Biochimica

Introduzione alla biochimica

La biochimica è la chimica degli esseri viventi, descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici comuni a tutti gli organismi. Le caratteristiche del mondo vivente sono la trasmissione dell’informazione genetica (DNA), l’evoluzione (caratteri della popolazione che cambiano) e la capacità di utilizzare molecole dell’ambiente per sintetizzare nuove molecole al fine di estrarre energia dall’ambiente, trasformarla e utilizzarla.

Processi che sintetizzano macromolecole in complessi più piccoli e semplici → CATABOLISMO diverso da ANABOLSIMO (metabolismi) ← La biochimica è lo studio della chimica della vita. Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi (C, N, O), i diversi tipi di biomolecole sono caratterizzati da determinati gruppi funzionali e legami, durante l’evoluzione chimica, i composti semplici si sono uniti a formare molecole più complesse e polimeri, le molecole capaci di replicarsi sono state sottoposte a selezione naturale.

Esempio di una molecola biochimica

ACETIL CO-A. Termina con il gruppo SH, molto reattivo, che può andare incontro a diverse reazioni, le quali degradazione degli acidi grassi, chetogenesi e ossidazione degli zuccheri. Le molecole possono assumere configurazioni diverse a causa dei doppi legami intorno al quale non si può ruotare e alla presenza di centri chirali.

Se ho una miscela, dove all’interno sono presenti molecole con diversa configurazione e aggiungo una proteina, li hanno interazioni con una certa conformazione. Le configurazioni hanno appunto attacchi specifici: ANTIGENE-ANTICORPO; ORMONE-RECETTORE CELLULARE; ENZIMA-SUBSTRATO. Mediante sintesi chimica si ottengono miscele racemiche e nelle cellule si ha una sola forma chirale.

Quando si vuole ottenere la sintesi di una determinata proteina (ISOMERO) vengono utilizzate le vie BIOSINTETICHE. Una cellula è principalmente costituita da un 90% di acqua e un 105 di macromolecole, le quali proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi. Queste molecole (eccetto i lipidi) sono macromolecole costanti a partire da unità più piccole ripetute.

La sintesi delle molecole è l’attività che consuma la maggior parte dell’energia cellulare, quindi alla cellula conviene sintetizzare il minor numero di monomeri che assunti in modo diverso possono formare tanti composti diversi. Il sistema dei polimeri permette all’organismo di avere un metabolismo basale semplice per la produzione di solo alcuni monomeri che possono originare polimeri di diverso tipo. Il sistema di polimeri permette di riutilizzare e di conservare le risorse.

L'acqua

L’acqua è in grado di formare legami a idrogeno che sono fondamentali nelle reazioni che avvengono negli organismi viventi. Nell’acqua allo stato liquido, le molecole sono disordinate e in continuo movimento e formano in media 3-4 legami a idrogeno con altre molecole d’acqua. Nel ghiaccio per esempio le molecole di acqua sono ordinate e formano 4 legami a idrogeno con le molecole vicine. Formano così una struttura a reticolo. I legami a idrogeno si instaurano tra un atomo elettronegativo (accettore di idrogeno) e un atomo di idrogeno legato a un altro atomo elettronegativo (donatore di idrogeno).

L'acqua come solvente

• Composti idrofili: si sostituiscono i legami ionici soluto-soluto con legami idrogeno soluto-acqua creando un aumento di entropia mentre ΔH è leggermente positivo, è un processo favorito.
• Composti idrofobi: l’acqua si dispone intorno alla molecola idrofobica in modo ordinato: i legami tra molecole di acqua diminuiscono, aumenta il ΔH e diminuisce l’entropia, è un processo sfavorito.
• Composti anfipatici: le regioni idrofobe si associano (INTERAZIONI IDROFOBICHE) in acqua. Il numero di molecole d’acqua che circondano le regioni idrofobe diminuisce aumentando il disordine. Le regioni idrofobiche vengono sottrarre all’interazione con l’acqua, le regioni idrofile restano esposte al solvente. Si tratta di un processo favorito, con la conseguente formazione di micelle.

Le proteine

Le proteine sono polimeri non ramificati che assumono specifiche strutture tridimensionali. Sono costituite da amminoacidi legati da legami peptidici. Sono le macromolecole più presenti ed hanno tantissime funzioni.

