Biochimica - parte 1

Dispensa di biochimica

Anno II, CTF, Unipra.a. 2021-2022
A cura di Maestri Giada
Proprietà di Maestri Giada © 2022 è vietata la redistribuzione e la pubblicazione non autorizzata espressamente dall'autrice.

Indice

• Introduzione alla biochimica
  • La biochimica nella scoperta dei farmaci
  • Interazioni nei sistemi biologici
  • Sistemi tampone (esercizi)
• Proteine
  • Funzioni
  • Struttura
  • Amminoacidi
  • Classificazione
  • Modificazioni post traduzionali
  • Struttura primaria
  • Strutture secondarie
  • Strutture supersecondarie o motivi
  • Struttura terziaria
  • Struttura quaternaria
  • Folding
  • Esperimento di Anfinsen
  • Paradosso di Levinthal
  • Folding funnel
  • Folding assistito
  • Misfolding
  • Proteine fibrose
    • Alfa-cheratina
    • Collageno
    • Fibroina della seta
  • Proteine globulari (esercizi)
  • Anticorpi
    • Funzione
    • Struttura
    • Classificazione
    • Produzione
    • Origine della variabilità
  • Struttura e funzione di mioglobina e emoglobina
    • Mioglobina
      • Struttura alfa-eliche
      • Eme
      • Gruppi prostetici - protoporfirina
      • Ossigenata-deossigenata
    • Calcolo quantitativo
    • Negli organismi Emoglobina
      • Struttura
      • Curva di legame
      • Legame cooperativo
      • Allosteria
      • 2 forme
      • Modelli per la transizione T-R
        • Modello MWC
        • Modello KNF
      • Effettori allosterici eterotropici
        • Protoni
        • CO₂
        • BPG
        • Cloruri
      • Modulazione della reattività
      • Emoglobinopatie
        • Anemia falciforme
• Enzimi
  • Funzionamento
  • Caratteristiche
  • Ciclo catalitico
  • Sito attivo e interazione
  • Cofattori
  • Interazione enzima substrato
    • Modello chiave-serratura
    • Modello dell'adattamento indotto
    • Modello della selezione conformazionale
  • Fattori dell'efficienza catalitica
    • Effetto di prossimità e orientamento
    • Distorsione conformazionale
    • Catalisi acido-base
    • Catalisi covalente
  • Classificazione
  • Meccanismi catalitici
    • Proteasi
    • Lisozima
  • Fattori che influenzano l'attività enzimatica
    • Temperatura
    • pH
  • Cinetica enzimatica
  • Inibitori enzimatici
  • Strategie di regolazione dell'attività enzimatica (esercizi)
    • Controllo allosterico
    • Modificazione covalente
    • Attivazione proteolitica
    • Isoenzimi
• Metabolismo
  • Glicolisi
  • Bioenergetica (esercizi)
  • Trasportatori di elettroni
    • NAD
    • FAD
  • Carboidrati
    • Monosaccaridi
    • Mutarotazione
    • Derivati
    • Disaccaridi
      • Saccarosio
      • Lattosio
      • Trealosio
    • Polisaccaridi
      • Amido
      • Cellulosa
      • Chitina
      • Glicosamminoglicani
      • Peptidoglicano
      • Glicogeno
    • Digestione dei carboidrati
  • Metabolismo del glucosio
    • Fermentazione
    • Gluconeogenesi
    • Sintesi di glicogeno
    • Digestione di amido e glicogeno
    • Regolazione del metabolismo del glucosio
    • Ciclo di Krebs
    • Regolazione
    • Fosforilazione ossidativa
    • Cofattori
    • FAD e FMN
    • Centri ferro-zolfo
    • Coenzima Q
    • Citocromi
      • Complessi
        • I
        • II
        • III
        • IV
    • ATP sintasi
    • Bilancio e conclusioni
    • Sistemi di trasporto mitocondriali
      • Navetta malato/aspartato
      • Navetta glicerolo 3-fosfato
    • Via dei pentoso fosfati
      • Fase ossidativa
      • Fase non ossidativa
    • Transchetolasi
    • Transaldolasi
    • Regolazione
    • Mantenimento dell'ambiente intracellulare ridotto
  • Lipidi
    • Funzioni
    • Classificazione
    • Glicerofosfolipidi
    • Sfingolipidi
    • Acidi grassi
    • Trigliceridi
    • Degradazione dei lipidi di riserva
    • Degradazione degli acidi grassi
      • Attivazione
      • Trasporto alla matrice mitocondriale
      • β-ossidazione
    • Sintesi di corpi chetonici
    • Biosintesi di colesterolo
    • Assorbimento dei lipidi
    • Biosintesi degli acidi grassi
      • Condensazione
      • Riduzione
      • Disidratazione
      • Riduzione
      • Trasferimento
    • Biosintesi di trigliceridi e fosfogliceridi
  • Metabolismo degli amminoacidi e dell'azoto
    • Ciclo dell'azoto
    • Degradazione di proteine e amminoacidi
    • Eliminazione dell'azoto
    • Ciclo dell'urea
    • Degradazione degli amminoacidi
  • Metabolismo dei nucleotidi
    • Via di recupero
    • Sintesi de novo
    • Nucleotidi purinici
    • Nucleotidi pirimidinici
  • Anticipazioni su laboratori e progetti, possibilità per la tesi

