Biochimica generale e molecolare

A P P U N T I U N I V E R S I TA R I · FA R M A C I A

Biochimica Generale e

Molecolare

Appunti completi e revisionati: dalla struttura delle

biomolecole al metabolismo

Materiale di studio rielaborato a partire da appunti di lezione.

Non sostituisce i testi di riferimento né le indicazioni del docente.

Indice

1. Introduzione alla biochimica e la cellula 6

1.1 Che cos'è la biochimica 6

1.2 Materia vivente e materia inanimata 6

1.3 La cellula 7

2. Amminoacidi e peptidi 9

2.1 Le proteine e i loro mattoni 9

2.2 Struttura generale degli amminoacidi 9

2.3 Classificazione in base alla catena laterale 10

2.4 Essenzialità e malnutrizione proteica 12

2.5 Amminoacidi non standard e derivati 13

2.6 Il legame peptidico e i peptidi 13

3. La struttura delle proteine 16

3.1 La struttura primaria 16

3.2 Le proprietà del legame peptidico 17

3.3 La struttura secondaria 17

3.4 Le strutture terziaria e quaternaria 19

3.5 La sequenza determina la struttura: l'esperimento di Anfinsen 20

3.6 Classificazione delle proteine 20

4. Proteine globulari: mioglobina, emoglobina e misfolding 25

4.1 La mioglobina: struttura 25

4.2 Le malattie da ripiegamento errato 25

4.3 Mioglobina ed emoglobina: confronto 27

4.4 Il gruppo eme 28

4.5 Le curve di legame 28

4.6 Emoglobina: struttura e legame cooperativo 29

4.7 Gli effettori allosterici dell'emoglobina 30

Biochimica Generale e Molecolare 1

4.8 Le emoglobinopatie: l'anemia falciforme 32

5. Gli enzimi 34

5.1 Caratteristiche generali 34

5.2 Nomenclatura e classificazione 35

5.3 Cofattori e coenzimi 35

5.4 Come funzionano gli enzimi 36

5.5 La cinetica enzimatica 37

5.6 Reazioni a più substrati 38

5.7 La regolazione dell'attività enzimatica 39

5.8 L'inibizione enzimatica 40

6. I carboidrati 43

6.1 Ruoli dei carboidrati 43

6.2 Struttura e classificazione 43

6.3 Strutture cicliche 44

6.4 Modificazioni degli zuccheri 45

6.5 Il legame glicosidico e i disaccaridi 46

6.6 Polisaccaridi 47

6.7 Glicosamminoglicani e matrice extracellulare 48

6.8 Glicoconiugati 49

7. I lipidi 51

7.1 Funzioni e classificazione 51

7.2 Acidi grassi 51

7.3 Triacilgliceroli 53

7.4 Lipidi di membrana 54

7.5 Lipidi come segnali 55

7.6 Vitamine liposolubili 56

8. Introduzione al metabolismo e bioenergetica 58

8.1 Che cos'è il metabolismo 58

Biochimica Generale e Molecolare 2

8.2 Catabolismo e anabolismo 58

8.3 Le reazioni del metabolismo 59

8.4 L'ATP 60

8.5 Le reazioni di ossidoriduzione 61

8.6 I nucleotidi piridinici: NAD e NADP 62

8.7 Flavoproteine: FMN e FAD 63

9. Glicolisi, fermentazioni e metabolismo degli altri esosi 64

9.1 Il glucosio e le sue vie 64

9.2 La glicolisi: visione d'insieme 64

9.3 Le dieci reazioni 66

9.4 Destino del piruvato 68

9.5 Le fermentazioni 68

9.6 Metabolismo di fruttosio e galattosio 69

10. Gluconeogenesi e regolazione del metabolismo del glucosio 72

10.1 La gluconeogenesi 72

10.2 Regolazione reciproca di glicolisi e gluconeogenesi 75

10.3 Il fruttosio-2,6-bisfosfato e il controllo ormonale nel fegato 76

11. La via dei pentoso fosfati 78

