Biochimica generale

BIOCHIMICA GENERALE

AA. 2022-2023

1 BIOCHIMICA GENERALE

Indice

AMINOACIDI .................................................................................................................................... 2

PEPTIDI/PROTEINE ...................................................................................................................... 4

ENZIMI ............................................................................................................................................ 15

CARBOIDRATI E GLICOCONUGATI ........................................................................................ 21

NUCEOTIDI E ACIDI NUCLEICI ............................................................................................... 26

LIPIDI ............................................................................................................................................... 33

MACRONUTRIENTI, VITAMINE E SALI MINERALI ........................................................... 37

INTRODUZIONE AL METABOLISMO ...................................................................................... 41

GLICOLISI E CATABOLISMO DEGLI ESOSI .......................................................................... 44

IL METABOLISMO DEL GLICOGENO ..................................................................................... 50

GLICOGENOLISI ........................................................................................................................... 51

GLICOGENOSINTESI ................................................................................................................... 52

IL CONTROLLO DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO .................................................. 53

GLUCONEOGENESI ..................................................................................................................... 56

VIA DEL PENTOSO FOSFATO .................................................................................................... 60

METABOLISMO MITOCONDRIALE ......................................................................................... 61

METABOLISMO LIPIDICO ......................................................................................................... 71

CATABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI ................................................................................... 73

ANABOLISMO ................................................................................................................................ 76

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2 BIOCHIMICA GENERALE AMINOACIDI

Gli L--aminoacidi possono essere considerati infiniti ma solo 20 sono preoteogenici

(detti aminoacidi standard) ovvero implicati nella sintesi proteica nelle cellule

eucariotiche. Gli aminoacidi essenziali sono un sottoinsieme degli aminoacidi standard

costituito da 9 aminoacidi che le nostre cellule non sono in grado di sintetizzare e che è

quindi necessario assimilare attraverso la dieta.

Gli aminoacidi standard sono: alanina, glicina, isoleucina, leucina, prolina, valina,

fenilalanina, triptofano, tirosina, aspartato, glutammato, arginina, istidina,

lisina, serina, treonina, cisteina, metionina, asparagina e glutammina.

Gli aminoacidi essenziali sono: isoleucina, leucina, istidina, valina, fenilalanina,

triptofano, lisina, treonina, metionina.

N.B. La metionina è il primo aminoacido di ogni catena aminoacidica e contiene un gruppo

tiolo (CH -SH)

2

Nomenclatura aminoacidi

La nomenclatura degli aminoacidi prevede che siano denominati con un codice a 3 lettere

ed un codice ad 1 lettera (non sempre corrisponde con l’iniziale del nome).

Struttura base aminoacidi

-amminoacidi

Tutti hanno un gruppo

carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico



(-NH ) legati allo stesso carbonio e differiscono

2

l’uno dall’altro per la catena laterale R che ha

struttura, dimensione e carica diverse.

N.B. Struttura, carica e idrofobicità sono le

principali caratteristiche distintive degli

aminoacidi. 

Il carbonio è ibridizzato sp3 e può essere un

centro chirale (legato a 4 atomi/gruppi funzionali differenti). La glicina è un esempio di

aminoacido in cui il C non è chirale poiché è legato a due atomi di H . AA. 2022-2023

3 BIOCHIMICA GENERALE

Carica elettrica degli aminoacidi

La carica elettrica degli aminoacidi

dipende dai gruppi amminico e

carbossilico. In soluzione acquosa

neutra, tutti gli aminoacidi si

presentano in forma

zwitterionica. Gli zwitterioni

presentano carica 0 poiché la carica

3+ -

+ di NH e la carica – di COO si

annullano. La carica elettrica degli

aminoacidi dipende dunque dal

pH della soluzione in cui sono

immersi. Se la soluzione presenta

pH acido l’aminoacido viene

protonato quindi ha carica +, al

contrario se la soluzione presenta

pH basico viene deprotonato e

assume dunque carica -.

N.B. Gli aminoacidi possono comportarsi sia da acidi che da basi.

Il punto isoelettrico (pI) è il valore di pH al quale una molecola presenta carica elettrica

netta nulla. In quanto catene lineari di amminoacidi, le proteine presentano uno specifico

→

pI dato dal valore di pH al quale la proteina è elettricamente neutra. (Se pH<pI Carica +,

→

se pH>pI Carica -).

