Appunti Biochimica - Vincenzini UNIFI

Lezione 1

giovedì 2 marzo 2017

11:38

Il martedì inizia alle 9:00 fine corso a fine maggio.

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Libri consigliati: biochimica l. Strayer Zanichelli

A.L Lehninger principi di Biochimica Ed. Zanichelli

Prof. Vincenzini

Vincenzini@unifi.it

055 2751238

Biochimica: studia le caratteristiche strutturali e funzionali delle biomolecole che fanno parte degli organismi

viventi, è una materia che si è sviluppata recentemente, le prima scoperte scientifiche risalgono alla metà del

800 e si è sviluppata molto negli ultimi 50 anni.

Per lo studio della biochimica sono importanti le conoscenze di chimiche generale (elementi, atomi, molecole)

e la chimica organica perché le biomolecole sono per la maggior parte molecole organiche. Le reazioni sono

analoghe a quelle della chimica Organica ma sono più specifiche e altamente regolate perché all'interno della

cellula niente avviene in modo casuale e tutti i processi metabolici che avvengono sono tutti altamente regolati.

È importante conoscere la biologia, la struttura degli organuli, come le cellule proliferano si riproducono ….

Per lo studio della biochimica vigono le stesse leggi fondamentali che regolano la fisica e la chimica dell'intero

universo e della materia inanimata.

Il primo a dimostrare i procedimenti in provetta sintetizzando l'urea in provetta, viene sintetizzata nel nostro

organismo a livello epatico con la quale eliminiamo l'ammoniaca. Questo scienziato sintetizzò l’urea senza

bisogno dei reni. Wohler riuscì a sintetizzare un estratto di lievito (omogenato) mettendoci del glucosio,

zucchero veniva degradato in etanolo, CO2 e H2O. Anche i processi più complessi possono avvenire con

delle cellule rotte non è quindi vero che ci deve essere strutture vitali intatte per far avvenire processi biologici.

Furono i primi che individuarono la presenza di composti che avvenivano molto velocemente che erano

omogenati che in tempo cosi rapidi degradavano i prodotti di degradazione tali prodotti erano gli enzimi e li

chiamarono fermenti (fermentazione) questi composti che dovevano realizzare queste degradazione. Quando

si scoprì che erano proteine che avevano attività proteica vennero chiamate enzimi (dal greco = nel lievito)

Però la natura proteica di queste molecole si è potuta determinare in seguito a purificazione e cristallizzazione

dell'enzima del fagiolo, ureasi, che degrada l'urea (noi non ce l'abbiamo). Molto conoscenze riguardano le

proteine perchè con gli acidi nucleici non ci si riusciva poiché erano molecole lunghissime intorno ai cromosomi

e non si riusciva a trovare un metodo per purificare questo composto senza denaturare.

Lo studio dei geni è avvenuto perciò cosi tardi perché le apparecchiature e le metodiche per estrarre queste

molecole sono stati molto difficili da trovare. Le molecole sono perciò molto complesse e lo studio di esse

ancora di più.

Dopo aver visto che si trattava di proteine sono state messe a punto delle metodiche per determinare la

struttura primaria, sequenza amminoacidica, determinata da gene che codifica questa proteine.

L'insulina è stata la prima proteina alla quale è stata determinata la struttura primaria. Per la prima volta è

stata studiata la struttura primaria e terziaria sono due strutture globulari: emoglobina e mioglobina.

Il concetto di gene risale a Mendel però non sapeva di cosa si trattava, sapeva che c'erano molecole che

contenevano informazioni che poi venivano trasmesse. A generazioni successive ma non sapeva bene che

molecole erano, si pensava proteine ma non erano. Watson e crick determinarono poi la struttura a Doppia

elica del DNA. Si scorpori poi di enzimi specifici che ci hanno permesso di rompere il DNA senza denaturarlo

e quindi abbiamo potuto purificare, ottenere frammenti di DNA non denaturato è dal quale si e partiti con lo

studio dei geni dei quali si ne poteva avere grossi quantitativi

Con la clonazione dei geni, individuati, il selezionamento del genoma umano è stato fatto entro il 2000. Sono

stati sequenziali tutti i nucleotidi del DNA del genoma umano poi si sono dovuto individuare i vari geni nel

DNA.

Per la clonazione dei geni si intende l'estrazione di un gene dall'intero genoma e amplificazione di questo gene

che si può fare in provetta cosi da ottenerne diverso materiale

Fondamentale per lo studio di proteine umano perché bisognava partire da materiale umano.

