Biochimica avanzata

Biomolecole: proteine, zuccheri, lipidi

Tutti gli amminoacidi hanno una componente invariata, costituita dall’atomo di carbonio che lega un atomo di idrogeno e i due gruppi funzionali amminico e carbossilico. Quello che caratterizza ogni amminoacido è ciò che forma il quarto legame con l’atomo di carbonio, il gruppo funzionale.

Se un gruppo (ad esempio il fosfato, inorganico) si sposta da una molecola a un’altra, formando lo stesso tipo di legame, non si ha né dispersione né necessità di energia, ma il suo trasferimento.

Struttura delle proteine

Negli anni di studio della struttura delle proteine, allineamento delle sequenze e predizione della struttura tridimensionale, è emerso che la struttura della proteina è dipendente dalla sequenza degli amminoacidi, quindi dal numero e dall’ordine. La struttura che caratterizza la proteina dipende dalla sequenza amminoacidica, in quanto gli amminoacidi nello spazio sviluppano delle interazioni che sono specifiche per ciascuna proteina.

Dalla struttura primaria si ottiene la struttura nativa, cioè quella della proteina che svolge una funzione ed è chiamata anche struttura terziaria, quindi organizzata nelle tre dimensioni spaziali. Alcune proteine possono presentare anche una struttura quaternaria, e si ha quando più proteine in struttura terziaria si uniscono tra loro, ma comunque la base è una struttura terziaria. Poi abbiamo anche dei polimeri dove più proteine dotate di struttura terziaria si assemblano per dare una proteina funzionante, ma si parla comunque di struttura quaternaria.

Enzimi e folding

La chimotripsina è una proteasi in grado di attaccare i legami peptidici. La stessa attività enzimatica è posseduta dalla subtilisina. Entrambe hanno una struttura globulare, ma sono due proteine molto diverse per sequenza di amminoacidi e per modalità con cui raggiungono la loro struttura nativa, che è quella terziaria.

È noto ormai che la proteina esce dal ribosoma come un nastro, dotata della sequenza amminoacidica che è la struttura primaria. Essa poi darà luogo a queste strutture così complesse, attraverso meccanismi, che prendono il nome di folding, che sono forte oggetto di studio, soprattutto per il loro interesse in campo terapeutico. Quando il processo di folding non va in porto si hanno eventi di miss-folding, responsabili di molte patologie, in particolare quelle neurodegenerative.

Struttura secondaria e plasticità

L’acquisizione del folding avviene sì in tempi rapidi, ma passa attraverso dei passaggi intermedi che comportano l’organizzazione strutturale di alcune zone della proteina stessa, che sono variabili a seconda della proteina che si considera. Tale organizzazione prende il nome di struttura secondaria. Ci sono delle proteine con determinate funzioni dove la struttura secondaria è prevalente (come il collageno), ma nella maggioranza delle proteine la struttura secondaria è una componente della proteina, in quantità variabile a seconda della proteina.

Le alfa eliche e le strutture beta fanno parte della struttura secondaria perché entrambe si instaurano per la formazione di legami a idrogeno. Se i legami a idrogeno sono tra amminoacidi sequenziali, allora si formerà un’alfa elica; se si formano tra amminoacidi lontani, si parla di struttura beta. Quando più strutture di tipo beta si uniscono, si ottiene una struttura di nome foglietto beta. Al momento in cui si forma questa struttura secondaria, si ottiene una conformazione spaziale ordinata.

Tutto questo dipende dalla tipologia di amminoacidi che compongono la proteina, infatti ce ne sono alcuni favorevoli alla formazione di alfa eliche e altri che la sfavoriscono. Le zone non strutturate in struttura secondaria concorrono comunque alla forma che la proteina assumerà dentro la cellula. Quella che si raggiunge è la conformazione più stabile, ma spesso per svolgere delle funzioni è necessaria una conformazione non stabile, per cui è fondamentale la plasticità insita nella loro funzione, la capacità di cambiare conformazione (esempio le proteine allosteriche come l’emoglobina).

Legami e funzioni

Nella struttura terziaria i legami che prevalgono sono legami più deboli di quelli a idrogeno, come le forze idrofobiche, le forze di Van der Waals e le forze elettrostatiche. Il legame 1,4-glicosidico forma delle catene lineari di glicidi, mentre il legame 1,6-glicosidico forma delle catene ramificate. In questo modo si possono formare delle catene lunghe di polisaccaridi come il glicogeno.

