Biochimica

Università degli Studi di Torino

DIPARTIMENTO DI CHIMICA

Corso di Chimica e Tecnologie Chimiche

Appunti di studenti

Biochimica

Anno Accademico 2013/2014

Indice

1 Introduzione 3

2 Proteine 4

2.1 Struttura primaria delle proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Amminoacido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.2 Legame peptidico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Strutture secondarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Analisi della struttura primaria delle proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.1 Studio della struttura secondaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Classificazione proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Strutture terziarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5.1 Tecniche di analisi delle strutture terziarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.6 Struttura quaternaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.7 Regolazione funzionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.8 Motori molecolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.8.1 Actina e miosina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.8.2 Contrazione muscolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.8.3 Sistemi a microtuboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Carboidrati 16

3.1 Monosaccaridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.1 Zuccheri ciclici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Derivati degli zuccheri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Oligosaccaridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Acidi nucleici 20

4.1 Nucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.1 Basi azotate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5 Lipidi 23

6 Enzimi 25

6.1 Ossidoreduttasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6.1.1 Effetto catalitico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.2 Coenzimi flavinici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.2.1 Vitamina B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1

6.2.2 Coenzimi chinonici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.3 Regolazione enzimatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7 Metabolismo 32

7.1 Bioenergia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.1.1 Resa energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.1.2 Accoppiamento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.1.3 AMP ciclico (cAMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.2 Meccanismi regolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.3 Glicolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.3.1 Fase di investimento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.3.2 Fase di recupero energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3.3 Anaerobiosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.4 Respirazione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.4.1 Produzione acetil-CoA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7.4.2 Ciclo acido citrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1

7.4.3 Mitocondri e catena respiratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4.4 Complessi della catena respiratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.5 Sintesi ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.5.1 ATP sintasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2

Introduzione

La biochimica tratta una serie di reazioni organiche. Di grande interesse in questo ambito sono le proteine, sia come catalizzatori, sia come

elementi strutturali. Tra i vari argomenti studiati ci sono le reazioni nelle cellule, la struttura molecolare, il metabolismo e la genetica.

Nella biochimica sono presenti molti composti polimerici, ossia strutture che prevedono la ripetizione di unità strutturali. Tra questi di

rilevanti importanza sono:

• Polisaccaridi (le unità sono i monosaccaridi);

• Acidi nucleici (con unità le basi azotate);

• Proteine (unità base i 20 amminoacidi).

Gli esseri viventi, che presentano tutti questi composti, hanno anche come elementi distintivi: la riformazione delle strutture con

aumento della complessità delle stesse, reazioni che richiedono energia fornita essendo contro l’entropia (aumentano l’ordine del sistema)

e la capacità di autoreplicarsi. La maggior parte delle proteine possiede una struttura globulare con dimensione di circa 5 nm e di peso

−1

40 – 50 kDa (ossia di circa 40 – 50 kg mol ). Per avere un confronto basta pensare che le cellule hanno una dimensione variabile intorno

alle decine fino alle centinaia di micron (10 – 100 µm).

Il rapporto tra superficie e volume delle cellule è necessario sia massimo per massimizzare gli scambi, per cui viene mantenuto

costante. Possiamo distinguere due tipi di cellule:

• Vegetale, che presenta una parete cellulare rigida come i batteri, i vacuoli e i cloroplasti, oltre alla membrana cellulare, i mitocondri

e il nucleo;

• Animale, presenta mitocondri, nucleo, membrana cellulare.

Nelle cellule sono importanti i mitocondri (dimensioni di 1 µm), organelli presenti nella cellula in cui avviene la respirazione cellulare.

Per vedere questi elementi occorre la difrattometria a raggi X. Presentano un doppio sistema di membrane, interna e esterna, indispensabile

per la funzione di questi organelli. Infatti questa struttura permette la creazione di un gradiente protonico, indispensabile negli ultimi

passaggi della respirazione cellulare. + 2+

Gli ioni possono passare tranquillamente attraverso la membrana, infatti il potassio K e il calcio Ca sono importanti nella

trasmissione dell’impulso nervoso. Non solo i vegetali presentano una parete cellulare, composta da polisaccaridi (microfibrille di

cellulosa) difficili da degradare per loro natura chimica. Anche funghi (anche se presenta chitina), lieviti e batteri (procarioti) ne

posseggono una. La maggior parte degli antibiotici agisce proprio contro un elemento della parete cellulare presente nei batteri. Questi

sono spesso utilizzati nelle biotecnologie e in reazioni biochimiche, essendo organismi facilmente modificabili tramite i plasmidi.

organelli:

Oltre ai mitocondri si trovano nella cellula altri

• La barriera cellulare funge da barriera selettiva con l’ambiente esterno;

• Il nucleo contiene il materiale genetico ed è diviso dal resto della cellula da una barriera nucleare negli eucarioti. Tale materiale è

indispensabile per codificare le proteine. Se voglio portare informazioni al suo interno occorre un composto in grado di passare

anche la sua membrana.

