Appunti Biochimica

Aminoacidi

Sara Della Vedova

Università degli Studi di Roma "Foro Italico" 2020-2021

Caratteristiche degli aminoacidi

Ogni aminoacido (eccetto la glicina) possiede un atomo di carbonio, chiamato carbonio α/asimmetrico/centro chiralico, al quale sono legati quattro differenti gruppi:

• Gruppo amminico basico (-NH₂)
• Gruppo carbossilico acido (-COOH)
• Atomo di idrogeno (-H)
• Catena laterale (-R), diversa per ciascun aminoacido

La glicina possiede l'atomo di carbonio che non è chirale perché, anziché avere la catena laterale, ha un atomo di idrogeno.

Aminoacidi senza gruppo amminico basico sono detti scheletro carbonioso.

Classificazione degli aminoacidi

Dal punto di vista nutrizionale, gli aminoacidi si dividono in:

• Essenziali, aminoacidi introdotti con la dieta:
• Phe, Fenilalanina
• Val, Valina
• Thr, Treonina
• Try, Triptofano
• Ile, Isoleucina
• Met, Metionina
• Leu, Leucina
• Lys, Lisina
• His, Istidina - necessario solo durante lo stadio giovanile di crescita
• Arg, Arginina - necessario solo durante lo stadio giovanile di crescita
• Non essenziali, aminoacidi che vengono sintetizzati.

Non vengono sintetizzati, oppure in quantità insufficienti.

Dal punto di vista biochimico, gli aminoacidi si distinguono in:

• Glucogenici, aminoacidi dal cui catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs. Possono dare origine al glucosio. L'alanina è importante;
• Chetogenici, aminoacidi dal cui catabolismo otteniamo acetil-CoA o aceto-acetil-CoA. Riforniscono il ciclo di Krebs dove si produce energia;
• Alcuni aminoacidi possono essere entrambi.

Proprietà degli aminoacidi

Gli aminoacidi possono essere:

• Polari, in ambiente acquoso:
• Glicina, si formano proteine
• Alanina, CH₃ (-R), si ricava glucosio
• Valina, aminoacido ramificato e metabolizzato dal muscolo
• Leucina, aminoacido ramificato e metabolizzato dal muscolo
• Metionina, aminoacido ramificato e metabolizzato dal muscolo
• Isoleucina, aminoacido ramificato e metabolizzato dal muscolo
• Cisteina, forma solfuro -SH
• Idrofobici, distanti dall’acqua.

Gli aminoacidi sono precursori di importanti molecole biologiche (neurotrasmettitori, gruppo eme, basi azotate). Possono assumere forme D ed L, le proteine contengono solo L-aminoacido. 20 aminoacidi vengono usati per la sintesi proteica, sono quelli specificati dal codice genetico. Alcuni aminoacidi vengono modificati dopo la sintesi delle proteine, da un gruppo chimico.

Gli aminoacidi sono uniti l’uno all’altro da legami peptidici, durante la formazione del legame viene eliminata la molecola d’acqua (reazione di condensazione). La sequenza lineare degli aminoacidi legati contiene l’informazione necessaria a generare una proteina con una forma tridimensionale esclusiva. I gruppi funzionali delle catene laterali determinano la struttura, la funzione e la carica elettrica delle proteine: aminoacidi con -R cariche, idrofiliche, sono esposti sulla superficie delle proteine; i residui idrofobici si trovano all’interno delle proteine.

Proteine

Le proteine sono fondamentali in ogni organismo, hanno molteplici ruoli:

• Componenti strutturali: collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle;
• Trasportatori: emoglobina, albumina;
• Trasmettitori di messaggi: ormoni peptidici;
• Catalizzatori di reazioni chimiche: enzimi;
• Difesa contro i patogeni: immunoglobuline;
• Controllo e regolazione dell’espressione genica: istoni;
• Deposito di materiale: ferritina;
• Proteine dei sistemi contrattili: miosina.

Classificazione delle proteine

Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali:

• Globulari, sono solubili in acqua; hanno una forma quasi sferica; assolvono funzioni biologiche. Possono essere gli enzimi, gli ormoni, le proteine di trasporto e le proteine di deposito.
• Fibrose, sono insolubili in acqua; hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti che si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche; sono adatte a ruoli strutturali; solitamente presentano un unico tipo di struttura secondaria. Cheratina e collagene hanno strutture ad elica.

