Riassunto esame Biochimica, Prof. Torti Mauro, libro consigliato I Principi di Biochimica di Lehninger, David L. Nelson e Michael M. Cox

Biochimica – II anno scienze biologiche

La biochimica o chimica biologica è la branca della chimica che studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita: oggetto di studio sono la struttura e le trasformazioni dei componenti delle cellule, come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici e altre biomolecole.

Lezione 1 introduzione

Il carbonio rappresenta l'elemento più importante del nostro contesto biologico, poiché tutte le molecole all'interno della cellula sono a base di carbonio. Il carbonio può formare quattro legami covalenti e formare dunque anche catene molto lunghe e ramificate, di varia natura. NB: tenere bene a mente i gruppi funzionali evidenziati nella rispettiva slide.

I legami chimici si possono distinguere in legami covalenti (es: C-C 355KJ/mole) o legami non covalenti. Quest'ultimi si possono distinguere in quattro categorie:

• Interazioni elettrostatiche (5,8KJ/mole);
• Legami o ponti idrogeno: un atomo di idrogeno può venir catturato da un altro atomo. In questo meccanismo entra in gioco una diversa elettronegatività degli atomi coinvolti. Se, per esempio, si formasse un legame tra un azoto e un idrogeno, essendo il primo più elettronegativo, gli elettroni circolerebbero più spesso attorno all'azoto stesso. Se fosse poi presente un atomo di ossigeno, esso proverebbe a strappare l'idrogeno, coordinandolo. I ponti di idrogeno sono estremamente frequenti, poiché possono formarsi con diverse combinazioni. I ponti idrogeno hanno un'energia estremamente variabile, poiché essa dipende dalla disposizione spaziale del donatore e dell'accettore di idrogeno. Se questi sono perfettamente allineati con l'idrogeno, il legame è più forte. (4-20KJ/mole);
• Interazioni di Van der Waals: sono molto frequenti poiché coinvolgono tutti gli atomi. La distribuzione all'atomo, della nube elettronica non è uniforme attorno ma si sposta da una parte e dall'altra. Questo consente a diversi elementi di attrarsi tra loro, senza collidere l'uno con l'altro. Pertanto gli elementi si dispongono ad una distanza ottimale, ossia una distanza in cui le forze di repulsione e di attrazione sono ottimali (repulsione minima e attrazione massima). È proprio questa l'interazione di Van der Waals. (2-4KJ/mole);
• Interazioni idrofobiche.

Acqua

L' acqua rappresenta la componente principale delle cellule. Infatti, tutte le caratteristiche strutturali e funzionali delle cellule sono adattate alle proprietà fisiche e chimiche dell'acqua. Due sono le caratteristiche principali dell'acqua che poi determinano tutte le reazioni che avvengono nell'ambiente acquoso intracellulare: le molecole di acqua sono polari e si ionizzano. La polarità dell'acqua consente la formazione di legami idrogeno. In linea teorica, una molecola di acqua potrebbe coordinarsi mediante ponti idrogeno con altre quattro molecole di acqua. Questo, in realtà, succede soltanto quando l'acqua è allo stato solido. Infatti, a temperatura ambiente, l'energia termica è tale per cui i legami di idrogeno sono estremamente instabili, ed è proprio questa caratteristica che garantisce la fluidità dell'acqua allo stato liquido. La polarità dell'acqua è la caratteristica che consente a certe molecole di rimanere sciolte in acqua. Ad esempio, la dissociazione spontanea del cloruro di sodio, una volta immerso in acqua, dipende dall'interazione elettrostatica delle molecole di acqua con lo stesso. Nel momento in cui una sostanza è sciolta in acqua non è semplicemente dissociata, ma è ovviamente rivestita da molecole di acqua. Pertanto, ogni molecola disciolta in acqua è sempre circondata da un numero variabile di molecole di acqua. Molecole che non presentano gruppi carichi o gruppi polari, se presenti in un ambiente acquoso, rompono il reticolo di ponti idrogeno delle molecole di acqua, ma non sono in grado di sostituirli con interazioni diverse. In questo caso vi è dunque uno svantaggio energetico. Sono queste le cosiddette molecole idrofobiche. Quando una molecola idrofobica si trova in ambiente acquoso, essa tenderà ad evitare di entrare in contatto con le molecole di acqua, cercando di interagire con altre molecole idrofobiche, riducendo di conseguenza il contatto con l'acqua. L'acqua ha la capacità di ionizzarsi spontaneamente, ossia di dissociarsi in ioni e ossidrili, in una reazione assolutamente reversibile: ↔ H⁺ -H₂O + OH^-.

