Biochimica generale e umana

Biochimica metabolica e strutturale

Il nostro scopo è vedere come dai macronutrienti ricaviamo energia e quindi studiare le vie metaboliche che ci portano da ciò che mangiamo alla produzione di energia. Una cosa importante è il mantenimento della giusta concentrazione del glucosio, quindi quali sono le vie metaboliche che mantengono il glucosio costante e quali sono gli ormoni coinvolti.

I macronutrienti

• Carboidrati: Sono quelli che usiamo meglio, il glucosio è il substrato migliore per noi, perché si può ossidare anche in condizioni anaerobiche, quindi ci dà energia quando stiamo facendo uno sforzo intenso, perché questo sforzo intenso per poter essere sostenuto avviene in condizioni anaerobiche.
• Lipidi
• Proteine: Costituiscono l’architettura del nostro corpo, tessuti e usati come substrato energetico solo in particolari condizioni, come il digiuno prolungato o l’esercizio fisico prolungato, se no l’organismo lo risparmia perché se no deve demolire i tessuti e in particolare i tessuti muscolari.

Oltre i macronutrienti vengono utilizzati anche i micronutrienti:

• Sali minerali
• Vitamine: Essenziali perché se no gli enzimi non possono funzionare.

Amminoacidi e proteine

Ogni amminoacido (eccetto la glicina) possiede un atomo di carbonio, chiamato carbonio al quale sono legati quattro differenti gruppi:

• Un gruppo amminico basico (-NH₂).
• Un gruppo carbossilico acido (-COOH).
• Un atomo di idrogeno (-H).
• Una catena laterale, diversa per ciascun amminoacido (-R).

La parte dell’amminoacido senza gruppo amminico viene chiamata scheletro carbonioso o chetoacido. L’atomo di carbonio centrale viene chiamato o carbonio asimmetrico o chirale, da alla molecola la possibilità di avere due configurazioni nello spazio.

Le catene laterali di alcuni amminoacidi

Le catene di amminoacidi in base alla loro catena laterale possono essere polari o idrofobici. Polari che reagiscono in ambiente acquoso, idrofobici no, e si trovano nella parte interna delle proteine o a contatto con i lipidi.

• La glicina è l’amminoacido più piccolo che c’è, ha un particolare utilizzo quando si forma la struttura proteica, la catena laterale della glicina è un atomo di idrogeno, da meno ingombro sterico quando si formano le proteine.
• L’alanina come catena laterale ha un gruppo metilico (-CH₃), lo scheletro carbonioso di questo amminoacido è una molecola chiamata piruvato (in grado di produrre glucosio).
• Valina, leucina, isoleucina sono amminoacidi ramificati, perché non vengono metabolizzati dal fegato ma dal muscolo, quindi il muscolo può ricavare energia da questi amminoacidi quando ha bisogno di energia.
• La cisteina è importante nella struttura delle proteine perché forma ponti disolfuro perché ha un gruppo sulfidrilico (-SH).
• La glutammina è un trasportatore di gruppi amminici insieme al glutammato nel metabolismo degli amminoacidi.

Gli amminoacidi hanno numerose funzioni che vanno al di là del loro inserimento nelle proteine, vengono utilizzati come tali. Dal punto di vista nutrizionale gli amminoacidi si possono classificare in:

Essenziali

Quegli amminoacidi che una determinata specie non è in grado di sintetizzare (o li sintetizza in quantità non sufficienti):

• Devono essere introdotti con la dieta
• Phe, Val, Thr, Trp, Ile, Met, Leu, Lys, His^*, Arg^*
• (* sono necessari nella dieta solo durante lo stadio giovanile di crescita)

Se dovessero mancare le proteine che hanno bisogno di questi amminoacidi non potranno essere sintetizzati.

Non essenziali

Quegli amminoacidi che una determinata specie è in grado di sintetizzare.

