Biochimica generale

Biochimica generale

AA. 2022-2023

Indice

• Aminoacidi .................................................................................................................................... 2
• Peptidi/proteine ...................................................................................................................... 4
• Enzimi ............................................................................................................................................ 15
• Carboidrati e glicoconiugati ........................................................................................ 21
• Nucleotidi e acidi nucleici ............................................................................................... 26
• Lipidi ............................................................................................................................................... 33
• Macronutrienti, vitamine e sali minerali ........................................................... 37
• Introduzione al metabolismo ...................................................................................... 41
• Glicolisi e catabolismo degli esosi .......................................................................... 44
• Il metabolismo del glicogeno ..................................................................................... 50
• Glicogenolisi ........................................................................................................................... 51
• Glicogenosintesi ................................................................................................................... 52
• Il controllo del metabolismo del glicogeno .................................................. 53
• Gluconeogenesi ..................................................................................................................... 56
• Via del pentoso fosfato .................................................................................................... 60
• Metabolismo mitocondriale ......................................................................................... 61
• Metabolismo lipidico ......................................................................................................... 71
• Catabolismo degli acidi grassi ................................................................................... 73
• Anabolismo ................................................................................................................................ 76

Aminoacidi

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I L-α-aminoacidi possono essere considerati infiniti ma solo 20 sono proteogenici, detti aminoacidi standard, ovvero implicati nella sintesi proteica nelle cellule eucariotiche. Gli aminoacidi essenziali sono un sottoinsieme degli aminoacidi standard costituito da 9 aminoacidi che le nostre cellule non sono in grado di sintetizzare e che è quindi necessario assimilare attraverso la dieta.

Gli aminoacidi standard sono: alanina, glicina, isoleucina, leucina, prolina, valina, fenilalanina, triptofano, tirosina, aspartato, glutammato, arginina, istidina, lisina, serina, treonina, cisteina, metionina, asparagina e glutammina.

Gli aminoacidi essenziali sono: isoleucina, leucina, istidina, valina, fenilalanina, triptofano, lisina, treonina, metionina.

N.B. La metionina è il primo aminoacido di ogni catena aminoacidica e contiene un gruppo tiolo (CH2-SH).

Nomenclatura aminoacidi

La nomenclatura degli aminoacidi prevede che siano denominati con un codice a 3 lettere ed un codice ad 1 lettera, non sempre corrisponde con l’iniziale del nome.

Struttura base aminoacidi α-amminoacidi

Tutti hanno un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico (-NH2) legati allo stesso carbonio α e differiscono l’uno dall’altro per la catena laterale R che ha struttura, dimensione e carica diverse.

N.B. Struttura, carica e idrofobicità sono le principali caratteristiche distintive degli aminoacidi.

Il carbonio α è ibridizzato sp3 e può essere un centro chirale, legato a 4 atomi/gruppi funzionali differenti. La glicina è un esempio di aminoacido in cui il Cα non è chirale poiché è legato a due atomi di H.

Carica elettrica degli aminoacidi

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La carica elettrica degli aminoacidi dipende dai gruppi amminico e carbossilico. In soluzione acquosa neutra, tutti gli aminoacidi si presentano in forma zwitterionica. Gli zwitterioni presentano carica 0 poiché la carica + di NH3+ e la carica - di COO- si annullano. La carica elettrica degli aminoacidi dipende dunque dal pH della soluzione in cui sono immersi. Se la soluzione presenta pH acido l’aminoacido viene protonato quindi ha carica +, al contrario se la soluzione presenta pH basico viene deprotonato e assume dunque carica -.

N.B. Gli aminoacidi possono comportarsi sia da acidi che da basi.

Il punto isoelettrico (pI) è il valore di pH al quale una molecola presenta carica elettrica netta nulla. In quanto catene lineari di amminoacidi, le proteine presentano uno specifico pI dato dal valore di pH al quale la proteina è elettricamente neutra. Se pH<pI → carica +, se pH>pI → carica -.

