Biochimica

Biochimica avanzata: lezione 1

Introduzione del programma

La comunicazione tra cellule è un elemento fondamentale per gli organismi viventi, in quanto permette il coordinamento di tante funzioni diverse. Nella comunicazione cellulare il tema riguarda quali sono le molecole in grado di trasmettere informazioni, come ormoni, neurotrasmettitori e altre molecole che, data la loro specificità d’azione, si svolge in un intorno specifico, e sono chiamati mediatori locali. Questa differenza tra ormoni, neurotrasmettitori, mediatori locali dipende dalla loro sede di elaborazione, ma anche dal raggio d’azione; gli ormoni, ad esempio, sono molecole che vengono prodotti da una cellula endocrina e viaggiano poi nel torrente circolatorio per raggiungere l’organo target, mentre un mediatore locale è una molecola prodotta da un tipo di cellula e in quell’ambito diffonde e va ad agire su cellule che stanno intorno. Questi sono i principali tipi di molecole che mediano la comunicazione cellulare.

Oltre alla produzione e al rilascio di queste molecole, bisogna prendere in considerazione il loro funzionamento: molte di queste funzionano andando a modificare, ad esempio, la modalità con la quale nelle cellule si realizza il trasporto di ioni, ma anche di metaboliti, e quindi questo porterà allo studio di trasporti di membrana (tra cui il trasporto passivo di tipo mediato e il trasporto attivo). Quindi, trasporto a livello delle membrane. È importante capire il perché una proteina si comporta da canale e perché si comporta da trasportatore: da qui, dunque, canali ionici e trasportatori.

Altra importante tematica riguarda i neurotrasmettitori, come vengono sintetizzati; quali sono le vie metaboliche che portano alla sintesi di queste molecole e come la proteina (il recettore) è capace di recepire l’informazione portata dal NT, che è specifico per i vari tipi di NT (acetilcolina, acido-gamma-amminobutirrico, glicina, glutammato, catecolammine come la noradrenalina). Importante, inoltre, è la modalità con la quale la maggior parte di questi NT, che non agiscono controllando canali, siano in grado di trasferire info, cioè siano capaci di trasdurre il segnale e i recettori presi in considerazione appartengono alla famiglia dei recettori accoppiati a proteine G.

La trasduzione del segnale di questi recettori si realizza attraverso meccanismi con principali effettori (adenilato ciclasi; fosfolipasi C; proteina chinasi cAMP dipendente; inositolo trifosfato; calmodulina ed altre proteine calcio leganti). Di tutto quello quindi che succede in una cellula quando i livelli di calcio passano da una concentrazione di base ad una concentrazione sotto stimolo e questo costituisce un segnale intracellulare importante tanto quanto lo può essere un segnale portato dal cAMP. La traduzione del segnale può avvenire in maniera diversa a seconda delle circostanze e ci sono delle proteine accoppiate a questi recettori che sono le proteine G. I messaggeri secondari si generano all’interno della cellula in risposta alla trasduzione del segnale e sono responsabili di una serie di eventi, come nel caso dell’AMP ciclico, inositolo trifosfato e come aumenta il calcio all’interno della cellula. Si tratta, il più delle volte, di un processo a cascata che porta a una progressiva amplificazione della risposta.

Biochimica avanzata

I recettori sono proteine che ricevono un segnale, che sono anche capaci di poter rispondere in maniera meno intensa e quindi la loro funzionalità può essere modulata, attraverso dei meccanismi che prendono il nome di desensibilizzazione dei recettori oppure di down regulation, cioè modalità di cambiamento della risposta ad un recettore dovuta ad una perdita di sensibilità del recettore nei confronti del ligando oppure di processi che portano addirittura all’eliminazione del recettore dalla membrana. Grazie a tecniche come il microscopio confocale a fluorescenza, è possibile evidenziare le proteine che ci sono al microscopio e osservare il dinamismo di esse.

È proprio questo che fa sì che le proteine cellulari rispondano a dei segnali, e se stimolate molto, succede che questi recettori vengono in un certo senso inglobati all’interno della cellula; si forma una sorta di invaginazione in cui la proteina recettoriale scompare dalla membrana cellulare. L’obiettivo è proprio quello di modulare il processo, quindi non è stocastico: down regulation dei recettori.

