Biochimica generale

La biochimica e i suoi ambiti

La biochimica (o chimica biologica) studia i processi chimici che avvengono negli organismi viventi, in particolare le biomolecole. Principalmente ci si focalizza su:

• Genetica molecolare (biologia molecolare)
• Chimica delle proteine
• Metabolismo
• Signaling (trasduzione del segnale, biosegnalazione)
• Biomolecole

La chimica del carbonio

La chimica del carbonio (C): è l'elemento più abbondante ed è un atomo versatile a livello di legami, infatti forma legami semplici, doppi e tripli rispettivamente con H, O e N, e con C stesso. Il C presenta 6 elettroni nei gusci elettronici, 2 nell'orbitale 1s, 2 nell'orbitale 2s, 1 nell'orbitale 2px e 1 nell'orbitale 2py (gli orbitali s sono sferici mentre quelli p hanno una forma bilobata).

Ibridazioni del carbonio

Il C presenta delle ibridazioni, ossia l'unione tra un orbitale sferico e bilobato, formando un nuovo orbitale bilobato con lobi asimmetrici:

• sp: 4 orbitali ibridi con formazione a tetraedro con angoli di 109°
• sp²: 3 orbitali ibridi con formazione trigonale planare con angoli di 120° (orbitale p perpendicolare al piano)
• sp³: 2 orbitali ibridi con formazione lineare con angolo di 180°

Gruppi funzionali e isomeria

Gruppi funzionali: entità chimica che danno particolarità chimiche e fisiche alle molecole a cui sono legati come OH, NH, COOH, CO...

Isomeria

L'isomeria è possibile solo nel caso della presenza di un piano immaginario, solitamente dato dalla presenza di un doppio legame nella molecola.

• Cis: i 2 sostituenti sono presenti nella stessa parte del piano
• Trans: i 2 sostituenti sono presenti in parti opposte rispetto al piano

Tipi di isomeri

Isomeri: composti chimici che presentano una identica formula bruta (quindi stessa massa molecolare) ma diverse caratteristiche chimiche o fisiche.

Differiscono per l'ordine con cui sono legati i loro atomi (concatenamento) e presentano diversa formula di struttura implicando la diversa posizione del gruppo funzionale (stesso gruppo funzionale) es. 1-propanolo e 2-propanolo.

Isomeria cheto-enolica

Stessa molecola con 2 gruppi funzionali diversi (isomeria cheto-enolica due isomeri di funzione che possono trasformarsi reversibilmente l'uno nell'altro).

Stereoisomeria

Forma di isomeria spaziale in cui gli isomeri sono convertibili l'uno nell'altro senza rompere i legami ma solo tramite rotazione attorno a legami semplici. La molecola assume diverse conformazioni (cicloesano: a sedia, a barca).

Diastereoisomeri e enantiomeri

Diastereoisomeri: tutti gli stereoisomeri configurazionali che non sono enantiomeri, spesso succede che l'immagine speculare di una molecola sia parzialmente sovrapponibile ad un'altra, in questo caso è un diastereoisomero e non un enantiomero.

Enantiomeri: stereoisomeri configurazionali che sono l'uno l'immagine speculare non sovrapponibile dell'altro (di tutta la molecola), questo perché c'è un C chirale (non ha piano di simmetria) con 4 sostituenti diversi.

Proprietà degli enantiomeri

Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche ma attività ottica (S e R), conformazione in grado di ruotare il piano della luce polarizzata, tramite polarimetro. Tale potere rotatorio è uguale per i due enantiomeri ma di segno opposto.

La stereoisomeria è importante a livello di antipodi ottici e ha proprietà chimiche identiche, escludendo l'interazione con altri reattivi otticamente attivi (chirali).

Esempi di farmaci e loro effetti

Azione dei farmaci ed enzimi, come ad esempio nel caso della talidomide che era prodotti in miscela racemica (50% enantiomero R e 50% enantiomero S) farmaco sedativo, antinausea e ipnotico, usato dalle donne incinte. Esso però presentava 2 enantiomeri, uno con le proprietà farmaceutiche indicate (-R), l'altro con attività teratogena (+S), dando alla luce bambini con malformazioni.

