Biochimica - parte 1

Biochemicalezione 0: Introduzione alla biochimica della cellula

L'esame è diviso in 4 parti, una parte sulla descrizione delle macromolecole (50%), la seconda parte sulle vitamine (10%); queste due parti contano per 4 CFU. Gli ultimi due CFU riguardano gli enzimi (10%) e il metabolismo (40%). L'esame è sul computer.

Lo scopo della biochimica è la descrizione della struttura, dell'organizzazione e della funzione della cellula. Dal punto di vista chimico la biochimica si interessa di elementi quali H, N, O, C per quanto riguarda la distribuzione nel corpo umano. Anche una serie di metalli è importante, oltre che altri elementi quali zolfo, molibdeno, iodio, ferro.

Funzionamento delle molecole biologiche

Tutto quello che riguarda il funzionamento delle molecole biologiche. Molto spesso le molecole in considerazione sono dei biopolimeri, ripetizione di una singola unità; ad esempio, le proteine sono una ripetizione di amminoacidi. La biochimica deve considerare i meccanismi chimici che avvengono nelle molecole biologiche, tenendo conto della termodinamica (gli esseri viventi tendono a creare ordine piuttosto che disordine, questa tendenza va controbilanciata) e la capacità di autoreplicarsi (capacità di riprodurre molecole fedelmente).

La biochimica studia le reazioni complesse che avvengono nella cellula, inoltre consente di conoscere le strutture delle biomolecole (proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici, vitamine e coenzimi; questi ultimi due hanno dei gruppi funzionali che permettono la catalisi).

Proteine e loro applicazioni

Le proteine hanno un'importante funzione non solo biologica (sono in grado di catalizzare moltissime reazioni), ma vengono anche applicate biotecnologicamente nel campo medico farmaceutico, agroalimentare, nel campo delle nanomacchine, nella tutela dell'ambiente e nella green chemistry. Le proteine sono sistemi dinamici, hanno dei cambiamenti conformazionali, perché sono formati da unità monomeriche (amminoacidi). Sono selettivi e specifici con alcuni substrati.

Ripasso: biologia e la cellula

Le prime differenze tra un sistema di molecole e un essere vivente sono:

• Le molecole che li costituiscono sono complesse ma organizzate in strutture ordinate;
• L'energia necessaria per svolgere la loro funzione la estraggono dall'ambiente che li circonda (la luce solare viene trasformata in energia chimica dalle piante e consumata da organismi consumatori; questo processo libera calore);
• Hanno la capacità di autoreplicarsi (contengono al loro interno tutte le informazioni per creare una copia dell'individuo);
• Ogni parte che li compone ha una specifica funzione.

Tutti gli organismi sono formati dallo stesso tipo di cellule, che hanno la stessa dimensione per mantenere il rapporto superficie/volume in modo da non danneggiare gli scambi. L'unità fondamentale degli organismi viventi: Essa è composta da un nucleo, e dal citoplasma che la circonda; inoltre è circondata da una membrana plasmatica (ha la funzione di mantenere la struttura della cellula e il contatto con l'ambiente esterno).

Tipi di cellule e struttura

Riconosciamo due tipi diversi di cellule eucariotiche (la struttura interna è suddivisa tramite membrane, che creano spazi chiusi):

• Animali, che comprendono oltre al nucleo molti specifici organelli citoplasmatici (mitocondri, reticolo endoplasmatico, ribosomi, lisosomi, apparato di Golgi e centrioli).
• Vegetali, comprendono tutti gli organelli di quella animale (tranne i lisosomi) e altri specifici organuli (vaculo, cloroplasti) e hanno una parete cellulare rigida.

Funzioni delle strutture cellulari

La funzione delle diverse strutture cellulari:

• Membrana plasmatica: serve a mantenere la distinzione tra ambiente esterno e interno della cellula; è una parete selettiva (ma non rigida) perché permette lo scambio di sostanze con l'esterno (che permettono la vita delle cellule).
• Nucleo: è il contenitore del DNA (materiale ereditario, rappresenta ciò che è la molecola e cosa essa faccia), ed è circondato da una membrana nucleare che permette gli scambi con il citoplasma, ma fornisce una protezione; nel nucleo troviamo un nucleolo, il produttore di ribosomi.
• Mitocondri e cloroplasti: forniscono energia alla molecola. Nei mitocondri si produce l'ATP (tramite la demolizione di composti chimici, respirazione cellulare), riserve di energia. Nei cloroplasti (specifici dei vegetali) avviene la fotosintesi: tramite la luce solare vengono trasformate semplici sostanze in zuccheri.
• Reticolo endoplasmatico: vengono prodotti i lipidi ed eliminate le sostanze tossiche; è costituito da un intreccio di membrane a cisterna collegate tra loro.
• Ribosomi: sintetizzano le proteine; sono formati da RNA e proteine.
• Apparato di Golgi: serve ad etichettare le proteine (mettendole in forme utilizzabili dalle cellule e/o attaccando altre parti, come i lipidi o carboidrati) per la loro destinazione finale (interna o esterna alla cellula); è costituito da membrane non connesse.
• Lisosomi: idrolizzano macromolecole che contengono enzimi (eliminano); sono specifiche animali.
• Vaculo: contiene la linfa cellulare e scorie, serve per la crescita della cellula.
• Parete cellulare: ciò che protegge la cellula e le da forma (solo vegetale).
• Citoplasma: fluido gelatinoso che contiene tutte le parti della cellula.

Il DNA è il composto depositario delle informazioni genetiche, assieme all'RNA servono per tradurre, conservare e trasmettere le caratteristiche proprie di ogni individuo. Si forma attraverso l'unione di 4 elementi, chiamati anche basi (adenosina, citosina, guanina e timina; A-T e C-G), esse si sistemano in file.

Legami chimici e importanza della biochimica

I polimeri sono sistemi di unità (monomeri) che si ripetono; la loro sintesi allontana una molecola di acqua, perché tra i monomeri si crea uno specifico legame chimico. Il legame che forma le proteine si chiama specificatamente ammidico. Invece il legame che unisce due monosaccaridi è definito acetalico (emiacetale) perché il disaccaride è un acetalico. Il legame fosfoestere si forma tra un acido fosforico e un gruppo alcolico. Il legame che si forma tra un alcol e un acido carbossilico è un legame estere.

Secondo me, la biochimica è importante per un chimico in quanto ci permette di mettere in pratica ciò che abbiamo studiato. Nel senso che è un modo per capire effettivamente come tutto quello che abbiamo studiato interagisce ed agisce; sarebbe possibile approfondire anche altri aspetti della chimica, ma la parte biologica ci riguarda da vicino e possiamo farne un'esperienza quotidiana. Sicuramente è una disciplina che può avere diversi riscontri, da quello alimentare a quello farmaceutico, quindi non è fine a se stessa.

Lezione 1: Struttura primaria delle proteine e caratteristiche amminoacidi

Struttura e funzione delle proteine

La struttura primaria delle proteine è la semplice sequenza e successione degli amminoacidi, la struttura secondaria è come la catena si stabilizza dal punto di vista energetico (struttura architettonica, stereochimica), la struttura terziaria è l'organizzazione spaziale delle strutture (tridimensionale), struttura quaternaria è tipica delle proteine che si complessano a formare più catene unite tra loro (non è di tutte le proteine, non tutte la hanno).

Le proteine sono polimeri di α-amminoacidi, gli amminoacidi danno delle proprietà specifiche alla proteina quindi conoscere la struttura chimica di essi è come conoscere le potenzialità strutturali e funzionali delle proteine. Gli amminoacidi sono definiti α-amminoacidi perché in tutti è presente un carbonio α che lega il gruppo carbonilico e il gruppo amminico (la parte comune a tutti gli amminoacidi), il carbonio α ha un'ibridazione sp³.

Legame tra amminoacidi

Il processo di legame tra due amminoacidi è fondamentalmente una reazione di condensazione: c'è la formazione di un ammide (RCONR₂), chiamato legame peptidico. Entrambi i gruppo legame al carbonio α hanno delle proprietà di dissociazione (il gruppo carbossilico può perdere un protone, mentre quello amminico può acquistare uno); il pK_a del gruppo carbossilico è circa 2/3, pK_a del gruppo amminico è circa 10, a pH = 7 il gruppo carbossilico è dissociato, mentre il gruppo amminico è protonato: ogni amminoacido è uno zwitterione (a pH neutro presenta sia una carica positiva che una negativa) per quanto riguarda la parte comune a tutti gli amminoacidi, poi si possono presentare sostituenti che hanno comportamenti differenti.

Caratteristiche delle catene amminoacidiche

La catena laterale conferisce le caratteristiche chimiche alla proteina che si avvolge, la parte comune invece serve alla polimerizzazione (struttura principale). Le caratteristiche chimiche della catena laterale conferiscono all'amminoacido delle caratteristiche strutturali (ma anche alla proteina che si forma) e delle caratteristiche funzionali.