Importante sarà il funzionamento dell’ormone insulina (sua sintesi e rilascio in circolo quando necessario); ci si occuperà di come, attraverso uno specifico recettore, l’insulina è in grado di indurre degli effetti metabolici importanti. Il nostro corpo, a causa di vari fattori quali sedentarietà, ipercolesterolemia ecc., può desensibilizzarsi a questo ormone e questo è il primo passo per patologie come diabete di tipo 2 o sindrome metabolica. L’individuazione di farmaci, sulla base delle conoscenze riguardo a come l’insulina funzioni e quali siano i meccanismi molecolari che la coinvolgono, potrebbe portare all’eventuale rimedio patologico.

Per tanti anni i rimedi sono stati di tipo empirico e tanti farmaci sono stati commercializzati senza avere alcuna idea di come potessero funzionare dal punto di vista molecolare (es. nel caso dell’aspirina, antifebbrile e antidolorifico e utilizzabile in coloro che hanno problemi circolatori, il suo meccanismo reale di azione è stato scoperto circa 30 anni fa e dunque per molti anni si è utilizzata, senza sapere quale fosse il motivo per il quale la molecola facesse bene all’organismo. Oltre all’aspirina, dopo la scoperta del suo meccanismo molecolare, si sono scoperti altri farmaci che hanno bersagli analoghi a quello dell’aspirina, con capacità di agire in maniera più selettiva).

Inoltre, altro aspetto importante riguarderà il colesterolo (importante molecola presente nelle membrane) e di come questo venga trasportato nel corrente circolatorio. Il colesterolo costituisce il precursore di una famiglia rappresentata dagli ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, androgeni, estrogeni, vitamina D; quest’ultima è una molecola ambigua, in quanto viene chiamata vitamina ma funziona come ormone e si forma a partire da un precursore del colesterolo).

Altri ormoni importanti sono quelli tiroidei, anche se è ormai noto da molto tempo che solamente uno dei due ormoni tiroidei è biologicamente attivo: questo è il T3=triiodiotironina. Questi ormoni sono fondamentali dalla vita embrionale per tutta la vita dell’individuo, perché regolano processi molto importanti e la cosa che distingue sia gli ormoni steroidei che tiroidei da tutti gli altri è che queste molecole agiscono anche loro attraverso recettori, ma con un meccanismo d’azione completamente diverso, in quanto agiscono all’interno delle cellule e quindi i recettori non stanno sulla superficie della cellula, bensì dentro (citoplasma, nucleo).

Ad esempio, nel caso del cortisolo, questo è un ormone iperglicemizzante e cioè aumenta la concentrazione di glucosio in circolo; così come anche l’adrenalina è iperglicemizzante ma il loro meccanismo molecolare d’azione è tra loro completamente diverso (l’adrenalina, non per altro, ha un’azione immediata e cioè non appena viene rilasciata, nel giro di pochi secondi determina l’effetto sull’organismo; mentre il cortisolo ci mette delle ore per indurre nell’organismo la sua risposta biologica).

Molecole che si formano a partire da un acido grasso, cioè l’acido arachidonico, che vanno sotto il nome generale di prostanoidi (es. prostaglandine), che funzionano in maniera simile agli ormoni perché vengono generate dalla cellula, rilasciate da essa e si legano poi al recettore, ma differiscono dagli ormoni in quanto, mentre l’ormone prodotto da una cellula endocrina viene rilasciato a livello del torrente sanguigno in modo tale da raggiungere la cellula bersaglio che risulta talvolta lontanissima dalla cellula che rilascia quell’ormone, queste sono molecole che agiscono in prossimità della cellula che le ha elaborate.

Queste molecole sono prodotte in concentrazioni molto basse perché sono molto potenti, in quanto i recettori sono molto affini a queste e quindi agiscono anche ad un livello molto basso; essendo però prodotte in piccolissime quantità, se dovessero entrare nel torrente circolatorio, la diluizione che subiscono è tale per cui la loro concentrazione diviene bassissima e quindi vengono inattivate, nonostante siano molto potenti: agiscono da mediatori locali, funzionando in prossimità delle cellule che le hanno secrete.

