Biochimica (macromolecole, trasporto di membrana, emoglobina e mioglobina)

Biochimica (prima parte esonero)

Legami di valenza

Atomo di carbonio= 4 elettroni nel suo ultimo livello (elettroni

Stato fondamentale

Stato eccitato: l’energia richiesta viene compensata dalla possibilità di formare legami

Ibridazioni: sp3, sp2, sp1

Forza di legame

Energia necessaria per rompere il legame e dipende dalla distanza di legame, carica nucleare e numero di elettroni scambiati.

Entalpia

Quantità di calore scambiata con l’esterno in una reazione che avviene a pressione costante.

H= U + PV; Qp=ΔH

• ΔH positivo: calore acquistato dall’ambiente
• ΔH negativo: calore ceduto all’ambiente

Legami

• Legame covalente: può essere polare o apolare. È polare se la differenza di elettronegatività è molto elevata, apolare se la differenza di elettronegatività è molto simile.
• Legame semplice: Legame sigma: presenta libera rotazione fra gli atomi e diverse conformazioni.
• Legame doppio: Legame pigreco: sovrapposizione di orbitali p, atomi bloccati su un piano.
• Legame dativo: Legame covalente che avviene tra metalli che hanno orbitali vuoti, non c’è condivisione fra gli atomi. Viene anche chiamato legame di coordinazione.

Legami deboli

• Ionico: forte elettronegatività tra due gruppi carichi, legame non direzionale che crea un campo elettrico.
• Dipolo permanente: avviene tra una carica ed un dipolo. Il momento dipolare è dovuto alla somma dei momenti dipolari dei singoli legami. Sono direzionali e a corto raggio.
• Legame ad idrogeno: avviene tra un atomo donatore fortemente elettronegativo e un H ed è direzionale. Atomo donatore: legato ad un H, elettronegativo (O,N). Atomo accettare: fortemente elettronegativo.

Struttura dell'acqua

Ibridazione sp3

• Angoli 104° (per la presenza di orbitali)
• Momento dipolare netto perché i legami sono fortemente polari ed asimmetrici
• Legami ad H
• T= 100 °C (ebollizione), 0°C (congelamento)
• Elevata costante dielettrica
• L’ossigeno forma 4 legami

Ghiaccio: cristallo molecolare. Struttura perfetta, detta formazione di 4 legami H direzionali. Maggiore densità rispetto allo stato solido.

L’acqua è una molecola polare ed è costituita da due atomi di idrogeno uniti da un atomo di ossigeno; la distanza del legame O-H è pari a 0,958 A. Gli atomi di idrogeno non sono disposti lungo una linea retta, poiché i quattro orbitali ibridi sp3 dell'atomo di ossigeno si estendono approssimativamente verso i vertici di un tetraedro. L'atomo di ossigeno, con i suoi elettroni non condivisi, ha una parziale carica negativa, mentre ciascun atomo di idrogeno possiede una parziale carica positiva.

Le molecole di acqua adiacenti tendono ad orientarsi in modo che il legame O-H (estremità positiva) punti verso una delle coppie elettroniche dell'altra molecola (estremità negativa); la risultante associazione bidirezionale intermolecolare è nota come legame a idrogeno.

Il ghiaccio, invece, è un cristallo molecolare di acqua unite da legami idrogeno ed alcuni studi di diffrazione dei raggi X e dei neutroni hanno consentito di stabilire che nel ghiaccio le molecole di acqua sono disposte in una struttura aperta. Infatti, ogni molecola di acqua nel ghiaccio è circondata da quattro molecole circostanti disposte a tetraedro e unite tramite legami a idrogeno. Inoltre, l'acqua è una delle pochissime sostanze che si espandono durante il congelamento a 0°.

Quando una sostanza non polare viene aggiunta ad una soluzione acquosa non si dissolve, ma è esclusa dall’acqua. La tendenza dell'acqua a rendere minimi propri contatti con le molecole idrofobiche è definita effetto idrofobico.

Proprietà chimiche dell’acqua

• Una molecola di acqua si dissocia formando ioni H+ e OH- con una costante di dissociazione di 10^-14.
• L’acidità di una soluzione viene espressa tramite il pH: gli acidi e le basi alterano il pH. Un acido è una sostanza in grado di donare un protone, mentre una base è una sostanza che può accettare un protone.
• La forza di un acido è specificata dalla sua costante di dissociazione.
• I tamponi resistono alle variazioni di pH. Per soluzioni tampone, si intende una soluzione che si oppone alle variazioni di pH, poiché le piccole quantità di H+ e OH- aggiunte reagiscono senza alterare il valore di log(A-/HA).

