Biochimica e biologia molecolare

Biochimica

Che cos’è la biochimica? La biochimica studia l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono all’interno del nostro organismo e che sono importanti per il nostro sostentamento. Essenziali per queste reazioni chimiche sono le macromolecole: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

La tavola periodica degli elementi è costituita da righe e colonne. Le righe indicano i livelli energetici e le colonne sono i gruppi. Gli elementi dello stesso gruppo sono accomunati dal numero di elettroni di valenza. Gli elementi più importanti presenti in natura e su cui si basa la biochimica sono essenzialmente quattro: l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto e il carbonio.

In modo particolare la biochimica viene definita anche “chimica del carbonio” perché studia le catene carboniose. Il carbonio può formare 4 legami perché appartenendo al quarto gruppo della tavola periodica presenta 4 elettroni di valenza (“tetravalente”), perciò ne mancano 4 per raggiungere l’ottetto.

La regola dell’ottetto spiega come un atomo riesca a raggiungere il massimo della stabilità, cedendo o condividendo elettroni con un altro atomo in modo da raggiungere l’ottetto nella sua configurazione elettronica più esterna, simile a quella dei gas nobili nella posizione più vicina nella tavola periodica.

Il carbonio può formare legami covalenti. Il legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni, se i due atomi sono identici il legame è covalente puro. I legami covalenti si suddividono in semplici, doppi o tripli. Nel legame covalente semplice, due atomi condividono una coppia di elettroni. Nel legame covalente doppio due atomi condividono due coppie di elettroni. Nel legame covalente triplo due atomi condividono tre coppie di elettroni.

Prima di iniziare lo studio della biochimica diamo un’occhiata ai gruppi funzionali:

Proteine

Cosa sono le proteine? Le proteine sono polimeri di amminoacidi, sono le macromolecole più abbondanti presenti nelle cellule e ne esistono tante e tutte con funzioni differenti. Sono l’espressione del nostro codice genetico.

Il termine proteina deriva dal greco proteius che vuol dire “primario”, esso faceva riferimento alla sostanza primaria di cui si nutrono gli erbivori: di erba. Oggi invece quest’appellativo di primario può essere riferito al fatto che le proteine svolgono più e notevoli funzioni.

Svolgono funzioni di struttura e di sostegno, come la cheratina e il collagene, funzioni di trasporto, come l’emoglobina, funzioni di movimento, come l’actina e la miosina nella contrazione muscolare, funzioni di difesa, come anticorpi o immunoglobuline, funzioni di regolazione e funzioni di catalisi: aumentano la velocità di una reazione abbassando l’energia di attivazione.

Gli amminoacidi rappresentano l’alfabeto che crea il linguaggio delle proteine, questo alfabeto è costituito da 20 amminoacidi. Nel 2003 si è concluso il progetto genoma umano, che consiste nella mappatura del genoma. Sono stati sequenziati tutti i geni del nostro genoma e sono stati individuati circa 25.000 geni. A fronte di 25.000 geni ad oggi si conteggiano più di un milione di proteine. Questo avviene essenzialmente per due fenomeni: il fenomeno di splicing alternativo e le modifiche post-traduzionali.

Struttura degli amminoacidi

Gli amminoacidi sono costituiti da un atomo di carbonio centrale detto carbonio α, legato ad un gruppo carbossilico (-COOH), un gruppo amminico (-NH2), un atomo di idrogeno e un gruppo sostituente -R. A seconda di questo gruppo sostituente -R esistono 20 amminoacidi, ognuno con un gruppo -R differente.

Come vengono identificati gli amminoacidi? È stato loro attribuito un nome in base alle caratteristiche chimico-fisiche, organolettiche, in base a dove sono stati identificati per la prima volta e via dicendo. Ad esempio, la glicina è così detta poiché deriva dal greco glykys, che significa dolce, quindi a causa del suo sapore dolce. La tirosina invece deriva dal greco tyros, che significa formaggio, all’interno del quale si trova. L’asparagina è stata identificata per la prima volta negli asparagi, mentre l’acido glutammico o glutammato è stato identificato per la prima volta nel glutine.

Il carbonio alfa è legato ad una base, -NH2, ad un gruppo carbossilico, -COOH, un -H e un gruppo sostituente -R. Tale carbonio centrale è chirale e come tale può dare origine a due enantiomeri. Un centro chirale è un atomo di carbonio che lega 4 diversi sostituenti e che può dare origine a due enantiomeri differenti.

