Appunti di Biochimica propedeutica e specifica

Biochimica della tavola periodica

30 elementi della TPE indispensabili alla vita, quelli colorati in marroncino sono indispensabili alla vita ma presenti in grandi quantità, come carbonio, ossigeno, idrogeno, sodio, potassio, calcio, fosforo. Elementi indicati in giallo sono i metalli, necessari in piccole quantità. Molti di questi elementi sono cofattori richiesti dagli enzimi per esplicare la loro funzione: il magnesio è il classico cofattore richiesto.

Atomo di carbonio

L'atomo di carbonio ha valenza 4, può formare 4 legami singoli. Alternativamente può formare doppi legami o tripli legami. Il doppio legame C-C realizza un qualcosa di rigido e planare. Gli atomi di carbonio implicati nel doppio legame non hanno dunque possibilità di movimento. Gli atomi impegnati nella formazione del legame singolo hanno delle possibilità di movimento.

Aminoacidi

Aminoacido è una molecola che presenta il gruppo funzionale amminico NH₂ e un gruppo carbossilico COOH. Il gruppo carbossilico conferisce un comportamento acido perché può cedere uno ione H⁺, trasformandosi nel gruppo funzionale COO^-, mentre il gruppo amminico ha un comportamento da base in quanto può acquistare un protone, diventando gruppo funzionale NH₃. La struttura tipica di un aminoacido comprende una catena carboniosa, un gruppo funzionale amminico NH₂, un gruppo funzionale carbossilico COOH e una catena laterale, differente di aminoacido in aminoacido.

Gli aminoacidi di interesse biologico hanno alcune caratteristiche: il gruppo carbossilico e il gruppo amminico sono legati allo stesso atomo di carbonio. Numerando gli atomi di carbonio della molecola, l'atomo di carbonio numero 1 ha legato il gruppo funzionale COOH. Il secondo atomo di carbonio è detto carbonio alfa e si lega al primo atomo di carbonio, al gruppo amminico e a un idrogeno. Tutti gli aminoacidi di interesse biologico sono alfa aminoacidi, che presentano quindi il carbonio 2 legato al gruppo amminico e al carbossilico, e sono in tutto 20. La catena laterale consente di differenziare tra loro i diversi aminoacidi. Tutti i 20 aminoacidi hanno la stessa struttura di partenza e si differenziano solo per le caratteristiche della catena laterale.

Ad esempio L-Alanina e D-Alanina sono due isomeri dello stesso aminoacido, si differenziano per la geometria della molecola. La configurazione L è quella che presenta il gruppo amminico a sinistra nella molecola. Per scrivere la formula generica di un aminoacido basta ricordare gruppo amminico, carbossilico e gruppo R (basta scrivere R all'esame).

Classificazione degli amminoacidi: caratteristiche della catena laterale

• I primi sei aminoacidi hanno una catena laterale non polare, costituita solo da atomi di carbonio e idrogeno (tranne la metionina, che è comunque apolare). Idrogeno e carbonio hanno un valore di elettronegatività simile e quindi formano legami covalenti puri (differenza di elettronegatività quasi zero).
• Aminoacidi con catena laterale polare possono presentare atomi di ossigeno (che è molto elettronegativo), ossidrili o gruppi polari.
• Aminoacidi aromatici presentano come gruppo R un idrocarburo aromatico, come il benzene. Un esempio è la tirosina.
• Aminoacidi carichi elettricamente possono presentare una carica positiva o negativa. La lisina è un aminoacido carico positivamente. Gli aminoacidi carichi negativamente sono solo due e sono l’acido aspartico e l’acido glutammico.

Alcuni aminoacidi devono essere assunti con l’alimentazione, mentre circa una decina sono gli aminoacidi essenziali, che il nostro organismo sintetizza.

Classificazione degli amminoacidi in essenziali e non essenziali

• Aminoacidi essenziali: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina.
• Aminoacidi non essenziali: tirosina, fenilalanina. Devono essere introdotti con l'alimentazione.

Legame peptidico

Gli aminoacidi si legano tra loro attraverso una reazione che coinvolge il gruppo amminico di un aminoacido e il gruppo carbossilico di un altro aminoacido. Si genera un legame tra carbonio e azoto, detto legame peptidico. Il legame peptidico coinvolge quindi l'azoto derivante dal gruppo amminico di un aminoacido e il carbonio del gruppo carbossilico di un altro aminoacido. Nel legame peptidico si ha una redistribuzione degli elettroni intorno al carbonio. Non è infatti né un legame singolo né un legame doppio, ma un ibrido, anche se ha le caratteristiche del doppio legame. Il legame peptidico è planare e conferisce rigidità. Azoto e carbonio non hanno nessuna possibilità di movimento intorno al legame.

