Biochimica

BIOCHIMICA

20/09/22 (Libro: Le basi della biochimica; Ferrier, casa editrice Zanichelli)

Che cos’è la biochimica? (modulo 1)

Ha un legame con la biologia; si guarda la chimica presente nella biologia.

Essa studia tutte le sostanze che fanno parte della materia vivente, cioè lipidi, proteine, carboidrati e

acidi nucleici.

È nata con lo studio della fermentazione dello zucchero, avvengono modificazioni all’interno della

cellula (1897 – Hans e Eduard Buchner).

Il metabolismo è l’insieme dei processi che avvengono nell’organismo; produce energia necessaria

per vivere; è diviso in anabolismo (sintetizzati nutrienti per formare la sostanza vivente) e

catabolismo (ossida nutrienti per ottenere energia).

* L’ossidazione permette di immagazzinare energia (ATP).

Il mondo biologico è un intreccio di connessioni a diversi livelli di organizzazione.

Atomi → Molecole → Cellule → Tessuti → Organismi → Ecosistemi

Questo mostra la relazione tra biochimica ed ecologia.

Nelle molecole si vanno a studiare un numero limitato di elementi; i diversi tipi sono formati da

gruppi funzionali e legami.

H, C, N e O sono gli elementi più diffusi presenti nelle macromolecole, per lo sviluppo della vita,

oltre che essere presenti anche nel corpo umano.

Nei tessuti degli esseri viventi sono costituiti da 70% di acqua, in piccola parte di ioni (pompa

sodio-potassio) e per il resto da macromolecole (proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi), la loro

sintesi è ciò che consuma di più per la produzione di energia cellulare.

I polimeri si formano per condensazione, per esempio 2 monomeri si fondono e si consuma acqua; e

si scindono per idrolisi, quindi una molecola d’acqua interviene tra una molecola.

Quello che mi permette di avere un polimero è una sequenza nucleotidica; per esempio in una

proteina formata da una catena di amminoacidi (AA).

LA MOLECOLA DELL’ACQUA

Essa nell’acqua forma continuamente legami a H; è una molecola polare.

Il ghiaccio galleggia sull’acqua perché forma una struttura a reticolo e le molecole di H O formano

2

una maglia più larga, producendo una minore densità.

L’acqua è considerata un solvente, esistono molecole idrofile (processo favorito, crea legami H con

H O) e idrofobiche (processo non favorito, perché repellono l’acqua).

2

Molecole anfipatiche, solitamente la dissoluzione di esse in acqua è un processo favorito; contiene

un gruppo sia idrofilo che idrofobo.

Energia libera di Gibbs

ΔG = variazione di energia libera

se ΔG < 0 = processo favorito, spontaneo

se ΔG > 0 = processo non favorito, non spontaneo

Processo idrofobico: molecole NON polari si uniscono, aumenta l’entropia (= disordine) dell’acqua

e del sistema quindi processo favorito.

Il pH è fondamentale per le reazioni, la maggior parte degli enzimi dell’organismo svolge le

funzioni a pH fisiologico; ma in altri casi possono avvenire a pH acido (dello stomaco).

Importanti sono le interazioni tra le molecole, possono essere covalenti (tra legami covalenti) e non

covalenti (tra legami deboli), essi sono legami a H, a interazione ionica, a interazione idrofobica e

Forze di Van der Walls.

LE PROTEINE - GLI AMMINOACIDI

* Le proteine sono polimeri non ramificati, con strutture tridimensionali e formate da legami

peptidici.

Il numero di AA varia a seconda della tipologia di proteina (esempio: Insulina: 51 AA; Titina:

+33000 AA); svolgono numerose funzioni:

• sostegno strutturale, esempio: Collagene;

• movimento, esempio: Actina e Miosina;

• regolazione, esempio: Recettori (come quelli sulla membrana plasmatica);

• protezione, esempio: Anticorpi;

• trasporto o accumulo, esempio: Emoglobina e Mioglobina;

• catalisi, esempio: Enzimi;

• trasduzione del segnale, esempio: Recettori.

Un peptide è un polimero lineare di un numero limitato di AA.

* Gli amminoacidi costituiscono le proteine; la loro struttura generale è:

Gruppo carbossilico

[DA SAPERE A MEMORIA]

Gruppo amminico C = centro chirale

Catena laterale

= molecola NON sovrapponibile, senza assi di

simmetria ed ha uno stereocentro.

Quelli che costituiscono le proteine sono chiamati α – AA, sono tutti chirali (tranne la Glicina),

sono tutti L (nella catena l’OH è verso sx).