L’acqua è usata spesso come solvente perché nella cellula tutto è immerso nell’acqua.

Interazioni idrofile e idrofobiche

• Idrofili: formano legami ad H/elettrostatici
• Idrofobici: non formano legami con l’acqua (struttura a clatrato)
• Anfipatici: si comportano sia da molecole idrofiliche che idrofobiche perché possiedono una parte idrofila e una idrofobica.

Isomeria

Stesso numero di atomi, ma strutture diverse.

• Isomeria di struttura
• Conformazionale
• Configurazionale
• Stereoisomeri geometrici
• Stereoisomeri ottici

Conformazioni e configurazioni

• Conformazioni: cambiamento di forma dovuto alla libera rotazione degli atomi
• Configurazioni: sono fisse e sono:
  • Geometriche: passaggio da cis-tran, non è spontaneo
  • Ottiche: c’è un centro chirale (4 sostituenti diversi)

Proteine e amminoacidi

Le proteine sono composte da unità, dette alfa-amminoacidi (se ne conoscono 20). Gli amminoacidi comuni sono noti come alfa-amminoacidi poiché possiedono un gruppo amminico primario, in qualità di sostituente dell'atomo di carbonio in posizione alfa (ovvero quell'atomo di carbonio adiacente al gruppo carbossilico).

Quindi la struttura generale di un amminoacido è:

• Gruppo carbossilico (COOH)
• Gruppo amminico (NH3)
• Gruppo R (catena laterale)
• Un idrogeno

Il carbonio dell’amminoacido è chirale; può essere destrogiro o levogiro, in base se le molecole deviano la luce verso destra o verso sinistra. Inoltre, gli amminoacidi sono definiti della serie D/L, in base alla nomenclatura che viene attribuita alle molecole chirali, prendendo come precursore la gliceraldeide.

I gruppi amminici e carbossilici degli amminoacidi possono andare incontro a ionizzazione, perciò un amminoacido può fungere sia da acido che da base. Le molecole che portano gruppi carichi con polarità opposta, sono note come ioni dipolari o zwitterioni.

Gli amminoacidi possono polimerizzare per dare luogo a catene lineari e questo processo avviene grazie a reazioni di condensazione. Il risultante legame CO—NH è detto legame peptidico. I polimeri contenenti due, tre, o numerose unità aminoacidica sono chiamati rispettivamente dipeptidi, tripeptidi, polipeptidi. Il legame peptidico (gruppo amminico + gruppo carbossilico) presenta due strutture di risonanza, e quindi presenta un parziale doppio legame. La presenza di due strutture di risonanza stabilizza la struttura chimica.

Titolazione

I valori di pKa dei gruppi ionizzabili degli amminoacidi si possono ottenere con una titolazione acido-base, misurando il pH della soluzione in funzione della base aggiunta. Il gruppo carbossilico perde prima il suo protone rispetto al gruppo amminico. Tanto più è stabile la forma protonata, tanto prima il gruppo cederà il protone. Graficamente, i punti di flesso, segnano il passaggio da una forma all’altra; quando le due forme sono alla stessa concentrazione, i punti di flesso corrispondono al pK.

Punto isoelettrico: è il punto in cui una molecola non porta carica elettrica netta. pI= (pKi + pKj/2)

Amminoacidi e loro catene laterali

Le proteine vengono classificate in base alle loro catene laterali: esse possono essere idrofiliche (fanno interazioni con acqua) o idrofobiche (incapaci di interagire con l’acqua).

• Amminoacidi idrofobici, catene laterali non polari: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano, metionina, prolina (catena laterale ad anello).
• Amminoacidi con catene laterali polari prive di carica: formano legami ad H: serina, treonina, tirosina, asparagina, cisteina, glutammina.
• Amminoacidi con catene laterali acide: acido aspartico e acido glutammico.
• Amminoacidi con catene laterali basiche: prolina (perde un protone e si ha un gruppo imminico).
• Amminoacidi aromatici: fenilalalina, triptofano (gli anelli aromatici assorbono la luce; in particolare, se è presente un doppio legame la molecola può assorbire meglio la luce).

