Biochimica - parte 1 di 2

Struttura dell'acqua

L'idrofobicità rappresenta una delle fondamentali proprietà per la vita. L'acqua costituisce in media il 60% delle cellule nei tessuti di un uomo adulto (per le cellule dell'occhio anche il 90%). Le molecole d'acqua sono costituite da due atomi d'idrogeno uniti da uno di ossigeno con un legame di lunghezza 0,958 Å e con un angolo di legame di 104,5°. Questa geometria angolare permette all'acqua di essere una molecola polare: infatti, l'ossigeno porta una parziale carica negativa (δ-) di 0,66e, mentre a ciascun atomo H è associata una carica positiva (δ+) pari a 0,33e, dove e è la carica dell'elettrone. Ciò avviene poiché l'ossigeno attrae più fortemente a sé gli elettroni di legame. Tali interazioni elettrostatiche sono fondamentali per il suo ruolo di solvente biochimico grazie all'orientamento dei legami O-H di una molecola (estremità positiva) verso una delle coppie elettroniche di un'altra molecola d'acqua (estremità negativa). La risultante interazione è detta legame idrogeno. Tale legame è un'interazione debole e quindi reversibile. La sua forza nelle varie strutture dell'acqua è determinata dalla gran quantità di legami che si formano. Ogni molecola di acqua è in grado di partecipare a massimo quattro legami idrogeno con altre molecole d'acqua nello stato solido, massimo due nello stato liquido. Le interazioni tra molecole d'acqua sono possibili poiché tale molecola è un dipolo netto. Grazie alla polarità, l'acqua è in grado di creare uno strato di solvatazione tra due ioni, permettendo quindi la solubilizzazione di tali specie.

Interazione con sostanze idrofobe

La nascita delle prime sostanze idrofobe (acidi grassi) ha determinato una situazione particolare nella quale l'acqua tende a solvatare l'acido grasso non riuscendoci a causa dell'alta idrofobia. Non riuscendo a distribuirsi, l'entropia diminuisce ma l'entalpia non aumenta, non permettendo la formazione del sistema. L'acido grasso in acqua quindi si chiude in un micelio esponendo le teste idrofile verso l'acqua e le code all'interno. (NB: I saponi trasportano via il grasso poiché esso forma dei miceli che vengono trasportati via).

Proprietà dissociative e pH

L'importanza dell'acqua è inoltre determinata da un'importante caratteristica, cioè la sua capacità dissociativa. Il pH infatti è un importante parametro biologico al quale, per esempio, le proteine si adattano.

Alcuni valori di pH nell'uomo:

• Sangue: 7.4, quasi neutro mantenuto da 3 importanti sistemi tampone, fosfati, bicarbonati e emoglobina
• Succo pancreatico: 8.5, maggiore non è fisiologico
• Stomaco: 2-1,5, favorisce la rottura del legame peptidico che è un legame molto forte con caratteristiche di semi-doppio legame. La sua rottura è catalizzata dalla pepsina, che agisce a pH bassissimi.

Il bicarbonato deriva dalla prodotta dall'uomo, che viene convertita in bicarbonato dalle anidrasi carboniche, il quale bicarbonato si trova in equilibrio col carbonato a pH neutro.

Osmosi

Il fluido in cui sono immerse le cellule degli organismi pluricellulari e quello interno a ogni singola cellula contengono molte sostanze disciolte che vanno dai piccoli ioni inorganici a grandi aggregati molecolari. Le concentrazioni di tali soluti influiscono sulle proprietà colligative dell'acqua, ossia le proprietà fisiche che dipendono dalla concentrazione delle sostanze disciolte piuttosto che dalle loro peculiarità chimiche. La pressione osmotica dipende dalla concentrazione dei soluti. L'osmosi è il movimento del solvente da una regione ad alta concentrazione a una relativamente più bassa. La pressione osmotica di una soluzione è la pressione che si deve applicare alla soluzione per impedire il flusso di acqua che essa stessa genera. Per una soluzione 1 M, la pressione osmotica è pari a 22,4 atm.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono zwitterioni, cioè molecole aventi carica complessiva neutra tramite due cariche opposte dovute a un gruppo amminico (basico) e uno carbonilico (acido). La glicina è l'amminoacido più semplice. A seconda del pH, gli amminoacidi avranno cariche diverse e questa variabilità di dissociazione è importante a livello proteico poiché determina l'adattabilità delle proteine a diverso pH secondo la sua struttura primaria. Tutti gli amminoacidi presentano configurazione L per il carbonio in alfa (conf. S). Il gruppo carbossilico è simile in tutti gli amminoacidi per acidità (pK_a 1,7-2,83). Le minime differenze sono dovute all'influenza elettronica del gruppo –R (effetto d'induzione). Per quanto riguarda il gruppo amminico, vale lo stesso discorso con un range che va da 8,8 a 10,78. Queste costanti di dissociazione quindi indicano le presenze di carica e i gradi di dissociazione degli amminoacidi secondo vari pH. Inoltre, alcuni amminoacidi hanno possibilità di dissociare anche nella catena –R distinguendosi in acidi e basici nella catena.

