Appunti esame biochimica

La biochimica è lo studio della chimica dei processi vitali. I processi vitali implicano

l’interazione fra 2 classi di molecole: le macromolecole ad alto peso molecolare (proteine

e acidi nucleici) e i metaboliti a basso peso molecolare (glucosio e glicerolo). Queste 2

classi di molecole sono le stesse in tutti gli esseri viventi quindi tutti gli organismi hanno

caratteristiche comuni. 4,5 miliardi di anni fa si è formata la Terra, 3,5 miliardi di anni fa

comparvero i primi microrganismi che vivevano in un’atmosfera ancora priva di ossigeno,

1,5 miliardi di anni fa l’atmosfera si arricchì di ossigeno e circa 200 mila anni fa

apparvero i primi ominidi. Nell’arco di questi miliardi di anni le molecole sono sempre le

stesse. In base alle differenze a livello biochimico sono stati distinti 3 grandi domini:

Eucaria, Batteri e Archea (batteri antichi che vivono in condizioni estreme). Vedremo 4

principali classi di molecole: le proteine (molecole versatili), gli acidi nucleici (molecole di

informazione della cellula), i lipidi (riserva energetica e barriera) e i carboidrati

(combustibili come ad esempio il glucosio e molecole di informazione…basti pensare al

glicocalice. Nell’uomo i carboidrati vengono immagazzinati sotto forma di glicogeno).

I legami covalenti sono i legami più forti presenti nei composti biochimici e consistono in

una condivisione di una coppia di elettroni tra 2 atomi adiacenti. Esistono anche legami

covalenti multipli ossia legami in cui vengono condivisi più di 2 elettroni.

I legami elettrostatici sono legami che dipendono dalla carica elettrica degli atomi. Come

E = kq q ∕ Dr

si calcola l’energia di legame? dove k è una costante di proporzionalità, D è

1 2

la costante dielettrica e r è la distanza in angstrom. I legami elettrostatici sono più deboli

dei legami covalenti. Tra le interazioni elettrostatiche una delle più importanti è il legame

idrogeno. Nel legame idrogeno c’è sempre un accettore e un donatore. L’atomo di

idrogeno è condiviso tra 2 atomi elettronegativi. I legami idrogeno sono cruciali per le

proteine e per il DNA. Tra le interazioni elettrostatiche troviamo le forze di van der

Waals. Queste forze sono determinate dal fatto che la distribuzione della carica

elettronica intorno a un atomo varia nel tempo . Le forze di van der Waals sono più deboli

dei legami idrogeno sono tuttavia molto importanti in quanto stabilizzano la doppia elica

del DNA. Il DNA codifica le sequenze amminoacidiche delle proteine. Le proteine sono

formate da 20 unità costitutive, gli amminoacidi, invece che da 4, come il DNA. La

sequenza amminoacidica specifica definite organizzazioni strutturali della proteina. Di

base dalla sequenza amminoacidica non posso prevedere la struttura tridimensionale

della proteina.

I gruppi funzionali più importanti:

Proteine e amminoacidi

Le proteine sono le molecole più versatili (possono agire da catalizzatori, trasportatori,

possono conservare altre molecole, possono fornire supporto meccanico, generare un

movimento, trasmettere impulsi nervosi, possono avere funzione di protezione

immunitaria e possono controllare la crescita e il differenziamento). Le proteine sono

polimeri lineari costituiti da unità monomeriche dette amminoacidi. Contengono diversi

gruppi funzionali (alcoli, tioli, acidi grassi ecc). Possono interagire l’una con l’altra e con

altre macromolecole biologiche per formare strutture complesse. Alcune sono rigide altre

sono flessibili. La struttura primaria è la sequenza degli amminoacidi che formano una

singola catena peptidica. La struttura secondaria è il modo in cui una catena peptidica si

dispone nello spazio. La struttura terziaria è il risultato del ripiegamento di una catena

peptidica in una forma più complessa. La struttura quaternaria è il risultato del

ripiegamento di più catene polipeptidiche.

α-amminoacido α

Un presenta sempre un carbonio centrale legato a 4 sostituenti diversi:

un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e un gruppo R (detto

anche catena laterale). La catena laterale è diversa a seconda dell’amminoacido. Sono

presenti 20 catene laterali. Tutte le proteine vengono costruite a partire dagli stessi 20

amminoacidi. Nelle proteine abbiamo soltanto amminoacidi in configurazione L.