Gli amminoacidi hanno un nome e un'abbreviazione a 3 lettere, e un'abbreviazione a 1 lettera (serve per i database). La stereochimica dipende dall'orientamento dei vari gruppi rispetto al carbonio α, possono essere della serie L oppure della serie D (tutte quelle umane sono L), che dipende dalla posizione del gruppo sostituente (proiezione di Fischer): se sta a destra appartiene alla serie D, mentre se sta a sinistra appartiene alla serie L.

Esiste un amminoacido che non ha una stereochimica del carbonio α perché non ha 4 sostituenti differenti. Ci sono alcuni amminoacidi che non sono presenti nelle proteine umane.

Gruppo degli amminoacidi alifatici

La glicina è l'amminoacido che ha il sostituente più semplice (H). Viene inserito nel gruppo degli amminoacidi alifatici. Non ha una stereochimica del carbonio α. È molto flessibile, anche perché di piccole dimensioni.

L'alanina ha un gruppo funzionale che è un metile, quindi è idrofobica (anche essa fa parte del gruppo degli amminoacidi alifatici). Le sue caratteristiche dipendono dal CH₃.

Valina ha un gruppo che ingombra maggiormente, un propile (metile disostituito), possiamo definire il carbonio legato al carbonio α come carbonio β. La leucina ha un gruppo metilenico in più rispetto alla valina, ha un peso molecolare identico alla isoleucina (unici due). È γ sostituita. È parecchio idrofobica, e molto flessibile (legami σ).

La isoleucina ha un metilene in più rispetto alla valina, ma rispetto alla leucina è β sostituita. È parecchio idrofobica, e molto flessibile (legami σ).

La prolina è definita come amminoacido alifatico, quindi idrofobico, ed ha una ciclizzazione quindi ha una struttura molto rigida e causa dei ripiegamenti molto specifici nelle proteine (caratteristica differente dal resto del gruppo).

Gruppo degli amminoacidi polari

La serina è un amminoacido di piccole dimensioni, comprende un gruppo idrossilico che non si dissocia quasi mai (pK_a circa 16) da cui dipendono le proprietà della molecola. Questo amminoacido è debolmente polare.

La cisteina contiene un atomo di zolfo (che ha circa le stesse caratteristiche dell'ossigeno); il protone legato allo zolfo tende a dissociarsi (pK_a = 8.3), ma la dissociazione dipende dall'ambiente esterno. Questo amminoacido può andare incontro a ossidoriduzione, formando un legame disolfuro tra i due zolfi (cistina) in ambiente ossidante.

Nella treonina compare un metile (caratteristica idrofobica), e un gruppo alcolico che permette all'aminoacido di essere coinvolta in un legame ad idrogeno, oltre che ad avere caratteristiche polari. Ha le stesse caratteristiche della serina, ma è più ingombrante.

La metionina è sempre il primo amminoacido di una proteina, contiene un atomo di zolfo sostituito, che conferisce al sistema una caratteristica fortemente idrofobica. Inoltre, la presenza del doppietto sullo zolfo da legami ad idrogeno, oltre che coordinazione con metalli.

Gruppo degli amminoacidi aromatici

Nella fenilalanina compare un benzene quindi sarà idrofobica, da interazioni π ed ha una delocalizzazione degli elettroni particolare; ha un ingombro differente, inoltre il benzene che si orienta in modo differente nello spazio perché il legame C(β)-Bn è un legame σ semplice che può ruotare. Ha un'assorbanza specifica.

Il sostituente della tirosina è un gruppo fenolico (sostituzione in para). Il fenolo è acido, quindi il protone legato all'ossigeno può dissociarsi (pK_a = 10).

Il triptofano è molto ingombrante (il maggiore), è uno dei meno presenti (c'è solo una tripletta che lo codifica). Ha un anello indolico: 5 atomi, 4 di carbonio e uno di azoto, in cui i doppi legami sono condivisi con un anello benzenico. Il protone si dissocia non molto facilmente, ma crea legami ad idrogeno più facilmente. È un sistema idrofobico. Questo sistema ha la capacità di rimettere le frequenze assorbite (fluorescenza).

