Biochimica

Appunti completi di biochimica

Proteine, enzimi e metabolismo organizzati in quattro giorni

Dispensa per la preparazione dell'esame universitario

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Come usare questi appunti

Questa dispensa segue lo stesso ordine del piano di studio in quattro giorni. Ogni capitolo parte dai

concetti fondamentali, sviluppa i meccanismi e termina con ciò che bisogna saper spiegare all'orale.

Per le vie metaboliche sono indicati sede, funzione, reazioni, bilancio e regolazione.

Il metodo più efficace è leggere un paragrafo, chiudere il documento e ripeterlo con parole proprie. Le

tabelle servono per il ripasso rapido; non sostituiscono la spiegazione discorsiva. Disegna a memoria

ogni via metabolica almeno due volte.

Da ricordare. Nel programma compare probabilmente un refuso: la deaminazione riguarda gli

amminoacidi, non gli acidi grassi. Gli acidi grassi non possiedono un gruppo amminico da rimuovere.

Indice ragionato

 Giorno 1. Amminoacidi, legame peptidico, struttura delle proteine, emoglobina, mioglobina, cheratine,

anemia falciforme ed enzimi.

 Giorno 2. ATP, principi del metabolismo, glicolisi, gluconeogenesi, via del pentoso fosfato e

metabolismo del glicogeno.

 Giorno 3. Ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs, catena respiratoria, fosforilazione ossidativa, beta-

ossidazione e corpi chetonici.

 Giorno 4. Biosintesi degli acidi grassi, metabolismo dell'azoto, deaminazione degli amminoacidi, ciclo

dell'urea e collegamenti finali. 2

Giorno 1 Amminoacidi proteine ed enzimi

La prima giornata costruisce il linguaggio necessario per tutto il resto della biochimica. Gli

amminoacidi formano le proteine; la struttura tridimensionale determina la funzione; gli enzimi rendono

possibili e regolabili le reazioni del metabolismo.

1 Amminoacidi

Gli amminoacidi sono le unità fondamentali delle proteine. Negli amminoacidi proteici il carbonio alfa è

legato a un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e una catena laterale R.

La catena R distingue un amminoacido dall'altro e ne determina dimensione, polarità, carica e

reattività.

Quasi tutti gli amminoacidi sono chirali perché il carbonio alfa possiede quattro sostituenti diversi. La

glicina è l'eccezione: la sua catena laterale è un secondo idrogeno e quindi non presenta un centro

chirale. Nelle proteine gli amminoacidi appartengono quasi sempre alla serie L.

Comportamento acido base

A pH fisiologico il gruppo carbossilico è prevalentemente deprotonato e porta carica negativa, mentre

il gruppo amminico è protonato e porta carica positiva. La molecola può quindi possedere

contemporaneamente due cariche opposte ed è detta zwitterione. La carica netta dipende dal pH e dai

valori di pKa dei gruppi ionizzabili.

 pH inferiore al punto isoelettrico. Prevalgono le forme più protonate e la carica netta tende a essere

positiva.

 pH uguale al punto isoelettrico pI. La carica netta media è zero.

 pH superiore al punto isoelettrico. Prevalgono le forme deprotonate e la carica netta tende a essere

negativa.

Per un amminoacido privo di una catena laterale ionizzabile, il pI si calcola facendo la media dei due

pKa che delimitano la forma a carica netta zero. Per gli amminoacidi acidi o basici bisogna scegliere i

due pKa che circondano specificamente la forma neutra.

Classificazione essenziale

Gruppo Caratteristica Esempi Conseguenza nelle proteine

Glicina, alanina, valina, leucina, Tendono a essere sepolti nel nucleo

Apolari Catene idrofobiche isoleucina, metionina, prolina delle proteine solubili

Interazioni idrofobiche; Tyr e Trp

Aromatici Anello aromatico Fenilalanina, tirosina, triptofano possono formare legami H

Polari non Formano legami a Serina, treonina, asparagina, Spesso sulla superficie o nei siti attivi

carichi idrogeno glutammina, cisteina

Carica negativa a pH Interazioni ioniche e catalisi acido

Acidi Aspartato, glutammato

fisiologico base

Carica positiva o Legano gruppi negativi; l'istidina è

Basici Lisina, arginina, istidina

parzialmente positiva frequente nei siti attivi

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Gli amminoacidi essenziali non vengono sintetizzati in quantità sufficiente dall'organismo e devono

essere introdotti con l'alimentazione. Nell'adulto sono generalmente considerati essenziali istidina,

isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano e valina.

Da ricordare. La classificazione non serve solo a fare un elenco: permette di prevedere dove si troverà un

residuo nella proteina e quali interazioni potrà formare.