Classificazione biochimica

Dal punto di vista biochimico gli amminoacidi si possono classificare in:

• Glucogenici: Tutti gli amminoacidi dal cui catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs e che quindi possono essere utilizzati per riformare glucosio (Asp, Glu, Asn, Gln, His, Pro, Arg, Gly, Ala, Ser, Cys, Met, Val).
• Chetogenici: Gli amminoacidi dal cui catabolismo otteniamo acetilCoA o acetoacetilCoA, che quindi non possono essere utilizzati per riformare glucosio (leucina e lisina).
• Sia chetogenici che glucogenici: Dal loro catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs, oltre che acetil CoA o acetoacetilCoA (Phe, Tyr, Trp, Ile, Thr).

Gli amminoacidi sono i precursori di importanti molecole biologiche come per esempio neurotrasmettitori, il gruppo eme e le basi azotate.

Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina perché la catena laterale ha un atomo di idrogeno e quindi due gruppi chimici uguali) hanno l’atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi:

• Il carbonio (asimmetrico) è quindi un centro chiralico o otticamente attivo.

Gli altri nello spazio assumono due configurazioni che vengono chiamati D (destrogiro) e L (levogiro) a seconda di come ruotano alla luce polarizzata, dette stereoisomeri, isomeri ottico o enantiomeri.

Una caratteristica degli enzimi del nostro corpo è quella di essere il sito attivo stereospecifico cioè riconoscere la posizione degli atomi nello spazio, quindi per sintetizzare le proteine non vengono utilizzati tutti e due gli amminoacidi ma solo gli L-amminoacidi.

Le proteine

Le proteine sono macromolecole costituite dall’unione di un numero variabile di unità elementari: gli amminoacidi (AA). Le proteine contengono solo L-amminoacidi. Alcuni amminoacidi vengono modificati dopo la sintesi delle proteine (solo 20 amminoacidi) per aumentare la variabilità tra una proteina e un'altra, viene aggiunto un gruppo chimico all’amminoacido.

Sebbene in natura esistano più di 300 amminoacidi, soltanto 20 sono incorporati nelle proteine dei mammiferi poiché sono quelli che vengono specificati dal codice genetico. Il codice genetico è utilizzato dalla cellula per tradurre l’informazione contenuta nei suoi geni nelle sequenze di amminoacidi che vanno a costituire le proteine.

Quando c’è una sequenza di DNA che codifica per una determinata proteina questa viene trascritta e c’è la sintesi del RNA, l’RNA poi viene tradotto e abbiamo la formazione di una nuova proteina, per formare questa proteina serve che nella dieta mettiamo tutti gli amminoacidi che ci servono per vivere, sia essenziali che non essenziali.

Gli amminoacidi sono uniti l’uno all’altro da legami peptidici (legame covalente molto forte, per romperlo ci serve energia). Il legame peptidico avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un amminoacido successivo con perdita di una molecola di acqua (reazione di condensazione).

Possiamo identificare nella struttura di una proteina un’estremità N-terminale perché ha un gruppo amminico libero e un’estremità carbossi terminale dove c’è il gruppo COOH libero. In conseguenza del fatto che il legame peptidico si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido, il gruppo amminico di un amminoacido successivo, quando la proteina si forma ci sarà un’estremità N-terminale con il gruppo amminico e un’estremità carbossi terminale con il gruppo COOH.

La proteina viene sintetizzata, e la proteina è costituita da una sequenza lineare di amminoacidi, questa sequenza è importante perché determinata la forma tridimensionale e quindi la funzione di una data proteina (avrà una funzione diversa per ogni proteina).

Struttura delle proteine

Per funzionare una proteina deve assumere una struttura tridimensionale precisa:

• Collagene: Proteina strutturale che mantiene l’architettura dei tessuti, a forma filamentosa.
• Mioglobina: Proteina funzionale che serve come riserva di ossigeno e ha forma globulare.

Quindi le proteine possono essere classificate in due gruppi principali: proteine globulari e fibrose. La sequenza aminoacidica contiene tutta l’informazione necessaria a specificare la forma tridimensionale di una proteina e quindi la sua funzione (la struttura tridimensionale è data dalla struttura terziaria di una proteina, dai legami deboli che si formano tra i vari gruppi chimici).

