Appunti Biochimica

Scienze biologiche, unibo FM

BIOCHIMICA INTRODUZIONE

La biochimica studia le basi molecolari dei processi biologici:

• Struttura e funzioni, le quali coordinate attraverso il metabolismo

• Interazioni

• Meccanismi molecolari

MEMBRANA PLASMATICA

Nella membrana si riconoscono due parti: una idrofila e una idrofoba. È costituita da:

• Componente lipidica tra cui i fosfogliceridi, gli sfingolipidi e il colesterolo;

• Proteine di membrana.

Secondo la teoria di Nicolson, la membrana è costituita da due stati fosfolipidici su ed in cui si muovono le proteine di

membrana. Queste hanno delle strutture particolati che gli permettono di attraversare la membrana.

ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE GERARCHICA DELLA CELLULA

carbonica, ammoniaca, ecc…), hanno un basso peso molecolare

1. Precursori inorganici (acqua, anidride

compreso tra 18 e 60 Da. ecc…), hanno un peso molecolare poco superiore

2. Metaboliti (piruvato, citrato, gliceraldeide-3-fosfato,

compreso tra i 50 e i 100 Da. (aminoacidi, nucleotidi, acidi grassi, monosaccaridi, ecc…), hanno un peso

3. Molecole semplici o monomeri

molecolare che oscilla tra i 100 e i 500 Da.

(proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi, ecc…), il cui peso molecolare è

4. Macromolecole o polimeri

3 4

compreso tra 10 e 10 Da. ecc…), il loro

5. Complessi sopramolecolari (cromosomi, citoscheletro, ribosomi, complessi multi-enzimatici,

4 6

peso molecolare oscilla tra 10 e 10 Da.

(nucleo, mitocondri, Golgi, RE, cloroplasti), sono costituiti dall’insieme di molti complessi

6. Organelli

macromolecolari, sono localizzati intracellularmente e ciascuno svolge una funzione specifica.

7. Cellula

DIREZIONALITÀ NELLE MACROMOLECOLE

È importante soprattutto nella sintesi delle molecole organiche come:

• la cui sintesi va dall’N

Le proteine, terminale al COO terminale;

• a partire dall’estremità

Gli zuccheri, la cui sintesi inizia riducente e va verso quella non riducente;

• avviene sempre in direzione 5’-3’.

Gli acidi nucleici, la cui sintesi

LEGAMI COVALENTI

Sono i legami più forti che si formano quando due atomi adiacenti condividono due elettroni. Un esempio è il legame

ha lunghezza di 1,54 Å e un’energia di legame di 355 kJ/mol:

C-C, è necessario spendere tanta energia per romperli. Se

un’energia

si mettono in condivisione più di due elettroni si hanno dei legami multipli: questi avranno di legame

superiore e saranno più corti.

Una molecola con doppi o tripli legami può avere diverse forme di risonanza (se posso spostare i legami multipli).

Questa intercoversione strutturale si riflette sulla lunghezza dei legami, che avrà un valore intermedio tra un singolo e

un doppio, o tra un doppio e un triplo. Le molecole con forme di risonanza sono più stabili di quelle che non ne hanno.

LEGAMI NON COVALENTI

Sono legami più deboli di quelli covalenti ma sono essenziali nei processi biologici. Esistono 4 diversi tipi di legami

non covalenti e questi sono:

• Interazioni elettrostatiche: un gruppo carico di una molecola può attrarre un gruppo con carica opposta di

un’altra molecola. Un’interazione attrattiva ha un’energia con valore (-).

1

Scienze biologiche, unibo FM

• Legami idrogeno: sono essenzialmente di tipo elettrostatico e consiste nella condizione di un atomo di H tra

due atomi elettronegativi. Il donatore del legame è quello più elettronegativo dei due e che è dunque legato più

saldamente ad H mentre l’accettore del legame è quello legato meno saldamente. Donatore + H e accettore

giacciono sulla stessa retta e i legami sono più lunghi di quelli covalenti.

• Interazioni di van der Waals: dipendono da variazioni nel tempo della distribuzione di carica intorno agli

atomi. Questa non è del tutto simmetrica e questa asimmetria temporanea induce negli atomi circostanti

un’altra asimmetria nella distribuzione elettronica. Questi due atomi si attrarranno temporaneamente.

• Interazioni idrofobiche: alcune molecole, quelle non polari, non formano legami H o interazioni ioniche.

