Appunti di biochimica strutturale

Appunti di biochimica strutturale

Indice

• Introduzione generale alla biochimica
• Principali elementi e gruppi funzionali
• Acqua, forze intermolecolari e sistemi tampone
• Classi di macromolecole biologiche
• Carboidrati
• Nucleotidi
• Lipidi
• Amminoacidi e proteine
• Mioglobina, emoglobina e glutatione
• Enzimi, cofattori e coenzimi
• Cinetica enzimatica
• Vitamine

Introduzione generale alla biochimica

Il metabolismo è l'insieme di trasformazioni chimiche a cui sono sottoposte le molecole all'interno del nostro organismo, si costituisce di due vie: il catabolismo (utilizzo dei nutrienti per produrre energia come ATP, ossidazione del carbonio) e anabolismo (costruzione di macromolecole, utilizzo di energia, riduzione del carbonio).

Coenzimi

I coenzimi sono molecole non proteiche che si associano ad un enzima e ne promuovono l'attività catalitica. Nei processi catabolici intervengono NAD+ e FAD, nei processi anabolici e nella via dei pentosi fosfati interviene NADP+.

Caratteristiche principali del carbonio

• Forma 4 legami ai vertici di un tetraedro
• Ha 12 elettroni e 12 protoni
• Se forma un legame singolo (C-C) permette la rotazione
• Se forma un legame doppio (C=C) non permette la rotazione

Chiralità

La chiralità è la caratteristica di un elemento (come il carbonio) che, associandosi a 4 sostituenti diversi, può creare due enantiomeri, cioè due isomeri ottici speculare l'uno rispetto all'altro (o meglio: chirali). Il carbonio può essere chirale perché è in grado di fare 4 legami con sostituenti diversi tra loro.

Rotameri e proiezioni di Newman

I rotameri sono isomeri che differiscono per la rotazione attorno ad un legame singolo, sono interconvertibili tra loro. Le proiezioni di Newman sono un metodo grafico di rappresentare i rotameri (tramite le forme: sfalsato / eclissato).

Stabilità di una molecola

La stabilità di una molecola è sempre influenzata dalla termodinamica.

Principali elementi e gruppi funzionali

Caratteristiche principali dei gruppi funzionali:

• Metile (-CH₃): ha il carbonio più ridotto.
• Ossidrile (-OH): è la prima ossidazione del carbonio, la ΔEN (differenza di elettronegatività) tra ossigeno e idrogeno crea un dipolo.
• Carbonile (-C=O): sono aldeidi e chetoni, ulteriore ossidazione del carbonio, esiste ΔEN tra carbonio e ossigeno, che crea uno spostamento di carica.
• Carbossilico (-COOH): deriva dall'ossidazione di un'aldeide, gli acidi carbossilici si deprotonano (-COOH → COO- + H+).
• Fenile: ha una struttura rigida planare, stabilizzata per risonanza.
• Estere (O=C-O-C-): deriva dalla condensazione di un acido carbossilico e un alcol, contiene un ossigeno che fa da ponte tra un carbonio normale e un carbonio carbonilico.
• Anidride (O=C-O-C=O): deriva dalla condensazione di due acidi carbossilici, contiene un ossigeno che fa da ponte tra due carboni carbonilici.

Azoto: caratteristiche, gruppi funzionali e legami

L'azoto fa 3 legami, ha un doppietto elettronico libero che attira un protone (NH₂ → NH₃+) e quindi è basico, ha una struttura tetraedrica. Forma: gruppo amminico, imidazolo, pirrolo, pirazine e legame ammidico.

Zolfo: caratteristiche, gruppi funzionali e legami

Lo zolfo fa 2 legami e ha 2 doppietti elettronici liberi (come l'ossigeno). Forma: gruppo sulfidrilico, tiofene, legame disolfuro e legame tioestere.

Fosforo: caratteristiche, gruppi funzionali e legami

Il fosforo ha 5 elettroni nel guscio di valenza esterno e con ognuno fa un legame (in totale: 5 legami), raggiunge 10 elettroni di valenza e quindi ha un ottetto espanso. Forma: gruppo fosfato, anidridi miste e legame fosfoanidridico.

Scala di ossidazione dei carboni

Dal più ridotto: CH₄ (carbonio completamente ridotto) → altri alcani → alcoli → aldeidi e chetoni → acidi carbossilici → CO₂ (carbonio completamente ossidato).

Acqua, forze intermolecolari e sistemi tampone

Struttura della molecola d'acqua e legame idrogeno

H₂O è un tetraedro con 2 idrogeni e 2 doppietti elettronici liberi, un dipolo parzialmente positivo sugli H e parzialmente negativo su O. Il legame idrogeno è un legame debole reversibile che si instaura tra un H (per forza legato ad un elemento più elettronegativo) e un elemento parzialmente negativo (come O).

