Appunti esame biochimica

La biochimica

La biochimica è lo studio della chimica dei processi vitali. I processi vitali implicano l’interazione fra 2 classi di molecole: le macromolecole ad alto peso molecolare, proteine e acidi nucleici, e i metaboliti a basso peso molecolare, glucosio e glicerolo. Queste 2 classi di molecole sono le stesse in tutti gli esseri viventi quindi tutti gli organismi hanno caratteristiche comuni.

4,5 miliardi di anni fa si è formata la Terra, 3,5 miliardi di anni fa comparvero i primi microrganismi che vivevano in un’atmosfera ancora priva di ossigeno, 1,5 miliardi di anni fa l’atmosfera si arricchì di ossigeno e circa 200 mila anni fa apparvero i primi ominidi. Nell’arco di questi miliardi di anni le molecole sono sempre le stesse. In base alle differenze a livello biochimico sono stati distinti 3 grandi domini: Eucaria, Batteri e Archea, batteri antichi che vivono in condizioni estreme.

Vedremo 4 principali classi di molecole: le proteine, molecole versatili, gli acidi nucleici, molecole di informazione della cellula, i lipidi, riserva energetica e barriera, e i carboidrati, combustibili come ad esempio il glucosio e molecole di informazione… basti pensare al glicocalice. Nell’uomo i carboidrati vengono immagazzinati sotto forma di glicogeno.

Legami covalenti ed elettrostatici

I legami covalenti sono i legami più forti presenti nei composti biochimici e consistono in una condivisione di una coppia di elettroni tra 2 atomi adiacenti. Esistono anche legami covalenti multipli ossia legami in cui vengono condivisi più di 2 elettroni.

I legami elettrostatici sono legami che dipendono dalla carica elettrica degli atomi. Come si calcola l’energia di legame? E = kq₁q₂ ∕ Dr dove k è una costante di proporzionalità, D è la costante dielettrica e r è la distanza in angstrom. I legami elettrostatici sono più deboli dei legami covalenti.

Tra le interazioni elettrostatiche una delle più importanti è il legame idrogeno. Nel legame idrogeno c’è sempre un accettore e un donatore. L’atomo di idrogeno è condiviso tra 2 atomi elettronegativi. I legami idrogeno sono cruciali per le proteine e per il DNA.

Tra le interazioni elettrostatiche troviamo le forze di van der Waals. Queste forze sono determinate dal fatto che la distribuzione della carica elettronica intorno a un atomo varia nel tempo. Le forze di van der Waals sono più deboli dei legami idrogeno sono tuttavia molto importanti in quanto stabilizzano la doppia elica del DNA. Il DNA codifica le sequenze amminoacidiche delle proteine. Le proteine sono formate da 20 unità costitutive, gli amminoacidi, invece che da 4, come il DNA. La sequenza amminoacidica specifica definite organizzazioni strutturali della proteina. Di base dalla sequenza amminoacidica non posso prevedere la struttura tridimensionale della proteina.

I gruppi funzionali più importanti:

Proteine e amminoacidi

Le proteine sono le molecole più versatili, possono agire da catalizzatori, trasportatori, possono conservare altre molecole, possono fornire supporto meccanico, generare un movimento, trasmettere impulsi nervosi, possono avere funzione di protezione immunitaria e possono controllare la crescita e il differenziamento. Le proteine sono polimeri lineari costituiti da unità monomeriche dette amminoacidi. Contengono diversi gruppi funzionali, alcoli, tioli, acidi grassi ecc. Possono interagire l’una con l’altra e con altre macromolecole biologiche per formare strutture complesse. Alcune sono rigide altre sono flessibili.

La struttura primaria è la sequenza degli amminoacidi che formano una singola catena peptidica. La struttura secondaria è il modo in cui una catena peptidica si dispone nello spazio. La struttura terziaria è il risultato del ripiegamento di una catena peptidica in una forma più complessa. La struttura quaternaria è il risultato del ripiegamento di più catene polipeptidiche.

Un α-amminoacido presenta sempre un carbonio centrale legato a 4 sostituenti diversi: un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e un gruppo R, detto anche catena laterale. La catena laterale è diversa a seconda dell’amminoacido. Sono presenti 20 catene laterali. Tutte le proteine vengono costruite a partire dagli stessi 20 amminoacidi. Nelle proteine abbiamo soltanto amminoacidi in configurazione L.