Infine, importante, sarà parlare del processo di degradazione delle proteine: questo rientra nei meccanismi di controllo generale. L’attenzione in genere è focalizzata nel momento in cui si ha il controllo della nascita della proteina, ma si deve tenere conto anche della sua degradazione, fondamentale per regolare la quantità di una determinata proteina X all’interno della cellula, che dipende in egual misura sia dall’espressione del gene sia dalla degradazione di quella determinata proteina. Le proteine non vengono solo sintetizzate, ma anche degradate; la vita e la quantità di una certa proteina nella cellula è molto variabile; alcune infatti hanno vita breve; altre rimangono nelle cellule per giorni ed è altamente modulabile non solo a livello di sintesi, ma anche a livello di degradazione. La proteina viene controllata non solo dall’espressione genica, ma dalla sua degradazione.

Ci sono proteine che sono sottoposte ad ampio turnover (rinnovamento continuo), cioè la proteina è presente e non varia nel tempo, ma in realtà quella proteina nel tempo non c’è più perché è stata rapidamente sostituita da nuove copie di quella stessa proteina. Ci sono delle proteine che sono naturalmente sottoposte ad un rinnovamento continuo e interferire sulla degradazione di queste proteine ha un effetto molto importante sulla variazione dei livelli di proteine in tempo breve (il tempo di turnover è il tempo necessario per variare il 50% del contenuto di una determinata proteina nella cellula: 50% viene degradato e l’altro 50% viene sintetizzato).

L’interferenza sulla degradazione può essere a livello positivo e a livello negativo: se si interferisce stimolando la degradazione della proteina, nel giro di poche ore i livelli della proteina si abbattono; se invece la degradazione della proteina è controllata in maniera negativa, e quindi rallenta la degradazione della proteina, allora in poche ore i livelli della proteina della stessa aumentano. Il controllo selettivo delle proteine nella cellula dipendono da meccanismi abbastanza raffinati che prevedono l’attacco dell’ubiquitina alla proteina da degradare e conseguentemente la degradazione della stessa a livello del proteasoma.

Concetti propedeutici di base importanti per l’esame

La biochimica si occupa della chimica degli organismi viventi. Per sua natura, la Biochimica si fonda sulla comprensione della struttura chimica delle biomolecole che compongono la materia vivente al fine di spiegarne la funzione e le complesse interazioni.

Quello che deve essere noto:

• I 20 diversi aa che compongono le proteine
• I principali monosaccaridi: ad esempio glucosio, fruttosio, mannosio, ribosio, desossiribosio (acidi nucleici)
• Legame peptidico; struttura primaria delle proteine e strutture proteiche di ordine superiore (secondaria, terziaria, quaternaria)
• Enzimi e loro regolazione (glicolisi, gluconeogenesi, beta-ossidazione degli acidi nucleici, ciclo di Krebs, via dei pentoso-fosfati): i principi della cinetica enzimatica
• I polisaccaridi più comuni: amido, glicogeno e cellulosa e tipi di legami chimici che ne determinano la struttura
• Acidi grassi: trigliceridi, principali fosfolipidi e legami chimici che li contraddistinguono
• I nucleotidi e gli acidi nucleici
• Coenzimi piridinici e flavinici (NAD, FAD, FADH₂ strutture e quando viene ceduto e acquisito elettrone)
• Metabolismo cellulare
• Bioenergetica e tipo di relazioni chimiche (conoscere la struttura dell’ATP)
• Principali vie metaboliche e loro ruolo nel metabolismo cellulare e degli organismi: glicolisi, gluconeogenesi, via del pentoso fosfati, glicogenosintesi, glicogenolisi, ossidazione di acidi grassi, biosintesi di acidi grassi, transaminazione degli aa, ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico, ciclo dell’urea.
• Fosforilazione ossidativa come processo che porta alla sintesi dell’ATP, nel momento in cui si ha il trasferimento degli elettroni NAD ridotto verso l’ossigeno nell’ambito della catena respiratoria.

