Biochimica

Biochimica

Lezioni e materiali

Lezione 1 → Quaderno e libro
Lezione 2 → Quaderno e libro
Lezione 3 → Quaderno, libro e annotazioni
Lezione 4 → Quaderno, libro e annotazioni
Lezione 5 → Slide e libro
Lezione 6 → Quaderno e slide

I cosubstrati

Possono essere metalli (da cui avremo metalloenzimi e enzimimetallici) oppure coenzimi che sono composti organici che coadiuvano l'attività degli enzimi e sono derivati delle vitamine idrosolubili.

Le vitamine

Composti essenziali per la salute dell’uomo e di altri vertebrati che non vengono però da essi sintetizzati e devono essere assunti con la dieta. Insufficiente apporto vitaminico → gravi stati patologici. Ruolo fondamentale delle vitamine nel metabolismo.

Le vitamine possono essere:

• Idrosolubili: precursori di coenzimi o coenzimi esse stesse (come ad esempio l'acido scorbico); partecipano alle reazioni enzimatiche come coadiuvanti degli enzimi (coenzimi o gruppi prostetici in base al tipo di legame con l'enzima).
• Liposolubili: non svolgono la funzione di coenzimi. Sono precursori di fattori per garantire alcuni processi non enzimatici come la visione o la coagulazione. In tutto sono 4.

Differenza tra coenzimi e gruppi prostetici: i coenzimi non si legano all'enzima ma si avvicinano ad esso nel momento della reazione senza legarsi covalentemente ma temporaneamente. Mentre il gruppo prostetico è una molecola organica non proteica derivante da una vitamina ed è legato stabilmente all'enzima con un legame covalente e non si stacca "mai".

Vitamine idrosolubili

Niacina o acido nicotinico (vitamina B3)

È precursore di coenzimi piridinici NAD+ e NADP+, i quali hanno solo l'anello nicotinammidico come gruppo funzionale e sono formati da un nucleotide standard (AMP) legato attraverso un legame fosfo-anidridico ad un altro nucleotide con una base azotata detta nicotinammide. NAD+ e NADP+ differiscono per un gruppo fosfato in posizione due nello zucchero del primo nucleotide.

Tutti e due partecipano a reazioni redox con scambio di elettroni e protoni coadiuvando l'azione dell'enzima deidrogenasi: nella reazione, due elettroni e un protone si legano all'anello nicotinammidico (che dal NAD diventa NADH) e lo possono fare in due modi ottenendo il composto A o B in base a dove l'enzima deidrogenasi trasferisce il protone (ione H+), e parleremo quindi di NADH o NADPH (forma ridotta); mentre l'altro protone va al solvente.

NAD o NADP differiscono dalle loro forme ossidate NAD+ o NADP+ per la presenza di una carica positiva sull'azoto dell'anello nicotinammidico. La coppia NAD+/NADH interviene nelle reazioni di catalisi e quindi di ossidazione dove NAD+ accetta elettroni. La coppia NADP+/NADPH interviene nelle reazioni anaboliche e quindi di biosintesi/riduzione dove gli elettroni li dona NADPH o potere riducente.

NADH e NAD+ hanno uno spettro di assorbimento distinto che consente di seguire la cinetica della reazione redox.

Fonti di ac. nicotinico:

• Sintetizzato in piccola parte dal triptofano;
• Principalmente assunto con la dieta (carne, legumi, cereali, uova, latte).

Deficit di ac. nicotinico:

• Stati carenziali lievi sono asintomatici;
• Stati carenziali gravi determinano insorgenza di pellagra (dermatite, diarrea, demenza).

Riboflavina (vitamina B2)

È precursore di coenzimi flavinici come FAD (dato da FMN+AMP legati da legami fosfo-anidrico) e FMN che partecipano a reazioni redox. In realtà FAD e FMN non sono dei veri e propri coenzimi ma sono dei gruppi prostetici perché legati covalentemente all'enzima deidrogenasi di cui coadiuvano la reazione, quindi sono parte dell'enzima.

Nella struttura vediamo sia FAD che FMN, mentre la riboflavina è solo formata dai tre anelli (che formano l'anello isoallosazinico) più i 5 carboni fino a CH2-O. La riboflavina viene esterificata con un gruppo fosfato e se la struttura finisce al gruppo fosfato otteniamo l'FMN. Il gruppo funzionale di tutti e due è l'anello isoallosazinico e gli enzimi contenenti FAD o FMN sono detti flavoenzimi.

