Appunti Biochimica 1

Biochimica 1, scienze motorie UNIURB

Versatilità del carbonio a formare legami

• Legame carbonio-idrogeno: legame singolo, apolare (covalente), senza dissociazione di carica, presente nelle catene dei lipidi.
• Legame carbonio-ossigeno: legame singolo, l'ossigeno è molto elettronegativo quindi la nuvola elettronica sarà con gli elettroni che stanno più vicino all'ossigeno, perché l'ossigeno li attrae; l'ossigeno è un po’ più negativo, ma non abbiamo una vera e propria carica negativa ma abbiamo una localizzazione di elettroni → δ: delta, il legame è polarizzato → non abbiamo una carica netta negativa ma una regione un po’ più negativa rispetto a una regione un po’ più positiva.
• Legame carbonio-doppio legame ossigeno: gruppo carbonile, è più popolare del carbossile perché gli elettroni del doppio legame hanno maggiore libertà di movimento (elettroni del 2^o legame che stanno nell’orbita π).
• Legame carbonio-azoto: il doppietto non è impegnato in un legame covalente quindi gli elettroni sono disponibili ad acchiappare un gruppo amminico → può funzionare da base (proprietà basiche) → opposto al gruppo carbossilico: cede un proprietà acide.

Geometria della molecola

Come questi atomi si dispongono nello spazio; la geometria della molecola ne determina una certa attività. Struttura tridimensionale, atomo di carbonio al centro di una piramide tetraedrica. Esempio: aminoacido. Se cambiamo di posto due gruppi si può vedere che le molecole non sono uguali e non sono sovrapponibili → isomeri di struttura; se un carbonio lega quattro gruppi diversi, nella forma tetraedrica avremo una configurazione caratteristica.

Legame carbonio-carbonio: siccome gli atomi di idrogeno sono tutti uguali allora questa parte della molecola può ruotare liberamente. Sarà poco probabile che la molecola stia nella conformazione disegnata, perché le cariche uguali si respingono e quindi cercano di massimizzare la loro distanza. Così il gruppo negativo potrà ruotare e andare a posizionarsi il più lontano possibile, in modo tale che la distanza tra i due gruppi sia quella massima possibile.

Legame con una minore libertà di movimento. Molecola con un’identità precisa; l’identità della conformazione della molecola dipenderà da che tipo di legami ci sono, da che tipo di gruppi ci sono legati ai vari atomi di carbonio (polari, neutri, positivi) e da tanti altri fattori → si inizia ad acquisire una fisionomia tridimensionale specifica.

Gruppo fosfato

5 legami covalenti → l’atomo di fosforo si lega a 4 atomi di ossigeno che possono dissociare l’atomo di idrogeno e quindi avere una carica negativa. Il gruppo fosfato si trova nelle molecole del DNA (acidi nucleici) → la struttura portante degli acidi nucleici è fortemente negativa, sono molecole con l’elevata carica negativa che viene conferita dal gruppo fosfato.

Adenosinatrifosfato (ATP)

Base azotata: adenina formata da 2 anelli fusi

Adenosina: adenina + ribosio

• Gruppi fosfato (3)
• Zucchero (ribosio)

Il gruppo fosfato α è quello che sta più vicino all’atomo di carbonio. Adenosina monofosfato (AMP) → presente solo fosfato α; Adenosina difosfato (ADP) → presente sia fosfato α che β. L’ATP ha più energia dell’ADP e dell’AMP perché se io vado a rompere la molecola di ATP libero un gruppo fosfato negativo. Questa reazione di lisi libera energia e quindi è una reazione esoergonica.

L’ATP è meno stabile dell’ADP e dell’AMP, perché se ho una molecola più stabile, questa molecola non si trasformerà mai in una molecola meno stabile → reazione endoergonica, perché se io passo da una condizione di stabilità a una condizione di instabilità acquisto energia. Quindi l’ATP cerca di spostarsi verso la stabilità rilasciando un gruppo fosfato, così facendo, rilascia energia.

