Biochimica

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Geni e genoma

Geni elementi funzionali codificanti del nostro DNA, tanti geni assieme formano il genoma. I geni sono fondamentalmente delle strutture che codificano l’informazione. In genere codificando per delle informazioni che tipicamente sono poi legate alla produzione di un oggetto che si chiama proteina. Abbiamo un codice di traduzione che dalle informazioni presenti sugli geni, e dalle strutture delle proteine stesse. Questo rappresenta l’interconnessione tra la genetica e la biochimica che si chiama biologia molecolare.

Genoma = tanti geni
Proteomi = tante proteine messe assieme

Le triplette degli acidi nucleici codificati nei geni rappresentano un codice che può essere poi tradotto attraverso i famosi T-RNA, per produrre dei polimeri con una natura diversa da quella degli acidi nucleici. Gli amminoacidi naturali sono 20, sono questi gli amminoacidi che si inseriscono nei polimeri per costruire le proteine. I geni racchiusi nel genoma sono la nostra chiave ereditaria — da una generazione all’altra nelle diverse specie viventi. Genoma sono stabili all’interno di uno stesso organismo — stesso genoma.

Metamorfosi bruco - farfalle stesso genoma, la differenza sostanziale è il proteoma. Nell’uomo — nella vita intrauterina e nell’invecchiamento = Stesso genoma e diverso proteoma. Cellule dello stesso organismo hanno lo stesso genoma. Le tutte le cellule del nostro corpo avranno lo stesso genoma, poiché provengono dallo stesso organismo.

Decodifica genetica

T-RNA ci permette la decodifica delle triplette (che sono presenti nei geni) in amminoacidi. All’interno forse dell’unica struttura enzimatica, l’unico catalizzatore biologico che non è a base proteica è il ribosoma è a base di RNA. Avviene una fusione degli amminoacidi a sintetizzare un polimero, non è più un polimero dato dalle 4 basi nucleotidiche ma dato dai 20 amminoacidi naturali. In questo caso andiamo dal N-terminale verso C-terminale, abbiamo fondamentalmente una sequenza di amminoacidi, il primo la timosina, la seconda una glicina (più piccolo amminoacido esist. ha un solo atomo di H nella catena laterale) un’altra glicina, una fenilalanina e una leucina. Queste catene possono essere molto lunghe.

Caratteristiche degli amminoacidi

Gli amminoacidi si distinguono dalla catena laterale, poiché la struttura di base è sempre la stessa (il carbonio alfa, il carbonio carbonilico, il gruppo amminico in posizione alfa). Esistono amminoacidi polari (asparagina, glutammina, serina, treonina, cisteina, tirosina), apolari, piccoli, idrofobici grandi, acidi. Idrossilico nella catena laterale.

Nella reattività chimica e nella caratterizzazione di qualsiasi struttura: Il Pk di ionizzazione, cioè l’equilibro acido base di quello specifico composto chimico. A seconda delle caratteristiche chimico fisiche della molecola o del gruppo funzionale che si prende in considerazione avremmo delle caratteristiche di un gruppo funzionale acido la dove il Pk è inferiore a 7, e basico se il Pk è superiore a 7.

Cisteina e ponti di solfuro

Esempio: Cisteina. La forma del tiolo piuttosto che il suo gruppo laterale reca un gruppo funzionale tiolo del anione tiolato, ha una profonda differenza in termini di funzione perché ha una profonda differenza in termini di reattività chimica.

Ponte di Solfuro: Le cisteine possono creare delle catene non lineari tra le catene di amminoacidi (catene polipeptidiche). La presenza della cisteina può farsi che queste catene si articolino in strutture collegate tra di loro attraverso la formazione di un legame chimico che in questo caso è il ponte di solfuro, quest’ultimo è nato dalla reazione di un ossido-riduzione dove i due atomi di zolfo e i due residui di cisteina sono ossidati con l’uscita di 2 elettroni e la conseguente conformazione di un legame covalente S-S che evidentemente è un legame covalente reversibile, la dove arrivi una molecola in grado di spingere la reazione verso la riduzione piuttosto che verso l’ossidazione.

