Appunti biochimica

Riassunti per l’esame

Biochimica -

Aminoacidi

Formula e Proprietà α-

Tutte le proteine sono polimeri e i monomeri che le costituiscono sono gli

δ’atomo centrale è il carbonio α legato a quattro sostituenti: il gruppo

aminoacidi.

aminico (pH=10), il gruppo carbossilico (pH=2), un atomo di idrogeno e la catena

laterale R.

δa catena laterale R è diversa per ogni α-aminoacido.

Le proteine sono codificate da 20 aminoacidi.

Aminoacido generalizzato, che forma uno zwitterione a pH=7 neutro.

Stereochimica

δa configurazione del carbonio α è tetraedrica. Quando un atomo di carbonio è legato a quattro sostituenti diversi,

formando così una molecola asimmetrica, il carbonio viene detto chirale o stereocentro. La molecola asimmetrica

due possibili stereoisomeri distinguibili (immagini speculari non sovrapponibili l’uno all’altro:

presenta così

enantiomeri).

Gli enantiomeri L [R a sinistra] e D [R a destra] possono essere distinti poiché in soluzione ruotano il piano della luce

polarizzata in direzioni opposte (isomeri ottici).

Tutti gli aminoacidi, tranne la glicina (il carbonio non è asimmetrico), possono esistere nella forma D e L. Gli

aminoacidi incorporati dagli organismi nelle proteine sono nella forma L.

Reattività: proprietà delle catene laterali

[Idrofobico: non polare, no H O. Idrofilo: polare, si H O]

2 2

questi aminoacidi tendono a orientarsi verso il core idrofobico della proteina e non

AA con catena laterale alifatica:

verso l’ambiente acquoso.

Glicina [Gly, G] Basso ingombro sterico. Idrofobica.

Alanina [Ala, A] Maggiore ingombro sterico e idrofobicità rispetto alla Glicina.

Valina [Val, V] all’Alanina.

Maggiore ingombro sterico e idrofobicità rispetto

Leucina [Leu, L] Più ingombrante e idrofobica. Peso molecolare uguale alla Isoleucina.

Ramificazioni in gamma ( ).

Isoleucina [Ile, I] Più ingombrante e più idrofobica. Peso molecolare uguale alla Leucina.

AA con catena laterale contenente zolfo o gruppi ossidrilici

Serina [Ser, S] Idrofilica. Accettore e donatore di legami idrogeno. Non è dissociabile.

Cisteina [Cys, C] Ingombro sterico maggiore (SH). Idrofilica. Si dissocia, pKa=8.3 + -

δ’ossidazione tra due catene di Cisteina forma un ponte disolfuro (S-S) (rilasciati 2 p e 2 e ).

Treonina [Thr, T] Maggiore ingombro sterico. Idrofilica. Non è dissociabile.

Metionina [Met, M] Polare: S doppietto disponibile. Apolare: metile. Abbastanza idrofobica. Debolmente alifatica.

Viene sempre inserita all’inizio

Abbastanza ingombrante. di una proteina.

AA ciclico

Prolina [Pro, P] Rigidità dell’anello: minore libera flessione. Interruzioni regolari nella formazione della

proteina. Forma un angolo rigido. Abbastanza idrofobica.

AA aromatici

Fenilalanina [Phe, F] Idrofobica. Abbastanza ingombrante. Anello con doppi legami coniugati:

regione dell’ultravioletto.

assorbimento della luce nella

Apertura o chiusura di un canale. Flip: può ruotare, si riorganizza.

Tirosina [Tyr, Y] -

Idrofobica. Accettore e donatore di legami idrogeno. OH : polare.

Assorbe UV (proprietà aromatici). pKa=10

Triptofano [Trp, W] Idrofobico. Anello condensato. Non porta cariche sulla catena laterale.

Assorbanza (UV). Fenomeno di fluorescenza.

polari carichi. pH= 7 circa, carica netta positiva sulla catena laterale.

AA basici:

Istidina [His, H] +

δ’anello perde p

Meno basica. Idrofilica. a pKa=6.2-6.5. No aromatico.

Metà e metà protonato. Si attiva nelle proteine dove ci sono degli AA che partecipano a funzioni di catalisi.

Accettore e donatore di legami idrogeno. N: legami di coordinazione con i metalli.

Il ciclo può ricoordinarsi intorno al legame con il metile.

Lisina [Lys, K] Sostituzione amminica.

Basica. Ammina primaria facilmente protonabile. Idrofilica.

Si orienta facilmente. pKa=10-11 Interazioni elettrostatiche.

Arginina [Arg, R] Simile all’urea.

