Appunti Biochimica

La BIOCHIMICA studia la logica molecolare della vita.

Tutti i sistemi viventi sono costituiti da biomolecole, infatti, la cellula (l’unità vivente più semplice) possiede

sistemi per comunicare e adattarsi all’ambiente circostante. Le biomolecole che costituiscono la cellula

possono essere più o meno complesse: una molecola relativamente semplice può essere individuata nel

nucleotide o negli amminoacidi, mentre una molecola più complessa è la membrana, poiché è costituita da

lipidi e proteine. Queste strutture complesse sono costituite da diverse classi di biomolecole unite tra loro

con legami NON covalenti (tanti legami non covalentistruttura stabile). All’interno della cellula piccole

molecole, macromolecole, complessi macromolecolari sono continuamente sintetizzati e demoliti in reazioni

chimiche in modo da mantenere un equilibrio dinamico. La varietà delle molecole all’interno delle cellule

dipende dalla chimica del carbonio.

GRUPPI FUNZIONALI DELLE BIOMOLECOLE



C-C o C-H MOLECOLE IDROFOBICHE



C=O CARBONILE ALDEIDI/ CHETONI



COOH CARBOSSILICO ACIDI CARBOSSILICI



OH OSSIDRILICO ALCOLI



NH2 AMMINICO AMMINE



COOR ESTERE ESTERI (tra acidi e alcoli)

SH SULFIDRILE/TIOLICO TIOLI (molto simile ad OH)



COSH TIOESTERE TIOESTERI (tra acidi e tioli)

AMMIDE AMMIDI (tra acidi e ammine)

ANIDRIDICO ANIDRIDI (tra due acidi)

Legami non-covalenti

Legame a idrogeno idrogeni con parziale carica positiva

Legame idrofobico due molecole non polari riducono la superficie esposta all’acqua

Legame ionico ioni con carica diversa

CARATTERISTICHE DELLE BIOMOLECOLE

Tutte le biomolecole contengono C, H, O e alcune N, sono costituite da monomeri legati tra loro da legami

covalenti e la loro struttura è strettamente legata al loro tipo di attività. Inoltre, le biomolecole interagiscono

tra loro tramite legami non-covalenti a formare strutture più complesse, in quanto più legami non covalenti,

di per sé deboli, uniti riescono a dare vita ad una struttura stabile. Le biomolecole hanno anche una

direzionalità o “senso”, ad esempio le proteine iniziano con l’amminoacido n1, ossia quello con il gruppo

amminico libero. Attraverso un processo di denaturazione (condizioni drastiche) le molecole possono

perdere la loro struttura e interagiscono fra loro anche grazie alla loro complementarità “fisica”.

Concetti di termodinamica utili in biochimica:

La quantità totale di energia nell’universo resta costante anche se le forme di energia possono cambiare

(l’energia né si crea né si distrugge ma si trasforma).

1) In tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare (sistema isolato). L’entropia misura il

“disordine”, i processi che la promuovono sono favoriti, quelli che la diminuiscono non sono

spontanei e richiedono energia.

Esempio: sintetizzare una proteina significa mettere in ordine gli amminoacidi e per far sì che ciò

accada serve energia, dunque il processo non è spontaneo; al contrario, scindere una proteina

significa creare “disordine” e questo processo, dal punto di vista termodinamico, è favorito.

2) Energia libera di Gibbs (G): ogni molecola possiede la propria energia libera di Gibbs e ciò dipende da

diversi aspetti (legami forti o deboli, tipo di atomi). I processi biochimici sono caratterizzati sia da

variazioni di energia (G) che di entropia. Il ΔG è la variazione di energia (differenza di energia tra una

molecola B e una molecola A in un processo biochimico)



ΔG negativo processo favorito (spostata a dx) - reazione esoergonica, oltre al prodotto viene

liberata anche energia



ΔG zero reversibile, all’equilibrio



ΔG positivo processo sfavorito (spostata a sx) – reazione endoergonica, avviene solo se viene

fornita energia. 

All’interno della cellula le reazioni endoergoniche (glucosio + P glucosio 6-fosfato) vengono

 

accoppiate con quelle esoergoniche (ATP ADP + P) in modo da farle avvenire (glucosio + ATP

glucosio 6 fosfato + ADP), poiché in tal modo l’energia libera dei prodotti è minore di quella dei

reagenti, quindi sono più stabili.

AMINO ACIDI

Sono le unità monomeriche che costituiscono le proteine, quelli naturali sono 20 (specificati da un codice

genetico), hanno una struttura comune e sono (tranne uno) asimmetrici, quindi chirali.