Molte di queste proteine si sono poi utilizzate in seguito lo sviluppo delle biotecnologie come anche farmaci.

Gli obbiettivi della biochimica sono:

• Studiare la struttura chimica 3D delle molecole e come queste strutture sono correlate alla loro funzione.

Infatti nel nostro corpo abbiamo cellule di selezione naturale che vanno a svolgere una determinata

funzione, infatti se si altera la struttura di queste biomolecole non riescono più a funzionare nel modo

giusto e inseguono interazioni patologiche.

• Studiare come le molecole organiche, che di per sé sono inanimate, interagiscono tra di loro in modo

da formare degli organismi viventi

• Studiare come molecole che noi intrudiamo con alimenti o respirazione vengono ad essere degradate e

trasformate dal nostro organismo e come sfruttiamo questi prodotti di degradazione per la risintesi di

molecole che a noi servono. Tutte queste razione di degradazione e di sintesi sono accompagnate da

trasformazioni energetiche, si estrae energia dagli alimenti (energia chimica che poi sarà quella che

viene sempre utilizzata per i processi biosintetici e per tutti quei processi che necessitano di energia,

perché l'energia serve anche per svolgere molte altro funzioni, la contrazione muscolare il trasferimento

di biomolecole attraverso le membrane...). Tutti i processi metabolici sono altamente regolari e quindi

queste trasformazioni energetiche vanno studiate e come vengono regolate.

• Allestire metodologie idonee per tali studi.

BIOMOLECOLE:

Costituite essenzialmente da circa 60 molecole rispetto ai 90 elementi della tavola periodica, e sono stati

selezionati come i migliori per poter strutturare queste biomolecole. Il più abbondante in assoluto è il Carbonio

e anche azoto ossigeno e idrogeno. Dopodiché abbiamo quantitativi di fosforo zolfo sodio potassio calcio e

cloro comunque abbondanti. Poi abbiamo altri elementi che sono presenti in quantitativi minori ma che sono

pero fondamentali che introduciamo con la respirazione in tracce; fanno parte di proteine, parlando di cobalto,

nichel, ferro e zinco si ha le metalloproteine, se mancano si vede l'insorgere di una patologia.

Il carbonio ha caratteristiche particolari, riesce a formare 4 legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio,

può formare dopo o tripli legami e anche soprattutto strutture polimeriche (proteine, acidi grassi, lipidi), origina

catene carboniose lineari, circolari, ramificate che sono le strutture portanti delle forme polimeriche.

Le biomolecole contenute elle nostre cellule (procariotiche e eucariotiche) sono in numero limitato; nei

procarioti abbiamo al masso 6000 molecole negli eucarioti 10000 molecole. In queste cellule ci sono

determinate biomolecole e di un determinato tipo. Il numero limitato deriva dal fatto che lo spazio nella cella è

appunto limitato ma oltre a questo l'importanza di svolgere una funzione vitale con un numero limitato di

molecole risponde anche alla necessita di un minor dispendio energetico, infatti nella cellula tutto avviene

secondo il principio della massima efficienza con il minimo dispendio energetico. Questo numero limitato di

molecole riescono a svolgere tutte le funzioni riducendo il dispendio energetico ( che viene ridotto non solo

per il numero limitato di molecole ma anche perché queste molecole sono simili tra loro, vediamo infatti una

gerarchia molecolare, piccolissime molecole che otteniamo dagli alimenti ci servono per sintetizzare molecole

sempre piccole ma più complesse come zuccheri amminoacidi e le abbassi azotate che costituiscono i

nucleotidi, queste molecole che ho nominato costituiscono i monomeri di molecole più complesse.

Abbiamo 20 amminoacidi, per sintetizzare 20 amminoacidi chimicamente simili tra di loro ho bisogno di poche

reazioni poiché riesco a usarle modificandole di pochissimo. Usando un numero limitato di reazioni e di enzimi

questi venti amminoacidi riesco a sintetizzarli tutti con poco cambiamento, e li sintetizzo in proteine tutte molto

simili tra loro, la diversità consiste nel numero e nel tipo di amminoacidi che le costituiscono: si creano delle

differenze che bastano a far si che una funzioni come enzima, un'altra come ormone come una molecola per

l'ossigeno… le varie funzioni sono dovute alle piccole differenze strutturali e chimiche ma che sono molo

comunque molo simili tra di loro. Ciò è importante sia per lo spazio che per dispendio energetico minimo.

Come anche per fare tutti i geni mi servono solo 4 nucleotidi e 4 ribonucleotidi per farci tutti gli mRna, con 36

piccole molecole ci facciamo centinaia di molecole che servono nella nostra cellula.