11.1 I destini del glucosio-6-fosfato 78

11.2 A che cosa serve 78

11.3 Le reazioni 78

11.4 Tiamina pirofosfato e beriberi 79

11.5 Regolazione 80

11.6 Il deficit di G6PD (favismo) 80

12. Il metabolismo del glicogeno 82

12.1 Il glicogeno come riserva 82

12.2 La glicogenolisi 83

12.3 La sintesi del glicogeno 84

Biochimica Generale e Molecolare 3

12.4 Regolazione 85

13. Piruvato deidrogenasi e ciclo dell'acido citrico 88

13.1 Il metabolismo aerobico 88

13.2 Il complesso della piruvato deidrogenasi 88

13.3 Il ciclo dell'acido citrico 91

13.4 Un ciclo anfibolico 93

13.5 Regolazione del ciclo 94

14. Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa 96

14.1 Visione d'insieme 96

14.2 I trasportatori di elettroni 96

14.3 I complessi respiratori 97

14.4 La teoria chemiosmotica 99

14.5 L'ATP sintasi (complesso V) 99

14.6 Trasporto di ATP, ADP e fosfato 101

14.7 I sistemi navetta 101

14.8 Il tessuto adiposo bruno e la termogenesi 102

15. Metabolismo dei lipidi 104

15.1 Digestione, assorbimento e trasporto dei lipidi 104

15.2 Mobilizzazione e attivazione degli acidi grassi 105

15.3 La β-ossidazione 106

15.4 I corpi chetonici 108

15.5 La sintesi degli acidi grassi 109

15.6 Il colesterolo 111

15.7 Regolazione del metabolismo degli acidi grassi 113

16. Metabolismo degli amminoacidi e dell'azoto 116

16.1 Il pool degli amminoacidi 116

16.2 Raccolta e trasporto dei gruppi amminici 116

16.3 Il ciclo dell'urea 118

Biochimica Generale e Molecolare 4

16.4 Il destino degli scheletri carboniosi 119

16.5 L'azoto e la sua fissazione 119

16.6 L'assimilazione dell'ammoniaca e la biosintesi degli amminoacidi 120

16.7 Ripasso: i punti chiave per l'esame 121

Biochimica Generale e Molecolare 5

C A P I TO L O 1

Introduzione alla biochimica e la cellula

1.1 Che cos'è la biochimica

La biochimica, un tempo detta chimica biologica, è la chimica della vita: studia i processi che av‐

vengono negli esseri viventi a livello molecolare. Si occupa delle biomolecole (proteine, carboidrati,

lipidi, acidi nucleici) e delle reazioni chimiche che permettono a un organismo di mantenere le pro‐

prie caratteristiche di essere vivente.

Ogni processo vitale richiede energia, che si ottiene dalla "combustione" (ossidazione) dei nutrienti.

La biochimica studia quindi:

come si ricava energia dai nutrienti e come la si usa, dai processi più semplici ai più complessi;

come si mantiene l'omeostasi e come sono regolati i processi cellulari;

come si sintetizzano le biomolecole funzionali per l'organismo.

Il corso si divide in due parti:

1. struttura delle biomolecole e relazione tra struttura e funzione (Capp. 2–7);

2. metabolismo, cioè l'insieme delle reazioni che avvengono nella cellula (Capp. 8–16).

1.2 Materia vivente e materia inanimata

Dal punto di vista chimico le molecole estratte dalla materia vivente obbediscono alle stesse leggi di

quelle della materia inanimata: gli elementi sono gli stessi e le reazioni seguono le stesse leggi fisi‐

che. Prese singolarmente, le molecole biologiche non hanno nulla di "vivo"; è il loro insieme orga‐

nizzato a dare origine alla vita.