• Il reticolo endoplasmatico, l’apparato del golgi e i ribosomi;

• I ribosomi contengono enzimi idrolitici, che scindono determinate molecole. Tali enzimi possono essere secreti all’esterno.

Necessitano essere separati dal resto per reagire al momento giusto.

Casi particolari sono le cellule nervose che presentano strutture diverse per premettere la trasmissione dell’impulso nervoso.

3

Proteine

Possono trovare vari ambiti di applicazione, che spaziano nel campo chimico/biotecnologico, farmaceutico, ambientale e agro-alimentare

(per elencarne alcuni). Un esempio di proteina è l’emoglobina contenuta nel sangue e responsabile del trasporto di ossigeno e CO . La

2

sua struttura particolare è legata alla sua funzione. Tipiche malattie del sangue sono legate alla sua mutazione (anemia falciforme, che

altera la forma dei globuli rossi e li rende incapaci di trasportare ossigeno e CO ).

2

enzimi. glucosio ossidasi,

Importanti composti formati dalle proteine sono gli Un esempio di enzima è la in grado di rilasciare elettroni

in base al glucosio, un maggior numero di molecole di glucosio corrisponde a più elettroni rilasciati e quindi una maggiore corrente

misurabile. È estremamente selettivo per il glucosio, non riconosce nessun altro substrato, ed è quindi specifico per esso. Gli enzimi sono

caratterizzati da un sito di riconoscimento dovuta alla sua struttura. Un’alterazione della struttura comporta una variazione del sito attivo e

di conseguenza si alterano le sue proprietà e le sue caratteristiche.

Se sostituisco un amminoacido, posso alterare la struttura finale della proteina e quindi la sua funzionalità, rendendola meno selettiva,

più reattiva o altro a seconda della modifica imposta. Per poter alterare le proteine agisco sul codice genetico, che quando viene espresso

porta alla formazione di una proteina alterata (ingegneria genetica). Per costruire le proteine secondo specifiche sequenze di amminoacidi

occorre codificare il codice genetico ponendo le basi azotate secondo un preciso ordine.

Il riconoscimento delle proteine richiede una funzione regiospecifica

k D

+ PL

P L

[P][L]

= = −12

k 10 mol

D [PL]

L’equilibrio è spostato verso destra, ossia le proteine sono molto affini ai loro leganti.

peptidi,

Gli amminoacidi possono combinarsi in sono anche ormoni (ossitocina, contrazione muscolare). Possono anche essere

neurotrasmettitori. Alcune piante trasformano gli amminoacidi in alcaloidi tossici per il corpo umano.

Struttura primaria delle proteine

Sono composte da catene di amminoacidi che fungono da monomeri. Un esempio di proteine sono gli anticorpi, con organizzazione

quaternaria. L’organizzazione terziaria consiste nel ripiegarsi della catena su se stessa, formando strutture tridimensionali, mantenute

da interazioni deboli tra le catene (legami idrogeno, interazioni dipolo-dipolo o forze dispersive di London). La struttura secondaria

consiste nella disposizione secondo strutture particolari della struttura primaria. La primaria consiste in una semplice catena lineare di

amminoacidi.

Amminoacido α

Molecola di piccole dimensioni, che si organizza in proteine. Sono caratterizzati da un carbonio in che presenta un gruppo ammino e un

catena laterale chain”) residuo R.

gruppo carbossilico (da cui il nome). Il resto viene detta (“side o anche Esistono 21 amminoacidi

codificati dal DNA, oltre ad altri non codificati, ottenibili in altri modi.

= zwitterione.

A pH 7 lo stato dell’amminoacido dipende dalla pk del gruppo acido e del gruppo ammino. Sarà in una forma detta

R

H

R

H O

O ⊕ C C

H N

C C

N α

α O

OH H

H zwitterione

L. D

α

Il carbonio è potenzialmente chirale. Sono sempre in configurazione Gli amminoacidi con configurazione sono molto rari. Un

legame peptidico

esempio è presente sulla parete cellulare dei batteri. Gli amminoacidi quando si legano per dare le proteine formano un e

non hanno più caratteristiche di zwitterione, restando carichi solo l’azoto e l’ossigeno terminali (vedi paragrafo 2.1.2).

Alifatici Tutti gli aromatici hanno un codice a tre lettere ed uno ad una lettere associato.

