Appunti biochimica umana, testo di riferimento "Principi di biochimica di Lehninger"

Concetti base

-la struttura primaria è la serie di amminoacidi che compongono una proteina, dalla quale dipendono le altre tre strutture

-la struttura secondaria è la serie di avvolgimenti della proteina, come i foglietti beta e le catene alpha,

-la struttura terziaria è la serie di interazioni fra i differenti domini di una proteina che ne definisco una struttura tridimensionale e spaziale,

-la struttura quaternaria è la serie di interazioni che si vengono a creare fra differenti subunità che compongono un enzima, l’esempio classico è

l’emoglobina.Non tutte le proteine presentano una struttura quaternaria, ma tale struttura può modificare enormemente le caratteristiche della proteina

Dalla struttura della proteina dipende l’eventuale formazione di un sito attivo e quindi la possibilità della proteina di avere una funzionalità biologia. Una

modificazione di un qualunque amminoacido può determinare la perdita totale di funzionalità della proteina.

Anfinsen sperimentò la denaturazione e rinaturazione Le proteine fibrose hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci, le

•

della ribonucleasi A. La denaturazione rompeva i ponti proteine globulari hanno catene polipeptidiche ripiegate ed assumono forma

disolfuro della cisteina, dopo denaturazione l’enzima globulare.

perdeva il suo potere catalitico. Allontanata dal

denaturante (urea) la ribonucleasi acquisiva nuovamente Le proteine fibrose assumono un unico tipo di struttura secondaria ed hanno

•

la conformazione di partenza e tutte le funzionalità, ciò una struttura terziaria semplice mentre le proteine globulari hanno diversi tipi

a dimostrare che (take of messanger) dalla struttura di struttura secondaria

primaria dipende fortemente la struttura spaziale, le

altre strutture, secondaria, terziaria e quaternaria, della Le proteine fibrose determinano resistenza forma e protezione delle cellule

•

proteina e la funzionalità mentre le globulari sono per lo più enzimi e proteine regolatrci

Il Collageno

Il collageno è una proteina strutturale fibrosa incredibilmente resistente costituita da una lunga struttura rigida a tripla elica formata da tre catene alfa. Le

singole catene Alfa sono sinistrose mentre l'avvolgimento superelicoidale è destroso. Il collageno presenta una unità tripeptidica ripetuta: GlyXPro o

GlyXHyp: la prolina stabilizza la conformazione ad elica di ciascuna catena Alfa la glicina che è abbastanza piccola da inserirsi nella tripla elica ne

favorisce il il compattamento. La Glicina e l’Alanina 7 rendono possibile il Coiled Coil del collageno

La Prolina è un amminoacido molto particolare, infatti si tratta di un amminoacido

che anziche NH2, presenta NH. Generalmente si dice che quando si incontra una

Prolina in un’alpha elica, l’alpha elica si interrompe in quanto la Prolina può

effettuare un legame peptidico partecipando con l’COOH ma non può effettuare un

successivo legame partecipando con NH2 (poiché presenta NH). In alcuni casi

particolari, come quello del collageno, la Prolina effettua comunque dei legami, ma

assume conformazioni differenti. Ciò rende la catena alpha del collageno

sinistrorsa (anziché destrorsa), con un passo più breve (3,3 residui per giro

anziché 3,6) e con un diametro inferiore.

La resistenza del collageno dipende dall’avvolgimento delle 3 eliche sinistrorse in

una tripla elica, il tropocollageno, destrorsa. Questa struttura a coiled coil riduce al

minimo il canale centrale delle alpha eliche e ciò conferisce maggiore resistenza

strutturale alla proteina, estremamente compatta.

Rigidità anziano Collageno – caratteristiche:

Tanto più abbondanti sono i legami dell’idrossiprolina (che permettono la formazione di

fibrille tramite legami crociati) tanto più resistente sarà il collageno, ciò ha un riscontro Presente in vari organi, del tessuto

•

medico. La rigidità dell’anziano è dovuta ad un aumento di legami crociati e di legami insoliti connettivo, dei tendini, dei denti, della

che rendono le articolazioni molto più rigide. cartilagine, della matrice organica, della

cornea, dell’osso.

Tendine di achille e collagenasi Elica sinistrorsa con 3 residui/giro.

•

Nell’uomo 30 geni, su 12 cromosomi, sintetizzano per il collagene ed i collageni Gly 35% (piccole dimensioni)

rappresentano 1/3 di tutte le proteine dell’organismo( addirittura nel tendine di achille, la •

struttura più resistente del nostro corpo, è costitutito al 32% da collageno. Esistono degli Ala 11% (piccole dimensioni)

•

enzimi che si chiamano Collagenasi (sono metalloensimi) che tagliano la tripla elica del Pro o Hyp 21% (amminoacido particolare).

