Amino  Acids,  Pep.des,  and  Proteins  

1  

•  Amino  acids  contain  a  basic  amino  group  and  an  acidic  carboxyl  group  

•  Joined  as  amides  between  the  –NH2  of  one  amino  acid  and  the  –CO2H  to  the  next  amino  acid  

•  Chains  with  fewer  than  50  units  are  called  pep.des  •  Protein:  large  chains  that  have  structural  or  cataly.c  func.ons  

in  biology  

Proteins  –  Amides  from  Amino  Acids  

2  

•  Amino  acids  are  the  fundamental  building  blocks  of  proteins  

•  To  see  how  amino  acids  are  incorporated  into  proteins  and  the  structures  of  proteins  

Why  this  Chapter?  

3  

•  In  neutral  solu.on,  the  COOH  is  ionized  and  the  NH2  is  protonated  

•  The  resul.ng  structures  have  “+”  and  “-­‐”  charges    (a  dipolar  ion,  or  zwi,erion)  

•  They  are  like  ionic  salts  in  solu.on  

 Structures  of  Amino  Acids  

4  

•  20  amino  acids  form  amides  in  proteins  •  All  are  α-­‐amino  acids  -­‐  the  amino  and  carboxyl  are  connected  to  the  same  C  •  They  differ  by  the  other  subs.tuent  aWached  to  the  α  carbon,  called  the  

side  chain,  with  H  as  the  fourth  subs.tuent  •  Proline  is  a  five-­‐membered  secondary  amine,  with  N  and  the  α  C  part  of  a  

five-­‐membered  ring  •  See  table  26.1  to  examine  names,  abbrevia.ons,  physical  proper.es,  and  

structures  of  20  commonly  occurring  amino  acids  

The  Common  Amino  Acids  

5  

Alanine  A,  Ala  

Arginine    R,  Arg  Asparagine  N,  Asn  

Aspar.c  acid  D,  Asp  Cysteine  C,  Cys  

Glutamine  Q,  Gln    

Glutamic  Acid  E,  Glu  Glycine  G,  Gly  

His.dine  H,  His  Isoleucine  I,  Ile  

Leucine  L,  Leu  Lysine  K,  Lys  Methionine  M,  Met  Phenylalanine  F,  Phe  Proline    P,  Pro  Serine  S,  Ser  Threonine  T,  Thr  Tryptophan  W,  Trp  Tyrosine  Y,  Tyr  Valine  V,  Val  

Abbrevia.ons  and    Codes  

6  

•  Glycine,  2-­‐amino-­‐ace.c  acid,  is  achiral  •  In  all  the  others,  the  α  carbons  of  the  amino  acids  are  centers  

of  chirality  •  The  stereochemical  reference  for  amino  acids  is  the  Fischer  

projec.on  of  L-­‐serine  •  Proteins  are  derived  exclusively  from  L-­‐amino  acids  

Chirality  of  Amino  Acids  

7  

•  Neutral:  Fibeen  of  the  twenty  have  neutral  side  chains  

•  Asp  and  Glu  have  a  second  COOH  and  are  acidic  •  Lys,  Arg,  His  have  addi.onal  basic  amino  groups  side  chains  (the  N  in  tryptophan  is  a  very  weak  base)  

•  Cys,  Ser,  Tyr  (OH  and  SH)  are  weak  acids  that  are  good  nucleophiles    

Types  of  side  chains  

8  

•  Contains  an  imidazole  ring  that  is  par.ally  protonated  in  neutral  solu.on  

•  Only  the  pyridine-­‐like,  doubly  bonded  nitrogen  in  his.dine  is  basic.  The  pyrrole-­‐like  singly  bonded  nitrogen  is  nonbasic  because  its  lone  pair  of  electrons  is  part  of  the  6  π  electron  aroma.c  imidazole  ring.  

His.dine  

9  

•  All  20  of  the  amino  acids  are  necessary  for  protein  synthesis  

•  Humans  can  synthesize  only  10  of  the  20  

•  The  other  10  must  be  obtained  from  food  

Essen.al  Amino  Acids  

10  

•  In  acidic  solu.on,  the  carboxylate  and  amine  are  in  their  conjugate  acid  forms,  an  overall  ca.on  

•  In  basic  solu.on,  the  groups  are  in  their  base  forms,  an  overall  anion  

•  In  neutral  solu.on  ca.on  and  anion  forms  are  present  •  This  pH  where  the  overall  charge  is  0  is  the  isoelectric  point,  pI  

Amino  Acids,  the  Henderson  Hasselbalch  Equa.on,  and  Isoelectric  Points  

11  

•  If  pKa  values  for  an  amino  acid  are  known  the  frac.ons  of  each  protona.on  state  can  be  calculated  (Henderson-­‐Hasselbach  Equa.on)  