Nel nostro organismo sono presenti 20AA; tutti gli AA hanno la stessa struttura generale, ciò che

varia è la struttura laterale.

Con un C chirale, gli AA sono in forma D (nella catena l’OH è verso dx); in H O a pH fisiologico

2

sono in forma zwitterionica (= con doppia polarizzazione, si perde l’H, poco basica).

23/09/22

Ci sono degli AA che possono essere carichi positivamente e altri carichi negativamente.

Gli AA delle proteine sono delle forme modificate, si chiamano AA naturali, variano a seconda

della catena laterale e si suddividono in gruppi; nelle proteine esistono 20 AA diversi (9 negli adulti

e 11 nei bambini).

Avendo nomi molto lunghi si utilizza un codice a 3 lettere o 1 lettera (esempio: Glicina, Gly, G).

* Chimosina è una proteina che taglia la Caseina e formare il formaggio, ha 381 AA.

Dividiamo in 3 gruppi:

• AA con catene laterali idrofobiche (leucina), non stanno a contatto con l’acqua, questa

tipologia di proteina ha gli AA idrofobici al centro oppure arrotolate all’interno della

membrana; le catene laterali sono apolari e idrocarburiche, aromatiche o modificate.

Esempio: Fenilalanina e Triptofano sono aromatici.

• AA con catene laterali cariche (glutammato), possono essere carichi negativamente (su

catena laterale) come aspartato e glutammato; oppure carichi positivamente come l’istidina.

Sono idrofili e attraggono molecole d’acqua e ioni di carica opposta; tra una carica positiva

e una negativa hanno legame ionico (= debole).

• AA con catene laterali polari non cariche (cisteina), hanno AA idrofili; glutammina e

asparagina formano legami a H.

Fosforilazione di una proteina: cioè quando una proteina viene legata a un gruppo fosfato.

Glicosilazione cioè un gruppo ammidico legato ad uno zucchero che ne aumenta la solubilità.

Glicina (catena meno ingombrante) e Prolina ha una catena laterale ciclica e rigida; limita la

formazione di legami a H e di rotazione, contiene un gruppo amminico secondario.

Cisteina può formare un ponte disolufuro reagendo con un’altra cisteina, è un legame forte e stabile

e può influenzare la struttura di alcune proteine; ha legami covalenti (= forti).

Indice idropatico (fa parte delle caratteristiche degli AA) → più è positivo, più è idrofobico (=

respinto dall’acqua).

AA essenziali: sono da assumere per forza con la dieta e il nostro organismo non è in grado di

sintetizzarli; i cibi più ricchi di AA essenziali sono carne, latte, uova, pesce ed essi ci servono

perché sintetizzano le proteine.

Esempio: fenilalanina, isoleucina, lisina...

In alcune condizioni (come nell’infanzia, malattie patologiche… ) AA non essenziali diventano

essenziali; esistono AA non essenziali perché l’organismo riesce a sintetizzarli.

Esempio: asparagina, alanina, serina...

Il nome degli AA solitamente viene preso dal composto in cui viene trovato per la prima volta,

come asparagina, in quanto è stata trovata negli asparagi, glutammato perché viene dal glutine…

Le proteine come tale non hanno ma il singolo AA si, infatti il sapore trovato nei cibi viene dall’AA

scisso e non dalla proteina intera.

Alcuni AA possono avere sapore umami come glutammato e aspartato entrambi con carica negativa,

altri hanno sapore dolce come glicina e alanina e altri ancora sapore amaro come metionina,

cisteina.

Gli AA in forma libera hanno sapore umami, dolce o amaro.

A seconda del pH, la carica netta di un AA cambia, a pH acido/basso la carica netta della Gly è

positiva; a pH intermedi ci sarà la forma zwitterionica con carica netta pari a 0, mentre a pH basici

c’è la carica negativa.

Si calcola il punto isoelettrico cioè il pH al quale la carica netta di un amminoacido è pari a 0.

* Aspartame è un dolcificante ottenuto dalla combinazione di fenilalanina e acido aspartico, questi

2 composti non hanno sapore dolce se presi separatamente.

* Per il sapore dei granchi e dei ricci di mare sono importanti gli AA come glutammato, alanina ecc.

AA ramificati (BCAA) per esempio sono valina, lucina e isoleucina, vengono usati dai culturisti

come integratori e fanno parte degli AA essenziali, presenti in elevate quantità nelle proteine del

muscolo.

Esempio: aspartato e glutammato hanno gusto umami perché hanno un recettore che associa carica

positiva e carica negativa e legge solamente questi.