Nomenclatura degli enantiomeri

(convenzione di Cahn-Ingold-Prelog) regole di priorità:

• La priorità maggiore spetta all'atomo legato al C asimmetrico con numero atomico maggiore
• Se gli atomi legati al C sono uguali, la priorità maggiore spetta all'atomo a sua volta legato ad atomi a maggiore numero atomico
• Si osserva in modo che il sostituente a bassa priorità sia opposto all'osservatore

Proiezioni di Fisher

Hanno regole di sovrapponibilità:

• Possono essere ruotati intorno ad un asse di 180°
• Non possono essere ruotati di 90°
• Il gruppo a priorità più bassa deve trovarsi sulla linea verticale (in caso contrario la configurazione del senso di rotazione sarà opposta)
• Linea orizzontale legami diretti verso l'osservatore
• Linea verticale legami che si allontanano dall'osservatore

Energia e leggi fisiche

Le trasformazioni energetiche in ambito biologico avvengono in base alle leggi fisiche che governano tutti i processi naturali:

• Legge di conservazione della massa (Lavoisier): "nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma"
• Entropia di un sistema isolato lontano dall'equilibrio termico tende a salire nel tempo, finché l'equilibrio non è raggiunto

Funzioni di stato

Funzioni di stato:

• G: energia libera totale del sistema
• H: entalpia (calore) del sistema
• S: entropia (disordine molecolare)

G = H – TS

Reazioni chimiche reversibili

In una generica reazione chimica reversibile A + B ⇌ C + D (le 2 velocità si equiparano):

• Se ΔG < 0, la reazione è spontanea da sx a dx
• Se ΔG > 0, la reazione è spontanea da dx a sx e comporta un dispendio di energia
• Se ΔG = 0, la reazione si trova all'equilibrio

Principio di Le Chatelier

Quando l'equilibrio di un sistema viene perturbato dall'esterno, il sistema reagisce in modo da annullare il disturbo e ristabilire l'equilibrio.

Effetti della variazione

Effetto della variazione di concentrazione di un componente del sistema:

• Di C o D, di A o B: ristabilisce un nuovo equilibrio

Effetto della variazione di temperatura e pressione del sistema.

pH e monomeri

pH e altre variabili:

• Monomeri e polimeri: i monomeri sono unità minime che tramite polimerizzazione formano i polimeri, ossia un assemblamento di monomeri, come:

• Monomero: aminoacido → Polimero: proteina
• Monosaccaride → Polimero: glicogeno, amido, cellulosa
• Nucleotide → Polimero: acidi nucleici (DNA, RNA)
• Acido grasso → Polimero: trigliceridi

Cellula e aminoacidi

Cellula:

• Citosol: area in cui avviene la glicolisi
• Mitocondri: organello in cui avviene il ciclo di Krebs
• Lisosomi: organello con attività litica
• Reticolo endoplasmatico:
• Rugoso: produttore di proteine
• Liscio: produttore di lipidi, degrada sostanze tossiche e serbatoio di ioni Ca
• Perossisomi: organello adibito alla regolazione delle reazioni redox

Aminoacidi e proteine

Aminoacidi e proteine:

Struttura: tutti gli aminoacidi hanno una struttura in comune, presentano un C ibridato sp³ che può avere configurazione L o D (in base alla presenza del gruppo amminico sul C chiarale, D a destra, L a sinistra). A questo C, oltre ad essere legati NH₂, COOH e H, è legato un gruppo R che è la catena laterale che conferisce le diverse proprietà agli aminoacidi.

Classificazione e denominazione

Si classificano in base a numerose caratteristiche:

• La denominazione è data da 1 lettera (T, D, M…) o da tre lettere (Thr, Asp, Met…) che richiamano il nome dell'aminoacido.
• Gli aminoacidi da un punto di vista chimico possono esistere infiniti L-α-aminoacidi. Però in biochimica ne esistono 20 di standard (protinogenici), ossia quelli che sono normalmente incorporati durante la sintesi proteica nelle cellule eucariote.