In una struttura più complicata, come in un pentapeptide, ad una estremità si ha un gruppo amminico non impegnato in un legame (estremità amminoterminale) e un’altra estremità che presenta il carbossilico libero, non impegnato nella formazione di un legame (estremità carbossiterminale). In una sequenza di aminoacidi il primo aminoacido è quello che ha il gruppo amminico libero.

Proteine

Le proteine sono polipeptidi, derivano dalla fusione di più aminoacidi (almeno una cinquantina, la proteina più piccola nota è l’insulina, composta da 51 aminoacidi). Affinché si realizzi una proteina gli aminoacidi devono disporsi in un particolare ordine, la sequenza degli aminoacidi non è casuale. L'ordine degli aminoacidi è dunque specifico per ogni proteina.

La struttura primaria di una proteina è data dalla disposizione lineare ordinata degli aminoacidi. La struttura primaria è l'ordine con cui sono disposti gli amminoacidi. La struttura secondaria può essere ad alfa elica o beta foglietto: ad alfa elica la sequenza di aminoacidi si ripiega a formare una sorta di struttura elicoidale. La sequenza di aminoacidi ha delle parte fisse, gli atomi impegnati nella formazione del legame peptidico, e delle parti mobili attorno alle quali la molecola si può muovere. Gli aminoacidi possono così ruotare di un centinaio di gradi attorno alle parti mobili. L’idrogeno legato all’azoto impegnato nel legame peptidico, si trova vicino a un ossigeno legato al carbonio impegnato nella formazione del legame peptidico. Su questo ossigeno si ha una carica negativa in quanto l’ossigeno è elettronegativo e si possono formare così legami ad idrogeno tra l’ossigeno legato al carbonio e l’idrogeno legato all’azoto.

Affinché la struttura ad elica sia stabile si devono formare numerosi legami ad idrogeno. I legami (ponti) ad idrogeno si formano tra aminoacidi distanti tra loro nella sequenza amminoacidica, ma vicini tridimensionalmente. La struttura ad alfa elica è stabilizzata dunque dalla formazione dei ponti ad idrogeno. La struttura beta foglietto è l’altro esempio di struttura secondaria delle proteine. La forma complessiva (terziaria) di una proteina è data dall’interazione delle strutture secondarie ad alfa elica. La struttura terziaria è quella che fornisce la forma alla molecola ed è stabilizzata da interazioni idrofobiche tra le catene ad alfa elica. Nella mioglobina, che si trova nel citosol della cellula muscolare, e quindi dispersa in una soluzione acquosa, gli aminoacidi con catene laterali polari o cariche saranno rivolti verso l’esterno a contatto con l’acqua, mentre la porzione idrofobica sarà all’interno.

Si possono avere anche dei ponti disolfuro, dei legami che uniscono tra loro due atomi di zolfo in due cisteine che si trovano tridimensionalmente vicine. Laddove si forma un legame S-S si realizza un ponte disolfuro. Si formano ponti disolfuro solo se lo zolfo è terminale nella molecola, come nel caso della cisteina. Il ponte disolfuro stabilizza la struttura terziaria di alcune proteine, come ad esempio delle immunoglobuline. Anche l’insulina è stabilizzata da ponti disolfuro. L’aminoacido metionina contiene zolfo che non può creare legami disolfuro in quanto lo zolfo non è terminale nella catena.

Esempio di una proteina: mioglobina

La mioglobina è una proteina formata da 153 aminoacidi. È una proteina coniugata in quanto al suo interno contiene il gruppo EME, il gruppo prostetico, che non è proteico. Tutta la struttura tridimensionale della proteina serve a formare una tasca interna utile ad ospitare il gruppo EME. All’interno del gruppo EME è presente un atomo di ferro bivalente, allo stato di ossidazione +2. Il gruppo EME forma una struttura di tipo planare, nella quale il ferro è impegnato nella formazione di 4 legami con atomi di azoto.