Struttura delle proteine

Legame peptidico: rigido

• Configurazione trans: le catene laterali si rivolgono verso lati opposti (meno ingombro sterico)
• Assorbe la luce ultravioletta
• Assi di rotazione: fi e psi (sempre valori costanti)

Strutture delle proteine

Le strutture delle proteine sono quattro:

• Primaria: sequenza lineare degli aminoacidi
• Secondaria: La struttura secondaria di una proteina è la conformazione spaziale assunta a livello locale degli atomi di uno scheletro polipeptidico senza tenere in considerazione la disposizione delle sue catene laterali. Consiste in un ripiegamento regolare della catena (alfa-elica, B-foglietto).
• Terziaria: descrive il ripiegamento dei suoi elementi strutturali, quindi rappresenta la struttura tridimensionale di una proteina. Le caratteristiche generali di una struttura terziaria sono: legame disolfuro, interazioni idrofobiche, legami a idrogeno, interazioni ioniche.
• Quaternaria: struttura di interazioni tra subunità proteiche.

Struttura secondaria delle proteine

Queste strutture sono chiamate strutture secondarie regolari, dato che sono formate da successioni di residui con valori ripetuti di fi e psi. Per descrivere un’elica, bisogna considerare i residui per giro (n) e il passo dell’elica (p).

Le caratteristiche generali di un’elica sono:

• Valori degli angoli di 50°/60°
• 3,6 residui
• Elica destrorsa
• Momento dipolare netto
• Legame con molecole cariche negativamente
• Ogni giro d’elica contiene 3 legami peptidici
• Il giro dell’elica è sempre uguale e corrisponde a 3,6 amminoacidi

Restrizioni dell'alfa-elica

• Repulsione tra gruppi R carichi
• La prolina e la glicina non hanno mai l’alfa-elica; la prolina a causa dell'ingombro sterico, mentre la glicina non è chirale perché presenta come gruppo R un idrogeno, quindi non sono presenti quattro sostituenti diversi.

L’alfa-elica è stabilizzata grazie a legami ad H, i quali presentano polarità, direzionalità e precisa lunghezza. La scoperta risale al 1951 (Pauling). L’alfa-elica è destrorsa, cioè si avvolge nella direzione del movimento delle dita della mano destra, ha valori di fi e psi pari a -57°C e -47°C. Ha 3,6 residui per giro e un passo pari a 5,4 A. Per passo dell’elica, si intende la distanza di avanzamento dell'elica per ogni giro. Le alfa-eliche delle proteine hanno una lunghezza media di circa 12 residui. Nell’alfa-elica i legami idrogeno dello scheletro covalente sono disposti in modo che il gruppo C=O del legame peptidico viene a trovarsi vicino al gruppo N—H; questa disposizione genera un legame a idrogeno forte.

Altre strutture elicoidali

Esistono altri due particolari tipologie di eliche: elica pigreco e 3₁₀.

L’elica 3₁₀ è solo occasionalmente presente nelle proteine, in quanto i suoi gruppi R presentano alcune interferenze steriche. Il nome di questa elica deriva dal fatto che 3 è il numero di residui per giro dell’elica, mentre 10 è il numero di atomi compresi nell'anello chiuso dal legame idrogeno. Questa tipologia di elica presenta un passo dell'elica di circa 0.20A.

L’elica pigreco, invece, presenta legami idrogeno con residui n+5 (n=4,4) e un passo dell’elica pari a 0,12A.

Grafico di Ramachandran

È un grafico che indica le conformazioni polipeptidiche consentite. Quasi tutte le aree di questo grafico rappresentano conformazioni proibite per una catena polipeptidica, mentre solo tre regioni circoscritte sono fisicamente accessibili alla gran parte dei residui. I valori osservati di fi e psi ricadono quasi sempre all'interno di queste zone consentite del grafico, ma si osservano anche delle eccezioni:

• La catena laterale ciclica della prolina vincola il suo intervallo di valori
• In corrispondenza dei residui di glicina, le catene polipeptidiche assumono conformazioni proibite.

Le regioni colorate in azzurro indicano gli angoli fi e psi consentiti dal punto di vista sterico per tutti i residui, ad eccezione di glicina e prolina, mentre quelle colorate in verde esprimono gli angoli di fi e psi a maggiore affollamento. I cerchi arancioni, invece, rappresentano angoli conformazionali relativi a svariate strutture secondarie.

