Appunti Biochimica

Biochimica 2021/2022 Prof. Volpi

Argomenti

• Gruppi chimici di interesse biologico: formazione di legami molecolari e macromolecolari
• Carboidrati: Monosaccaridi e stereochimica
• Derivati dei monosaccaridi: esteri degli zuccheri, zuccheri acidi, ammino zuccheri, alditoli, legame glicosidico, oligosaccaridi e polisaccaridi
• Lipidi: Acidi grassi saturi e insaturi
• Lipidi: Trigliceridi, fosfogliceridi, sfingolipidi, colesterolo e acidi biliari
• Amminoacidi
• Proteine e legame peptidico: strutture delle proteine
• Strutture super secondarie
• Modificazioni post-traduzionali delle proteine: glicoproteine e lipoproteine
• Mioglobina ed emoglobina: effettori
• Proteine fibrose: collagene
• Basi azotate, nucleotidi e acidi nucleici
• Vitamine: B1, B2, B3 e B5
• Vitamine: B6, B7, acido folico, B12, C, A, D, E e K
• Enzimi: isoenzimi, classificazione, coenzimi e cinetica di Michaelis-Menten
• Cinetica enzimatica: Line Weaver-Burk, effettori, strategie regolatorie e principi di termodinamica
• Metabolismi e glicolisi
• Fermentazione lattica, ciclo di Cori e decarbossilazione ossidativa
• Ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni e fosforillazione ossidativa
• Glicogenolisi, glicogeno sintesi, gluconeogenesi e glucogenesi
• Shunt dei pentosi, metabolismo dei lipidi: ossidazione degli acidi grassi e biosintesi dei lipidi
• Biosintesi del colesterolo, chetogenesi, degradazione degli amminoacidi, ciclo dell’urea, glucosio-alanina
• Biosintesi degli amminoacidi
• Metabolismo delle purine e delle pirimidine

Gruppi chimici di interesse biologico: formazione di legami molecolari e macromolecolari

Per gruppi chimici intendiamo gruppi di atomi con specifiche caratteristiche, sono più o meno reattivi ed interagiscono tra loro formando legami chimici e strutturando molecole biologiche di fondamentale importanza.

Metile CH₃: Gruppo debolmente idrofobico, non polare e non ionico, viene rapidamente ossidato a ossidrile (idrossimetile), poco reattivo nella formazione di legami covalenti. È presente negli acidi grassi nella porzione idrofobica e in alcuni amminoacidi idrofobici alifatici.

Idrossimetile C-OH: È un legame fortemente polare ma non ionico. Si riduce rapidamente a metile, e viene ossidato a carbonile. È altamente reattivo nella formazione di legami covalenti come legami etere ed esterei. La reattività è dovuta all’idrossimetile. Presente nei carboidrati e negli idrossi-amminoacidi.

• Legame etere tra due alcol con una reazione di condensazione o deidratazione va a formare eteri. Coinvolta la classe enzimatica delle sintetasi. Non sono presenti doppi legami C=O. È il legame tipico degli zuccheri, prendendo il nome di legame glicosidico. Il processo inverso, l’idratazione, consente la rottura dell’etere ad opera delle idrolasi. La rottura è favorita termodinamicamente, non necessita di energia. La formazione generalmente non è favorita e richiede energia.
• Legame estere tra un alcol e un acido, va a generare esteri mediante legame estereo di una molecola d’acqua. L’ossigeno crea un legame a ponte deidratazione, con formazione ma al C è presente un doppio legame con O. È visibile in diversi intermedi metabolici.

Carbonilico C=O: Si distingue in aldeide se è presente un H legato al carbonio e chetone con diversi sostituenti. È debolmente polare ma non ionico. Viene rapidamente ridotto a ossidrile. Può essere ossidato a carbossile. È altamente reattivo, in particolare l’aldeide. Genera carbocationi che reagiscono con carboanioni, inoltre forma la base di Shiff, una immina. È presente in carboidrati e intermedi metabolici.

La base di Shiff è un’immina con un doppio legame C=N, si forma dalla reazione di deidratazione tra un’aldeide e un’ammina (generalmente primaria). È utilizzato per i preparati in laboratorio di microscopia. Il doppio legame a volte viene ridotto. È un legame importante in amminoacidi, nei quali è presente un gruppo amminico.