Gli enantiomeri sono due molecole identiche tra di loro in termini di connettività, cioè, legano gli stessi gruppi, ma differiscono per quanto riguarda la disposizione spaziale. Come mostrato in figura il sostituente dell’alanina è CH3, un metile, e i due enantiomeri sono L-alanina e D-alanina. L indica levogiro, un prefisso che indica un qualcosa che sta sulla sinistra e D, destrogiro, indica qualcosa che sta sulla destra. Nell’L-alanina il gruppo amminico sta a sinistra mentre nella D-alanina sta a destra.

Vengono presentati 3 modelli, in A il modello a palle e bastoncini, in B il modello in prospettiva dove i legami sono indicati con dei cunei, dove quelli pieni stanno ad indicare i legami che stanno sopra il piano di un foglio ideale, mentre i cunei tratteggiati indicano dei legami che stanno idealmente sotto il piano di un foglio. In C si ha il modello in proiezione dove i legami sono indicati con linee orizzontali se stanno sopra il piano di un foglio ideale o verticali se stanno sotto.

Nomenclatura D e L degli amminoacidi

In base a cosa è stata attribuita la nomenclatura di D- e L-amminoacido? È stato effettuato un esperimento con la luce:

Normalmente le onde della luce oscillano in tutte le direzioni, ma se la luce viene fatta passare attraverso un particolare filtro che viene denominato filtro polarizzatore, si ottengono delle onde che oscillano solo su un piano, cioè si ottiene una luce piano-polarizzata. Se la luce piano-polarizzata attraversa una soluzione contenente un enantiomero D allora la luce verrà deviata a destra, se invece la soluzione contiene un enantiomero L allora essa verrà deviata a sinistra.

Questo esperimento è stato effettuato utilizzando la gliceraldeide. Col tempo tale esperimento è risultato non vero poiché gli scienziati hanno scoperto che la D-gliceraldeide era in grado di ruotare anche il piano della luce polarizzata verso sinistra, così come la L-gliceraldeide era capace di ruotare il piano della luce polarizzata anche verso destra.

Per tale ragione un amminoacido oggi viene definito appartenente alla serie D o L solo e soltanto in base alla sovrapposizione che esiste tra il gruppo amminico di un D-amminoacido e il gruppo ossidrilico della D-gliceraldeide. Nel D-amminoacido il gruppo amminico si trova a destra, quindi in corrispondenza del gruppo ossidrilico della D-gliceraldeide, mentre nell’L-amminoacido il gruppo amminico si trova a sinistra quindi in corrispondenza del gruppo ossidrilico della L-gliceraldeide.

Qui abbiamo un altro esempio di enantiomero rapportato alla serina, che ha gruppo sostituente CH2OH, un idrossimetile. Avendo tale gruppo OH è un amminoacido polare. Nell’L-serina il gruppo amminico è a sinistra in corrispondenza del gruppo ossidrile della L-gliceraldeide, mentre nella D-serina il gruppo amminico è a destra in corrispondenza del gruppo ossidrilico della D-gliceraldeide. Gli isomeri sono quindi immagini speculari l’uno dell’altro ma non sovrapponibili.

In natura esistono prevalentemente amminoacidi appartenenti alla serie L.

Famiglie di amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere raggruppati in 5 famiglie:

• Alifatici non polari, alifatico vuol dire non aromatico;
• Polari non carichi;
• Aromatici, che si contrappongono agli alifatici;
• Carichi positivamente, quindi basici;
• Con catena laterale carica negativamente, quindi acidi.

La glicina ha come gruppo sostituente un atomo di idrogeno quindi è l’amminoacido più semplice in assoluto; l’alanina presenta come sostituente il gruppo -CH3, metilico; la prolina è caratterizzata dalla catena laterale chiusa; valina, leucina ed isoleucina che hanno una catena laterale ramificata, quindi complessa; la metionina che ha il gruppo tioetere, con la presenza di un atomo di zolfo; fenilalanina, tirosina e triptofano hanno la catena laterale aromatica; gli amminoacidi polari non carichi sono tali perché presentano dei gruppi che sono in grado di reagire con l’acqua formando legami a idrogeno e sono il gruppo ossidrilico nella serina e nella treonina e il gruppo carbossiammidico, cioè CONH2, che caratterizza l’asparagina e la glutammina; gli amminoacidi carichi positivamente, cioè arginina, istidina e lisina, che nella catena laterale presentano uno o più gruppi amminici; l’aspartato e il glutammato sono carichi negativamente perché presentano un secondo gruppo carbossilico nella catena laterale.