La reazione tipo con FAD: il substrato che si ossida diventa un substrato in cui si forma un doppio legame, e il substrato quindi perde 2 protoni e 2 elettroni; questi vengono accettati dal FAD in due step successivi, cioè accetta prima un protone e un elettrone e abbiamo la formazione del legame N-H ma resta un elettrone spaiato e perciò sarà una specie radicalica poco stabile (detta forma semichinonica) che si ottiene dal primo step, ma che accetta gli altri protoni ed elettroni ottenendo così la specie completa ridotta.

FADH2 e FAD hanno uno spettro di assorbimento distinto che consente di seguire la cinetica della reazione redox.

Fonti di riboflavina:

• Principalmente assunta con la dieta (latte, carne, cereali, uova);
• La carenza causa delle lesioni orali, oculari, cutanee e genitali.

Deficit di riboflavina:

• La carenza primitiva di riboflavina è associata a un consumo inadeguato di latte e di altri prodotti animali;
• Le carenze secondarie sono più frequenti nelle diarree croniche, nelle epatopatie, nell'alcolismo e nelle situazioni postoperatorie in cui la terapia infusionale manca di supplementi vitaminici.

Acido pantotenico (vitamina B5)

È precursore del coenzima A (CoA), essenziale come trasportatore di gruppi acilici attivati (acidi grassi attivati). Il CoA svolge un ruolo fondamentale nelle reazioni di degradazione e sintesi degli acidi grassi. Il legame tioestere C-S è ricco di energia ed è più propenso all'idrolisi rispetto al legame C-O.

Il CoA è formato da un AMP o ADP che attraverso un legame fosfo-anidridico è legato all'acido pantotenico, il quale attraverso un legame carbamminico al beta-mercato-etilammina, il cui gruppo tiolico è il gruppo reattivo di tutto il CoA.

Inoltre, l'acido pantotenico ha un altro ruolo: sotto forma di fosfopanteteina funziona da gruppo prostetico della proteina trasportatrice di acili (ACP) durante la sintesi di acidi grassi. La fosfopanteteina è legata ad una serina dell'enzima mediante il gruppo fosforico terminale (legame covalente).

Fonti di ac. pantotenico:

• Principalmente assunto con la dieta (diffuso in svariati alimenti).

Non sono stati caratterizzati stati di deficit vista la sua abbondanza in una notevole varietà di alimenti.

Tiamina (vitamina B1)

È precursore della Tiamina pirofosfato (TPP), un coenzima attivo che favorisce la rottura di un legame adiacente ad un gruppo carbonilico e funziona da trasportatore di gruppi aldeidici attivati (ad esempio la piruvato deidrogenasi). Nella struttura della tiamina, la porzione senza il pirofosfato cioè senza i due gruppi fosfati; il gruppo funzionale della TPP è il C-H dell'anello tiazolico.

Fonti:

• Principalmente assunta con la dieta (ne sono ricchi carne di maiale e cereali; per la sua funzione essenziale molti cibi vengono comunemente arricchiti di tiamina).

Deficit:

• Stati carenziali gravi determinano insorgenza di beri-beri (induce atrofia, debolezza muscolare e, nelle forme gravi, paralisi, tachicardia e insufficienza cardiaca).

Piridossina (vitamina B6)

La vitamina B6 esiste sotto forma di piridossina, piridossale e piridossammina. I coenzimi attivati da essa derivati sono il piridossal 5' fosfato (PLP) e la piridossammina 5' fosfato (PMP). Questo PMP non è altro che un intermedio quando funziona da substrato perché il vero coenzima è il PLP.

Il PLP è un coenzima essenziale per le reazioni di trasferimento di gruppi amminici, catalizzate dalle aminotransferasi o transaminasi: la transaminazione sposta il gruppo amminico di un amminoacido (che diventa alfa-chetoglutarato) su un accettore universale del gruppo alfa-chetoglutarato che si trasforma in L-glutammato.

PLP: coenzima di partenza.
PMP: intermedio di reazione in cui converte il PLP durante il ciclo catalitico.

Il PLP è un gruppo prostetico saldamente legato all'enzima mediante la formazione di un legame imminico (base di Schiff) tra PLP ed enzima. Quando arriva l'AA substrato, il suo gruppo amminico si sostituisce a quello dell'enzima.

Ma oltre a questa reazione, il PLP catalizza anche reazioni di:

• Decarbossilazione: rottura del legame tra C-alfa e COOH dell'AA
• Racemizzazione (L → D): rottura del legame tra C-alfa e H dell'AA (in questi casi non si forma l'intermedio PMP)

Fonti:

• Principalmente assunta con la dieta (ne sono ricchi carne, verdure, tuorlo d'uovo, cereali)

Deficit:

• Ne esistono pochi casi, soprattutto legati a condizioni particolari (gravidanza, trattamento con farmaci anti-TBC o anti-artrite reumatoide che legano e inattivano la vitamina)

Acido folico (vitamina B9)

Detto anche acido pteroilglutamico. È formato da 3 unità, e mediante 2 reazioni successive di riduzione catalizzate dalla diidrofolato reduttasi, vengono aggiunti 4 H⁺ all'acido folico formando il coenzima attivo, ovvero il tetraidrofolato o FH4. I gruppi reattivi del coenzima sono N5, N10.

