Appunti Biochimica - Vincenzini UNIFI

Lezione 1

Giovedì 2 marzo 2017 11:38

Il martedì inizia alle 9:00, fine corso a fine maggio.

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Libri consigliati: biochimica L. Strayer Zanichelli. A.L. Lehninger, principi di Biochimica, Ed. Zanichelli.

Prof. Vincenzini

Vincenzini@unifi.it

055 2751238

Biochimica

Biochimica: studia le caratteristiche strutturali e funzionali delle biomolecole che fanno parte degli organismi viventi, è una materia che si è sviluppata recentemente, le prime scoperte scientifiche risalgono alla metà dell'800 e si è sviluppata molto negli ultimi 50 anni.

Per lo studio della biochimica sono importanti le conoscenze di chimica generale (elementi, atomi, molecole) e la chimica organica perché le biomolecole sono per la maggior parte molecole organiche. Le reazioni sono analoghe a quelle della chimica organica ma sono più specifiche e altamente regolate perché all'interno della cellula niente avviene in modo casuale e tutti i processi metabolici che avvengono sono tutti altamente regolati.

È importante conoscere la biologia, la struttura degli organuli, come le cellule proliferano e si riproducono…

Per lo studio della biochimica vigono le stesse leggi fondamentali che regolano la fisica e la chimica dell'intero universo e della materia inanimata.

Il primo a dimostrare i procedimenti in provetta sintetizzando l'urea in provetta, viene sintetizzata nel nostro organismo a livello epatico con la quale eliminiamo l'ammoniaca. Questo scienziato sintetizzò l’urea senza bisogno dei reni. Wohler riuscì a sintetizzare un estratto di lievito (omogenato) mettendoci del glucosio, zucchero veniva degradato in etanolo, CO2 e H2O. Anche i processi più complessi possono avvenire con delle cellule rotte, non è quindi vero che ci devono essere strutture vitali intatte per far avvenire processi biologici.

Furono i primi che individuarono la presenza di composti che avvenivano molto velocemente, che erano omogenati che in tempi così rapidi degradavano i prodotti di degradazione; tali prodotti erano gli enzimi e li chiamarono fermenti (fermentazione), questi composti che dovevano realizzare queste degradazioni. Quando si scoprì che erano proteine che avevano attività proteica vennero chiamate enzimi (dal greco = nel lievito).

Però la natura proteica di queste molecole si è potuta determinare in seguito a purificazione e cristallizzazione dell'enzima del fagiolo, ureasi, che degrada l'urea (noi non ce l'abbiamo). Molte conoscenze riguardano le proteine perché con gli acidi nucleici non ci si riusciva poiché erano molecole lunghissime intorno ai cromosomi e non si riusciva a trovare un metodo per purificare questo composto senza denaturare.

Lo studio dei geni è avvenuto perciò così tardi perché le apparecchiature e le metodiche per estrarre queste molecole sono state molto difficili da trovare. Le molecole sono perciò molto complesse e lo studio di esse ancora di più.

Dopo aver visto che si trattava di proteine sono state messe a punto delle metodiche per determinare la struttura primaria, sequenza amminoacidica, determinata dal gene che codifica questa proteina.

L'insulina è stata la prima proteina alla quale è stata determinata la struttura primaria. Per la prima volta è stata studiata la struttura primaria e terziaria: sono due strutture globulari, emoglobina e mioglobina.

Il concetto di gene risale a Mendel però non sapeva di cosa si trattava, sapeva che c'erano molecole che contenevano informazioni che poi venivano trasmesse a generazioni successive ma non sapeva bene che molecole erano, si pensava proteine ma non erano. Watson e Crick determinarono poi la struttura a doppia elica del DNA. Si scoprì poi di enzimi specifici che ci hanno permesso di rompere il DNA senza denaturarlo e quindi abbiamo potuto purificare, ottenere frammenti di DNA non denaturato, ed è da lì che si è partiti con lo studio dei geni dei quali si poteva avere grossi quantitativi.

Con la clonazione dei geni individuati, il sequenziamento del genoma umano è stato fatto entro il 2000. Sono stati sequenziati tutti i nucleotidi del DNA del genoma umano, poi si sono dovuti individuare i vari geni nel DNA.

Per la clonazione dei geni si intende l'estrazione di un gene dall'intero genoma e amplificazione di questo gene che si può fare in provetta così da ottenerne diverso materiale.

Fondamentale per lo studio di proteine umane perché bisognava partire da materiale umano.