Atomo di idrogeno

Gruppo aminico basico Gruppo carbossilico acido

Catena laterale

Classificazione aminoacidi: tutti gli aminoacidi sono identificati da sigle (prime tre lettere del nome inglese o

singola lettera)

- Aminoacidi idrofobici, nella catena laterale presentano un gruppo idrofobico (ex Glicina, eccezione

perché achirale, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina)

- Aminoacidi aromatici, in catena laterale presentano strutture aromatiche (fenilalanina, tirosina,

triptofano)

- Aminoacidi polari con gruppo -OH (serina e treonina)

- Aminoacidi polari con gruppo -SH (cisteina). Il gruppo SH (tiolico) è coinvolto nella formazione dei

ponti disolfuro.

- Aminoacidi acidi e loro ammidi, in catena laterale presentano un gruppo carbossilico (acido aspartico,

acido glutammico, asparagina, glutammina)

- Aminoacidi basici, in catena laterale presentano un gruppo aminico (lisina, arginina, istidina)

Gli aminoacidi sono legati covalentemente gli uni agli altri tramite il legame peptidico, il quale si forma tra il

gruppo carbossilico di un aminoacido e il gruppo aminico del successivo. Nel legame peptidico i due

sostituenti (H e O) rispetto al C e al N sono in trans e, tale legame, ha parziale caratteristica di doppio legame,

perché gli elettroni condivisi tra carbonio e ossigeno, sono in realtà condivisi anche con l’azoto. I peptidi sono

aminoacidi legati fra loro (dipeptide, tripeptide, oligopeptide, polipeptide) e le unità aminoacidiche sono

definite residui. Le catene peptidiche hanno un gruppo amminico alfa libero (residuo amino-terminale) e un

carbossilico alfa libero (residuo carbossi-terminale). Per convenzione il residuo ammino-terminale

rappresenta l’inizio della catena. Nella maggior parte delle proteine i gruppi terminali sono protetti da altri

gruppi chimici poiché in tal modo, le proteine, risultano più stabili. Ogni proteina ha la propria composizione

di aminoacidi e può contenere anche altri gruppi chimici diversi dagli aminoacidi, chiamati gruppi prostetici

(lipidilipoproteine, zuccheri glicoproteine, metallimetalloproteine). Inoltre, nello spazio, le proteine

assumono una specifica struttura, chiamata conformazione, che è l’organizzazione degli atomi nello spazio;

molto spesso, la catena polipeptidica, si presenta come “raggomitolata” su sé stessa e questa conformazione

è stabilizzata da legami, per la maggior parte non covalenti tra i gruppi R (conformazione più stabile). Tuttavia,

alcuni legami con altre molecole possono indurre dei cambi di conformazione, ossia una variazione della

struttura senza rottura dei legami peptidici ma con la formazione o rottura di legami non covalenti. La

conformazione in cui la proteina è più stabile, ossia in cui l’energia libera di Gibbs è la più bassa possibile e

solo quella in cui la proteina può essere funzionale, è detta conformazione nativa. Se la struttura della

proteina viene variata (denaturata), quest’ultima non è più funzionale, pertanto, c’è una stretta correlazione

tra struttura e funzione.

PROTEINE CHE LEGANO L’O 2

Mioglobina si trova nel muscolo e funge da riserva di ossigeno

Emoglobina si trova nel sangue, trasporta l’ossigeno dai polmoni e lo rilascia nei tessuti metabolicamente

attivi

L’ossigeno è poco solubile in acqua, pertanto necessita di trasportatori.

La mioglobina è costituita da una singola subunità polipeptidica, l’emoglobina da 4, con struttura

raggomitolata. Al loro interno possiedono il gruppo EME, una porzione non proteica, posizionata in un sito

protetto, poco accessibile all’acqua, che ricopre la funzione di legare l’ossigeno. Chimicamente il gruppo EME

è una molecola metallo-organica: la parte organica è la protoporfirina IX, al cui interno troviamo un atomo

di ferro capace di fare 4 legami di coordinazione con gli atomi azoto degli anelli pirrolici, un legame di

coordinazione con l’azoto dell’istidina prossimale ed un altro legame di coordinazione con l’ossigeno. Poco

distante dal gruppo EME troviamo l’istidina distale, con funzione di diminuire l’affinità del gruppo EME con il

CO (monossido di carbonio), infatti, questa molecola può legarsi al gruppo EME in maniera irreversibile,

compromettendo le funzioni dell’emoglobina. L’istidina distale, pertanto, crea un ingombro sterico in modo

che il monossido di carbonio si disponga in maniera obliqua e non perpendicolare, in tale modo l’affinità

viene diminuita. Il ferro del gruppo EME si trova sempre allo stato di ossidazione +2, che non cambia neanche

quando si lega all’ossigeno. 

