introdotti nella dieta e quelli componenti le proteine, sia tra i varî a. tra loro.

La nozione che le proteine continuamente si formano e si degradano, che cioè siano in uno stato di continuo rinnovamento ha avuto origine da queste ricerche sugli amminoacidi.

Incorporazione degli amminoacidi nelle proteine. - Lo studio dell'incorporazione di amminoacidi nelle proteine, che è stato eseguito con la tecnica dei composti radioattivi, ha mostrato che essa può essere dovuta sia ad un processo di sintesi proteica "ex novo" sia ad un processo di scambio (sostituzione) di un amminoacido già facente parte della molecola proteica con un amminoacido libero, oppure a entrambi i processi insieme. Come avvenga l'incorporazione degli a. nelle proteine e soprattutto in che consista la reazione di sostituzione degli a. non è ancora chiarito. È comunque noto che le proteine dei varî tessuti incorporano gli a. con velocità molto diverse; così, per esempio, le proteine viscerali del ratto sono molto più rapide di quelle del muscolo nell'incorporare a. radioattivi.

Recenti ricerche hanno mostrato che gli a. per poter partecipare alla sintesi "ex novo" di proteine devono prima essere "attivati" con l'ATP secondo questa reazione generale:

dove AMP è acido adenilico, e PP è pirofosfato. L'a. così attivato verrebbe prima trasportato su una molecola di acido ribonucleico e da questo alla catena peptidica costituente la proteina da sintetizzare. Queste ricerche che, per ora, sono ancora all'inizio tendono a chiarire non solo il meccanismo con cui gli a. si legano tra loro per formare le lunghe catene peptidiche delle proteine, ma anche il ruolo fondamentale svolto dagli acidi nucleici nelle sintesi delle proteine stesse.

Bibl.: A.H. Meister, Biochemistry of the amino acids, New York 1957; A Symposium on amino acid metabolism, a cura di W.D. McElroy e H.B. Glass, Baltimora 1955; F. Leuthardt, Lehrbuch der physiologischen Chemie, Berlino 1959, Y.S. Fruton e S. Simmonds, General biochemistry, New York 1959.