Perché la molecola dell’ATP è instabile? Per via delle cariche negative dei gruppi fosfato che tendono a respingersi: infatti quando si stacca il primo fosfato avrò una carica negativa in meno e quindi avrò meno repulsione, meno instabilità e verrà liberata energia; quando si staccherà anche il secondo allora verrà liberata un'ulteriore quantità di energia e la molecola sarà ancora più stabile.

A sinistra abbiamo una massa che deve arrivare fino alla vetta di una montagna → è una reazione endoergonica che assorbe, ha bisogno di energia per avvenire. Δ > 0 → variazione di energia positiva. A destra la massa si trova in vetta e basterà darle una piccola spinta e questa rotolerà giù per il pendio spontaneamente → l’azione avviene con liberazione di energia; quindi, è una reazione esoergonica. Δ < 0.

Il fosfato γ si è staccato. Livello energetico reazione 1: reazione endoergonica, avverrà del reagente molto lentamente (reazione sfavorita). ATP → [glucosio-6-fosfato] → il gruppo fosfato viene aggiunto nella posizione specifica del glucosio 6. Reazione 2: reazione esoergonica, la reazione avviene molto velocemente perché la barriera di attivazione è poco poco superiore all’energia dei reagenti. ADP + prodotti hanno molta meno energia dei reagenti perché l’energia è stata liberata.

Le reazioni che sono energeticamente sfavorite come mai avvengono?

Le reazioni che hanno una barriera di attivazione molto elevata avvengono molto lentamente, allora perché nel nostro organismo ci sono reazioni che possono avvenire in pochi milionesimi di secondo? Guardando il grafico sopra, vedo che la Δ > 0.

Il glucosio + P → glucosio-6-P; la differenza G2-G1 è positiva, quindi la reazione ha bisogno di assorbire energia per poter procedere.

Come fa la cellula a convertire il glucosio in glucosio-6-fosfato nonostante questa reazione sia sfavorita dal punto di vista energetico? Questa reazione così sfavorita avviene raramente nelle cellule e per poter avvenire ha bisogno di tempi molto lunghi, temperature molto elevate o pressioni molto elevate (ma il nostro corpo ha una temperatura di 36/37 gradi).

Uso degli enzimi

Quindi la cellula utilizza gli enzimi. → enzima = catalizzatore → accelera la reazione.

Biologico: enzima (es. proteina)

Inorganico: (es. metalli)

L'enzima è in grado di accoppiare due reazioni. L'enzima in una reazione accoppiata lega la reazione A con la reazione B. Se noi andiamo a immaginare che le due masse sono tenute insieme da una corda, il movimento dell'una implica il movimento dell'altra. Esempio: la massa B scivola giù trasportando la massa A che salirà la montagna.

Nella reazione che avviene durante la glicolisi il concetto è lo stesso, perché durante la prima reazione della glicolisi il glucosio viene convertito in glucosio-6-fosfato in una reazione che è accoppiata all'idrolisi dell’ADP. Quindi l'enzima HK (esochinasi) associa la reazione 1 con la reazione 2.

Nella conversione del glucosio in glucosio-6-fosfato, abbiamo due reazioni che avvengono contemporaneamente:

• Idrolisi dell’ATP;
• Aggiunta del gruppo fosfato al glucosio → il gruppo fosfato che si è andato a staccare dall’ATP è lo stesso che si lega al glucosio.

Dal punto di vista energetico la reazione risultante sarà la reazione 3 → sommatoria della reazione 1 e della reazione 2. Reazione esoergonica: i prodotti hanno una G più bassa rispetto ai reagenti (avviene nelle fibre muscolari).

La strategia dell'enzima è quella di accoppiare una reazione fortemente esoergonica ad una reazione endoergonica, per far sì che la sommatoria delle due sia una reazione esoergonica spontanea. L'enzima (catalizzatore biologico) ha una funzione molto importante nel determinare il fatto che la reazione della fosforilazione del glucosio possa avvenire in condizioni fisiologiche.