Introduzione alla biochimica

1 ott 2021

La biochimica studia strutture, meccanismi e processi che permettono agli organismi di vivere. Nasce all’inizio dell’ottocento da un esperimento. L’urea è il processo finale del metabolismo, eliminiamo l’azoto come urea, quindi è un prodotto degli esseri viventi. Era sorprendente scoprire di poter sintetizzare una molecola organica al di fuori dell’organismo vivente, perché all’epoca prevaleva il vitalismo, pensiero per cui le reazioni che avvengono negli organismi viventi sono diverse da quelle in vitro perché spinte da una forza vitale. Ma a fine ottocento, in un esperimento distrussero le cellule del lievito e produssero alcol da qui, dimostrarono che quello che c’era nel lievito, anche se morto, era sufficiente a trasformare zucchero in alcol.

La biochimica studia le reazioni responsabili dell’enorme variabilità degli organismi ma seguendo le leggi di fisica e chimica. Es: alcune meduse emettono luce grazie a una reazione di decarbossilazione. Idem lucciola. Queste reazioni possono essere fatte anche in vitro, quella della lucciola ad esempio è utilizzata per individuare la presenza di ATP. La maggior parte dei processi biochimici sono conservati negli organismi viventi. Tutti gli organismi derivano da un solo progenitore per evoluzione ma le reazioni principali sono le stesse in tutti gli organismi, indispensabili per la vita. Ce ne sono poi altre specifiche.

Programma

• Macromolecole biologiche
  • Proteine soprattutto, perché sono il bersaglio dei farmaci. Relazione struttura funzione delle proteine
• Metabolismo
  • Vie degradative
  • Accenni di vie anaboliche

La biochimica nella scoperta dei farmaci

5 ott 2021

A cosa serve la biochimica a CTF?

Consente di comprendere le basi molecolari della vita e quindi della malattia, comprendi il funzionamento normale delle cellule e la differenza con una condizione di malattia.

Per formulare un solo farmaco:

È necessario individuare il target (bersaglio molecolare sul quale il farmaco agisce), per individuarlo è necessario comprendere la via metabolica la cui alterazione causa la patologia. Es: epilessia, alcune forme derivano da una carenza di GABA (neurotrasmettitore inibitorio). Questa è una delle cause. Come possiamo disegnare un farmaco per riportare i livelli di GABA a concentrazioni normali? Bisogna conoscere il metabolismo, come viene sintetizzato e come viene degradato. Il GABA viene sintetizzato dal glutammato tramite glutammato decarbossilasi (enzima), viene poi degradato a semiadeide succinica dalla GABA transaminasi (enzima).