Funzioni delle proteine

Fondamentali in ogni organismo, hanno molteplici ruoli:

• Componenti strutturali (collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle).
• Trasportatori (emoglobina, albumina).
• Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici).
• Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi).
• Difesa contro i patogeni (immunoglobuline).
• Controllo e regolazione dell’espressione genica (istoni).
• Deposito di materiale (ferritina).
• Proteine dei sistemi contrattili (miosina).

Classificazione delle proteine

Quindi le possiamo classificare in proteine globulari e fibrose, all’interno di questa classificazione le possiamo distinguere in:

• Proteine semplici: Molti enzimi contengono solo amminoacidi e nessun altro gruppo chimico.
• Proteine coniugate: Altre proteine contengono, oltre agli amminoacidi, gruppi chimici funzionali permanentemente associati. La parte non amminoacidica viene definita gruppo prostetico.

Le proteine globulari

Possono essere:

• Enzimi
• Ormoni
• Proteine di trasporto
• Proteine di deposito

Sono solubili in acqua, di forma quasi sferica e assolvono funzioni biologiche.

Le proteine fibrose

• Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti.
• In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria.
• Sono insolubili in H₂O per la presenza di elevate quantità di AA idrofobici.
• Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche.
• Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. a-cheratina, collageno).

Ad esempio:

• Cheratine, che compongono i capelli o lo strato corneo della pelle e il collagene.
• Hanno strutture ad elica.
• Gruppi apolari e ponti disolfuro tendono a conferire rigidità e insolubilità alle proteine fibrose.

Livelli di organizzazione

• Struttura primaria: Successione aa polipeptide.
• Struttura secondaria: Ripiegamenti spaziali polipeptide (p.es. a- elica, β-foglietto).
• Struttura terziaria: Stabilizzata da legami deboli (globulare enzimi) e in alcune proteine da ponti disolfuro (S-S).
• Struttura quaternaria: Aggregazione di più subunità (p.es. Hb: 4 subunità).

Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà delle loro catene laterali (-R), considerando la loro polarità o non polarità al pH fisiologico e quindi la tendenza ad interagire con l’acqua. I gruppi funzionali delle catene laterali (-R) determinano la struttura, le funzioni e la carica elettrica delle proteine.

La localizzazione degli amminoacidi nelle proteine

• Gli amminoacidi con catene laterali cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie delle proteine.
• I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all’interno delle proteine, protetti dal contatto con l’acqua.

Una proteina tende a ripiegarsi in una configurazione compatta:

• In soluzione acquosa le proteine globulari hanno una struttura compatta: le catene laterali idrofobiche si trovano nella parte interna della molecola mentre i gruppi idrofilici in genere si trovano in superficie.
• In un ambiente non polare (lipidico), per esempio una membrana, la disposizione è opposta: catene laterali idrofiliche all’interno, amminoacidi idrofobici sulla superficie della molecola.

La struttura terziaria

La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale, avvolta, di una proteina. Si forma perché interagiscono tra loro i gruppi delle catene laterali ed è indispensabile per l’attività biologica della proteina. Se la proteina perde la struttura terziaria non funziona più, viene denaturata, perde la sua funzione biologica.

Quando una proteina si avvolge su se stessa, gli amminoacidi che si trovano in regioni lontane della sequenza polipeptidica possono ugualmente interagire tra loro. È stabilizzata prevalentemente da legami non covalenti (deboli) come ponti idrogeno, interazioni idrofobiche tra amminoacidi non polari e legami ionici. La struttura terziaria è mantenuta da questi legami deboli che si aprono e chiudono a seconda della necessità della cellula e conferiscono la sua dinamicità. Le proteine sono molecole dinamiche e possono cambiare conformazione quando si legano ad altre molecole. La cellula è in grado di regolare la propria funzione/metabolismo modificando la conformazione di proteine già esistenti.

Proteine contrattili

La testa della miosina utilizza l’ATP per muoversi camminando sul filamento di actina per via del movimento delle molecole (ioni, calcio, magnesio) che permettono un cambio di conformazione e permettono alla proteina di muoversi.

Emoglobina

Una struttura quaternaria, proteina globulare coniugata, quattro catene polipeptidiche e quattro gruppi eme.

