Biochimica - Appunti

Biochimica

È lo studio della chimica della vita. Essa si occupa di vari argomenti:

• Strutture chimiche e specialità delle molecole biologiche
• Come interagiscono tra loro le molecole biologiche
• Come vengono degradate dalle cellule le molecole biologiche
• Come viene conservata e usata l'energia delle cellule
• Quali sono i meccanismi che organizzano e coordinano le attività delle molecole biologiche

I processi vitali implicano l'interazione tra due classi di molecole:

• Le grandi molecole (proteine, acidi nucleici) dette macromolecole
• Molecole di basso peso molecolare (glucosio, glicerolo) dette metaboliti

A livello biochimico, tutti gli organismi hanno caratteristiche uguali; questo perché tutti gli organismi hanno un progenitore in comune da cui poi si sono evolute le varie differenze.

Sulla base delle caratteristiche biochimiche, i diversi organismi si possono dividere in tre gruppi principali chiamati domini:

• Eucaria: organismi eucarioti
• Archea: organismi che riescono a vivere in condizioni estreme
• Bacteria

I legami chimici in biochimica

• I legami covalenti sono legami più forti presenti nei composti biochimici. Essi si stabiliscono dalla condivisione di elettroni tra due atomi adiacenti, e per quanto riguarda l'esempio di legame (C-C) è di 85 Kcal mol^-1. Si possono condividere anche più elettroni; in questo caso si ha un legame covalente multiplo (C=C) con energia di legame uguale a 175 Kcal mol^-1.
• I legami elettrostatici dipendono dalla carica elettrica degli atomi:

È: K*q₁*q₂/D, dove q₁ e q₂ = cariche presenti sui due atomi

K = costante di proporzionalità 332 Kcal mol^-1, D = costante dielettrica, r = distanza che li separa in angstrom

• I legami idrogeno sono interazioni elettroniche deboli ma cruciali per DNA e proteine. Sono essenzialmente interazioni elettrostatiche con energia di legame che varia da 1 a 3 Kcal mol^-1.

Donatore del legame idrogeno

Accettore del legame idrogeno

N-H-----N σ+ δ- N-H-----O σ+ δ- O-H-----N σ+ δ- O-H-----O

• Forze di Van der Waals: sono determinate dalla distribuzione della carica dell'elettrone che varia nel tempo. L'attrazione tra coppie di atomi che ne deriva aumenta con la loro vicinanza fino al punto in cui viene raggiunta la distanza di contatto (raggio di Van der Waals). L'energia associata a queste forze è abbastanza piccola.

Gruppi R polari, non carichi

Serina (Ser, S)

Treonina (Thr, T)

Cisteina (Cys, C) (forma ponti di zolfo)

Gruppi R carichi positivamente (basici)

Lisina (Lys, K)

Arginina (Arg, R)

La struttura quaternaria

Le catene polipeptidiche si organizzano in strutture multiomeriche. Le proteine che contengono più catene polipeptidiche, hanno un ulteriore livello di organizzazione strutturale. Ciascuna catena viene detta subunità ed è la disposizione nello spazio delle subunità e della natura delle interazioni che le tengono unite che formano la struttura quatemaria.

Ad esempio, la proteina Cro che lega il DNA è presente nel virus batterico e che forma un cristallo da un dimero, cioè la struttura quatemaria più semplice formata da 2 subunità uguali. Una struttura più complessa è il tetramero, l'emoglobina umana. Esistono livelli molto più complicati di strutture quaternarie: è presente nei virus con capside che è formato da numerose ripetizioni di aggregati di uno stesso tipo di subunità.

Gli enzimi: concetti base di cinetica

Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici cioè delle molecole che determinano tutte le trasformazioni chimiche cellulari. Hanno due importanti caratteristiche: il potere catalitico, che riescono a far avvenire la reazione ad una velocità molto alta rispetto a quella in (inesistente di enzimi) e la specificità, cioè riconoscono la molecola che devono legare.

La catalisi avviene in una regione detta Sito attivo. Possono accelerare il ruolo delle reazioni chimiche anche più di un milione di volte. Anche una reazione semplice come l'idratazione di biossido di carbonio è catalizzata da un enzima: l'anidrasi carbonica è uno dei più rapidi enzimi. A ogni molecola di enzima può idratare 10⁶ molecole i di CO₂ al secondo e la reazione catalizzata è 10⁷ volte più veloce. Gli enzimi sono specifici sia per la reazione catalizzata sia per la scelta de reagenti, detti substrati.