Mentre nei singoli aminoacidi la carica dipende esclusivamente dai gruppi amminico e

carbossilico, nelle catene amminoacidiche il pH è influenzato soprattutto dalle catene R.

Nelle catene amminoacidiche si avrà infatti un solo gruppo amminico, facente parte del

primo aminoacido, e un solo gruppo carbossilico facente parte dell’ultimo aminoacido.

Nelle catene peptidiche ho un’estremità amminoterminale (N-terminale), scritta

per convenzione a sinistra, e un’estremità carbossiterminale (C-terminale), scritta

invece a destra.

Modificazioni degli aminoacidi

Alcuni amminoacidi possono essere modificati mediante l’aggiunta di particolari

gruppi chimici alle catene R, dopo che è stata creata la catena peptidica, che

determinano una variazione delle proprietà del residuo amminoacidico. Queste

modificazioni prendono il nome di modificazioni post-traduzionali, in inglese post-

translational modifications (PTMs).

Alcune modificazioni post-traduzionali sono:

• Fosforilazione: reazione chimica ATP-dipendente, che avviene ad opera delle

chinasi, che addizionano un gruppo fosfato ad una proteina o ad una molecola. Le

fosfatasi invece si occupano della defosforilazione;

• Acetilazione;

• Acilazione;

• Glicosilazione: processo che consiste in un attacco di una catena di carboidrati a N

o a O, per aumentare la solubilità della proteina. Questo processo avviene su segmenti

costituiti da: asparagina - aa qualsiasi - serina;

• Idrossilazione;

• Ubiquitinazione;

• S-nitrosilazione;

• Metilazione; AA. 2022-2023

4 BIOCHIMICA GENERALE PEPTIDI/PROTEINE

Peptidi e proteine sono polimeri di aminoacidi, in particolare si parla di:

• Dipeptide→ 2 aa;

• Tripeptide→ 3 aa;

• Tetrapeptide→ 4 aa;

• Oligopeptide→ 2-50 aa;

• Polipeptide;

• Proteina→ composta da più peptidi;

Legame peptidico

Gli aminoacidi si legano tra loro mediante legami

covalenti detti legami peptidici.

Questo legame si genera nel momento in cui,

tramite una reazione di condensazione

(unione di due strutture molecolari con perdita

di una molecola di H O), la parte acida di un

2

aminoacido (-COOH) si lega alla parte basica di

un altro (-NH ). Uno degli idrogeni legati

2

all’azoto si unisce al gruppo OH- di COOH formando la molecola di H O che viene persa

2

durante la condensazione e permettendo così ad N ed O d unirsi e formare il legame

peptidico.

N.B. Ogni aa presente in una catena polipeptidica prende il nome di residuo.

Il legame peptidico, essendo stabilizzato per risonanza, è un legame misto, infatti, la

sua lunghezza sta a metà tra la lunghezza del legame singolo e quella del legame doppio e

questo implica che ci sia una certa difficoltà nel movimento.

Nel legame peptidico C - NH - CO - C sono complanari e gli atomi H e O (del legame

peptidico) sono sempre in TRANS,

configurazione energicamente favorita. Una

peculiarità del legame peptidico è il fatto che vi

sia una libera rotazione tra C - C=O (angolo

Ψ (psi)) e tra C - NH (angolo Φ (fi)). La

rotazione non è in realtà completamente libera in

a causa di determinati ingombri sterici delle

catene laterali dei residui aminoacidi.

Ponte disolfuro

Due residui di cisteina si legano tra loro mediante un legame covalente S-S detto ponte

disolfuro. Questo legame si forma mediante ossidazione dei gruppi tiolici -SH.

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Grafico di Ramachandran

Tramite il grafico (plot) di Ramachandran sono stati

studiati tutti i valori possibili degli angoli diedri Ψ e Φ ammessi

all’interno di una struttura peptidica e in media solo il 25% del

diagramma è occupato da zone stericamente permesse. Le zone

di conformazione possibili variano in base alla complessità

dell’aminoacido: la glicina, che è il più semplice aminoacido e

che presenta una struttura simmetrica, avrà più zone

disponibili. In particolare, nel caso della glicina, le zone

permesse occupano fino al 45% del plot di Ramachandran.