Gli esseri viventi si distinguono per alcune caratteristiche comuni:

estraggono energia dall'ambiente (composti chimici, luce solare);

crescono, si riproducono e, al termine del ciclo vitale, muoiono (un batterio come in un

E. coli

terreno ottimale produce in poche ore moltissime copie identiche di sé);

rispondono agli stimoli (temperatura, ostacoli, pericoli) e interagiscono con l'ambiente;

hanno un'elevata organizzazione chimica e microscopica, strettamente legata alla funzione (un

tessuto come il fegato è organizzato in modo preciso per la funzione che svolge);

sanno adattarsi alle variazioni ambientali, nel breve termine con meccanismi di regolazione e

nel lungo termine grazie all'evoluzione.

Evoluzione e uniformità biochimica

La vita è comparsa sulla Terra circa 3,5–4 miliardi di anni fa. Il progenitore comune era probabil‐

mente una cellula molto semplice: una membrana che racchiudeva poche molecole organiche, ca‐

pace di replicarsi e già in grado di svolgere le funzioni di base, cioè estrarre energia e sintetizzare

biomolecole. Milioni di anni di evoluzione hanno prodotto un'enorme diversità (si stimano circa 8,7

Biochimica Generale e Molecolare 6

milioni di specie di animali, piante e funghi e circa 10 milioni di specie batteriche), che ha lasciato

tracce nei genomi e nei proteomi.

Nonostante questa diversità, tutti gli organismi condividono un'uniformità biochimica:

le proteine sono costruite sempre con gli stessi amminoacidi;

il codice genetico e gli acidi nucleici sono gli stessi;

le principali vie metaboliche e i meccanismi molecolari sono simili nelle cellule più semplici e in

quelle più complesse;

la struttura comune a tutti è la cellula.

Un esempio: la proteina che lega la TATA box (coinvolta nella regolazione dell'espressione genica) ha

struttura e composizione molto simili in archei, vegetali ed esseri umani. L'uniformità biochimica è

la base della diversità biologica.

Gli elementi della materia vivente

La materia vivente è costituita da relativamente pochi elementi. Il più abbondante è il carbonio

(circa 61,7% del peso secco del corpo umano), seguito da azoto, ossigeno, idrogeno, calcio, fosforo,

sodio e zolfo. Altri elementi sono presenti solo in tracce (es. zinco e rame nei siti attivi di alcuni en‐

zimi), ma sono comunque indispensabili.

1.3 La cellula

La cellula è l'unità fondamentale della vita. Gli organismi si dividono in tre domini, ramificati dal

progenitore universale lungo un albero filogenetico:

Batteri e Archei: cellule procariotiche, con organizzazione interna semplice, prive di nucleo e

organelli;

Eucarioti: cellule con nucleo e organelli, che permettono la compartimentazione delle reazioni

metaboliche. Numero e tipo di organelli variano in base alla funzione della cellula.

Dal punto di vista evolutivo le cellule eucariotiche sono più vicine agli archei che ai batteri.

Procarioti (batteri) Eucarioti

Dimensioni Circa 1–2 µm (massimo 5 µm) 5–100 µm

Nucleo e organelli Assenti Presenti

I microrganismi si sono adattati agli ambienti più diversi: suolo, acqua, piante, ambienti molto freddi

o molto caldi, alte concentrazioni saline. I commensali ricevono i nutrienti dall'ospite, i batteri am‐

bientali li trovano nell'ambiente. Negli organismi pluricellulari le cellule si specializzano per svol‐

gere ruoli specifici.

ORGANIZZAZIONE ED ECONOMIA DELLA CELLULA

Nulla nella cellula avviene per caso: ogni via metabolica è regolata, viene rallentata o accelerata

in base allo stato di omeostasi, secondo una logica di risparmio che evita sprechi.

Biochimica Generale e Molecolare 7

Il mitocondrio

Tra gli organelli della cellula animale (nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di

Golgi, lisosomi…) i mitocondri sono fondamentali per il metabolismo energetico (Capp. 13–14). Il loro

numero varia in base al fabbisogno energetico della cellula.

Insieme al nucleo, sono gli unici organelli delimitati da due membrane.