In soluzione a pH neutro gli amminoacidi sono in forma zwitterionica (cioè molecole che

recano contemporaneamente le 2 cariche opposte, mantenendo la neutralità, hanno cioè

gruppo amminico protonato e gruppo carbossilico deprotonato). Lo stato di ionizzazione

varia con il pH. In soluzione acida il gruppo carbossilico non è ionizzato e il gruppo

amminico è ionizzato. Aumentando il pH il gruppo carbossilico è il primo a cedere un

protone.

Amminoacidi a carattere idrofobico (gruppo R non polare)

Gli amminoacidi possono essere rappresentati in diversi modi: modello a palle e

bastoncini, formula stereochimica, proiezioni di Fischer (modo più semplice).

La glicina è l’unico amminoacido in cui il carbonio non è centro di chiralità (sono presenti

2 idrogeni). L’alanina ha la stessa struttura della glicina ma, al posto di un idrogeno,

troviamo il metile.

Amminoacidi a carattere idrofobico (gruppo R non polare

alifatico)

L’isoleucina ha 2 centri di chiralità (il secondo centro di chiralità è indicato dall’asterisco).

Nella metionina compare un atomo giallo di zolfo e un gruppo tioestere -SCH . La prolina

3

è l’unico amminoacido in cui la catena laterale forma un anello con il gruppo amminico.

L’anello provoca restrizione conformazionale. Non tro veremo mai la prolina nelle

α-elica.

strutture

Amminoacidi a carattere idrofobico (gruppo R non polare

aromatico)

La tirosina presenta un gruppo -OH idrofilico quindi ha un parziale carattere idrofilo. Il

triptofano ha 2 anelli che insieme prendono il nome di anello indolico.

Amminoacidi a carattere idrofilico (gruppo R polare ma non

carico)

Questi amminoacidi possiedono catene laterali che hanno la tendenza a formare legami

con l’acqua. La cisteina è l’altro amminoacido con l’atomo di zolfo nella catena laterale. 2

cisteine insieme possono formare ponti disolfuro S-S. La treonina ha 2 centri di chiralità.

Amminoacidi a carattere idrofilico (gruppo R polare carico

positivamente)

La lisina termina con un gruppo amminico primario NH . L’arginina termina con un

3+

gruppo guanidinico e ha una carica positiva delocalizzata. L’istidina ha un gruppo

metilenico e un anello imidazolico come catena laterale. A pH neutro l’anello imidazolico

è carico positivamente. L’arginina è spesso presente nei siti attivi degli enzimi.

Amminoacidi a carattere idrofilico (gruppo R polare carico

negativamente)

L’acido aspartico e l’acido glutammico a pH neutro sono nella forma ionizzata.

L’asparagina e la glutammina hanno in più l’NH (gruppo carbamminico).

2

Struttura primaria

La struttura primaria è il primo livello di organizzazione strutturale delle proteine.

Consiste nell’unione degli amminoacidi attraverso legame peptidico per la formazione

della catena polipeptidica. Il legame peptidico C-N avviene tra il gruppo carbossilico di un

amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido. Questa reazione è

catalizzata da un enzima. Con la formazione del legame si ha l’eliminazione di una

molecola d’acqua. Quando la catena è formata da pochi amminoacidi prende il nome di

peptide. Per convenzione il primo residuo amminoacidico che forma il peptide prende il

nome di mentre l’ultimo residuo che forma il peptide prende

residuo amminoterminale

il nome di Il residuo amminoterminale è il residuo che ha il

residuo carbossiterminale.

gruppo amminico libero. Il residuo carbossiterminale è il residuo che ha il gruppo

carbossilico libero. La sequenza si scrive sempre a partire dal residuo amminoterminale.

Nella sequenza la parte che si ripete è chiamata catena principale o scheletro covalente.

La parte variabile è rappresentata invece dalle catene laterali. Il legame peptidico C -N è

rigido e planare ma presenta un parziale carattere di doppio legame. Le catene laterali

ruotando possono dare origine alla struttura secondaria. La maggior parte della catena ha

50/ 2.000 residui amminoacidici. Dal momento che ogni residuo amminoacidico ha una

massa media di 110 dalton le catene variano da una massa di 5.500/ 220.000 dalton o

5,5/ 220 KDa.

Se sulla sequenza amminoacidica delle proteine sono presenti più cisteine allora

potrebbero formarsi I ponti disolfuro sono legami trasversali che

ponti disolfuro.

stabilizzano la struttura della proteina. Sono legami presenti nelle proteine extracellulari

che si formano in seguito all’ossidazione tra i 2 gruppi -SH di 2 cisteine. I residui di

cisteina che si legano possono essere anche molto lontani tra loro nella sequenza. 2

cisteine legate tra loro con ponti disolfuro prendono il nome di L’insulina bovina

cistina.