Basica. Idrofilica. Ingombrante. pKa=12

AA acidi e ammidi corrispondenti: dissociati e con una carica negativa sulla catena laterale (carbossile)

Acido aspartico [Asp, D] Idrofilico. pKa=4

Acido glutammico [Glu, E]

Idrofilico. pKa=4 +

Ammidi: danno legami idrogeno, scambiano p

Asparagina [Asn, N] Idrofilica. No dissociabile.

Glutammina [Gln, Q] Idrofilica. No dissociabile.

Legame peptidico

Gli aminoacidi possono essere legati covalentemente per mezzo della formazione di una legame peptidico. I prodotti

formati da questo legame sono detti peptidi.

Il legame peptidico avviene tra il gruppo α-carbossilico e il gruppo α-aminico

di un aminoacido di un altro.

si forma un dipeptide e si ha l’eliminazione di una molecola di acqua

Dalla condensazione di due aminoacidi, (idrolisi).

δa reazione potrebbe essere continuata e ogni volta che viene aggiunto un amminoacido, un’altra molecola di acqua

verrà eliminata. La porzione di aminoacido che entra a far parte della catena viene detta residuo aminoacidico.

Catene con pochi residui aminoacidici vengono definite oligopeptidi, invece catene molto lunghe vengono dette

polipeptide.

δa maggior parte delle catene mantengono un gruppo aminico libero a un’estremità (estremità N-terminale) e un gruppo

carbossile libero all’altra estremità (estremità C-terminale).

Fanno eccezione alcune catene cicliche, in cui le due estremità sono legate tra loro. Inoltre, le estremità N-terminali

possono essere bloccate da gruppi N-formilici o N-acetilici, e le estremità C-terminali modificate in ammidi.

Polipeptidi come polianfoliti: punto isoelettrico

Polianfoliti: sostanze le cui molecole possiedono gruppi sia acidi che basici.

Punto isoelettrico: pH in cui la carica elettrica netta di un anfolita è pari a zero.

Oltre alle due estremità libere, i polipeptidi possiedono gruppi ionizzabili sulle loro catene laterali.

Questi gruppi possono essere debolmente acidi o basici, quindi i polipetidi sono eccellenti polianfoliti. Una piccola

variazione di pH può alterare significativamente la distribuzione delle cariche.

Struttura primaria delle proteine

Le proteine sono polipeptidi lunghi a sequenza definita. Ogni proteina possiede un ordine definito di residui

aminoacidici e questa sequenza è detta struttura primaria.

Le proteine evolvono, cambiando le loro sequenze aminoacidiche. Questi cambiamenti possono essere conservativi,

cioè mantengono la natura della catena laterale, oppure non conservativi con conseguenze più importanti.

In una data specie di organismo, bisogna sottolineare l’unicità di una proteina.

Esempi di come le catene laterali degli aminoacidi danno proprietà alle proteine: meccanismo delle proteasi

legame peptidico porta all’eliminazione di una molecola d’acqua (idrolisi).

Il

δ’equilibrio della reazione è spostato verso destra. In assenza di catalisi, la reazione è comunque estremamente lenta. I

polipeptidi sono metastabili, ovvero si idrolizzano rapidamente solo in presenza di catalizzatori.

δ’idrolisi dei peptidi può essere catalizzata in molti modi. Una catalisi specifica si ha per mezzo di enzimi proteolitici, o

proteasi. Molti di questi enzimi hanno una specificità riguardo al tipo di legame che sono in grado di scindere.

Queste proteasi rompono i legami peptidici in modi ben definiti.

Modificazione post-traduzionale delle proteine

Una catena polipeptidica, rilasciata dal ribosoma, non è necessariamente completata.

La proteina deve avvolgersi nella sua struttura tridimensionale, e in alcuni casi subire modificazioni da parte di enzimi

cellulari oppure la formazione di ponti disolfuro.

Molte proteine vengono ulteriormente modificate in seguito da specifici tagli proteolitici che ne accorciano la catena,

come esempio la sintesi dell’insulina.

δ’insulina è una proteina costituita da due catene tenute insieme da ponti disolfuro. Essa viene sintetizzata come una

singola catena ad avvolgimento casuale molto più lunga, la preproinsulina.

I residui all’inizio della molecola, detti sequenza leader, determinano il trasporto della molecola di preproinsulina

attraverso le membrane cellulari idrofobiche.

La sequenza leader viene scissa da una proteasi specifica, si forma così la proinsulina che si ripiega nella propria

struttura tridimensionale.

Ciò permette la formazione dei ponti disolfuro e tramite un’altra proteasi specifica, si ha la rimozione della sequenza di

connessione. Viene prodotta la molecola di insulina completata.