Carbossilico HO-C=O: È il gruppo più reattivo, fortemente polare ed è un acido forte. Associa insieme un carbonile ed un idrossimetile. Dissocia H⁺ a pH inferiori rispetto ai fisiologici, per questo, spesso si trova in forma ionica. Non può essere ulteriormente ossidato. Può formare legami covalenti forti:

• Legame estereo
• Legami anidridici: si forma tra due acidi e genera anidridi, riconoscibili da due doppi legami ai lati del ponte -O-. Importante in intermedi metabolici e ad alto contenuto energetico. Presente in amminoacidi, acidi grassi e acidi organici.

Amminico NH₂: È fortemente polare, cationico che rappresenta una base forte in grado di assorbire idrogenioni. Forma legami covalenti formando la base di Shiff e legami carbamidici. È presente in amminoacidi e vitamine.

Ammidico: Avviene tra un gruppo amminico ed un acido, quando avviene con un acido carbossilico prende il nome di carbammidico. Il C coinvolto è sempre carbossilico. Legame carbammidico nel metabolismo amminoacidico e in alcuni amminoacidi. Il legame peptidico è di tipo carbammidico.

Fosfato PO₄^-: È fortemente polare, anionico, acido forte con due H⁺ dissociabili. Forma legami fosfoesteri (degli acidi nucleici) e fosfoanidridici. È presente in numerosi processi metabolici: è un legame ad alto "contenuto energetico". Rappresenta una grande risorsa energetica ed una strategia chimica, utilizzata da vitamine e coenzimi, i quali si legano attraverso le cariche. Controlla l’attività enzimatica.

Sulfidrile o Tiolo -S-H: Proprietà simili all’ossidrile. È un acido debole e poco polare, con viene rapidamente ossidato e va a formare legami tioesteri e ponti disolfuro. Presente in cisteina, quindi in proteine, stabilizza la struttura proteica e la loro attività. È essenziale nel Co-A (nel quale è presente il gruppo funzionale il Tiolo, in grado di formare legame tioesterico) e nei metabolismi. Nel ponte disolfuro si perdono due H andando a creare il ponte con i due S. Tra i legami covalenti è il più debole, le proteine infatti presentano proprietà plastiche in grado di adattarsi alle diverse funzioni. Quando si ossida le proteine perdono la loro funzionalità. Il legame tioesterico avviene legando un acido con un tiolo attraverso una reazione di deidratazione.

Ponte disolfuro e processi redox

Processi alla base del metabolismo, con produzione ed utilizzo di elettroni da parte dei carboni. Ossidazione cessione di e- (produciamo), riduzione acquisto di e- (utilizziamo). Per ogni step di ossidazione si perdono due elettroni. Il catabolismo è di tipo ossidativo, l’anabolismo è riduttivo, quindi necessita di elettroni. La funzione delle macromolecole è dovuta ai legami deboli, da cui deriva la plasticità.

• Il legame ionico, generato dall’attrazione tra ioni di carica opposta, è caratterizzato dalla condivisione di una o più coppie elettroniche.
• Le forze di Van Der Waals sono interazioni elettrostatiche che derivano da addensamenti di carica.
• Interazioni idrofobiche, guida l'organizzazione strutturale di tutte le macromolecole biologiche e le induce a prendere una forma che comporta sempre la presenza di un core idrofobico.
• Le molecole anfipatiche presentano porzioni con proprietà fortemente differenti. In ambiente acquoso formano micelle e/o vescicole a doppio strato. Per minimizzare l’insolubilità interfacciano le porzioni idrofobiche all’interno.

Anelli eterociclici aromatici

Sono composti con una struttura carboniosa ciclica in cui uno o più atomi di carbonio sono sostituiti da altri atomi (N, O o S). La maggior parte dei composti fisiologicamente attivi li contiene. Gli anelli più comuni sono a 5 o 6 atomi. Possiedono un sistema coniugato caratterizzato da doppi legami, conferendo proprietà particolari.

Piridina: Esatomica con un atomo di N al suo interno. Conserva le proprietà del benzene. Può essere attaccato da numerosi sostituenti. È presente nella vitamina B3 e la vitamina B6.

Pirrolo: Pentatomico con un atomo di N. Presenta una forte densità sull’anello che lo rende molto reattivo alla sostituzione elettronica. Dall’unione di 4 molecole si forma la porfirina, presente in citocromi, clorofilla, emoglobina, ecc.

Indolo: Condensazione di anello benzenico e un pirrolo. I derivati sono molto presenti in natura, il più importante è il triptofano (amminoacido idrofobico), da cui derivano le ammine biogene. La decarbossilazione dell’indolo porta all’ormone serotonina, importante neurotrasmettitore.

Imidazolo e tiazolo: Sono composti pentatomici contenenti N ed un alto elemento come N, O o S formando imidazolo contenuto nell’istidina, tiazolo nella vitamina B1 e ossazolo.