In soluzione a pH neutro gli amminoacidi sono in forma zwitterionica, cioè molecole che recano contemporaneamente le 2 cariche opposte, mantenendo la neutralità, hanno cioè gruppo amminico protonato e gruppo carbossilico deprotonato. Lo stato di ionizzazione varia con il pH. In soluzione acida il gruppo carbossilico non è ionizzato e il gruppo amminico è ionizzato. Aumentando il pH il gruppo carbossilico è il primo a cedere un protone.

Amminoacidi a carattere idrofobico, gruppo R non polare

Gli amminoacidi possono essere rappresentati in diversi modi: modello a palle e bastoncini, formula stereochimica, proiezioni di Fischer, modo più semplice.

La glicina è l’unico amminoacido in cui il carbonio non è centro di chiralità, sono presenti 2 idrogeni. L’alanina ha la stessa struttura della glicina ma, al posto di un idrogeno, troviamo il metile.

Amminoacidi a carattere idrofobico, gruppo R non polare alifatico

L’isoleucina ha 2 centri di chiralità, il secondo centro di chiralità è indicato dall’asterisco. Nella metionina compare un atomo giallo di zolfo e un gruppo tioestere -SCH₃. La prolina è l’unico amminoacido in cui la catena laterale forma un anello con il gruppo amminico. L’anello provoca restrizione conformazionale. Non troveremo mai la prolina nelle strutture α-elica.

Amminoacidi a carattere idrofobico, gruppo R non polare aromatico

La tirosina presenta un gruppo -OH idrofilico quindi ha un parziale carattere idrofilo. Il triptofano ha 2 anelli che insieme prendono il nome di anello indolico.

Amminoacidi a carattere idrofilico, gruppo R polare ma non carico

Questi amminoacidi possiedono catene laterali che hanno la tendenza a formare legami con l’acqua. La cisteina è l’altro amminoacido con l’atomo di zolfo nella catena laterale. 2 cisteine insieme possono formare ponti disolfuro S-S. La treonina ha 2 centri di chiralità.

Amminoacidi a carattere idrofilico, gruppo R polare carico positivamente

La lisina termina con un gruppo amminico primario NH₃⁺. L’arginina termina con un gruppo guanidinico e ha una carica positiva delocalizzata. L’istidina ha un gruppo metilenico e un anello imidazolico come catena laterale. A pH neutro l’anello imidazolico è carico positivamente. L’arginina è spesso presente nei siti attivi degli enzimi.

Amminoacidi a carattere idrofilico, gruppo R polare carico negativamente

L’acido aspartico e l’acido glutammico a pH neutro sono nella forma ionizzata. L’asparagina e la glutammina hanno in più l’NH₂, gruppo carbamminico.

Struttura primaria

La struttura primaria è il primo livello di organizzazione strutturale delle proteine. Consiste nell’unione degli amminoacidi attraverso legame peptidico per la formazione della catena polipeptidica. Il legame peptidico C-N avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido. Questa reazione è catalizzata da un enzima. Con la formazione del legame si ha l’eliminazione di una molecola d’acqua. Quando la catena è formata da pochi amminoacidi prende il nome di peptide.

Per convenzione il primo residuo amminoacidico che forma il peptide prende il nome di residuo amminoterminale mentre l’ultimo residuo che forma il peptide prende il nome di residuo carbossiterminale. Il residuo amminoterminale è il residuo che ha il gruppo amminico libero. Il residuo carbossiterminale è il residuo che ha il gruppo carbossilico libero. La sequenza si scrive sempre a partire dal residuo amminoterminale.

Nella sequenza la parte che si ripete è chiamata catena principale o scheletro covalente. La parte variabile è rappresentata invece dalle catene laterali. Il legame peptidico C-N è rigido e planare ma presenta un parziale carattere di doppio legame. Le catene laterali ruotando possono dare origine alla struttura secondaria. La maggior parte della catena ha 50/ 2.000 residui amminoacidici. Dal momento che ogni residuo amminoacidico ha una massa media di 110 dalton le catene variano da una massa di 5.500/ 220.000 dalton o 5,5/ 220 KDa.

Se sulla sequenza amminoacidica delle proteine sono presenti più cisteine allora potrebbero formarsi ponti disolfuro. I ponti disolfuro sono legami trasversali che stabilizzano la struttura della proteina. Sono legami presenti nelle proteine extracellulari che si formano in seguito all’ossidazione tra i 2 gruppi -SH di 2 cisteine. I residui di cisteina che si legano possono essere anche molto lontani tra loro nella sequenza. 2 cisteine legate tra loro con ponti disolfuro prendono il nome di cistina.