Lipidi

L’altra tipologia di molecole rilevanti dal punto di vista biologico è costituita dai lipidi. Mentre per proteine e polisaccaridi siamo di fronte a macromolecole, quindi di grandi dimensioni, i lipidi sono delle piccole molecole. Si classificano in lipidi neutri e polari, tuttavia il lipide per sua natura è idrofobico. Quando consideriamo un lipide neutro, vuol dire che nella sua composizione non presenta nessun residuo che consenta una possibile interazione con l’ambiente acquoso, quindi è totalmente idrofobica, come il trigliceride.

Il trigliceride è un lipide composto da un alcol terziario che è il glicerolo, che forma tre legami estere, attraverso ciascuna funzione alcolica, con tre acidi grassi. Dunque, essendo formato solo da atomi di carbonio e idrogeno, è insolubile in acqua. Il glicerolo è idrofilico ma forma legami attraverso i gruppi ossidrilici, quindi perde la possibilità di interagire con l’ambiente acquoso. Queste molecole caratterizzano gli oli (lipidi vegetali) e i grassi (lipidi di tipo animale). La differenza tra oli e grassi non è strutturale, perché sono comunque trigliceridi, ma riguarda gli acidi grassi impiegati: negli oli sono per la maggior parte insaturi, con doppi legami, e questo conferisce un punto di fusione maggiore, per cui a temperatura ambiente sono allo stato liquido.

La mobilizzazione dei trigliceridi o il loro deposito sono controllati da un metabolismo importante regolato da ormoni. È importante che le molecole vengano caratterizzate per la loro affinità o meno per l’ambiente acquoso, perché serve per capire come interagiscono tra loro e con le altre molecole, anche perché si ritrovano nell’ambiente cellulare che è sempre acquoso, per cui la loro natura ne determinerà la solubilità o meno.

Funzione dei lipidi nella cellula

All’interno di una cellula, come l’adipocita, se ci sono tante molecole lipidiche fatte da tante unità di trigliceridi, coalescono, cioè si uniscono e trovano una soluzione a più bassa energia possibile per minimizzare l’interazione con l’ambiente acquoso. Dalla degradazione dei trigliceridi si ottengono acidi grassi e glicerolo che vanno incontro a processi ossidativi e alla produzione di coenzimi piridinici (FAD/NADH) che poi coadiuvano il processo di formazione dell’ATP, prendendo parte attivamente nella fosforilazione ossidativa.

Oltre ai lipidi neutri, ci sono anche quelli polari. La categoria più ampia è quella dei fosfolipidi, che comprendono la sotto categoria dei fosfogliceridi, quelli maggiormente rappresentati nella composizione delle membrane biologiche. Essi sono composti da tanti tipi di biomolecole diverse che danno luogo a diversi tipi di fosfogliceridi. Alcuni di questi svolgono delle funzioni particolari e non hanno solo funzione strutturale. A livello delle membrane esistono delle specificità di comunicazione e funzione, che sono uniche perché sono il frutto di un’evoluzione che ha selezionato i composti più adatti per svolgere un determinato ruolo, come i messaggeri intracellulari di natura lipidica.

Fosfogliceridi

In generale, un fosfogliceride ha la molecola di glicerolo che lega, tramite legame estere, due acidi grassi e la terza funzione alcolica è esterificata con una molecola di fosfato inorganico. Se la molecola si interrompesse a questo punto avremmo il fosfogliceride che prende il nome di acido fosfatidico, che si trova nelle membrane. È il fosfogliceride più semplice di tutti, e la sua polarità è data dal gruppo fosfato che crea un addensamento di carica negativa, quindi la parte del fosfato si orienta verso l’ambiente acquoso, mentre l’altra parte della molecola è idrofobica. Tutti i fosfogliceridi, dunque, sono delle molecole anfipatiche.

I fosfogliceridi più complessi hanno un ulteriore elemento che si lega al fosfato, ed è importante che tale molecola abbia una funzione alcolica. Ad esempio, la serina, che è un amminoacido con un ossidrile che forma un legame di estere con il fosfato, e si parla di fosfatidilserina. La colina è una molecola definita come ammina terziaria, cioè che contiene un atomo di azoto, con tre sostituenti metilici. La fosfatidilcolina ha carica netta pari a zero, perché la carica negativa del fosfato è compensata dalla carica positiva dell’azoto. Un altro sostituente importante è l'inositolo ed è un composto definito come polialcol, con sei atomi di carbonio e sei funzioni alcoliche (non è uno zucchero perché gli atomi di carbonio hanno tutti lo stesso grado di ossidazione che è 1), per questo può essere paragonato al glicerolo. L’inositolo è idrofilico, ma ha una carica netta assente.