Pirimidina: Anello a sei atomi che presenta 2 N in posizione 1 e 3, in base ai sostituenti produce le diverse basi pirimidiniche.

Purine: Sono eterocicli complessi formati da un anello di pirimidina unita a imidazolo.

Carboidrati

Molecole fondamentali dal punto di vista energetico, attualmente presentano applicazione in vari settori, come quello farmaceutico e nutraceutico. Sono ampiamente presenti in natura, si accumulano durante la fotosintesi, svolgono un ruolo nel metabolismo energetico, inoltre intervengono nel riconoscimento cellulare, nella comunicazione intercellulare e nel funzionamento delle matrici extracellulari. I derivati di zuccheri monosaccaridici si trovano in molte molecole biologiche, come coenzimi e acidi nucleici. I polisaccaridi svolgono una grande varietà di ruoli funzionali.

I carboidrati sono composti che contengono H, C e O (ma anche N, S e P), la formula generale è (CH₂O)_n. Si suddividono in monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi

Possono essere classificati, in base al numero di carboni che costituiscono lo scheletro carbonioso, in triosi, tetrosi, pentosi, esosi, eptosi. In base alla natura del carbonio carbonilico, che costituisce il gruppo funzionale più importante, si suddividono in aldosi, quando è presente il gruppo aldeidico, e chetosi con il gruppo chetonico. Il gruppo ossidrilico è altamente presente.

• Suffisso -oso valido per i monosaccaridi.
• Prefisso numerico indica il numero di C.
• Aldosi prefisso aldo-
• Chetosi prefisso cheto-

Triosi: Sono i monosaccaridi più semplici, la gliceraldeide (aldeide) e il diidrossiacetone (chetone) sono i due unici triosi. Essi sono isomeri strutturali, con la stessa formula bruta, che differiscono nella localizzazione degli atomi di idrogeno e dei doppi legami. Possono interconvertirsi da un aldoso ad un chetoso o viceversa, l’intermedio è un enediolico. Il diidrossiacetone è un chetotrioso. Il carbonile è legato al C₂. Nel caso della gliceraldeide, il C₂ è un carbonio chirale, quindi può generare due enantiomeri: D-gliceraldeide (OH a destra) e L-gliceraldeide. O è legato al C₁ o sul C₃.

Nei carboidrati è predominante una sola forma enantiomerica: i D-monosaccaridi. Non esistono spiegazioni per l’eliminazione degli zuccheri di serie L nei metabolismi. Si ipotizza che sia dovuto alla luce polarizzata, che interagì con gli zuccheri L. Monosaccaridi con più di tre atomi, possono avere più di un atomo chirale, ammettendo enantiomeri e diastereoisomeri. I prefissi D e L sono usati per designare l’orientamento del centro chirale più lontano dal gruppo carbonilico, il penultimo carbonio.

D-aldosi

• Eritrosio, presenta 4 carboni, con tutti gli ossidrili a destra. È un intermedio delle vie metaboliche dei mammiferi.
• Ribosio, derivando dall’eritrosio avrà l’ultimo OH a destra. Rispetto allo xiloso, differisce in un unico carbonio chirale, il C₃, sono epimeri. Nell’organismo sono presenti enzimi, epimerasi, che riescono a modificare gli epimeri.
• Glucosio, deriva dall’arabinosio, presenta i C₁, 2 e 3 con OH alternati.
• Mannosio, epimero in C₂ del glucosio.
• Galattosio, epimero in C₄ del glucosio.

D-chetosi

Il C₂ non è chirale, il nome del chetoso viene ottenuto dall’aldoso corrispondente inserendo le lettere ul; quindi, eritrosio diventa eritrulosio. Occorre cambiare il gruppo funzionale del carbonio carbossilico. Possiamo biosintetizzare aldosi da chetosi e viceversa.

• Ribulosio
• Xilulosio
• Fruttosio, alta funzione energetica, è il chetoso corrispondente al glucosio. C₂ e C₃ sono alternati.

Il 2-desossi D-ribosio è D-ribosio ridotto su C₂.

Stereochimica dei carboidrati

In ambiente acquoso, la struttura appare differente. Le proiezioni di Fischer pongono il carbonio più ossidato in alto ma la molecola in realtà non si trova in forma lineare. I pentosi e gli esosi aldosi formano strutture ad anello molto stabile, attraverso la formazione di un emiacetale intramolecolare. Si lega il carbonio carbonilico al carbonio 4 o 5 ossidrilico formando un anello caratterizzato da 5 o 6 atomi. Uno dei sei atomi è l’ossigeno.