Mentre nei singoli aminoacidi la carica dipende esclusivamente dai gruppi amminico e carbossilico, nelle catene amminoacidiche il pH è influenzato soprattutto dalle catene R. Nelle catene amminoacidiche si avrà infatti un solo gruppo amminico, facente parte del primo aminoacido, e un solo gruppo carbossilico facente parte dell’ultimo aminoacido.

Nelle catene peptidiche ho un’estremità amminoterminale (N-terminale), scritta per convenzione a sinistra, e un’estremità carbossiterminale (C-terminale), scritta invece a destra.

Modificazioni degli aminoacidi

Alcuni amminoacidi possono essere modificati mediante l’aggiunta di particolari gruppi chimici alle catene R, dopo che è stata creata la catena peptidica, che determinano una variazione delle proprietà del residuo amminoacidico. Queste modificazioni prendono il nome di modificazioni post-traduzionali, in inglese post-translational modifications (PTMs).

Alcune modificazioni post-traduzionali sono:

• Fosforilazione: reazione chimica ATP-dipendente, che avviene ad opera delle chinasi, che addizionano un gruppo fosfato ad una proteina o ad una molecola. Le fosfatasi invece si occupano della defosforilazione;
• Acetilazione;
• Acilazione;
• Glicosilazione: processo che consiste in un attacco di una catena di carboidrati a N o a O, per aumentare la solubilità della proteina. Questo processo avviene su segmenti costituiti da: asparagina - aa qualsiasi - serina;
• Idrossilazione;
• Ubiquitinazione;
• S-nitrosilazione;
• Metilazione;

Peptidi/proteine

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Peptidi e proteine sono polimeri di aminoacidi, in particolare si parla di:

• Dipeptide → 2 aa;
• Tripeptide → 3 aa;
• Tetrapeptide → 4 aa;
• Oligopeptide → 2-50 aa;
• Polipeptide;
• Proteina → composta da più peptidi;

Legame peptidico

Gli aminoacidi si legano tra loro mediante legami covalenti detti legami peptidici.

Questo legame si genera nel momento in cui, tramite una reazione di condensazione, unione di due strutture molecolari con perdita di una molecola di H2O, la parte acida di un aminoacido (-COOH) si lega alla parte basica di un altro (-NH2). Uno degli idrogeni legati all’azoto si unisce al gruppo OH- di COOH formando la molecola di H2O che viene persa durante la condensazione e permettendo così ad N ed O di unirsi e formare il legame peptidico.

N.B. Ogni aa presente in una catena polipeptidica prende il nome di residuo.

Il legame peptidico, essendo stabilizzato per risonanza, è un legame misto, infatti, la sua lunghezza sta a metà tra la lunghezza del legame singolo e quella del legame doppio e questo implica che ci sia una certa difficoltà nel movimento.

Nel legame peptidico Cα - NH - CO - Cα sono complanari e gli atomi H e O, del legame peptidico, sono sempre in TRANS, configurazione energicamente favorita. Una peculiarità del legame peptidico è il fatto che vi sia una libera rotazione tra Cα - C=O, angolo Ψ (psi), e tra Cα - NH, angolo Φ (fi). La rotazione non è in realtà completamente libera a causa di determinati ingombri sterici delle catene laterali dei residui aminoacidi.

Ponte disolfuro

Due residui di cisteina si legano tra loro mediante un legame covalente S-S detto ponte disolfuro. Questo legame si forma mediante ossidazione dei gruppi tiolici -SH.

Grafico di Ramachandran

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Tramite il grafico (plot) di Ramachandran sono stati studiati tutti i valori possibili degli angoli diedri Ψ e Φ ammessi all’interno di una struttura peptidica e in media solo il 25% del diagramma è occupato da zone stericamente permesse. Le zone di conformazione possibili variano in base alla complessità dell’aminoacido: la glicina, che è il più semplice aminoacido e che presenta una struttura simmetrica, avrà più zone disponibili. In particolare, nel caso della glicina, le zone permesse occupano fino al 45% del plot di Ramachandran.

