Biochimica 1: introduzione al metabolismo; proteine

Fondamenti di biochimica

Introduzione al metabolismo

Si definisce metabolismo una rete di reazioni chimiche altamente integrate che ha come finalità l’estrazione di energia chimica e di potere riducente dall’ambiente. Questa energia può essere, poi, utilizzata dalla cellula in tre modi diversi: per effettuare lavoro meccanico o di motilità, come ad esempio la contrazione muscolare; per permettere il trasporto attivo; per la biosintesi di macromolecole organiche.

Una via metabolica rappresenta una serie di reazioni chimiche in cui il prodotto di una funge da substrato della successiva. Le vie metaboliche si dividono in vie anaboliche e vie cataboliche.

Vie anaboliche e cataboliche

Le vie anaboliche sono quelle vie in cui le reazioni hanno bisogno di energia per sintetizzare molecole a partire dai loro precursori più semplici. Le vie cataboliche sono quelle in cui le reazioni producono energia attraverso la degradazione di molecole a H₂O e CO₂. Tutte le vie metaboliche nella cellula sono estremamente integrate le une con le altre, tanto che uno stesso metabolita può andare incontro ad una o ad un’altra via metabolica a seconda delle necessità.

L’esempio più semplice riguardo questo concetto è un pasto ricco in carboidrati: dopo l’assunzione di grandi quantità di glucosio, la sintesi di quest’ultimo viene bloccata, mentre vengono attivate le vie metaboliche che includono l’utilizzo del glucosio, o come fonte di energia o come monomero per la sintesi del glicogeno.

Energia libera di una reazione

Come sapere quanto una reazione è endoergonica o esoergonica - L’energia libera di una reazione è espressa dal valore ΔG₀: esso non è altro che la quantità di energia necessaria per trasformare una mole di reagente in prodotto o la quantità di energia liberata dalla trasformazione di una mole di reagente in prodotto; esso risulta positivo se la reazione è endoergonica, cioè se assorbe energia, e negativo se la reazione è esoergonica, cioè se sviluppa energia. Le vie anaboliche assorbono energia, quindi hanno ΔG maggiore di 0; le vie cataboliche producono energia, quindi hanno ΔG minore di 0.

Per calcolare il ΔG ci si avvale della K di equilibrio, ovvero del rapporto fra la concentrazione dei prodotti e la concentrazione dei substrati. Per una reazione di ossidoriduzione il ΔG dipende anche dalla differenza di potenziale redox delle coppie redox coinvolte nella reazione.

Ad esempio, il ΔG della reazione redox fra un coenzima ridotto (ad esempio NADH) e O₂, ovvero l’accettore finale di equivalenti riducenti, è così negativo, cioè sviluppa così tanta energia, da permettere di sintetizzare moltissime molecole di ATP. Precisamente, il ΔG di questa reazione redox è di circa -50 kcal/mol. La sintesi di ATP a partire da ADP+P_i, dal canto suo, ha un ΔG positivo, richiede cioè una dose abbastanza elevata di energia per avvenire; precisamente, 7,3 kcal/mol.

Dunque, sembrerebbe scontato dire che attraverso una reazione redox fra 1 mole di NADH e 1 mole di O₂, liberandosi 50 kcal, si potrebbero produrre 50/7,3 moli di ATP (dato che sono richieste 7,3 kcal per produrre 1 mole di ATP), dunque circa 6-7 moli di ATP. Tuttavia, questo non succede poiché tutto dipende dall’efficienza del macchinario molecolare che produce ATP (ATP-sintasi) e dall’energia che viene dissipata.

Regolazione delle vie metaboliche

Le vie metaboliche sono regolate a tal punto che il loro controllo sembra un qualcosa di ridondante. Tuttavia, ciò serve a conseguire dei risultati più fini, poiché una via regolata da più fattori può aumentare l’intensità o migliorare la finezza nel caso in cui si deve vincere una resistenza. Una regolazione quasi ridondante rende le vie metaboliche più pronte a rispondere ai vari input dell’ambiente dell’organismo.

Velocità di una via metabolica

La velocità complessiva di una via metabolica è pari alla velocità della reazione più lenta della via stessa. Tale reazione prende il nome di reazione limitante o reazione regolatoria, catalizzata da enzimi detti enzimi chiave o enzimi regolatori. Le reazioni limitanti sono altamente regolate e si trovano, di solito, all’inizio o in corrispondenza di una biforcazione della via metabolica.

Proteine

Amminoacidi

L’unità fondamentale delle proteine è l’amminoacido. Gli amminoacidi sono biomolecole formate da un carbonio centrale detto carbonio-α, chirale in tutti gli amminoacidi tranne che nella glicina. Chirale vuol dire che lega quattro sostituenti diversi, e che dunque le due immagini speculari della molecola amminoacidica risultante non sono sovrapponibili. La glicina fa eccezione, poiché due dei quattro sostituenti sono uguali (H).