L’insulina bovina è un ormone peptidico formato da 2 catene, A e B. Queste 2 catene sono unite tra loro da 3 ponti disolfuro. 2 ponti disolfuro sono intercatena mentre un ponte è intracatena. L’insulina bovina differisce da quella umana solo per 3 residui amminoacidici. I geni codificano le proteine. Ogni proteina ha una sequenza amminoacidica unica specificata da geni. Oggi si conoscono le sequenze amminoacidiche di più di 2 milioni di proteine.

Struttura secondaria

Le catene polipeptidiche si possono ripiegare a formare 4 possibili strutture regolari: l’α-elica, il foglietto β, il ripiegamento β e infine le anse. Queste strutture regolari vennero scoperte da Pauling e Corey nel 1951.

L’alfa elica

Esistono diversi modi per rappresentare questo ripiegamento:

• Modello a nastro con lo scheletro covalente a forma di nastro avvolto e le catene laterali che sporgono all’esterno;
• Modello a palle e bastoncini con i legami idrogeno tratteggiati;
• Modello a palle e bastoncini visto all’interno del bastoncino;
• Modello spaziale.

L’α-elica è stabilizzata da legami idrogeno tra gruppi NH e gruppi CO delle catene laterali. Il gruppo CO di ciascun amminoacido è unito da un legame idrogeno al gruppo NH dell’amminoacido che si trova 4 residui più avanti nella sequenza lineare, 3 salti. Quindi tutti i gruppi CO ed NH sono uniti da legami idrogeno, ad eccezione di quelli degli amminoacidi terminali della catena.

Ciascun residuo è spostato rispetto al precedente di 1,5 Å lungo l’asse dell’elica e forma con esso un angolo di 100°, il che significa che vi sono 3,6 residui di amminoacidi per ogni giro dell’elica. Il passo dell’α-elica corrisponde al prodotto dello spostamento, 1,5 Å, per il numero di residui per giro, 3,6, ed è di 5,4 Å. Il senso di avvitamento dell’α-elica può essere destrogiro o levogiro, tuttavia l’elica destrogira è molto più favorita dal punto di vista energetico, poiché presenta meno impedimenti sterici. La ferritina è un esempio di proteina formata solamente da struttura secondaria in α-elica.

Foglietto β

Non è una struttura avvolta ma è estesa ed è sempre stabilizzata da legami idrogeno. I legami idrogeno avvengono però in modo diverso da quelli presenti nell’α-elica. Il foglietto β è composto da 2 o più catene polipeptidiche, chiamate catene β. La distanza tra amminoacidi adiacenti è di 3,5 Å, non più 1,5 Å come nell’α-elica, e le catene laterali di amminoacidi adiacenti sono in direzioni opposte. Le catene β sono unite tra loro attraverso legami idrogeno.

I legami idrogeno si possono formare in modo parallelo o antiparallelo avremo quindi rispettivamente foglietti β paralleli e foglietti β antiparalleli. Nel foglietto β parallelo un amminoacido di una catena β forma 2 legami idrogeno con 2 amminoacidi diversi dell’altra catena. Nel foglietto β antiparallelo un amminoacido di una catena β forma un legame idrogeno con l’amminoacido opposto dell’altra catena. Esistono anche foglietti β misti. Le proteine che legano acidi grassi consistono quasi esclusivamente di foglietti β. I foglietti β creano bruschi cambiamenti di direzione della catena.

Ripiegamento β, o inversione a U o β-turn

Queste interazioni stabilizzano i bruschi cambiamenti di direzione della catena. Si formano con legami idrogeno tra C-O di i e N-H di i+3 dove i e i+3 sono amminoacidi.

Anse, o Ω-loop

Non sono delle strutture regolari, nella figura sono le parti colorate in fucsia. Le anse sono formate da 5/ 20 amminoacidi, di solito questi amminoacidi hanno carattere idrofilico. Si trovano sempre sulla parte più esterna delle proteine in quanto permettono alle proteine di legarsi ad altre proteine o molecole.

