Appunti biochimica

Biochimica

Biochimica è lo studio della chimica dei processi vitali. I processi vitali implicano l'interazione tra due classi di molecole:

• Le grandi molecole (proteine, acidi nucleici) – macromolecole
• Le molecole a basso peso molecolare

A livello biochimico, tutti gli organismi hanno caratteristiche comuni. Ad esempio, una proteina che lega il DNA in 3 diversi organismi: Solfolobus acidicaldarius, Arabidopsis thaliana, Homo sapiens. La forma della proteina è simile in 3 differenti organismi separati l'un l'altro da miliardi di anni di evoluzione.

Domini e classi di biomolecole

Sulla base delle loro caratteristiche biochimiche, i diversi organismi del mondo moderno si possono dividere in tre gruppi principali, chiamati domini: gli Eucaria, i Batteri e gli Archaea. Le quattro classi principali di biomolecole sono:

• Proteine – le molecole più versatili
• Acidi nucleici – le molecole di informazione della cellula
• Lipidi – riserva energetica e barriera
• Carboidrati – combustibili e molecole di informazione (fungono da riconoscimento delle proteine)

I legami covalenti

Sono i legami più forti presenti nei composti biochimici. Un legame covalente è costituito dalla condivisione di una coppia di elettroni tra due atomi adiacenti.

(C-C) energia di legame = 85 kcal/mol (365 kJ/mol). Due atomi possono condividere anche più di due elettroni; in questo caso si ha un legame covalente multiplo. (C=O) energia di legame = 175 kcal/mol (732 kJ/mol).

I legami elettrostatici

Dipendono dalla carica elettrica degli atomi: E = k / Drq₁q₂.

• E = energia di legame
• K = costante di proporzionalità
• q₁q₂, Dr = costante dielettrica; distanza che separa due atomi di Angstrang

I legami idrogeno

Sono interazioni elettroniche piuttosto deboli ma cruciali per le macromolecole come il DNA o le proteine. Sono essenzialmente interazioni elettrostatiche. Hanno un’energia di legame che varia da 1 a 3 kcal/mol.

Donatore legami idrogeno accettore legami idrogeno:

• N-H --- N
• N-H --- O
• O-H --- O

Le forze di Van der Waals

Sono determinate dal fatto che la distribuzione della carica elettronica intorno a un atomo varia nel tempo. L’attrazione tra coppie di atomi che ne deriva aumenta la loro vicinanza, fino al punto in cui viene raggiunta la distanza di contatto (raggio di Van der Waals). L’energia associata alle forze di Van der Waals è abbastanza piccola; varia da 1 a 5 kcal/mol. Questa energia diventa importante quando si sommano in 2 grandi macromolecole adiacenti.

La struttura del DNA e delle proteine

Il ruolo più importante del DNA è quello di codificare le sequenze amminoacidiche delle proteine. Come il DNA, le proteine sono polimeri lineari formati da 20 unità costitutive, gli amminoacidi, invece che quattro come il DNA.

La sequenza degli amminoacidi specifica definite organizzazioni strutturali della proteina. È importante anche il verso della sequenza amminoacidica.

I gruppi funzionali fondamentali di biochimica

Le proteine

Le proteine hanno un ruolo fondamentale in tutti i processi biologici. Possono agire da catalizzatori, trasportatori o conservare altre molecole, fornire supporto meccanico o una protezione immunitaria, generare un movimento, trasmettere impulsi nervosi e controllare la crescita e il differenziamento.

• Sono polimeri lineari costituiti da unità monomeriche dette amminoacidi.
• Contengono diversi gruppi funzionali (alcoli, tioli, acidi carbossilici..).
• Possono interagire con un’altra e con altre macromolecole biologiche per formare strutture complesse.
• Alcune sono rigide, altre sono relativamente flessibili.

Un α-amminoacido è costituito da un atomo di C centrale (carbonio α), un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di H e un gruppo R (catena laterale), specifico per ciascuno di essi. Soltanto gli L-amminoacidi fanno parte delle proteine.

Nelle proteine sono presenti 20 tipi di catene laterali che variano per dimensioni, carica, capacità di formare legami H e reattività chimica. Tutte le proteine in tutte le specie vengono costruite a partire dagli stessi 20 amminoacidi.