Enzima HK: H → Heso → 6 → atomi di carbonio che costituiscono il suo substrato (reagente) P → PK → Kinase → aggiunta di un P al substrato (il donatore del P è sempre l’ATP)

Enzima: esochinasi → reazione 1 della glicolisi;

Enzima: fosfofruttokinasi → reazione 3 della glicolisi;

Enzima: oiruvatokinasi → reazione 10 della glicolisi.

Queste reazioni hanno in comune che sono catalizzate tutte da un enzima chinasi, e quindi sono tutte dello stesso tipo e stanno ad indicare l'aggiunta di un gruppo fosfato, il cui donatore del gruppo fosfato è l’ATP (tra i reagenti ci sarà sempre ATP). Gli enzimi non possono andare ad alterare l'equilibrio chimico della reazione. La costante di equilibrio dipende dall'energia dei prodotti e dall'energia dei substrati.

Il catalizzatore (enzima) non modifica perché l'energia della reazione non viene alterata dall'enzima ma il catalizzatore è in grado di accelerare la reazione. Un qualsiasi catalizzatore, sia esso organico o inorganico, non andrà mai ad alterare i rapporti energetici della reazione, ma la può accelerare → viene modificata (abbassata) l'energia di attivazione, che è l'energia necessaria affinché il sistema raggiunga uno stato attivato (di transizione) in modo tale che la molecola possa iniziare la reazione.

Le reazioni sono diverse perché hanno un profilo energetico diverso, ma hanno degli aspetti in comune:

• Livello energetico dei reagenti;
• Livello energetico dei prodotti.

1 e 2 hanno la stessa costante di equilibrio.

Differenze: la reazione 1 ha un'energia di attivazione più alta della reazione 2. Nella reazione 1, per poter avvenire, il sistema deve assorbire più energia per poter raggiungere uno stato di transizione; cioè per raggiungere il livello più alto in modo che si possa sfociare verso la formazione dei prodotti. Nella reazione 2, questo stato di transizione, quindi la barriera energetica, viene abbassata, viene raggiunta assorbendo la quantità più bassa di energia; questo fa sì che le molecole raggiungano lo stato di transizione più elevato e che quindi questa reazione avvenga più velocemente.

Il catalizzatore crea un nuovo percorso della reazione.

Proteine

Le proteine sono formate dalla polimerizzazione degli amminoacidi → sono polimeri i cui monomeri sono gli amminoacidi. ProAlaAspLys sono amminoacidi che vanno a costituire la proteina. Non sono riportati in modo casuale ma partendo dall'estremo (estremo amminico) della catena polipeptidica e spostandosi verso l'estremo (estremo carbossilico) della catena polipeptidica.

Sequenza degli amminoacidi che costituiscono la proteina; quando conosciamo la sequenza conosciamo:

• Quanti sono gli amminoacidi che la costituiscono;
• Dove stanno gli amminoacidi nella sequenza amminoacidica.

Con queste informazioni conosciamo la struttura primaria della proteina. Dopodiché avrò una struttura secondaria, seguita da una struttura terziaria e per concludere una struttura quaternaria della proteina → andiamo a studiare qual è la forma delle proteine e come questi amminoacidi si ripiegano a formare una struttura tridimensionale.

Esempio: struttura globulare, tipica delle proteine solubili come l'emoglobina (sta bene nell'ambiente acquoso);

Esempio: proteine fibrose, a bastoncello, che formano delle fibrille come il collagene, la cheratina, o le strutture che vanno a costituire il sarcomero (actina e miosina).