L'istidina è l'unico amminoacido anfotero che può avere funzione nell'organismo umano poiché il suo pk si avvicina al pH fisiologico. Aspartato, serina e istidina, vicini tra di loro, formano il trio catalico in un sito attivo privo d'acqua, dove la serina diventa una base molto forte grazie all'aspartato che richiama a se gli elettroni dell'idrogeno della serina che diventa un ottimo nucleofilo per rompere i legami peptidici.

Gli amminoacidi sono classificati in apolari (7 amminoacidi) e polari (13 amminoacidi). A loro volta gli amminoacidi si possono distinguere a pH fisiologico in polari con carica positiva nella catena laterale, con carica negativa e neutra.

Punto isoelettrico

Il punto isoelettrico è un concetto fondamentale come caratteristica chimico-fisica delle proteine. È il valore di pH in cui o un amminoacido o una proteina è elettricamente neutra, cioè il numero di cariche positive eguaglia il numero di cariche negative. Matematicamente è la media tra pk₁ e pk₂. Inizialmente è stato calcolato con una titolazione acido-base. Per esempio, la glicina avrà una virata di carica a pH 2 e 9,5. L'acido glutammico presenta un gruppo carbossilico di pK 4,25 nella catena laterale e quindi potrà esistere con carica positiva, neutro, con carica negativa o due cariche negative.

Amminoacidi essenziali

Gli amminoacidi essenziali, da introdurre con la dieta, sono valina, isoleucina, leucina, metionina, fenilalanina, triptofano, istidina, lisina e treonina. Quelli non essenziali, cioè prodotti dall'organismo, sono glicina, alanina, prolina, tirosina, arginina, aspartato, glutammato, asparagina, glutammina, cisteina e serina.

Il prodotto proteico può subire numerose trasformazioni dopo la sintesi. Specialmente possono essere modificate le strutture degli amminoacidi che formano una certa proteina: possiamo trovare, ad esempio, idrossilisina e idrossiprolina nel collagene poiché in questa proteina (extracellulare con funzione d'impalcatura e idrofobica) non ci sono grosse possibilità di formare legami idrogeno, che sono permessi grazie all'idrossilazione (mediata dalla vitamina C). La lisina idrossilata è presente poiché l'ossidrile funge da sito d'aggancio per l'attacco di zuccheri (galattosio, mannosio o ...) al collagene (glicoproteina).

Acido glutammico carbossilato: γ-carbossiglutammato in posizione gamma, si può trovare solo nella protrombina, proteina coinvolta nella coagulazione del sangue. Tale modificazione è utile come funzione chelante per il calcio.

Fosforilazione: in amminoacidi come serina, treonina o tirosina. Aggiunta di gruppo fosfato che aggiunge due cariche negative all'amminoacido. Aggiunta o sottrazione di gruppi fosfati regolano svariate attività (specialmente enzimatiche).

Metilazione: utile per il codice epigenetico e per l'interazione con proteine.

Proteine

Una proteina è una macromolecola formata da una condensazione di amminoacidi tra gruppo amminico e carbossilico. Un semplice polimero (come l'amido) non formato da amminoacidi rimarrebbe lineare, ma le proteine, poiché formate da amminoacidi, tendono ad avvolgersi, realizzando la forma biologicamente attiva. La proteina quindi si organizza in livelli strutturali:

Struttura primaria

L'ordine lineare degli amminoacidi. In questo livello è possibile riconoscere una direzionalità che va dall'amminoacido ammino-terminale (primo) a carbossi-terminale (ultimo). NB: proteine con stessa composizione in percentuale di amminoacido possono essere molto diverse, è più importante come sono sequenziati.