Queste, in soluzione acquosa, vengono circondate da molecole d’acqua, che formano una “gabbia”. Quando

molecole d’acqua sono favorite a liberarsi dalla gabbia per

due molecole non polari si incontrano, alcune

interagire con loro simili. Il risultato è che in acqua le molecole non polari tendono ad associarsi meglio tra

loro piuttosto che in solventi polari.

ENERGIA LIBERA O ENERGIA LIBERA DI GIBBS

∆ = ∆ − ∆

∆ ∆

Con che è la variazione di entropia del sistema mentre è la variazione del contenuto termico del

sistema, o entalpia.

L’energia libera di Gibbs sostanzialmente tiene conto sia dell’entropia del sistema sia dell’entropia dell’ambiente

circostante, sotto forma di calore rilasciato al sistema.

l’entropia dell’universo aumenta. L’entropia aumenterà solo se:

Quando un processo avviene spontaneamente

∆ = ∆ − ∆ <

Quindi una reazione può procedere spontaneamente solo se la sua variazione di energia libera è negativa. In altre parole,

è negativa quando la variazione di entropia totale del sistema dell’universo aumenta.

la variazione di energia libera (∆) 2

Scienze biologiche, unibo FM

AMINOACIDI E PROTEINE

Gli amminoacidi sono le componenti monomeriche delle proteine, sono 20 molecole tutte con caratteristiche chimico-

fisiche diverse e sono proprio queste che conferiscono diverse funzionalità alle proteine.

La mera sequenza di amminoacidi identifica la struttura primaria della proteina. Le proteine catene polipeptidiche, ne

studiamo la formazione e come si ripiega su sé stessa. Il ripiegarsi, ovvero la struttura secondaria, è dettato dalla

sequenza di amminoacidi costituenti ed è da questo che dipenderanno le funzioni.

La maggior parte delle proteine sono sintetizzate nel citoplasma dai ribosomi. Molti aminoacidi sono intermedi

metabolici mentre alcuni non sono componenti delle proteine.

Le proteine sono polimere lineari costituite da una sequenza di amminoacidi (monomeri costituzionali) legati tra loro

da legami covalenti. Il legame che si instaura tra due amminoacidi è un legame speciale ed è detto legame peptidico ed

è questo che determina le strutture sovra secondarie (tridimensionali) e, ovviamente, le funzioni delle proteine. La

funzione delle proteine è dunque determinata dalla struttura tridimensionale.

Le proteine possono interagire tra loro e con altre macromolecole biologiche formando complessi funzionali. Alcune

proteine sono rigide (funzione strutturale) mentre altre presentano un elevato grado di flessibilità (funzionano come

cerniere, leve e nei complessi per la trasmissione di informazioni).

Esempio di proteine e relative funzioni

• catalizzata dall’enzima determina l’emissione della

Reazione tra proteina luciferina e ATP, luciferasi luce da

parte delle lucciole. In questo caso, la proteina ha funzione catalitica.

• L’emoglobina è una proteina contenuta negli eritrociti che, possedendo un gruppo EME, è in grado di

catturare l’ossigeno a livello degli alveoli polmonari e di trasportarlo. La funzione svolta dall’emoglobina è

quella di trasporto.

• La cheratina è il principale componente strutturale di capelli, unghie, squame, corna, lana. La funzione di

questa proteina è strutturale.

• Altre funzioni possono essere di immunità, movimento, catalisi enzimatica, trasporto e deposito, produzione e

trasmissione dei segnali (nei neuroni), controllo della crescita e differenziamento delle cellule, ecc...

UNITÀ STRUTTURALI DELLE PROTEINE il gruppo funzionale che caratterizzerà l’aminoacido

Con R indichiamo la catena laterale e questa comprende anche

(infatti tutti gli aminoacidi sono diversi per via della loro catena laterale). La maggiorparte dei gruppi funzionali degli

aminoacidi è chimicamente reattiva e sono responsabili dell’ampio spettro di funzioni svolte dalle proteine.

L’aminoacido può anche essere chiamato “residuo aminoacidico”. Gli aminoacidi hanno struttura tetraedrica. Fatta

α “centrale” (in azzurro) è asimmetrico: la molecola è dunque

eccezione per la glicina, il carbonio chirale. Tutti gli

aminoacidi presenti nelle proteine sono isomeri di tipo L ma esistono anche gli strereoisomeri D.

Gli aminoacidi non proteinogeni sono quelli che non sono presenti nelle proteine, come per esempio la citrullina.

L’uomo è in grado di sintetizzare solo 11 aminoacidi e sono detti non essenziali. Gli aminoacidi essenziali sono 9 e

sono quelli, invece, che il nostro corpo non produce più e quindi devono necessariamente essere assunti tramite una

dieta variata. Piante e procarioti, invece, li sintetizzano tutti (mangiamoli!). Gli aminoacidi essenziali sono istidina,

lisina, valina, leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano.

