Riassunto esame Biochimica, Prof. Fais Antonella, libro consigliato I principi di Biochimica di Lehninger, Nelson e Cox

Amminoacidi

Principali componenti di molecole presenti nel corpo umano

• Ossigeno (O)
• Carbonio (C)
• Idrogeno (H)

Presenti in: proteine, glucidi, lipidi, acidi nucleici

• Azoto (N)
• Zolfo (S)

Elementi importanti per la nutrizione e richiesti in quantità superiore a 100 mg/giorno

Calcio (Ca): Presente nelle ossa e nei denti, necessario per l’attività di alcuni enzimi; per la funzione dei nervi, dei muscoli, per l’azione di ormoni, per la mobilità cellulare, e per la coagulazione del sangue.

Fosforo (P): Presente nelle ossa e nei denti, negli acidi nucleici, nei fosfolipidi e in alcune proteine, necessario per i composti ad alto contenuto energetico.

Magnesio (Mg): Richiesto per l’attività di molti enzimi, necessario nelle reazioni energetiche che richiedono ATP.

Sodio (Na): Principale ione positivo extracellulare.

Potassio (K): Principale ione positivo intracellulare.

Cloro (Cl): Principale ione negativo.

Elementi in tracce

• Iodio (I): Presente negli ormoni tiroidei.
• Fluoro (F): Presente nelle ossa e nei denti, inibitore di alcuni enzimi.
• Ferro (Fe): Presente nell’emoglobina ed in molti enzimi.
• Rame (Cu): Richiesto per l’attività di molti enzimi ossidativi, per la sintesi di emoglobina e per la normale formazione delle ossa.
• Zinco (Zn): Richiesto per l’attività di molti enzimi, correlato all’azione dell’insulina, essenziale per la normale crescita e riproduzione e per il metabolismo degli acidi nucleici.
• Manganese (Mn): Richiesto per l’attività di molti enzimi che agiscono nei mitocondri, importante per la struttura normale delle ossa, per la riproduzione e per il normale funzionamento del sistema nervoso centrale.
• Cobalto (Co): Presente nella vitamina B12.
• Molibdeno (Mo): Richiesto per l’attività di alcuni enzimi, essenziale per il metabolismo delle purine.
• Cromo (Cr): Correlato all’azione dell’insulina.
• Selenio (Se): Essenziale per l’azione della vitamina E.

Struttura degli amminoacidi

Le proteine sono strutture polimeriche i cui monomeri sono gli amminoacidi. Un amminoacido è composto da:

• Un gruppo amminico (NH₂): Questo gruppo è costituito da un atomo di azoto (N) e due atomi di idrogeno (H). È chiamato anche "gruppo amino" e si trova all'estremità di un amminoacido.
• Un gruppo carbossilico (COOH): Questo gruppo è composto da un atomo di carbonio (C) legato a un ossigeno (O) tramite un doppio legame e a un ossigeno tramite un legame singolo. È noto anche come "gruppo acido carbossilico" e si trova all'estremità opposta rispetto al gruppo amminico.
• Un atomo di idrogeno (H): Questo atomo di idrogeno si trova legato al carbonio dell'atomo di azoto nel gruppo amminico.
• Una catena laterale (o R-group) che varia da un amminoacido all'altro. Può essere un gruppo alchilico, aromatico, acido, basico, polare o apolare.

La catena laterale è ciò che conferisce un'identità unica a ciascun amminoacido; infatti, ogni amminoacido ha una catena laterale diversa, conferendo loro proprietà uniche. Quando si forma una proteina, gli amminoacidi si legano tra loro tramite legami peptidici, con il gruppo amminico di un amminoacido che si lega al gruppo carbossilico di un altro, formando così una lunga catena nota come polipeptide. La sequenza specifica degli amminoacidi nella catena laterale determina la struttura tridimensionale e la funzione della proteina risultante.

Gli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L (alcuni amminoacidi del plasma appartengono alla serie D).

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi sono suddivisi in cinque gruppi:

• Gruppi R alifatici non polari
• Gruppi R polari non carichi
• Gruppi R carichi negativamente
• Gruppi R carichi positivamente
• Gruppi R aromatici

Gli amminoacidi polari si dispongono sulla superficie di proteine solubili; mentre quelli non polari si dispongono sulla superficie di proteine di membrana.