Struttura secondaria

Dipende da quella primaria ed è assunta in piccole regioni tra i 10 e i 40 amminoacidi. Superstrutture secondarie (o domini proteici): interazioni tra più strutture secondarie.

Struttura terziaria

Corrisponde alla forma biologicamente attiva (struttura conformazionale).

Struttura quaternaria

Tipica di proteine oligomeriche, consiste nell'associazione omologa o eterologa di più subunità. Le proteine sono pleiotropiche, cioè svolgono più funzioni; per ogni funzione è necessaria una specifica struttura. Conoscendo la struttura primaria è possibile risalire a quella secondaria e quindi a quelle superiori. Per questo è molto importante il sequenziamento delle proteine.

Legame peptidico

Da questo derivano le proprietà delle proteine. Tutti gli amminoacidi hanno una catena laterale, un idrogeno, un gruppo carbossilico (pK_a 2,2) e un gruppo amminico (pK_a 9,5). Il legame peptidico consiste in una condensazione tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico di due amminoacidi adiacenti. Tale condensazione non è spontanea ma richiede energia ed è catalizzata dai ribosomi cellulari. L'azoto e l'ossigeno sono due atomi fortemente elettronattrattori e quindi da ciò il legame peptidico può avere delle strutture di risonanza. Il legame peptidico è planare ma non può ruotare poiché possiede delle caratteristiche di semidoppio legame con configurazione trans poiché i due atomi elettronattrattori competono per il doppietto, teoria confermata dalla distanza di legame. I legami che hanno possibilità di ruotare e, quindi, che permettono il folding, sono i legami adiacenti al legame peptidico (180° in positivo e in negativo); gli angoli che sono formati vengono chiamati φ e ψ. Unico amminoacido che non ha potere rotazionale è la prolina poiché è ciclico. L'ingombro sterico della catena laterale limita però la possibilità di rotazione che quindi non raggiunge mai i 180°. Si formano due tipi di legami: φ, tra carbonio alfa e azoto, e ψ, tra carbonio alfa e carbonio carbonilico. Gli angoli di rotazione sono importanti valori per la formazione del grafico di Ramachandran, che, riportando i valori di φ e ψ, predice la struttura secondaria di una sequenza amminoacidica. La maggior forza che influenza gli angoli è di van der Waals.

Strutture secondarie

Alpha-elica

È una struttura destrorsa e molto ordinata, visibile ai raggi X. Scoperta sulla mioglobina, proteina ricca di questa struttura. È caratterizzata nella forma destrorsa da φ e ψ negativi, mentre nella forma sinistrorsa saranno entrambi positivi. Un giro d'elica è formato da circa quattro amminoacidi (3,6 per la precisione) e misura 5,5 Å ed è largo circa 1,5 Å. Presenta alta carica all'esterno per i legami idrogeno mentre espone le catene laterali. Tale struttura è molto stabile poiché tutti gli atomi di azoto e ossigeno dei legami peptidici sono occupati nel formare legami idrogeno con l'amminoacido che si trova 4 posizioni dopo. L'α-elica destrorsa risulta nel grafico nel quadrante negativo intorno a φ -60 e ψ -65 e -80. Ha un dipolo netto che parte dal gruppo carbonilico libero verso il gruppo amminico libero. Gli unici amminoacidi non compatibili con questa struttura secondaria sono la prolina, essendo un amminoacido ciclico e, a causa dell'ammina secondaria che possiede, non può formare legami idrogeno che stabilizzino la struttura, e la glicina che non possiede catena laterale e quindi ha troppa libertà rotazionale. In generale le proteine che possiedono α-eliche sono le globine e in generale le proteine solubili nel sangue, e molti enzimi. Caratterizzata da molte α-eliche, è la ferritina, che ha la funzione di trasportare il ferro nel sangue.

