Biochimica (primo parziale)

Biochimica generale

Biochimica e chimica a confronto

Aspetto chimico

Selezione a livello atomico: gli elementi di cui è composta una cellula (C, H, N, O, elementi piccoli e leggeri che rendono semplice la sintesi e la rottura delle molecole) sono diversi da quelli che compongono il pianeta (elemento più abbondante sulla Terra è il Fe 68%).

Selettività nell’utilizzo di specie con simile reattività (es. Na/K e il potenziale di membrana).

Presenza di macromolecole informazionali: macromolecole in cui l’ordine delle molecole impartisce loro un significato. Livelli superiori di struttura permettono lo svolgimento di funzioni complesse (le informazioni servono a trasformare semplici reazioni chimiche in energia utilizzabile dal corpo) e il loro controllo (molte macromolecole hanno funzione di controllo e non energetica).

Aspetto fisico

I sistemi biologici sono compartimentalizzati: dentro alla stessa cellula sono presenti comparti separati con funzioni diverse, all’interno di un tessuto sono presenti cellule con funzioni diverse e all’interno dello stesso sistema sono presenti tessuti con funzioni diverse (es. sistema muscolare).

Trasporto di materiali tra comparti/cellule/tessuti; Signaling tra comparti/cellule/tessuti.

Aspetti termodinamici

I sistemi viventi sono lontano dall’equilibrio perché c’è differenza di energia, mentre un sistema all’equilibrio è energicamente morto perché non c’è né produzione né consumo di energia.

Controllo “cinetico” delle concentrazioni di reagenti e prodotti: in un sistema biologico aperto le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce e che le consuma; quindi le reazioni dipendono da una combinazione di aspetti termodinamici e cinetici.

Interconversione delle forme di energia: conversione dell’energia di un legame chimico in altri tipi di energia, rende quindi l’energia chimica disponibile all’utilizzo. Da ricordare: l’energia informazione serve per impartire e mantenere l’ordine nelle macromolecole informazionali.

Acqua

Una molecola d’acqua può fare al massimo tre legami idrogeno. L’acqua è importante perché: è il primo componente dei sistemi biologici; consente ai sistemi biologici tutte le loro funzioni; è semplice dal punto di vista strutturale; è il componente degli alimenti su cui interviene il tecnologo alimentare.

Funzioni dell’acqua

• Reagente
• Solvente
• Agente strutturante: contribuisce in modo primario alla strutturalizzazione del materiale biologico.

Legame idrogeno

Due molecole d’acqua si legano tramite un legame idrogeno: la parte negativa di una molecola reagisce con la parte carica positivamente dell’altra. Questo legame richiede un allineamento perfetto delle due molecole (un legame non allineato è più debole). I deboli legami a idrogeno si possono formare e rompere facilmente tra varie molecole. Molto spesso i legami deboli si formano cooperativamente, cioè la presenza di un legame favorisce la formazione di altri creando quindi una struttura a reticolo più complessa (la rottura dei legami richiede quindi maggiore energia, definita interazioni tra le molecole definiscono gli aspetti geometrici del sistema, come calore latente).

Es. la densità dell’acqua che varia al variare della temperatura (4,1°C, maggiore densità).

L’acqua come solvente

Numerose altre molecole (anche gli ioni) hanno la capacità di formare legami idrogeno, tra di loro e con l’acqua. Su questa capacità si basa la loro solubilità:

• Se prevalgono le interazioni tra molecole, allora sono insolubili.
• Se prevalgono le interazioni con l’acqua, allora sono solubili.

Sfera di solvatazione e dipolarità

L’acqua esercita la sua azione solvente grazie alla sua struttura: il dipolo “acqua” si orienta in modo diverso a seconda che interagisca con anioni (-) o cationi (+). L’acqua tende ad organizzarsi per attrazione elettrostatica, attorno ad uno ione o dipoli, diminuendo la sua energia e rendendo il sistema più stabile termodinamicamente. I singoli ioni sono presenti in soluzione come specie chimiche circondate da uno strato più o meno spesso di molecole d’acqua: allontanando le cariche di segno opposto, l’acqua previene la formazione di “legami ionici” o “elettrostatici” tra ioni, o tra porzioni di molecole (anche enormi) che presentano cariche di segno opposto. Le molecole d’acqua che circondano un’altra molecola (o una porzione di molecola) hanno diversa mobilità e reattività, a seconda della natura dell’interazione e della distanza dalla specie solvata. Queste sono quelle che effettivamente partecipano alle reazioni o vengono trasportate da e per le cellule. La capacità di solvatazione dipende dal rapporto tra massa per unità di carica: più piccola è la massa per unità di carica più è forte la capacità di coordinare l’acqua (es. Na).