Esempi di presenza del legame idrogeno

• Tra H₂O e i gruppi idrossili
• Tra H₂O e i gruppi carbonilici
• Tra amminoacidi distanti in una proteina
• Tra basi azotate complementari nel DNA

Tipi di interazioni intermolecolari

Sono: interazioni carica-carica (+/-), interazioni carica-dipolo, interazioni dipolo-dipolo (come avviene nel legame idrogeno), interazioni dipolo-dipolo indotto e forze di Van der Waals (equilibrio tra forze di attrazione e repulsione tra gli atomi della stessa molecola).

Classificazione delle molecole in base alle loro interazioni con l'acqua

In idrofiliche (stabiliscono interazioni con l'acqua), idrofobiche (non stabiliscono interazioni con l'acqua) e anfipatiche (a seconda della porzione di molecola, sono in grado sia di stabilire, sia di non stabilire interazioni con l'acqua).

Intervallo fisiologico del pH sanguigno umano

7,35-7,45. Il pH umano è leggermente basico.

Sistema tampone (esempio di CH₃-COOH / CH₃COO-)

Un sistema tampone è una coppia acido debole/base coniugata che permette di tamponare l'aggiunta di acidi o basi, impedendo che il pH vari notevolmente. Funziona in questo modo: in caso di aggiunta di base, l'acido debole si deprotona rilasciando H+, e i protoni reagiranno con la base introdotta contrastandola (se la base aggiunta è OH-, si formerà acqua, neutra). Nel caso di aggiunta di acido, i protoni aggiunti (H+) reagiranno con la base formando un acido debole, che non varia di molto il pH generale.

Tre sistemi principali di tampone nel sangue umano

• Sistema dei fosfati: agisce per pH 6-7,86
• Sistema dei bicarbonati: agisce mantenendo un pH ottimale a 7,4 (principale sistema!)
• Sistema di proteine e amminoacidi (possono deprotonarsi o protonarsi per tamponare le variazioni di pH, la proteina principale che modifica il pH sanguigno è l'albumina)

Classi di macromolecole biologiche

Quattro classi di macromolecole biologiche

• Proteine
• Carboidrati (o zuccheri, o glucidi)
• Lipidi (o grassi)
• Acidi nucleici

Cosa accomuna carboidrati, proteine e acidi nucleici? Come si classificano i lipidi, invece?

Proteine, carboidrati e acidi nucleici → sono polimeri costituiti da amminoacidi, monosaccaridi e nucleotidi (rispettivamente). Lipidi → non sono polimeri e si classificano come idrolizzabili o non idrolizzabili.

Carboidrati

Definizione di carboidrati e formula generale

I carboidrati sono molecole organiche solitamente idrofiliche composte da carbonio, idrogeno e ossigeno. La loro formula generale è C_nH_n2O_n.

Due zuccheri più semplici da cui il nostro organismo sintetizza tutti gli altri

Sono la D-gliceraldeide (zucchero aldoso) e il diidrossiacetone (zucchero chetoso). La loro particolarità è che sono isomeri di gruppo funzionale, il primo è un'aldeide, il secondo è un chetone.

Allungamento della catena carboniosa a partire dalla D-Gliceraldeide

Avviene mediante l'apertura del carbonio aldeidico legato all'ossigeno (C=O), che diventa C-OH, segue l'aggiunta di un carbonio carbonilico (-CHO) sul legame che si era liberato in testa. Ad ogni aggiunta ottengo due zuccheri nuovi, a seconda che il nuovo legame idrossile che si è formato sia a destra o sinistra della catena nella proiezione di Fischer.

Allungamento della catena carboniosa a partire dal diidrossiacetone

Viene aggiunto un C-OH in testa, sul carbonio che si trova sopra a quello chetonico, in questo modo il legame C=O viene spostato di un atomo in testa alla molecola (il gruppo C=O di un chetone sta sempre al secondo posto in alto, secondo la proiezione di Fischer). Alla prima aggiunta ottengo un solo zucchero nuovo, poi ad ogni aggiunta ne ottengo due.

Principali zuccheri derivati da D-Gliceraldeide e diidrossiacetone

Dalla D-gliceraldeide derivano gli aldosi → eritrosio e treosio (4C), ribosio e arabinosio (5C), glucosio, mannosio e galattosio (6C). Dal diidrossiacetone ottengo i chetosi → eritrulosio (4C), ribulosio e xilulosio (5C) e fruttosio (6C).

Epimeri ed epimerasi

Due epimeri sono diastereoisomeri che differiscono per un solo stereocentro (esempio: treosio ed eritrosio). Le epimerasi sono enzimi in grado di convertire due epimeri l'uno nell'altro.