Questi amminoacidi hanno delle proprietà di assorbimento perché gli elettroni delocalizzati possono essere facilmente eccitati, per alcune lunghezze d'onda danno una specifica assorbanza (assorbimento di una lunghezza d'onda). Molte proteine hanno un'assorbanza altro ai 200 nm; l'assorbanza permette di usare lo spettrofotometro. Abs = log I_o/I (I_o = intensità di ingresso, I = intensità d'uscita), questa quantità ha una proporzionalità con la concentrazione della specie (Lambert-Beer), grazie alla quale possiamo quantificare l'abbondanza della proteina.

Gruppo degli amminoacidi basici

Questo gruppo di amminoacidi ha la possibilità di avere interazioni elettrostatiche, anche a pH neutro. Inoltre, possono essere coinvolte in legami ad idrogeno.

L'istidina ha un imidazolo (2 atomi di azoto) legato ad un carbonio β; ha molte forme di risonanza, quindi anche diverse forme di protonazione. I protoni hanno una pK_a = 6.5/7 il che rende questo sistema un buon donatore e/o accettore di protoni, dal punto di vista catalitico è molto importante (catalisi acida). ϵ ϵ-C.

La lisina è un amminico, perché ha un gruppo azotato in ϵ. La pK_a di questo sistema è circa 10 (si trova quasi sempre in forma protonata).

L'arginina ha come sostituente un gruppo guanidinico (a lato in δ). Questo gruppo sostitute ha una risonanza del guanidina del doppio legame, può essere protonato (pK_a = 12). È un sostituto ingombrante.

Gruppo degli amminoacidi acidi

Questo gruppo comprende due acidi sia le loro rispettive ammidi, anche se non hanno proprietà simili (dissociazione); le ammidi hanno una caratteristica polare.

L'acido aspartico ha un sostituente carbossilico (è un dicarbossilico). Ha una pK_a di dissociazione di circa 4, ma è variabile con le condizioni al contorno.

L'acido glutammico ha 5 atomi di carbonio, ma fondamentalmente la stessa struttura dell'acido aspartico; infatti, la pK_a è di circa 4.

L'asparagina è il rispettivo azotato dell'acido aspartico. La glutammina è l'analogo azotato dell'acido glutammico, può dare legami ad idrogeno, ma non da interazioni elettrostatiche.

Le caratteristiche degli amminoacidi rendono le proteine degli anfoliti, cioè che presentano più aree che positive o negative, più gruppi dissociabili. I gruppi laterali non essendo impegnati nel legame peptidico sono dissociabili. Gli amminoacidi hanno presenze differenti nelle proteine.

La cisteina è importante nella produzione di ponti di solfuro, che hanno un'importanza perché hanno la possibilità di creare strutture stabili (proinsulina da cui deriva l'insulina). La selenocisteina (cisteina, ma al posto che un azoto ha un atomo di selenio) è molto studiata in sistemi nella quale c'è la possibilità di catturare e trasformare la CO₂.

Struttura secondaria

Interazione del gruppo carbossilico con il gruppo amminico per formare il legame così definito perché caratteristico dei peptidi (proteine), che ha delle caratteristiche geometriche particolari. In un tetrapeptide si nota una struttura principale, con delle catene laterali; i gruppi amminici e carbossilici sono neutri perché hanno reagito tra loro, ma rimangono protonati o deportanti i terminali liberi del primo (amminoacido N-terminale) e dell'ultimo (l'amminoacido C-terminale), inoltre le catene laterali possono portare delle cariche. La carica del sistema dipende dal pH. NB: le proteine sono sistemi direzionali con due estremità non equivalenti (c'è un N-terminale e un C-terminale).

Analisi della struttura primaria: spezzare la proteina in peptidi più piccoli tramite la degradazione completa [si perde la successione delle unità, ma si conoscono le percentuali di ogni unità], oppure con delle scissioni mirate, si può suddividere la molecola riducendo i ponti a solfuro (β-mercaptoetanolo) e riducendoli a sistemi non reagenti, e infine usando la degradazione di Edman, togliendo un amminoacido alla volta (tramite la formazione di una feniltioidantonia, un intermedio che ha delle caratteristiche che dipendono dall'aminoacido staccato e che permette di riconoscere i vari amminoacidi che si staccano e sequenziarli). Può essere bloccato da reazioni chimiche ai terminali.

Oggi si usano molti metodi di frammentazioni di massa, per confrontare i vari frammenti e capire quali si sono staccati; o la proteomica, fotografare le proteine presenti nella cellula in un momento funzionale. Un altro approccio è quello di frammentare le proteine con agenti biologici, proteine che tagliano altre proteine in siti specifici (proteasi).

Lezione 2: Legame peptidico, struttura secondaria delle proteine e proteine