Biochimica generale

Introduzione

Gli esseri viventi sono costituiti da materia organica, sono costituiti soprattutto da carbonio. Nella materia vivente gli elementi più abbondanti sono ad esempio N, O, P, S, Cl, H, Na. Nel carbonio, ad esempio, è presente un legame carbonio-carbonio dove gli atomi possono ruotare e quindi il legame è rigido e flessibile. Il carbonio è in grado di formare quattro legami o con legami covalenti o con altri legami carbonio.

In biochimica si parlerà soprattutto di biomolecole, queste ultime possono variare di dimensione, ricordiamo soprattutto le piccole molecole, e le macromolecole. Le macromolecole sono il prodotto di condensazione di unità monomeriche, e si possono aggregare attraverso forze intramolecolari deboli e formare macrostrutture ed organelli. Le macromolecole per mantenere le proprie strutture complesse hanno bisogno di un'enorme energia. Ad esempio, il DNA non è altro che la polimerizzazione di nucleotide.

Il DNA, quindi, è una sequenza delle subunità monomeriche, i nucleotidi di questo polimero lineare contengono le istruzioni per formare tutti gli altri componenti cellulari. Le sequenze lineari delle subunità nucleotidiche sono legate covalentemente. I legami deboli con cui sono appaiati i due filamenti di DNA, possono rompersi e riformarsi. Ci sono due percorsi evolutivi diversificati, questi dipendono dal fatto se stiamo parlando di procarioti o eucarioti. I procarioti presentano un unico lungo filamento di DNA chiamato nucleotide. Mentre negli eucarioti ci sono dei piccoli organelli, e il nucleo è più sviluppato e più grande.

La chimica degli organismi viventi è organizzata intorno al carbonio che corrisponde a più della metà del peso secco della cellula. Il carbonio può formare legami singoli con gli atomi di idrogeno è un legame singolo o un legame doppio con l'ossigeno e l'azoto. La capacità del carbonio di legare in modo stabile fino a 4 atomi di carbonio è fondamentale nella formazione delle biomolecole. La “personalità” chimica di un composto deriva dalla chimica dei suoi gruppi funzionali ed alla loro disposizione nello spazio.

La stereochimica è la disposizione degli atomi nello spazio tridimensionale. Un composto contenente carbonio si trova sotto forma di stereoisomeri cioè molecole con gli stessi legami chimici ma diversa stereochimica, cioè una diversa configurazione (diversa disposizione degli atomi nello spazio). La configurazione è definita dalla presenza di doppi legami attorno ai quali non vi è libertà di rotazione. I due centri chirali intorno ai quali gruppi sostituenti sono disposti in modo specifico.

Gli isomeri geometrici o isomeri cis-trans differiscono per la disposizione dei gruppi sostituenti rispetto al doppio legame intorno al quale non vi è possibile alcuna rotazione. Quando un atomo di carbonio è legato a quattro sostituenti diversi questi possono essere disposti nello spazio secondo due configurazioni. Si generano così due composti molto simili ma con caratteristiche fisiche e biologiche diverse. Questo atomo di carbonio è detto centro chirale. Alcuni stereoisomeri sono immagini speculari l'uno dell'altro e sono chiamati enantiomeri. Le coppie di stereoisomeri che non sono immagini speculari l'una dell'altra sono chiamate diastereoisomeri. Nell'etano sono possibili varie conformazioni che dipendono da dove le forme diverse e la differenza di struttura dipende dalla differenza di energia. Stabile = energia.

All'interno delle cellule, le macromolecole, gli aggregati molecolari, le macromolecole e gli organelli, costituiscono un ambiente affollato. Si parla di soluzione diluita quando l'ambiente cellulare è formato da cellule molto vicine, le molecole interagiscono tra loro facilitando si processi metabolici.

Come hanno potuto i primi organismi viventi acquisire le loro unità costruttive? Secondo un'ipotesi questi composti si sono formati per effetto di potenti forza atmosferiche, sui gas presenti nell'atmosfera terrestre prebiotica oppure sui soluti inorganici nei profondi camini vulcanici oceanici surriscaldati. Miller ha inventato un apparecchio che produce scariche elettriche, che dimostrano la possibilità di formazione di composti organici nelle condizioni atmosferiche primitive. Dopo aver sottoposto a scariche elettriche la miscela gassosa contenuta nell'apparecchio i prodotti sono stati raccolti per condensazione. Tra le biomolecole prodotti vi erano anche degli aminoacidi.