Ortogonalmente il ferro interagisce con l’istidina F8, un aminoacido della catena polipeptidica che appartiene all’elica. Dall’altro lato dell’EME c’è spazio per legare l’ossigeno. La mioglobina lega reversibilmente l’ossigeno biatomico O₂, che rappresenta una riserva di ossigeno utilizzabile dal muscolo in caso di necessità, ovvero quando l’apporto di ossigeno al muscolo non è sufficiente. In questo caso la mioglobina rilascia il suo ossigeno che ha legato al muscolo. Una molecola di mioglobina presenta quindi solo un gruppo EME, che può quindi legare una molecola di ossigeno (O₂).

Possiamo costruire una curva dove in ascissa mettiamo la pressione dell’ossigeno e in ordinata la percentuale di saturazione, ovvero quanto del totale delle molecole di mioglobina presenti nel tessuto ha effettivamente legato l’ossigeno a quella determinata pressione che possiamo avere nel tessuto stesso. La mioglobina è una proteina molto affine per l’ossigeno almeno alle pressioni di ossigeno che noi abbiamo a livello dei tessuti. Questo perché tutti i siti di legame della mioglobina hanno effettivamente legato l’O₂. In condizione di sforzo muscolare la pressione di ossigeno nel tessuto si riduce e quando diventa molto bassa la mioglobina rilascia l’ossigeno. La curva di saturazione della mioglobina per l’ossigeno ha un andamento di tipo iperbolico, che sale molto rapidamente.

La denaturazione delle proteine è quel fenomeno che permette la perdita della configurazione tridimensionale della proteina, senza rompere la struttura primaria. La denaturazione può avvenire scaldando la proteina o facendo variare il pH, in quanto cambia lo stato di ionizzazione dei gruppi delle catene laterali.

Emoglobina

L’emoglobina è la proteina principale del globulo rosso ed è deputata al trasporto dell’ossigeno dai polmoni ai tessuti. Inoltre retro trasporta l’anidride carbonica dai tessuti ai polmoni (carbossiemoglobina). L’emoglobina è formata da 4 catene, due catene alfa e due beta, 4 gruppi EME che legano 4 molecole di ossigeno. L’emoglobina deriva quindi dall’assemblaggio di 4 catene polipeptidiche che escono separatamente dal meccanismo di sintesi proteica e che verranno assemblate successivamente. L’emoglobina è una proteina dunque a struttura quaternaria. Ognuna delle 4 catene proteiche che costituiscono l’emoglobina è tridimensionalmente quasi uguale alla struttura delle mioglobina.

Curva di saturazione dell’emoglobina

In ascissa abbiamo sempre la pressione di ossigeno e in ordinata la percentuale di saturazione. Alla pressione di ossigeno che abbiamo nei polmoni l’emoglobina è satura di ossigeno al 98%. Alla pressione di ossigeno che abbiamo nei tessuti l’emoglobina è molto meno saturata, infatti è satura circa al 30-40%. La proteina quindi è in grado di legare ossigeno nei polmoni e di rilasciarlo nei tessuti. La curva di saturazione è particolare, ha un andamento sigmoide. Infatti l’affinità dell’emoglobina all’ossigeno varia al variare della pressione di ossigeno che trova nell’ambiente.

Quando l’emoglobina è completamente scarica di ossigeno, il primo ossigeno si lega a un gruppo EME e sposta il ferro. Quando ha legato l’ossigeno il gruppo EME cambia la sua conformazione e ottiene una struttura perfettamente planare. Se il ferro si sposta, tira anche la catena polipeptidica e la molecola cambia la sua struttura tridimensionale.

Accade che: arriva il primo ossigeno, che si lega al ferro. Il ferro si sposta e il movimento si porta sul piano dell’EME. Il movimento si trasmette a una delle catene polipeptidiche, che è legata alle altre e automaticamente si ha un cambio di conformazione. Praticamente questo cambio di conformazione fa sì che negli altri 3 gruppi EME il ferro si sposti già perfettamente nel centro del piano dell’EME, senza aver legato ancora l’ossigeno. In questo modo sarà più facile per gli altri ossigeni creare legami col ferro dell’EME.

L’emoglobina è una proteina allosterica, che può cambiare forma, e ha due conformazioni tridimensionali: emoglobina che ha legato l’ossigeno: Stato T (teso). La struttura tridimensionale della proteina è stabilizzata dalla formazione di ponti salini, interazioni ioniche che si formano tra aminoacidi con catene laterali di segno opposto. Emoglobina che non ha legato l’ossigeno: Stato R (rilassato), non presenta ponti salini.