Strategie possibili:

• Bloccare la GABA transaminasi
• Attivare la glutammato decarbossilasi

È più semplice inattivare un enzima che attivarlo. In questo caso sono stati fatti degli inibitori per la GABA transaminasi, esiste un farmaco specifico. Il 50% dei farmaci in commercio ha come bersaglio un enzima. Spesso per ottenere un effetto terapeutico possono essere sfruttati target diversi, ma non sempre sono tutti druggable, non è sempre possibile disegnare farmaci che agiscano su quel target. Es: la replicazione dell’RNA virale contempla la formulazione di un RNA polimerasi RNA dipendente, potrebbe essere un buon target. Es: target sfruttati nello sviluppo di farmaci antidepressivi, anche molto diversi, tutti con lo stesso effetto finale.

Proteine come target di farmaci

Bersagli molecolari: la maggior parte dei farmaci in uso interagisce con le proteine, pochi con DNA, RNA e con le membrane biologiche. Nessun farmaco interagisce con i carboidrati.

Perché le proteine?

Dal genoma le info passano al DNA poi RNA poi trascritte in proteine. Da 20000-25000 geni si ottengono più di 1 mln di proteine diverse. È più facile trovare un target tra le proteine per avere un effetto specifico piuttosto che generico sul DNA che poi ha ricadute a cascata su tantissimi aspetti. Colpendo le proteine si può essere molto precisi nell’azione. Il genoma è statico, mentre il proteoma è dinamico, e questo può essere sfruttato a nostro favore. Inoltre le proteine non agiscono isolate ma in vie metaboliche e quindi regolano le proprie funzioni in relazione alle altre.

Proteine come farmaci

Le proteine sono esse stesse farmaci oltre che target di farmaci. Negli ultimi anni è cambiata la proporzione tra farmaci biologici e piccole molecole organiche.

Cellule come farmaci

I farmaci possono essere organismi interi

Es: CAR T: manipolazione genetica dei linfociti T di un paziente con tumore, all’interno dei linfociti T viene inserito un frammento di DNA che si integra nel genoma del linfocita. Poi il linfocita esprime delle proteine sulla loro superficie che riconoscono le cellule tumorali e le distruggono. Es: È stato proposto di utilizzare batteri vivi per trattare la fenilchetonuria. Questi pazienti hanno carenza dell’enzima che metabolizza un aminoacido, la fenilalanina. Se non viene eliminata si trasforma in altre sostanze con effetto tossico sul SNC. L’idea è di mettere batteri che colonizzano l’intestino, e che esprimono un enzima in grado di degradare la fenilalanina.

Le interazioni nei sistemi biologici

5 ott 2021

La vita è il mantenimento di uno stato stazionario dinamico. Gli organismi non sono mai in equilibro con l’ambiente circostante.

Es: la concentrazione di ioni in un pesce e nell’acqua intorno è diversa e permette alle cellule neuronali di trasmettere il potenziale. Un organismo è vivo quando è in grado di mantenere uno stato di omeostasi dinamica lontano dall’equilibrio, i livelli di ATP ad esempio sono mantenuti costanti perché è continuamente prodotto e utilizzato, i processi sono regolati appositamente. Per mantenere l’omeostasi dinamica è necessaria una precisa organizzazione cellulare ed è necessaria energia. Le cellule devono essere ordinate, i processi devono essere concertati. L’estremo ordine dell’organizzazione è esemplificato dalla loro struttura. Da molecole semplici si ottengono macromolecole biologiche, poi organizzare i complessi sopramolecolari, ordinati all’interno della cellula. Per l’organizzazione è necessaria energia.

Componenti della cellula

• Organici
  • Macromolecole biologiche, vitamine, metaboliti…
• Inorganici
  • Sali (es: fosfato, bicarbonato), ioni metallici (es: Fe, Zn, Se, Cu)
• Acqua
  • Tutte le reazioni avvengono in un solvente acquoso
  • Ossigeno ha 6 elettroni nella sfera esterna, di cui due doppietti non sono condivisi
  • Gli elettroni condivisi passano più tempo sull’ossigeno, quindi ci sono delle cariche parziali ed è un dipolo
  • Ogni molecola di acqua può formare max 4 legami a idrogeno: due come donatore e due come accettore
  • Elevata temperatura di ebollizione
  • Solubilizza molecole polari, stabilendo legami a idrogeno
  • Legame a idrogeno: legame non covalente, per interazione elettrostatica