Le proteine si distinguono in:

• Semplici, contengono solo aminoacidi;
• Coniugate, contengono aminoacidi e gruppi chimici funzionali permanentemente associati. La parte non amminoacidica è detta gruppo prostetico.

Livelli di organizzazione delle proteine

Le proteine hanno vari livelli di organizzazione:

• Struttura primaria, successione di aminoacidi formando catene polipeptidiche;
• Struttura secondaria, le catene polipeptidiche si ripiegano formando α-elica e β-foglietto;
• Struttura terziaria, stabilizzata da legami deboli non covalenti tra catene laterali che conferiscono alla proteina continua dinamicità, dandole la possibilità di cambiare conformazione quando si legano ad altre molecole. È indispensabile per l’attività biologica della proteina. Quando una proteina si avvolge su sé stessa, gli aminoacidi che si trovano in regioni lontane tra loro, possono ugualmente interagire tra loro;
• Struttura quaternaria, aggregazione tra più catene polipeptidiche.

Vitamine

Le diete costituite solo da carboidrati, proteine e grassi non permettono una crescita normale, sono richiesti "fattori di crescita accessori" come minerali e vitamine. Le vitamine sono composti organici essenziali coinvolti nelle funzioni fondamentali dell’organismo, sono richiesti in quantità molto piccola (micronutrienti richiesti in quantità da microgrammi e milligrammi). Non rappresentano una fonte energetica, come glucosio o acidi grassi, o nutrienti strutturali, come aminoacidi. Funzionano come unità individuali che regolano le reazioni, tra cui il metabolismo energetico.

Classificazione delle vitamine

La classificazione è basata sulla solubilità, fattore che influenza come il corpo assorbe, trasporta e conserva le vitamine:

• Vitamine liposolubili, sono assorbite con il grasso della dieta; hanno il 40-90% di efficienza di assorbimento che è regolato dalla necessità (più bisogno → più è veloce). Richiedono Sali biliari. Vengono trasportate dal fegato attraverso i chilomicroni. L’eccesso di vitamine (tossicità) liposolubili è accumulato nel fegato e nel tessuto adiposo;
• Vitamine idrosolubili, tipicamente non conservate, quindi è importante assumere queste vitamine giornalmente. Hanno una tossicità rara. Viene conservata solo la vitamina B₁₂ (Cobalamina - trasferimento di atomi di carbonio).

Tipi di vitamine

Vitamina D si trova nei cibi in 2 forme: la maggior parte in D3 (Colecalciferolo) e in piccola quantità D2 (Ergocalciferolo). Proviene da uova, tonno, salmone, margarina e dall’azione del sole sulla pelle. Si forma normalmente nella pelle per reazione fotochimica: l’esposizione ai raggi solari converte un composto, il 7-deidrocolesterolo, che si trova nella pelle in colecalciferolo che è rilasciato nel sangue e convertito nel fegato e nei reni nell’ormone attivo calcitriolo. Il calcitriolo controlla la quantità di calcio assorbita dall’intestino promuovendo l’assorbimento del calcio dalla dieta, il riassorbimento renale e stimolando il rilascio del calcio dall’osso. La vitamina D è essenziale anche per l’assorbimento del fosforo e per la normale mineralizzazione dell’osso. La deficienza di vitamina D provoca nei bambini il rachitismo, cioè la formazione difettosa delle ossa.

Vitamina A i precursori di questa vitamina sono il Retinolo e il β-carotene. Quest’ultimo può essere convertito a retinolo nel corpo (6mg di β-carotene=1mg di Retinolo). Il retinolo proviene dal fegato, latte intero, formaggi e burro; il β-carotene dal latte, carote, vegetali a foglia grande e frutta arancione. È essenziale per la visione, previene la cecità notturna, è antiossidante, è necessaria per la salute degli epiteli e per la crescita dei capelli, e promuove lo sviluppo dell’osso.

Vitamina E è un antiossidante, cioè protegge le cellule contro il danno ossidativo prodotto dai radicali liberi. Nell’uomo è una carenza molto rara perché è ampiamente diffusa in natura. Proviene da uova, oli vegetali e germe di grano. La deficienza porta alla rottura delle membrane degli eritrociti o all’anemia; l’ipervitaminosi porta al mal di testa, fatica e diarrea. Non c’è tossicità con dosi fino a 400mg.

