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Istidina

composto chimico

L'istidina (abbreviazioni His e H[2]), chiamata anche L-istidina, è un amminoacido il cui gruppo laterale reca un anello imidazolico. Viene codificata dai codoni CAU e CAC, ed è una molecola polare e chirale.

Istidina
formula di struttura
formula di struttura
Nome IUPAC
L-istidina
Abbreviazioni
H
His
Nomi alternativi
acido 2(S)-ammino-3-(4-imidazolil)propanoico; L-3-imidazol-4-ilalanina
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareC6H9N3O2
Massa molecolare (u)155,16
Aspettosolido cristallino biancastro
Numero CAS71-00-1
Numero EINECS200-745-3
PubChem6274
DrugBankDBDB00117
SMILES
C1=C(NC=N1)CC(C(=O)O)N
Proprietà chimico-fisiche
Costante di dissociazione acida a 293 KpK1: 1,80

pK2: 9,33
pKr: 6,04

Punto isoelettrico7,60
Solubilità in acqua38,2 g/l a 293 K
Temperatura di fusione272 °C (545 K) con decomposizione
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1)−466,7
Indicazioni di sicurezza
Frasi H---
Consigli P---[1]

Contiene un gruppo α-ammino (che è nella forma protonata in condizioni biologiche), un gruppo carbossilico (che si trova nella forma deprotonata in condizioni biologiche) e un anello imidazolico (che è parzialmente protonato); per questo l'istidina è classificata come amminoacido caricato positivamente a pH fisiologico.

Il suo enantiomero L è uno dei 20 amminoacidi ordinari della biochimica, considerato non essenziale nell'uomo adulto ed essenziale per i bambini e durante lo sviluppo; pertanto è definito pseudo-essenziale.

Infine, l'istidina è un precursore della biosintesi dell'istamina, un agente infiammatorio vitale nelle risposte immunitarie. L’istidina è stata isolata per la prima volta per il fisiologo tedesco Albercht Kossel e Sven Hedin nel 1896.[3]

Proprietà chimiche

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L'anello imidazolico dell'istidina ha un pKa di 6.0: ciò fa sì che piccole variazioni di pH nell'ambiente cellulare, che è in genere attorno a valori di pH neutri, possano cambiare il segno della sua ionizzazione. Per questa ragione, il residuo dell'istidina è di fondamentale importanza nelle proteine, e compare nei siti in cui può coordinare ioni metallici o i substrati su cui va a esercitare la sua attività enzimatica.

A pH minore di 6, l'anello imidazolico è perlopiù protonato. Quando è protonato, l'anello imidazolico ha due legami NH e ha una carica positiva; questa carica è equamente distribuita tra i due azoti e può essere rappresentata con due strutture di risonanza ugualmente importanti. Nel momento in cui il pH aumenta oltre 6, uno dei protoni viene perso. Il protone rimanente dell'anello imidazolico, ora neutro, può risiedere su entrambi gli azoti, dando origine a quelli che sono noti come tautomeri N1-H o N3-H. Il tautomero N3-H è protonato sull'azoto n. 3, più lontano nella catena principale dell'amminoacido che porta i gruppi ammino e carbossile, mentre il tautomero N1-H è protonato sull'azoto più vicino alla catena principale.[4]

L'anello imidazolico ha due atomi di azoto con differenti proprietà; uno (quello che ha legato a sé un atomo di idrogeno) condivide il suo doppietto di elettroni nell'anello aromatico ed è quindi lievemente acido, l'altro invece condivide nell'anello aromatico un solo elettrone lasciando il suo doppietto di elettroni disponibile ed è quindi basico.

Queste proprietà vengono sfruttate negli enzimi in vari modi. Nelle cosiddette triadi catalitiche[5] l'azoto basico dell'istidina viene usato per rimuovere uno ione H+ dalla serina, dalla treonina o dalla cisteina per attivarle come nucleofili. Nel trasferimento di protoni via istidina (hystidine proton shuttle) l'istidina trasferisce uno ione H+ estraendolo da un donatore tramite il suo azoto basico e cedendo lo ione H+ legato al suo atomo di azoto acido a un accettore. Nell'enzima anidrasi carbonica l'istidina viene usata per allontanare rapidamente ioni H+ da una molecola d'acqua legata a uno ione zinco per rigenerare la forma attiva dell'enzima. Usando come esempio il zwitterion di istidina, è stata scoperta per la prima volta un'interazione anione-anione del tipo anione carbossilato-tetrossido.[6]

Biochimica

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La catena laterale imidazolica dell'istidina è un ligando coordinante comune nelle metalloproteine ed è una parte dei siti catalitici in alcuni enzimi. Ha la capacità di passare da stati protonati a non protonati, che consente all'istidina di partecipare alla catalisi acido-base.[7] Nelle triadi catalitiche, l'azoto basico dell'istidina viene utilizzato per estrarre un protone da serina, treonina o cisteina per attivarle come nucleofile. L'istidina è anche importante nelle eliche E e F dell'emoglobina. L'istidina distale aiuta a stabilizzare l'ossiemoglobina e a destabilizzare il legame del CO con l'emoglobina. Di conseguenza, il legame col monossido di carbonio è solo 200 volte più forte nell'emoglobina, rispetto alle 20.000 volte più forte nell'eme libero.