•  pH  =  pKa  –  log  [A-­‐]/[HA]  •  This  permits  a  .tra.on  curve  to  be  calculated  or  pKa  to  be  

determined  from  a  .tra.on  curve  

Titra.on  Curves  of  Amino  Acids  

12  

•  The  15  amino  acids  with  thiol,  hydroxyl  groups  or  pure  hydrocarbon  side  chains  have  pI  =  5.0  to  6.5  (average  of  the  pKa’s)  

•  D  and  E  have  acidic  side  chains  and  a  lower  pI  •  H,  R,    K  have  basic  side  chains  and  higher  pI  

pI  Depends  on  Side  Chain  

13  

•  Proteins  have  an  overall  pI  that  depends  on  the  net  acidity/basicity  of  the  side  chains  

•  The  differences  in  pI  can  be  used  for  separa.ng  proteins  on  a  solid  phase  permeated  with  liquid  

•  Different  amino  acids  migrate  at  different  rates,  depending  on  their  isoelectric  points  and  on  the  pH  of  the  aqueous  buffer  

Electrophoresis  

14  

•  Bromina.on  of  a  carboxylic  acid  by  treatment  with  Br2  and  PBr3  then  use  NH3  or  phthalimide  to  displace  Br  

Synthesis  of  Amino  Acids  

15  

•  Based  on  malonic  ester  synthesis.  •  Convert  diethyl  acetamidomalonate  into  enolate  ion  with  base,  

followed  by  alkyla.on  with  a  primary  alkyl  halide  •  Hydrolysis  of  the  amide  protec.ng  group  and  the  esters  and  

decarboxyla.on  yields  an  α-­‐amino  acid  

The  Amidomalonate  Synthesis  

16  

•  Reac.on  of  an  α-­‐keto  acid  with  NH3  and  a  reducing  agent  produces  an  α-­‐amino  acid    

Reduc.ve  Amina.on  of  α-­‐Keto  Acids  

17  

•  Amino  acids  (except  glycine)  are  chiral  and  pure  enan.omers  are  required  for  any  protein  or  pep.de  synthesis  

•  Resolu.on  of  racemic  mixtures  is  inherently  ineffecient  since  at  least  half  the  material  is  discarded  

•  An  efficient  alterna.ve  is  enan.oselec.ve  synthesis  

Enan.oselec.ve  Synthesis  of  Amino  Acids  

18  

•  Chiral  reac.on  catalyst  creates  diastereomeric  transi.on  states  that  lead  to  an  excess  of  one  enan.omeric  product  

•  Hydrogena.on  of  a  Z  enamido  acid  with  a  chiral  hydrogena.on  catalyst  produces  S  enan.omer  selec.vely  

Enan.oselec.ve  Synthesis  of  Amino  Acids  (cont’d)  

19  

•  Proteins  and  pep.des  are  amino  acid  polymers  in  which  the  individual  amino  acid  units,  called  residues,  are  linked  together  by  amide  bonds,  or  pep.de  bonds  

•  An  amino  group  from  one  residue  forms  an  amide  bond  with  the  carboxyl  of  a  second  residue  

Pep.des  and  Proteins  

20  

•  Two  dipep.des  can  result  from  reac.on  between  A  and  S,  depending  on  which  COOH  reacts  with  which  NH2  we  get  AS  or  SA  

•  The  long,  repe..ve  sequence  of  ⎯N⎯CH⎯CO⎯  atoms  that  make  up  a  con.nuous  chain  is  called  the  protein’s  backbone  

•  Pep.des  are  always  wriWen  with  the  N-­‐terminal  amino  acid  (the  one  with  the  free  ⎯NH2  group)  on  the  leb  and  the  C-­‐terminal  amino  acid  (the  one  with  the  free  ⎯CO2H  group)  on  the  right  

•  Alanylserine  is  abbreviated  Ala-­‐Ser  (or  A-­‐S),  and  serylalanine  is  abbreviated  Ser-­‐Ala  (or  S-­‐A)  

Pep.de  Linkages  

21  

•  The  sequence  of  amino  acids  in  a  pure  protein  is  specified  gene.cally  

•  If  a  protein  is  isolated  it  can  be  analyzed  for  its  sequence  •  The  composi.on  of  amino  acids  can  be  obtained  by  automated  

chromatography  and  quan.ta.ve  measurement  of  eluted  materials  using  a  reac.on  with  ninhydrin  that  produces  an  intense  purple  color  

 Amino  Acid  Analysis  of  Pep.des  

22  

•  The  Edman  degrada.on  cleaves  amino  acids  one  at  a  .me  from  the  N-­‐terminus  and  forms  a  detectable,  separable  deriva.ve  for  each  amino  acid  

