Prolina

La prolina è uno degli α-amminoacidi utilizzati dagli organismi viventi come elementi costitutivi delle proteine. L’isomero L della prolina, che è l’unica forma coinvolta nella sintesi proteica, è uno dei 20 aminoacidi standard comuni nelle proteine animali e richiesti per il normale funzionamento nell’uomo. La prolina è unica tra questi in quanto l’atomo di azoto fa parte della struttura ad anello, la serie ciclica di atomi di carbonio, piuttosto che all’esterno dell’anello. Cioè, il suo gruppo amminico, attraverso il quale si collega agli altri aminoacidi, è un’ammina secondaria, piuttosto che un gruppo amminico primario (-NH2), come negli altri diciannove aminoacidi.

La prolina non è classificata come “aminoacido essenziale” poiché non deve essere assunta con la dieta, ma può essere sintetizzata dal corpo umano da altri composti attraverso reazioni chimiche, in particolare dall’acido glutammico.

La struttura unica della prolina, con il gruppo amminico parte della struttura ad anello, è importante per la forma delle proteine. La funzionalità di una proteina dipende dalla sua capacità di piegarsi in una precisa forma tridimensionale. Il legame della prolina con altri aminoacidi attraverso il gruppo amminico contribuisce a varie curve e pieghe nella forma della proteina, senza le quali la proteina non potrebbe funzionare correttamente. Questo riflette una straordinaria complessità e armonia. In qualche modo, le proteine composte da centinaia di amminoacidi sono in grado di configurarsi nella forma corretta, e quindi di svolgere funzioni vitali.

Il codice di tre lettere della prolina è Pro, quello di una lettera è P, i suoi codoni sono CCU, CCC, CCA e CCG, e il suo nome sistematico è acido pirrolidin-2-carbossilico (IUPAC-IUB 1983).

Struttura

In biochimica, il termine aminoacido è spesso usato per riferirsi specificamente agli aminoacidi alfa – quegli aminoacidi in cui i gruppi amminico e carbossilato sono legati allo stesso carbonio, il cosiddetto carbonio α (carbonio alfa). La struttura generale di questi amminoacidi alfa è:

 R |H2N-C-COOH | H

dove R rappresenta una catena laterale specifica per ogni amminoacido. La prolina è l’eccezione a questa struttura di base, poiché la sua catena laterale ciclizza sulla spina dorsale, formando una struttura ad anello in cui un gruppo amminico secondario sostituisce il gruppo amminico primario.

La prolina è unica tra i 20 aminoacidi standard in quanto il gruppo amminico fa parte dell’anello ciclico di atomi. Gli altri diciannove aminoacidi sono tutti aminoacidi primari, con il gruppo amminico che non fa parte della serie circolare di atomi. Tuttavia, a causa del legame ciclico della catena laterale a tre carboni con l’azoto della spina dorsale, la prolina manca di un gruppo amminico primario (-NH2). L’azoto della prolina è propriamente detto un’ammina secondaria.

Questa configurazione offre importanti proprietà alle proteine poiché è il gruppo amminico (e il carbossile, -COOH) che collega un amminoacido all’altro. (Un legame peptidico è un legame chimico formato tra due molecole quando il gruppo carbossilico di una molecola reagisce con il gruppo amminico dell’altra molecola). Questo aspetto unico della prolina è importante per stabilire la struttura della proteina, contribuendo a varie curve e pieghe nella forma della proteina. Affinché una proteina funzioni, deve avere una particolare forma conformazionale.

La prolina è talvolta chiamata un aminoacido, anche se la definizione dell’Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) di un’ammina richiede un doppio legame carbonio-azoto. Nella terminologia biologica, tuttavia, la categoria “aminoacidi” è generalmente presa per includere la prolina.

La maggior parte degli aminoacidi si presentano in due possibili isomeri ottici, chiamati D e L. Gli aminoacidi L rappresentano la maggior parte degli aminoacidi che si trovano nelle proteine. Sono chiamati aminoacidi proteinogenici. Come suggerisce il nome “proteinogenico” (letteralmente, costruzione di proteine), questi aminoacidi sono codificati dal codice genetico standard e partecipano al processo di sintesi delle proteine. Nella prolina, solo lo stereoisomero L è coinvolto nella sintesi delle proteine dei mammiferi.

La prolina ha la formula chimica HO2CCH(NH[CH2)3, o più generalmente, C5H9NO2.

Proprietà strutturali

La caratteristica struttura ciclica della catena laterale della prolina blocca il suo ϕ {\displaystyle \phi } diedro della spina dorsale a circa -75°, dando alla prolina un’eccezionale rigidità conformazionale rispetto ad altri aminoacidi. Quindi, la prolina perde meno entropia conformazionale durante il ripiegamento, il che può spiegare la sua maggiore prevalenza nelle proteine degli organismi termofili.

