Appunti di Biochimica

LEZIONE 1→ introduzione

Le macromolecole biologiche sono polimeri formati da strutture monomeriche, attaccate tra

loro attraverso un legame covalente, forte. Le proteine e gli acidi nucleici sono molecole

informazionali, in quanto la sequenza dei loro monomeri è significativa:

→ Le proteine sono formate da combinazioni di 20 amminoacidi che possono formare 2

(dove L è la lunghezza della proteina) sequenze possibili. La sequenza contiene

l'informazione che determina il ripiegamento, la formazione della proteina e con essa il ruolo.

Nelle proteine è possibile che un amminoacido venga cambiato con un altro senza

conseguenze, a patto che abbiano proprietà simili → evoluzione delle proteine.

→ Gli acidi nucleici sono formati da 4 possibili nucleotidi e contengono l'informazione per

codificare i geni. Le sequenze possibili sono .

4

Sono però entrambi polimeri direzionali, cioè hanno un punto di inizio e un punto di fine,

fondamentali per alcune funzioni.

Il tipo di legame covalente che tiene insieme il polimero dipende dalla molecola. Per la

formazione delle molecole, come proteine ed acidi nucleici, sono molto importanti anche i

legami deboli non covalenti, come: legami idrogeno, interazioni ioniche, interazioni

idrofobiche e interazioni di Van der Waals. La sequenza degli amminoacidi contiene

l'informazione della struttura delle proteine, che si basa proprio su questo tipo di legami.

IMPORTANZA DELLA FORMA:

Es. posizionamento del sito catalitico in un enzima​

Es. interazioni tra le molecole biologiche → sono stereospecifiche

Es. formazione di superfici di interazione

Dalton (D)= 1/12 della massa di un atomo di carbonio​

Peso molecolare o Mr= rapporto tra la massa e 1/12 della massa di un atomo di carbonio.

Gli elementi presenti maggiormente nelle molecole biologiche sono: H, Na, K, Ca, C, N, O,

P, S, Cl. Ma sono presenti anche tracce di altri elementi indispensabili come: Se, Zn, Mg, Fe.

Chimica del carbonio:

Può fare 4 legami singoli, ma può anche fare legami doppi o tripli. I quattro legami singoli

danno alla molecola una disposizione tetraedrica e possono ruotare liberamente, mentre i

legami doppi e tripli sono più corti e rigidi e gli atomi sono disposti sullo stesso piano.

TERMODINAMICA ED ENERGIA (sapere costante di Faraday, dei gas e di Boltzmann)

Gli organismi viventi sono sistemi aperti che scambiano energia e materia con l'ambiente

circostante. Il sistema biologico è in uno stato stazionario dinamico, ovvero non è

all'equilibrio, in cui i materiali vengono continuamente degradati e ricostruiti.

G= H - TS

A temperatura costante: - TS

G= H

Nelle reazioni endoergoniche, ovvero che assorbono energia dal sistema mentre

G>0;

nelle reazioni esoergoniche l'energia è liberata nel sistema quindi G<0.

Le reazioni esoergoniche sono spontanee, mentre quelle endoergoniche possono avvenire

solo se viene fornita energia.

In biochimica ci sono 2 tipi di reazione che possono anche avvenire accoppiate per sfruttare

al meglio l'energia (ad esempio con l'idrolisi di ATP) Es: prima reazione della glicolisi: il

glucosio viene fosforilato per ottenere il glucosio-6-fosfato; si tratta di una reazione

accoppiata perché questo passaggio è endoergonico, ma idrolizzando l'ATP in ADP +

fosfato viene liberata molta energia, che viene sfruttata per fosforilare il glucosio.

Come si fa avvenire una reazione accoppiata? Si utilizzano catalizzatori specifici, ovvero

enzimi su cui si legano i reagenti e, avvenuta la reazione, vengono rilasciati i prodotti.

METABOLISMO= trasformazione; è suddiviso in:

- catabolismo (reazioni esoergoniche-ossidazioni)

- anabolismo (reazioni endoergoniche-riduzioni)

LEZIONE 2→ amminoacidi

In un sistema chiuso la reazione procede spontaneamente fino a che non viene raggiunto

l'equilibrio, ovvero quando la velocità di formazione dei prodotti è uguale alla velocità di

formazione dei reagenti.

rappresenta la variazione di energia libera che si verifica quando il sistema passa dallo

G

stato iniziale a quello di equilibrio a temperatura e pressione costanti.