Pep.de  Sequencing:  The  Edman  Degrada.on  

23  

•  Pep.de  synthesis  requires  that  different  amide  bonds  must  be  formed  in  a  desired  sequence  

•  The  growing  chain  is  protected  at  the  carboxyl  terminal  and  added  amino  acids  are  N-­‐protected  

•  Aber  pep.de  bond  forma.on,  N-­‐protec.on  is  removed  

 Pep.de  Synthesis  

24  

•  Usually  converted  into  methyl  or  benzyl  esters  •  Removed  by  mild  hydrolysis  with  aqueous  NaOH  •  Benzyl  esters  are  cleaved  by  cataly.c  hydrogenolysis  of  the  

weak  benzylic  C–O  bond  

Carboxyl  Protec.ng  Groups  

25  

•  An  amide  that  is  less  stable  than  the  protein  amide  is  formed  and  then  removed  

•  The  tert-­‐butoxycarbonyl  amide  (BOC)  protec.ng  group  is  introduced  with  di-­‐tert-­‐butyl  dicarbonate  

•  Removed  by  brief  treatment  with  trifluoroace.c  acid  

Amino  Group  Protec.on  

26  

•  Amides  are  formed  by  trea.ng  a  mixture  of  an  acid  and  amine  with  dicyclohexylcarbodiimide  (DCC)  

Pep.de  Coupling  

27  

Overall  Steps  in  Pep.de  Synthesis  

28  

•  Pep.des  are  connected  to  beads  of  polystyrene,  reacted,  cycled  and  cleaved  at  the  end  

Automated  Pep.de  Synthesis:  The  Merrifield  Solid-­‐Phase  Technique  

29  

•  The  primary  structure  of  a  protein  is  simply  the  amino  acid  sequence.  

•  The  secondary  structure  of  a  protein  describes  how  segments  of  the  pep.de  backbone  orient  into  a  regular  paWern.  

•  The  terHary  structure  describes  how  the  en.re  protein  molecule  coils  into  an  overall  three-­‐dimensional  shape.  

•  The  quaternary  structure  describes  how  different  protein  molecules  come  together  to  yield  large  aggregate  structures  

Protein  Structure  

30  

•  α-­‐Helix  stabilized  by  H-­‐bonds  between  amide  N–H  groups  and  C=O  groups  four  residues  away  

α-­‐Helix  

31  

•  β-­‐pleated  sheet  secondary  structure  is  exhibited  by  polypep.de  chains  lined  up  in  a  parallel  arrangement,  and  held  together  by  hydrogen  bonds  between  chains  

β-­‐Pleated  Sheet  

32  

•  The  ter.ary  structure  of  a  globular  protein  is  the  result  of  many  intramolecular  aWrac.ons  that  can  be  disrupted  by  a  change  of  the  environment,  causing  the  protein  to    become  denatured  

•  Solubility  is  dras.cally  decreased  as  in  hea.ng  egg  white,  where  the  albumins  unfold  and  coagulate  

•  Enzymes  also  lose  all  cataly.c  ac.vity  when  denatured  

Denatura.on  of  Proteins  

33  

•  An  enzyme  is  a  protein  that  acts  as  a  catalyst  for  a  biological  reac.on.    

•  Most  enzymes  are  specific  for  substrates  while  enzymes  involved  in  diges.on,  such  as  papain  aWack  many  substrates  

Enzymes  and  Coenzymes  

34  

•  Enzymes  are  usually  grouped  according  to  the  kind  of  reac.on  they  catalyze,  not  by  their  structures  

Types  of  Enzymes  by  Func.on  

35  

•  Citrate  synthase  catalyzes  a  mixed  Claisen  condensa.on  of  acetyl  CoA  and  oxaloacetate  to  give  citrate    

•  Normally  Claisen  condensa.ons  require  a  strong  base  in  an  alcohol  solvent  but  citrate  synthetase  operates  in  neutral  solu.on  

How  Do  Enzymes  Work?  Citrate  Synthase  

36  

•  Determined  by  X-­‐ray  crystallography  

•  Enzyme  is  very  large  compared  to  substrates,  crea.ng  a  complete  environment  for  the  reac.on  

The  Structure  of  Citrate  Synthase  

37  

•  A  cleb  with  func.onal  groups  binds  oxaloacetate  

•  Another  cleb  opens  for  acetyl  CoA  with  H  274  and  D  375,  which  have  carboxylate  that  abstract  a  proton  from  acetyl  CoA  

•  The  enolate  (stabilized  by  a  ca.on)  adds  to  the  carbonyl  group  of  oxaloacetate  

•  The  thiol  ester  in  citryl  CoA  is  hydrolyzed  

Mechanism  of  Citrate  Synthetase  

38