Gruppi R alifatici non polari

Sono caratterizzati da catene laterali principalmente composte da atomi di carbonio e idrogeno, senza gruppi funzionali aggiuntivi come ossigeno o azoto. Ecco una descrizione di sette amminoacidi che rientrano in questa categoria:

• Glicina (Gly, G): è l'unico amminoacido con un gruppo R alifatico che è semplicemente un atomo di idrogeno. La sua catena laterale è la più semplice possibile.
• Alanina (Ala, A): ha un gruppo R alifatico metile (-CH₃), che è una catena laterale composta da un atomo di carbonio e tre atomi di idrogeno.
• Valina (Val, V): ha un gruppo R alifatico isopropile, che è una catena laterale ramificata composta da tre atomi di carbonio e sette atomi di idrogeno.
• Leucina (Leu, L): ha un gruppo R alifatico isobutile, una catena laterale ramificata composta da quattro atomi di carbonio e nove atomi di idrogeno.
• Isoleucina (Ile, I): ha un gruppo R alifatico sec-butile, una catena laterale ramificata con quattro atomi di carbonio e nove atomi di idrogeno.
• Serina (Ser, S): ha una catena laterale che contiene un gruppo idrossile (-OH), rendendola un amminoacido polare. Non è strettamente alifatica, ma può essere considerata parte di questo gruppo in quanto la catena laterale ha anche una parte alifatica.
• Cisteina (Cys, C): ha una catena laterale contenente un gruppo tiolico (-SH). Anche se non è strettamente alifatica, può essere considerata parte di questo gruppo a causa della parte alifatica della sua catena laterale.

Gruppi R polari non carichi

Gli amminoacidi del gruppo R polare non carico sono caratterizzati da catene laterali che contengono gruppi funzionali polari ma non portano carica elettrica.

• Serina (Ser, S): ha un gruppo R che consiste in un atomo di idrogeno, un atomo di carbonio, un atomo di ossigeno e un gruppo idrossile (-OH). La presenza del gruppo idrossile rende la serina polare.
• Treonina (Thr, T): ha un gruppo R che consiste in un atomo di idrogeno, un atomo di carbonio, un atomo di ossigeno e un gruppo idrossile (-OH). La treonina è simile alla serina, ma il suo gruppo idrossile è leggermente diverso.
• Asparagina (Asn, N): ha un gruppo R che consiste in un atomo di carbonio, un atomo di ossigeno e un gruppo amminico (-NH₂). Questo gruppo rende l'asparagina polare.
• Glutamina (Gln, Q): ha un gruppo R che è simile a quello dell'asparagina, con un atomo di carbonio, un atomo di ossigeno e un gruppo amminico (-NH₂). Anche la glutamina è un amminoacido polare.
• Cisteina (Cys, C): ha un gruppo R che consiste in un atomo di idrogeno e un gruppo tiolico (-SH). Anche se contiene lo zolfo, la cisteina può essere considerata polare non carica a causa della sua catena laterale.

Gruppi R carichi negativamente

Gli amminoacidi del gruppo R carico negativamente sono caratterizzati da catene laterali che contengono gruppi funzionali carichi negativamente a pH fisiologico.

• Acido Aspartico (Asp, D): ha un gruppo R costituito da un atomo di carbonio, due atomi di ossigeno e un gruppo carbossilico (-COO^-). Il gruppo carbossilico conferisce una carica negativa a pH fisiologico, rendendo l'acido aspartico un amminoacido carico negativamente.
• Acido Glutammico (Glu, E): ha un gruppo R simile a quello dell'acido aspartico, costituito da un atomo di carbonio, due atomi di ossigeno e un gruppo carbossilico (-COO^-). Anche l'acido glutammico è carico negativamente a pH fisiologico.

Gruppi R carichi positivamente

Gli amminoacidi del gruppo R carichi positivamente sono caratterizzati da catene laterali che contengono gruppi funzionali carichi positivamente a pH fisiologico.

• Lisina (Lys, K): ha un gruppo R costituito da una catena laterale alifatica con un gruppo amminico (NH₂) alla fine. A pH fisiologico, il gruppo amminico è generalmente protonato, portando una carica positiva.
• Arginina (Arg, R): ha un gruppo R che contiene una catena laterale alifatica con un gruppo guanidinico (-NH=C(NH₂)₂). A pH fisiologico, il gruppo guanidinico può essere protonato, conferendo una carica positiva all'arginina.
• Istidina (His, H): ha un gruppo R che contiene un anello imidazolico. L'atomo di azoto nell'anello può essere protonato a pH fisiologico, portando una carica positiva alla istidina.

Gruppi R aromatici

Gli amminoacidi con gruppi R aromatici hanno catene laterali che includono anelli aromatici.