•

collageno a livello dei legami peptidici tra Gly-Ile e Gly-Leu.

Sintesi del collageno

Procollageno (intracellulare)

Le catene polipeptidiche del collageno entrano nel lume del ER come precursori più grandi chiamati catene pro- Alfa che hanno aa addizionali chiamati

propeptidi. Nel ER lisine e proline sono idrossilate in quanto il gruppo ossidrile forma legami intercatena che aiutano a stabilizzare la tripla elica. Ciascun

catena pro-alfa si combina con altre due formando una molecola elicoidale a tre filamenti nota come procollageno.

Tropocollageno (extracellulare)

Dopo la secrezione I propeptidi sono rimossi, ciò converte la molecola da procollageno in molecole di collageno che si assemblano a formare fibrille di

collageno ( a causa della tendenza delle molecole di collageno ad autoassemblarsi e che sono rinforzate dalla formazione di legami crociati covalenti fra

residui di lisina che conferiscono resistenza alla tensione). I propeptidi hanno almeno due funzioni: guidano la formazione intracellulare delle molecole di

collageno a tre filamenti e poichè sono rimossi soltanto dopo la secrezione impediscono la formazione intracellulare di grandi fibrille di collageno

Acido ascorbico e scorbuto

Nelle I tappa di maturazione del collageno si ha idrossilazione delle proline e lisine ad opera degli enzimi prolil-4 idrossilasi e lisil idrossilasi. Entrambi

gli enzimi richiedono alfa.chetoglutarato per le sue reazione. Reazioni catalizzate dalla prolil 4-idrossilasi.

Nella reazione normale di ossidrilazione della prolina

l'enzima trasferisce un atomo di ossigeno sulla prolina

(che diventa idrossiprolina) e l'altro atomo sul carbonio

chetonico in alfa dell'alfa-chetoglutarato che perde CO2

per decarbossilazione e diventa succinato.

Durante questa reazione, inoltre, il ferro della

monossigenasi è ossidato da Fe2+ a Fe3+, e la forma

ossidata dell'enzima è inattiva.

Per ridurlo nuovamente entra in gioco l'acido ascorbico

la cui ossidazione a deidroascorbico è accoppiata alla

riduzione della monossigenasi:

Acido Ascorbico + monossigenasi(Fe3+) ----> Acido

deidroascorbico + monossigenasi(Fe2+)

In assenza di vitamina C (che l'uomo non può autosintetizzare tramite la conversione di glucosio in ascorbato per la mancanza dell'ultimo di una serie di

quattro enzimi) le cellule non possono ossidirilare le proline nella posizione Y, ne deriva una instabilità del collageno che porta allo scorbuto, una malattia

caratterizzata dalla degenerazione del tessuto connettivo che porta ad una fragilità dei vasi sanguigni, perdita dei denti, degenerazione ossea ed infine

insufficienza cardiaca. Mangiare frutta e verdura è essenziale per prevenire lo scorbuto

Proteine coniugate: L

e proteine coniugate sono proteine formate da una porzione proteina ed una non proteina, il gruppo prostetico

Gruppo EME

L’eme (o gruppo eme, o ematina) è un complesso chimico membro di una famiglia di composti chiamati porfirine contenente un atomo di ferro. L'eme

costituisce il gruppo prostetico, cioè la parte non proteica (quella proteica è detta apoproteina), di una serie di proteine tra cui l'emoglobina, la mioglobina

e i citocromi. Questa molecola deve la sua importanza al fatto che può legare l'ossigeno, sia in forma molecolare sia in altri composti (biossido di carbonio

CO2, monossido di carbonio CO, H2O, ecc) proprio grazie all'atomo di ferro.

Struttura: l'eme è costituito da quattro anelli pirrolici legati tra loro da ponti metinici (-CH=) formando un anello tetrapirrolico. A questa struttura sono

legati quattro gruppi metilici (-CH3), due vinilici (CH2=CH-) e due propionici (-CH2-CH2-COO-). L'atomo di ferro viene legato alla fine ai quattro atomi

di azoto disposti al centro dell'anello. Il ferro a sua volta può formare altri due legami, uno su ciascun lato dell'eme (chiamati quinta e sesta posizione di

coordinazione). Nell'emoglobina e nella mioglobina la quinta posizione è occupata da una istidina

• Gli atomi di azoto cordinati (che hanno la caratteristica di donatori di elettroni) impediscono la conversione del ferro dell'eme nello stato ferrico

(Fe3+) che a differenza dello stato ferroso (Fe2+) non è in grado di legare reversibilmente l'ossigeno

• Quando si lega l'ossigeno le proprietà elettroniche del ferro si modificano; ciò spiega il diverso colore che ha il sangue venoso povero di

ossigeno (rosso scuro) rispetto al sangue arterioso ricco di ossigeno (rosso brillante)

Globine

La maggior parte di queste proteine svolge la funzione di trasportatore o di immagazzinatore di ossigeno.