Enzimi

Le proteine possono avere numerose funzioni, tra cui quella di essere catalizzatori biologici. Quello che noi vogliamo studiare è come interagiscono le varie vie metaboliche tra loro. Ogni via metabolica è costituita da diverse tappe, ogni tappa è catalizzata da un enzima diverso perché gli enzimi sono molto specifici per il loro substrato, reagiscono preferenzialmente con uno specifico substrato. Una via metabolica costituita da diverse tappe deve per forza avere diversi enzimi che sono molecole di natura proteica. All’interno di una via metabolica poi ci staranno degli enzimi che determinano la velocità della via.

All’interno di una molecola proteica possiamo riconoscere il sito attivo, attraverso il sito attivo il substrato viene trasformato in prodotto. Il substrato è la molecola da trasformare che noi possiamo chiamare anche reagente, questa molecola si lega al sito attivo che è la parte di enzima a cui si lega il substrato ed in cui avvengono le reazioni. Il sito attivo può legare il substrato perché all’interno di quell’area del sito attivo stanno esposte le catene laterali di alcuni amminoacidi che vanno ad interagire specificamente con un substrato.

È costituito da tanti amminoacidi, ognuno dei quali ha una catena laterale, una catena laterale con cui l’enzima reagisce con l’ambiente. Il sito attivo è altamente specifico per un solo tipo di substrato. Il sito attivo è anche stereospecifico, oltre che a riconoscere il substrato, riconosce pure la configurazione degli atomi di una certa molecola nello spazio. Solo gli amminoacidi della serie L vanno a far parte delle proteine. Gli enzimi che formano i legami peptidici riconoscono solo gli amminoacidi della serie L. L’enzima trasforma il substrato in prodotto, alla fine della reazione non si trasforma e può continuare a funzionare. La velocità della reazione dipenderà dalla concentrazione del substrato. Ci sarà un punto in cui l’enzima raggiungerà la velocità massima. Ad una data concentrazione di enzima, l’enzima nella reazione raggiunge la velocità massima, perché alcuni siti dell’enzima sono stati riempiti col substrato e oltre quella non può andare. Sono in grado di agire a concentrazioni molto basse, favoriscono il procedere della reazione fino al raggiungimento dello stato di equilibrio.

Esempio di una reazione catalizzata da un enzima

Abbiamo il sito attivo, nel sito attivo entra il saccarosio (substrato), in presenza dell’acqua e il saccarosio viene scisso in glucosio e fruttosio e l’enzima torna a funzionare normalmente:

• Enzima disponibile con il sito attivo vuoto.
• Il substrato si lega all’enzima che subisce un adattamento indotto (l’enzima è una molecola dinamica, ha una sua struttura tridimensionale, quando si lega il substrato l’enzima si modifica perché ci si è legata una molecola e si adatta meglio al substrato e questo permette che l’attività enzimatica si velocizzi).
• Il substrato si scinde nei prodotti attraverso una reazione di idrolisi.
• I prodotti vengono liberati.

Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche, per questo con la dieta oltre ai macronutrienti dobbiamo introdurre micronutrienti (sali minerali e vitamine) e servono perché sono una componente importante dell’attività enzimatica. Possono essere:

• Sostanze inorganiche, come sali minerali (ioni metallo) chiamati cofattori.
• Molecole inorganiche che si chiamano coenzimi.

Possiamo avere:

• Un enzima semplice costituito da una sola proteina.
• Ma la maggior parte degli enzimi funzionano quando hanno legato più o meno stabilmente, uno ione metallico (enzima + cofattore) o una molecola organica che funge da coenzima e possono avere sia cofattore che coenzima. I coenzimi derivano da vitamine idrosolubili, quindi nella nostra dieta ci vogliono sia sali minerali e vitamine idrosolubili, questi seguono vie metaboliche specifiche e vengono trasformati in coenzimi.

Funzione dei coenzimi

Un coenzima prepara il sito attivo per l’attività catalitica. I coenzimi possono essere più o meno stabilmente legati all’enzima. Abbiamo un enzima che ha un certo sito attivo ma questo sito attivo benché adatto non è adattissimo al substrato e se il substrato lo leg... (testo tronco)