LEGAME OSSIGENO-MIOGLOBINA la mioglobina lega l’ossigeno soltanto ad un certo tipo di

concentrazione (p50, misurata mmHg- 4/5), al di sotto di questo valore la mioglobina cede l’ossigeno al

muscolo. 

LEGAME OSSIGENO-EMOGLOBINA l’emoglobina è costituita da 4 subunità, ha il compito di trasferire

l’ossigeno dai polmoni al resto del corpo, quindi non deve avere troppa affinità con l’ossigeno ma allo stesso

tempo deve averne molta nei polmoni perché altrimenti non sarebbe in grado di trasportarlo. Per tale motivo

l’emoglobina ha una particolare caratteristica, tipica delle proteine allosteriche, ossia possiede due

conformazioni: in una ha molta affinità con il suo ligando, nell’altra ha poca affinità con il suo ligando. Nella

forma a bassa affinità troviamo 8 ponti salini tra le catene, i quali stabilizzano la forma detta “tesa” (FORMA

T), al contrario quando questi ponti vengono rotti si passa dalla forma tesa alla forma rilassata (FORMA R), la

quale è ad alta affinità per l’ossigeno. La p50 per l’emoglobina è intorno al 20, perciò serve più ossigeno per

saturarla; quando la concentrazione è sotto il 20 l’ossigeno viene rilasciato (tessuti). Il legame è detto

cooperativo, poiché l’ossigeno man mano che si lega all’emoglobina favorisce il legame di altre molecole di

O2, ossia la transizione dalla forma tesa a quella rilassata (rottura ponti ionici); ciò avviene perché con il

legame dell’ossigeno al gruppo EME, l’atomo di ferro si sposta e con esso l’amminoacido a cui è legata

l’istidina prossimale inducendo un cambio di conformazione, grazie all’allontanamento degli amminoacidi

coinvolti nei ponti salini.

Le proteine allosteriche possiedono siti per modulatori, che possono essere sia positivi (aumentano affinità)

che negativi (diminuiscono l’affinità): tra i positivi ricordiamo l’ossigeno, poiché favorisce la transizione da T

ad R, tra i negativi i protoni (H+) poiché si legano all’emoglobina ad una catena in cui è presente un

amminoacido con un gruppo basico, che caricandosi diventa un gruppo amminico carico, il quale contribuisce

alla formazione di ulteriori ponti salini, pertanto al diminuire del pH, diminuisce anche l’affinità

dell’emoglobina con l’ossigeno (tessuti metabolicamente attivi = pH acido). La CO2 si comporta in maniera

analoga agli H+, in quanto è un prodotto di scarto dei tessuti che stanno consumando molto ossigeno e

diminuisce l’affinità dell’emoglobina con l’ossigeno. Un ulteriore modulatore negativo è il 2-3 bisfofoglicerato

poiché presenta cariche negative che formano legami con le cariche positive degli amminoacidi, stabilizzando

così la forma tesa.

GLI ENZIMI

Sono catalizzatori biologici, chimicamente sono proteine (nella maggior parte), ma non intervengono

sull’equilibrio delle reazioni. Sono molecole altamente specifiche, ossia catalizzano una singola reazione

biologica e lavorano in soluzioni acquose e condizioni blande (sia di pH che di temperatura). La loro attività

dipende dalla loro integrità, ossia dalla conformazione proteica nativa: stabile e funzionale. Molte di queste

molecole sono regolate, ad esempio con la fosforilazione, ossia l’aggiunta di un gruppo fosfato alla proteina.

Molti enzimi per essere attivi necessitano di cofattori, ossia molecole di natura NON proteica (ioni inorganici,

molecole organiche o metallo-organiche chiamate coenzimi). Inoltre, qualora lo ione inorganico o il coenzima

fossero legati covalentemente all’enzima, il complesso viene chiamato “gruppo prostetico”. Le biomolecole

sono stabili, pertanto la loro reattività è bassa, specialmente a pH 7, in ambiente acquoso e a 37 °C in quanto

l’intermedio che si formerebbe prima del prodotto sarebbe fortemente instabile e la collisione in maniera

precisa di due molecole, necessaria per fare avvenire la reazione, risulterebbe difficoltosa e talvolta le

molecole si incontrano in maniera diversa da quella utile per la reazione (i gruppi funzionali delle molecole