• Fenilalanina (Phe, F): ha un gruppo R costituito da un anello aromatico di benzene. La presenza di questo anello conferisce alla fenilalanina proprietà aromatiche.
• Tirosina (Tyr, Y): ha un gruppo R che consiste in un anello aromatico di benzene con un gruppo idrossile (-OH) attaccato all'anello. Questo gruppo idrossile aggiunto rende la tirosina anche un amminoacido polare. Inoltre, la tirosina può essere coinvolta in processi di fosforilazione e altri eventi di regolazione cellulare a causa del suo gruppo idrossile.
• Triptofano (Trp, W): ha un gruppo R che contiene un anello aromatico di benzene unito a un anello indolo. Questo rende il triptofano uno degli amminoacidi più grandi e strutturalmente complessi.

Altri usi degli aminoacidi

Sono utilizzati come fonte di azoto per la sintesi di altri composti:

• Glutammina e Glutamato: sono amminoacidi che possono essere utilizzati come fonte di azoto per la sintesi di altri amminoacidi e per la produzione di nucleotidi. La glutammina è spesso coinvolta nel trasporto di azoto attraverso il corpo e nel mantenimento dell'omeostasi azotata.
• Asparagina e Aspartato: possono essere coinvolti nel trasporto dell'azoto e nella sintesi di altri composti azotati.
• Alanina: può essere convertita in piruvato, un precursore di molte vie metaboliche, inclusa la gluconeogenesi e la sintesi di nuovi amminoacidi.
• Serina e Glicina: sono coinvolte nella sintesi di altri amminoacidi e possono essere degradate per fornire azoto durante il metabolismo.
• Arginina: può essere coinvolta nella sintesi di ossido nitrico (NO) e può anche essere utilizzata come fonte di azoto attraverso processi di degradazione.

Possono essere utilizzati anche come fonte energetica dopo la rimozione dell’azoto.

Comportamenti degli amminoacidi in soluzione

Gli amminoacidi in soluzione possono comportarsi sia da acidi sia da basi deboli: anfoteri.

Dissociazione di un acido debole

La dissociazione di un acido debole in soluzione acquosa è un processo in cui l'acido si separa in ioni idrogeno (H⁺) e l'anione coniugato. Tuttavia, a differenza degli acidi forti che si dissociano completamente in soluzione, gli acidi deboli si dissociano solo parzialmente. Un esempio comune di un acido debole è l'acido acetico (CH₃COOH). La reazione di dissociazione dell'acido acetico può essere rappresentata come segue:

CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO^-

In questa equazione chimica, l'acido acetico (CH₃COOH) è rappresentato come in equilibrio con l'ione idrogeno (H⁺) e l'anione acetato (CH₃COO^-). La freccia doppia (⇌) indica che la reazione può procedere in entrambe le direzioni. Durante la dissociazione dell'acido debole, solo una piccola percentuale delle molecole di acido si dissocia in ioni idrogeno e anioni.

Il grado di dissociazione di un acido debole è influenzato da vari fattori, come la concentrazione dell'acido, la temperatura e la presenza di ioni comuni. La costante di dissociazione acida (K_a) è una misura della tendenza di un acido debole a dissociarsi in soluzione:

K_a = pK_a= -log K_a

Quanto più è piccolo il pK_a, tanto più l’acido è forte. La capacità di un acido di dissociare e scambiare il protone con la soluzione dipende anche dal pH della soluzione (cioè dalla concentrazione di ioni H⁺ presenti in soluzione).

Esiste una relazione che lega pH, pK_a e le concentrazioni di un acido debole e della sua base coniugata in soluzione.

Equazione di Henderson-Hasselbalch

L'equazione è particolarmente utile per comprendere e calcolare il pH di una soluzione di un acido debole in presenza del suo acido coniugato.

• pH è il valore del pH della soluzione.
• pK_a è il logaritmo negativo della costante di dissociazione acida (K_a) dell'acido debole.
• [A^-] è la concentrazione dell'acido coniugato nell'equazione.
• [HA] è la concentrazione dell'acido debole nell'equazione.

L'equazione di Henderson-Hasselbalch è derivata dall'equilibrio di dissociazione dell'acido debole e tiene conto del fatto che, in soluzione, l'acido debole e il suo acido coniugato coesistono in equilibrio. Quando il rapporto tra [A^-] e [HA] è uguale a 1, il termine logaritmico è zero e il pH sarà uguale a pK_a. Quando il rapporto cambia, il termine logaritmico influenza il pH della soluzione.