è un ormone peptidico formato da 2 catene (A e B). Queste 2 catene sono unite tra loro da

3 ponti disolfuro. 2 ponti disolfuro sono intercatena mentre un ponte è intracatena.

L’insulina bovina differisce da quella umana solo per 3 residui amminoacidici. I geni

codificano le proteine. Ogni proteina ha una sequenza amminoacidica unica specificata

da geni. Oggi si conoscono le sequenze amminoacidiche di più di 2 milioni di proteine.

Struttura secondaria

Le catene polipeptidiche si possono ripiegare a formare 4 possibili strutture regolari: l’α-

β, β

elica, il foglietto il ripiegamento e infine le anse. Queste strutture regolari vennero

scoperte da Pauling e Corey nel 1951.

L’alfa elica

Esistono diversi modi per rappresentare questo ripiegamento:

 modello a nastro con lo scheletro covalente a forma di nastro avvolto e le

catene laterali che sporgono all’esterno;

 modello a palle e bastoncini con i legami idrogeno tratteggiati;

 modello a palle e bastoncini visto all’interno del bastoncino;

 modello spaziale.

L’α-elica è stabilizzata da legami idrogeno tra gruppi NH e gruppi CO delle catene laterali.

Il gruppo CO di ciascun amminoacido è unito da un legame idrogeno al gruppo NH

dell’amminoacido che si trova 4 residui più avanti nella sequenza lineare (3 salti). Quindi

tutti i gruppi CO ed NH sono uniti da legami idrogeno, ad eccezione di quelli degli

amminoacidi terminali della catena. Ciascun residuo è spostato rispetto al precedente di

1,5 Å lungo l’asse dell’elica e forma con esso un angolo di 100°, il che significa che vi sono

3,6 residui di amminoacidi per ogni giro dell’elica. Il passo dell’α-elica corrisponde al

prodotto dello spostamento (1,5 Å) per il numero di residui per giro (3,6) ed è di 5,4 Å. Il

senso di avvitamento dell’α-elica può essere destrogiro o levogiro, tuttavia l’elica

destrogira è molto più favorita dal punto di vista energetico, poiché presenta meno

impedimenti sterici. La ferritina è un esempio di proteina formata solamente da struttura

α-elica.

secondaria in β

Foglietto

Non è una struttura avvolta ma è estesa

ed è sempre stabilizzata da legami

idrogeno. I legami idrogeno avvengono

però in modo diverso da quelli presenti

β

nell’α-elica. Il foglietto è composto da 2

o più catene polipeptidiche, chiamate

β. La distanza tra amminoacidi

catene

adiacenti è di 3,5 Å (non più 1,5 Å come

nell’α-elica) e le catene laterali di

amminoacidi adiacenti sono in direzioni

β

opposte. Le catene sono unite tra loro

attraverso legami idrogeno. I legami

idrogeno si possono formare in modo

parallelo o antiparallelo avremo quindi

β

rispettivamente e

foglietti paralleli

β β

Nel foglietto

foglietti antiparalleli.

parallelo un amminoacido di una catena

β forma 2 legami idrogeno con 2

β

amminoacidi diversi dell’altra catena. Nel foglietto antiparallelo un amminoacido di una

β

catena forma un legame idrogeno con l’amminoacido opposto dell’altra catena. Esistono

β

anche foglietti misti. Le proteine che legano acidi grassi consistono quasi

β. β

esclusivamente di foglietti I foglietti creano bruschi cambiamenti di direzione della

catena. β β-turn)

Ripiegamento (o inversione a U o

Queste interazioni stabilizzano i bruschi cambiamenti di

direzione della catena. Si formano con legami idrogeno tra

C-O di i e N-H di i+3 dove i e i+3 sono amminoacidi.

Anse (o Ω-loop)

Non sono delle strutture regolari (nella figura sono le parti colorate

in fucsia). Le anse sono formate da 5/ 20 amminoacidi (di solito

questi amminoacidi hanno carattere idrofilico). Si trovano sempre

sulla parte più esterna delle proteine in quanto permettono alle

proteine di legarsi ad altre proteine o molecole.

