Appunti completi di Biochimica avanzata (Ex. Biochimica II)

Biochimica avanzata – BMA9 CFUa.a 2020/21

Lezione #2 principali biomolecole

Quando parliamo di biomolecole ci riferiamo alle molecole che si ritrovano all’interno delle cellule, che possono essere raggruppate in categorie che sono fondamentali per la costituzione dei componenti cellulari, per le reazioni che si svolgono e, quindi, per il metabolismo cellulare.

Proteine

Gli amminoacidi sono le biomolecole fondamentali per la composizione delle proteine. I 20 amminoacidi è importante conoscerli perché ciascun aa ha delle caratteristiche chimiche che lo rende simile ad altri, ma ha delle caratteristiche chimiche che lo contraddistingue rispetto ad altri, e consente poi alle proteine di svolgere le funzioni più diverse sulla base delle diverse strutture che le proteine possono assumere. Quindi, la spiegazione del fatto che una proteina, nella cellula, venga sintetizzata e assuma una specifica conformazione mentre un’altra, che contiene lo stesso numero di aa, assuma una conformazione completamente diversa, è quindi basata sulla caratteristica dei singoli amminoacidi.

Il gruppo R è la componente che differisce per ciascun aa e quindi caratterizza quel tipo di aa, mentre la restante parte della molecola è quella che porta la componente comune a tutti gli aa: un atomo di carbonio, definito carbonio α, che lega il carbossile e il gruppo amminico (gruppo amminoacidico). Noi sappiamo bene che il gruppo amminico e carbossilico, nell’ambiente cellulare, non si ritrovano scritti privi di carica elettrica, ma ciascuno di questi gruppi funzionali ha una carica elettrica, e quindi il gruppo – COO- ha una carica negativa e il gruppo – NH3+ ha una carica positiva. Questo fa sì che questo gruppo comune a tutti gli aa sia un gruppo chimicamente neutro, perché la carica + è neutralizzata da quella-. È evidente quindi che, se noi individuiamo dei tipi di aa che hanno nella loro catena laterale, che è quindi la componente variabile, dei residui che sono provvisti di carica elettrica, ecco che andiamo a identificare un gruppo di aa che hanno una specifica caratteristica:

• Amminoacidi acidi (che hanno nella catena laterale un -COOH). Aspartato e Glutammato hanno caratteristiche comuni tra loro, ma ovviamente differiscono in dimensioni (il Glu ha un atomo di C in più rispetto all’aspartato). È quindi evidente che nel momento in cui in una proteina si inserisce una aa come questo, contestualmente si inserisce una carica negativa, che è quella che è portata dalla catena laterale.
• Amminoacidi basici (hanno carica positiva). Sono in numero limitato anche loro: Lisina, che ha una carica negativa portata da un gruppo amminico; Arginina, che ha un gruppo guanidinico in cui l’atomo di N porta una carica positiva; l’istidina, che è uno di quegli aa che, a seconda delle condizioni, può assumere o cedere un atomo di H e quindi assumere anche la carica corrispondente. Lys e Arg sono i classici amminoacidi etichettati come “basici”, perché hanno una spiccata carica positiva, e quindi conferiscono alla proteina in cui essi si inseriscono una carica positiva.

Si capisce bene che si tratta di due categorie di aa che conferiscono proprietà opposte alla zona proteica nella quale questi vengono poi inseriti ma, se vogliamo, questo ci lascia capire che nell’organizzazione tridimensionale delle proteine, dove è importante che dopo che gli aa si sono legati la catena polipeptidica assuma una specifica conformazione spaziale, il ripiegamento nello spazio della catena costituita dai singoli aa è dettata dalla possibilità di generare delle interazioni tra un aa e un altro, e allora, in questo caso, interazioni elettrostatiche tra una zona della proteina che contiene un aa e un’altra che contiene un aa acido, sicuramente è un tipo di interazione che contribuisce alla realizzazione della struttura definitiva della proteina, che si basa su tantissime diverse interazioni che, però, sono costituite da legami a bassa energia, quindi si parla di legami deboli non lasciamoci però ingannare! La struttura di una proteina che è mantenuta da legami deboli è sufficientemente stabile per il mantenimento della struttura (e quando si parla di struttura dobbiamo sempre pensare alla funzione che viene svolta dalla proteina) con però una marcia in più! Perché non solo la proteina è stabile, dato che gli aa riescono ad instaurare numerosi legami deboli, ma la marcia in più è data dalla flessibilità strutturale delle proteine, perché le proteine, a differenza di altre macromolecole – come possono essere i polisaccaridi, l’RNA o il DNA – hanno una struttura stabile ma flessibile, perché dipende proprio dalla capacità che ha una proteina di modificare lievemente la propria struttura, e la capacità quindi di assumere anche nuove proprietà che hanno importanza dal punto di vista della regolazione. Tutto ciò che riguarda l’acquisizione di nuove proprietà – proprietà regolatorie – dipende, per una proteina, dalla capacità che la proteina ha di modificare lievemente la propria struttura, che è stabile ma sufficientemente flessibile, e capace quindi di adattarsi a seconda delle interazioni che si trova a realizzare.