L'equilibrio viene definito dalla costante di equilibrio:

Data una reazione A + B → C + D si ha = [C][D]/[A][B]

[ ] = concentrazione in molarità

Una grande costante di equilibrio indica che la reazione è spostata verso i prodotti,

viceversa se è piccola la reazione è spostata verso i reagenti.

Esempio: reazione di idrolisi di ATP: ATP → ADP + P → AMP + P + P

La variazione di energia di questa reazione è negativa perché è una reazione esoergonica,

5

che libera energia. In condizioni standard questa reazione ha una = M. Però la

2 10

cellula è in equilibrio dinamico e quindi le concentrazioni delle molecole cambiano

continuamente.

Considerando delle concentrazioni diverse da quelle standard, la reazione è all'equilibrio?

[ATP]= 5mM

[ADP]= 0.5Mm

[Pi]= 5mM

Calcoliamo Q: il rapporto di azione di massa, ovvero il rapporto di concentrazione dei

prodotti e quello dei reagenti quando la reazione non è all'equilibrio (è uguale alla costante di

equilibrio ma riferito a quando la reazione non è all’equilibrio).

Q= [ADP][P]/ [ATP]

−4

Q= = [0.5][5] / [5] = 0.5mM = M → il sistema non è all'equilibrio perché la

5 10

differenza con la della reazione è troppa (questo perché c’è troppo ATP)

Calcolo del in una reazione accoppiata (idrolisi del glucosio):

G

Glucosio + Pi → glucosio 6-fosfato = 13,8 kJ/mole

°'

ATP → ADP + P = -30,5 kJ/mole

°'

Glucosio + ATP → glucosio 6P + ADP =(13,8 -30,5) kJ/mole = -16.7 kJ/mole

°'

In questo modo con l'idrolisi dell'ATP si ottiene l'energia che serve per trasformare il glucosio

in glucosio 6-fosfato e rimane anche un po' di energia.

LEGAMI DEBOLI

Sono fondamentali per formare le molecole e per permettergli di interagire tra di loro.

Legami a idrogeno: interazione elettrostatica tra un atomo elettronegativo

➔​ (accettore) e un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un altro atomo

elettronegativo (donatore).

L'acqua, ad esempio, è un

dipolo e forma legami

idrogeno con sé stessa e con

altri elementi.

Un legame a idrogeno ha

energia di legame che varia

tra 10 e 60 kJ/mol. I legami a idrogeno non sono tutti uguali, infatti la forza dipende

da quanto sono vicini l'accettore e il donatore e da come sono posizionati tra di loro,

per questo l'energia di legame è così variabile. Nelle molecole biologiche questo tipo

di legame è molto comune, ad esempio nelle catene polipeptidiche o tra 2 basi

azotate complementari.

Interazioni di Van der Waals: riguardano gruppi non polari, sono interazioni non

➔​ specifiche tra atomi non carichi, che possono infatti formare dipoli transitori. Vi è una

distanza ottimale tra i 2 atomi in cui la forza è attrattiva, ma se i 2 gusci si avvicinano

troppo la forza diventa repulsiva. Una proteina può avere questo tipo di interazione

ed è molto importante per l'acquisizione di una struttura terziaria.

Interazioni ioniche: sono interazioni, di tipo attrattivo o repulsivo, elettrostatiche ma

➔​ tra gruppi che hanno una carica

ACIDI E BASI + −

HA → +

+ −

= [ [ ]/ [HA] = → = log 1/ = -log

Più forte è la tendenza di un acido a dissociarsi, più piccola è la p .

−

pH= p + log[ ] / [HA] solitamente non chiede questi esercizi!

Il pH è importante per alcuni enzimi che funzionano solo a determinate condizioni. La

pepsina funziona benissimo a pH=2, intatti si trova nei succhi gastrici e serve per la

digestione delle proteine; mentre la tripsina funziona bene a pH neutro.

Ci sono delle sostanze che si oppongono alle variazioni di pH e sono chiamate tamponi, si

tratta di miscele di acido e base coniugata che lavorano bene in determinati range di pH.

Il tampone fosfato si trova nei fluidi extracellulari (lacrime, saliva...) e funziona bene a

p = 6/7; mentre invece il tampone bicarbonato è utilizzato per tamponare il pH del sangue.

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi si chiamano così in quanto possiedono sia un gruppo carbossilico (gruppo

acido, che può essere protonato, sia un gruppo amminico (basico), insieme ad un H e una

catena laterale che caratterizza il singolo amminoacido. Il carbonio in centro è uno

stereocentro è si definisce .

α

Tutti gli amminoacidi, tranne la glicina (che è il più semplice) sono chirali e hanno

enantiomeri. Gli amminoacidi più comuni e che si trovano nelle proteine sono tutti

L-aminoacidi, ossia con potere di ruotare il piano della luce polarizzabile verso sinistra.