In base alla posizione del gruppo ossidrile del C₁, il quale costituisce un nuovo centro chirale in seguito alla ciclizzazione, si vanno a costituire due anomeri: α e β. Aggiungono ulteriori informazioni strutturali che influenzano le funzioni. Con 6 atomi nell’anello, si ottiene una forma piranosica, dal pirano. Con 5 atomi furanosica, dal furano. Aldosi pentosi e chetosi esosi prevalgono forme furanosiche, quindi a 6 atomi.

Derivati dei monosaccaridi di interesse biochimico

I monosaccaridi possiedono gruppi funzionali, soprattutto ossidrili, a cui possono legarsi sostituenti diversi o da altri gruppi funzionali. Possono subire modificazioni in seguito a reazioni chimiche. In questo modo vengono prodotti molti derivati monosaccaridici, i quali si trovano in carboidrati più complessi e servono per esprimere nuove funzioni.

• Acidi aldonici, aldarici, uronici: Sono zuccheri acidi che presentano almeno un gruppo carbossilico, generando interazioni di natura polare, ionica, legami anidridici o legami esterei.
• Alditoli: Sono zuccheri con funzione aldolica dove il gruppo carbonilico viene ridotto, in special modo gli aldosi.
• Esteri degli zuccheri: Gli zuccheri contengono molti gruppi -OH che possono usare per formare legami esterei.
• Ammino-zuccheri: Gli zuccheri aminati sono più reattivi dei normali carboidrati.
• Addotti con le proteine.

Esteri degli zuccheri

Gli esteri sono molto abbondanti: esterificati con l’acido fosforico, il quale presenta un gruppo fosfato. Sono presenti in tutte le cellule viventi come intermedi del metabolismo dei carboidrati ed hanno un’enorme importanza biologica. Sono principalmente monosaccaridi esterificati con un gruppo fosfato. La fosforilazione avviene sui carboni più reattivi.

Fosforilare un monosaccaride serve a:

1. Controllare la reattività. Es. Glucosio e fruttosio sono sempre 6-fosfato e 1-fosfato perché sono i carboni più reattivi e se si riducono non possono più partecipare alla glicolisi.
2. Favorire, avendo la carica negativa del fosfato, l’attacco degli enzimi, nel sito attivo, che li devono modificare. I carboni dei monosaccaridi non sono, però, legati agli enzimi e, di conseguenza, possono reagire ed essere modificati.

Zuccheri acidi

I monosaccaridi possono essere ossidati sul C₆ e C₁, sul carbonile o perché è esposto nell’anello. Troviamo tre tipologie di zuccheri acidi:

• Ossidati sul C6: Assumono la desinenza -uronico e fanno parte degli acidi uronici. Es. glucosio → acido glucuronico. Il gruppo COO^- fuori dal piano ed estremamente reattivo. La reazione appare più complessa perché vi sono due step di ossidazione, con generazione di 4 elettroni.
• Ossidati sul C1 aldeidico: Assumono la desinenza -onico e fanno parte degli acidi aldonici. Es. glucosio → acido gluconico. Per ossidare il C1 serve un solo step di ossidazione, con generazione di 2 elettroni. È molto protetto dalla struttura ciclica.
• Ossidati sul C1 e C6: Assumono la desinenza -arico e fanno parte degli acidi aldarici. Es. glucosio → acido glucarico. Questi zuccheri acidi sono più rari, poiché con produzione di 6 elettroni, gli acidi aldarici non sono presenti nel regno animale ma solo nel regno vegetale.

Lattoni: Gli acidi aldonici liberi in soluzione sono in equilibrio con i corrispondenti lattoni: specie molecolari provviste di un legame estereo intramolecolare. Gli acidi aldonici possono ripiegarsi e formare un legame fra il C1 carbossilico ed il C5 ossidrilico, con la conseguente formazione dei lattoni. Il C1 ha sempre ossidazione di un carbonile.

Ammino-zuccheri

La sostituzione del gruppo ossidrile in C2, di un monosaccaride, con un gruppo amminico genera gli ammino-zuccheri. I quali costituiscono, ad esempio, lo scheletro carbonioso di importanti oligosaccaridi e eteropolisaccaridi. Questi sono più reattivi grazie alla presenza del gruppo amminico che può formare, ad esempio, il legame carbammidico.

Alditoli

Uno zucchero può essere ridotto sul carbonile, convertendosi in un alditolo. Questi composti sono zuccheri alcoli, dove il gruppo carbonilico è ridotto ad un gruppo ossidrilico.