Quando analizziamo le membrane, alcuni di questi fosfogliceridi sono più presenti e altri meno: la fosfatidilcolina rappresenta il 60%, mentre l’inositolo ha una percentuale anche sotto il 10%, ma non vuol dire che più un lipide è rappresentato più è importante; possono esserci lipidi in concentrazioni bassissime ma che svolgono funzioni uniche. La natura anfipatica dei fosfogliceridi determina la struttura a doppio strato delle membrane biologiche, che rappresenta la disposizione che permette di rispettare le regioni idrofobiche e idrofiliche.

Il colesterolo

L’ultimo componente importante della classe dei lipidi è il colesterolo. Esso chimicamente è un alcol (infatti il nome finisce per –olo), tuttavia è una molecola complessa a 27 atomi di carbonio, di cui solo uno ha un gruppo ossidrile legato, il carbonio tre. Quindi abbiamo un composto fatto solo da carbonio e idrogeno con solo un gruppo ossidrile. In questo modo, dunque, abbiamo a che fare con una molecola polare, intesa come capace di orientarsi nell’ambiente acquoso, con la regione del gruppo -OH idrofilica e la restante parte idrofobica.

Dunque, la molecola di colesterolo inserita nella membrana è in grado di intercalarsi nel doppio strato, in quanto ha dimensioni equivalenti a un fosfogliceride, orientandosi con il gruppo ossidrile affiancato con le teste polari. Il colesterolo è una molecola molto versatile perché, non solo si trova nella composizione delle membrane, quindi indispensabile alla vita a livello cellulare per quanto riguarda gli eucarioti, perché la membrana non si organizzerebbe in maniera funzionale, ma anche perché è il punto di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei. Ecco perché, pur essendo una molecola preziosa, e quindi potrebbe essere in concentrazione bassa, è possibile che il colesterolo si possa accumulare in piccole gocce lipidiche nel citosol della cellula, dove non è in forma libera (perché andrebbe a integrarsi nelle membrane e creerebbe problemi), ma è esterificato con un acido grasso attraverso la funzione alcolica, per cui si ottiene un estere del colesterolo. L’estere del colesterolo è insolubile, mentre il colesterolo è capace di orientarsi nel mezzo acquoso.

Metabolismo del glucosio: caratteristiche principali

Lo schema mostra quali sono le molecole che possono essere metabolizzate dalle cellule attraverso processi di ossidazione e la finalità di queste reazioni. Il glucosio si può accumulare in alcuni distretti sotto forma di glicogeno, ma quando necessario si può mobilizzare. In altre cellule, in cui non è possibile accumularlo sotto forma di glicogeno, il glucosio è acquisito dall’ambiente extracellulare, diffonde nell’ambiente extracellulare dai capillari sanguigni. Quindi il glucosio circolante è la maggiore fonte di glucosio per le cellule dei tessuti periferici. Esso è una fonte primaria di energia attraverso l’ossidazione delle molecole di carbonio che lo compongono.

Alla fine del processo ossidativo, gli atomi di carbonio si trovano sotto forma di anidride carbonica, dove gli atomi di carbonio sono massimamente ossidati, a partire da quelli dello zucchero che erano mediamente ridotti (mediamente perché non legano solo atomi di idrogeno, come negli acidi grassi, che rappresenta il massimo grado di riduzione). Questo può essere considerato un processo di combustione che però avviene lentamente, e quello che è rilevante è che nel processo si producono o direttamente molecole di ATP, ma nella maggioranza dei casi, mentre si ossidano gli atomi di carbonio, si riducono i coenzimi piridinici, che sono il punto di partenza per il funzionamento della catena respiratoria.