Strutture proteine

Le proteine hanno 4 livelli di organizzazione:

• Struttura primaria;
• Struttura secondaria;
• Struttura terziaria;
• Struttura quaternaria;

Struttura primaria

La struttura primaria consiste della sequenza di aminoacidi legati tra loro mediante legami peptidici/ponti disolfuro per formare polipeptidi.

Struttura secondaria

La struttura secondaria è la struttura tridimensionale di un segmento della proteina e dunque una organizzazione locale in grado di dare stabilità alla struttura stessa. La struttura secondaria è dovuta alla formazione di legami idrogeno tra i gruppi C=O e NH dello scheletro polipeptidico, senza tener conto delle catene laterali o delle relazioni con altri parti della proteina. Si distinguono 3 tipologie di struttura secondaria: α-elica, foglietto β e ripiegamento.

α-elica: detta anche α-helix, è la più semplice organizzazione regolare di una catena. Essa si forma quando un certo numero di coppie successive di angoli diedri, ψ e φ, hanno valori compresi fra -60° e -50°. In questo modo i piani peptidici si dispongono in maniera elicoidale intorno ad un asse longitudinale. Ogni giro d’elica contiene 3.6 residui che corrisponde ad una estensione di 5.4 Å. Lo scheletro carbonioso è avvolto intorno all’asse centrale, lasciando i gruppi laterali R proiettati verso l’esterno. Si distinguono α-elica destrorsa o destrogira (Φ=-60° e Ψ=-45°) e α-elica sinistrorsa o sinistrogira (Φ=+60° e Ψ=+60°). Le proteine contengono prevalentemente α-elica destrogira, in senso antiorario dal basso all’alto. Quella sinistrogira è infatti meno stabile a causa dell’interferenza sterica fra il C=O e i gruppi laterali R. La struttura ad α-elica è stabilizzata da ponti H intracatena, data dalla disposizione reciproca ottimale dei gruppi che possono formare legami idrogeno. Il legame avviene fra l’atomo di ossigeno carbonilico di un legame peptidico e l’atomo di idrogeno legato ad N del quarto legame peptidico successivo. Pur essendo una struttura molto stabile non tutti gli aminoacidi «favoriscono» la formazione di un α-helix. I tratti proteici che attraversano le membrane biologiche, appartenenti alle proteine integrali, sono frequentemente organizzate come α-eliche.

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β-foglietto: nella conformazione a foglietto, si formano legami H intercatena tra filamenti di almeno 5-10 residui amminoacidici, organizzati in un tipico andamento a zig-zag. Le catene R sporgono alternativamente verso l’esterno, alternativamente sopra e sotto al piano, ortogonalmente agli atomi di O carbonilico e H amminico, implicati nei ponti H. Si distinguono due tipi di foglietto: parallelo e antiparallelo. Nel foglietto parallelo, struttura instabile, i ponti H sono regolarmente distanziati e non perpendicolari al filamento, nel foglietto antiparallelo i ponti H risultano alternati a coppie vicine e lontane e sono disposti perpendicolarmente alla direzione del filamento. I valori tipici per un foglietto sono: (Φ=-120° e Ψ=105°) nel foglietto parallelo e (Φ=-135° e Ψ=140°) nel foglietto antiparallelo. Come si nota in figura i β-sheet vengono rappresentati con una freccia con la punta nel C-terminale e la coda nell’N-terminale.

β-turn-ripiegamento: il β-turn è un ripiegamento a 180° di una sequenza di 4 residui ed è localizzato nei punti in cui la catena polipeptidica forma un ripiegamento o un’ansa o inverte la sua direzione, come alle estremità di due segmenti adiacenti di un foglietto antiparallelo. Questa struttura è stabilizzata dal ponte H tra il C=O del primo e NH del quarto residuo. Così come per il foglietto anche nel caso del β-turn se ne distinguono due tipologie: β-turn di tipo I, se in posizione 2 c’è una prolina, e β-turn di tipo II, se in posizione 3 è presente una glicina.