Vitamina K interviene in una delle reazioni della coagulazione del sangue. È una carenza molto rara nell’uomo perché è ampiamente diffusa in natura, in parte è sintetizzata dalla flora batterica. È necessaria per la trasformazione della protrombina in trombina e di altri fattori che richiedono modificazioni post-sintetiche. È il cofattore della carbossilasi, enzima che catalizza la carbossilazione di acido glutammico a y-carbossiglut.

Enzimi

Ogni via metabolica è costituita da diverse tappe che sono catalizzate da un enzima specifico per substrato. Gli enzimi sono molecole di natura proteica. Il substrato/reagente si lega al sito attivo di un enzima che lo trasforma in un prodotto. Nel sito attivo avvengono le reazioni. Il legame dell’enzima con il substrato è stereospecifico, cioè il sito attivo riconosce il proprio substrato e la configurazione degli atomi di una certa molecola nello spazio. Gli enzimi sono in grado di agire a concentrazioni molto basse, non subiscono trasformazioni e favoriscono il procedere della reazione fino al raggiungimento dello stato di equilibrio.

Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche che possono essere:

• Cofattori, sostanze inorganiche, come gli ioni metallo o sali minerali;
• Coenzimi, sostanze organiche che fanno da trasportatori di gruppi chimici, come le vitamine idrosolubili. Prepara il sito attivo per l’attività catalitica rendendolo più adatto al substrato, dopo questa attività il coenzima può staccarsi o rimanere associato all’enzima.

Il modello dell’adattamento indotto suggerisce che enzima e substrato si modificano a vicenda. Si ritiene che la struttura del sito attivo non sia rigida ma flessibile, e presenti una conformazione capace di adattarsi alla forma del substrato. Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso che lo porta ad un legame più stabile in modo da portare correttamente a termine la sua attività catalitica.

Funzione degli enzimi

Lo scopo dell’enzima è di iniziare una reazione chimica assorbendo una quantità di energia chiamata energia di attivazione. Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la richiesta energetica. I substrati normalmente hanno bisogno di una notevole quantità di energia per giungere allo stato di transizione e reagire per formare il prodotto; l’enzima crea un microambiente nel quale i substrati possono raggiungere lo stato di transizione più basso riducendo così la quantità di energia richiesta. Grazie a ciò, la reazione può avere luogo più frequentemente e la velocità di reazione sarà maggiore.

L’ambiente cellulare influenza l’attività degli enzimi:

• Temperatura: sono attivi ad una temperatura ottimale, di solito 37°C, più alte o più basse l’enzima si denatura;
• Concentrazione di substrato: mantenendo la concentrazione di enzima costante, la velocità di reazione aumenta con l’aumentare della concentrazione di substrato fino a raggiungere la velocità massima;
• pH: sono attivi ad un pH ottimale, di solito 7, a valori più bassi o più alti l’attività enzimatica diminuisce.

Inibitori degli enzimi

Una sostanza chimica che interferisce con l’attività di un enzima è detta inibitore che ha un’azione irreversibile se si formano legami covalenti tra inibitore ed enzima, mentre è reversibile se si formano solo legami deboli. Gli inibitori possono essere:

• Competitivi, inibitore e substrato competono per il sito attivo;
• Non competitivi, cambiano la funzione dell’enzima modificando la sua forma.

Gli inibitori sono spesso utilizzati come farmaci (Aspirina produce la prostaglandina ed è mediatore dell’infiammazione, riduce la sensazione di dolore), ma possono agire anche come veri e propri veleni (Cianuro è un inibitore irreversibile che si combina con rame e ferro nel sito attivo bloccando la catena di trasporto degli elettroni e come conseguenza la respirazione cellulare).

Regolazione degli enzimi

All’interno della via metabolica troviamo enzimi che regolano la velocità della via:

• Enzima allosterico: presenta, oltre al sito attivo, anche il sito allosterico dove si legano delle molecole regolatorie che, a seconda delle esigenze della cellula, permettono alla via metabolica di andare più velocemente o più lentamente. Nella regolazione enzimatica, l’enzima non si denatura mai, viene solo regolato.