I sostituenti del carbonio-α sono sempre un gruppo amminico (NH₂, NH₃⁺ in soluzione), un gruppo carbossilico (COOH, COO⁻ in soluzione), un atomo di idrogeno (H) e una catena laterale detta gruppo R, che rappresenta l’elemento variabile fra i diversi amminoacidi. Per via delle proprietà opposte che si annullano del gruppo amminico e di quello carbossilico (basico il primo e acido il secondo), le proprietà chimiche di un amminoacido sono determinate dalla natura del gruppo R. I gruppi R, così, permettono di classificare gli amminoacidi in alifatici apolari, aromatici, alifatici polari, carichi positivamente e carichi negativamente.

Proprietà acido-base di un amminoacido

Come detto, il gruppo amminico conferisce proprietà basiche ad un amminoacido, mentre il gruppo carbossilico gli conferisce proprietà acide. Gli amminoacidi sono, dunque, anfipatici. In virtù di questo, un amminoacido assume proprietà acide o basiche a seconda dell’ambiente in cui è posto e del pH dello stesso ambiente. Si definisce punto isoelettrico di un amminoacido il valore di pH a cui lo stesso amminoacido si presenta come zwitterione, cioè come molecola la cui risultante delle cariche è pari a 0. Un amminoacido in forma zwitterionica, avendo carica complessiva neutra, raggiunge il minimo della sua solubilità.

Legame peptidico

Gli amminoacidi, per formare le proteine, si legano fra loro attraverso un particolare legame di condensazione detto legame peptidico. Il legame interessa il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro, e in quanto legame di condensazione implica la perdita di una molecola d’acqua, rappresentata dalla perdita di un OH da parte del gruppo carbossilico e dalla perdita di un H da parte del gruppo amminico.

Il legame peptidico ha una particolare caratteristica, che è quella di parziale doppio legame: un legame singolo, come risaputo, permette la rotazione fra i due atomi coinvolti e tutti gli altri legati ad essi, mentre un legame doppio no; il legame doppio parziale peptidico crea un piano che esclude la rotazione formato dai gruppi coinvolti nel legame, ossia il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro. I carboni-α legati a ciascun gruppo giacciono, invece, sugli spigoli di questo piano non deformabile e hanno la possibilità di ruotare, permettendo i vari ripiegamenti delle proteine che, al contrario, risulterebbero una catena rigida e lineare.

Il carbonio-α di un amminoacido presenta due angoli diedri di legame, uno con il C del gruppo carbossilico chiamato angolo Ψ (psi) e uno con la N del gruppo amminico detto angolo Φ (phi). Le variazioni dei valori di questi angoli determinano diversi tipi di ripiegamento di una catena polipeptidica.

I legami peptidici esistono in forma cis e trans: trans è quando le catene laterali degli amminoacidi si trovano ai due lati opposti; cis è quando essi si trovano agli stessi lati. L’unico amminoacido che non forma legami trans è la prolina, che dunque li forma solo cis.

Peso di una proteina a partire dagli amminoacidi

Se si conosce il numero di amminoacidi di una proteina e lo si moltiplica per 110 si ottiene, grossolanamente, il peso della stessa proteina.

Amminoacidi e α-chetoacidi

Gli amminoacidi deaminati, cioè senza gruppo amminico, diventano α-chetoacidi. Gli enzimi responsabili del distacco e dell’attacco di un gruppo amminico ad un amminoacido, quindi della transizione da amminoacido ad α-chetoacido e viceversa, sono le transaminasi. L’α-chetoacido coniugato dell’alanina è il piruvato: il piruvato è il prodotto finale della glicolisi, e può andare incontro a diversi destini: decarbossilazione per formare acetil-CoA; riduzione per formare acido lattico e sua riossidazione a piruvato nel fegato. L’α-chetoacido coniugato dell’aspartato è l’ossalacetato. L’α-chetoacido coniugato del glutammato è l’α-chetoglutarato.

Assorbimento luminoso

Per effettuare una stima grossolana degli amminoacidi che compongono una soluzione proteica, ci si può avvalere di una particolare proprietà degli stessi: l’assorbimento della luce. A tal proposito è importante sottolineare che gli amminoacidi aromatici assorbono la luce a 280 nm.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi si classificano, in base alle proprietà chimiche dei loro gruppi R, in apolari alifatici, aromatici, polari alifatici, carichi positivamente e carichi negativamente.

• Amminoacidi apolari alifatici sono:
  • Glicina, l’unico in cui il carbonio-α non è chirale, in quanto il sostituente R è un atomo di idrogeno
  • Alanina, il quale gruppo R è rappresentato da un gruppo metilico (CH₃); l’α-chetoacido coniugato dell’alanina è il piruvato, ossia il prodotto della glicolisi
  • Prolina, la cui catena laterale è legata sia al carbonio-α che al gruppo amminico; pertanto, la prolina ha dimensioni ridotte, e questo si traduce in una difficoltà di formare strutture secondarie tipiche. La prolina, in effetti, forma soprattutto ripiegamenti.
• Amminoacidi aromatici sono:
  • Fenilalanina, il più apolare dei tre; assorbe la luce a 280 nm
  • Tirosina, abbastanza polare in quanto contenente un gruppo OH; assorbe la luce a 280 nm
  • Triptofano, anch’essa abbastanza polare in quanto