Struttura supersecondaria

Diverse strutture secondarie possono combinarsi fra loro. Nel caso di combinazioni multiple di strutture secondarie, molto frequenti in porzioni di proteine, si parla di strutture supersecondarie. Queste strutture sono note anche con il nome di motivo o ripiegamento. Queste strutture tridimensionali permettono alla proteina di svolgere determinate funzioni. Se estratti dalla proteina questi segmenti non sono stabili, in quanto i motivi esistono perché i loro contorni di aminoacidi contengono le informazioni per fare esistere il motivo stesso. I motivi si distinguono quindi dai domini, porzioni composte da più strutture secondarie che possono però esistere e svolgere la loro funzione anche al di fuori della proteina.

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• β-Hairpin: una struttura supersecondaria molto semplice è il β-hairpin, formato da due β-sheet antiparalleli legati tra loro da un linker formato da 2-5 residui amminoacidici, tra i quali figurano solitamente una glicina e una prolina, che sono in grado di assumere gli angoli diedri necessari per disporsi a giro.
• Greek key: il motivo a chiave greca è costituito da 4 β-sheet antiparalleli connessi da linker. In particolare tre di questi filamenti sono connessi da hairpins, mentre il quarto è collegato al primo da un linker più lungo.
• Helix-loop-helix: il basic helix-loop-helix (bHLH) è molto comune nei fattori di trascrizione dimerici. Presenta una regione basica, coinvolta nel legame al DNA, e la regione HLH, coinvolta invece nella formazione del dimero.
• Zinc fingers: i zinc fingers sono una famiglia di strutture supersecondarie varie e complesse, accomunate dalla capacità di legare un atomo di zinco attraverso residui di cisteina e istidina. Lo zinco serve a “chiudere” un’ansa di una trentina di aa. Sono molto diffuse e rappresentano motivi di interazione con altre biomolecole, in genere DNA. Di per sé, l’interazione fra un motivo zinc finger e il DNA è debole, ma la maggior parte delle proteine che legano DNA contengono molte di queste strutture, aumentando quindi la forza dell’interazione proteina/DNA.
• EF hand: questo motivo è presente in proteine che legano il calcio. Le prime cinque proteine, le cui catene devono avere cariche negative, legano il calcio mentre il sesto aminoacido è la glicina. In questo motivo un certo numero di aminoacidi devono essere idrofobici per creare una regione idrofobica tra le due α-elica.

Struttura terziaria

La struttura terziaria, nota anche come struttura nativa, rappresenta la conformazione tridimensionale degli atomi che compongono una proteina di sequenza definita. Questa struttura è data dall’unione di specifiche zone delle strutture secondarie, tramite legami covalenti, peptidico o disolfuro, o deboli interazioni, come forze di Van der Waals, legami H, legami ionici ed interazioni idrofobiche. La struttura terziaria è tipica delle proteine globulari, mioglobina, emoglobina, e delle proteine fibrose, cheratina, collagene.

Folding

Il processo che porta dalla struttura primaria alla struttura terziaria si chiama folding o ripiegamento. Le informazioni necessarie per fare assumere la giusta conformazione tridimensionale ad una proteina sono contenute nella sua sequenza aminoacidica. Il processo di folding è facilitato dalle chaperonine, proteine specifiche in grado di coordinare il ripiegamento idrolizzando ATP. Le chaperones creano patch idrofobiche legandosi a regioni polipeptidiche non ripiegate e ricche di residui idrofobici impedendo possibili aggregazioni dannose.

Il meccanismo molecolare del folding non è stato ancora stabilito, ma sembra essere un processo sequenziale gerarchico e cooperativo. Il folding si dice cooperativo in quanto alcuni elementi di struttura si formano per primi e guidano il resto della catena polipeptidica nell’assumere la conformazione nativa.

Folding funnel

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Folding funnel, imbuto energetico: nel processo di folding si parte da uno stato ad alta energia ed alta entropia. Con il procedere del ripiegamento aumenta il numero delle interazioni e diminuisce il numero di conformazioni ammesse. L’intermedio di ripiegamento già globulare ma ancora poco compatto prende il nome di globulo fuso o molten globule.

Alcune