Beta-foglietto

È una struttura a ventaglio con le catene laterali disposte alternatamente sui due lati della catena principale. Nel grafico occupa il quadrante positivo per ψ e negativo per φ e, infatti, le caratteristiche della struttura a foglietto sono completamente opposte a quelle dell'α-elica. Questa struttura può essere parallela o antiparallela (più stabile) mettendo in relazione due regioni dell'amminoacido. La struttura anche in questo caso è stabilizzata dalla formazione di legami H tra gli atomi polari. Il foglietto parallelo è meno stabile poiché le interazioni deboli che dovrebbero stabilizzarlo sono in obliquo. Le catene laterali sono esposte da entrambi i lati della catena (struttura a fisarmonica) e le regioni possono essere miste tra antiparallelo e parallelo. Gli amminoacidi coinvolti sono tra i dieci e i dodici, ma il foglietto beta è più esteso rispetto all'α-elica e per migliorare la condensazione gli amminoacidi si dispongono a ventaglio destrorso con una piccola rotazione sull'asse. Per quanto riguarda la compatibilità, nel β-foglietto tutti gli amminoacidi sono compatibili con la struttura e quindi non ci sono restrizioni. I β-foglietti, indipendentemente se siano paralleli o antiparalleli, tendono a condensarsi ulteriormente. Due proteine sono caratterizzate principalmente da questa struttura: una è quella che lega gli acidi grassi, Fat Acid Binding Protein (FABP), che ha una struttura a cilindro formata da β-foglietti, come se avesse un manicotto all'interno dove s'inseriscono gli acidi grassi (tipica dei canali di membrana). Un'altra struttura è quella a β-barile che permette una maggiore efficienza catalitica per l'enzima così strutturato, permettendo l'entrata veloce del substrato.

Turn

Sono strutture a cappio che permettono il passaggio tra due strutture secondarie e donano flessibilità sia all'intera proteina sia alle singole strutture secondarie adiacenti. Sono zone generalmente costituite da 3-4 amminoacidi e le proteine globulari (caratterizzate da molte α-eliche) sono ricche di questa struttura mentre ce ne sono poche in quelle fibrose (collagene). Non possono essere classificate come strutture definite ma si adattano alle strutture secondarie adiacenti. Se legano due foglietti antiparalleli sono chiamati archi e sono più lunghi, invece se almeno una delle due strutture secondarie adiacenti è un’α-elica prendono il nome di turn. Prolina e glicina sono gli amminoacidi compatibili con questa struttura poiché hanno molta libertà rotazionale e quindi migliore adattabilità. Esistono tre tipi di turn e tutti e tre hanno in comune un legame idrogeno che li stabilizza, poiché, essendo strutture polari a causa del legame peptidico, si dispongono sulla superficie esterna di una proteina a contatto con l'acqua. Oltre alla vicinanza dell'acqua, se ne trova in gran quantità nei siti attivi degli enzimi sempre grazie alla loro grande adattabilità e flessibilità. Tra le tre tipologie c'è solo una differenza di disposizione spaziale del legame peptidico.

Superstrutture secondarie

Hanno funzioni specifiche secondo le strutture, quindi possono corrispondere a domini proteici. Le più importanti sono:

• Elica-giro-elica: motivo frequente nelle proteine che interagiscono con il DNA. Ha un loop più lungo, varia nel numero di giri dell'elica e può essere trovata frequentemente nei fattori di trascrizione (tratti di α-elica e turn più brevi) oppure è sempre presente nelle proteine che legano il calcio (tratti di α-elica più lunghi e il loop più grande), come la Calmodulina nel sito che lega il Ca²⁺. Nelle proteine che legano il calcio, le catene laterali sono frequentemente aspartato e glutammato che, con le loro cariche negative, possono chelare il calcio tramite legami ionici. Troponina e Calmodulina hanno loop molto simili per la composizione.
• Motivo a chiave greca: superstruttura secondaria composta di quattro β-foglietti antiparalleli.
• Beta-alfa-beta: è una tipologia tipica dei siti attivi delle proteine.

Struttura terziaria

Terzo livello dell'organizzazione di una proteina, al quale si arriva attraverso un avvolgimento e interazioni, anche tra substrutture distanti tra loro. Ad ogni dominio appartiene una determinata funzione. I domini sono suddivisioni della struttura terziaria che condensano indipendentemente. Le interazioni che condensano le strutture secondarie, supersecondarie e i domini proteici sono di natura idrofobica. Nel processo evolutivo ciò che funziona si conserva e geneticamente il DNA è discontinuo, diviso in esoni che contengono ognuno circa un dominio (ad esempio il dominio delle serinproteasi presente in varie proteine).