Funzioni principali delle proteine

• Sostegno strutturale;
• Trasporto: legano le molecole non solubili in acqua e le trasportano;
• Catalisi: reazioni biologiche → enzimi catalizzatori specifici sia per il substrato che per le reazioni;
• Difesa: gli anticorpi riconoscono gli antigeni strani e li indicano alla degradazione;
• Regolazione: gli ormoni, insulina, regolano gli zuccheri nel sangue;
• Movimento: muscoli, actina e miosina;

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono gli elementi che costituiscono le proteine. Il C α è asimmetrico e viene detto centro chirale. L’unica eccezione è la glicina perché R = H. In condizioni fenologiche (pH: 6-8) gli amminoacidi sono degli zwitterioni. Sono presenti 20 amminoacidi che si differenziano per il gruppo R e posso avere diverse classificazioni:

Classificazione degli amminoacidi

• Amminoacidi idrofobici: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, prolina
• Amminoacidi idrofilici: arginina, istidina, asparagina, glutammina, aspartato, glutammato, serina, cisteina
• Amminoacidi anfipatici: lisina, metionina, treonina, tirosina, triptofano

Gli amminoacidi non polari si dispongono all’interno delle proteine solubili, gli amminoacidi polari si dispongono sulla superficie delle proteine solubili, mentre gli amminoacidi non polari si dispongono sulla superficie delle proteine di membrana.

Amminoacidi con caratteristiche particolari

• Glicina (R = H): la glicina è l’amminoacido con la catena meno ingombrante, il Cα non è chirale.
• Prolina (R): ha una catena laterale ciclica rigida che limita la possibilità di formare legami a idrogeno e di rotazione. Possiede quindi un gruppo amminico secondario (o gruppo imminico) invece di un gruppo amminico primario come gli altri amminoacidi. Per questo viene anche chiamata IMMINOACIDO.
• Cisteina (R = CH2SH): può formare un ponte disolfuro reagendo con un altro residuo di cisteina. I ponti disolfuro contribuiscono alla determinazione della conformazione della proteina. I ponti disolfuro sono gli unici legami covalenti che contribuiscono alla determinazione della conformazione della proteina. Si possono formare o INTRACATENA, quindi da cisteine della stessa catena o INTERCATENA, quindi da cisteine di catene diverse.
• Aspartato: in condizioni fisiologiche pH 6-8 è tutto DEPROTONATO quindi, presenta carica -1.
• Tirosina: gli amminoacidi la hanno R che si può protonare o deprotonare ha la curva a 3 fasi (BISANIONICA).

Riassumendo

pH<pKa il gruppo è protonato. pH>pKa il gruppo è deprotonato.

Equazione di Henderson – Hasselbalch

Se [A-] = [HA] allora il rapporto [A-]/[HA] è pari a 1 e pH=pKa. Se il pH<pKa allora il log di [A-]/[HA] è negativo, il rapporto è minore di 1 e l’equilibrio è spostato verso la forma protonata. Se il pH>pKa allora il log è positivo, il rapporto maggiore di 1 e l’equilibrio è spostato verso la forma deprotonata.

Amminoacidi aromatici

Gli amminoacidi aromatici sono la TIROSINA, FENILALANINA e TRIPTOFANO. Sono responsabili dei segnali spettroscopici delle proteine. Utilizzo lo SPETTROFOTOMETRO che è formato da una lampada che emette la luce e arriva al monocromatografo che seleziona una determinata lunghezza d’onda, arriva a una cella porta campione, attraversa il campione e viene misurata dal detector che mi dice quanta luce è arrivata. La capacità del campione di assorbire è chiamata ASSORBANZA. C: concentrazione del campione, d: lunghezza porta campione, ε: coefficiente di estinzione molare (parametro specifico di ogni molecola e più è alto più assorbe la luce).

Amminoacidi essenziali

La maggior parte di piante e batteri sono in grado di sintetizzare tutti i 20 amminoacidi costituenti le proteine. I mammiferi ne sintetizzano solo alcuni (AMMINOACIDI NON ESSENZIALI) e non sempre in quantità sufficiente per soddisfare le esigenze dell’organismo. Gli amminoacidi che i mammiferi non sono in grado di sintetizzare sono definiti AMMINOACIDI ESSENZIALI e devono essere assunti con la dieta.

Le proteine

Reazione di condensazione con due amminoacidi. Sono evidenziati il gruppo carbossilico dell’amminoacido 1 e il gruppo amminico dell’amminoacido 2, si ha la formazione del legame peptidico con conseguente liberazione di una molecola di acqua. Questa molecola è composta da un H derivante dal gruppo amminico e dal gruppo OH che deriva dal gruppo carbossilico. Si ha quindi la formazione di un legame che, lega il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’amminoacido successivo, quindi chiamato legame AMMIDICO, o PEPTIDICO.