Gli amminoacidi in soluzione a pH neutro sono in genere ioni dipolari (zwitterioni), il gruppo amminico è protonato e il gruppo carbossilico è dissociato. Lo stato di ionizzazione varia con il pH. In una soluzione acida, il gruppo carbossilico non è ionizzato e il gruppo amminico è ionizzato. Aumentando il pH il gruppo carbossilico è il primo gruppo a cedere un protone, poiché ha pKa circa 2. La forma dipolare persiste fino a pH 9, quando il gruppo amminico ionizzato comincia a cedere un protone.

La struttura primaria

Gli amminoacidi sono uniti da legami peptidici e formano catene peptidiche. Le proteine sono polimeri lineari formati dall’unione del gruppo α-carbossilico di un amminoacido con il gruppo α-amminico di un altro amminoacido attraverso un legame peptidico (detto anche legame carboamidico). Questo legame peptidico è molto stabile in assenza di catalizzatori.

Quando un certo numero di amminoacidi vengono uniti tra loro da legami peptidici si forma una catena polipeptidica, in cui ogni unità amminoacidica viene detta residua. Una catena polipeptidica ha una polarità poiché le sue estremità sono differenti. Il terminale amminico viene considerato l’inizio della catena polipeptidica, e quindi la sequenza degli amminoacidi di una catena polipeptidica si scrive a partire dal residuo amminoterminale (N-terminale).

Una catena polipeptidica consiste di una parte che si ripete regolarmente, detta catena principale (scheletro covalente), e di una parte variabile, che comprende le catene laterali di ciascun amminoacido. La maggior parte delle catene polipeptidiche naturali è costituita da un numero di residui che varia da 50 a 2000. Il peso molecolare medio di un residuo amminoacidico è di circa 110. La massa molecolare della proteina può essere espressa in Dalton. Una proteina con peso molecolare di 50000 ha quindi massa di 50000 Dalton, o 50 KDa.

Alcune proteine contengono legami trasversali, il più comune è il legame (ponte) disolfuro dovuto all’ossidazione di due residui di cisteina. Le proteine hanno sequenze amminoacidiche uniche specificate dai geni. La sequenza dei nucleotidi del DNA specifica una sequenza complementare di nucleotidi nell’RNA, che a sua volta determina la sequenza amminoacidica di una proteina.

La struttura secondaria

Le catene polipeptidiche si possono ripiegare in strutture regolari con α-elica, il foglietto β ripiegato, ripiegamenti e anse.

L’α-elica

È una struttura avvolta ed è stabilizzata con legami idrogeno intracatena. La struttura è a forma di bastoncino, di cui la parte interna è formata dalla principale catena polipeptidica strettamente avvolta; le catene laterali si estendono verso l’esterno con un andamento a spirale. L’α-elica è stabilizzata da legami idrogeno tra gruppi NH e CO della catena principale. Il gruppo CO di ogni amminoacido è unito dal legame idrogeno al gruppo NH dell’amminoacido che si trova 4 residui più avanti nella sequenza lineare.

Tutte le α-eliche trovate nelle proteine sono destrorse. Quindi tutti i gruppi CO ed NH sono uniti da legami idrogeno, ad eccezione di quelli degli amminoacidi terminali della catena. Ciascun residuo è spostato rispetto al precedente di 1,5 Å lungo l’asse dell’elica e forma con esso un angolo di 100°, il che significa che vi sono 1,6 residui di amminoacidi per ogni giro dell’elica. Il senso di avvitamento di un’elica può essere destrogiro o levogiro, tuttavia l’elica destrogira è molto più favorita dal punto di vista energetico.

Il foglietto β

È stabilizzato da legami idrogeno tra le catene polipeptidiche. È composto da due o più catene polipeptidiche, chiamate catene β. La struttura β è quasi completamente estesa invece di essere strettamente avvolta. La distanza tra amminoacidi adiacenti di una catena β è di 3,5 Å, invece degli 1,5 Å dell’α-elica e le catene laterali degli amminoacidi adiacenti sono in direzioni opposte.