devono formare il legame). Lo scopo dell’enzima è quello di ovviare a questi problemi, generando un

ambiente specifico in cui una reazione avviene, chiamato sito attivo dell’enzima, in cui il substrato viene

trasformato in prodotto e in cui l’enzima presenta residui amminoacidici che mediano la reazione, in grado

di far procedere il substrato nella trasformazione in prodotto; una volta formatosi il prodotto l’enzima e i

suoi residui amminoacidici tornano com’erano prima. L’enzima presenta anche altri residui amminoacidici,

deputati a riconoscere e legare un particolare substrato, affinché assuma una posizione specifica nel sito

attivo. Gli enzimi non modificano l’equilibrio della reazione ma aiutano a raggiungerlo più facilmente e più

velocemente: il fatto che una reazione sia esoergonica non significa che avvenga velocemente, la velocità

dipende da una differenza di energia, ossia quella tra il substrato e lo stato di transizione, stato con energia

libera elevata : infatti, perché il substrato raggiunga lo stato di transizione, è necessario che gli venga fornito

uno specifico apporto di energia, chiamato ΔG di attivazione (più è alto più la reazione è lenta). L’enzima fa

sì che il valore di energia libera da fornire ad un substrato diminuisca, in modo che la reazione avvenga più

velocemente. -NON ESISTONO REAZIONI NON CATALIZZATE DA ENZIMI-

L’enzima usa come forma di energia per diminuire l’energia di attivazione, l’energia di legame con il substrato,

in particolare per superare le barriere fisiche e termodinamiche di una reazione:



- riduzione entropica l’enzima legando i substrati riduce l’entropia (i substrati sono “costretti” a

rimanere in una posizione specifica)



- desolvatazione rimuove le molecole di acqua precedentemente legate al substrato per far sì che i

gruppi funzionali coinvolti siano disponibili.



- Stiramento o distorsione del substrato l’enzima lega il substrato in maniera tale che quest’ultimo

venga “distorto” (dal punto di vista elettronico e strutturale) e reso quindi meno stabile e più vicino

allo stato di transizione 

- Adattamento dell’enzima l’enzima può subire cambi conformazionali, adattandosi al substrato, in

modo che la nuova conformazione esalti le proprietà catalitiche dell’enzima.

Il sito attivo:

 Promuove la prossimità dei reagenti

 Destabilizza lo stato fondamentale con attivazione di alcuni gruppi che diventano più reattivi

 Stabilizza lo stato di transizione evitando la formazione di prodotti secondari

Per poter catalizzare una reazione un enzima deve essere complementare allo stato di transizione:

Nel complesso enzima-substrato si formano alcune interazioni deboli, che rappresentano la forza trainante

della catalisi, mentre nel complesso enzima-substrato nello stato di transizione si formano tutte le interazioni

possibili che contribuiscono alla catalisi.

Tipi di reazioni catalizzate:

 Ossido-riduzione

 Addizione/sottrazione di gruppi

 Idrolisi

 Decarbossilazioni

Gli enzimi hanno sempre un “nome ed un cognome”: il nome viene dal substrato o dal prodotto, il cognome

definisce il tipo di attività che l’enzima stesso svolge.

GLI ENZIMI REGOLATORI

Sono enzimi che regolano reazioni di tipo esoergonico, ossia favorite, dove il substrato, se presente, viene

sempre convertito in prodotto. Per tale motivo, questi enzimi, fanno sì che la reazione avvenga solo nel

momento in cui la cellula lo necessita (intervengono nelle reazioni irreversibili). Un enzima regolatore,

tuttavia, deve essere a sua volta regolato. Spesso a capo dei processi costituiti da una cascata di reazioni

troviamo una reazione irreversibile fortemente regolata, senza la quale non si formerebbe il prodotto finale

delle altre reazioni, che possono essere anche reversibili. Vi sono due tipi di enzimi regolatori:

1) Enzimi allosterici, i quali sono proteine che esistono in più di una forma e sono regolati da altre

molecole che inducono cambi di struttura. I modulatori possono essere positivi, nel momento in cui

il cambio conformazionale implica una maggiore attività dell’enzima, o, viceversa, negativi. Un

modulatore potrebbe essere il prodotto finale di una via metabolica, poiché nel momento in cui

questo si accumula non c’è più necessità di mantenere attiva quella via metabolica, pertanto viene

inibita dallo stesso prodotto. I modulatori allosterici sono molecole dell’ambiente che comunicano

all’enzima lo stato dell’ambiente.