2 Legame peptidico

Il legame peptidico si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un

altro, con eliminazione formale di una molecola d'acqua. Il prodotto è un dipeptide; ripetendo il

processo si ottiene una catena polipeptidica. La sequenza viene scritta dall'estremità N-terminale, che

possiede il gruppo amminico libero, verso l'estremità C-terminale, che possiede il gruppo carbossilico

libero. amminoacido 1 + amminoacido 2 -> dipeptide + H2O

La coppia elettronica dell'azoto è delocalizzata verso il carbonile. Per risonanza, il legame C-N

possiede un carattere parziale di doppio legame. Di conseguenza, il gruppo peptidico è planare e

relativamente rigido: la rotazione non avviene liberamente intorno al legame C-N. La configurazione

trans è favorita perché riduce gli ingombri sterici tra i gruppi laterali.

La flessibilità dello scheletro deriva soprattutto dalle rotazioni intorno al legame N-C alfa, descritto

dall'angolo phi, e al legame C alfa-C carbonilico, descritto dall'angolo psi. Non tutte le combinazioni

sono possibili, perché molte produrrebbero collisioni tra atomi.

3 Livelli di organizzazione delle proteine

Livello Che cosa descrive Interazioni principali

Ordine lineare degli amminoacidi e posizione dei ponti

Primaria Legami peptidici covalenti

disolfuro

Secondaria Organizzazione locale regolare dello scheletro Legami H tra C=O e N-H del backbone

Conformazione tridimensionale complessiva di una Effetto idrofobico, legami H, interazioni ioniche,

Terziaria catena van der Waals, disolfuri

Quaternaria Associazione di più catene o subunità Le stesse interazioni della struttura terziaria

Alfa elica

L'alfa elica è una struttura destrorsa compatta. Ogni gruppo carbonilico di un residuo forma un legame

a idrogeno con il gruppo N-H del quarto residuo successivo. Le catene laterali sporgono verso

l'esterno dell'elica. La prolina interrompe spesso l'elica perché la sua struttura ciclica limita la rotazione

e il suo azoto non possiede l'idrogeno necessario; anche la glicina può destabilizzarla per l'eccessiva

flessibilità.

Foglietto beta

Nel foglietto beta i segmenti polipeptidici sono estesi e affiancati. I legami a idrogeno si formano tra

segmenti differenti della stessa catena o tra catene diverse. Le catene laterali si alternano sopra e

sotto il piano del foglietto. I filamenti possono essere paralleli, se procedono nella stessa direzione N-

C, oppure antiparalleli, se procedono in direzioni opposte. I legami a idrogeno dell'organizzazione

antiparallela sono spesso più lineari. 4

Struttura terziaria e ripiegamento

Il principale motore del ripiegamento delle proteine solubili è l'effetto idrofobico: i residui apolari

vengono sottratti all'acqua e concentrati nel nucleo, mentre molti residui polari rimangono esposti. La

struttura viene poi stabilizzata da legami a idrogeno, interazioni elettrostatiche, forze di van der Waals

e, quando presenti, ponti disolfuro tra due cisteine.

La denaturazione distrugge le strutture secondaria, terziaria e quaternaria senza rompere

normalmente i legami peptidici. Può essere causata da calore, pH estremi, solventi organici, detergenti

o agenti riducenti. La perdita della conformazione comporta generalmente perdita della funzione.

Grafico di Ramachandran

Il grafico di Ramachandran rappresenta l'angolo phi sull'asse orizzontale e l'angolo psi su quello

verticale. Le aree consentite corrispondono a conformazioni senza collisioni steriche importanti. L'alfa

elica destrorsa e il foglietto beta occupano regioni differenti. La glicina, poco ingombrante, può

occupare più zone; la prolina è più vincolata dalla struttura ciclica.

Rappresentazione schematica delle principali regioni consentite. Il grafico reale è una distribuzione continua e dipende anche

dal tipo di residuo.

Da ricordare. Il grafico non indica quali amminoacidi sono presenti, ma quali combinazioni degli angoli phi

e psi sono stericamente possibili.

4 Gruppo eme mioglobina ed emoglobina

Gruppo eme

Il gruppo eme è un gruppo prostetico formato da protoporfirina IX e uno ione ferroso Fe2+. Il ferro

stabilisce quattro legami di coordinazione con gli azoti della porfirina, un quinto con l'istidina

prossimale della globina e un sesto reversibile con l'ossigeno. L'istidina distale non lega direttamente il

ferro ma stabilizza l'ossigeno e riduce l'affinità per il monossido di carbonio.

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Il ferro deve rimanere nello stato Fe2+ per legare l'ossigeno. Se viene ossidato a Fe3+ si forma

metaemoglobina, incapace di trasportare O2 in modo normale.

Mioglobina

La mioglobina è una proteina monomerica presente soprattutto nel muscolo. Possiede una singola

catena globinica e un solo gruppo eme. Facilita la diffusione dell'ossigeno verso i mitocondri e

costituisce una piccola riserva. Poiché possiede un solo sito di legame, non può mostrare

cooperatività. La curva di saturazione è iperbolica e l'affinità per O2 è elevata.