Molte di queste proteine si sono poi utilizzate in seguito allo sviluppo delle biotecnologie, come anche farmaci.

Gli obiettivi della biochimica

• Studiare la struttura chimica 3D delle molecole e come queste strutture sono correlate alla loro funzione. Infatti nel nostro corpo abbiamo cellule di selezione naturale che vanno a svolgere una determinata funzione, infatti se si altera la struttura di queste biomolecole non riescono più a funzionare nel modo giusto e inseguono interazioni patologiche.
• Studiare come le molecole organiche, che di per sé sono inanimate, interagiscono tra di loro in modo da formare degli organismi viventi.
• Studiare come molecole che noi introduciamo con alimenti o respirazione vengono ad essere degradate e trasformate dal nostro organismo e come sfruttiamo questi prodotti di degradazione per la risintesi di molecole che a noi servono. Tutte queste reazioni di degradazione e di sintesi sono accompagnate da trasformazioni energetiche, si estrae energia dagli alimenti, energia chimica che poi sarà quella che viene sempre utilizzata per i processi biosintetici e per tutti quei processi che necessitano di energia, perché l'energia serve anche per svolgere molte altre funzioni: la contrazione muscolare, il trasferimento di biomolecole attraverso le membrane... Tutti i processi metabolici sono altamente regolati e quindi queste trasformazioni energetiche vanno studiate e come vengono regolate.
• Allestire metodologie idonee per tali studi.

Biomolecole

Biomolecole: costituite essenzialmente da circa 60 molecole rispetto ai 90 elementi della tavola periodica, e sono stati selezionati come i migliori per poter strutturare queste biomolecole. Il più abbondante in assoluto è il carbonio e anche azoto, ossigeno e idrogeno. Dopodiché abbiamo quantitativi di fosforo, zolfo, sodio, potassio, calcio e cloro comunque abbondanti. Poi abbiamo altri elementi che sono presenti in quantitativi minori ma che sono però fondamentali, che introduciamo con la respirazione in tracce; fanno parte di proteine, parlando di cobalto, nichel, ferro e zinco si ha le metalloproteine, se mancano si vede l'insorgere di una patologia.

Il carbonio ha caratteristiche particolari, riesce a formare 4 legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio, può formare doppi o tripli legami e anche soprattutto strutture polimeriche (proteine, acidi grassi, lipidi), origina catene carboniose lineari, circolari, ramificate che sono le strutture portanti delle forme polimeriche.

Le biomolecole contenute nelle nostre cellule (procariotiche e eucariotiche) sono in numero limitato; nei procarioti abbiamo al massimo 6000 molecole, negli eucarioti 10000 molecole. In queste cellule ci sono determinate biomolecole e di un determinato tipo. Il numero limitato deriva dal fatto che lo spazio nella cella è appunto limitato ma oltre a questo l'importanza di svolgere una funzione vitale con un numero limitato di molecole risponde anche alla necessità di un minor dispendio energetico, infatti nella cellula tutto avviene secondo il principio della massima efficienza con il minimo dispendio energetico.

Questo numero limitato di molecole riesce a svolgere tutte le funzioni riducendo il dispendio energetico, che viene ridotto non solo per il numero limitato di molecole ma anche perché queste molecole sono simili tra loro, vediamo infatti una gerarchia molecolare: piccolissime molecole che otteniamo dagli alimenti ci servono per sintetizzare molecole sempre piccole ma più complesse come zuccheri, amminoacidi e le basi azotate che costituiscono i nucleotidi; queste molecole che ho nominato costituiscono i monomeri di molecole più complesse.

Abbiamo 20 amminoacidi, per sintetizzare 20 amminoacidi chimicamente simili tra di loro ho bisogno di poche reazioni poiché riesco a usarle modificandole di pochissimo. Usando un numero limitato di reazioni e di enzimi questi venti amminoacidi riesco a sintetizzarli tutti con poco cambiamento, e li sintetizzo in proteine tutte molto simili tra loro, la diversità consiste nel numero e nel tipo di amminoacidi che le costituiscono: si creano delle differenze che bastano a far sì che una funzioni come enzima, un'altra come ormone, come una molecola per l'ossigeno… le varie funzioni sono dovute alle piccole differenze strutturali e chimiche ma che sono comunque molto simili tra di loro. Ciò è importante sia per lo spazio che per dispendio energetico minimo.

Come anche per fare tutti i geni mi servono solo 4 nucleotidi e 4 ribonucleotidi per farci tutti gli mRNA, con 36 piccole molecole ci facciamo centinaia di molecole che servono nella nostra cellula.