Numerazione dei carboni in aldosi e chetosi

Negli aldosi C1 è il carbonio aldeidico, nei chetosi C1 è il carbonio sopra a quello chetonico nella proiezione di Fischer, oppure il carbonio terminale più vicino a quello chetonico.

Legame emiacetalico intercatena negli zuccheri

In ambiente acquoso si forma un legame emiacetalico tra C1 aldidico e il penultimo C della catena (quello che determina se lo zucchero è della serie D o L). Questo legame avviene perché è termodinamicamente più conveniente, dato che uno zucchero ciclico è più stabile, in acqua, rispetto ad uno a catena aperta.

Anomeri α e anomeri β degli zuccheri ciclici

Se si pone il CH₂OH che non fa parte dell'anello in alto rispetto al piano dell'anello, si parla di anomero alfa se il carbonio più a destra (detto carbonio anomerico) lega OH in basso (quindi in trans rispetto al CH₂OH), mentre si definisce anomero beta se il carbonio anomerico lega OH in alto (quindi in cis rispetto a CH₂OH).

Forma piranosidica e la forma furanosidica degli zuccheri ciclici

La forma furanosidica è un pentagono con l'ossigeno intercatena nel vertice in alto, la forma piranosidica è esagonale con l'ossigeno intercatena in alto a destra. Derivano dalle molecole di furano (5C) e pirano (6C).

Estremità riducenti e le estremità non riducenti di uno zucchero

Le estremità riducenti sono gruppi aldeidici o chetonici liberi, che possono ridurre altri composti, le estremità non riducenti sono gruppi idrossilici o metilici liberi, che non sono in grado di ridurre altri composti.

Glucosammina, N-acetil-glucosammina, glucoronato e acido sialico

Sono derivati dei monosaccaridi per sostituzione di uno o più -OH nella catena con altri gruppi funzionali.

Sigle dei principali monosaccaridi e monosaccaridi derivati

• Arabinosio: Ara
• Fruttosio: Fru
• Fucosio: Fuc
• Galattosio: Gal
• Glucosio: Glc
• Mannosio: Man
• Ribosio: Rib
• Acido glucuronico: GlcA
• Galattosammina: GalN
• Glucosammina: GlcN
• N-Acetil-galattosammina: GalNAc
• N-Acetil-glucosammina: GlcNAc
• Acido sialico: Neu5Ac

UDP-glucosio

L'UDP glucosio è un glucosio legato con C(1)-OH ad un uridina difosfato (UDP), è la forma attiva del glucosio che viene utilizzata come substrato per la glicogeno-sintesi.

Disaccaridi e polisaccaridi

I disaccaridi sono polimeri formati da due monosaccaridi. I polisaccaridi sono polimeri formati da più di due monosaccaridi. Il legame che unisce i monosaccaridi è un legame glicosidico, cioè un legame covalente tra due OH, generalmente uno anomerico e uno no, che si legano formando C-O-C ed eliminando una molecola d'acqua.

Legame glicosidico α e legame glicosidico β

Si distinguono un legame glicosidico alfa e uno beta in base alla posizione dell'OH sul carbonio anomerico del legame (ricorda che solitamente solo uno dei due monosaccaridi usa un carbonio anomerico per fare il legame, mentre l'altro usa un C-OH diverso).

Disaccaride riducente e non riducente

Un disaccaride si definisce riducente se il legame glicosidico coinvolge uno solo degli -OH anomerici e quindi ha un C1 libero dove la catena può aprirsi creando un'estremità riducente (esempio: maltosio e lattosio). Si definisce non riducente se il legame coinvolge entrambi gli OH anomerici, quindi non ci sono C1 liberi dove la catena si possa aprire (esempio: saccarosio).

Tre disaccaridi principali

• Saccarosio → glucosio + fruttosio, legame alfa-1,2 glicosidico
• Maltosio → glucosio + glucosio, legame alfa-1,4 glicosidico
• Lattosio → glucosio + galattosio, legame beta-1,4 glicosidico

Categorie di polisaccaridi

I polisaccaridi si possono dividere in omopolisaccaridi (hanno monomeri tutti uguali) e in eteropolisaccaridi (hanno monomeri diversi tra loro).

Polisaccaridi a funzione energetica e a funzione strutturale

I principali polisaccaridi con funzione energetica sono amilosio e amilopectina (conformazioni dell'amido), quello a funzione strutturale è la cellulosa.