2) Enzimi regolati da modificazioni covalenti reversibili, i quali o sono attivi o inattivi. Una delle

modificazioni covalenti è la fosforilazione, ossia l’attacco di un gruppo fosfato proveniente dall’ATP

su residui amminoacidici che presentano un gruppo ossidrilico – gli enzimi che fosforilano sono

fosforilasi chinasi (ON), quelli che defosforilano fosfatasi (OFF)- Gli enzimi che fosforilano o

defosforilano a loro volta devono essere regolati, e ciò avviene grazie agli ormoni

Entrambi sono costituiti da due subunità e i siti regolatori e catalitici si trovano su subunità differenti.

BIOSEGNALAZIONE i processi di biosegnalazione coinvolgono particolari proteine chiamate recettori;

questi ricevono un segnale e lo trasmettono all’interno della cellula affinché risponda in maniera specifica. I

metodi di trasmissione non sono molti, ne esistono comuni anche per recettori diversi.

Varie classi di recettori:

1) Recettori enzimi: recettore per l’insulina, ormone che regola il metabolismo del glucosio. L’insulina

si lega al recettore, costituito da due subunità alfa, alle quali troviamo associate le subunità beta, con

una porzione extracellulare ed una citoplasmatica (attraversano la membrana). Quando l’insulina si

lega alle subunità alfa il recettore subisce un cambio conformazionale, trasmesso alle subunità beta,

le quali, dotate di attività enzimatica di tipo chinasico, vengono attivate. Le subunità beta dapprima

si autofosforilano, successivamente fosforilano una proteina chiamata IRS1; dopo ciò accadono altri

eventi che coinvolgono altre proteine per arrivare alla trascrizione di alcuni geni. IRS1 fosforilato si

associa ad una chinasi che si trova vicino alla membrana plasmatica (PI3K), la quale fosforila PIP2

(fosfolipide di membrana) facendolo diventare PIP3; esso, si associa ad un’altra chinasi (PKB), la quale

fosforila l’enzima GSK3 rendendolo inattivo. Quest’enzima è una chinasi che fosforila la glicogeno-

sintasi, convertendola in una forma inattiva ma, grazie al segnale dell’insulina, questo enzima rimane

nella sua forma attiva e pertanto procede con la sintesi del glicogeno.

2) Recettori accoppiati a proteine G: si trovano sulla membrana cellulare e, nella porzione proteica

troviamo le proteine G, in particolare ricordiamo il recettore per il glucagone e per l’adrenalina, il

quale è posizionato sulla membrana plasmatica e ha più tratti transmembrana. Nella porzione

extracellulare presenta un sito di legame per l’ormone, ad esempio per l’adrenalina. Dopo che

l’adrenalina si è legata il recettore subisce un cambio conformazionale, che viene trasmesso alle

proteine G (associate alla porzione citoplasmatica, sono 3, alfa beta e gamma): la proteina G alfa lega

un nucleotide chiamato GDB, successivamente tutte e tre le proteine si staccano e quella alfa rilascia

il GDB e si lega ad un ulteriore GDB, acquisendo affinità per un enzima legato alla membrana

(adenilatociclasi); a questo punto induce un ulteriore cambio conformazionale, che si traduce nella

attivazione dell’adenilatociclasi, un enzima che converte l’ATM in AMP ciclico (predita 2 gruppi

fosfato + ciclizzazione tra C 5’ ribosio e OH 3’). L’AMP ciclico viene chiamato secondo messaggero,

perché è una molecola che non è presente nella cellula generalmente, è presente solo nel momento

in cui si parte dall’adrenalina o dal glucagone; esso è un modulatore allosterico di una chinasi, ossia

della proteinchinasiA (PKA). La PKA è costituita da diverse subunità, due delle quali (catalitiche) sono

legate a due subunità regolatorie in forma non attiva; l’AMP ciclico si va a legare alle subunità

regolatorie, inducendo un cambio di conformazione che fa sì che le subunità catalitiche si stacchino

e diventino attive. La PKA attivata va a fosforilare diversi enzimi, tra cui diverse chinasi, per esempio

la fosforilasichinasi, la quale si attiva e fosforila un enzima, attivandolo, ossia il glicogenofosforilasi,

il quale porta alla degradazione del polimero del glicogeno nei monomeri, quindi all’utilizzo del

glicogeno nella cellula, convertito poi in glucosio.

Insulina, adrenalina e glucagone hanno effetti opposti e, pertanto, i loro recettori “comunicano”: il recettore

dell’insulina porta all’attivazione della PKB, la quale, fosforila il recettore accoppiato a proteine G, perché in

seguito a fosforilazione questo viene internalizzato; perciò quando entra in