Lezione 2

Prof. Iantomas

Lunedì 6 marzo 2017 09:35

Proteine

Proteina è un termine coniato inizialmente da Mulder e poi da Berzelius, deriva dal greco “proteios” che significa principale, senza proteine infatti non possiamo vivere.

Le proteine sono costituite da amminoacidi ed è proprio la sequenza di questi amminoacidi, il numero e il tipo a conferire alla proteina un certo tipo di struttura, caratteristica e soprattutto funzione.

Questa costituzione chimica e strutturale è determinata dal codice genetico, l'informazione è contenuta nel DNA che viene trascritto in mRNA e attraverso la sintesi proteica abbiamo la traduzione dell'informazione per poi essere tramandata alle proteine attraverso il codice genetico, triplette che codificano per un amminoacido; il codice genetico è degenerato, cioè più triplette possono codificare per uno stesso amminoacido, questo perché se ci fosse una mutazione potrebbe codificare lo stesso amminoacido.

Molte patologie metaboliche che derivano da mutazioni genetiche sono patologie gravi perché è mutato il DNA, sì, ma la sintesi di una proteina che non può però più svolgere la sua funzione.

Tutta l'informazione degli acidi nucleici viene espressa nelle proteine.

Ciascun gene codifica per una proteina diversa la quale avrà funzione e caratteristiche strutturali diverse.

Sono sintetizzate nel citoplasma delle cellule sui ribosomi. Una volta che la catena è stata sintetizzata questa sequenza si svolgerà nello spazio per arrivare ad un certo tipo di struttura che esplica la funzione.

I maggiori ruoli svolti dalle proteine

• Enzimi: sono proteine, senza enzimi non si vive perché tutte le reazioni che avvengono nel nostro organismo sono catalizzate da questi.
• Funzioni di trasporto e immagazzinamento: emoglobina, ferritina, mioglobina, carrier transmembrana che si trovano sulle membrane delle cellule e permettono ai metaboliti di entrare nelle cellule, glucosio.
• Eliminazione dei prodotti del metabolismo.
• Movimento coordinato: actina, miosina e tubulina.
• Strutturale: collagene, elastina, cheratina.
• Difesa: anticorpi, proteine della coagulazione, interferone.
• Generazione e trasmissione di impulsi nervosi.
• Controllo di crescita e differenziamento: ormoni, fattore di crescita.
• Recettoriali: ospiti di trasdurre il segnale all’interno della cellula.

Le proteine sono polimeri i cui monomeri sono amminoacidi.

Ci sono molecole complesse con polimeri da 50 aa a 9000 aa e proteine costituite da pochi amminoacidi.

I peptidi si distinguono in:

• Oligopeptidi: fino a 10 aa.
• Polipeptidi: da 11 a 50 aa.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono tasselli che costituiscono le proteine che hanno tale struttura genetica con al centro un carbonio alfa che ha legato un gruppo carbossilico, uno amminico e un idrogeno.

R è un gruppo caratteristico di ogni amminoacido, parte variabile di esso, è un gruppo responsabile delle caratteristiche degli amminoacidi stessi e che ne stabilisce una determinata funzione, catena laterale.

La forma in cui il gruppo amminico è protonato, carico +, e il gruppo carbossilico è deprotonato è detta zwitterionica, pH neutro.

Struttura generica di un amminoacido.

Ciascuno di questi due gruppi hanno valori di pKa:

• pKa carbossilico è circa 2.
• pKa amminico è circa 10.

Se nella catena laterale ci sono altri atomi di carbonio questi assumono il nome delle successive lettere greche dopo l'alfa.

I gruppi legati ai vari carboni assumono il nome della lettera greca del carbonio a cui sono legati.

Si comporta o da acido o da base a seconda se accetta o perde un elettrone. Ciò dipende dal pH a cui si trova l'aa. Il carbonio alfa ha 4 sostituenti tutti diversi perciò è un centro chirale, quindi esistono due stereoisomeri, immagini speculari non sovrapponibili; esistono perciò la forma L e la forma D, levogiro e destrogiro.

Ci sono però aa con più gruppi chiralici dove gli stereoisomeri sono 2ⁿ, dove n è il numero di centri chirali. Nella treonina sono 2 e quindi 4 stereoisomeri, 2 coppie di enantiomeri; le due coppie tra di loro sono diastereoisomeri.

Altro amminoacido: L-cistina che con un ponte solfuro si unisce alla D-cistina.