Amminoacidi alifatici non polari

Gli amminoacidi alifatici non polari comprendono:

Glicina, l’amminoacido più semplice in assoluto in quanto la sua catena laterale è costituita da un altro atomo di H. Il suo carbonio alfa non è un centro chirale in quanto non lega 4 sostituenti diversi, ma abbiamo due gruppi identici che sono rappresentati dall’atomo di Idrogeno, quindi non ha enantiomeri.

Alanina, si caratterizza per una catena laterale con un gruppo metilico (CH3).

Possibile domanda d’esame: Scrivimi un legame peptidico tra un’alanina ed una glicina.

In questo gruppo troviamo anche Valina, Leucina ed Isoleucina che sono amminoacidi più complessi perché hanno una catena laterale ramificata che solitamente si raggruppano all’interno delle proteine tramite interazioni idrofobiche.

La Prolina è un altro amminoacido importante che si caratterizza per la presenza di una catena laterale chiusa. Ritornerà spesso in quanto è l’amminoacido predominante nella formazione del collagene, tant’è che variazioni nella sequenza amminoacidica soprattutto a livello della prolina all’interno del collagene, sono responsabili della genesi delle collagenopatie.

La Metionina ha una catena laterale costituita da un CH2 ripetuto due volte, seguito da un atomo di zolfo (S) ed un gruppo metilico (CH3), nell’insieme si tratta di un gruppo tioetere.

Questa è la visione d’insieme dal punto di vista chimico degli amminoacidi alifatici non polari, ora analizziamo come lo studio della biochimica trova un’applicazione anche nella vita quotidiana, attraverso l’analisi di questi amminoacidi.

Innanzitutto, gli amminoacidi si dividono in:

• Essenziali, vanno assunti con l’alimentazione in quanto il nostro organismo non è in grado di produrli;
• Non essenziali, vengono prodotti dal nostro organismo.

La glicina è un amminoacido non essenziale, quindi il nostro organismo lo può produrre, ma, nonostante ciò, è particolarmente presente in alcuni alimenti come il pesce coregone, la soia, il baccalà, nelle alghe, ecc. Una cosa interessante è che, nonostante sia un amminoacido piccolo e molto semplice, è stato visto che è in grado di contrastare il fenomeno di invecchiamento, quindi di invertire i difetti dovuti all’invecchiamento dei fibroblasti (cellule atte alla produzione di collagene).

Alanina, si caratterizza per il gruppo metilico (CH3) e si ricava principalmente dagli amminoacidi a catena ramificata (valina, leucina ed isoleucina). È un amminoacido gluconeogenico, quindi da esso può avvenire la produzione di glucosio attraverso la via metabolica della gluconeogenesi.

Prolina, è costituita da una catena laterale chiusa. Sostenendo la produzione di collagene, risulta importante per il mantenimento della struttura del tono vascolare e della pelle. Ci sono alimenti ricchi di Prolina quali i legumi, la frutta secca e soprattutto la verdura a foglia verde.

Gli amminoacidi con catena laterale alifatica, non polari, sono anch’essi amminoacidi essenziali, che devono essere introdotti con la dieta, ovvero Valina, Leucina ed Isoleucina. Questi amminoacidi spesso sono presenti negli integratori assunti da sportivi a livello agonistico, in particolar modo nel body building, perché aumentano energia nel corpo, forza nei muscoli, aiutano a bruciare i grassi in eccesso, ma soprattutto favoriscono il recupero dallo sforzo prolungato. Solitamente in questi integratori, il rapporto tra Leucina, Isoleucina e Valina è 8: 1: 1.

Anche la Metionina è un amminoacido essenziale. Dal punto di vista chimico si caratterizza per il gruppo tioetere, quindi dall’atomo di zolfo (S). È importantissimo perché supporta la produzione di lecitina, ovvero un fosfolipide che è coinvolto nella regolazione dei livelli di colesterolo, in particolar modo è atto alla riduzione dei livelli di colesterolo, prevenendo i fenomeni di aterosclerosi.