Il foglietto beta

Nel foglietto beta i legami a idrogeno si instaurano tra catene polipeptidiche vicine e non all'interno di una sola, come avviene per l’alfa-elica; quindi si formano diverse strutture e poi si giustappongono per formare dei foglietti. Esistono tre tipi di foglietti:

• Il foglietto beta antiparallelo (a serpentina) in cui le catene polipeptidiche adiacenti presentano direzionalità opposta;
• Il foglietto beta parallelo, nel quale le catene unite da legami idrogeno hanno la stessa direzionalità (meno stabilità);
• Il foglietto pieghettato, il quale permette l'esposizione delle catene laterali.

I foglietti beta contenuti nelle proteine sono formati da un minimo di 2 a un massimo di 22 filamenti, con un numero medio pari a 6. Inoltre, possiamo dire che, i foglietti paralleli sono meno stabili di quelli antiparalleli per il fatto che i legami idrogeno, presenti nei foglietti beta paralleli, sono distorti rispetto a quelli presenti nei foglietti antiparalleli. Generalmente, i foglietti paralleli contengono almeno cinque filamenti. Quando i foglietti beta sono osservati nella direzione dei loro filamenti polipeptidici, essi mostrano quasi invariabilmente un avvolgimento destrorso.

La topologia, ovvero il collegamento tra le catene polipeptidiche di un foglietto beta può essere complessa: due catene antiparallele possono essere unite solo da una piccola ansa. Per ansa si intende una regione di connessione. Viene comunemente chiamata anche loop a forcina che collega filamenti antiparalleli. I segmenti polipeptidici contraddistinti da una struttura secondaria regolare come le alfa-eliche o i foglietti beta, sono uniti da tratti di catena polipeptidica che cambiano improvvisamente direzione; questi ripiegamenti sono chiamati ripiegamenti inversi o ripiegamenti beta, così chiamati perché collegano filamenti successivi di foglietti beta antiparalleli.

Connessioni tra filamenti adiacenti nei foglietti beta

• I filamenti antiparalleli possono essere collegati per mezzo di una piccola ansa
• I filamenti paralleli, invece, richiedono una connessione incrociata più estesa, che quasi sempre ha un andamento elicoidale destrorso.

Motivi strutturali

Ellica-ansa-elica: il motivo elica-ansa-elica è un motivo strutturale capace di legare il DNA. È composto da due alfa-eliche unite l'una all'altra da amminoacidi ed è presente in proteine che regolano l'espressione genica. Questa struttura interagisce con il solco maggiore del DNA per mezzo di legame idrogeno. Le caratteristiche generali sono: loop di 12 amminoacidi con 5 amminoacidi che legano il calcio (alcune proteine sono sensibili all’aggiunta di calcio), residui idrofobici sulle alfa-eliche che permettono l’interazione. Un esempio può essere la parvalbumina, la quale è costituita da una catena di 109 aminoacidi con tre motivi elica-ansa-elica.

Forcina beta: questo motivo strutturale è caratterizzato da due filamenti beta antiparalleli collegati da un loop di lunghezza variabile.

Motivi a chiave greca: è un motivo che consiste in quattro filamenti adiacenti antiparalleli.

Motivo beta-alfa-beta: è un motivo presente in quasi tutte le proteine. Il segmento che collega due filamenti contiene molto spesso una regione a elica, nel cui caso la struttura complessiva è definita motivo beta-alfa-beta. È un motivo che collega filamenti b paralleli.

Struttura terziaria

La struttura terziaria di una proteina descrive il ripiegamento dei suoi elementi strutturali, quindi rappresenta la sua struttura tridimensionale e specifica la posizione nello spazio di ogni atomo della molecola proteica.

Le caratteristiche generali di una struttura terziaria sono:

• Legame disolfuro
• Interazioni idrofobiche (incapaci di formare legami con l’acqua)
• Legami a idrogeno (catene laterali polari)
• Interazioni ioniche (catene laterali cariche)

Le strutture tridimensionali possono essere di due tipi: globulari e fibrose.

Domini

Per dominio si intende una zona compatta di struttura proteica in grado di ripiegarsi indipendentemente dal resto della molecola per formare una struttura stabile.

Proteine fibrose

Le proteine fibrose vengono classificate in base alla loro struttura secondaria. Le proteine fibrose possono avere strutture ad alfa-elica (cheratina dei capelli) o altre conformazioni.