Membrana esterna: delimita l'organello ed è relativamente permeabile: piccole molecole e ioni

la attraversano direttamente dal citosol.

Spazio intermembrana, tra le due membrane.

Membrana interna: strettamente selettiva, con proteine di trasporto specifiche per far passare

le molecole dallo spazio intermembrana alla matrice. Forma le creste mitocondriali, che ne au‐

mentano molto la superficie.

Matrice: racchiusa dalla membrana interna, ricca di proteine ed enzimi perché sede di molte vie

metaboliche.

Domande di verifica

1. Che cosa si intende per uniformità biochimica?

Tutti gli organismi condividono le stesse biomolecole di base (stessi amminoacidi, stesso codice gene‐

tico) e vie metaboliche simili, segno di un progenitore comune.

2. Qual è l'elemento più abbondante nel peso secco del corpo umano?

Il carbonio (circa 61,7%).

3. Quali sono le differenze principali tra procarioti ed eucarioti?

I procarioti (1–2 µm) non hanno nucleo né organelli; gli eucarioti (5–100 µm) sì, con compartimentazione

delle reazioni.

4. Che differenza c'è tra membrana mitocondriale esterna e interna?

L'esterna è permeabile a piccole molecole e ioni; l'interna è selettiva, con trasportatori specifici, e forma

le creste.

Biochimica Generale e Molecolare 8

C A P I TO L O 2

Amminoacidi e peptidi

2.1 Le proteine e i loro mattoni

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti e versatili degli organismi viventi. I loro mono‐

meri sono gli amminoacidi: in natura ne sono stati isolati più di 300–500, ma solo 20 sono codificati

dal codice genetico ed entrano nelle proteine. Sono detti proteinogenici (o comuni, o standard).

Combinando 20 amminoacidi si ottiene un numero potenzialmente infinito di sequenze, come con

le lettere dell'alfabeto si compongono infinite parole. Le proteine sono l'esempio più evidente della

relazione tra struttura e funzione: basta la sostituzione di un solo amminoacido per alterare la

funzione. Nell'anemia falciforme, per esempio, un amminoacido idrofilo (glutammato) è sostituito

da uno idrofobo (valina).

Funzioni delle proteine

Enzimatica: quasi tutte le reazioni cellulari sono catalizzate da enzimi; senza, avverrebbero a

velocità incompatibili con la vita (es. luciferasi, che catalizza la reazione della luciferina che fa

brillare le lucciole).

Trasporto: emoglobina (ossigeno nel sangue), mioglobina, albumina.

Strutturale: cheratina (capelli, unghie, squame, corna), collagene.

Recettori, canali, proteine contrattili (movimento), immunoglobuline, ormoni e trasmissione

dei segnali.

Dopo l'incorporazione nella proteina, alcuni amminoacidi possono essere modificati (metilazione,

acetilazione, idrossilazione, fosforilazione): sono le modificazioni post-traduzionali.

2.2 Struttura generale degli amminoacidi

Ogni amminoacido ha un carbonio centrale (C ) legato a quattro sostituenti disposti a tetraedro:

α

un gruppo carbossilico (–COOH);

un gruppo amminico (–NH );

2

un atomo di idrogeno;

una catena laterale R, diversa per ogni amminoacido.

Stato di ionizzazione

La struttura dell'amminoacido va scritta con i gruppi ionizzati, come si trovano nel citosol a pH fi‐

+ −

siologico (circa 7,3): gruppo amminico protonato (–NH ) e carbossilico deprotonato (–COO ). L'am‐

3

minoacido è così uno ione dipolare, detto zwitterione.

pH Gruppo amminico Gruppo carbossilico Forma

Acido –COOH (indissociato) Catione

+

–NH 3

Biochimica Generale e Molecolare 9

pH Gruppo amminico Gruppo carbossilico Forma

Neutro (~7) Zwitterione

+ −

–NH –COO

3

Basico –NH (neutro) Anione

−

–COO

2

Il punto isoelettrico (pI) è il pH al quale la carica netta di un amminoacido (o di una proteina) è zero.