Il ΔG della reazione è pari a -10 Kj/mol, questo ci indica che non è spontanea verso la scissione del legame e non verso la formazione del legame peptidico. Quindi, la formazione di un legame peptidico attraverso la condensazione, non è una reazione favorita, non è una reazione spontanea, non è esoergonica, infatti è ENDOERGONICA, infatti richiede 10Kj/mol. Questa reazione possiamo farla avvenire in laboratorio, forzandola, ma non è la strada che la natura ha scelto per la sintesi delle proteine. Nella figura in giallo è indicato il legame peptidico.

Caratteristiche del legame peptidico

Se noi guardiamo un polipeptide, quindi una catena costituita da più amminoacidi, avremo gli amminoacidi legati tra di loro, uno con l’amminoacido successivo, tramite un legame peptidico. Si viene quindi a creare una catena, chiamata CATENA PRINCIPALE, o SCHELETRO CARBONIOSO. Questa è costituita da un CARBONIO α, un CARBONIO CARBONILE e un AZOTO. Dalla catena principale, legati ai carboni α, si diramano le CATENE LATERALI, quei gruppi R che caratterizzano ogni singolo amminoacido, e che quindi caratterizzano anche il polipeptide o la proteina.

La catena polipeptidica presenta due estremità diverse. Ad una estremità abbiamo il GRUPPO AMMINICO libero, e all’altra estremità abbiamo un GRUPPO CARBOSSILICO libero. Questi gruppi, sono gli unici gruppi che non sono impegnati nella formazione dei legami peptidici. Si parla di ESTREMITA’ AMMINOTERMINALE (N-terminale) e ESTREMITA’ CARBOSSITERMINALE (C-terminale). Lo scheletro della catena polipeptidica è caratterizzata da una ripetizione di atomi N-Cα-C-N-Cα-C da cui si dipartono le catene laterali con le loro specifiche caratteristiche. Solitamente, le catene polipeptidiche, vengono lette dall’estremità amminoterminale verso l’estremità carbossiterminale.

Il legame peptidico è planare e rigido, infatti, intorno al legame peptidico, non è permessa la libera rotazione. Questo perché in realtà quel legame peptidico è in risonanza con delle altre forme. Con la forma in cui abbiamo il doppio legame tra il carbonio e l’azoto, una carica negativa sull’ossigeno e una carica positiva sull’azoto. Di fatto, il nostro legame peptidico ha un parziale carattere di doppio legame. Ciò non permette la libera rotazione attorno al legame. Questa peculiare distribuzione di cariche attorno al doppio legame fa sì che l’ossigeno sia parzialmente carico negativo e l’azoto sia parzialmente carico positivo. Questo favorisce la formazione di legami a idrogeno che sono fondamentali per la stabilizzazione delle strutture secondarie e terziarie delle proteine. Il legame a idrogeno può essere presente all’interno della stessa catena polipeptidica oppure con un'altra catena polipeptidica, quindi si parla di LEGAMI INTRAMOLECOLARI (all’interno della stessa catena) oppure LEGAMI INTERMOLECOLARI (tra due catene distinte).

Se ha un parziale carattere di doppio legame, sono possibili due configurazioni, CIS e TRANS attorno ad un doppio legame. Nelle proteine, i legami peptidici che noi incontriamo sono tutti in configurazione TRANS. Ciò vuol dire che i gruppi R si trovano su lati opposti rispetto al legame peptidico stesso. Questo perché la configurazione CIS crea ingombro sterico che impedisce la struttura. Dobbiamo considerare che, a volte, i gruppi R sono molto ingombranti. I legami peptidici sono molto resistenti. Infatti, durante la denaturazione delle proteine, i legami peptidici restano intatti. Quando invece, si parla di rottura del legame peptidico, parliamo di degradazione di una catena polipeptidica.

Per DEGRADAZIONE DI UNA CATENA POLIPEPTIDICA intendiamo la rottura dei legami peptidici e la degradazione di una catena proteica/polipeptidica, si ottiene solo a condizioni molto estreme, parliamo quindi di elevate temperature per lungo tempo. Una catena polipeptidica è una catena di più amminoacidi legati tra di loro tramite legami peptidici. Se parliamo di una catena costituita da un numero limitato di aa abbiamo un POLIPEPTIDE o una PROTEINA. Una proteina classica è composta da un numero molto variabile di aa, però da almeno 100 amminoacidi. Al di sotto dei 100 amminoacidi, si parla di POLIPEPTIDI o OLIGOPEPTIDI. Le proteine, nella loro struttura funzionale non sono costituite da una sola catena polipeptidica. Esistono proteine che sono costituite da più catene polipeptidiche. Le proteine che sono costituite da UNA SOLA CATENA POLIPEPTIDICA vengono chiamate PROTEINE MONOMERICHE. Le proteine che sono costituite da PIÙ CATENE POLIPEPTIDICHE vengono chiamate PROTEINE MULTIMERICHE. Queste ultime possono essere anche DIMERICHE, TRIMERICHE, TETRAMERICHE, ecc... La dimensione della proteina non è in alcun modo correlata al numero di catene polipeptidiche!