Esistono poi gli aminoacidi essenziali, ossia quelli che non possono essere sintetizzati dall'organismo ma devono essere introdotti con la dieta, essi sono 9:

• Fenilalanina
• Treonina (presenta un gruppo OH come la tirosina e serina che viene poi fosforilato)
• Triptofano
• Metionina
• Lisina
• Leucina
• Isoleucina
• Valina
• Istidina

Proprietà degli aminoacidi

La glicina è l'aminoacido più semplice perché ha come sostituente l'H, questo fa sì che il Cα non sia più chirale. La prolina invece è una leucina ciclicizzata. L'aspartato (deriva dall'acido aspartico) e il glutammato (deriva dall'acido glutammico) hanno una carica negativa quando sono deprotonati. Tutti gli α-aminaocidi differiscono l'uno dall'altro per la catena R che ha struttura, dimensione e cariche diverse.

Caratteristiche chimico-fisiche

I caratteri distintivi principali sono struttura, carica elettrica ed idrofobicità. Non hanno altri gruppi COOH nella catena R. Le caratteristiche chimico-fisiche degli aminoacidi sono: massa molecolare, idrofobicità e carica elettrica.

Idrofobicità

Massa molecolare

Carica elettrica

In soluzione acquosa neutra

In soluzione acquosa neutra, tutti gli aminoacidi si presentano in forma zwitterionica. La forma zwitterionica consiste in forma in cui l'aminoacido presenta delle cariche che formano una carica netta pari a zero. La carica elettrica dipende dal pH del mezzo, questo perché:

• A pH acido ho la forma protonata dell'aminoacido (+H) NH₃⁺
• A pH basico ho la forma deprotonata dell'aminoacido (-H) COO^-

Comportamento degli aminoacidi

Posso avere diverse situazioni e comportarsi sia da acido che da base:

• NH₃⁺ e COOH
• NH₃⁺ e COO^- punto isoelettrico, al quale corrisponde lo zwitterione a pH intermedio
• NH₂ e COO^-

pH e punto isoelettrico

Anche i gruppi R possono protonare e deprotonare a differenti pH.

Aminoacido dicarbossilico

In quanto catene lineari di aminoacidi, le proteine presentano uno specifico pI dato dal valore di pH al quale la proteina è elettricamente neutra:

• pH < pI: proteina con carica positiva
• pH > pI: proteina con carica negativa

Elettroforesi delle proteine

Questo è visibile tramite una tecnica chiamato elettroforesi per il separazione delle proteine in base al pH: utilizzata nell'ambito delle analisi di laboratorio che sfrutta la massa molecolare e la carica elettrica delle proteine per valutarne la quantità e la qualità, quest'esame consente di separare le proteine.

Modificazioni post-traduzionali

Alcuni aminoacidi possono essere modificati tramite l'aggiunta di particolari gruppi chimici alle catene R, variazione delle proprietà del residuo amminoacidico. Esse vengono chiamate modificazioni post-traduzionali (PTMs), ossia una modificazione della proteina dopo che è stata prodotta, si classificano in:

• Fosforilazione (gruppo fosfato che viene attaccato ad una molecola [serina, tirosina e treonina])
• Chinasi attacca un gruppo fosfato
• Fosfatasi toglie un gruppo fosfato
• Acetilazione
• Acilazione
• Glicosilazione (avviene solo in sequenze di asparagina e serina)
• Idrossilazione
• Ubiquitazione ubiquitina (piccola proteina segnale) che si lega a catene lineari (generalmente alla lisina) di proteine da far degradare dai proteosomi (organello che degrada le proteine)
• S-nitrosilazione
• Metilazione

Aminoacidi non proteici e derivati

Troviamo anche aminoacidi non proteici e derivati (GABA, istamina, dopamina, tiroxina, citrullina, ornitina e S-adenosilmetionina), alcuni di essi sono componenti essenziali di diversi processi biologici, come neurotrasmettitori, ormoni, essenziali per il ciclo dell'urea e per scambi di gruppi metile.

Peptidi e proteine

Peptidi e proteine sono i polimeri degli aminoacidi:

• 2 aa (dipeptide)
• 3 aa (tripeptide)
• 4 aa (tetrapeptide)
• Oligopeptide (2-50 aa)
• Polipeptide
• Proteina

Legame peptidico

Il legame peptidico consiste in un legame tra il C-terminale di un aminoacido, con l'N-terminale di un altro aminoacido, eliminando una molecola di H₂O (condensazione). Il legame peptidico è un legame misto (a metà tra un legame covalente e doppio), questo perché ha una parziale carica che si distribuisce sui sostituenti, quindi si stabilizza per risonanza.