Questa reazione è descritta da una costante di equilibrio: [ ] [ ] = [ ] [ ] Ciò che spinge una reazione ad avvenire in una certa direzione è la legge di azione di massa. In fisica e chimica, l'azione di massa è la teoria secondo la quale un gran numero di piccole particelle (in particolare atomi o molecole), pur agendo ciascuna individualmente di moto casuale, possano di fatto essere ricondotte a un modello maggiore. Si prenda ad esempio una nuvola di gas in moto con data direzione. Le singole molecole si muoveranno di moto casuale ma, se prese nell'insieme, hanno una certa direzione. Per il comportamento dell'acqua la formula sopra riportata diventa: [+] [-] = [ ]₂ La concentrazione dell'acqua e 55.5 molare. La molarità di una soluzione è pari ai grammi della molecola per il volume e diviso il peso molecolare: * = + - -14 + In una soluzione acquosa, il prodotto degli H⁺ per gli OH^- è sempre 10^-14 molare. La concentrazione degli H⁺ è pari a 10^-7 molare. Il pH è pari al -log [H⁺]. Tanto più bassa è la concentrazione degli H⁺ in termini molari, tanto più alto sarà il valore del pH. Naturalmente vale anche l’esatto opposto. Anche altre molecole possono dissociarsi e contribuire a variare il pH dell'ambiente, come ad esempio gli acidi deboli. Ad esempio, l'acido acetico si dissocia in un protone e in un acetato: ↔ CH₃COOH H⁺ + CH₃COO^- Anche in questo caso la costante di equilibrio, come sempre, è data dal rapporto tra la concentrazione dei prodotti diviso il substrato. La costante di dissociazione acida (K_a) è un valore utile per capire se sia prevalente la forma protonata o la forma ionizzata. Tanto più alta è la costante di dissociazione acida, tanto maggiore sarà la quantità di forma ionizzata. Di fatto, la costante di dissociazione acida è un indice di forza dell'acido. Anche in questo caso è preferibile utilizzare il pK_a (equivalente al pH). Se in ambiente sono presenti altre fonti di protoni, questi influenzano la capacità dissociativa dell'acido acetico. Pertanto, lo stato di dissociazione di questa molecola dipende sì dalla sua costante di dissociazione acida, ma è anche influenzata dal pH della soluzione in cui si trova. Il valore di pK_a equivale al pH per la quale la molecola è dissociata per metà. Per sapere se una molecola è prevalentemente in forma ionizzata o protonata, è necessario conoscere il pH della soluzione e il pK_a della molecola.

Lezione 2 aminoacidi e proteine (parte I)

Le proteine sono macromolecole organiche, costituite da aminoacidi. Questi polimeri lineari si ripiegano su sé stessi, a dare una struttura tridimensionale alla proteina, che può essere globulare o filamentosa. Solo quando la proteina si ripiega tridimensionalmente può svolgere le proprie funzioni. La struttura tridimensionale delle proteine dipende dalla sequenza amminoacidica che compone il polimero. Sono 20 gli amminoacidi che costituiscono le proteine, nonostante in natura ne siano presenti molti di più. Tutti gli aminoacidi presentano una struttura di base qui α, rappresentata. Ogni aminoacido è infatti caratterizzato da un atomo di carbonio al quale sono legati un gruppo carbossilico, un gruppo amminico, un idrogeno e un sostituente variabile da aminoacido ad aminoacido. Il gruppo R è chiamato anche catena laterale dell'aminoacido. È proprio la catena laterale che distingue gli amminoacidi tra loro. Il gruppo amminico è un gruppo basico, mentre il gruppo carbossilico è un gruppo acido. Infatti, il secondo presenta un pK_A di 2,2, mentre il primo ha un pK_A di 9,4. All'aumentare del pH prevarrà la forma ionizzata del gruppo carbossilico, e la stessa cosa si può dire anche del gruppo amminico: pH bassi favoriranno la sua protonazione. Grazie a questa caratteristica, si possono definire gli aminoacidi come zwitterioni (a pH fisiologico) poiché presentano una carica positiva e una negativa che si equivalgono. Il αcarbonio è un carbonio chiralico, poiché lega sempre quattro sostituenti diversi. Quando è presente un centro chiralico, allora esistono due forme della stessa molecola, ma disposte in modo che non possano essere sovrapponibili l'una con l'altra. Queste molecole sono definite enantiomeri. Vengono distinti con la lettera L e con la lettera D. Tutti gli aminoacidi che costituiscono le proteine appartengono alla serie L. NB: vanno ricordati sia i nomi che le formule di struttura di tutti i 20 amminoacidi. Non sono da ricordare tutte le informazioni contenute in tabella.