Metabolismo

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Biosintesi

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L'istidina è un amminoacido essenziale che non è sintetizzato negli esseri umani[8]. Essi devono quindi introdurlo tramite la dieta oppure tramite integratori. La biosintesi dell'istidina è stata ampiamente studiata nei procarioti come l'Escherichia coli.

La sintesi dell'istidina nell'E. coli coinvolge otto prodotti genetici (His1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) e avviene in tre passi (fig. 1). Questo è possibile perché un solo prodotto di un gene è capace di catalizzare più di una reazione. Per esempio, His4 catalizza 4 passi diversi nel percorso sintetico.[9]

Come gli animali e i microrganismi, anche le piante hanno bisogno di istidina per crescere e svilupparsi.[10] I microrganismi e le piante sono simili tra di loro perché possono sintetizzare l'istidina[11], entrambi tramite l'intermedio biochimico fosforibosilpirofosfato. In generale, la biosintesi dell'istidina è simile in piante e microrganismi.[12]

 
1) Biosintesi dell'istidina Otto diversi enzimi possono catalizzare dieci reazioni. In questa immagine, His4 catalizza quattro diverse reazioni nel percorso.

Regolazione della biosintesi

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Questa reazione ha bisogno d'energia per avvenire, quindi la presenza di ATP ne attiva il primo enzima, l'ATP-fosforibosiltransferasi. La ATP-fosforibosiltransferasi è l'enzima che determina la velocità di reazione, che viene regolata attraverso feedback negativo. Questo significa che in presenza di molto prodotto (istidina) la biosintesi di questa viene inibita[13].

Degradazione

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Nei procarioti, l'istidina è trasformata in glutammato e ammoniaca.

L'istidina è uno degli amminoacidi che possono essere convertiti in intermedi del ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA)[14]. L'istidina insieme ad altri amminoacidi come la prolina e l'arginina, prende parte alla deamminazione, un processo in cui il suo ammino-gruppo viene rimosso. Nei procarioti, l'istidina viene prima convertita in urocanato dall'istidasi. Successivamente, l'urocanasi converte l'urocanato in 4-imidazolone-5-propionato. L'imidazolonepropionasi catalizza la reazione per formare il formiminoglutammato (FIGLU) dal 4-imidazolone-5-propionato[15]. Il gruppo formimino viene trasferito al tetraidrofolato e i restanti cinque carboni formano il glutammato[14]. Nel complesso, queste reazioni provocano la formazione di glutammato e ammoniaca[16]. Il glutammato può quindi essere deamminato dal glutammato deidrogenasi o transaminato per formare α-chetoglutarato[14].

Conversione ad altre ammine biologicamente attive

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  • L'istidina è un precursore dell'istamina, un'ammina prodotta nel corpo necessaria per l'infiammazione.[17]
  • L'istidina può essere convertita in 3-metilistidina (fig. 2) che serve come biomarcatore relativo a danni nei muscoli scheletrici.[18]
  • In funghi filamentosi come il Neurospora crassa, l'istidina può essere convertita nell'antiossidante ergotioneina.[19]
  • L'istidina è anche un precursore della biosintesi della carnosina, che è un dipeptide presente nei muscoli scheletrici.[20]


 
2) Conversione dell'istidina in istamina mediante istidina decarbossilasi.