Legame idrofobico

Il legame idrofobico è l’interazione di specie apolari con l’acqua a formare una sorta di gabbia (clatrato) intorno alle molecole, organizzandole. Questo porta ad un aumento dell’ordine del sistema, che causa una diminuzione entropica (ΔG>0), perciò la reazione non è termodinamicamente favorita. Pertanto il sistema tende a diminuire la superficie di contatto tra acqua e molecole apolari, a formare un’unica micella di molecole apolari, questa è chiamata spinta entropica (forza idrofobica). A causa di queste interazioni idrofobiche, le molecole anfifiliche (testa polare-coda apolare) si organizzano in strutture in cui è massimizzato il contatto con la parte polare e minimizzato quello con la parte apolare, es. micelle, vescicole, membrane.

Proteine

Le proteine sono dei polimeri lineari informazionali costituiti da amminoacidi che possono acquisire diversi livelli di struttura ripiegandosi. Gli isomeri L degli amminoacidi sono quelli presenti normalmente nelle proteine e utilizzati nel metabolismo. Gli isomeri D degli amminoacidi sono presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi (antibiotici, alcuni ormoni) e nelle pareti batteriche. [La presenza di D-amminoacidi è considerata come contaminazione batterica].

Gli amminoacidi sono molecole anfoteriche, cioè in grado di assumere simultaneamente sia cariche positive che negative (COOH → COO^- dona protoni e NH₃⁺ li riceve).

Amminoacidi

Gli amminoacidi si dividono in famiglie in base alla loro affinità con l’acqua.

• Amminoacidi neutri
• Idrofobici: Phe, Trp (più apolari perché hanno gruppo benzilico), Met, Ala, Val, Leu, Ile, Pro (catene carboniose apolari), Gly.
• Polari: Ser, Thr, Tyr, Asn, Gln, Cys (presenza di S con la presenza di tioetere, funzione tiolica strutturale). Ser, Thr e Tyr sono idrossiamminoacidi (hanno un gruppo OH).
• Amminoacidi carichi
• Carichi negativamente: Asp, Glu (hanno gruppo COOH quindi sono carichi e si possono dissociare). Nei semi la presenza di Gln e Asn è 5 volte superiore a quella di Glu e Asp perché contengono N che serve alla pianta per crescere, fanno meno interazioni con l’acqua perché il seme deve rimanere secco e compatto, permettono assorbimento progressivo di acqua una volta piantati.
• Carichi positivamente: Lys, Arg (funzione guanidinica, si protona a pK=12,2), His (si protona a pK=6).
• Prolina (Pro) è un’imminoacido cioè deriva dalla ciclizzazione del glutammato.

[Range di pH che studiamo pH=[1,8 (succo gastrico)-8,2 (bianco d’uovo)].

Cosa succede a qualsiasi specie al variare del pH rispetto al pK

• Se pH=pK ho il 50% di entrambe le specie, sia protonata che non.
• Se si alza il pH ho meno protoni quindi è più abbondante la specie non protonata.
• Se si abbassa il pH ho più protoni quindi è più abbondante la specie protonata.

I relativi equilibri sono governati dalla relazione di Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log ([A]/[AH]) [A]/[AH] = 10^{(pH – pKa)}

Specie poliprotiche

Specie chimiche che possono avere più di un valore di pK è dato dal suo intorno chimico, cioè il pK varia in base a quante volte si dissocia una specie.

• Es. H₃PO₄ (pK=2 perde un protone) → H₂PO₄^- (pK=7) → HPO₄^2- (pK=12) → PO₄^3-

La specie che si dissocia è sempre la stessa (OH) ma il pK è diverso perché PO₄^3- attrae facilmente protoni anche a basse concentrazioni, HPO₄^2- si protona con una concentrazione di protoni 100000 volte superiore e H₂PO₄^- si protona con una concentrazione di protoni 10 volte superiore.

