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 H₂O formano una maglia più larga, producendo una minore densità.

L’acqua è considerata un solvente, esistono molecole idrofile (processo favorito, crea legami H con H₂O) e idrofobiche (processo non favorito, perché repellono l’acqua).

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 Waals.

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 20 AA; 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 H₂O a pH fisiologico 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 disolfuro 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 sì, 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, leucina 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.

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 peptidico 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.

Struttura primaria

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 (+ 50 AA); 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.

Struttura secondaria

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 glicina al suo interno perché è piccola e ingombra poco.

Le catene laterali possono andare sopra o sotto.

Struttura terziaria

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.

Struttura quaternaria

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).

CH₂OH H H H CH₃ H CH₂ H CH₂

| | | | | | | | |

H₃N⁺ – C – C – N - C – C – N - C – C – N - C – C – N – C – COO^-

| || | || | || | || |

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

➔ 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 -20 kcal/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)

➔ 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

* Tipologie di denaturazione:

1. Denaturazione termica: il calore distrugge i legami a H che vengono sostituiti con molecole di H₂O che sono presenti e si spaccano le interazioni idrofobiche; può essere reversibile (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