Questo coenzima funziona da trasportatore di unità monocarboniose attivate. Queste unità possono avere diversi gradi di ossidazione. Non trasporta la CO2 (a più alto grado di ossidazione).

Gruppi trasportati:

• Gruppo metilico
• Gruppo metilenico
• Gruppo metenilico
• Gruppo formilio
• Gruppo formimminico

Si parte da un FH4 senza nessun frammento monocarbonioso, ma si carica di uno di questi grazie alla reazione che trasforma serina in glicina in cui si perde CH₂-OH; così l'FH4 forma il N5-N10-metilen-FH4; ora questa forma può convertirsi in tutte le altre con i vari frammenti monocarboniosi e queste altre forme sono interscambiali fra di loro ad eccezione dell'N5-metil-FH4 il quale non viene usato come donatore del gruppo metile perché ha un basso tasso di trasferimento del gruppo metile e quindi non lo cede tanto bene, e ciò è un problema perché se si forma questo si blocca tutto. Viene usato per formare l'S-adenosil-metionina (SAM) dove il legame S-CH₃ rilascia il gruppo metile nelle reazioni di metilazione e diventa S-adenosil-omocisteina e poi cisteina grazie a N5-metil-TH4 che ritorna a tetraidrofolato scarico, pronto a ri-iniziare il ciclo (ma in tutto ciò serve il coenzima B12). Ma da chi si forma SAM? Dalla metionina che reagisce con ATP, il quale toglie il gruppo trifosfato e si lega alla metionina.

Fonti:

• Principalmente assunto con la dieta (ne è ricca la carne)

Deficit:

• La carenza di acido folico si manifesta in casi di gravidanza o di scarsa alimentazione, portando a ridotta capacità delle cellule di dividersi (per carenza di basi puriniche e pirimidiniche e quindi per ridotta sintesi di DNA) e spesso a casi di anemia.

Biotina (vitamina B8)

È una vitamina che partecipa come gruppo prostetico nelle reazioni di carbossilazione, essendo un trasportatore di CO₂ attivata. La biotina è covalentemente legata al gruppo NH₂ di un residuo di Lys dell'enzima mediante formazione di un legame carbammidico. È il suo gruppo carbonilico che crea il legame.

Il gruppo funzionale della vitamina è l'anello. Grazie al legame con la lisina, si forma una coda di carbonio, ovvero un lungo braccio flessibile che sposta un intermedio di reazione da un sito all'altro dell'enzima.

I principali enzimi che necessitano di biotina come gruppo prostetico non sono altro che delle carbossilasi, cioè delle transferasi che trasferiscono un gruppo carbossilico, e sono:

• Piruvico carbossilasi
• AcetilCoA carbossilasi
• PropionilCoA carbossilasi

Hanno il meccanismo identico ma cambia il substrato. Questi enzimi hanno due siti attivi e quindi possono catalizzare due reazioni che sono:

1. Carbossilazione della biotina e formazione di carbossibiotina
2. Carbossilazione del substrato e riformazione della biotina

Una reazione tipo della biotina, come quella catalizzata dall'AcetilCoA carbossilasi: la biotina si avvicina a uno dei siti attivi dell'enzima che è il biotina-carbossilasi e si carbossila lei stessa (cioè lega un gruppo carbossilico formando un legame carbonio-azoto), cioè prende CO₂ (bicarbonato veramente); poi la carbossi-biotina si sposta (grazie al lungo braccio flessibile) e va al secondo sito attivo che è una trans-carbossilasi dove avviene il trasferimento del carbossile dalla carbossi-biotina al substrato. Ciò permette di formare il prodotto che esce dalla reazione e la biotina neutra.

Fonti:

• Assunta con la dieta (ne sono ricchi arachidi, cioccolata e uova)
• Prodotta da microrganismi intestinali che garantiscono la presenza di quantità appropriate di questa vitamina

Deficit:

• Ne esistono pochi casi, soprattutto legati a condizioni particolari (terapie antibiotiche o eccessivo consumo di albume d'uovo crudo: contiene avidina che si lega stabilmente alla biotina e la rende non assimilabile)

Acido lipoico

È una molecola ad 8 atomi di carbonio contenente un disolfuro ciclico. Il gruppo reattivo della molecola è il ponte -S-S- che può ridursi formando acido diidrolipoico a catena aperta e successivamente riossidarsi. L'acido lipoico partecipa quindi a reazioni redox, legandosi come gruppo prostetico ad una Lys del sito attivo dell'enzima, attraverso un legame carbamminico con l'NH in posizione sigma della lisina. Il lungo braccio flessibile della lipoil-lisina consente al gruppo reattivo di spostarsi da un sito all'altro dell'enzima.