Ionizzazione di un amminoacido diprotico

Gli amminoacidi diprotici sono amminoacidi che contengono due gruppi ionizzabili: il gruppo carbossilico (COOH) e il gruppo amminico (NH₂). Quando un amminoacido diprotico si dissocia in soluzione acquosa, può subire due ionizzazioni separate, una per il gruppo carbossilico e una per il gruppo amminico. Prendiamo come esempio l'acido aspartico, un amminoacido diprotico:

1. Prima ionizzazione (gruppo carbossilico): H₂N−CH(COOH)−COOH ⇌ H₂N−CH(COO^-)−COOH + H⁺
2. Seconda ionizzazione (gruppo amminico): H₂N−CH(COO^-)−COO^- + H⁺

La prima ionizzazione coinvolge il gruppo carbossilico, che perde un protone (H⁺) per formare l'anione COO^-. La seconda ionizzazione coinvolge il gruppo amminico, che riceve un protone per formare l'anione NH₃⁺. È importante notare che l'ordine di ionizzazione può variare a seconda del pH della soluzione. A pH acido, la ionizzazione del gruppo carbossilico avviene più facilmente, mentre a pH più elevato, la ionizzazione del gruppo amminico può diventare più prominente.

Zwitterione

Uno zwitterione è una specie molecolare neutra che contiene almeno due gruppi ionizzati di carica opposta. La formazione dello zwitterione negli amminoacidi avviene a causa della ionizzazione simultanea del gruppo amminico (NH₂) e del gruppo carbossilico (COOH). Durante questo processo, l'atomo di idrogeno del gruppo amminico viene trasferito al gruppo carbossilico, formando uno ione ammonio positivo (NH₃⁺) e uno ione carbossilato negativo (COO^-) nella stessa molecola. Il risultato è una molecola neutra con una carica globale netta pari a zero.

La formazione dello zwitterione è favorita a pH neutro o vicino al punto isoelettrico dell'amminoacido. Si definisce punto isoelettrico oppure pH isoelettrico (pI) il valore di pH al quale l’amminoacido è presente nella sua forma dipolare, ma senza una carica elettrica netta.

pI = ½ (pK_a1 + pK_a2)

K_a1 e K_a2 sono le costanti di dissociazione delle due reazioni di ionizzazione che avvengono a carico delle specie neutre.

Proteine

Legame peptidico

Il legame peptidico si forma tra il gruppo carbossilico (COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (NH₂) di un altro amminoacido. Questa reazione di condensazione libera una molecola di acqua (H₂O). La formazione del legame peptidico è fondamentale nella sintesi delle proteine, in cui gli amminoacidi vengono collegati insieme per formare catene polipeptidiche. Questo processo è noto come polimerizzazione. La catena risultante di amminoacidi è detta polipeptide.

NH₂−C(=O)−H

• NH₂ è il gruppo amminico di un amminoacido;
• C(=O) è il gruppo carbossilico di un altro amminoacido;
• Il legame tra l'atomo di azoto (N) e l'atomo di carbonio (C) è il legame peptidico.

L'azoto dell'amminoacido iniziale è collegato al carbonio dell'amminoacido successivo, e la catena polipeptidica si estende in entrambe le direzioni a partire dal legame peptidico centrale.

Il legame peptidico è un legame carboammidico. È un ibrido di risonanza; infatti, ha una certa rigidità a causa della sua natura parziale di doppio legame dovuta alla risonanza tra i doppi legami di carbonio e ossigeno. Inoltre, non c'è libertà di rotazione attorno al carbonio α del legame peptidico a causa della presenza del doppio legame parziale, che impedisce la rotazione libera. La sequenza specifica dei legami peptidici in una catena polipeptidica determina la struttura primaria di una proteina. La quasi totalità dei legami peptidici è nella configurazione trans.

Struttura secondaria

La struttura secondaria è la conformazione geometrica della catena polipeptidica. Due delle strutture secondarie più comuni sono l'α-elica e la struttura a foglietto β. Queste strutture sono stabilizzate da legami idrogeno tra gli atomi di ossigeno e di idrogeno della catena principale dell'amminoacido.

α-Elica

• Nell'α-elica, la catena polipeptidica si arrotola in modo regolare e ripetitivo in una spirale destrorsa tridimensionale. Questa struttura è mantenuta da legami idrogeno tra l'atomo di ossigeno di un gruppo carbossilico e l'atomo di idrogeno di un gruppo amminico situati a 4 residui di distanza lungo la catena polipeptidica. La struttura è molto compatta e stabile.
• L'α-elica è spesso presente nelle regioni idrofobiche delle proteine e può attraversare le membrane cellulari in proteine di membrana.

L’intera elica è un dipolo: tutti i gruppi peptidici mantengono la stessa polarità (sono dipoli). Tutti i gruppi C=O sono rivolti verso il C-terminale. Tutti i gruppi N-H sono rivolti verso l’N-terminale.