Struttura terziaria

La struttura terziaria è la struttura tridimensionale delle proteine ossia la disposizione

nello spazio della catena polipeptidica. Dalla struttura tridimensionale dipende la

funzione delle proteine. Le proteine solubili in acqua si ripiegano in strutture compatte,

con un nucleo non polare. L’interno di queste proteine è dunque formato esclusivamente

da residui non polari mentre l’esterno presenta gruppi polari carichi. Il ripiegamento delle

proteine è guidato quindi dalla forte tendenza dell’acqua a escludere i residui idrofobici.

Se invece si parla di proteine che attraversano la membrana (porine) l’interno sarà

formato da gruppi a carattere idrofilico mentre esternamente ci saranno amminoacidi a

carattere idrofobico. Prendiamo come esempio la mioglobina, il trasportatore α-elica

dell’ossigeno nel muscolo. La mioglobina è una proteina con una struttura tutta

costituita da una singola catena polipeptidica di 153 amminoacidi. La capacità di legare

l’ossigeno è dovuta alla presenza del gruppo prostetico che prende il nome di gruppo

eme. Il gruppo eme è costituito dalla protoporfirina IX e da un atomo di ferro centrale.

Nella struttura terziaria di alcune proteine ci sono anche parti globulari compatte

chiamate domini. I domini sono generalmente formati da 30/ 400 amminoacidi.

Struttura quaternaria

Le catene polipeptidiche si organizzano in strutture multimeriche. Solo le proteine che

contengono più di una catena polipeptidica possono associarsi tra loro a formare

strutture multimeriche. In queste proteine ciascuna catena polipeptidica viene detta

subunità. La struttura quaternaria si riferisce alla disposizione nello spazio di queste

subunità e alla natura delle interazioni che le tengono unite. Più sono queste interazioni

più l’associazione è forte. Il dimero è la struttura quaternaria più semplice. L’emoglobina

è un tetramero che serve a trasportare l’ossigeno dai polmoni ai tessuti e a eliminare

α β α

l’anidride carbonica. Il tetramero prende il nome di perché è formato da 2 subunità

2 2

β.

e 2 subunità Ogni subunità presenta un gruppo eme. I virus formano rivestimenti in cui

si ripetono numerose copie di uno stesso tipo di subunità disposte simmetricamente. Nel

coronavirus le subunità si organizzano a formare un rivestimento sferico che contiene

all’interno il genoma virale. Le Spike sono 3 copie della proteina S1.

Enzimi

Gli enzimi, i catalizzatori dei sistemi biologici, sono molecole che determinano tutte le

trasformazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula. Le più importanti

caratteristiche degli enzimi sono il potere catalitico (aumentano la velocità della reazione

più di un milione di volte) e la specificità. La specificità riguarda sia la reazione che deve

essere catalizzata sia la scelta dei reagenti che vengono chiamati substrati. La catalisi

avviene in una particolare regione dell’enzima chiamata sito attivo (dove i reagenti si

incontrano per diventare prodotto). Nel sito attivo gli enzimi legano in modo specifico i

substrati con un orientamento ben preciso, dal quale dipende la formazione e la rottura

dei legami chimici. Esempio potere catalitico. L’anidrasi carbonica è uno degli enzimi più

rapidi che si conosce: una molecola di questo enzima può idratare 10 molecole di

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anidride carbonica al secondo. La reazione catalizzata è 10 volte più veloce rispetto alla

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reazione non catalizzata. Esempio specificità. La tripsina è un enzima digestivo

proteolitico che taglia il legame peptidico solo se dal lato carbossilico incontra residui di

arginina o lisina. La trombina è un enzima coinvolto nel fibrinogeno. Anche la trombina

taglia il legame peptidico ma soltanto tra arginina e glicina. La trombina è quindi più

specifica della tripsina. La papaina presenta invece una bassa specificità e taglia tutti i

legami peptidici che trova. Altri enzimi possono avere anche più di un substrato. C’è

sempre un substrato che è favorito.

Molti enzimi hanno bisogno di cofattori. I cofattori sono in genere piccole molecole. Un

enzima senza cofattore è detto apoenzima mentre un enzima con cofattore prende il

nome di oloenzima. Quindi apoenzima + cofattore = oloenzima. I cofattori sono suddivisi

in metalli e piccole molecole organiche. L’anidrasi carbonica ha bisogno di ioni zinco per

svolgere la propria attività. La glicogeno fosforilasi ha bisogno del piridossalfosfato. Le

piccole molecole organiche si chiamano coenzimi. I coenzimi possono essere legati

all’enzima attraverso legami deboli o legami forti. Se legati in modo stab