L'acido lipoico agisce da gruppo prostetico della subunità diidrolipoil transacetilasi del complesso enzimatico della piruvato DH (tappa di ingresso del ciclo di Krebs).

Fonti:

• Principalmente assunto con la dieta (diffuso in svariati alimenti)

Non sono stati caratterizzati stati di deficit di acido lipoico vista la sua abbondanza in una notevole varietà di alimenti.

Cobalamina (vitamina B12)

È formata da un anello tetrapirrolico (formato da 4 anelli pirrolici ognuno dei quali ha al centro un atomo di N) al cui centro ha un atomo di cobalto e infatti l'anello viene chiamato anello corrinico. Anche il cobalto può formare 6 legami di coordinazione: 4 li forma con i quattro atomi di N, uno con un ribonucleotide complesso, e l'ultimo con specie diverse; quando isoliamo la vitamina utilizziamo del cianuro e quindi si lega esso al sesto legame con il cobalto e si forma la cianurocobalamina (ma questo quando bisogna isolare la vitamina). In realtà nella cellula al sesto legame del cobalto si lega una 5'-deossi-adenosina (l'adenosina è un ATP privato dei tre gruppi fosfati).

La vitamina B12 è precursore del Coenzima attivo B12 che è una deossi-adenosil-cobalamina, dove al cobalto si lega la 5'-deossi-adenosina. Nel coenzima la parte reattiva è solo il legame tra CH₂-Cobalto.

Come si forma il coenzima B12 a partire dalla vitamina 12? Si ha l'interazione della vitamina con l'ATP dove viene rotto il legame per abbandonare il gruppo trifosfato e la deossi-adenosina va a legarsi al sesto legame di coordinazione del cobalto formando il coenzima B12 attivo.

Il coenzima B12 coadiuva delle reazioni che prevedono un riarrangiamento intramolecolare: nella reazione abbiamo due carboni adiacenti i quali uno un gruppo X e uno un H; il coenzima B12 provvede a questi riarrangiamenti intramolecolari dove si ha uno spostamento dei due gruppi fra i carboni adiacenti.

Ma come fa il coenzima a favorire questa reazione? Grazie al legame tra CH₂ e cobalto che è un legame molto labile e infatti basta la luce a romperlo, ma subisce una scissione omolitica e ciò porta alla formazione di una specie radicalica che si chiama 5'-deossi-adenosilico; questo radicale evolve andando a strappare un H dal substrato che diventa la specie radicalica; in questo nuovo radicale ora l'elettrone si sposta da un carbonio all'altro e contemporaneamente il gruppo X si sposta anche e così il radicale evolverà andando a strappare un H dalla deossi-adenosina riformando il radicale 5'-deossi-adenosilico (che si stabilizza formando il legame CH₂-cobalto) e il prodotto finale.

Una reazione in cui possiamo trovare il coenzima B12 è quella catalizzata dalla metil-malonilCoA mutasi che favorirà lo scambio di gruppi fra H e CoA. La cosa importante è che l'H strappato al substrato è quello ricevuto dall'intermedio di reazione per formare il prodotto: l'atomo di idrogeno che viene spostato da un atomo di C all'altro del substrato non si scambia con quelli del solvente, in quanto viene prima ceduto e poi recuperato sempre dal gruppo 5' metilico della deossiadenosina. La reazione avviene in una tasca stretta dell'enzima e non vi partecipa l'acqua.

L'altra reazione in cui partecipa il coenzima B12 è quella della sintesi di metionina: una carenza del coenzima B12 determina una carenza anche di tetraidrofolato (ciò viene detto trappola del tetraidrofolato). L'N5'-metil-tetraidrofolato non dona facilmente il gruppo metilico e non partecipa alle reazioni, e rimane una forma metabolica bloccata: l'unico modo per sbloccare è far partecipare alla reazione il coenzima B12 e così il gruppo metilico dell'N5'-metil-tetraidrofolato viene staccato e passando dal coenzima B12 va sulla metionina.

Fonti:

• Assunta con la dieta (ne è ricca la carne, mentre è assente nei vegetali poiché fotolabile)
• Prodotta da microrganismi intestinali che garantiscono la presenza di quantità appropriate di questa vitamina.