Punto isoelettrico

Per ciascuna specie anfoterica esiste un valore di pH, definito come punto isoelettrico (pI), a cui la carica netta posseduta complessivamente dalle specie presenti in soluzione è pari a zero.

Come calcolare il pI

• Amminoacido che si può dissociare due volte: si fa la media delle due pK: pK₁=2,2 (COOH → COO^-), pK₂=9,2 (NH₃⁺/NH₂), pI= (2,2+9,2)/2=5,7.
• Amminoacidi poliprotici (almeno tre dissociazioni): si fa la media dei pK della specie che va da una parziale carica positiva a zero e di quella che va da zero ad una parziale carica negativa.

Una molecola anfoterica ad un pH>pI ha carica negativa, a pH<pI ha carica positiva. A pH=pI ha carica zero.

Struttura primaria

La struttura primaria è una precisa sequenza amminoacidica con un verso di lettura: dall’estremità N-terminale all’estremità C-terminale. La struttura primaria è stabilizzata da un solo legame, il legame peptidico. Esso è un legame ammidico ma ha alcune prerogative geometriche particolari: in conseguenza dell’ibridazione degli orbitali del carbonio alfa, il legame peptidico ha caratteristiche di doppio legame e costringe sullo stesso piano gli atomi che partecipano al legame. Pertanto si ha un solo punto di rotazione quindi le piastrine sono rigide e possono ruotare solo a livello dei carboni alfa (su cui insistono un protone e le catene laterali degli amminoacidi) degli amminoacidi coinvolti. Una sequenza di amminoacidi presenta una struttura che si può definire a piastrine snodate dove il vero legame giace nel piano della piastrina. La conseguenza è l’avere una collanina fatta da tante piastrine da cui sporgono le catene laterali che caratterizzano ciascun amminoacido.

Esiste un amminoacido che non possiede la facoltà di snodo, la prolina, un imminoacido a struttura ciclica (non ha NH₂ libero). Il risultato è che in una sequenza amminoacidica in cui è presente un residuo di prolina si perde la possibilità di rotazione al carbonio alfa perché tutti gli atomi sono già in un piano, pertanto si ha un punto di rigidità nella catena di piastrine snodate.

Carica di una proteina

Le proteine sono condizionate dalla loro sequenza amminoacidica e da come varia la polarità delle catene laterali in base al pH. La carica di una proteina è determinata dalle cariche presenti sugli amminoacidi laterali. Il comportamento di queste catene proteiche in soluzione, cioè la loro capacità di possedere una carica e quindi di trattenere acqua, dipende dallo stato di carica degli amminoacidi, quindi dal loro punto isoelettrico.

Se uno degli amminoacidi presenti nella sequenza porta una funzione carbossilica (Glu, Asp) esisterà protonato (carica positiva) a pH basso rispetto al pI e deprotonato (carica negativa) a pH alto rispetto al pI, mentre quando pH=pI i due carbossili formeranno una carica negativa che equilibra la carica positiva dell’amminogruppo. Un amminoacido che può portare una carica positiva (His, Lys, Arg), per raggiungere il pI, deve avere pH elevato perché le due funzioni che possono acquisire una carica positiva bilanceranno la carica negativa dell’anione carbossilato all’estremità C terminale.

Es. lo yogurt è prodotto portando il latte al punto isoelettrico (pH=5,6) delle sue principali proteine tramite la produzione di acido da parte di alcuni microrganismi. Questo fa sì che le proteine si avvicinino e si leghino all’acqua. Se il processo di acidificazione continua allora le proteine si legheranno non riuscendo più a legare l’acqua e quindi lo yogurt si separa in due fasi.

Struttura primaria e funzioni

Lo studio della struttura primaria ci consente di capire come le proteine si organizzeranno nello spazio. Alcune sequenze amminoacidiche hanno dei significati molto importanti, bastano sequenze di tre lettere per identificare dei siti di intervento da parte della cellula. Alcune brevi sequenze derivate da proteine che mangiamo hanno funzioni importanti nel nostro organismo perché regolano delle funzioni. Se si considerano sequenze più lunghe il nostro organismo le riconosce come estranee e normalmente le degrada (catabolismo), mentre in alcuni casi possono portare ad intolleranze e a reazioni fisiologiche anomale, queste sequenze sono chiamate determinanti allergenici.