Le proteine sono costituite da diverse sequenze date dai 20 amminoacidi:

da imparare a memoria!

LEZIONE 3→ LEGAME PEPTIDICO

Struttura di un Ⲁ-amminoacido

Tutti gli amminoacidi contenuti nelle proteine sono di questo tipo e sono tutti della serie L;

tutti i sostituenti sono legati ad un unico atomo di C, l’unico elemento che varia da un aa

all’altro è la catena laterale R. Gli amminoacidi (tranne G) sono chirali e contengono gruppi

−

ionizzabili: carbossilico, finale (COOH → CO ) e amminico, iniziale (NH →NH +). Le

2 3

catene laterali sono per lo più apolari (più o meno idrofobiche in base alla lunghezza).

Sostituzione conservativa→ cambiamento di un aa con un altro simile; è una variazione

che accade con l’evoluzione ma non causa particolari cambiamenti.

La metionina è una dei pochi aa che contiene S.

POLARI:

Serina: S, la presenza del gruppo -OH è ciò che gli dona polarità

Cisteina: C, contiene zolfo, è coinvolta nell’instaurarsi dei ponti disolfuro (-S-S-)

Prolina: P, è particolarmente rigida quindi si trova spesso nelle curvature della struttura

proteica, nei punti di rigidità e rende possibile il ripiegamento nelle strutture

Asparagina (N) e Glutammina (Q): sono simili ma la seconda è più lunga di un C

APOLARI:

Fenilalanina: F, aminoacido aromatico di partenza, idrofobico

Tirosina: Y, aggiunge un gruppo ossidrile che cambia di molto le proprietà rendendolo più

polare (e può essere fosforilato)

Triptofano: W, aromatico

CARICHI

Sono polari e possono ionizzarsi

Lisina: K, ha un gruppo -NH che può avere una carica positiva

Arginina: R

Istidina: H, si carica positivamente e spesso si trova nei siti attivi di alcuni enzimi; può

funzionare sia da acido che da base

Acido aspartico: D

Acido glutammico: E

Gli aa aromatici assorbono la luce nell'ultravioletto, di lunghezza d'onda= 100/400 nm.

AMMINOACIDI NON STANDARD= modificazione post-trascrizionali

degli aa noti, operate da enzimi specifici (es: idrossilasi per

aggiungere un gruppo -OH, tipico delle proteine che intervengono

nelle reazioni a cascata di coagulazione)

Perché succede? serve a dare delle proprietà speciali a una proteina

Ornitina e citrullina sono intermedi della biosintesi dell’arginina e del ciclo dell’urea.

AMMINOACIDI COME NEUROTRASMETTITORI

Il triptofano è un precursore della serotonina

La tirosina è un precursore dell’adrenalina

Esistono vie di sintesi per alcuni aminoacidi, ma solamente quelli non essenziali poiché

questi ultimi vanno assunti con l’alimentazione. L’uso degli aa ha un bias, cioè è sbilanciato.

carica: +1 -1

L’istidina ha un p intorno a 6

→ a pH 2 ha carica netta +2 → a pH 9 ha carica netta +1

Punto isoelettrico, pI→ pH al quale la molecola non ha nessuna carica netta quindi non si

sposta se sottoposta ad un campo elettrico; può essere utilizzato per purificare un

composto.

Es: Istidina pI=½ (p - p )= 5,9

1 2

FORMAZIONE DI UN PEPTIDE

Come legare 2 o + aa insieme? attraverso una reazione di

condensazione (perdita di una molecola d’acqua dai gruppi

carbossi e ammino terminali) per arrivare ad un dipeptide che ha

un legame covalente. La formazione del legame peptidico non è

favorita energeticamente (è favorita l’idrolisi, reazione contraria,

catalizzata dall’enzima proteasi) e richiede l'intervento del

ribosoma.

La struttura risultante è rigida, non può ruotare e possiede punti di

snodo in corrispondenza dei CⲀ; forma angoli diedrici: l’angolo di

rotazione che si può formare tra l’azoto e il CⲀ è detto ɸ (phi) e

quello rispetto al CⲀ e al C successivo è detto ψ psi

); questi 2

(

angoli sono quelli intorno ai quali c’è libertà di rotazione.

TETRAPEPTIDE

Il citoplasma è più riducente del

reticolo endoplasmatico.