Gli amminoacidi non essenziali sono amminoacidi che il nostro organismo può sintetizzare. Alcuni amminoacidi non possono essere sintetizzati, perciò vanno introdotti con l'alimentazione. Alcuni amminoacidi non comuni si trovano nelle proteine e derivano da amminoacidi comuni a cui sono stati aggiunti i gruppi funzionali. Gli amminoacidi possono avere cariche diverse in una sola struttura, come ad esempio la glicina. La glicina è l'amminoacido più piccolo, poiché possiede un solo atomo di idrogeno come catena R.

Se il pH della soluzione è acido, l'amminoacido stabilizzerà la carica dove il gruppo carbossilico otterrà un H; Se il pH è basico la carica sarà principalmente negativa.

Quando si formano le proteine, gli amminoacidi creano legami in lunghe catene tramite la formazione di un legame peptidico: legame che si forma tra il gruppo carbossilico dell'amminoacido precedente e il gruppo amminico dell'amminoacido successivo. In questa situazione, la formazione del legame provoca la perdita di una molecola di acqua.

Nel legame peptidico, i gruppi R variano in base all’aminoacido che si lega, mentre la numerazione degli amminoacidi parte dal gruppo amminico fino al gruppo carbossilico. Nel caso in cui ci sia la presenza di più gruppi solfidrici, si potrebbero formare ponti disolfuro, legami covalenti e perciò molto resistenti (nelle strutture quaternarie si formano ponti disolfuro anche tra più catene polipeptidiche).

Struttura della proteina

La struttura secondaria è data dalla generalità del ripiegamento della catena su sé stessa, dove l'interazione fra gli atomi, come i ponti idrogeno, provoca il ripiegamento. Si formano α-eliche. Tuttavia, la struttura α-elica non è la sola secondaria, infatti, si può formare una struttura ripiegata a zig-zag, senza sovrapposizioni:

• Foglietto paralleli
• Antiparalleli se le catene sono inverso direzionate nello stesso punto

Possiamo avere situazioni in cui ci sono sia una α-elica, sia una struttura a-foglietto, legate da delle strutture chiamate loop, grazie alla quale otteniamo una struttura alternata.

La struttura terziaria è una struttura complessa, ottenuta dall'interazione tra i gruppi laterali R di più strutture secondarie; in alcune si formano strutture a gruppi EME, ossia strutture che rendono l'ambiente molecolare stabile e favorevole ai legami. La struttura quaternaria consiste nell'assemblaggio delle diverse subunità.

Il ligando

Le funzioni di molte proteine richiedono il legame con altre molecole: il ligando è una molecola che si lega reversibilmente ad una proteina (può essere qualsiasi tipo di molecola, anche una proteina). L’interazione proteina-ligando dipende dalla struttura della proteina, è reversibile e si associa a modificazioni conformazionali che ne influenzano l’affinità; questo legame reversibile determina il complesso PL →

K_a = [PL] / [P][L]

Il rapporto tra proteina con ligando legato (PL) e proteina libera (P) è direttamente proporzionale alla concentrazione di L. Quando la concentrazione di L è molto alta rispetto ai siti di legame sulla proteina, la quantità di PL resta costante; il legame reversibile di un legame (L) ad una proteina (P) descrive un’iperbole rettangolare: costante di dissociazione = 1/K_a.

Frazione di siti di legame sulla proteina occupati dal ligando: il valore di concentrazione di ligando a cui metà dei siti di legame sulla proteina sono occupati dal ligando esprime l’affinità di una proteina per il suo substrato. Un valore basso di K_d corrisponde a un’elevata affinità della proteina per il ligando e viceversa.

La mioglobina

La funzione della mioglobina dipende dalla sua capacità di legare l'ossigeno ma anche di rilasciarlo. Struttura della mioglobina: scheletro peptidico e gruppo eme. 2 varianti di mioglobina (stesse funzioni):

• A = mioglobina A
• B = mioglobina B

Chi lega meglio l’ossigeno? È A, poiché raggiunge prima. In che senso raggiunge prima? Raggiunge con meno concentrazione di ossigeno. K_d è inversamente proporzionale all’affinità → capacità di un enzima di riconoscere come substrato una particolare molecola.