Regolazione allosterica: un effettore allosterico può legarsi a un enzima e, alternando i legami che determinano la struttura terziaria, può mutare la conformazione del sito attivo rendendolo più adatto (effettori positivi) o meno adatto (effettori negativi). In questo modo può essere modulata l’attività enzimatica dell’enzima. Un importante enzima è la Fosfofruttochinasi-1, enzima più importante nella glicolisi che in certe occasioni deve andare più velocemente perché serve energia per la contrazione muscolare. Allora alcune cellule si vanno a legare al sito allosterico di questo enzima permettendo alla via di andare più velocemente; a riposo l’ATP stesso si va a legare al sito allosterico rallentando la glicolisi.

Può esserci un caso in cui una cellula attiva una via metabolica perché le serve un prodotto, lo produce in grande quantità, e quando non serve più il prodotto finale stesso si lega al sito allosterico per inibire l’enzima iniziale e bloccare la produzione, caso detto retroinibizione/feedback negativo.

Modificazione covalente: esistono tanti tipi, vediamo solo l’aggiunta su un enzima di un gruppo fosfato: tra le varie funzioni dell’ATP, ha anche il compito di cedere il gruppo fosfato per regolare le attività enzimatiche. Con il gruppo ossidrilico OH sulla catena laterale, l’enzima è meno attivo; per attivarlo un altro enzima trasferisce gruppo fosfato da ATP all’enzima che viene fosforilato e ATP diventa ADP. Così l’enzima è più attivo e funziona più velocemente. Quando l’enzima non serve, ritorna alla composizione originale attraverso un altro enzima che toglie il gruppo fosfato.

Classificazione degli enzimi

Gli enzimi possono essere suddivisi in base al tipo di reazione che catalizzano:

• Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione, trasferiscono atomi di idrogeno. Nel metabolismo energetico ci sono le deidrogenasi con coenzimi NAD e FAD: l’atomo di idrogeno viene appoggiato su questi coenzimi che si riducono in NADH e FADH₂;
• Transferasi: trasferimento di gruppi funzionali da una molecola a un’altra. L’enzima Alanina Aminotransferasi trasferisce il gruppo amminico tra alanina e aspartato. Gli enzimi Chinasi trasferiscono i gruppi fosfato, nella regolazione covalente degli enzimi e nel metabolismo energetico quando il glucosio entra nella glicolisi;
• Idrolasi: catalizzano reazioni di idrolisi e rimuovono gruppi chimici in presenza di acqua. L’enzima Fosfatasi rimuove gruppo fosfato quando non serve;
• Liase: catalizzano la scissione tra due atomi di carbonio o tra carbonio e ossigeno o tra carbonio e azoto. Non richiede l’intervento di acqua;
• Isomerasi: catalizzano riarrangiamenti intramolecolari. Per esempio, l’aldoso può trasformarsi in chetoso;
• Ligasi: catalizzano la formazione di legami chimici con spesa di ATP. Per esempio, la Piruvato carbossilasi, un atomo di carbonio viene aggiunto nel piruvato.

Alcuni tipi di enzimi sono prodotti in forma inattiva, vengono attivati con un meccanismo di proteolisi, per esempio gli enzimi che degradano le proteine e vengono prodotti dal pancreas in forma inattiva perché se no andrebbero a degradare l’organo stesso, vengono attivati solo dopo che vengono versati nello stomaco. Tutti gli enzimi prodotti in forma inattiva prendono il nome di zimogeno. Quando arriva nel luogo dove deve attivarsi trova il pH acido e le loro estremità, che hanno delle sequenze amminoacidiche in più, vengono tagliate così che l’enzima diventa pienamente attivo.

Un’altra classe di enzimi sono gli isoenzimi che hanno strutture primarie diverse ma catalizzano la stessa reazione in tessuti differenti: es. lattato deidrogenasi (LHD) che converte il piruvato in lattato, esiste in diverse forme enzimatiche che gli dà delle caratteristiche diverse:

• Fibre veloci glicolitiche, il piruvato si trasforma molto velocemente in lattato;
• Fibre lente, avviene la reazione contraria, il lattato si trasforma in piruvato.

Biosegnalazione

La biosegnalazione è la capacità delle cellule di ricevere e rispondere a segnali esterni ed interni attraverso la produzione di molecole segnale/messaggeri chimici che sono diretti verso la cellula bersaglio dove si legano alla proteina recettore per indurre una risposta. Le molecole segnale sono secrete da una cellula di una ghiandola endocrina o da altre cellule di vari tessuti. Esempi di molecole segnale:

• Sistema nervoso: neurotrasmettitori
• Sistema endocrino