Stereochimica

Il C , legato a quattro gruppi diversi, è un centro chirale: ogni amminoacido esiste in due forme,

α

L e D, enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili).

La glicina è l'unico amminoacido achirale: la sua catena laterale è un idrogeno, quindi ha due

sostituenti uguali.

Nelle proteine si trovano solo L-amminoacidi: la sintesi proteica è altamente enantioselettiva. Il

motivo della selezione evolutiva della serie L non è certo; un'ipotesi riguarda le diverse proprietà

fisiche (es. solubilità) della forma pura rispetto alla miscela racemica.

Eccezioni: alcuni D-amminoacidi si trovano nel peptidoglicano (mureina) della parete batterica e

in alcuni antibiotici peptidici.

Il fatto che le proteine di tutte le specie siano formate dagli stessi 20 amminoacidi conferma la di‐

scendenza da un progenitore comune.

2.3 Classificazione in base alla catena laterale

Le catene R differiscono per struttura, dimensioni, polarità e carica, idrofobicità, capacità di for‐

mare legami idrogeno e reattività chimica. Tutte queste proprietà guidano il ripiegamento tridi‐

mensionale della proteina. Le classificazioni possono variare leggermente da un testo all'altro.

Indice idropatico

Misura l'idrofobicità della catena laterale: più è alto, più l'amminoacido è idrofobico. Serve a preve‐

dere quali tratti della proteina staranno all'interno, lontano dall'acqua. Nelle proteine solubili i resi‐

dui idrofobici formano il core, mentre quelli polari e carichi si espongono in superficie verso il

mezzo acquoso. Nelle proteine di membrana la disposizione si inverte: i residui apolari stanno all'e‐

sterno, a contatto con i lipidi, e quelli polari all'interno, a contatto con molecole cariche.

Il pK dei gruppi R ionizzabili determina la carica complessiva della proteina. Nella proteina ripie‐

a

gata il pK reale può differire da quello misurato in soluzione, perché si creano "nicchie" con un mi‐

a

croambiente diverso. Amminoacidi (sigla a 3 e a 1

Classe lettera) Caratteristiche

Alifatici non polari (7) Glicina (Gly, G), Alanina (Ala, A), Poco solubili; interazioni idrofobiche fondamen‐

Valina (Val, V), Leucina (Leu, L), tali per il ripiegamento; si trovano soprattutto al‐

Isoleucina (Ile, I), Metionina l'interno della proteina.

(Met, M), Prolina (Pro, P)

Biochimica Generale e Molecolare 10

Amminoacidi (sigla a 3 e a 1

Classe lettera) Caratteristiche

Aromatici (3) Fenilalanina (Phe, F), Tirosina Assorbono la luce UV a circa 280 nm (soprattutto

(Tyr, Y), Triptofano (Trp, W) Trp e Tyr): proprietà usata per misurare la con‐

centrazione delle proteine.

Polari non carichi (5) Serina (Ser, S), Treonina (Thr, Catene idrofile, senza carica; formano legami

T), Cisteina (Cys, C), Asparagina idrogeno.

(Asn, N), Glutammina (Gln, Q)

Carichi positivamente Lisina (Lys, K), Arginina (Arg, R), Basici; positivi a pH fisiologico (l'istidina solo in

(3) Istidina (His, H) parte).

Carichi negativamente Aspartato (Asp, D), Glutammato Acidi; negativi a pH fisiologico.

(2) (Glu, E)

La sigla a tre lettere deriva dal nome inglese; quella a una lettera è più sintetica e si usa per le se‐

quenze lunghe.

Amminoacidi alifatici non polari

Glicina: catena laterale = H. È l'unica che, per il minimo ingombro sterico, può occupare alcune

posizioni in cui la catena si ripiega o ruota; sostituirla con un residuo più ingombrante pu&