Insulina e ponti di solfuro

È una molecola che ci permette di regolare il metabolismo glucidico, alcune persone hanno una carenza dalla produzione di insulina, e soffrono di diabete di tipo 1, detto anche diabete familiare. Questo diabete è caratterizzato dalla mancanza di cellule nel pancreas che producono l’insulina (proteina). L’insulina ha due catene polipeptidiche A e B, sono collegate tra di loro in modo covalente dai ponti di solfuro. Quindi di fatto rappresentano un’unica struttura molecolare. C’è da notare che troviamo anche un ponte di solfuro interno alla catena, perché molto spesso i ponti di solfuro ci permettono di avere una stabilizzazione della catena polipeptidica, attraverso la possibilità di avere una struttura più compatta.

Amminoacidi aromatici

Amminoacidi aromatici: fenilanina, tirosina e triptofano (triptofano il più grande di tutti) Presentano dei grandi gruppi idrofobici hanno degli elettroni p greco delocalizzati che sono particolarmente sensibili alla radiazione elettromagnetica, in particolar modo alla luce ultravioletta. Questi amminoacidi sono alla base della relazione tra la luce ultravioletta e le proteine stesse. Se ci bruciamo la pelle perché ci siamo esposti troppo al sole, quello che stiamo osservando è la relazione fra la luce, e questi amminoacidi che sono presenti nelle proteine della pelle che assorbono la luce ultravioletta, tendono ad essere maggiormente reattivi, e quindi a cambiare la conformazione delle proteine, abbiamo bisogno di qualche giorno e di qualche trattamento per cercare di lenire le aree dove c’è stato un danno indotto.

La tinosina, la fenilalanina, hanno la stessa struttura con l’anello del benzene. La differenza tra queste due è il sostituente in posizione para con un gruppo idrossilico. La caratteristica di tutti e tre è che sono 3 anelli aromatici, quindi c’è coniugazione dei legami chimici con le orbitali p greco. Questa è una condizione che agevola l’assorbimento della radiazione elettromagnetica, in particolar modo della luce ultravioletta.

Lipidi e trigliceridi

[Glicerina è un costituente centrale dei lipidi, e dei trigliceridi] I lipidi hanno due catene di acidi grassi che sono collegate tra di loro attraverso una molecola di glicerina, e sull’ultimo idrossile della glicerina invece troviamo un gruppo fosfato cioè un fosfolipide. Nei trigliceridi che invece sono delle molecole con un accumulo di energia, abbiamo tuti e 3 i gruppi idrossilici della glicerina che sono coniugati con l’acido grasso. Sono di fatto poi le strutture che poi vengono utilizzate che sono alla base dei trigliceridi e quindi permettono l’immagazzinamento degli acidi grassi.

Struttura degli amminoacidi

Glicina è un acido. Al centro di questo polipeptide, troviamo il carbonio alfa, cioè il carbonio centrale dell’aminoacido, la catena laterale in realtà è un atomo di H. Sul carbonio alfa gli amminoacidi hanno un carbonio chirale. Tutti gli amminoacidi naturali hanno la conformazione L quindi che vengono inseriti nelle sequenze delle proteine. Un carbonio diventa chirale con una configurazione sp³ e ha tutti gli sostituenti differenti uno dall’altro. La glicina è un caso particolare poiché avendo due costituenti uguali di fatto non ha più un carbonio chirale.

Sequenza degli amminoacidi e proteine

La sequenza degli amminoacidi, tanti amminoacidi messi insieme fanno un polipeptide, (esempio della cisteina con l’insulina) e questa sequenza di polipeptidi di fatto costituiscono le proteine. La proteina è caratterizzata dalla struttura degli amminoacidi che si sono messi in sequenza uno dietro l’altro, e dalla sequenza stessa di questi amminoacidi, quindi noi abbiamo 20 amminoacidi ognuno con delle caratteristiche differenti. A seconda di quale amminoacido segue quello precedente avremmo una catena quindi un polimero di amminoacidi con differenti caratteristiche e proprietà. Il DNA è anche un polimero, invece che avere 20 differenti amminoacidi (o monomeri non si è capito bene), ne ha solo 4, che sono i 4 nucleotidi.

La cellulosa e il glicogeno sono due polimeri, l’amido anche, che hanno di fatto tutti lo stesso monomero cioè il glucosio. La differenza della organizzazione strutturale e la struttura chimica cambia la natura del polimero stesso. Il monomero, es la cheratina, la sequenza di questo monomero fa sì che la proteina che viene prodotta abbia delle differenti caratteristiche. Se si analizza la sequenza dei singoli monomeri, la sequenze degli amminoacidi, dal n-terminale al c-terminale, di fatto si sta leggendo un codice strutturale. Il colore codifica per la natura chimico fisica di quel specifico amminoacido. Esempio si va a usare il colore verde per un amminoacido che ha una catena laterale idrofobicata (es leucina, valina). Un colore rosso la dove l’amminoacido presenta nella catena laterale caratteristiche di acidità (acido aspartico, glutammico).