Anche l’abbassamento del pH, causato dal metabolismo dei tessuti periferici (muscolo scheletrico), favorisce il rilascio dell’ossigeno. L’affaticamento del muscolo produce acido lattico, che a sua volta abbassa il pH del mezzo. L’abbassamento del pH sposta la curva di saturazione dell’emoglobina per l’ossigeno verso destra e quindi favorisce il rilascio dell’ossigeno.

L’Emoglobina fetale è diversa da quella materna e presenta due catene alfa e due gamma. È più affine per l’ossigeno, ciò garantisce il passaggio dell’ossigeno dalla circolazione materna a quella fetale. Il 2,3 bisfosfoglicerato è una molecola che viene sintetizzata dal metabolismo dei carboidrati. È una molecola piena di cariche negative. Questa molecola viene ospitata nella tasca interna dell’emoglobina e stabilizza la forma deossigenata dell’emoglobina, andando ad interagire con aminoacidi con carica positiva (essendo caricata negativamente). Viene espulsa dalla tasca dell’emoglobina quando quest’ultima è ossigenata.

L’emoglobina retro trasporta l’anidride carbonica nella sua forma deossigenata. Il catabolismo (vie ossidative) del glucosio ad esempio produce CO₂ che deve essere trasportata ai polmoni dove verrà eliminata. Una parte di CO₂ viene idratata in acido carbonico, che diventerà poi bicarbonato, un’altra parte viene quindi retro trasportata ai polmoni per poi essere espulsa. Varianti patologiche dell’emoglobina sono moltissime, centinaia.

L’anemia falciforme è la variante più diffusa. A livello della catena beta la molecola dell’emoglobina è diversa. L’anemia falciforme è generata da una mutazione puntiforme per cui l’aminoacido valina va a sostituire l’aminoacido acido glutammico nella catena beta dell’emoglobina. La valina ha una catena laterale idrofobica. Quando l’emoglobina è deossigenata, la valina si trova sulla superficie della molecola. Quando il residuo (aminoacido) idrofobico è sulla superficie dell’emoglobina deossigenata, essendo idrofobica, esclude l’acqua e interagisce con una tasca idrofobica complementare su un’altra molecola di emoglobina. Si formano delle strutture macromolecolari che uniscono catena beta di una molecola dell’emoglobina con catena beta di un’altra molecola di emoglobina. Quando ciò avviene l’emoglobina precipita nel globulo rosso e ne distorce la forma. La patologia normalmente è in eterozigosi, quindi solo il 50% delle catene beta subisce mutazione. In queste condizioni solo nell’1% dei casi i globuli rossi assumono una forma distorta.

Enzimi

Gli enzimi sono proteine catalizzatori delle reazioni biologiche. Un catalizzatore aumenta la velocità di una reazione chimica spontanea (dove il contenuto energetico dei prodotti è inferiore a quello dei reagenti), senza modificare l’equilibrio della reazione. Nel caso degli enzimi la velocità di reazione è aumentata di un fattore di 10 alla 8 volte. Tutte le reazioni del nostro metabolismo sono catalizzate da uno specifico enzima.

La presenza degli enzimi consente al nostro metabolismo di procedere in maniera rapida, ed esiste un enzima per ogni reazione da catalizzare. La conformazione tridimensionale dell’enzima serve a realizzare una tasca interna denominata sito attivo, dove vengono legati i substrati, ovvero le molecole che andranno a reagire tra loro. La specificità dell’enzima: ogni enzima catalizza solo una reazione ed è specifico per il substrato che lega e per la reazione da catalizzare.

Classificazione degli enzimi sulla base del meccanismo di reazione

• Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni redox.
• Transferasi: catalizzano il trasferimento di gruppi funzionali.
• Idrolasi: catalizzano l’addizione di acqua a un legame.
• Liasi: catalizzano l’addizione di gruppi o formazioni di doppi legami.
• Isomerasi: interconvertono gli isomeri tra loro.
• Ligasi: catalizzano formazione o rottura di legami specifici.

Gli enzimi per funzionare richiedono cofattori che possono essere:

• Ioni bivalenti (magnesio, manganese).
• Coenzimi: Derivati delle vitamine del gruppo B, assunte con l’alimentazione. Anche la vitamina C può avere funzione coenzimatica. Una volta ingerite, le vitamine B vengono convertite in coenzimi, che sono le forme attive delle vitamine.

NAD e NADH derivano...