L’acqua forma legami a idrogeno anche con un alcol, con ossigeni carbonilici… questo spiega la solubilità in acqua di molte molecole biologiche. O N S sono gli atomi che possono formare legami a idrogeno come accettori (come donatori se legano H). Anche le proteine in soluzione sono idratate. Le molecole di acqua vi si legano tramite legami a idrogeno. L’acqua interviene nelle interazioni biologiche: reazioni di idrolisi e idratazione. L’acqua è un debole nucleofilo: una reazione di idrolisi è spontanea ma lentissima, quindi deve essere catalizzata.

Forze di interazione inter e intra molecolari nei sistemi biologici

Tutte le funzioni (come catalisi, trasporto di soluti, trasduzione del segnale…) sono rese possibili da interazioni molecolari.

Es: Quasi tutte le interazioni di rilevanza biologica sono interazioni non covalenti (facilmente formati e distrutti a seconda della necessità, proprio perché più deboli di quelli covalenti).

Legame ionico (ponte salino)

Si stabilisce tra due cariche di segno opposto, la forza dipende da carica, quadrato della distanza e dalla costante dielettrica del vuoto. Allontanando le due cariche il legame si indebolisce, non scompare mai (al contrario del covalente) quindi è modulabile. La costante dielettrica incide molto: in acqua le interazioni ioniche sono tuttosommato deboli. All’interno delle proteine questa interazione può essere modulata e può variare di decine di volte la forza. Perché all’interno la costante dielettrica non è quella dell’acqua ma determinata dalla presenza di residui amminoacidici.

Legame a idrogeno

Si stabilisce tra un donatore (atomo elettronegativo che lega H) e un accettore elettronegativo. Ci sono dei requisiti geometrici: la distanza tra donatore e accettore deve essere intorno a 2,9 Å mentre l’angolo deve essere necessariamente di 180 gradi. Essendo così specifico, questo legame può discriminare molecole molto simili che cambiano solo per un sostituente sul C.

Esempio pratico: basi del DNA si possono appaiare solo in modo specifico, il motivo è la geometria dei legami a idrogeno. La formazione di legami a idrogeno tra coppie di basi è alla base della corretta trasmissione dell’informazione genetica. I legami deboli non sono singoli ma si stabiliscono in numero elevato per creare una interazione stabile. Sono prevalenti nei sistemi biologici perché più semplici da rompere e creare. La denaturazione del DNA (rottura dei legami a H) è un processo sfavorito, necessita di energia

• ATP, azione dell’elicasi durante la duplicazione del DNA
• Calore, denaturazione termica in vitro, es: PCR

Interazioni di Van der Waals

Quando due molecole polari si avvicinano, le nuvole elettroniche si dispongono in modo non simmetrico, si induce un dipolo, che induce un dipolo nell’altra molecola, che poi si attraggono. Man mano che la distanza diminuisce si ha attrazione, fino ad un massimo, chiamata distanza di Van der Waals (distanza a cui si ha la massima attrazione), se si avvicinano di più si ha repulsione perché le nuvole non si possono compenetrare. La distanza di Van der Waals dà un'idea dello spazio occupato dalla molecola, qual è il suo ingombro.

Effetto idrofobico

Queste interazioni (meglio dire effetto perché non sono delle vere e proprie interazioni) sono determinate da un aumento di entropia del sistema, conseguenza delle interazioni tra molecole non polari in acqua. Si osserva all’interno di un solvente acquoso, polare, ed è la tendenza delle molecole idrofobiche a interagire tra loro escludendo il solvente. Es: mettere olio in acqua, mescolare e lasciare riposare, l’olio si separa dal solvente acquoso. Le molecole di acqua disordinate, tendono a ordinarsi formando una specie di gabbia intorno alle molecole idrofobiche ma in questo modo l’entropia del sistema diminuisce (perché aumenta l’ordine). Se le diverse molecole apolari interagiscono, quelle di acqua si ordinano facendo aumentare l’entropia, per un processo spontaneo.