Biochimica

STRUTTURA PRIMARIA

In biochimica, la struttura primaria di una biomolecola è la descrizione esatta della sua

composizione atomica e dei legami tra gli atomi (inclusa la stereochimica). Per un tipico bipolimero

lineare non ramificato (come una molecola di DNA o RNA, o le proteine) la struttura primaria

equivale alla sequenza ordinata con cui le singole sub unità monomero si succedono lungo la

catena. La prima ipotesi sulla struttura primaria delle proteine venne avanzata nel 1882 dal chimico

francese E. Glimaux.

I polimeri degli AA sono detti peptidi e proteine, la formazione di un dipeptide è accompagnata

dalla perdita di una molecola di acqua (deidratazione) dal gruppo alfa-carbossilico di un AA e dal

gruppo alfa-amminico dell’altro. Il legame peptidico è essenzialmente planare, cioè sei atomi

giacciono sullo stesso piano: Calfa, C (triplo legame) O , NH e Calfa del secondo AA. La

lunghezza intermedia tra il legame singolo ( 1,49 A) e il legame doppio (1,27 Ampere) è di 1,32 A. i

legami peptidici delle proteine sono in configurazione trans. Al contrario del legame peptidico, i

legami NH-Calfa e Calfa=CO sono liberi di ruotare permettendo alle proteine di assumere nello

spazio conformazioni diverse. Non tutte le conformazioni però sono permesse, infatti il grafico di

Ramachandran permette di raggruppare i valori di angoli permessi. Ogni punto sul grafico ha come

coordinate i valori dell’angolo Y (fi) sulle ordinate e i valori dell’angolo omega sulle ascisse.

STRUTTURA SECONDARIA

Una struttura secondaria regolare si ha quando ogni angolo diedro fi e omega rimane invariato

all’interno di un segmento. La struttura secondaria di un proteina può essere di diversi tipi: a-elica,

foglietto B, ripiegamenti (Turn) o struttura casuale (Random Coil). Questa ultima definizione però è

impropria perché l’avvolgimento di uno scheletro polipeptidico non è mai casuale.

ALFA ELICHE

È una struttura estremamente stabile grazie soprattutto alla disposizione dei legami a idrogeno. Si

distinguono eliche destrogire (in cui lo scheletro si avvolge in senso orario) e levogire (meno stabili

in senso antiorario). Sono caratterizzate da una particolare spaziatura dei residui, un asse

longitudinale al centro dell’elica, catene laterali degli AA rivolte verso l’esterno, legami a H

all’interno dell’elica tra il residuo n e n+4. L’unità ripetitiva è il singolo giro dell’elica di 5,4 A con

omega= -60° e fi = da -45° a -60° . ogni giro di elica è formato da 3,6 residui (13 atomi chiusi da un

legame ad idrogeno che si forma). Non formano alfa-eliche: Glu, Lys e Arg a Ph 7.0, Pro per la

rigidità e Gly per l’eccessiva mobilità.

FOGLIETTI BETA

Sono costituiti da più catene polipeptidi che, legami a H tra segmenti adiacenti, gruppi R che

sporgono al di fuori., catene parallele e antiparallele. Hanno un periodo di 6,5 A per la parallela e di

7 A per l’antiparallela (la distanza tra gli AA è di 3,5 A contro gli 1,5 A dell’elica) e hanno angoli

omega di -119° -139° e fi di +113° +135°. I foglietti antiparalleli sono più stabili e spesso sono

esposti all’ambiente esterno. Sono di solito collegati da B-turn e vanno a costituire strutture anche

complesse come : beta-turn-beta , up-down e Greca. I foglietti paralleli si trovano in genere

connessi ad alfa eliche all’interno delle proteine.

RIPIEGAMENTI

Presenti in proteine globulari, collegano le estremità di due segmenti adiacenti (sia alfa che beta).

Formano un ripiegamento di 180° che comprende 4 residui eil gruppo carbonilico del 1° AA forma

un legame a H con il gruppo amminico del 4 residuo. Spesso sono presenti Gly e Pro.

STRUTTURE SUPERSECONDARIE

La struttura supersecondaria è un’organizzazione spaziale costituita da diversi elementi di struttura

secondaria e dalle connessioni che li uniscono. Tra questi ricordiamo i motivi e i ripiegamenti,tra i

motivi ricordiamo il loop B-A-B, barile B , barile A-B e l’angolo A-A.

STRUTTURE TERZIARIE

In biochimica la struttura terziaria di una proteina costituita da una singola catena è la disposizione

nello spazio tridimensionale. Generalmente per determinare la struttura terziaria si utilizza il

metodo della diffrazione oppure ci si affida a tecniche più recenti come la spettroscopia di

risonanza magnetica nucleare, detta anche NMR. Le strutture terziarie delle proteine si dividono in:

- Proteine fibrose (collageno, miosina, fibriona e elastina)

- Proteine globulari (mioglobina, enzimi non allosterici, recettori a singola subunità)

ALFA-CHERATINA

Si è evoluta con una struttura adatta a resistere alla tensione, si trova solo nei mammiferi in

capelli, lana, unghie e pelle. Due eliche destrorse si avvolgono in un’unica elica sinistrorsa.

Quando due catene di alfa-cheratina con la stessa direzionalità si avvolgono una sull’altra formano

un superavvolgimento chiamato coiled-coil, tra questi troviamo actina e miosina.

FIBROINA

È formata da domini variabili alle estremità N e C terminali, affiancati da ampie regione (fino a 800

A) caratterizzate dalla ripetizione del motivo (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n . questi tratti ripetitivi di

catena polipeptidica formano foglietti B in cui gli AA Gly si trovano su un lato del foglietto B e Ala e

Ser sull’altro lato.