Il basso valore dei gruppi carbossilici degli aminoacidi dipende dall'influenza dell'intorno molecolare che si viene a creare. In particolare, quando un gruppo carbossilico è legato ad un amminoacido, il suo pK_A è molto più basso di quello che non sarebbe se fosse legato, ad esempio, ad un acido; questo dipende dal fatto che la sua ionizzazione è particolarmente favorita. Ciò dipende dalla presenza del gruppo amminico carico positivamente. Gli aminoacidi qui a fianco rappresentati hanno la caratteristica di presentare una catena laterale idrofobica. La glicina (Gly) è l'aminoacido più piccolo in assoluto, poiché la sua catena laterale è costituita da un idrogeno. Questo è anche l'unico αaminoacido il cui carbonio non è chiralico. L'alanina (Ala) è un aminoacido semplice la cui catena laterale è costituita da un CH₃. Valina (Val), leucina (Leu) e isoleucina (Ile) presentano la caratteristica di avere una catena laterale alifatica, ma ramificata. La prolina (Pro) presenta una catena laterale a tre atomi di carbonio, ma con una caratteristica che la rende unica: il terzo atomo di carbonio ciclizza e viene legato al gruppo amminico. La metionina (Met) presenta invece la caratteristica di avere nella catena laterale un atomo di zolfo. La fenilalanina (Phe) presenta un gruppo benzene legato al CH₂. La tirosina (Tyr) è identica alla fenilalanina, se non per il fatto che presenta un gruppo idrossile legato al gruppo aromatico. Il triptofano presenta una struttura un po’ più complessa. (Trp) Questi aminoacidi, e in particolar modo il triptofano, presentano una caratteristica particolare: assorbono la luce con un picco di assorbimento a 280nm. La capacità di questi aminoacidi di assorbire la luce a questa d’ondalunghezza è importante perché è stata ampiamente utilizzata attraverso tecniche di spettrofotometria, per calcolare la quantità di una proteina in soluzione.

La lisina (Lys) e l'arginina (Arg) sono cariche positivamente poiché presentano un gruppo amminico nella catena laterale. I gruppi amminici sulle catene laterali presentano un pK_A molto elevato. Ciò conferisce una carica positiva netta all'aminoacido. L'istidina (His) è un aminoacido estremamente importante e particolare. L'azoto che non presenta il doppio legame può essere protonato. Non a caso, il pK_A della catena laterale dell'istidina è pari a 6 (dunque molto più basso rispetto agli altri). Questa caratteristica peculiare rende l'istidina un aminoacido molto versatile. Infine, l'istidina è un precursore della biosintesi dell'istamina, un agente infiammatorio vitale nelle risposte immunitarie. L'istidina è stata isolata per la prima volta dal fisico tedesco Albercht Kossel e Sven Hedin nel 1896. L'acido aspartico è un amminoacido non essenziale, la cui catena laterale è polare. È una molecola chirale e viene indicata comunemente con le sigle D o Asp. L'acido glutammico è un amminoacido polare ed è una molecola chirale. Il prefisso “Glut-” indica la presenza di cinque atomi di carbonio. L'enantiomero L è uno dei 20 amminoacidi ordinari, il suo gruppo laterale reca un carbossile, che gli conferisce il comportamento acido da cui prende il nome. Negli esseri umani non è un amminoacido essenziale. Oltre al suo ruolo di costituente delle proteine, nel sistema nervoso è anche un neurotrasmettitore eccitatorio e un precursore dell'acido γ-amminobutirrico (GABA).