È inoltre necessaria la conoscenza di una serie di concetti quali:

• Definizione di concentrazione e sue unità di misura
• Soluzione tampone
• pH e sua determinazione (il pH ha una grandezza logaritmica)
• Legami chimici (quando si parla di proteina, importanti sono i legami deboli che si instaurano tra componenti delle catene laterali degli aa o dagli atomi di H e O residuali dalla formazione del legame peptidico)
• Principali gruppi funzionali di molecole organiche: funzione alcolica, aldeidica, chetonica, carbossilica o acida, tiolica, amminica
• Principali tipi di legame in molecole organiche: estere (legame che si forma tra un gruppo alcolico e un gruppo acido), etere, tioestere (invece di avere un gruppo alcolico, si ha un legame sulfidrilico e questo è un legame ad elevato potenziale di trasferimento, dunque altamente energetico), tioetere, anidridico ecc.

Le principali biomolecole

Le biomolecole sono le molecole che si trovano all’interno della cellula; esse sono fondamentali per la costituzione delle componenti cellulari per le reazioni che si svolgono nell’organismo, quindi per il metabolismo cellulare. Quando si parla di elementi di questo tipo, la prima categoria di molecole da prendere in considerazione è quella degli amminoacidi, fondamentali per la composizione delle proteine, che sono in tutto 20. Ciascun aa ha delle caratteristiche chimiche che lo rendono allo stesso tempo simile, ma anche lo contraddistingue da altri aa e ciò consente alle proteine di funzionare diversamente sulla base delle diverse strutture che le proteine possono assumere.

Tutto si basa sulle caratteristiche dei singoli aa, la spiegazione del fatto per cui una proteina nella cellula viene sintetizzata e assume una specifica conformazione, mentre un’altra che ha, magari, lo stesso numero di aa, assume una conformazione completamente diversa. Gli aa si possono dividere come si ha nell’immagine in varie categorie e la parte evidenziata è il gruppo R, che differisce per ciascun aa e che quindi lo caratterizza; mentre quella non evidenziata rappresenta la parte comune a tutti gli aa costituita da: un carbonio alfa, un gruppo carbossilico e uno amminico. Gruppo carbossilico e gruppo amminico nell’ambiente cellulare non si ritrovano scritti di carica, ma ciascuno di essi risulta essere carico; si ha dunque un COO^- ed un NH₃⁺. Questo fa sì che questo gruppo comune a tutti gli aa sia uno chimicamente neutro, perché la carica positiva è neutralizzata da quella negativa.

Se si individuano alcuni tipi di aa che hanno nella loro catena laterale dei residui che sono provvisti di carica elettrica, ecco che si vanno ad identificare un gruppo di aa che hanno una specifica caratteristica infatti questi sono chiamati aa acidi, perché hanno nella loro catena laterale un carbossile con carica negativa; questi aa sono aspartato e glutammato. Questi 2 aa hanno caratteristiche comuni fra loro, ma differiscono in dimensioni perché il glutammato ha un atomo di C in più rispetto all’aspartato (quindi nel momento in cui in una proteina si inserisce questo aa, ecco che si inserisce una carica negativa, recata dalla catena laterale).

Viceversa, esistono anche aa basici, che hanno carica di segno opposto (positivo): essi sono lisina, arginina e istidina (quest’ultimo aa a seconda delle condizioni può assumere o cedere un H e quindi assumere anche la carica corrispondente). Specialmente lisina e arginina, sono i classici aa etichettati come basici e quindi conferiscono alla proteina una carica positiva.

Queste sono dunque due categorie di aa che conferiscono proprietà opposte alla zona nella quale questi aa vengono inseriti e questo permette di capire che, nell’organizzazione tridimensionale delle proteine, dove è importante che dopo che gli aa si sono legati la catena polipeptidica assuma una specifica conformazione spaziale, il ripiegamento nello spazio della proteina, costituita dai singoli aa, è dettata dalla possibilità di generare delle interazioni tra un aa e un altro e quindi interazioni elettrostatiche tra una zona della proteina che contiene un aa basico e una zona della proteina che contiene un aa acido, sicuramente è un tipo di interazione che contribuisce alla realizzazione della struttura definitiva della proteina che si basa su molte altre interazioni che però sono costituite da legami a bassa energia, quindi deboli.

Questa interazione debole è però sufficientemente stabile per garantire il mantenimento della struttura e quindi della funzione della proteina. Quindi non solo la proteina è stabile (tantissimi sono i legami deboli che gli aa instaurano gli uni con gli altri), ma la marcia in più è data dalla flessibilità della struttura stessa.