La sequenza di una proteina è determinata geneticamente: le proteine vengono costruite partendo dall’estremità amminoterminale, unendo un amminoacido alla volta con ordine stabilito dal codice genetico di ciascun organismo. Questa operazione prende il nome di traduzione, dal codice genetico fatto di nucleotidi al codice proteico fatto di amminoacidi. Questo processo è importante per vari motivi:

• Aspetto evolutivo: alcuni codici sono stati cambiati e selezionati come più adatti per un certo ambiente.
• Alcune volte questi codici cambiano in funzione di patologie, malattie genetiche, queste persone hanno il codice genetico sbagliato quindi la catena di amminoacidi non può funzionare.
• La differente sequenza nella stessa proteina condiziona l’utilizzo di quelle proteine da specie a specie. Con il latte di alcune specie di capre non si può fare formaggio perché non ci sono sequenze che sono coinvolte nel processo di aggregazione delle proteine. Il latte che va bene per fare formaggio non va bene da bere perché quando si pastorizza queste proteine si aggregano, questo è legato alla razza.

Mutazioni

Molti di noi possiedono delle mutazioni, cioè le proteine sono diverse dalla loro sequenza originale. Ci sono due tipi di mutazioni:

• Conservative: un amminoacido nella sequenza è stato cambiato con uno molto simile (es. Leu con Val, entrambi idrofobici e privi di carica).
• Non conservative: al posto di un amminoacido se ne mette un altro con diverse caratteristiche (es. Cys sostituita da Ala, assenza di un tiolo).

Le proteine non hanno sempre la sequenza identica a quella scritta nel codice genetico. Ci sono due ragioni:

1. La cellula non ha tolto da queste proteine che sta fabbricando alcuni dei cappucci di protezione che le servono durante il processo.
2. Quasi tutte le proteine, soprattutto degli eucarioti, vengono modificate dopo essere state fabbricate. Parliamo di questo processo di modificazione con il nome generico di modificazione post-traduzionale. Es. l’insulina, ormone che se non viene fabbricato induce una patologia, diabete mellito. L’insulina va incontro ad un processo di maturazione, cioè una serie di modificazioni post-traduzionali che portano alla rottura di legami peptidici e alla formazione di altri tipi di legame. Nel pancreas, organo produttore dell’insulina, essa viene sintetizzata come scritto nel codice genetico. Il primo prodotto che si ottiene è la sequenza amminoacidica lunga che si forma nel reticolo endoplasmatico ruvido che si chiama pre-pro-insulina. In questa sequenza di amminoacidi l’estremità N terminale (sequenza ago) serve a far sì che la proteina si infili nelle membrane che delimitano il complesso di Golgi. Una volta entrata la sequenza ago non serve più, quindi la prima parte del processo consiste nella sua eliminazione, quindi diventa pro-insulina. Nel Golgi la sequenza amminoacidica viene avvolta formando dei legami disolfuro (processo di ripiegamento) e la sequenza che tiene unite la due parti collegate viene eliminata, passando da pro-insulina a insulina. [Sequenza: parte da precursore, coinvolge diversi comparti della cellula, porta ad un prodotto maturo ed esportabile, cioè l’insulina].

Struttura secondaria

La struttura secondaria è l’organizzazione in strutture più complesse della struttura primaria. La struttura secondaria è stabilizzata da un solo tipo di legame: il legame idrogeno tra gli atomi che partecipano al legame peptidico (le catene laterali non partecipano al legame), pertanto le uniche specie che partecipano alla stabilizzazione della struttura secondaria sono i CO e NH (che devono essere allineati tra di loro). I legami peptidici che partecipano alla formazione del legame idrogeno possono essere vicini o lontani nella struttura primaria.

Le strutture che si possono formare sono due: alfa-elica e foglietto beta. Le due strutture differiscono per i legami idrogeno. Nell’alfa-elica i legami idrogeno sono relativamente vicini, cioè a quattro residui amminoacidici di distanza: il CO del primo amminoacido si lega con l’NH del quarto.