Se si va a mettere in sequenza degli amminoacidi di varie proteine, se due proteine hanno la stessa funzione, cioè la stessa struttura dovrei avere un allineamento di queste stringhe, perché c’è una relazione tra la struttura e la relazione, quindi se ho la stessa stringa di amminoacidi che si susseguono a formare lo stesso polipeptide, avrò anche la stessa funzione. Le caratteristiche chimico fisiche, questo è un concetto centrale perché di fatto definisce tutto il mondo della biochimica e delle relazioni con la medicina molecolare.

Relazione tra struttura e funzione

1949, articolo da Linus Koling. Linus fonda i primi concetti di relazione fra la struttura e la funzione e descrive questo concetto all’interno di una patologia. L’anemia falciforme, è una sindrome genetica dove ci sono degli individui che hanno i propri globuli rossi con una forma allungata a falce. Questa forma è data da una differente conformazione di una proteina quella che trasporta l’ossigeno nel nostro sangue. Questa proteina si chiama emoglobina. Nella forma completa l’emoglobina è formata da 4 catene polipeptidiche, le catene alfa e beta. Queste catene alfa e beta fondamentalmente formano l’emoglobina funzionale, quando abbiamo la patologia le catene beta formano una struttura molecolare leggermente differente. Questa struttura fa sì che le molecole di emoglobina si possano ulteriormente polimerizzare tra di loro formando delle lunghe catene. Queste fibre di proteine sono tali da cambiare la struttura stessa del globulo rosso a forma di falce.

Questa anemia in Italia era molto diffusa, specialmente in Sardegna, nel sud del Lazio, nel sud del Veneto. Era presente laddove erano presenti le paludi, ed è qui che si trovava la malaria. Infatti questa caratteristica genetica è molto svantaggiosa, quando è omozigotico, tutti e due i geni della persona in questione, portano la variante, falciforme. Ma è una caratteristica molto vantaggiosa quando un individuo porta una copia di un gene, con la variante falciforme e una copia pienamente funzionale (normale, WT). Quando il globulo rosso viene schiacciato, il plasmodio della malaria non è in grado di infettare il globulo rosso, quindi non riesce a completare il suo ciclo di replicazione. È una caratteristica genetica svantaggiosa faceva sì che negli altri individui ci fosse un vantaggio perché rimanevano protetti dall'infezione della malaria. Laddove presente la malaria era un problema di salute pubblica molto importante.

Le persone che presentano questa patologia hanno difficoltà nella circolazione del sangue, questa differenza è data da una variante di un amminoacido, un acido aspartico che è sostituito con una valina, un amminoacido idrofobico. Questo cambio nella natura chimica di questo amminoacido fa sì che le catene delle molecole di emoglobina si aggreghino tra di loro, formando queste fibre che sono poi alla base del globulo rosso allungato.

Queste caratteristiche che sono presenti come codifica sui geni, si riflettono come caratteristiche funzionali all’interno di una cellula da cui, struttura e funzione che sono strettamente legati tra di loro.

Favismo

Favismo, in cui una caratteristica genetica su una proteina fa sì che il globulo rosso abbia un ambiente svantaggioso per la proliferazione della malaria. Laddove presente la malaria, diventa una caratteristica estremamente svantaggiosa, se questi individui mangiano delle fave fresche. Le fave fresche contengono una molecola che interagisce con questa proteina provocando un'emolisi massiva, quindi molto spesso la morte delle persone che portano questa caratteristica. Se queste persone non mangiano le fave stanno benissimo, oggi queste caratteristiche sono rimaste nella popolazione come caratteristiche genetiche che un tempo erano chiaramente delle caratteristiche utili, che aiutavano ad essere protetti. Ma se entrano in contatto rischiano la vita, solamente toccandole. Per vedere se si ha questa malattia, basta fare un esame del sangue, un esame dell’emoglobina cercando varianti dell’emoglobina, valutazione dell’emoglobina glicata, anche sull’enzima alla base del favismo.

Gerarchie funzionali

Dalla struttura dell'amminoacido, alla struttura del polipeptide, dalla struttura del polipeptide che si aggrega a formare delle strutture secondarie, e da strutture secondarie che si possono raggruppare tra di loro a formare delle proteine ovvero delle strutture terziarie. E tante di queste strutture terziarie di queste proteine possono formare delle strutture, dei macro complessi molecolari che si chiamano strutture quaternarie.