Acqua

L'acqua è la sostanza più importante in tutti gli esseri viventi e rappresenta più del 70% del peso della maggior parte degli organismi. L'acqua è un solvente polare e i suoi orbitali hanno un orientamento quasi tetraedrico, le molecole sono fortemente strutturali e legami i legami a idrogeno caratteristiche anche di molecole organiche costituite da OH. L'acqua ha un punto di fusione, un punto di ebollizione e un è un calore di evaporazione più elevati rispetto agli altri liquidi, perché è elevata la coesione interna dell'acqua allo stato liquido, dovuta all'interazione tra molecole vicine.

I fluidi biologici contengono sali che si disciolgono in acqua. Nell'ambiente cellulare ci sono gli ioni, l'acqua, e i gas (che svolgono ruoli importanti). Ad esempio, l'ossigeno è un solvente non polare quindi non si scioglierebbe in acqua. Questi gas vengono trasportati da delle proteine specifiche, ad esempio, l'emoglobina o la bioglobina. Quindi… l'acqua è un solvente polare che forma legami ad idrogeno, questi legami sono in grado di sciogliere sali grazie la sua polarità, importante per il trasporto attraverso i fluidi biologici.

Il passaggio delle molecole di gas dallo stato gassoso disordinato alla soluzione acquosa limita considerevolmente il loro movimento e porta quindi a una diminuzione dell'entropia e una riduzione della loro solubilità in acqua. Alcuni organismi possiedono proteine trasportatrici solubili in acqua che facilitano il trasporto di O2.

Interazioni fra biomolecole in ambiente acquoso

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti nelle cellule e sono costituite da catene lineari di aminoacidi ripiegate su se stesse. Gli aminoacidi sono 20 e generano proteine estremamente diverse sia strutturalmente che funzionalmente. Ad esempio:

• Ormoni = molecola regolativa.
• Enzimi = sono catalizzatori e fanno attuare i meccanismi.
• Anticorpi = difensori dell'organismo.

Tutte queste proteine hanno forme ben definite.

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi hanno una funzione strutturale comune e hanno un centro chirale, chiamato carbonio alfa. Il gruppo amminico si lega il gruppo carbossilico che si condensa formando il legame peptidico. Gli aminoacidi vengono anche chiamati molecole chirali. Vi sono anche amminoacidi non standard che si generano o in cicli metabolici oppure in modificazioni post traduzionali (possono esserci modificazioni tramite la R che si combina con altre molecole).

Gli aminoacidi possono essere classificati in base al gruppo R, che ne determina la polarità. In particolare, distinguiamo:

• Gruppi R aromatici.
• Gruppi R polari non carichi.
• Gruppi R carichi positivamente.
• Gruppi R carichi negativamente.

Esistono amminoacidi non proteici che svolgono ruoli metabolici o subiscono modificazioni post traduzionali. Gli amminoacidi sciolti in acqua si comportano come zwitteroni (ioni dipolari) ovvero possono avere carica positiva o negativa anche contemporaneamente. I composti che hanno questo doppia natura sono detti anfoterici e spesso vengono chiamati anfoliti (perché hanno proprietà acido-base).

Modalità per costruire le proteine

Le proteine hanno un sistema modulare, cioè formato da grandi catene costituiti da “mattoni” che sono gli aminoacidi. Gli aminoacidi sono legati da un gruppo amminico detto legame peptidico. Il legame peptidico deriva dalla condensazione di un gruppo amminico più un gruppo carbossilico in seguito a una perdita di una molecola di acqua. Questo avviene all'interno di ribosomi attraverso apparati catalitici complessi. Quando invece ci introduce una molecola di acqua nella reazione si parla di idrolisi. Il legame peptidico è un legame covalente forte e ha un metodo di dimezzamento di 7 anni. Quando si hanno pochi residui si parla di oligopeptidi, al contrario quando abbiamo molti residui parliamo di polipeptidi.

Esempi di proteine:

• Il citocromo è una proteina che trasporta elettroni, è piccola, ed è costituita da 104 residui. Peso molecolare 13000.
• L'emoglobina è una proteina costituita da 4 unità che si incastrano due a due e sono presenti 574 residui. Peso molecolare 64500.
• La titina è la proteina più grande trovata, con un peso molecolare di 2 milioni 993 mila e un residuo di 26926.