• Amminoacidi alifatici non polari. Alifatici significa che hanno una catena laterale che contiene atomi di C; non polare è un concetto che si oppone completamente a quello di polare, dove per polarità si pensa alla presenza di un gruppo funzionale che ha una capacità di distribuzione degli elettroni di legame diseguale, in maniera tale da generare delle piccole modifiche della distribuzione delle cariche all’interno per esempio di un legame covalente. Quindi, quando parliamo di aa non polari ci riferiamo ad aa che hanno, nella catena laterale, una serie di atomi di C dove i sostituenti sono quasi esclusivamente rappresentati da atomi di H la catena alifatica è la catena idrocarburica, in cui troviamo gli atomi di C e H legati gli uni agli altri che si ripetono per un numero di volte. Questi comprendono l’Alanina, la Glicina, la Prolina (è definita come imminoacido perché il gruppo amminico non è libero ma è impiegato nella chiusura di un anello con la formazione di un legame che chiude ad anello gli atomi di C della catena laterale), Valina, Leucina ed Isoleucina (questi 3 amminoacidi sono distinti, in tanti testi, da questo sottogruppo, perché sono definiti anche amminoacidi ramificati, e questo perché c’è un atomo di C, che è quello che lega il Cα, e ci sono sostituenti di atomi di carbonio che non sono in fila l’uno all’altro, ma formano delle ramificazioni). Le catene laterali di Val, Leu e Ile, contribuiscono a determinare una zona della proteina molto idrofobica: dove ci sono gruppi metili abbiamo l’identificazione di zone idrofobiche, perché è evidente che la composizione delle loro catene laterali è sovrapponibile a quella di alcune molecole idrocarburiche, e gli idrocarburi sappiamo che, a seconda della loro dimensione, sono molecole completamente insolubili in acqua per essere disciolti hanno bisogno di soluzioni organiche come solventi. La Metionina è uno dei pochi amminoacidi che contiene anche lo S, che è a ponte con un gruppo metile in alcune reazioni chimiche questo aa può essere reso reattivo e può agire come donatore di metili: l’S-Adenosilmetionina.

Si capisce bene quindi la grande differenza in una composizione di una proteina, dove ci possono essere aa idrofobici che determinano zone che rifuggono dall’ambiente acquoso, perché quando ci sono tutti questi metili la zona della proteina in cui essi si trovano è meno propensa a stare in un ambiente acquoso (e ricordiamoci che la vita a livello cellulare è una vita che si svolge solo in ambiente acquoso, quindi le proteine non è che possono scegliere un ambiente rispetto ad un altro). Invece, dove c’è una carica elettrica c’è una ampia solubilità e una ampia disponibilità a disperdersi nel mezzo acquoso.