Struttura terziaria

La struttura terziaria è la struttura tridimensionale delle proteine ossia la disposizione nello spazio della catena polipeptidica. Dalla struttura tridimensionale dipende la funzione delle proteine. Le proteine solubili in acqua si ripiegano in strutture compatte, con un nucleo non polare. L’interno di queste proteine è dunque formato esclusivamente da residui non polari mentre l’esterno presenta gruppi polari carichi. Il ripiegamento delle proteine è guidato quindi dalla forte tendenza dell’acqua a escludere i residui idrofobici.

Se invece si parla di proteine che attraversano la membrana, porine, l’interno sarà formato da gruppi a carattere idrofilico mentre esternamente ci saranno amminoacidi a carattere idrofobico. Prendiamo come esempio la mioglobina, il trasportatore α-elica dell’ossigeno nel muscolo. La mioglobina è una proteina con una struttura tutta costituita da una singola catena polipeptidica di 153 amminoacidi. La capacità di legare l’ossigeno è dovuta alla presenza del gruppo prostetico che prende il nome di gruppo eme. Il gruppo eme è costituito dalla protoporfirina IX e da un atomo di ferro centrale.

Nella struttura terziaria di alcune proteine ci sono anche parti globulari compatte chiamate domini. I domini sono generalmente formati da 30/ 400 amminoacidi.

Struttura quaternaria

Le catene polipeptidiche si organizzano in strutture multimeriche. Solo le proteine che contengono più di una catena polipeptidica possono associarsi tra loro a formare strutture multimeriche. In queste proteine ciascuna catena polipeptidica viene detta subunità. La struttura quaternaria si riferisce alla disposizione nello spazio di queste subunità e alla natura delle interazioni che le tengono unite. Più sono queste interazioni più l’associazione è forte. Il dimero è la struttura quaternaria più semplice.

L’emoglobina è un tetramero che serve a trasportare l’ossigeno dai polmoni ai tessuti e a eliminare l’anidride carbonica. Il tetramero prende il nome di α₂β₂ perché è formato da 2 subunità α e 2 subunità β. Ogni subunità presenta un gruppo eme. I virus formano rivestimenti in cui si ripetono numerose copie di uno stesso tipo di subunità disposte simmetricamente. Nel coronavirus le subunità si organizzano a formare un rivestimento sferico che contiene all’interno il genoma virale. Le Spike sono 3 copie della proteina S1.

Enzimi

Gli enzimi, i catalizzatori dei sistemi biologici, sono molecole che determinano tutte le trasformazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula. Le più importanti caratteristiche degli enzimi sono il potere catalitico, aumentano la velocità della reazione più di un milione di volte, e la specificità. La specificità riguarda sia la reazione che deve essere catalizzata sia la scelta dei reagenti che vengono chiamati substrati.

La catalisi avviene in una particolare regione dell’enzima chiamata sito attivo, dove i reagenti si incontrano per diventare prodotto. Nel sito attivo gli enzimi legano in modo specifico i substrati con un orientamento ben preciso, dal quale dipende la formazione e la rottura dei legami chimici.

Esempio potere catalitico. L’anidrasi carbonica è uno degli enzimi più rapidi che si conosce: una molecola di questo enzima può idratare 10⁶ molecole di anidride carbonica al secondo. La reazione catalizzata è 10⁷ volte più veloce rispetto alla reazione non catalizzata.

Esempio specificità. La tripsina è un enzima digestivo proteolitico che taglia il legame peptidico solo se dal lato carbossilico incontra residui di arginina o lisina. La trombina è un enzima coinvolto nel fibrinogeno. Anche la trombina taglia il legame peptidico ma soltanto tra arginina e glicina. La trombina è quindi più specifica della tripsina. La papaina presenta invece una bassa specificità e taglia tutti i legami peptidici che trova. Altri enzimi possono avere anche più di un substrato. C’è sempre un substrato che è favorito.

Molti enzimi hanno bisogno di cofattori. I cofattori sono in genere piccole molecole. Un enzima senza cofattore è detto apoenzima mentre un enzima con cofattore prende il nome di oloenzima. Quindi apoenzima + cofattore = oloenzima. I cofattori sono suddivisi in metalli e piccole molecole organiche. L’anidrasi carbonica ha bisogno di ioni zinco per svolgere la propria attività. La glicogeno fosforilasi ha bisogno del piridossalfosfato. Le piccole molecole organiche si chiamano coenzimi. I coenzimi possono essere legati all’enzima attraverso legami deboli o legami forti. Se legati in modo stab