Strutture proteine:

Le proteine hanno 4 livelli di organizzazione:

• Struttura primaria;

• Struttura secondaria;

• Struttura terziaria;

• Struttura quaternaria;

Struttura primaria

: La struttura

primaria consiste della sequenza di

aminoacidi legati tra loro mediante

legami peptidici/ponti disolfuro per

formare polipeptidi.

Struttura secondaria : La struttura secondaria è la struttura tridimensionale di un

segmento della proteina e dunque una organizzazione locale in grado di dare stabilità

alla struttura stessa. La struttura secondaria è dovuta alla formazione di legami idrogeno tra

i gruppi C=O e NH dello scheletro polipeptidico, senza tener conto delle catene laterali o

delle relazioni con altri parti della proteina. -elica, .

Si distinguono 3 tipologie di struttura secondaria: foglietto e ripiegamento

-helix,

--elica: Detta anche è la più semplice organizzazione

regolare di una catena. Essa si forma quando un certo numero di

ϕ)

coppie successive di angoli diedri(ψ e hanno valori compresi

fra -60°e -50°. In questo modo i piani peptidici si dispongono

in maniera elicoidale intorno ad un asse longitudinale. Ogni

giro d’elica contiene 3.6 residui che corrisponde ad una

Å.

estensione di 5.4 Lo scheletro carbonioso è avvolto intorno

all’asse centrale, lasciando i gruppi laterali R proiettati verso

-elica

l’esterno. Si distinguono destrorsa o destrogira (Φ=-

-elica

60°e Ψ=-45°) e sinistrorsa o sinistrogira (Φ=+60°e

-elica

Ψ=+60°) Le proteine contengono prevalentemente

destrogira (in senso antiorario dal basso all’alto). Quella

sinistrogira è infatti meno stabile a causa dell’interferenza sterica

-elica

fra il C=O e i gruppi laterali R. La struttura ad è stabilizzata da ponti H

intracatena, data dalla disposizione reciproca ottimale dei gruppi che possono formare

legami idrogeno. Il legame avviene fra l’atomo di ossigeno carbonilico di un legame peptidico

e l’atomo di idrogeno legato ad N del quarto legame peptidico successivo. Pur essendo una

-helix.

struttura molto stabile non tutti gli aminoacidi «favoriscono» la formazione di un I

tratti proteici che attraversano le membrane biologiche (appartenenti alle proteine

-eliche.

integrali) sono frequentemente organizzate come AA. 2022-2023

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:

-foglietto Nella conformazione a foglietto

, si formano legami H intercatena tra

filamenti di almeno 5-10 residui

amminoacidici, organizzati in un tipico

andamento a zig-zag. Le catene R

sporgono alternativamente verso l’esterno,

alternativamente sopra e sotto al piano

(ortogonalmente agli atomi di O carbonilico e

H amminico, implicati nei ponti H). Si

:

distinguono due tipi di foglietto parallelo

e antiparallelo. Nel foglietto parallelo

(struttura instabile) i ponti H sono

regolarmente distanziati e non perpendicolari

al filamento, nel foglietto antiparallelo

i ponti H risultano alternati a coppie vicine e

lontane e sono disposti perpendicolarmente

alla direzione del filamento. I valori tipici per

Ψ=105°)

un foglietto sono: (Φ=-120° e nel

Ψ=140°)

foglietto parallelo e (Φ=-135° e nel foglietto antiparallelo. Come si nota in figura i

-sheet vengono rappresentati con una freccia con la punta nel C-terminale e la coda nell’N-

terminale. : -turn

-ripiegamento Il è un ripiegamento a 180° di una sequenza di 4 residui ed

è localizzato i nei punti in cui la catena polipeptidica forma un ripiegamento o un’ ansa o

inverte la sua direzione,

come alle estremità di due

segmenti adiacenti di un

foglietto antiparallelo.

Questa struttura è

stabilizzata dal ponte H tra

il C=O del primo e NH del

quarto residuo. Così come

per il foglietto anche nel

-turn

caso del se ne

distinguono due tipologie:

-turn

il di tipo I, se in

posizione 2 c’è una prolina,

-turn

e il di tipo II, se in

posizione 3 è presente una

glicina.

Struttura supersecondaria: Diverse strutture secondarie possono combinarsi fra loro.