Le forme simili dette forme meso, i due centri di simmetria ruotano i piani della luce uno in un verso, l'altro in un altro e non sono dotati di isomeria ottica.

Gli amminoacidi sono 20, si differenziano per via del gruppo R che ha caratteristiche diverse a seconda dell'aa. Le diversità caratteristiche sono le maggiori responsabili della varietà di proprietà di proteine.

Si ritrovano nelle proteine soltanto L-amminoacidi ma ciò non significa che siamo migliori dei D, soltanto che durante l'evoluzione si sono sviluppati enzimi che inseriscono gli L-amminoacidi e non il D.

Possiamo distinguere in tre gruppi gli aa:

• Aa con gruppo R polare carico.
• Aa con gruppo R polare non carico.
• Con gruppo R non polare.

Con 20 aa posso avere 400 peptidi diversi, 8000 tripeptidi diversi.

AA con catene alifatiche non polari prive di carica

• Glicina = come R ha solo un H che ha poco ingombro sterico.
• Alanina, valina, leucina: la catena diventa sempre più grande, sapere la struttura.

Questi aa hanno la funzione di stabilizzare la struttura 3D delle proteine perché quando questa si vuole avvolgere e si ripiega per assumere le strutture 3D, questi aa, essendo non polari, si metteranno all'interno della proteina e non a contatto con l'acqua stabilizzando la proteina.

Per la glicina il carbonio alfa non è un centro chiralico perciò non ha enantiomeri. L'unico aa che non ha simmetria ottica.

L'isoleucina è un altro aa con un altro centro chiralico come la treonina, non polari che stabilizzano la proteina.

• Metionina: catena con uno zolfo di dimensioni simili a quelle del CH2, perciò è una catena alifatica normale ma può reagire con elettrofili e ioni metallici.
• Prolina: il C alfa ha catena laterale che si ripiega e si forma un legame tra il terzo CH2 con il gruppo aa del carbonio alfa, è perciò un imminoacido. Aa che si trova in quei punti in cui la catena peptidica si ripiega.

AA aromatici non polari e privi di carica

• Triptofano: con catena con indolo.
• Fenilalanina: stanno all'interno delle proteine.

AA polari senza carica elettrica

• Serina: con CH2OH nella catena.
• Treonina: meno reattivo della serina.
• Tirosina: deriva dalla fenilalanina in cui c'è stato un cambiamento di OH, sta nel sito attivo dell'aa.
• Cisteina: non è un aa polare ma è tra i polari perché il gruppo SH è molto reattivo ma non è polare, il gruppo è molto reattivo perché lo zolfo risente dell'ambiente circostante ma può formare legame ad H e allo stesso tempo può ossidarsi e formare un ponte disolfuro per dar luogo alla cistina, aa visto prima. La cistina non viene codificata dal DNA ma deriva dall'unione di due cisteine con il ponte disolfuro. Perciò si può trovare anche tra quelli non polari perché non lo è per l'elettronegatività che è simile tra S e C.

AA con catene laterali polari prive di carica

Ammidi dell'acido glutammico: glutammina (γ) e asparagina (β): amminoacidiche si trovano tipicamente sulla superficie acquosa delle proteine.

Triptofano e tirosina con fenilalanina assorbono la luce a 280 nm, utile per identificarle e qualificarle.

AA con catena laterale acida, carichi

• Acido aspartico: β-aspartico.
• Acido glutammico: γ-glutammico.

AA basici con cariche positive alle proteine

Lisina a cui è legato un gruppo amminico in epsilon, gruppo ε-amminico della lisina, siccome è lungo mi dà un legame crociato, la glicina no perché si trova in un aa che ha poco spazio perché ha solo un H.

Arginina: ha un gruppo…

Istidina: aa di imidazolo, questa ti chiedono la struttura perché viene chiesta nel caso dell'emoglobina.

In una sequenza di aa generalmente scrivere tutto l'aa è lungo quindi ci sono tre lettere indicative, le prime di solito, oppure una.

Ci sono poi amminoacidi particolari, per esempio nel collagene, e ci sono idrossilisina e idrossiprolina.

Nel gruppo fosforilati ci sono: fosfoserina, fosfotreonina, per la regolazione dei processi metabolici della proteina. La fosforilazione è indice sia di attivazione e di inattivazione.

Il γ-carbossiglutammico, N-formilmetionina.

Questi non sono codificati da triplette da DNA, il DNA dà la lisina che nel collagene viene idrossilata, l'aa inserito è quello normale poi può