• Amminoacidi polari. Serina, Treonina e Cisteina sono aa che contengono un gruppo funzionale che rende la catena laterale polare. Quando ci troviamo di fronte a dei gruppi ossidrilici ci dobbiamo sempre chiedere questi gruppi -OH che significato hanno perché nel caso questi gruppi -OH sono legati ad atomi di carbonio, come in questo caso, è evidente che si tratta di gruppi alcolici e allora è da notare che, rispetto ad un’Ala che ha un gruppo -CH, la serina che ha -CH è un aa che è più ossidato rispetto all’Ala, nel senso che l’Ala ha l’atomo di carbonio che lega solo atomi di H, e quindi è un atomo di C allo stato ridotto (quando noi pensiamo ai gradi di ossidazioni del C, si passa dalla situazione massimamente ridotta, come quando il C lega solo idrogeni, a una situazione massimamente ossidata, come quando il C lega solo atomi di ossigeno) qui siamo in una situazione intermedia, perché il carbonio di Ser e Tre è un C parzialmente ossidato, perché lega un atomo di O in un gruppo funzionale che è un gruppo alcolico. Questa caratteristica conferisce alla catena laterale una certa polarità, perché nel gruppo -OH l’atomo di H è in grado di stabilire ponti a idrogeno con altre molecole che presentano una debole carica negativa: cioè la presenza di un ossidrile alcolico significa la presenza di un gruppo funzionale, dove l’atomo di H è stabilmente legato, ma essendo l’O un atomo fortemente elettronegativo attrae gli elettroni di legame e rende possibile la formazione di legami a H. Quindi, quando parliamo di “Polarità” ci riferiamo alla capacità di certi gruppi di prendere rapporto con le molecole di H O, che molto spesso si basa sulla possibilità di legare legami a H.

Se nella Ser abbiamo un ossidrile, nella Cys abbiamo un gruppo sulfidrilico legato all’atomo di carbonio anche qui le regole che riguardano la polarità del legame e quindi la capacità di formare interazioni deboli di tipo polare rimangono invariate, perché il comportamento del legame dell’H con l’atomo di S è paragonabile a quello che possiamo avere nel gruppo alcolico. Quindi, nelle zone in cui questi amminoacidi sono presenti nelle proteine, queste zone sono propense ad interagire anche con le molecole di H O però, a differenza di quanto detto per Arg, Aspartato ecc, qui non abbiamo carica elettrica netta! Si tratta solo della capacità di formare delle interazioni deboli. Asparagina e Glutammina sono chimicamente definiti come ammidi degli acidi corrispondenti: Asparagina è l’ammide dell’acido aspartico per ammide si intende la sostituzione di un gruppo -OH (da notare che il gruppo -OH dell’aspartato non è il gruppo alcolico, ma è la componente che fa parte del carbossile) con un gruppo -NH, e quindi si forma un legame -CONH, e questo è il gruppo ammidico. Quando noi abbiamo l’asparagina abbiamo neutralizzato la carica elettrica! La carica elettrica portata dal carbossile dell’aspartato, nel momento in cui si passa da carbossile a -CONH la carica elettrica sparisce! È questa la differenza importante tra ammide e il corrispondente acido. Ovviamente questa non è una catena laterale idrofobica, ma è polare, però priva di carica!.

• Amminoacidi aromatici. Questi hanno una catena laterale contenente degli anelli aromatici. Il Triptofano contiene un anello fatto da due anelli legati tra di loro, anello che nella chimica organica fa riferimento all’indolo, e quindi viene definito anello indolico. La Fenilalanina ha invece un anello benzenico e, la Tirosina, non ha un anello benzenico bensì un anello fenolico. Tra questi la Fenilalanina è l’amminoacido più semplice: questa catena laterale, dal punto di vista della polarità, è apolare, perché è un anello benzenico (perché è fatto da C e H), e decisamente idrofobico. Il triptofano è anch’esso apolare Fenilalanina e Triptofano sono due aa altamente idrofobici. La tirosina invece ha un anello aromatico, ma ha un sostituente alcolico, e questa molecola ha in realtà una caratteristica acida data dal fatto che questo gruppo alcolico è un gruppo che tende a cedere il protone molto facilmente, perché ovviamente nell’anello c’è un richiamo di elettroni, e questo fa sì che l’atomo di O assuma carica negativa e il protone venga rilasciato (piuttosto che di fenolo si parla di acido fenico). Quindi, è evidente che tra la Fenilalanina e la Tirosina la differenza è data solo da un -OH, ma il significato in termini di polarità cambia drasticamente. La Tirosina, per certe funzioni nelle proteine, viene spesso assimilata a Ser e Tre, perché questi sono i 3 amminoacidi che presentano un gruppo alcolico nella catena laterale, e questi gruppi alcolici sono quelli che possono essere esterificati con il legame con gruppi fosfato la fosforilazione delle proteine si può realizzare giusto perché le proteine presentano Ser, Tre e Tyr, che offrono gruppi alcolici che consentono il trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola di ATP alla proteina stessa.