COLLAGENO

Tre catene si organizzano per formare una tripla elica stabilizzata da legami a H intercatena. I

collageni, che conferiscono resistenza ai tessuti sono:

- Di primo tipo (es. collageno fibrillare)

- Di secondo tipo (nelle cartilagini)

- Di terzo tipo (vasi sanguigni)

- Di 4 tipo (membrana basale)

- Di quinto, sesto,nono e dodicesimo tipo (rivestono le altre fibre collagene)

La stretta impaccatura della tripla elica è favorita dalla presenza di molte Gly.

ELASTINA

È il principale componente delle fibre elastiche (70-90%), che si presentano con un “core”proteico

avvolto da una guaina di microfibrille. È altamente elastica e resistente ad agenti denaturanti; è

una componente fondamentale di organi sottoposti a stress ripetuti quali polmoni e le grandi

arterie.

MIOGLOBINA

È una proteina muscolare relativamente piccola che lega l’ossigeno, essa è costituita da 253 AA e

da un gruppo EME. La mioglobina ha 8 eliche interrotte da ripiegamenti, il gruppo EME è inserito in

una tasca idrofobica e 3 Pro si trovano ai livelli di ripiegamente (CIS) una è in trans in un’elica. Al

centro dell’eme c’è il Fe 2+ in grado legare l’ossigeno nei muscoli e nel cuore.

Per quanto riguarda la struttura 3D di una proteina è determinata dalla sua sequenza

amminoacidica ed il ripiegamento non avviena per scelte casuali ma seguendo il folding proteico.

Dove ogni sequenza amminoacidica determina una particolare struttura. Perché non avviene per

ripiegamenti casuali? Per il paradosso di Cyrus Levinthal. In alcuni casi il folding non avviene in

modo spontaneo ma è aiutato dagli chaperoni molecolari, grossi complessi proteici che catturano

le proteine parzialmente faldate e mediante idrolisi di ATP favoriscono il loro corretto avvolgimento.

In altri casi il folding non avviene in maniera corretta e le proteine tendono ad assumero

configurazioni particolari che causano malattia: le fibrille amiloidi che sono strutture B altamente

insolubili, tra queste ricordiamo peptide B amiloide (Alzheimer e Parkinson).

STRUTTURA QUATERNARIA

Hanno struttura quaternaria, quelle proteine che presentano più di una catena polipeptidica

(subunità) come : emoglobina, anticorpi e enzimi allosterici.

EMOGLOBINA

Contiene 4 catene polipeptidi che e 4 gruppi prostetici eme, in cui gli atomi di ferro sono allo stato

ferroso Fe 2+, esso si satura di ossigeno a livello polmonare e lo rilascia nei tessuti. La struttura

3D dell’emiglobina è simile a quella della mioglobina in quanto entrambe appartengono alle

globine. La mioglobina (MB) è un monomero mentre l’emoglobina (Hb) è un tetramento, Hb lega e

rilascia ossigeno meglio di quanto facciano 4 Mb. La Mb lega l’ossigeno con andamento iperbolico

mentre l’emoglobina con andamento sigmoidale. L’Hb esiste in due conformazioni:

- deossiHb  stato T (teso) bassa affinità per l’ossigeno

- ossiHb  stato R (rilassato)  alta affinità per l’ossigeno

Il primo, il deossi Hb presenta numerosi legami ionici che si rompono.

Esiste inoltre l’emoglobina fetale: affinchè il feto possa acquisire ossigeno dalla madre, le subunità

beta sono costituite da subunità gamma. Oppure l’emoglobina glicata (HbA1c) si forma quando il

glucosio presente nel sangue, in caso di diabete si lega alla catena beta dell’emoglobina. È una

proteina più ingombrante e meno agile che non è in grado di trasportare ossigeno allo stesso

modo dell’emoglobina e ciò causa una minore ossigenazione dei tessuti e organi.

Si parla inoltre si effetto di sostituzioni aminoacidiche in due casi, il primo caso è negli uccelli

migratori che volano ad alta quota e 3 AA della catena alfa e uno della catena B sono sostituiti da

AA che portano ad una minore formazione di ponti salini in modo da stabilizzare lo stato R. Nel

secondo caso si parla di anemia falciforme che è una malattia ereditaria dovuta ad una mutazione

puntiforme che porta alla sostituzione di un singolo AA. Nella maggior parte dei casi una

sostituzione di AA non altera struttura e funzione ma in questo caso si formal’Hbs.

IMMUNOGLOBULINE (Ig)

Sono anticorpi prodotti dai linfociti B in risposta ad un’infezione. Gli IGG sono la classe principale

di Ig , le IGM sono le prime ad essere secrete ed infine le IGE interagiscono con basofili e

mastociti.

RECETTORI

I recettori di membrana sono proteine (o glicoproteine) che possono avere o meno una struttura

quaternaria e permettino il riconoscimento di Ligandi all’esterno della cellula e permettono di

trasportare l’infiammazione all’interno della cellula stessa andando a modificare il suo metabolismo

o la sua espressione genica.

MEMBRANE, TRASPORTATORI E RECETTORI

Le membrane definiscono i confini esterni delle cellule e regolano il traffico di molecole attraverso

questi confini. Le membrane sono resistenti ma flessibili. Nelle cellule eucariotiche le membrane

dividono lo spazio in compartimenti discreti. Si possono riscontrare tre tipi di proteine, che

differiscono fra loro per il ruolo con cui sono associate alla membrana:

- proteine integrali di membrana

- proteine periferiche di membrana

- proteine anfiprotiche

la membrana è un mosaico fluido dove i fosfolipidi formano un doppio strato in cui le regioni non

polari dei lipidi sono disposte all’interno della struttura e le teste polari guardano invece