Struttura della proteina

Ciò implica che una torsione sul legame è parzialmente impedita e dà la struttura all'intera proteina. Gli orbitali sp² determinano un legame rigido e planare con delocalizzazione degli elettroni, gli angoli di legame sono di 120° con lunghezza intermedia tra un singolo ed un doppio. Gli atomi C_α-NH-CO-C_α sono complanari, ossia che giacciono sullo stesso piano.

Caratteristiche del legame peptidico

Il legame peptidico è leggermente più corto, più vicino all'N, rispetto agli altri legami. H e O del legame peptidico sono sempre in trans (configurazione energeticamente favorita) perché, se ruoto attorno al legame, ci sarà ingombro sterico e i sostituenti necessitano energia per stare lontani.

Ball and stick

Questa rappresentazione si chiama ball and stick e rappresenta le molecole secondo un codice colore specifico:

• N: azoto
• H: idrogeno
• O: ossigeno
• R: gruppi/sostituenti

Libertà di rotazione

Libertà di rotazione tra C_α-C=O (angolo psi) e tra C_α-NH (angolo phi) senza però considerare le catene laterali. Impongo un certo grado di rotazione tra i 2 piani. È un legame misto, per questo presenta tutte queste caratteristiche.

Unione degli aminoacidi

Nelle proteine, gli aminoacidi sono uniti covalentemente tra loro tramite:

• Legame peptidico
• Ponti disolfuro: due residui di cisteina possono essere uniti (cistina), tramite ossidazione dei gruppi -SH, formando un legame covalente S-S (ponte disolfuro): questo permette di collegare regioni diverse di una proteina (più catene polipeptidiche), stabilizzando la conformazione

Folding delle proteine

Folding: ripiegamento di una struttura primaria in una secondaria, questa nuova struttura è a sé stante e con una sua stabilità dovuta ai ponti disolfuro.

• Legami intracatena: ponti disolfuro tra 2 cisteine della stessa catena
• Legami intercatena: ponti disolfuro tra 2 cisteine di 2 catene diverse

Strutture delle proteine

Struttura primaria: sequenza di aminoacidi che compone la proteina legati insieme da legami peptidici, indica da quanti e quali aminoacidi è costituita la catena e come sono concatenati.

Struttura secondaria: struttura 3D di un segmento di una proteina (organizzazione locale, dovuta a interazioni fra aminoacidi adiacenti), essa è dovuta alla formazione di legami a H tra i gruppi CO e NH dello scheletro polipeptidico (senza tenere conto di catene laterali e relazioni con altri parti della proteina) ed ha una stabilità a sé stante.

Diagramma di Ramachandran

Tuttavia, un residuo non può avere una qualunque coppia di valori φ e ψ, o perché certe combinazioni non sono possibili a causa di impedimenti sterici. Il diagramma (plot) di Ramachandran è un modo di rappresentare le combinazioni di angoli diedri φ e ψ ammesse all'interno di una determinata struttura polipeptidica (quali sono i valori di angoli fisicamente permessi affinché non ci sia ingombro sterico).

Alanina, glicina e prolina

• Alanina: strutture secondarie permesse
• Glicina: nel caso della glicina invece, le zone permesse occupano fino al 45% del plot di Ramachandran, questo perché la glicina è l'unico aminoacido a non essere chirale poiché presenta l'H come gruppo R, infatti, è più permissiva con le conformazioni poiché ha meno ingombro sterico
• Prolina: una situazione opposta a quella della glicina è quella della prolina, la cui catena laterale limita i valori di φ intorno a -60° (±25°), rendendolo l'aminoacido con maggiori restrizioni conformazionali (ingombro sterico dell'anello)

Tipologie principali di strutture secondarie

• α-elica: la più comune, si forma quando un certo numero di coppie successivi di angoli diedrici (φ e ψ) hanno valori compresi fra -60° e -50°, con disposizione dei piani in modo elicoidale lungo l'asse longitudinale
• Le catene laterali puntano verso l'esterno
• Tra il bordo di un residuo e il residuo successivo c'è uno spazio chiamato passo, usato anche come unità di misura nelle proteine
• Sono presenti legami a H intracatena (sempre tra il 1º e il 4º residuo) che stabilizzano la molecola
• Si classificano in sinistrogira (antiorario) e destrogira (orario), la destrogira è la prevalente, la sinistrogira