Un foglietto β è formato da due o più catene B unite da legami idrogeno. Catene adiacenti di una struttura β possono avere la stessa direzione (foglietto B parallelo) o direzione opposta (foglietto B antiparallelo). Si può trovare anche il foglietto β misto. Nelle rappresentazioni schematiche i foglietti β sono raffigurati da facce larghe rivolte nella direzione del carbossinterminale in modo da identificare se la struttura è parallela o antiparallela. Sono un elemento strutturale molto importante per diverse proteine.

Ripiegamento β (o inversione a U)

La maggior parte delle proteine ha una forma globulare e compatta con numerosi cambiamenti di direzione della catena principale. Molte di queste inversioni di direzione sono dovute a questo elemento strutturale comune. Queste interazioni stabilizzano i bruschi cambiamenti di direzione delle catene polipeptidiche.

Le anse

In altri casi le inversioni di direzione della catena avvengono mediante anse. Le anse non hanno strutture periodiche regolari, anche se sono spesso rigide e ben definite. Le inversioni e le anse si trovano sempre sulla parte più esterna delle proteine e quindi partecipano spesso alle interazioni delle proteine con altre molecole.

La struttura terziaria

Le proteine solubili in acqua si ripiegano in strutture compatte con un nucleo non polare. Studi cristallografici a raggi X e di risonanza magnetica nucleare hanno rivelato i dettagli della struttura tridimensionale di migliaia di proteine.

Prendiamo come esempio la mioglobina: è il trasportatore di ossigeno nel muscolo, è costituita da una singola catena polipeptidica di 135 amminoacidi. La capacità di legare ossigeno dipende dalla presenza dell’eme, un gruppo prostetico non proteico costituito da protoporfirina IX con un atomo di ferro centrale. La disposizione nello spazio della catena polipeptidica viene detta struttura terziaria.

L’interno contiene quasi esclusivamente residui non polari, quali leucina, valina, metionina e fenilanina. I residui carichi quali aspartato, gluttamato, lisina e arginina sono completamente assenti all’interno della mioglobina. In un ambiente acquoso il ripiegamento di una proteina è guidato dalla forte tendenza a escludere dall’acqua i residui idrofobici. Alla stabilità della proteina contribuiscono anche le forze di Van der Waals che si formano tra le catene laterali idrocarburiche strettamente addensate.

Le proteine che attraversano le membrane biologiche sono "le eccezioni che confermano la regola" circa la distribuzione degli amminoacidi idrofobici e idrofilici nelle loro strutture tridimensionali. Ad esempio le porine, proteine che si trovano sulle membrane esterne di molti batteri (all’interno → canale idrofilico riempito dall’acqua, l’ambiente esterno in gran parte idrofobico).

Alcune catene polipeptidiche si ripiegano in 2 o più regioni compatte che possono essere unite da un segmento flessibile di catena polipeptidica, come le perle di una collana. Queste unità globulari compatte, dette domini, hanno dimensioni da 30 a 400 amminoacidi. Ad esempio la porzione extracellulare della proteina CO4, una proteina presente sulla superficie di alcune cellule del sistema immunitario a cui si lega il virus dell’immunodeficienza umana, comprende quattro domini simili di circa 100 amminoacidi ciascuno.

La struttura quaternaria

Le catene polipeptidiche si organizzano in strutture multimeriche. Le proteine che contengono più di una catena polipeptidica hanno un ulteriore livello di organizzazione strutturale. In queste proteine ciascuna catena polipeptidica viene detta subunità. La struttura quaternaria si riferisce alla disposizione nello spazio di queste subunità e alla natura delle interazioni che le tengono unite.

Ad esempio, la proteina CRO che lega il DNA presente nel virus batterico λ, è costituita da un dimero, struttura quaternaria più semplice costituita da 2 subunità uguali. Sono comuni anche strutture quaternarie più complesse, dove possono essere più di un tipo di subunità e in numero variabile. Ad esempio, l’emoglobina umana che trasporta O₂ nel sangue è costituita da due subunità α e due subunità β. Quindi la molecola dell’emoglobina è un tetramero α₂β₂. I virus formano rivestimenti in cui si ripetono numerose copie di uno stesso tipo di subunità disposte simmetricamente.