Nature polimerica della proteina stessa. La proteina è formata dalla congiunzione di due amminoacidi, l'amminoacido precedente impegna il suo carbossi-terminale, l'amminoacido successivo impegna il suo N terminale (il suo gruppo amminico), e questo si chiama un legame peptidico. Il legame peptidico è un legame dove gli orbitali p-greco sono coniugati tra di loro, ciò significa che il doppio legame può essere presente in due forme, queste genera la natura planare, cioè il legame peptidico risiede su un piano. Questo fa che in modo le strutture secondarie e terziarie si possano formare attraverso la produzione di amminoacidi, sono di fatto definite dalle caratteristiche chimico fisiche dei legami e dalla capacità della rotazione dei legami chimici. Questo processo fa sì che la sequenza degli amminoacidi, non sia una sequenza che possa oscillare liberamente, ma è una sequenza che è data dalla sua capacità di riorganizzazione tridimensionale, dagli angoli e i gradi di questi angoli che possono ruotare all'interno della struttura stessa.

Legame planare e carbonio alfa sp³ che ha due angoli di rotazione nella sequenza degli amminoacidi chiamati angoli phi e psi, che possono ruotare. Quindi? Non è possibile far ruotare tutto in qualsiasi direzione, ma ci sono angoli che sono permessi sulla base del fatto che gli atomi che fanno parte del polimero non devono collidere tra di loro e quindi devono essere distanziati.

Gli atomi che fanno parte del polimero, devono essere opportunamente distanziati. Ed è per questo che si sono un set di angoli di rotazione che sono permessi. Grafico di Ramachandran, rappresenta quali sono le strutture che possono essere poi sviluppate dai polimeri proteici. Oltre al legame covalente, avremmo dei legami reversibili deboli. Esempio; H, nelle strutture degli amminoacidi ci sono tanti gruppi funzionali che possono agire sia da accettori del legame idrogeno, sia da donatori del legame idrogeno. Il legame H è molto diffuso. La molecola dell'acqua è l'esempio di legame a idrogeno, perché le molecole dell'acqua formano un legame a idrogeno sia con altre molecole di acqua sia con le molecole che sono solubili nell'acqua. Tutte le reazioni biologiche avvengono maggiormente nell'acqua. Relazionarsi in termini di struttura con l'acqua, vuol dire verificare poi le reali capacità di sviluppare delle specifiche reazioni chimiche.

Per ogni molecola organica vediamo i gruppi polari, che sono dei gruppi che sono in grado di interagire con l'acqua stessa. Se mettiamo insieme questi due concetti: la possibilità di formare i legami deboli, ma diffusi attraverso la struttura del legame a idrogeno; e i gradi di rotazione dei legami chimici intorno carbonio alfa; possiamo vedere una prima struttura che si chiama struttura secondaria a alfa elica, dove la serie dei legami peptidici, la serie dei monomeri degli amminoacidi che costituisce la proteina, assume una conformazione a elica. Questa elica è una struttura che si stabilizza attraverso i legami deboli, legami H. Un legame covalente è un legame che può avere un contributo di 30 calorie per mole. Un legame a idrogeno può avere un contributo di una sola kilo caloria per mole. Ma se non abbiamo 30 legami a idrogeno, la sua sommatoria equivalerà a un legame covalente, quindi anche il legame a idrogeno permettono di avere una struttura particolarmente stabile.

Le catene laterali in una propagazione ad elica nell’alfa elica dove finiscono? Al centro si ha l’asse dell’elica. Le catene laterali puntano verso l’esterno e sono alternate, non si sovrappongono l’una all’altra in modo da non avere un ingombro sterico, ovvero gli atomi che collidono. L’alfa elica può essere definita una struttura rigida che si propaga che rappresenta un modulo di struttura secondaria. Tipicamente si tratta di eliche destrorse (raramente sinestrorse) e le catene laterali sono distribuite verso l’esterno.

In questa struttura lo scheletro carbonioso polipeptidico si avvolge strettamente intorno ad un asse immaginario che attraversa longitudinalmente la parte centrale della spirale, mentre i gruppi R dei residui amminoacidici sporgono al di fuori dello scheletro elicoidale. L’unità che si ripete è un singolo giro dell’elica, che si estende per circa 5,4 Å lungo l’asse maggiore. I residui amminoacidici in...