Note

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  1. ^ scheda dell'istidina su IFA-GESTIS Archiviato il 16 ottobre 2019 in Internet Archive.
  2. ^ (EN) Names of common α-aminoacids Archiviato il 9 ottobre 2008 in Internet Archive. dalle convenzioni di nomenclatura IUPAC, 1983
  3. ^ (EN) Hubert Bradford Vickery e Charles S. Leavenworth, ON THE SEPARATION OF HISTIDINE AND ARGININE IV. THE PREPARATION OF HISTIDINE, in Journal of Biological Chemistry, vol. 78, n. 3, 1º agosto 1928, pp. 627–635, ISSN 0021-9258 (WC · ACNP).
  4. ^ (EN) Albert Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, W. H. Freeman, 2012, p. 65.
  5. ^ (EN) Albert Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, W. H. Freeman, 2012, p. 218.
  6. ^ (EN) Anton P. Novikov, Alexey V. Safonov e Konstantin E. German, What kind of interactions we may get moving from zwitter to “dritter” ions: C–O⋯Re(O4) and Re–O⋯Re(O4) anion⋯anion interactions make structural difference between L-histidinium perrhenate and pertechnetate, in CrystEngComm, 1º dicembre 2023, DOI:10.1039/D3CE01164J. URL consultato il 9 dicembre 2023.
  7. ^ (EN) Robert A. Ingle, Histidine Biosynthesis, in The Arabidopsis Book, vol. 9, pp. e0141, DOI:10.1199/tab.0141, PMC 3266711, PMID 22303266.
  8. ^ (EN) Roche Biochemical Pathways, su web.expasy.org. URL consultato il 18 novembre 2018.
  9. ^ (EN) Renato Fani, Elena Mori e Antonio Lazcano, Early evolution of the histidine biosynthetic pathway, in Origins of Life and Evolution of the Biosphere, vol. 26, n. 3-5, 1996-10, pp. 491–492, DOI:10.1007/bf02459888. URL consultato il 18 novembre 2018.
  10. ^ (EN) Robert A. Ingle, Histidine Biosynthesis, in The Arabidopsis Book, vol. 9, 2011-01, pp. e0141, DOI:10.1199/tab.0141. URL consultato il 18 novembre 2018.
  11. ^ (EN) Abstracts From the 40th Human Genetics Society of Australasia Annual Scientific Meeting Hobart, Tasmania: August 6–9, 2016, in Twin Research and Human Genetics, vol. 19, n. 05, 16 settembre 2016, pp. 522–587, DOI:10.1017/thg.2016.69. URL consultato il 18 novembre 2018.
  12. ^ (EN) A. Stepansky e T. Leustek, Histidine biosynthesis in plants, in Amino Acids, vol. 30, n. 2, 2006-03, pp. 127–142, DOI:10.1007/s00726-005-0247-0. URL consultato il 18 novembre 2018.
  13. ^ (EN) Yongsong Cheng, Yunjiao Zhou, Lei Yang, Chenglin Zhang, Qingyang Xu, Xixian Xie e Ning Chen, Modification of histidine biosynthesis pathway genes and the impact on production of L-histidine in Corynebacterium glutamicum, in Biotechnology Letters, vol. 35, n. 5, 1º maggio 2013, pp. 735–741, DOI:10.1007/s10529-013-1138-1, ISSN 1573-6776 (WC · ACNP), PMID 23355034.
  14. ^ a b c (EN) Board review series (BRS)-- Biochemistry, Molecular Biology, and Genetics (fifth edition): Swanson, Kim, Glucksman
  15. ^ (EN) J. G. Coote e H. Hassall, The degradation of l-histidine, imidazolyl-l-lactate and imidazolylpropionate by Pseudomonas testosteroni, in Biochemical Journal, vol. 132, n. 3, 1º marzo 1973, pp. 409–422, DOI:10.1042/bj1320409, ISSN 0264-6021 (WC · ACNP), PMC 1177604, PMID 4146796.
  16. ^ (EN) A. H. Mehler e H. Tabor, Deamination of histidine to form urocanic acid in liver, in The Journal of Biological Chemistry, vol. 201, n. 2, 1º aprile 1953, pp. 775–784, ISSN 0021-9258 (WC · ACNP), PMID 13061415.
  17. ^ (EN) H Andersen, J Elberling e L Arendt-Nielsen, Human Surrogate Models of Histaminergic and Non-histaminergic Itch, in Acta Dermato Venereologica, 2014, p. 0, DOI:10.2340/00015555-2146. URL consultato il 18 novembre 2018.
  18. ^ (EN) Ram Samudrala, Faculty of 1000 evaluation for HMDB: the Human Metabolome Database., su F1000 - Post-publication peer review of the biomedical literature, 28 novembre 2007. URL consultato il 18 novembre 2018.
  19. ^ (EN) Robert C. Fahey, Novel Thiols of Prokaryotes, in Annual Review of Microbiology, vol. 55, n. 1, 2001-10, pp. 333–356, DOI:10.1146/annurev.micro.55.1.333. URL consultato il 18 novembre 2018.
  20. ^ (EN) Wim Derave, Inge Everaert, Sam Beeckman e Audrey Baguet, Muscle carnosine metabolism and beta-alanine supplementation in relation to exercise and training, in Sports Medicine, vol. 40, n. 3, 1º marzo 2010, pp. 247–263, DOI:10.2165/11530310-000000000-00000, ISSN 1179-2035 (WC · ACNP), PMID 20199122.

Bibliografia

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  • Albert Lehninger, Michael M. Cox, David L. Nelson, Lehninger Principles of Biochemistry, W. H. Freeman, 2012

Voci correlate

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Altri progetti

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