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IL LEGAME PEPTIDICO (modulo 2)

È un legame ammidico e covalente, si forma tra il gruppo carbossilico α di un AA e il gruppo

amminico β di un altro AA e si ha una perdita di una molecola d’acqua; è un legame forte ed ha una

certa quantità di energia.

Un peptide è prodotto dalla condensazione di 2 o più AA; ha un parziale carattere di doppio legame,

non c’è libera rotazione quindi conferisce rigidità.

Sono presenti parziali cariche positive e parziali cariche negative per questo si forma una struttura

planare e rigida al livello del legame C-N.

Nel legame peptico troviamo principalmente la configurazione trans per questioni di ingombro

sterico ed è più stabile.

LA STRUTTURA DELLE PROTEINE

https://proteopedia.org/wiki/index.php/Special:Search?search=rodopsina&go=Vai+

[sito usato per la forma delle proteine]

- HIV proteasi: enzima bersaglio di farmaci contro l’HIV Non chiede!

- Ubiquitina

Alcune proteine sono formate solo da α-eliche altre solo da β-foglietto, mentre altre ancora da

entrambe.

Esistono 4 strutture e per descrivere una proteina devo conoscere la sua primaria, secondaria,

terziaria ed eventualmente la quaternaria (non tutte le proteine ne sono provviste).

La prima proteina studiata è stata l’Emoglobina di Capodoglio.

1 - S. Primaria: sequenza lineare degli AA, in base al numero di AA si dividono in oligopeptidi

(15/20 AA), polipeptidi (fino a 50), proteine (+ 50AA); determinata da legami covalenti.

(Domanda esame)

La sequenza e la composizione amminoacidica sono la stessa cosa? No.

* La composizione amminoacidica = % relativa di ogni singolo AA presente nella proteina.

* La sequenza/struttura di una proteina = successione degli AA presenti nella catena polipeptidica;

determina la funzione e la struttura della proteina e corrisponde alla struttura primaria.

2 - S. Secondaria: è data da un ripiegamento regolare della struttura primaria nello spazio;

è stabilizzata da legami a H.

Ne esistono di 2 tipi e sono α-elica e β-foglietto, ne esiste anche una più libera che è chiamata

random point non perfettamente organizzata.

α-elica è un’elica con lo scheletro attorcigliato intorno ad un’asse virtuale, esse sono destrorse (=

che possono girare da entrambi i lati); ogni volta che compie un giro contiene 3,6 AA ed è

stabilizzata da legame a H.

Le catene laterali danno verso l’esterno e quindi non danno stabilità (data solo da legami a H).

β-foglietto, ciascuno di questo è legato ad un altro uguale tramite legami a H.

La catena polipeptidica assume una conformazione quasi distesa, essi possono essere paralleli

(hanno orientamento uguale) o antiparalleli (i filamenti hanno orientamento opposto; spesso sono

composti da una sequenza continua e legata da β-turns), per convenzione le direzioni sono scritte

con una freccia. Spesso ci sono dei residui di

Le catene laterali possono andare sopra o sotto. glicina al suo interno perché

è piccola e ingombra poco.

3 – S. Terziaria: è tridimensionale della proteina, indica il modo in cui si uniscono nello spazio le

strutture secondarie grazie a legami deboli.

*Strutture secondarie non ripetitive, hanno una conformazione stabile ad anse e avvolgimenti;

alcune di queste strutture vengono chiamate random coil.

È stabilizzata da interazioni deboli (legami a H, legami ionici, interazioni idrofobiche, Forze di Van

der Waals), gli unici legami che stabilizzano sono i ponti di solfuro che si formano tra 2 legami di

cisteina; non tutte le proteine hanno ponti di solfuro.

4 – S. Quaternaria sono dette anche oligomeriche, ed hanno 4 sub – unità.

Formate da più di una catena polipeptidica, la quaternaria mi dice come si organizzano tra loro.

Le catene polipeptidiche possono avere più sub-unità (chiamate dimeri) esse si dividono in

omodimeri cioè con stesse sub-unità o eterodimeri cioè con sub-unità differenti.

Nella maggior parte dei casi le sub-unità sono legate da legami NON covalenti (ponti di solfuro,

legami a H, Forza di Van der Waals…).

Esempio: Mioglobina (monomerica), Emoglobina (proteina tetramerica) (domanda esame).

NOMENCLATURA

Le catene polipeptidiche possono essere corte o lunghe. C-terminale

La proteina: = estremità carbossilica

(sempre alla fine)

CH OH H H H CH H CH H CH

2 2 3 2

| | | | | | | | |

H N – C – C – N - C – C – N - C – C – N - C – C – N – C – COO

+ -

3 | || | || | || | || |

H O H O H O H O H

N-terminale

= estremità amminica Scheletro polipeptidico,

Residuo amminoacidico:

(è sempre all’inizio) formato da una

un AA in una sequenza proteica. ripetizione di atomi, dai

quali partono le catene

laterali.