Lezione 2

Prof. Iantomasi

lunedì 6 marzo 2017

09:35

Proteina è un termine coniato inizialmente da Mulder e poi da Berzelius, deriva

dal greco “proteios” che significa principale, senza proteine infatti non

possiamo vivere.

Le proteine sono costituite da amminoacidi ed è proprio la sequenza di questi

amminoacidi, il numero e il tipo a conferire alla proteina un certo tipo di

struttura, caratteristica e soprattutto funzione.

Questa costituzione chimica e strutturale è determinata dal codice genetico,

l'informazione è contenuta nel DNA che viene trascritto in mRNA e attraverso

la sintesi proteica abbiamo la traduzione dell'informazione per poi essere

tramandata alla proteine attraverso il codice genetico (triplette che codificano

per un amminoacido), il codice genetico è degenerato cioè più triplette possono

codificare per uno stesso amminoacido questo perché se ci fosse una

mutazione potrebbe codificare lo stesso amminoacido.

Molte patologie metaboliche che derivano da mutazioni genetiche sono

patologia gravi perché è mutato il DNA è si ma la stintesi di una proteina che

non può ero più svolgere la sua funzione.

Tutta l'informazione degli acidi nucleici viene espressa nelle proteine.

Ciascun gene codifica per una proteina diversa la quale avrà funzione e

caratteristiche strutturali diverse.

Sono sintetizzate nel citoplasma delle cellule sui ribosomi. Una volta che la

catena è stata sintetizzata questa sequenza si svolgerà nello spazio per

arrivare ad un certo tipo di struttura che esplica la funzione.

I maggiori ruoli svolti dalle proteine sono:

Enzimi: sono proteine, senza enzimi non si vive perché tutte le reazioni

• che avvengono nel nostro organismo sono catalizzate da questi

Funzioni trasposto è immagazzinamento: emoglobina, ferritina,

• mioglobina, carrier trans membrana che si trovano sulle membrane delle

cellule e permettono ai metaboliti di entrare nelle cellule (glucosio).

Eliminazione dei prodotti del metabolismo.

• Movimento coordinato: actina misogina e tubulina

• strutturale: collageno, elastica, cheratina

• Difesa: anticorpo proteine della coagulazione, interferone

• Generazione e trasmissione di impulsi nervosi

• Controllo di crescita e differenziamento (ormoni, fattore di crescita)

• Recettoriali: ospito di trasdurre il segnale all’interno della cellula

•

Le proteine sono polimeri i cui monomeri sono amminoacidi

Ci sono molecole complesse con polimeri da 50 aa a 9000 aa e proteine

costituite da pochi amminoacidi

I peptidi si distinguono in:

- Oligopeptidi: fino a 10 aa

- Polipeptidi: da 11 a 50 aa

Gli amminoacidi sono tasselli che costituiscono le proteine che ha take

struttura genetica con al centro un carbonio alfa che ha legato un gruppo

carbossilico, uno amminico e un idrogeno.

R è un gruppo caratteristico di ogni

amminoacido, parte variabile di esso, è un

gruppo responsabile delle caratteristiche degli

amminoacidi stessi e che ne stabilisce una

determinata funzione (catena la laterale)

La forma in cui il gruppo amminico è

protonato (carico +) e il gruppo carbossilico e

deprotonato è detta zwitterionica (pH neutro)

Struttura generica di un amminoacido

Ciascuno di questi due gruppi hanno valori di pKa:

pKa carbossilico è circa 2

• pKa amminico è circa 10

•

Se nella catena laterale ci sono altri atomi di carbonio questi assumono il nome

delle successive lettere greche dopo l'alfa.

I gruppi legati ai vari carboni assumono il nome della lettera

greca del carbonio a cui sono legati

Si comporta o da acido o da base a seconda se accetta o

perde un elettrone. Ciò dipende dal pH a cui si trova aa. Il

carbonio alfa ha 4 sostituenti tutti diversi perciò è un Centro

Chirale, quindi esistono due stereoisomeri, immagini

speculari non sovrapponibili; esistono perciò la forma L e la forma D

(Levogiro e destrogiro) "

2

Ci sono però aa con più gruppi chiralici dove gli stereoisomeri sono dove n

è il numero di centri chirali. Nella trionina sono 2 e quindi 4 stereoisomeri (2

coppie di enantiomeri) le due coppie tra di loro sono diasteroisomeri.