4 H C CH

H

3 3

H CH C

3

⊕ ⊕ ⊕

H N H N H N

COO

C C COO COO

C

3 3 3

H H H

Glicina/Gly/G Alanina/Ala/A Valina/Val/V

Amminoacido flessibile, conferisce gradi di Maggiore rigidità rispetto alla glicina.

libertà alla proteina. CH 3

H C CH

H

3 3 CH H C CH

C 2 2 2

H C

CH CH CH

3

2 2

⊕ ⊕ ⊕

H N H N H N

C COO C COO C COO

3 3 2

H H H

Leucina/Leu/L Prolina/Pro/P

Isoleucina/Ile/I Unico amminacido ciclico, perché ricrea un

Idrofoba, più aumenta la catena più sarà Stesso peso molare della leucina (sono gli immino gruppo (ammina secondaria).

idrofoba. Più ingombrante dell’isoleucina. unici due amminoacidi). Amminoacido rigido, impartisce alla

struttura un brusco ripiegamento (separa

gruppi ordinati).

omologia di sequenza.

Se si sostituisce un amminoacido con uno simile (leucina e isoleucina) la proteina ottenuta mantiene una Se si

sostituisce un gruppo con uno simile, ma più libero, aumenta la flessibilità (esempio aumenta la dimensione di un sito di riconoscimento).

Catene debolmente polari

OH SH OH CH

CH CH CH 3

2 2

⊕ ⊕ ⊕

H N H N H N

C COO C COO C COO

3 3 3

H H H

Serina/Ser/S Cisteina/Cys/C Treonina/Thr/T

=

β.

Idrossile legato al metilene in Può dare Un tiolo al posto del alcool, pk 8,3, Analogo superiore della serina, presenta un

a β.

legame idrogeno ma non si dissocia quindi si deprotona più facilmente della metile in Stesse caratteristiche della

=

facilmente pk 16. serina, a cui assomiglia. Può dare un serina, ma maggiore ingombro sterico.

a ponte

equilibrio redox con formazione di un

disolfuro, oltre che formare legami

idrogeno. Per questo è responsabile della

formazione di strutture secondarie.

5 H

H ⊕

⊕ NH

O O C C

NH

O O C C 3

3 CH

CH 2

2 S

S CH SH

3 ossidazione S

CH SH riduzione

2 CH

CH CH 2

2 2 ⊕

⊕ ⊕ H N C COO

H N H N

C COO C COO 3

3 3 H

H H cistina

Metionina/Met/M cisteina

Struttura con proprietà molto alifatiche.

Debolmente polare, lo zolfo può impiegare

il doppietto disponibile. Viene codificata

dalla tripletta ADG. Il primo amminoacido

di una proteina è la metronina.

Aromatici assorbimento relativo.

È possibile calcolare il coefficiente di Il triptofano ha anche una fluorescenza spiccata. Riemette

nella regione dei 350 nm. Se si trova in un luogo molto rigido, il salto maggiore viene tradotto in uno spostamento verso il blu. Viceversa,

il luoghi più liberi l’estensione va verso il rosso.

foldata sfaldata

Una proteina viene detta (“folded”) quando è ripiegata, (“unfolded”) quando viene srotolata. L’aumento di libertà

comporta un passaggio da lunghezze d’onda verso il blu a lunghezze d’onda verso il rosso.

Fluorescenza Fluorescono le specie che riemettono la luce con cui vengono eccitate. Logicamente la luce viene riemessa a

lunghezze d’onda maggiori, perché parte dell’energia viene dispersa.

OH NH

CH CH CH

2 2 2

⊕ ⊕ ⊕

H N H N H N

C COO C COO

C COO

3 3 3

H H H

Fenilalanina/Phe/F Tirosina/Tyr/Y Triptofano/Trp/W

In para rispetto al metilene c’è un idrossile, L’assorbimento di questi aromatici è nella

=

con pk 10, quindi si dissocia a pH radiazione UV, data l’estesa

a

basici. Parzialmente polare e banda di delocalizzazione. Assorbimento a 290 nm.

Se si trovano in una proteina, questa avrà un

assorbimento a 270 nm. picco di assorbimento a 270 nm.

Basici Presentano proprietà elettrostatiche. Sono gruppi facilmente protonabili.

6

H NH 2

N ⊕ ione

NH

C guaninio

2

⊕

NH ⊕

NH NH

3

(CH ) (CH )

CH 2 2 2

4 3

⊕ ⊕ ⊕

H N H N H N

C COO C COO C COO

3 3 3

H H H

Lisina/Lys/K

Istidina/His/H Arginina/Arg/R

= >

Ha una pk 6,2 – 6,5, ossia è quasi neutro. Flessibile, avendo un pk 7 è basica. Carica netta positiva, flessibile, riorienta.

a a

È un centro catalitico delle proteine, Inoltre porta cariche nette ed è in grado di Presenta lo ione guaninio.

essendo in grado sia accettare che cedere riorientare.

protoni.

Acidi e loro ammidi Le ammidi non sono dissociabili, andrebbero inserite negli amminoacidi polari. La sostituzione di un aspartato

con un glutammato consiste nella variazione di un singolo metilene nella struttura. Vengono codificati infatti da triplette simili, che

variano solo per l’ultima base azotata, in modo da dare sostituzione omologa. Questi amminoacidi sono tendenzialmente orient