Gli enzimi

Sono i catalizzatori dei sistemi biologici, sono importanti molecole che determinano tutte le trasformazioni chimiche cellulari. Le più importanti caratteristiche degli enzimi sono il potere catalitico e la specificità. La catalisi avviene in una particolare regione dell’enzima detto sito attivo. Quasi tutti gli enzimi conosciuti sono proteine.

Le proteine sono una classe di macromolecole molto efficienti nel catalizzare molte reazioni chimiche perché sono capaci di legare in modo specifico una grande varietà di molecole con un orientamento ben preciso, dal quale dipende la formazione o la rottura di legami chimici. Gli enzimi sono catalizzatori specifici molto efficaci. Possono accelerare la velocità anche più di un milione di volte infatti la maggior parte delle reazioni chimiche dei sistemi biologici non avviene a velocità apprezzabile in assenza degli enzimi.

Anche una reazione semplice come l’idratazione del biossido di carbonio è catalizzata da un enzima, l’anidrasi carbonica. In assenza di questo enzima il trasferimento di CO₂ dai tessuti al sangue e poi agli alveoli sarebbe molto meno efficiente. L’anidrasi carbonica è uno dei più rapidi enzimi noti, ogni molecola di enzima può idratare 10⁷ molecole di CO₂ al secondo e la reazione catalizzata è di circa 10 volte più veloce di quella non catalizzata.

Gli enzimi sono specifici sia per la reazione catalizzata sia per la scelta dei reagenti, detti substrati. Ad esempio, gli enzimi proteolitici (spezzano le proteine):

• Tripsina catalizza idrolisi legami peptidici sulla cui parte carbossilica vi sono residui di Arg e Lys
• Trombina catalizza idrolisi legami peptidici Arg e Gly soltanto in specifiche sequenze peptidiche. La trombina ha maggiore specificità rispetto alla tripsina

Molti enzimi hanno bisogno di cofattori. Sono in genere piccole molecole, un enzima senza il suo cofattore viene detto apoenzima, mentre nella forma catalicamente attiva prende il nome di coenzima. Apoenzima + cofattore = coenzima.

I cofattori possono essere suddivisi in due gruppi: metalli e piccole molecole organiche. Ad esempio, l’anidrasi carbonica ha bisogno di ioni Zn²⁺ per svolgere la propria attività, mentre la glicogeno fosforilasi, che mobilizza il glicogeno come fonte energetica, richiede la co-partecipazione di piccole molecole organiche di piridossal fosfato.

Le piccole molecole organiche che svolgono il ruolo di cofattori sono dette coenzimi, derivano spesso dalle vitamine e possono essere legate all’enzima attraverso legami forti o deboli. Se il legame è forte, vengono detti gruppi prostetici. Nel caso di legami deboli vengono considerati come cosubstrati, in quanto si legano all’enzima e vengono rilasciati una volta che l’enzima ha legato il substrato ed è stato generato il prodotto.

Energia e enzimi

Gli enzimi possono convertire l’energia da una forma all’altra. In molte reazioni biochimiche l’energia contenuta nei reagenti viene convertita con elevata efficienza in una forma diversa. Nei mitocondri l’energia libera contenuta in piccole molecole derivate dagli alimenti, è convertita prima nell’energia libera di un gradiente ionico, e poi in energia libera dell’adenosina trifosfato.

Gli enzimi possono quindi utilizzare l’energia chimica dei legami dell’ATP in molti modi; nella contrazione muscolare l’energia libera dell’ATP è convertita dalla miosina in lavoro meccanico. Le pompe presenti nelle membrane delle cellule e degli organelli possono essere considerate come enzimi che, invece di modificare i substrati, li spostano da un compartimento all’altro, utilizzando l’ATP per trasferire molecole e ioni e formano gradienti chimici o elettrici.

L’energia libera è una funzione termodinamica utile per comprendere gli enzimi. Per comprendere come operano gli enzimi dobbiamo tener conto di due proprietà termodinamiche di una reazione:

• La differenza di energia libera (ΔG) tra i prodotti e i reagenti
• L’energia richiesta per la conversione dei reagenti nei corrispondenti stati di transizione

La prima determina se una reazione può avvenire spontaneamente, mentre l’altra determina la velocità con cui avviene una reazione. Gli enzimi agiscono solo su quest’ultima proprietà.