In cui gli elettroni dai coenzimi ridotti fluiscono per tappe verso l’accettore finale che è l’ossigeno e il risultato è la produzione di molecole di acqua. Quindi il processo di ossidazione è completo perché a partire dalla molecola di glucosio è stata prodotta anidride carbonica e acqua, ma quello che è rilevante è che dal flusso di elettroni della catena respiratoria, sulla membrana mitocondriale si forma un gradiente protonico, quindi un potenziale, che è un modo di immagazzinare energia, impiegato dalla proteina che sfruttando la dissipazione di questo gradiente è in grado di legare un gruppo fosfato sull’ADP per formare ATP. Ecco perché si parla di fosforilazione ossidativa, perché il processo di trasferimento degli elettroni dall’atomo ridotto è strettamente collegato alla fosforilazione per la produzione di ATP.

L’acetil-CoA è un intermedio a due atomi di carbonio che viene prodotto nel mitocondrio ed è un punto di svolta fondamentale perché si produce a partire dal metabolismo delle principali biomolecole.

Metabolismo degli acidi grassi e amminoacidi

Gli acidi grassi sono i maggiormente energetici perché hanno gli atomi di carbonio maggiormente ridotti (via della beta ossidazione). Il metabolismo degli amminoacidi è molto complicato perché la modalità di ossidazione varia a seconda della natura della catena laterale. Una buona percentuale degli amminoacidi comunque converge verso la formazione di acetil-CoA. Il legame dell’acetil-CoA è di tipo tioestere, ad alto potenziale di trasferimento. La molecola alimenta il ciclo di Krebs, dove condensa con l’ossalacetato (quattro atomi di carbonio) per produrre acido citrico (sei atomi di carbonio). Questo subisce altre reazioni che producono elettroni, raccolti dai coenzimi, e ad ogni giro si riproduce una molecola di ossalacetato che può di nuovo reagire con l’acetil-CoA.

Glucosio nel fegato e nel tessuto muscolare

Una maggiore analisi dettagliata che riguarda il metabolismo del glucosio da parte delle cellule riguarda il fegato e il tessuto muscolare. Il glucosio è presente nel torrente circolatorio in concentrazione relativamente alta, 4mM-7/8 mM (4 millimoli per litro, cioè 4 micromoli per millilitro). Grazie alla permeabilità dei capillari, il glucosio può passare nell’ambiente extracellulare e può entrare all’interno della cellula. Una volta che è entrato, esso viene fosforilato e avviato alla glicolisi, e nella stragrande maggioranza dei tessuti si completa la fosforilazione ossidativa.

Tuttavia, in alcuni distretti, in particolare il muscolo, ma anche negli eritrociti (che non lo possono usare, lo devono solo trasportare), la glicolisi non necessariamente avviene in presenza di ossigeno (necessario per la completa ossidazione, cioè avvenimento della catena respiratoria), ma esiste anche la possibilità di realizzare una glicolisi anaerobia, che avviene esclusivamente nel citosol. Qui il piruvato (chetoacido) viene ridotto a lattato (idrossiacido), processo che serve a rigenerare il NADH che altrimenti sarebbe consumato nella glicolisi. Il lattato viene rilasciato nel torrente circolatorio.

Quello che invece succede nel fegato è diverso perché il metabolismo del glucosio può prendere una via invece che un'altra a seconda della disposizione di glucosio in circolo, perché il fegato deve tenere il valore della glicemia costante (in dipendenza del controllo ormonale). Nel fegato sono presenti tutti gli enzimi della glicolisi e se c’è tanta disponibilità di glucosio avviene una glicolisi aerobia. Ma se il glucosio in circolo è scarso, prevalgono altri meccanismi che consentono di immettere glucosio nel sangue. Il fegato è l’unico distretto dove c’è una via metabolica regolata che è la gluconeogenesi, che permette di formare nuove molecole di glucosio a partire da metaboliti che non sono zuccheri, come il piruvato, che non solo è un intermedio della glicolisi, ma si può formare anche da reazioni di ossidazione di alcuni amminoacidi (alanina ha un metile nella catena laterale, quando subisce reazione di transaminazione si ottiene piruvato).

La gluconeogenesi usa gli stessi enzimi della glicolisi, ma le reazioni che nella glicolisi sono esoergoniche, nella gluconeogenesi sono endoergoniche, per cui questi enzimi saranno diversi (es. fosfofruttochinasi nella glicolisi/ fruttosio 1,6 bisfosfatasi nella gluconeogenesi). L’epatocita è l’unico tipo di cellula che ha un enzima che può defosforilare il glucosio-6-fosfato che si forma dalla gluconeogenesi, che forma glucosio libero che può essere immesso nel torrente circolatorio.