Accenno al metabolismo del glicogeno

Funzioni di glicogenina, glicogeno sintasi, branching-enzyme, glicogeno fosforilasi e debranching-enzyme:

• Glicogenina → è una proteina che funge da "testa del glicogeno", rappresenta il punto a cui vengono attaccati i primi residui di glucosio per formare il glicogeno.
• Glicogeno sintasi → enzima che catalizza i legami 1,4 glicosidici lineari.
• Branching-enzyme (enzima ramificante) → enzima che sposta i residui dalla porzione lineare e li lega in modo ramificato con un legame 1,6 glicosidico.
• Glicogeno fosforilasi → enzima che degrada il glicogeno lineare, liberando glucosio-1-fosfato.
• Debranching-enzyme (enzima de-ramificante) → enzima che sposta residui ramificati sulla porzione lineare, dove poi interviene la glicogeno fosforilasi.

GAG e loro mancata degradazione

I GAG sono glicosamminoglicani, cioè eteropolisaccaridi presenti nello spazio extracellulare con funzione di idratazione (perché assumono su di sé H₂O) e strutturale. Sono: ialuronato, condroitin-solfato, dermatan-solfato, eparan-solfato e cheratan-solfato. La loro mancata degradazione causa un accumulo a livello lisosomiale, e di conseguenza malattie da accumulo lisosomiale.

Proteoglicani e glicoproteine

I proteoglicani sono proteine a cui vengono legati molti gruppi di glicosamminoglicani (presenti soprattutto nel connettivo), le glicoproteine sono proteine con qualche residuo zuccherino (presenti soprattutto nella membrana cellulare).

Tipi di glicosilazione

• O-Glicosilazione → l'aggiunta di un'antenna oligosaccaridica sull'ossigeno di un amminoacido, avviene nell'apparato di Golgi.
• N-Glicosilazione → l'aggiunta di un'antenna oligosaccaridica sul gruppo amminico dell'asparagina, inizia nel RER e si conclude nell'apparato di Golgi.

Importanza dei residui saccaridici nella distinzione dei gruppi sanguigni AB0

I residui saccaridici sugli eritrociti permettono il riconoscimento antigenico, e quindi la divisione in gruppi sanguigni: gruppo 0 (Gal + Fuc), gruppo A (Gal + GalNAc + Fuc) e gruppo B (Gal + Gal + Fuc). Il gruppo AB ha antigeni sia di tipo A che di tipo B.

Nucleotidi

Definizione di nucleotidi e formula generale

I nucleotidi sono monomeri degli acidi nucleici composti da uno zucchero pentoso (ribosio o deossiribosio) con legati una base azotata al C1 (a formare un nucleoside) e 1, 2 o 3 gruppi fosfato al C5. Si possono presentare come monofosfato (1 fosfato), difosfato (2 fosfati) e trifosfato (3 fosfati).

Basi azotate

Le basi azotate si classificano come pirimidine (hanno un anello pirimidinico semplice, sono citosina, timina e uracile) e purine (hanno un anello pirimidinico legato ad uno imidazolico, sono adenina e guanina).

Deossiribonucleotidi

I deossiribonucleotidi sono nucleotidi in cui al ribosio viene sostituito il deossiribosio (a cui manca un OH in posizione C2).

Come vengono sintetizzate generalmente le basi azotate?

Generalmente vengono sintetizzate per vie di riciclo, ad esempio: una purina utilizza gli atomi di azoto dalla glutammina, dalla glicina e dall'aspartato, carbonio dal tetraidrofolato e dall'anidride carbonica.

ATP e stato di benessere cellulare

L'ATP è adenosina-trifosfato, la molecola energetica più importante dell'organismo. Si ottiene dai processi catabolici e non si può immagazzinare, quindi indica lo stato di benessere di una cellula perché ne indica la disponibilità energetica.

Legami importanti all'interno della molecola di ATP

Due legami fosfoanidridici, uno tra i fosfati beta e gamma, uno tra i fosfati alfa e beta. L'energia totale liberata è di 31kJ/mol.

Accoppiamento termodinamico tra ATP e reazioni a ΔG positivo

L'idrolisi di ATP ha un ΔG negativo, che è in grado di riequilibrare un ΔG positivo della reazione a cui è accoppiata (per capire meglio: immaginiamo un triangolo con due blocchi su ogni lato libero, come fossero su un piano inclinato, legati da una corda che passa per il vertice. Quello più pesante, che indica il ΔG dell'idrolisi di ATP, sarà in grado di trascinare l'altro verso il vertice, nonostante questo normalmente scenderebbe verso la base). Questo accoppiamento è possibile perché il ΔG finale di una reazione è sempre dato dalla somma algebrica dei ΔG parziali.

Per quale motivo l'ATP non è la molecola a più alto contenuto energetico?

Se ATP fosse la molecola con più alto contenuto energetico, sarebbe impossibile rigenerarla (processo detto fosforilazione a livello del substrato), perché secondo la termodinamica l'energia passa spontaneamente dalle molecole ad alta energia a quelle a energia più bassa.