Riassunto esame Biochimica, prof. Calonghi

Amminoacidi e proteine

Le proteine sono polimeri lineari di amminoacidi con legami peptidici. I legami peptidici coinvolgono il carbonio carbossilico di un amminoacido col gruppo amminico dell'amminoacido successivo, formando un gruppo ammidico. I legami C=O e C-N, per fenomeno di risonanza, risultano entrambe tendenti al doppio legame con una lunghezza dello stesso intermedia ad un doppio legame classico (C=O più corto dell'effettivo C=O e C=N più lungo del classico C-N che si ha al momento della formazione del legame peptidico. Con una conseguente separazione di cariche con carica negativa sul O legato al carbonio carbossilico e parziale carica positiva sull'N. Con un conseguente carattere bipolare del legame.)

Questa forma di risonanza, inoltre, conferisce rigidità al legame, mantenendo sullo stesso piano i 6 atomi coinvolti e consentendo la rotazione solo al legame psi (C-C_alfa) e phi (N-C_alfa), dando l'impressione tridimensionale di una “successione di carte da gioco”.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi sono 21, suddivisi in 5 gruppi a seconda della natura del gruppo funzionale R legato al C centrale dell'amminoacido.

• Alifatici (con catene non cariche)
  • Glicina
  • Alanina
  • Leucina
  • Isoleucina
  • Metionina
  • Valina
• Aromatici
  • Fenilalanina
  • Tirosina
  • Triptofano
• Polari con R neutri
  • Serina
  • Cisteina
  • Treonina
  • Prolina
  • Asparagina
  • Glutamina
• Polari con R -
  • Glutammato
  • Aspartato
• Polari con R +
  • Istidina
  • Lisina
  • Arginina
• Ad ultimo, conosciuto da pochi anni, è presente la selenocisteina.

Il dogma centrale della biologia molecolare

Le proteine sono il frutto di una catena di processi che segue un preciso ordine definito “dogma centrale”: dall'informazione genetica contenuta all'interno del DNA, viene trascritto un messaggero di informazioni (mRNA) che trasmette (per gli eucarioti) le informazioni all'esterno della membrana nucleare per poter raggiungere i ribosomi, insieme ai tRNA, dediti alla traduzione in sequenze amminoacidiche e alla formazione del polimero proteico.

Essendo 21 i possibili residui amminoacidici, le possibili sequenze proteiche prendendo n amminoacidi casuali, risulterebbero 21ⁿ. Per ciascuna proteina, i residui sono compresi tra 100 e 1000 (con un minimo di 40 per poter consentire un adattamento strutturale tipico della struttura proteica).

Polipeptidi (<40AA) = <10'000 D

Proteine (>40AA) = >10'000 D

Tirosina = 2'990 kD (proteina più grande conosciuta)

Funzioni delle proteine

• Catalizzatori
• Deposito
• Trasportatori
• Messaggeri
• Anticorpi
• Regolatori
• Strutturali

Come accennato prima, le proteine vengono sintetizzate tramite un processo di traduzione da una sequenza di acidi nucleici (basi del mRNA) grazie al complesso Ribosoma-tRNA. Quello che deriva da questo primo processo è la semplice sequenza amminoacidica, definita anche come struttura primaria. Il riadattamento strutturale prevede diverse fasi, mentre, per quanto riguarda gli eucarioti, invece, possono anche avvenire contemporaneamente alla traduzione.

La sequenza amminoacidica è molto importante per la struttura e funzione della proteina stessa. Ne è un esempio l'Hb, in cui la una sola sostituzione di un amminoacido (una glutammina della catena Beta2, viene sostituita con una Valina) questo crea una protuberanza affine con una tasca della catena Beta1 in cui si inserisce causando la polimerizzazione dell'emoglobina che diventa, quindi, non funzionale e conferisce al globulo rosso l'aspetto falciforme Hbs.

Struttura secondaria delle proteine

Successivamente, la proteina matura assumendo la struttura secondaria. Questa consiste in un'organizzazione spaziale regolare e ricorrente che riguarda gli AA contigui (principalmente di tratta di legami a H). La struttura secondaria si presenta sotto due forme differenti: le alfa eliche e i beta foglietti.

La prima struttura (alfa elica) coinvolge circa il 32-38% degli AA di una proteina. È costituita da legami a H tra un amminoacido e il 4^o amminoacido successivo. I legami a idrogeno sono paralleli all'asse dell'elica destrogira e i gruppi R dei residui amminoacidici sporgono verso l'esterno di essa. Esistono fattori stabilizzanti e destabilizzanti per questa struttura: i fattori stabilizzanti sono tutti i gruppi carbossilici e amminici che tendono con facilità a creare legami a idrogeno, e il fatto che i gruppi R si rivolgano verso l'esterno, dando un ingombro sterico minimo.

I fattori destabilizzanti, invece, sono la presenza di gruppi R troppo ingombranti o troppo carichi e la presenza di prolina e glicina che rispettivamente non danno legami a idrogeno e risultano troppo flessibili. Un esempio di proteine che hanno una struttura ad alfa elica determinante allo svolgimento della propria funzione, sono le alfa-cheratine. Le alfa-cheratine sono insolubili, poco reattive, ricche di AA idrofobici, altamente resistenti alla tensione e molto robuste. Hanno un ruolo di sostegno e di rivestimento. Le loro caratteristiche sono accentuate anche dalla possibile presenza di ponti solfuri.