Poiché la proinsulina non è una molecola attiva, essa può essere presente nei tessuti ad alte concentrazioni. Mentre

l’insulina a tali livelli sarebbe tossica.

Analisi delle proteine

Analisi chimica Degradazione del legame peptidico.

_Riscaldamento HCl 6 M

Per determinare la composizione aminoacidica di una proteina, i polipeptidi vengono idrolizzati nei suoi aminoacidi

costituenti mediante riscaldamento di HCl.

_Reazione di bromuro di cianogeno

Una reazione non enzimatica che scinde un legame peptidico specifico è quella del bromuro di cianogeno. Esso taglia

specificamente dal lato carbossilico della metionina nei polipeptidi, e converte εet nel lattone dell’omoserina.

_Degradazione di Edman

Questa degradazione prevede di determinare velocemente la sequenza.

Si ha una serie di reazioni sequenziali che rimuovono, uno alla volta, i residui della catena polipeptidica, partendo

dall’N-terminale.

Il metodo diventa inattendibile per catene lunghe e si complica se la proteina presenta più di una catena.

_Riduzione con β-mercaptoetanolo

Produzione di gruppi sulfidrilici liberi, la cui disposizione è tale per cui la loro riossidazione e la riformazione di ponti

disolfuro sono spesso fenomeni probabili.

_Ossidazione con acido performico

δ’acido performico, forte agente ossidante, produce acido cisteico.

Analisi enzimatica Proteasi

. – Riassunti per l’esame

Biochimica

Legame peptidico e struttura secondaria delle proteine

Natura e proprietà del legame peptidico

Il legame peptidico si riscontra tra ogni coppia di residui in una proteina, possiede alcune proprietà molto importanti.

–C=O –N-H

I legami e sono pressoché paralleli, e in effetti gli atomi C, O, N, H sono praticamente complanari.

È possibile soltanto una piccola torsione attorno al legame C-N, poiché il legame peptidico presenta un carattere di

doppio legame. Esso può essere considerato un ibrido di risonanza di due forme limite:

Il gruppo di atomi attorno al legame peptidico può esistere in due conformazioni, trans e cis. La conformazione trans è

atomi di carbonio α adiacenti possono

favorita, poiché in quella cis le ingombranti catene laterali R legate agli

interferire.

Struttura secondaria

La maggior parte delle proteine è dotata di ulteriori livelli di organizzazione strutturale.

La struttura secondaria delle proteine è il ripiegamento della catena principale per formare una struttura ripetitiva

regolare. Qualsiasi struttura di questo tipo dovrebbe possedere dei requisiti:

1. Le lunghezze e gli angoli di legame dovrebbero essere distorti il meno possibile.

2. Due atomi non dovrebbero avvicinarsi tra loro più di quanto sia loro consentito dai rispettivi raggi di Van der

Waals.

3. Il gruppo ammidico dovrebbe rimanere planare e nella configurazione trans. Di conseguenza, la rotazione

solo attorno ai due legami adiacenti al carbonio α di ciascun residuo aminoacidico.

sarebbe possibile

4. Dovrebbero essere presenti alcuni tipi di legame non covalente per stabilizzare i ripiegamenti regolari.

…. O=C

Formazione di legami idrogeno tra i protoni ammidici e gli atomi di ossigeno carbonilici N-H

sono l’α e il foglietto β.

Le due strutture più comuni elica

Esistono due altre eliche polipeptidiche non molto comuni, l’elica γ e l’elica π. Quella π non è mai stata osservata ,

10

forse perché contiene una cavità centrale troppo ampia per permettere interazioni di Van der Waals ma troppo piccola

per ammettere molecole d’acqua dall’effetto potenzialmente stabilizzante.

Possibili elementi della struttura secondaria

δ’α elica è una struttura elicoidale formata da una singola catena polipeptidica. In essa, ogni ossigeno carbonilico forma

un legame idrogeno con il protone amidico del quarto residuo aminoacidico successivo. Poiché i legami idrogeno

gli atomi coinvolti nell’interazione devono giacere nelle eliche su una linea retta.

tendono a essere lineari,

Questo modello di elica si ripete esattamente ogni 18 residui, ovvero 5 giri con 3,6 residui per giro.

Il foglietto β è una struttura a foglietto formata da catene adiacenti. I legami idrogeno si formano tra le catene, ciò può

realizzarsi in due modi: le catene possono disporsi parallelamente , con lo stesso orientamento NC, formando cosi il

foglietto β parallelo, oppure possono disporsi in modo antiparallelo.