Legame peptidico

Gli amminoacidi possono poi diventare costituenti delle proteine grazie alla possibilità di formazione del legame peptidico, che consiste nell’eliminazione di una molecola di H O tra gruppo carbossilico di un aa e gruppo amminico di un altro aa. In questa maniera si forma un legame C–N, quindi un legame carbo-ammidico, che è un legame stabile che è la base per il concatenamento di molti aa, e questo ovviamente è possibile perché ciascun aa contiene un gruppo amminoacidico e, di fatto, ciascun aa si può legare a due aa diversi: uno con un gruppo amminico e l’altro con il gruppo -COOH. Quando si studiano le proteine, per convenzione noi le andiamo a osservare dall’inizio, ovvero dall’aa che ha il gruppo amminico libero e si impegna con il gruppo carbossilico. Tutte le proteine vengono sintetizzate dall’estremità N-terminale fino alla C-terminale (l’ultimo aa lascia libero il suo gruppo carbossilico).

Dal punto di vista energetico, formare un legame di questo genere è molto costoso; non a caso questo processo di biosintesi nelle cellule avviene grazie alla reattività che hanno gli aa nel momento in cui sono caricati sui tRNA cioè una reazione di questo genere nella cellula non può avvenire mai perché non esiste un donatore di energia che renda possibile la formazione di questo legame così, ma è necessario, affinché la reazione proceda, che il gruppo funzionale venga reso reattivo, e questo è possibile nelle cellule grazie all’intervento del tRNA nel processo di biosintesi delle proteine. Non ci interessa però di entrare in questi aspetti specifici ma di fare un quadro generale.

Proteine

La proteina nasce come un nastro; è noto da tempo che la proteina, immediatamente dopo che è sintetizzata, interagisce con altre proteine al fine di proteggere zone della proteina da interazioni inefficaci, fintanto che tutta la proteina non è stata sintetizzata perché il problema grosso che esiste nelle cellule è legato al fatto che nella cellula ci sono dei momenti in cui la proteina sta nascendo: se una proteina è fatta da 200 aa, dopo 1 ms noi abbiamo 15 aa legati insieme, dopo un altro ms altri 15, ecc. E il problema, che si verifica nella cellula, è che queste zone della proteina che si stanno allungando possono andare incontro a delle interazioni con altre molecole o fra sé stesse, che sono interazioni NON funzionali al raggiungimento della struttura della proteina. Tutto questo dipende proprio dalla grande complessità e affollamento delle molecole che si verifica all’interno delle cellule. Colorando in maniera diversificata vari tipi di composti si vede come l’affollamento dentro la cellula sia esagerato: non siamo nemmeno in grado di immaginare della confusione del genere (caos molecolare). Non a caso esistono delle proteine, che si chiamano chaperoni molecolari, che hanno il compito di interagire, in maniera transitoria, con la proteina nascente la proteggono fintanto che la proteina non ha finito di sintetizzarsi e allora può assumere la sua struttura.

Quando noi andiamo a vedere le proteine nelle cellule, che struttura hanno? Io prendo una proteina funzionante nella cellula, che struttura ha? Non lo sappiamo dire a priori. L’unica possibilità è che la proteina abbia o struttura terziaria o struttura quaternaria. Quando noi andiamo quindi a vedere le proteine nelle cellule, le proteine o sono fatte da una catena polipeptidica o sono fatte da più catene polipeptidiche: se è fatta da una sola catena polipeptidica, quella proteina lì ha struttura terziaria; se è fatta da più catene polipeptidiche, quella proteina lì ha struttura quaternaria. Se io prendo una proteina che ha una struttura terziaria e la osservo, quello che vedo è che è una proteina che ha una struttura globulare, ad esempio (tra le forme delle proteine prevalgono quelle globulari, ci sono anche forme con struttura filamentosa); se la guardo nel dettaglio poi vedo che per esempio c’è una zona della proteina che è spazialmente organizzata secondo una struttura secondaria. Cioè, tutte le proteine funzionanti nelle cellule hanno struttura terziaria o quaternaria, se son fatte da più di una catena polipeptidica.