È visibile un esempio di fenomeno aterosclerotico con la formazione della placca che a lungo termine può anche precludere la corretta circolazione ematica, generando infarto, ictus, ecc. La metionina, quindi, tende a contrastare i fenomeni del “fegato grasso”. Insieme alla cisteina, ovvero un altro amminoacido che contiene atomi di zolfo, è il componente principale negli integratori volti alla salute dei capelli, della pelle, delle unghie, ecc. Ovviamente è importante valutarne la concentrazione. Tutti gli integratori come Bioscalin, Swisse, Phitopharma, sono a base di cisteina e metionina.

Amminoacidi aromatici non polari

Fra gli amminoacidi aromatici non polari sono presenti:

• Fenilalanina
• Tirosina
• Triptofano

Hanno catena laterale aromatica e sono relativamente non polari, perché possiamo osservare che nel caso della tirosina, nella catena laterale troviamo un gruppo ossidrilico; il triptofano invece, nella catena laterale presenta un gruppo amminico. Ciò li rende leggermente più polari rispetto alla fenilalanina. La Fenilalanina ed il Triptofano sono amminoacidi essenziali, mentre la Tirosina viene classificata sia come essenziale che non essenziale.

La Fenilalanina è il precursore della tirosina, infatti appaiono pressoché identiche; si distinguono l’una dall’altra solo per la presenza di un gruppo ossidrilico. Quindi la fenilalanina viene trasformata in tirosina grazie all’attività dell’enzima fenilalanina idrossidasi che favorisce l’aggiunta di un gruppo ossidrilico alla fenilalanina con la produzione della tirosina. La tirosina è il precursore della dopamina, dell’epinefrina e della norepinefrina (neurotrasmettitori).

Fenilchetonuria e test di Gutherie

Quando ci sono difetti genici, quindi mutazioni a livello del gene che codifica per la fenilalanina idrossidasi si verifica un accumulo di fenilalanina con la genesi della Fenilchetonuria. È una patologia che si manifesta alla nascita e che comporta gravi problemi riguardo lo sviluppo neurologico. Non ci sono cure, ma può essere controllata con una corretta alimentazione, che eviti alimenti ricchi di fenilalanina come frumento, ceci, fagioli, fave, lenticchie, quindi prevalentemente legumi e formaggio. I sintomi possono variare da lievi a gravi.

Attraverso il test di Gutherie è possibile diagnosticare tale patologia. Questo test va effettuato su ogni bambino che nasca, non ci sono campanelli d’allarme che portano ad effettuarlo. Dopo il parto, prima che madre e figlio vengano dimessi (quindi dopo 2/3 giorni dalla nascita) si effettua un prelievo di sangue dal tallone del bambino, questo sangue verrà poi posto su un pezzetto di carta chiamato Gutherie card, che successivamente viene posta su una piastra contenente un terreno di coltura in cui è stato seminato il Bacillus subtilis in presenza di β2-tienilalanina.

Il Bacillus subtilis è un batterio ghiotto di fenilalanina, quindi cresce in sua presenza; tuttavia, nella piastra la crescita del batterio viene inibita dalla presenza del batterio β2-tienilalanina, in quanto inibitore della crescita batterica. Quando andiamo a punzonare il sangue prelevato dal bambino su questo terreno di coltura se il sangue contiene un’elevata concentrazione di fenilalanina, scalza l’effetto inibitorio della β2-tienilalanina e il Bacillus subtilis inizia a crescere.

Troviamo un esempio di test negativo in questi tre casi ed anche un test positivo, abbiamo posto il sangue del bambino che contiene una quantità di fenilalanina così elevata da prevaricare l’inibitore β2-tienilalanina e far crescere il Bacillus subtilis. Nell’esempio del test, l’alone attorno alla Gutherie card con il sangue punzonato, è indice della positività del test. Il test di Gutherie è un esempio di inibizione competitiva reversibile.

Screening della fenilchetonuria

È un esempio di come funzionano questi software per valutare la sovrapposizione tra sequenze amminoacidiche. Vi è ad esempio una sequenza proteica di Escherichia Coli e una sequenza del Bacillus Subtilis. Si sovrappongono le sequenze e per ogni corrispondenza amminoacidica viene attribuito un punteggio positivo (+1), mentre se non c’è corrispondenza viene attribuito un punteggio negativo (-1). Gli scienziati hanno osservato che facendo shiftare la sequenza amminoacidica, cioè, facendo andare avanti la sequenza amminoacidica, potrebbe aumentare la probabilità di trovare una corrispondenza. Questo shift viene effettuato introducendo un intervallo o gap, nonché uno spazio vuoto a cui viene