Peptidi biologicamente attivi:

-​ Aspartame:

aspartil-fenilalanina è un

dolcificante

-​ Ormoni→ ossitocina (9 aa) stimola contrazione

dell’utero

-​ Tossine dei funghi

-​ Insulina→ proteina che regola la glicemia e

segnala quanto glucosio c’è nelle cellule. E’ fatta

da 2 catene di 30 e 21 amminoacidi diverse

tenute insieme da ponti disolfuro. Anche se in realtà è tradotta, cioè prodotta come

un’unica catena, che in seguito viene processata da tagli proteolitici. Il pancreas

quindi la produce come una catena unica e quando viene processata per essere in

forma attiva, una gran parte viene rimossa (peptide C)

-​ Vasopressina→ ha un ruolo nel mantenimento della pressione sanguigna

-​ Glutatione→ è responsabile del mantenimento della situazione redox, è costituito da

acido glutammico, cisteina e glicina ed esiste in 2 forme: ridotta (con SH libero) e

ossidata (2 molecole si legano e formano un ponte disolfuro). Il rapporto tra forma

ridotta e ossidata determina quanto è ossidante l’ambiente cellulare in un

determinato compartimento.

LEZIONE 4→ FORMAZIONE DELLE PROTEINE

Quando si legano insieme 2 amminoacidi si ha una reazione di condensazione, ovvero si

perde una molecola di acqua. Si perde un -OH dal gruppo carbossilico di un aa e un -H dal

gruppo amminico dell’aa successivo. Si forma così un legame peptidico. Questa reazione

non è favorita dal punto di vista dell’energia, è anzi favorita la reazione contraria. Nella

cellula queste reazioni avvengono grazie a dei sistemi enzimatici: per far avvenire l’idrolisi,

quindi per la rottura del legame peptidico, è necessario un enzima, la proteasi. Il legame

peptidico è particolare rispetto agli altri legami covalenti perché ha un parziale carattere di

doppio legame, è un po’ più corto e contiene più energia. Il piano su cui risiede il legame

peptidico è rigido, per cui la struttura non può ruotare attorno al legame peptidico ma può

farlo attorno allo stereocentro.

CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE

Le proteine sono una componente molto abbondante nella cellula, questo perché esse

svolgono tantissime funzioni. Infatti, la prima classificazione è proprio in base alla funzione:

- Enzimi, che sono dei catalizzatori biologici (es. tripsina)

- Proteine di trasporto, molecole che vengono sintetizzate in un luogo ma devono

svolgere la loro funzione in un altro (es. emoglobina)

- Proteine di riserva energetica (es. caseina, ovoalbumina)

- Proteine contrattili (es. actina e miosina)

- Proteine strutturali (es. collagene, cheratina)

- Proteine di difesa (es. anticorpi)

- Proteine con funzioni regolative (es. alcuni ormoni)

La seconda classificazione si attua in base alla composizione:

- Proteine semplici, sono formate solo dalla catena polipeptidica

- Proteine coniugate, sono formate da catene polipeptidiche che per svolgere la

funzione devono associarsi anche ad un gruppo prostetico

Apoproteina (catena polipeptidica) + gruppo prostetico (parte non proteica) = oloproteina

LIVELLI ORGANIZZATIVI delle PROTEINE

1) Struttura primaria: è la sequenza amminoacidica. Le proteine hanno sequenze

uniche di amminoacidi specificate da geni; infatti, è proprio la sequenza a

determinare la struttura tridimensionale

2) Struttura secondaria: nessuna proteina si mantiene lineare, infatti i vari

amminoacidi interagiscono tra di loro. In questo modo si formano tratti di catena

organizzati ad andamento regolare e ripetitivo. Le proteine dotate della sola

struttura secondaria sono dette filamentose. Le organizzazioni che si formano

nei vari tratti sono di 2 tipi: α-elica e β-foglietto. Si formano attraverso legami

deboli, soprattutto legami a idrogeno, tra amminoacidi adiacenti nel caso

dell’α-elica, anche lontani nel caso di β-foglietto

3) Struttura terziaria: è data dalla disposizione spaziale complessiva di una catena

polipeptidica ed è normalmente formata dall’alternanza di tratti di struttura

secondaria e tratti ad andamento irregolare. Una proteina dotata di struttura

terziaria presenta di conseguenza una struttura compatta e globulare

4) Struttura quaternaria: è presente solo in quelle proteine composte da più

catene polipeptidiche, tenute saldamente assieme da legami non covalenti o da

ponti disolfuro. In una proteina dotata di struttura quaternaria la singola catena

polipeptidica è detta subunità

Non bisogna confondere il concetto di subunità con quello di dominio. La subunità è un

polipeptide singolo e ripiegato che fa parte di una struttura quaternaria; è il prodotto di un

gene. U