Le proteine possono essere monomeriche cioè hanno una subunità, oppure oligomeriche cioè sono costituite da più subunità, unite tramite interazioni deboli, queste subunità vengono chiamate protomeri a catene legate non covalentemente (es. Insulina). Esistono anche proteine composte da più subunità legate covalentemente. Le proteine utilizzano i gruppi prostetici, in cui qualcosa di non proteico legato alla proteina aiuta la proteina a lavorare. Ad esempio, l'emoglobina senza il ferro non funzionerebbe.

Struttura delle proteine

• Struttura primaria: è la sequenza di amminoacidi che compongono la proteina ed è stabilita da legami covalenti, gli amminoacidi sono uniti da legami peptidici, comprende anche i ponti disolfuro. Es il gene codifica la proteina, viene trascritto nel RNA messaggero e poi viene trascritto come stampo per la proteina.
• Struttura secondaria: porzioni della struttura primaria che si ripiega su se stessa. Sono quindi brevi sequenze amminoacidiche e stabili, che danno origine a profili strutturali ricorrenti.
• Struttura terziaria: è la struttura tridimensionale della catena, è il ripiegamento ulteriore della struttura secondaria.
• Struttura quaternaria: struttura delle proteine con più subunità per creare molecole più complesse.

Struttura primaria

È caratterizzata da una sequenza unica e determina il ripiegamento della catena polipeptidica nella sua struttura tridimensionale. Ne determina quindi la struttura secondaria. Le funzioni dalla proteina dipendono dalla struttura e quindi dalla sua sequenza. Proteine con funzioni simili ma di organismi diversi, hanno sequenze simili. Molte malattie genetiche sono legate a proteine non funzionali in cui vi sono sostituzioni amminoacidiche che determinano le modificazioni strutturali.

Le proteine possono essere sequenziate, cioè proteine di organismi diversi possono venire confrontate sulla base della omologia della loro sequenza. Le stesse proteine in organismi diversi hanno residui invarianti e residui variabili. Gli amminoacidi invarianti sono fondamentali per il ripiegamento e per la funzione. Gli amminoacidi variabili non sono essenziali e vengono anche chiamati polimorfismi.

La disposizione spaziale degli atomi di una proteina è detta conformazione. Le conformazioni possibili di una proteina corrispondono a tutte le strutture che la proteina può assumere senza la rottura di legami covalenti. Le conformazioni che la proteina assume in condizioni diverse sono in genere quelle che possiedono il più basso valore di energia libera di Gibbs. Queste ultime sono dette native. La stabilità proteica può essere definita come la tendenza a mantenere una conformazione nativa. Le proteine native sono relativamente stabili.

Le interazioni chimiche che stabilizzano la conformazione nativa corrispondono i ponti disolfuro e le interazioni deboli non covalenti, ad esempio legami idrogeno o interazioni ioniche. All'esterno della cellula l'ambiente è spesso ossidante ed è quindi più facile che avvenga la formazione di legami disolfuro. Anche l'associazione di più catene polipeptidiche che genera strutture quaternario dipende dalle interazioni deboli.

Struttura secondaria

L'espressione struttura secondaria si riferisce a un segmento polipeptidico della proteina e descrive l'organizzazione spaziale della catena principale, senza tener conto della conformazione delle catene laterali o della relazione con altri segmenti della proteina.

Le principali strutture secondarie sono l'alfa elica e la configurazione beta. L'alfa elica, rappresenta la più semplice organizzazione di una catena polipeptidica. In questa struttura lo scheletro carbonioso polipeptidico si avvolge strettamente intorno a un asse immaginario che attraversa longitudinalmente la parte centrale della spirale, mentre i gruppi R dei residui amminoacidici sporgono al di fuori dello scheletro elicoidale.

La struttura ad alfa elica è stabilizzata dai legami idrogeno che si formano tra l'atomo d'idrogeno legato all'azoto elettronegativo di legame peptidico e l'atomo di ossigeno carbonilico del quarto aminoacido successivo della reazione delle estremità amminica. Nell'alfa elica ciascun legame peptidico partecipa alla formazione di legami idrogeno.

La stabilità dell'alfa elica dipende dalle dimensioni dei gruppi R di amminoacidi e la repulsione o ingombro sterico tre gruppi R distanziati dai tre quarti residui. La stabilizzazione è determinata da legami a idrogeno.