Nel caso di combinazioni multiple di strutture secondarie, molto frequenti in porzioni di

proteine, si parla di strutture supersecondarie. Queste strutture sono note anche con il

nome di motivo o ripiegamento. Queste strutture tridimensionali permettono alla

proteina di svolgere determinate funzioni. Se estratti dalla proteina questi segmenti non

sono stabili, in quanto i motivi esistono perché i loro contorni di aminoacidi contengono le

informazioni per fare esistere il motivo stesso. I motivi si distinguono quindi dai domini,

porzioni composte da più strutture secondarie che possono però esistere e svolgere la loro

funzione anche al di fuori della proteina. AA. 2022-2023

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-Hairpin:

- Una struttura supersecondaria molto semplice è il β-hairpin,

-sheet

formato da due antiparalleli legati tra loro da un linker formato da

2-5 residui amminoacidici, tra i quali figurano solitamente una glicina e una

prolina, che sono in grado di assumere gli angoli diedri necessari per disporsi

a giro. -sheet

- Greek key: Il motivo a chiave greca è costituito da 4

antiparalleli connessi da linker. In particolare tre di questi filamenti

-hairpins,

sonno connessi da mentre il quarto è collegato al primo da un

linker più lungo.

- Helix-loop-helix: Il basic helix-loop-helix (bHLH) è molto comune

nei fattori di trascrizione dimerici. Presenta una regione basica,

coinvolta nel legame al DNA, e la regione HLH, coinvolta invece

nella formazione del dimero.

-Zinc fingers: I zinc fingers sono una famiglia di strutture supersecondarie varie e

complesse, accomunate dalla capacità di legare un atomo di zinco attraverso residui di

cisteina e istidina. Lo zinco serve a “chiudere” un ansa di una trentina di aa. Sono molto

diffuse e rappresentato motivi di interazione con altre biomolecole, in genere DNA. Di per

sé, l’interazione fra un motivo zinc finger e il DNA è debole, ma la maggior parte delle

proteine che legano DNA contengono molte di queste strutture, aumentando quindi la forza

dell’interazione proteina/DNA.

-EF hand: Questo motivo è presente in proteine che legano il calcio. Le prime cinque

proteine, le cui catene devono avere cariche negative, legano il calcio mentre il sesto

aminoacido è la glicina. In questo motivo un certo numero di aminoacidi devono essere

-elica.

idrofobici per creare una regione idrofobica tra le due

Struttura terziaria : La struttura terziaria, nota anche come

struttura nativa, rappresenta la conformazione tridimensionale

degli atomi che compongono una proteina di sequenza definita.

Questa struttura è data dall’unione di specifiche zone delle

strutture secondarie, tramite legami covalenti ( peptidico o

disolfuro) o deboli interazioni (come forze di Van der Waals, legami

H, legami ionici ed interazioni idrofobiche). La struttura terziaria è

tipica delle proteine globulari (mioglobina, emoglobina) e

delle proteine fibrose (cheratina, collagene).

Folding

Il processo che porta dalla struttura primaria alla struttura terziaria si chiama folding o

ripiegamento. Le informazioni necessarie per fare assumere la giusta conformazione

tridimensionale ad una proteina sono contenute nella sua sequenza aminoacidica. Il

processo di folding è facilitato dalle chaperonine, proteine specifiche in grado di

coordinare il ripiegamento idrolizzando ATP. Le chaperones creano patch idrofobici

legandosi a regioni polipeptidiche non ripiegate e ricche di residui idrofobici impedendo

possibili aggregazioni dannose.

Il meccanismo molecolare del folding non è stato ancora stabilito, ma sembra essere un

processo sequenziale gerarchico e cooperativo. Il folding si dice cooperativo in quanto

alcuni elementi di struttura si formano per primi e guidano il resto della catena polipeptidica

nell’assumere la conformazione nativa. AA. 2022-2023

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Folding funnel (imbuto energetico): Nel processo di folding

si parte da uno stato ad alta energia ed alta entropia. Con il

procedere del ripiegamento aumenta il numero delle

interazioni e diminuisce il numero di conformazioni ammesse.

L’intermedio di ripiegamento già globulare ma ancora poco

compatto prende il nome di globulo fuso o molten globule.

Alcune