*Riassunto: pag 42/43 lezione 2*

27/09/22

CLASSIFICAZIONE GENERALE

In base alla struttura le proteine si dividono in:

• globulari, riguardano la maggior parte delle proteine, hanno forma sferica, es. globulina.

• Fibrose, hanno strutture allungate ed un solo tipo di struttura secondaria, possono essere ad

α-elica o β-foglietto.

Esempio: il collagene, non sono α-elica ma eliche più lasse/stirate.

Un altro esempio riguardano la cheratina o la fibroina (formate solo da β-foglietto).

• Di membrana, ossia proteine legate alla membrana plasmatica come i recettori, e i canali

ionici come la pompa sodio – potassio.

La tipologia di legami deboli che si formano dipendono dal tipo di AA, la struttura di una proteina

dipende dalla sua sequenza.

I PROCESSI:

Ripiegamento = folding

Denaturazione = unfolding

Rinaturazione = refolding

Ripiegamento non corretto= misfolding

➔ Folding

È un processo di acquisizione della struttura nativa (= cioè quella biologicamente attiva) della

proteina, viene sintetizzata nel ribosoma a partire da RNA ribosomiale; il processo inverso è la

denaturazione.

La struttura primaria contiene la sequenza amminoacidica dove sono presenti delle interazioni

intramolecolari; nel folding sono presenti delle proteine che aiutano tale processo, esse sono gli

Chaperoni Molecolari.

Per essere considerato un processo spontaneo il ΔG deve essere minore di 0, si formano interazioni

deboli e viene liberata acqua; mentre se il disordine è aumentato, il ΔG è maggiore di 0 (+ entropia).

Il ΔG vale -20kcal/mol.

L’esperimento che permise di capire la spontaneità del ripiegamento è chiamato “Esperimento di

Anfisen”; lo scienziato ha preso la ribonucleasi (che ha 4 ponti di solfuro) al suo stato nativo, la

denaturata per ottenere una struttura unfoldata con l’utilizzo di urea (denatura) e mercaptoetanolo

(spezza i ponti di solfuro).

Esiste anche il folding ad imbuto ed è il modello usato per spiegare il folding delle proteine; è una

progressiva riduzione della libertà conformazionale e del contenuto di energia libera.

➔ Denaturazione delle proteine (unfolding)

Il processo può essere reversibile o irreversibile, varia a seconda del tipo di stress applicato alla

proteina; come per esempio la denaturazione nell’uovo bollito è irreversibile, mentre quella che

avviene quando si scalda il latte è reversibile in quanto torna freddo.

Essa NON intacca la rottura dei legami covalenti dello scheletro polipeptidico (domanda esame).

Esempi di denaturazioni: la carne o l’uovo in cottura, battitura dell’albume d’uovo, una proteina in

ambiente acido come nello stomaco.

Le conseguenze che subisce la proteina:

- perde l’attività biologica e non può più svolgere la sua funzione;

- si ha una coagulazione e aggregazione (generalmente le proteine sono trasparenti una volta

denaturate formano degli aggregati di dimensioni maggiori che si vedono a occhio nudo);

- perdita della struttura tridimensionale sufficiente;

- fattori che possono provocare una reinaturazione;

- aumento di temperatura;

- variazione di pH;

- incremento della sensibilità agli enzimi digestivi (proteasi).

Le tipologie:

1. denaturazione termica,

2. denaturazione acida come prodotti da caseine,

3. denaturazione mediata da solventi organici,

4. denaturazione mediata da detergenti,

5. denaturazione mediata da agenti denaturanti come urea o cloruro,

6. altre denaturazioni.

30/09/22

* Tipologie di denaturazione:

1. Denaturazione termica: il calore distrugge i legami a H che vengono sostituiti con molecole

di H O che sono presenti e si spaccano le interazioni idrofobiche; può essere reversibile

2

(riscaldamento del latte) o irreversibile (cottura dell’uovo).

Se portiamo una proteina a temperature elevate per tempi lunghi la proteina può subire

anche una degradazione dei legami peptidici con una conseguente formazione di aggregati.

2. Denaturazione acida: le proteine si denaturano quando cambiano il pH, infatti esso fa

cambiare lo stato di protonazione delle specie ionizzabili nella proteina essa interferisce con

i legami ionici.

Se mett