Una molecola può essere polare, e quindi solubile in acqua, oppure apolare, e quindi liposolubile ma insolubile in

acqua. Un aminoacido sarà polare o apolare a seconda della natura della sua catena laterale: quelli polari sono quelli che

presentano atomi elettronegativi nella catena laterale (O, S, N, ecc.) mentre quelli apolari sono quelli con anelli

benzenici o gruppi alchilici in R. 3

Scienze biologiche, unibo FM

In soluzione a pH = 7 gli aminoacidi si trovano in forma di ioni dipolari anche detti zwitterioni. Nella forma dipolare

3+ -

(zwitterionica) il gruppo amminico è protonato (-NH ) mentre il gruppo carbossilico è deprotonato (-COO ). Lo stato

di ionizzazione degli aminoacidi dipende dal pH:

• In soluzione acida, i gruppi amminici sono protonati mentre i gruppi carbossilici sono indissociati (-COOH).

• Aumentano il pH, il gruppo carbossilico perde il protone per primo.

• In soluzione basica, anche il gruppo amminico perde il protone (-NH ).

2

Le caratteristiche acido-base delle catene laterali degli aminoacidi vengono sfruttate in molti metodi di purificazione

delle proteine. sono polimeri lineari formati dall’unione degli aminoacidi che avviene tra il gruppo α-

Ripetendo, le proteine

carbossilico ed α-amminico. Il legame che si forma è un legame peptidico o carboamidico ed è un legame covalente.

Questo è un esempio di polipeptide. Quella al centro è la catena principale o scheletro covalente o backbone ed è ricco

+

di potenziali accettori e donatori di H .

Il peso molecolare medio di un aminoacido è di 110 Da. Una proteina è costituita da circa 100 aminoacidi. Quante mele

ha pierino?

Le proteine possono essere formate da:

• Una sola catena, parleremo dunque di monomeri;

• Più catene, parleremo dunque di multimeri che possono a loro volta essere:

 Omomultimeri, se le catene sono tutte uguali;

 Eteromultimeri, se le catente sono tutte diverse.

Tutti i legami che si instaurano tra gli aminoacidi anche di diverse catene sono interazioni deboli, fatta eccezione del

legame peptidico e dei ponti disolfuro (S-S).

Il legame peptidico è un legame più corto di un legame singolo covalente (misura circa 1,5 Å) ma è più lungo di un

doppio legame (misura circa 1,24 Å). Il legame peptidico misura 1,32 Å. Questa peculiarità è dovuta al fatto che ha

alcune caratteristiche di parziale doppio legame che lo rendono unico. Il legame peptidico è infatti un ibrido di

risonanza delle due forme e questo fa si che:

• l’O avrà parziale carica negativa mentre il N l’avrà positiva; questo farà

Il gruppo peptidico sia polare poiché +

sì che i due elementi diventino accettori o donatori di H e questo gli permetterà di instaurare interazioni deboli

trasversali rispetto alla catena con catene adiacenti;

• La rotazione attorno al legame è molto limitata (poiché parziale doppio legame) e questo conferisce alla

molecola rigidità;

• Per ogni aminoacido, R-O-C-N-H-R si troveranno su uno stesso piano quindi i 6 atomi coinvolti nel legame

sono complanari e tutti risiedono su quello che viene definito piano ammidico o peptidico.

4

Scienze biologiche, unibo FM

Il legame peptidico è sempre in trans per via dell’ingombro sterico delle catene laterali che si avrebbe se fosse in cis.

I legami N-C e C -CO sono legami semplici e flessibili. La libertà di rotazione di ciascun aminoacido intorno a questi

α α

due legami permette alle proteine di ripiegarsi in modi diversi. I loro angoli di rotazione o torsione sono detti:

• Angoli Φ (phi) per quanto riguarda i legami N-C

α

• Angoli Ψ (psi) per quanto riguarda i legami C -CO

α

In un polipeptide, abbiamo un’alternanza di zone rigide e di zone flessibili. Le

sono quelle localizzate a livello degli angoli Φ e Ψ e sono i

zone flessibili

punti in cui la rotazione è permessa. I valori di questi angoli determinano

l’avvolgimento della catena polipeptidica. Non sono possibili tutte le

queste dipendono dall’ingombro sterico della

combinazioni di angoli perché

catena laterale e dalla presenza di proline (la proteina neutra ciclica) dal

momento che impedisce il ripiegamento. Sono dunque consentiti solo alcuni

valori di angoli, quelli indicati dal grafico di Ramachandran.