La polarità della serina (Ser) e della treonina (Thr) è data dalla presenza di un gruppo ossidrile sulla catena laterale. Gli aminoacidi che presentano un gruppo ossidrile sulla catena laterale sono solo tre. La cisteina (Cys) è un aminoacido importante poiché contiene uno zolfo nella catena laterale. In questo caso è però un gruppo solfidrilico libero. Il gruppo -SH della cisteina è molto interessante poiché questo aminoacido può facilmente ossidarsi spontaneamente. A seguito dell’ossidazione, due cisteine possono legarsi mediante il gruppo zolfo attraverso un legame covalente. Questo legame particolare prende il nome di ponte disolfuro. Questa proprietà della cisteina è anche mantenuta quando la cisteina è presente all'interno delle proteine, e ciò influenza la struttura tridimensionale delle proteine stesse. L'asparagina (Asn) e la glutammina (Gln) rappresentano la forma amminata dell'aspartato e del glutammato. Nelle proteine, a volte, possono essere presenti aminoacidi diversi rispetto ai 20 standard. Questi aminoacidi, però, derivano da modificazioni post-traduzionali degli aminoacidi appena descritti (es: idrossiprolina e idrossilisina).

Gli aminoacidi si legano a formare peptidi

Il legame che si forma tra gli aminoacidi per formare una proteina si chiama legame peptidico ed è una forma un po’ particolare di legame amidico che si forma tra il gruppo carbossilico di un aminoacido e il gruppo amminico di un altro aminoacido. Il legame peptidico si forma per perdita di una molecola di acqua e il carbonio carbonilico viene legato al carbonio amminico di un altro aminoacido. Si forma dunque un legame C=O-N-H. Il gruppo C=O e il gruppo N-H sono sempre in posizione trans. Questa caratteristica è importante: questo legame peptidico si posiziona in posizione trans e non in cis perché in posizione trans, le catene laterali dei due aminoacidi sono in due posizioni opposte. Se il legame peptidico fosse in configurazione cis, i gruppi R sarebbero ravvicinati e ciò andrebbe a creare un ingombro sterico. Pertanto, la configurazione trans è utile per ridurre al minimo le interazioni isteriche tra i gruppi R. Inoltre, un'ulteriore implicazione molto importante è il fatto che l'ossigeno carbonilico possiede una parziale carica negativa e l'azoto amidico una parziale carica positiva, generando un piccolo dipolo elettrico. Proprio grazie alla configurazione in trans, il legame peptidico presenta solo una parziale caratteristica di doppio legame. Inoltre, il legame peptidico è un po’ più corto rispetto ad un normale legame amidico. I doppi legami sono rigidi e non vi è possibilità di rotazione. Di conseguenza, anche il legame peptidico diviene un legame rigido attorno al quale non vi è attrazione. Pertanto, il legame peptidico definisce un piano. Gli aminoacidi, quando sono all'interno di una catena polipeptidica, vengono definiti residui amminoacidici. Ciò dipende dal fatto che, rispetto ad un aminoacido libero, gli amminoacidi costituenti una catena polipeptidica hanno perso una molecola di acqua. In un qualsiasi polipeptide, tutti i residui amminoacidici avranno il gruppo amminico e il gruppo carbossilico coinvolti in legami polipeptidici, fatta eccezione per i residui alle due estremità. Le due estremità vengono indicate con il termine di porzione ammino-terminale e porzione carbossi-terminale. La sequenza amminoacidica è sempre letta a partire dalla porzione amino-terminale.

Lezione 3 struttura delle proteine (parte I)

Approfondimento: il punto isoelettrico di un aminoacido rappresenta il valore del pH per il quale l'aminoacido stesso presenta una carica netta pari a zero. Infatti, nonostante gli aminoacidi siano degli zwitterioni, le cariche elettriche non sono mai perfettamente bilanciate. Il pH esatto nel quale tutto il gruppo carbossilico è ionizzato e tutto il gruppo amminico è protonato è il pH in cui la carica dell'aminoacido è veramente pari a zero, e quel pH rappresenta il punto isoelettrico. Il punto isoelettrico è sostanzialmente la media aritmetica del pK_A dei due gruppi. Quando un polipeptide viene sintetizzato, tende a ripiegarsi su sé stesso, instaurando una serie di interazioni intramolecolari per assumere una struttura tridimensionale, fondamentale affinché quella proteina acquisisca la sua funzione biologica specifica. La struttura di una proteina viene tendenzialmente descritta prendendo in considerazione quattro livelli di organizzazione strutturale. La (1) struttura primaria descrive la sequenza di aminoacidi legati insieme in un polipeptide.