Mioglobina: monomerica-trasporto dell'ossigeno nel tessuto muscolare

Emoglobina: tetramerica-trasporto dell'ossigeno nel torrente circolatorio

Neuroglobina: monomerica-protegge il cervello da ipossia ed ischemia

Citoglobina: monomerica- funzione ignota La Mioglobina

La mioglobina è una proteina muscolare che lega l'ossigeno e la sua funzione è quella di

immagazzinare l'ossigeno e di facilitarne la diffusione nei muscoli in rapida contrazione

La mioglobina è una proteina coniugata che presenta un gruppo eme ed una stuttura

principalmente globulare composta da 8 segmenti alpha elica interrotti da ripiegamenti, alcuni

dei quali a foglietto beta.

La maggior parte dei gruppo idrofobici si trova all'interno della mioglobina, tutti i gruppi polari

meno due, sono localizzati sulla superfice esterna. Questo denso nucleo idrofobico è tipico delle

proteine globulari

I segmenti ad alfa elica vengono indicati con le lettere da A ad H, His93 viene indicato anche

come His F8 ed i ripiegamenti che uniscono le alfa eliche vengono chiamate AB,CD,EF e così

via cioè con le lettere che i ripiegamenti stessi interconnettono. Sono presenti due residui di

istidina, uno sull'elica F detto prossimale che si coordina con il ferro ed uno sull'elica E detto

distale che coordina il legame tra l'O2 ed il ferro

Mioglobina, Emoglobina e Monossido di carbonio

Il CO si lega alle molecole di eme libero 20'000 volte meglio dell’ossigeno. La

maggiore affinità dell’eme per il CO è spiegabile dalla geometria dei legami che

formano CO ed O2. La perpendicolarità del CO lo rende più stabile rispetto

all’O2 che forma un angolo.

Quando l'eme è posizionato nella nella proteina l’affinità per il CO diminuisce di

100 volte rispetto all’Ossigeno. Ciò è spiegabile con la struttura, sia l’emoglobina

che la mioglobina, infatti, presentano il residuo di istidina distale (residuo 7

dell’alpha elica E) che serve a stabilizzare il legame dell’ossigeno e rendere meno

favorevole la struttura planare del legame del CO.

Emoglobina

L'emoglobina è una proteina tetramerica che si occupa del trasporto di quasi tutto l'ossigeno

all'interno del nostro organismo e si trova negli eritrociti, cellule di piccole dimensioni che

originano dagli emocitoblasti.

L'emoglobina ha una forma quasi sferica, contiene 4 gruppi eme, uno per ogni subunità.

L'emoglobina A contiene due tipi di globine: due catene alfa e due catene beta. La convezione per

la nomenclatura delle alfa eliche utilizzata per la mioglobina viene applicata anche alle subunità

dell'emoglobina.

La struttura quaternaria è caratterizzata da un interazione molto forte tra le quattro subunità

(abbiamo interaccia alfa1beta1, la sua controparte alfa2beta2 e così via)

Emoglobina e Mioglobina

1. La mioglobina è relativamente insensibile a piccole variazioni nella concentrazione dell'ossigeno e funziona bene come serbatoio di questo gas.

L'emoglobina si adatta meglio alla funzione di trasportatore e piccole variazioni nell'interazione tra le subunità dell'ossigeno possono

determinare variazioni nell'affinità per l'ossigeno.

Stato R e stato T

L'emoglobina può trovarsi in due differenti conformazioni: lo stato T e lo stato R, l’ossigeno si lega a entrambi gli stati dell’emoglobina, ma il legame con

lo stato R è più forte (il legame dell’ossigeno stabilizza lo stato R). In assenza di ossigeno lo stato T è più stabile ed è la conformazione prevalente della

deossiemoglobina

Le lettere T ed R indicano rispettivamente lo stato testo e lo stato rilasciato. Lo stato T è stabilizzato da un gran numero di interazioni ioniche, molte delle

quali si verificano in corrispondenza delle interfacce a1b2 ed a2b1.