Gli angoli, in generale, vanno dai -180° fino ai 180° e solo un ridotto numero

di angoli sono permessi. Questi valori angolari sono associati a strutture ben

definite: l’α-elica e il β-foglietto.

ORGANIZZAZIONE GERARCHICA DELLE PROTEINE

1. STRUTTURA PRIMARIA

Identifica la sequenza di aminoacidi della proteina.

2. STRUTTURA SECONDARIA

Identifica il ripiegamento ad α-elica o β-foglietto - +

e coinvolge solo legami a H tra COO e NH .

3. STRUTTURA TERZIARIA

Identifica l’organizzazione tridimensionale della proteina e intervengono anche le catene laterali per

determinarla.

4. STRUTTURA QUATERNARIA

In alcuni casi, una struttura non funziona come singola quindi si associano più subunità per mezzo di

interazioni deboli per diventare funzionali.

STRUTTURA PRIMARIA

Rappresenta la sequenza degli aminoacidi costituenti la proteina. Questa è unica e caratteristica per ogni proteina, è

codificata da una sequenza nucleotidica del DNA, viene letta dall’aminoacido N-terminale verso l’estremo C-

(inizio)

terminale, così come è sintetizzata a livello dei ribosomi.

per comprendere la struttura tridimensionale, che ne descrive anche il meccanismo d’azione e

La sequenza è importante

la funzione, e l’evoluzione della proteina presa in considerazione.

Una catena polipeptidica è caratterizzata da una serie di unità regolari ripetute, detta catena principale, scheletro

covalente o backbone, e da una porzione variabile che comprende le catene laterali.

Come si è arrivati a descrivere la struttura primaria di una proteina? Si deve tutto a F. Sanger: si occupò come prima

dell’insulina e ne determinò la struttura (I° premio Nobel) poi passò agli acidi nucleici e ne studiò le tecniche per

cosa 5

Scienze biologiche, unibo FM

sequenziarli (II° premio Nobel). Dimostrò che le proteine hanno sequenze amminoacidiche definite con grande

precisione. Ogni proteina si distingue dalle altre per la sua unica, ben definita sequenza amminoacidica.

METODI PER DETERMINARE LA SEQUENZA AMINOACIDICA

Si trattava la proteina con un acido forte (HCl 6M a 110° per 24 ore) per spezzare i legami covalenti, che sono molto

Sanger pensò a come arrivare alla sequenza e ideò dei reattivi che legassero l’aminoacido N-terminale

forti e stabili. e

lo identifica: il reattivo di Sanger 2,4-dinitrofluorobenzene. Partendo da questo, Edman proseguì cambiando il

marcatore (fenilisotiocainato). La degradazione di Edman richiede che la catena polipeptidica sia tagliata da enzimi

proteolitici in piccoli frammenti di massimo 50 aminoacidi che prendono il nome di sequenziatori automatici.

Ora si usa la spettrometria di massa (rapporto massa/carica) e la tecnica di ionizzazione per elettro-nebulizzazione. Sono

tecniche analitiche automatizzate che ci permettono di farlo in maniera facile. La conoscenza della struttura primaria è

molto utile per fare predizioni delle strutture superiori per classificazioni e per studi filogenetici. Il numero di

aminoacidi diversi in una sequenza proteica in due specie varia proporzionalmente alla distanza filogenetica fra le due

specie. Quindi si possono costruire degli alberi filogenetici studiando le proteine. Questo principio è alla base degli

studi sull’evoluzione molecolare, anche se si è rilevato più corretto utilizzare le sequenze di RNA.

CITOCROMO C

È una proteina di 104-112 aminoacidi (11-12 kDa) a seconda delle specie. È una piccola proteina. Confrontando le

sequenze di questa proteina in tante specie diverse si è notato che ci sono degli aminoacidi sempre presenti:

Nella posizione 10 c’è sempre

o la F (fenilalanina)

c’è sempre la

o Nella posizione 18 H

Nella posizione 30 c’è sempre la P

o 59 c’è sempre la W (triptofano)

o Nella posizione

Nella posizione 80 c’è sempre la M (metionina)

o

L’analisi della sequenza permette di identificare gli aminoacidi conservati o invariati. Questi aminoacidi sono

conservati perché delle sostituzioni di essi non sarebbero tollerate, si rileverebbero letali. Gli aminoacidi essenziali sono

importanti per la corretta struttura tridimensionale, quindi per il loro ripiegamento, e per la loro