La disposizione di diversi segmenti, tutti nella conformazione beta, l'uno accanto all'altro è detta foglietto beta. Per effetto della struttura zig zag dei singoli segmenti del polipeptide il foglietto a pareti forma piatta. I gruppi R di amminoacidi e di accenti sporgono (gruppo R all'esterno) dalla struttura a zigzag in direzioni opposte, creando un'alternanza “sopra sotto”. Le catene polipeptidiche adiacenti di un foglietto beta possono essere parallele o anti parallele. Le due strutture sono abbastanza simili, e la disposizione dei legami idrogeno è diversa.

I legami idrogeno sono essenzialmente rettilinei nel foglietto beta antiparallelo, mentre nella variante parallela essi sono distorti. Nelle proteine globulari alcuni residui amminoacidici si trovano in ripiegamenti, dove la catena polipeptidica inverte la sua direzione. Questi ripiegamenti detti, ripiegamenti beta collegano tratti successivi in alfa eliche o in conformazioni beta. I legami peptidici dei due residui centrali si trovano nei ripiegamenti beta residui di glicina e di prolina. I primi hanno una struttura piccola e flessibile mentre i secondi sono legami che coinvolgono l'azoto imminico e quindi sono particolarmente adatti a ripiegamenti beta.

Costituito da segmenti uno opposto foglietti beta all'altro. Queste sono strutture planari. Antiparallelo sono meno stabili, carbonio idrogeno e ossigeno non sono sullo stesso asse e formano foglietti beta superfici che sono anche pieghevoli. Il residuo di glicina rende a struttura flessibile. Paralleli.

Struttura terziaria

Disposizione di tutti gli atomi nella struttura tridimensionale a beta foglietto e alfa elica ed è caratteristica delle proteine globulari. Si generano da ripiegamento della catena.

La struttura terziaria tiene conto delle relazioni a lungo raggio della sequenza amminoacidica. Gli aminoacidi fanno parte di tipi differenti di strutture secondarie. I segmenti della catena polipeptidica che interagiscono vengono mantenuti nelle loro posizioni tramite diversi tipi di interazioni deboli e anche tramite legami covalenti come ponti disolfuro. Alcune proteine contengono due o più catene polipeptidiche distinte. La disposizione di cose subunità in complessi tridimensionali prende il nome di struttura quaternaria.

In base a questi livelli strutturali, le proteine possono essere classificate in proteine fibrose, hanno catene polipeptidiche disposte in fasce o in foglietti, e proteine globulari che hanno catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche. In queste strutture il volume libero è pochissimo. Le proteine fibrose sono costituite da un unico tipo di struttura secondaria e la struttura terziaria è relativamente semplice mentre le proteine globulari contengono più tipi di struttura secondaria.

Mioglobulina

• Gruppo prostetico > EME (intrappola l'ossigeno).
• Gruppo R sono verso l'esterno.
• I residui apolari sono nella parte interna e sono quelli che stabiliscono i rapporti all'interno dell'alfa elica.
• All'interno della proteina la densità è molto elevata (materia fortemente addensata).
• Gli atomi all'interno occupano il 75% del volume disponibile.

La mioglobina è particolarmente abbondante nei muscoli dei mammiferi marini come il capodoglio, la foca della focena tanto da conferire ai muscoli di questi animali l'intenso colorito brunastro. Lo scheletro della molecola della mioglobina è costituito da 8 segmenti compatti di alfa eliche interrotti da ripiegamenti alcuni dei quali sono ripiegamenti beta.

Struttura quaternaria

È costituita da proteine da subunità cioè proteine fibrose, fascia foglietti che hanno una singola struttura secondaria e questi non presentano struttura terziaria. Hanno funzioni strutturali. Le proteine globulari sono proteine ripiegate e presentano tutte le strutture secondarie. Funzioni varie ex enzimi. Un esempio di struttura quaternaria di tipo globulare è l'emoglobina che è formata da quattro catene uguali due a due e ciascuna di queste assomigliano fruttini di mio globulina. L'unione delle subunità è determinata dalla simile forma.

Fanno parte invece della struttura quaternaria di tipo strutturale il collageno e la alfa cheratina. Le alfa cheratine si trovano solo nei mammiferi dove rappresentano la quasi totalità del peso secco dei capelli, della lana, delle penne, delle unghie e degli artigli.