Emoglobina

L'emoglobina adulta HbA è un tetramero formato da due subunità alfa e due beta, ognuna con un

gruppo eme. Può quindi legare quattro molecole di ossigeno. Il legame di O2 a una subunità favorisce

un cambiamento conformazionale che aumenta l'affinità delle altre: è la cooperatività positiva.

La conformazione T, tesa, ha affinità minore ed è stabilizzata nella forma deossigenata. La

conformazione R, rilassata, ha affinità maggiore. Il passaggio T-R spiega la curva sigmoide: nei

polmoni l'elevata pressione di O2 favorisce il caricamento, mentre nei tessuti la pressione minore

favorisce il rilascio.

La mioglobina mostra una curva iperbolica; l'emoglobina una curva sigmoide dovuta alla cooperatività tra subunità.

Caratteristica Mioglobina Emoglobina

Struttura Monomero Tetramero alfa2 beta2

Gruppi eme 1 4

Funzione Riserva e diffusione nel muscolo Trasporto nel sangue

Curva di legame Iperbolica Sigmoide

Cooperativita Assente Positiva

Regolazione Limitata H+, CO2 e 2,3-BPG

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Effetto Bohr e 2 3 BPG

Nei tessuti metabolicamente attivi aumentano CO2 e H+, quindi il pH diminuisce. Protonazione e

formazione di carbammati stabilizzano lo stato T e riducono l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno:

questo è l'effetto Bohr e facilita il rilascio di O2. Nei polmoni avviene il contrario.

Il 2,3-bisfosfoglicerato si lega nella cavità centrale dell'emoglobina deossigenata, stabilizza lo stato T e

diminuisce l'affinità per O2. La sua concentrazione può aumentare nell'adattamento all'altitudine.

L'emoglobina fetale lega meno efficacemente il 2,3-BPG e possiede quindi affinità maggiore per

l'ossigeno rispetto all'emoglobina adulta.

5 Cheratine

Le cheratine sono proteine fibrose con funzione meccanica. Le alfa-cheratine dei mammiferi sono

ricche di alfa eliche. Due eliche si avvolgono formando un coiled coil; più unità si associano in

protofilamenti e fibre. I ponti disolfuro tra residui di cisteina aumentano la resistenza: più ponti sono

presenti, più la struttura è rigida, come nelle unghie rispetto ai capelli.

Con il termine beta-cheratina, ancora frequente in alcuni corsi, si indicano proteine strutturali di rettili e

uccelli ricche di foglietti beta; la denominazione moderna è proteine beta cornee. All'orale conviene

seguire la terminologia del docente, precisando che la struttura è dominata da foglietti beta.

6 Anemia falciforme

L'anemia falciforme è una malattia ereditaria dovuta a una mutazione puntiforme nel gene della beta-

globina. Nel sesto residuo della catena beta, il glutammato idrofilo viene sostituito dalla valina

idrofobica. L'emoglobina risultante è chiamata HbS.

Quando HbS è deossigenata, la valina forma una zona idrofobica che favorisce l'associazione tra

molecole di emoglobina. Si generano lunghe fibre che deformano il globulo rosso, rendendolo rigido e

a forma di falce. Le conseguenze principali sono emolisi cronica, anemia e occlusione dei piccoli vasi

con crisi dolorose e danno ischemico.

Negli eterozigoti il fenomeno è generalmente meno grave. La condizione eterozigote offre una

protezione parziale contro le forme severe di malaria, spiegando la maggiore frequenza dell'allele in

alcune popolazioni. È un esempio classico di come una singola sostituzione nella struttura primaria

possa modificare struttura quaternaria, proprietà cellulari e fenotipo.

7 Enzimi generalita e caratteristiche

Gli enzimi sono catalizzatori biologici, in prevalenza proteine; alcune molecole di RNA catalitico sono

dette ribozimi. Aumentano la velocità delle reazioni abbassando l'energia libera di attivazione, indicata

come delta G di attivazione. Non cambiano il delta G complessivo, la costante di equilibrio o la

posizione dell'equilibrio: accelerano in ugual misura il raggiungimento dell'equilibrio nelle due direzioni.

La catalisi deriva dalla stabilizzazione dello stato di transizione, dall'orientamento corretto dei reagenti,

dalla catalisi acido-base, dalla catalisi covalente e dall'uso di ioni metallici. L'energia di legame tra

enzima e substrato contribuisce a rendere più probabile il percorso di reazione.

 Specificita. Un enzima riconosce determinati substrati e catalizza una particolare trasformazione.

 Saturabilita. A concentrazioni elevate di substrato i siti attivi risultano occupati e la velocità tende a un

limite.

 Regolabilita. L'attivit&