Descrizione di una proteina

Per descrivere una proteina possiamo vedere la sua COMPOSIZIONE, ciò ci indica la percentuale di ogni aa che è presente, oppure la sua SEQUENZA, o STRUTTURA PRIMARIA, indica tutti gli amminoacidi e la loro sequenza all’interno della catena, corrisponde quindi alla successione di aa costituenti al catena a partire dall’estremità amminoterminale verso l’estremità carbossiterminale. Ogni proteina si distingue dalle altre per gli amminoacidi che contiene e l’ordine con cui questi amminoacidi sono legati. Questi 20 amminoacidi che noi disponiamo, vengono usati in modo diverso e legati in sequenza diversa per ottenere tutte le proteine che noi conosciamo.

Possiamo quindi definire degli angoli, ANGOLO φ, ed è l’angolo tra N del gruppo amminico di un amminoacido e il Cα; ANGOLO ψ, angolo tra il Cα e il C carbonile. La libera rotazione è consentita intorno al legame N-Cα (angolo φ) e intorno al legame tra Cα e C=O (angolo ψ) ma non tutte le combinazioni sono permesse a causa degli ingombri sterici. Questi due legami ci interessano perché solo intorno a questi due legami nella catena principale è possibile la rotazione. La disposizione, rappresentata nella figura, in realtà non è permessa a causa dell’ingombro sterico che ne impedisce la stabilità, però è la struttura di riferimento alla quale viene attribuito VALORE 0, sia all’angolo ψ che all’angolo φ. Da questa situazione, se si guarda il legame, a partire dal Cα, si ha una rotazione dell’ossigeno o dell’azoto in senso ORARIO, i valori degli angoli assumono VALORI POSITIVI. Mentre, se la rotazione è in senso ANTIORARIO, gli angoli assumono VALORI NEGATIVI.

Guardando dalla posizione del Cα, il valore degli angoli φ e ψ aumenta quando, rispettivamente, gli ossigeni carbonilici e gli azoti ammidici ruotano in senso orario.

Grafico degli angoli φ e ψ

Se noi prendiamo una catena polipeptidica possiamo, poi riportare in un grafico la combinazione del valore degli angoli phi e psi per ogni angolo polipeptidico all’interno della nostra catena. Sull’asse y troviamo i valori di psi, e sull’asse delle x troviamo i valori di phi. In questo possibile grafico, noi abbiamo valori che vanno da 180 a -180 e solamente alcune regioni risulteranno essere occupate.

Nelle regioni colorate noi troviamo dei valori che indicano le combinazioni permesse. ESEMPIO: -90 psi, +90 phi è una combinazione NON permessa. +90 psi, -90 phi è una combinazione PERMESSA. Le regioni indicate in ROSSO, sono le combinazioni più frequenti, corrispondono a delle configurazioni delle strutture tipiche delle proteine (alpha elica e beta foglietto). Questo perché se noi andiamo in una determinata regione di una catena polipeptidica, la ripetizione, della stessa combinazione di angoli phi e psi in una determinata regione, di sequenza, si ottiene, in quella regione di sequenza, una struttura regolare. Queste strutture regolari vengono chiamate STRUTTURE SECONDARIE delle proteine. A loro volta, le strutture secondarie si dispongono una rispetto all’altra in un preciso ordine, e costituiscono la STRUTTURA TERZIARIA. In alcuni casi poi, le proteine, possono avere una STRUTTURA QUATERNARIA. Questa struttura la possiedono solo quelle proteine che sono costituite da più di una catena polipeptidica (proteine multimeriche). La struttura quaternaria descrive come le diverse catene polipeptidiche si dispongono una rispetto all’altra.

Caratteristiche della struttura secondaria delle proteine

Le strutture secondarie più frequenti sono l’α ELICA e β FOGLIETTO. Se andiamo a vedere il grafico di prima, che mette in relazione gli angoli phi con gli angoli psi, vediamo che questa regione rossa corrisponde proprio a α elica. In questa regione si localizzano strutture che presentano -57 e -47 degli angoli phi e psi e la sequenza di -57 e -47 degli angoli phi e angoli psi determini la struttura a α elica. La “β sheet” corrisponde alla zona dei β foglietti, anche in questo caso ci sono valori di phi e psi costanti e che determinano la struttura a β foglietto.