I grafici di Ramachandran

Ogni residuo aminoacidico di una catena polipeptidica possiede solo due legami entro la catena principale attorno ai

quali è possibile una rotazione: il legame tra l’azoto e il carbonio α, e il legame tra il carbonio α e l’ossigeno

ϕ e Ψ, possono essere variati e dare così diverse strutture.

carbonilico. Questi angoli di rotazione, La loro rotazione

positiva è in senso orario, guardando dal carbonio α in entrambi le direzioni.

Si può così descrivere la conformazione di ogni aminoacido nella catena principale di una proteina specificando questi

ϕ e Ψ come coordinate di una mappa.

due angoli Mappe di questo tipo sono dette grafici di Ramachandran.

Una delle caratteristiche più utili di queste mappe è che esse ci consentono di descrivere in modo molto semplice quali

strutture secondarie siano possibili e quali no. Ciascun punto sulla mappa corrisponde a una coppia di valori degli

ϕ e Ψ e quindi a una struttura secondaria ipotizzabile.

angoli Tuttavia, per molte coppie di valori di questi due angoli,

alcuni atomi nella catena si avvicinerebbero molto di più di quanto lo consentano i loro raggi di Van der Waals. Tali

conformazioni sono stericamente non ammesse. δ’α elica sinistrorsa giace

Le coppie di angoli ammesse giacciono entro le aree circondate o in loro prossimità.

all’interno di una regione permessa, ma in realtà essa non è favorita quanto la forma destrorsa. Ciò è dovuto dalla sua

maggiore interferenza sterica tra le catene laterali e la catena principale.

Le linee che attraversano il grafico corrispondono ai valori di n (residui per giro). Ogni struttura secondaria giace su

queste linee. Particolarmente importanti sono la linea corrispondente al nastro piatto (n=2) e i punti corrispondenti agli

anelli chiusi (n=5). δ’attraversamento di queste linee coincide con il cambio di direzione della struttura. Se fossero state

considerate catene laterali più ingombranti, le regioni permesse sarebbero state più ristrette o viceversa.

Principi di dicroismo circolare come tecnica per studiare la struttura secondaria

Tecniche che prevedono l’utilizzo della luce polarizzata. δa luce può essere polarizzata in vari modi.

Polarizzazione planare: la variazione del campo elettrico della radiazione ha un orientamento fisso. Mentre la luce non

polarizzata è composta di onde che vibrano su tutti i piani perpendicolari alla direzione dello spostamento, la luce

polarizzata planarmente è costituita da ombre che vibrano su un solo piano.

Polarizzazione circolare: la direzione della polarizzazione ruota con la frequenza della radiazione, mentre il campo

elettrico può ruotare sia in direzione oraria (luce polarizzata circolarmente destra) sia antioraria (luce polarizzata

circolarmente sinistra). una preferenza per l’assorbimento della

Gli amminoacidi e le eliche delle proteine sono asimmetrici, e manifestano

luce polarizzata circolarmente destra o sinistra. Questa differenza di assorbimento viene detta dicroismo circolare.

Uno spettro di dicroismo circolare presenta sia valori positivi sia negativi.

Questa tecnica sebbene sia molto utile, non è molto discriminante perchè non è in grado di fornire informazioni su ciò

che sta accadendo in un particolare punto di una molecola proteica.

Esempi di proteine fibrose con informazioni specifiche della loro architettura

Le proteine fibrose si differenziano dalle proteine globulari per la loro forma filamentosa, ovvero allungata.

La maggior parte di esse riveste ruoli strutturali in cellule e tessuti animali.

Le cheratine

α- e β-cheratine possiedono sequenze aminoacidiche e funzione biologica simili.

δe α-cheratine sono i principali costituenti proteici di capelli e unghie, fanno parte di un gruppo di proteine a filamenti

intermedi che rivestono ruoli strutturali importanti nel nucleo, nel citoplasma e sulla superficie di molti tipi di cellule.

Tutte le proteine di questo gruppo sono prevalentemente di struttura ad α elica.

δe α-cheratine sono costituite da una struttura di lunghe sequenze ad α elica a doppio avvolgimento. Coppie di queste

attorcigliano una sull’altra nella struttura a doppio avvolgimento (coiled

eliche si coil) sinistrorso.

Queste proteine possiedono una catena non polare idrofobica che tende a cercare il suo simile per appiccicarsi assieme.

Nei filamenti intermedi, coppie di “coiled coil” tendono ad associarsi in protofilamenti di quattro catene e due di questi

si impaccano assieme a formare le protofibrille costituite da otto catene.

δe β-cheratine contengono molta più struttura a foglietto β. Esse si trovano per lo più in uccelli e rettili, in strutture

come piume e scaglie.

La fibroina

δa fibroina contiene lunghe sequenze a foglietto β antiparallelo. Questa struttura è formata da ripetizioni multipl