Esempi: enzimi proteolitici (proteasi): processo di degradazione delle proteine da parte dell'organismo.

-Tripsina: catalizza l'idrolisi (taglia peptidica sulla cui parte carbossilica vi sono residui di Arg e Lys.

Arg Lys

-NH₂-C-CO

| |

COO-

punto di idrolisi

A concentrazione di substrato molto basse, quando [S] è molto minore di Km, Vo = (Vmax/Km)[S], cioè la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione di substrato.

Man mano che [S] aumenta, e cioè quando è molto più grande di Km, Vo = Vmax, cioè la velocità è indipendente dalla concentrazione del substrato. Il significato di Km si può capire dall'equazione quando [S] = Km, allora Vo = Vmax/2. Quindi il Km corrisponde alla concentrazione di substrato che determina metà della velocità massima.

La Km è un importante costante di una reazione catalizzata da un’enzima ed è significativo per la sua funzione biologica. La Km e Vmax possono essere derivati dalla velocità di catalisi monotata a diverse concentrazioni di substrato se l’enzima segue una cinetica di Michaelis-Menten.

Per la maggior parte degli enzimi un Km ha un valore compreso tra 10^-1 e 10^-7 M. La Vmax esprime il numero di turnover di un’enzima, cioè il numero di molecole di substrato che vengono convertite in prodotto da una molecola di enzima nell’unità di tempo quando l’enzima è completamente saturato dal substrato.

L’inibizione competitiva e non competitiva

L’attività di molti enzimi può essere inibita da ioni o piccole molecole. Questo processo è un meccanismo importante per controllare sistemi biologici. Molti farmaci e agenti tossici agiscono come inibitori.

L’inibizione può essere reversibile (ed è caratterizzata una rapida dissocazione del complesso enzima-inibitore) o irreversibile (l’associazione molto lenta alle enzima bersaglio perché si lega molto solidamente. Es: la penicillina è un inibitore irreversibile, si lega alla transpeptidasi modificando l’enzima e portando cosi alla morte dei batteri). Nell’inibizione competitiva l’enzima può legare il substrato (complesso ES) oppure (l’inibitore complesso EI), ma mai entrambi. Un inibitore competitivo diminuisce la velocità della catalisi, riducendo il numero di molecole enzimatIche accessibili al substrato. La caratteristica dell’inibizione competitiva sta nel fatto che può essere rimossa da una concentrazione di substrato più alta. Tuttavia il valore di Km è alterato, l’effetto di questo tipo di inibitore è quello di aumentare il valore apparente di Km. La costante di dissocazione per l’inibitore è data da

K_i = [E][I]/[EI]

L'esempio della proteina emoglobina

Contiene 4 subunità, quindi 4 catene polipeptidiche e 4 siti attivi. Trasporta attraverso il sangue l’ossigeno. Il legame dell’ossigeno all’emoglobina ha un andamento sigmoide, e quindi grazie a questo andamento si ha un trasporto dell’ossigeno efficiente. Il legame cooperativo dell’ossigeno all’emoglobina permette di trasportare una quantità 1,7 volte maggiore di quella che potrebbe essere trasportato se i siti fossero indipendenti.

In assenza di cooperatività

l’emoglobina rilascerebbe solo il 38% di quello che ha accumulato.

Il legame O₂ all’emoglobina è regolato da H⁺, CO₂ e 2,3 difosfoglicerato (2,3-DPG). Quest’ultimo molecola è presente nei globuli rossi, e l’emoglobina ha un funzionamento efficiente rilasciando il 66% dell’O₂, mentre in assenza di 2,3-DPG l’emoglobina rilascerebbe solo l’8%, ed è per questo molto inefficiente questo accade perché in assenza di 2,3-DPG l’emoglobina lega più saldamente l’O₂.

Legame del 2,3-DPG all’emoglobina umana

La molecola si attacca ad una tasca presente solo in forma T, nel centro del tetramero dell’emoglobina. Il 2,3-DPG si lega quindi di preferenza alla deossiemoglobina e la stabilizza, riducendo l’affinità per l’ossigeno e favorendo così il suo distacco. Per avvenire la transizione strutturale da T a R i legami tra emoglobina e 2,3-DPG devono essere rotti, e il 2,3-DPG viene esposto espulso.