Altro amminoacido: L-cistina che con un ponte solfuro si unisce alla D-Cristina

Le forme simili dette forme meso, i due centri di simmetria ruotano i piani della

luce uno in un verso l'altro in un altro e non sono dotati di isomeria ottica

Gli amminoacidi sono 20, si differenziano per via del gruppo R che ha

caratteristiche diverse a seconda dell'aa. Le diversità caratteristiche sono le

maggiori responsabili della varietà di proprietà di proteine

Si ritrovano nelle proteine soltanto L.-Amminoacido ma ciò non significa che

siamo migliori dei D soltanto che durante l'evoluzione si sono sviluppati enzimi

che inseriscono gli L amminoacidi e non il D

Possiamo distinguere in tre gruppo gli aa:

1. Aa con gruppo R polare carico

2. Aa con gruppo R polare non carico

3. Con gruppo R non polare %&

20

Con 20 aa poso avere 400 peptidi diversi, 8000 tripeptidi diverse (fino a )

AA con Catena alifatiche non polari prive di carica

Glicina = come R ha solo un H che ha poco ingombro sterico

• Alanina, valida, leucina: la catena diventa sempre più grande 8

•

(sapere la struttura)

Questi aa. Hanno la funzione di stabilizzare la struttura 3D delle proteine

perché quando quota si vuole avvolgere e si ripiega per assumere le strutture

3D questi aa, essendo non polari si metteranno all'interno della proteina e non

a contatto co l'acqua stabilizzando la proteina.

Per la glicina il carbonio alfa non è un centro chiralico perciò non ha

enantiomeri!!! L'unico aa che non h asimmetria ottica

L'isoleucina è u altro aa con un altro centro chiralico come la treonina, non

polari che stabilizzano la proteina

Metionina: catena con uno zolfo di dimensioni simili a quelle de CH2

• perciò è una catena alifatica normale ma può reagire con elettrofili e

ioni metallici

Prolina: il C alfa ha catena laterale che si ripiega e si forma un legame

• tra il terzo CH2 con il gruppo aa del carbonio alfa è perciò un

imminoacido. Aa che si trova in quei punti in cui la catena peptidica si

ripiega

AA aromatici non polari e privi di carica

Triptofano: con catena con indalo

• Fenilalanina: stanno all'interno delle proteine

•

AA POLARI senza carica elettrica

• Serina: con CH2OH nella catena

Trionina: meno reattivo della serina

• Tirossina: deriva dalla fenilalanina in cui c'è stata un cambiamento di

• OH, Sta nel sito attivo dell'aa.

Cisteina: non è un aa polare ma è tra i polare perché il gruppo SH è

• molto reattivo ma non è polare ma il gruppo molto reattivo perché lo

zolfo risente dell'ambiente circostante ma può formare legame ad H e

Eolo steso tempo può ossidarsi e formare un ponte di solfuro per dar

luogo alla cistina (aa vi sto prima) la cistina non viene codificata dal

DNA ma deriva dallì'unione di due cisteine con il ponte di solfuro. Perciò

si può trovare anche tra quello non polare perché non lo è per

l'elettronegativa che è simile tra S e C

AA con catene laterali polare Priva di carica

Ammidi dell'acido glutammico: glutammina (γ) E asparagina(β): amminoacidi

che si trovano tipicamente sulla superficie acquosa delle proteine.

Triptofano e tirosina con fenilalanina assorbono la luce a 280nm, utile per

identificarle e qualificarle.

AA CON CATENA LATERALE ACIDA (carichi)

• Acido aspartico: β-aspartico

• Acido glutammico: γ-glutammico

Aa Basici con cariche positive alle proteine

Lisina a cui è legato un gruppo amminico in epsilon (gruppo ε-amminico della

lisina), siccome è lungo mi da un legame crociato, la glicina no perché si

trovare in un aa che a poco spazio perché ha solo un H

Arginina: ha un gruppo…

Istidina: aa di imidazolo (questa ti chiedono la struttura perché viene chiesta

nel caso dell'emoglobina)

In una sequenza di aa generalmente scrivere tutto l'aa è lungo quindi ci sono

tre lettere indicative (le prime di solito) oppure una.

Ci sono poi amminoacidi particolari per esempio nel collage e ci sono

idrossilisina e idrossiprolina.

Nel gruppo fosforilati ci sono: fosfoserina, osfotreonina, per la regolazione dei

processi metabolici della proteina. La fosforilazione è indice sia di attivazione

e di inattivazione.

Il γ-carbossiglutammico, n farmilemitionina

Questo non sono codificate da triplette da DNA, il DNA da la lisina che nel

collage e viene idrossilata, l'aa inserito è quello normale poi pu&ograv