La prolina agisce come distruttore strutturale nel mezzo di elementi regolari di struttura secondaria come le eliche alfa e i fogli beta; tuttavia, la prolina si trova comunemente come primo residuo (componente) di un’elica alfa e anche nei filamenti di bordo dei fogli beta. La prolina si trova comunemente anche nei giri, il che può spiegare il fatto curioso che la prolina è solitamente esposta al solvente, nonostante abbia una catena laterale completamente alifatica. Poiché alla prolina manca un idrogeno sul gruppo amidico, non può agire come donatore di legami idrogeno, ma solo come accettore di legami idrogeno.

Molteplici proline e/o idrossiproline in una fila possono creare un’elica di poliprolina, la struttura secondaria predominante nel collagene. L’idrossilazione della prolina da parte della prolilidrossilasi (o altre aggiunte di sostituenti che sottraggono elettroni, come il fluoro) aumenta significativamente la stabilità conformazionale del collagene. Quindi, l’idrossilazione della prolina è un processo biochimico critico per mantenere il tessuto connettivo degli organismi superiori. Malattie gravi come lo scorbuto possono derivare da difetti in questa idrossilazione, per esempio, mutazioni nell’enzima prolil idrossilasi o mancanza del necessario cofattore ascorbato (vitamina C).

Isomerizzazione cis-trans

I legami peptidici alla prolina e ad altri aminoacidi sostituiti con N (come la sarcosina) sono capaci di popolare entrambi gli isomeri cis e trans. La maggior parte dei legami peptidici preferisce in modo schiacciante adottare l’isomero trans (tipicamente il 99,9% in condizioni non forzate), principalmente perché l’idrogeno ammidico (isomero trans) offre meno repulsione sterica al precedente C α {displaystyle \mathrm {C} ^{alpha }} rispetto al seguente atomo di C α {displaystyle \mathrm {C} ^{alpha} (isomero cis). Al contrario, gli isomeri cis e trans del legame peptidico X-Pro sono quasi isosterici (cioè, altrettanto male energeticamente); il C α {displaystyle \mathrm {C} ^{alpha }} (isomero cis) e C δ {displaystyle \mathrm {C} ^{delta }} atomi (isomero trans) di prolina sono approssimativamente equivalenti dal punto di vista sterico. Quindi, la frazione di legami peptidici X-Pro nell’isomero cis in condizioni non forzate varia dal dieci al 40 per cento; la frazione dipende leggermente dall’aminoacido X precedente, con residui aromatici che favoriscono leggermente l’isomero cis.

L’isomerizzazione cis-trans della prolina è un processo molto lento che può ostacolare il progresso del ripiegamento della proteina intrappolando una o più proline cruciali per il ripiegamento nell’isomero non nativo, specialmente quando l’isomero nativo è il più raro cis. Tutti gli organismi possiedono enzimi prolilisomerasi per catalizzare questa isomerizzazione, e alcuni batteri hanno prolilisomerasi specializzate associate al ribosoma. Tuttavia, non tutte le proline sono essenziali per il ripiegamento, e il ripiegamento delle proteine può procedere ad un tasso normale nonostante abbiano isomeri non nativi di molti legami peptidici X-Pro.

Biosintesi

La prolina deriva biosinteticamente dall’aminoacido L-glutammato e il suo precursore immediato è l’iminoacido (S)-Δ1-pirrolina-5-carbossilato (P5C). Gli enzimi coinvolti in una tipica biosintesi includono (Lehninger 2000):

• glutammato chinasi (ATP-dipendente)
• glutammato deidrogenasi (richiede NADH o NADPH)
• pirrolina-5-carbossilato reduttasi (richiede NADH o NADPH)

Funzione

In aggiunta al suo ruolo vitale nella struttura delle proteine, la prolina è anche usata come integratore alimentare e nella ricerca biochimica, microbiologica e nutrizionale.

La prolina e i suoi derivati sono spesso usati come catalizzatori asimmetrici nelle reazioni organiche. La riduzione CBS e la condensazione aldol catalizzata dalla prolina sono esempi importanti.

La prolina ha un sapore dolce con un retrogusto distinto. La prolina causa anche una leggera irritazione alla lingua come il pepe di Sichuan.

Vedi anche

• Collagene

• Balbach, J., e F. X. Schmid. “L’isomerizzazione della prolina e la sua catalisi nel ripiegamento delle proteine”. In R. H. Pain, ed. Mechanisms of Protein Folding, 2nd ed. Oxford University Press, 2001. ISBN 0199637881
• Doolittle, R. F. “Redundancies in protein sequences.” In G. D. Fasman, ed. Prediction of Protein Structures and the Principles of Protein Conformation. New York: Plenum Press, 1989. ISBN 0306431319
• International Union of Pure and Applied Chemistry and International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUPAC-IUB) Joint Commission on Biochemical Nomenclature. 1983. Nomenclatura e simbolismo per aminoacidi e peptidi: Raccomandazioni sulla nomenclatura organica &biochimica, simboli & terminologia IUPAC-IUB. Retrieved August 30, 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson, and M. M. Cox. Lehninger Principi di biochimica, 3 ° ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536