Il legame di O2 ad una delle subunità nella forma T converte la subunità nello stato R

Transizione 1

Nella transizione non si modificano sostanzialmente le strutture delle subunità ma i due monomeri alfabeta scivolano l'uno sull'altro e ruotano restringendo

così la tasca tra le subunità B. Durante questo processo alcuni legami ionici che stabilizzano lo stato T si rompono ( la transizione più importante è quella

dei residui di His carbossiterminali HC3 delle subunità beta che sono coinvolti in un ponte salino nello stato T e ruotano verso il centro della molecola e

non fanno più parte di coppie ioniche nello stato R) Transizione 2

Max perutz ipotizzò che la transizione T-R venisse innescata da cambiamenti

della posizione dei residui amminoacidici che circondano l'eme: nello stato T la

porfirina ha una forma a cupola e pertanto il ferro all'interno dell'eme tende a

protrudere dal lato dell'istidina prossimale (His f8). Il legame dell'O2 costringe

l'eme ad assumere una conformazione più planare, modificando la posizione

dell'His prossimale e dell'elica F ad essa legata. Queste modificazioni

conducono a un aggiustamento delle coppie ioniche all'interfaccia a1b2

Il passaggio dallo stato T allo stato R è anche chiamato ‘effetto a grilletto’.

Nella forma R, l’istidina prossimale, tramite ‘un colpo’ simile a quello di un

grilletto, facile l’allineamento del ferro e quindi il legame con l’Ossigeno.

Meccanismo cooperativo

L’emoglobina ha la funzione di prelevare ossigeno dai polmoni e rilasciarlo nei capillari dove deve prelevare anidrite carbonica per rilasciarla poi nei

polmoni. Questa proprietà è orchestrata dalla variazione del pH e dalla variazione di pressione dei gas. Grazie ad un principio di cooperatività fra le

subunità, l’emoglobina è in grado di mascherare (T) o smascherare (R) i propri siti diminuendo o aumentando l’affinità verso l’ossigeno. Lo

smascheramento di un sito tende ad avere un effetto domino verso gli altri e a portare allo smascheramento dei siti adiacenti. Quindi non si ha un aumento

esponenziale dell’affinità per l’ossigeno, non un effetto sommatorio ma un effetto olistico.

Per spiegare questa teoria esistono due schemi “modelli sequenziali” (a e b, a (modello concertato) prevede che tutte le subunità presentino

contemporaneamente la stessa conformazione, b (modello modello sequenziale) prevede un passaggio graduale)

Equazione di Hill Proteine allosteriche: una proteina

allosterica è quella in cui il legame di un

ligando ad un sito modifica le proprietà di un

altro sito sulla stessa molecole proteica. I

ligandi (modulatori) possono attivare o

inibire. Se il normale ligando della proteina

è anche un modulatore, l’interazione è detta

omotropica, se è diversa dal normale

ligando l’interazione è detta eterotropica.

________Embolia ed Anemia Falciforme

Trasporto di H+e Co2

Oltre a trasportare quasi tutto l'ossigeno dai polmoni ai tessuti l'emoglobina trasporta anche due prodotti finali della respirazione cellulare, H+ e Co2 dai

tessuti ai polmoni ed ai reni dove sono escreti. La Co2 insolubile viene idratata in forma di bicarbonato dall'anidrasi carbonica per evitare la formazione

di bollicine (embolia gassosa).

L'idratazione determina un'aumento della concentrazione di ioni H+ (una diminuzione del pH) nei tessuti e poiché il legame dell'ossigeno all'emoglobina è

fortemente influenzato dal pH e dalla concentrazione di Co2 la conversione del bicarbonato diventa un processo molto importante per la regolazione del

legame dell'ossigeno e del rilascio nel sangue

Il legame di H+ e di Co2 è inversamente proporzionale al legame dell'O2

Nei tessuti periferici un pH relativamente basso ed una elevata concetrazione di Co2 riducono l'affinità dell'O2 man mano che H+ e Co2 si

• legano ed O2 è rilasciato nei tessuti

Nei capillari dei polmoni Co2 viene eliminata e si ha un incremento di pH e l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno aumenta

•

Effetto Bohr

Questo effetto del pH e della concentrazione di Co2 è detto effetto Bohr.

Effetto del pH L'equilibrio della reazione dell'emoglobina con lO2 può essere rappresentato dalla reazione:

Per spiegare l'effetto della concentrazione degli H+ è meglio riscrivere la reazione nel modo

seguente:

Hhb+ è la forma protonata dell’emoglobina e scritta in questa froma l'equazione dimostra che la

curva di saturazione dell'emoglobina è influenzata dalla concentrazione degli H+: quando la

concentrazione dell'O2 è elevata, come nei pol