I beta foglietti, invece, coinvolgono circa il 20-28% dei residui amminoacidici delle proteine. Sono costituiti da legami a H tra catene diverse (minimo di 2 massimo di 22 catene, mediamente 6). A seconda della disposizione dei legami a idrogeno, si suddividono in paralleli e antiparalleli. Nei primi i legami a H risultano distorti e quindi poco stabili. Nel secondo caso, invece, i legami a idrogeno sono paralleli tra di loro e risultano, invece, molto più stabili. Inoltre, un requisito fondamentale è che i gruppi R dei AA devono essere di piccole dimensioni e sporgono sopra o sotto il piano della struttura secondaria.

Un esempio sono le beta-cheratine che sono caratteristiche delle fibrine della seta, quindi estremamente flessibili ma al contempo molto resistenti. Un esempio molto particolare è il collagene che è il principale costituente del tessuto connettivo e delle pareti dei vasi sanguigni. Questo è costituito da tre catene avvolte tra di loro (con una struttura molto più estesa rispetto all'alfa elica). Inoltre, ha una successione amminoacidica molto particolare: ...Gli-x-y-Gli-x-y-Gli-x-y... dove 1/3 degli AA è Glicina, 1/3 di x è costituito dalla Prolina e 1/3y è la 4-idrossiprolina. Questi sono amminoacidi insoliti, che maturando, solo nella fase post traduzionale, formano legami a H. questo conferisce grande rigidità alla struttura.

Struttura terziaria e quaternaria

Ad ultimo esistono segmenti di catena polipeptidica non regolare che ricongiungono segmenti di struttura secondaria regolare. Questi sono i ripiegamenti (TURN) Beta. Solitamente si trovano nelle regioni più esterne della proteina. Esistono diversi tipi di ripiegamenti: B-A-B; A-A; B-B-B; a chiave greca e a barile. Una volta completata la struttura secondaria, la proteina si riassesta con interazioni a lungo raggio (tra porzioni lontane nella catena polipeptidica primaria) dovute all'effetto idrofobico. Questo riassestamento è dovuto al più per ragioni termodinamiche, col fine di ricercare la struttura più stabile.

In caso di denaturazione proteica dovuta a calore, pH, detergenti, agenti caotropici, si notò che la proteina si riassestava autonomamente alla struttura terziaria finale. Questo è dovuto al fatto che la sequenza amminoacidica trasmessa dal materiale genetico, contiene in sé l'informazione della struttura tridimensionale finale. Venne coniato il termine “forma nativa” proprio per esplicare il fatto che la sequenza base degli amminoacidi, conserva in sé la struttura, e quindi, la funzione della proteina stessa. Il paradosso di Levinthal, infatti, descrive che, ponendoci nella situazione in cui il ripiegamento proteico avvenisse in modo completamente casuale, la proteina impiegherebbe 10²⁷ anni per ripiegarsi nel modo corretto (tempo assolutamente impensabile per i cicli biologici).

Inoltre, esistono proteine adite all'aiuto del corretto ripiegamento proteico. Queste si chiamano cheperonine. Queste impediscono associazioni scorrette tra porzioni idrofobiche che porterebbero a misfolding o ad aggregazione errata con conseguenza precipitazione. Ad ultima, la struttura quaternaria riguarda l'aggregazione di più proteine in struttura terziaria. L'esempio più usato è l'emoglobina.

Emoglobina e mioglobina

Per poter parlare di emoglobina, è necessario, prima, spiegare l'importanza dell'ossigeno nel nostro organismo. L'ossigeno è la principale fonte ossidativa nei processi energetici. In condizioni di anaerobiosi, l'ossidazione del glucosio, frutta solo 2 molecole di ATP. In condizioni di aerobiosi, invece, la stessa reazione di ossidazione del glucosio, produce 38 molecole di ATP. È molto importante, quindi, che l'ossigeno raggiunga ogni distretto del corpo in modo tale da poter veicolare le reazioni metaboliche. In assenza di una proteina trasportatrice dell'ossigeno, questo, avendo scarsa solubilità nel sangue, sarebbe presente con una concentrazione molto bassa (10^-4M). Con una proteina trasportatrice (l'EMOGLOBINA) l'ossigeno non deve far fronte al problema della scarsa solubilità nel sangue, ma può essere presente con concentrazione molto maggiore in quanto legato fortemente ad un sito attivo specifico nell'emoglobina, raggiungendo circa i 22mL su L di sangue.

L'emoglobina, quindi, è la proteina trasportatrice dell'ossigeno per eccellenza. È un tetramero di alfaeliche (alfa 1-2, beta 1-2) in ciascuna delle quali è contenuto un gruppo eme dedito al legame con l'ossigeno. Di conseguenza, una sola molecola di emoglobina può legare fino a 4 gruppi eme.

La mioglobina, invece, è un monomero che ha le stesse caratteristiche di ciascuna delle singole catene dell'emoglobina, con un solo gruppo eme. Quindi può legare una sola molecola di ossigeno. La mioglobina ha, però, un'affinità con l'ossigeno molto più alta rispetto a quella dell'emoglobina. Questo la rende una perfetta riserva di ossigeno nei distretti in cui l'emoglobina non può arrivare (muscoli). Il gruppo prostetico dell'eme è una ferroproteina.