Riassunto esame Biochimica, prof. Lupo, libro consigliato I principi di biochimica di Lehninger, Nelson, Cox

Università degli Studi del Sannio

Facoltà di Scienze MM.FF.NN.

Laurea in Biotecnologie

Biochimica

Prof. Lupo

Amminoacidi

Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono alfa­amminoacidi: essi possiedono un gruppo carbossilico (­COOH) e un gruppo amminico (­NH2) entrambi legati ad un singolo atomo di carbonio, chiamato “carbonio alfa”, e differiscono l’uno dall’altro per la catena laterale, o “gruppo R”, che si differenzia per struttura, dimensioni e carica e quindi influenza anche la solubilità dell’amminoacido nell’acqua.

La formula di struttura generale di un alfa­amminoacido è: COOH gruppo carbossilico → H ­C NH3 gruppo amminico α → R gruppo R →

Quando un atomo di carbonio è legato a quattro sostituenti diversi, formando così una molecola asimmetrica, il carbonio viene detto “chirale”, o “centro di chiralità”. Tutti gli amminoacidi, ad eccezione della glicina, hanno appunto l’atomo di carbonio alfa unito a quattro gruppi diversi: il gruppo carbossilico, il gruppo amminico, il gruppo R e l’atomo di idrogeno (nella glicina invece il gruppo R è un atomo di idrogeno).

L’atomo di carbonio alfa è quindi un “centro chiralico”, dove la disposizione degli orbitali di legame al carbonio è tetraedrica, quindi i quattro gruppi sostituenti si possono disporre nello spazio in due diversi modi, che corrispondono a immagini speculari non sovrapponibili: queste due forme rappresentano una classe di stereoisoneri detti “enantiomeri”. Pertanto per ogni amminoacido possono esistere due isomeri che si designano come forme D ed L (gli aminoacidi delle proteine sono esclusivamente aminoacidi di tipo L):

COO­ H C NH3+ HR D­amminoacido L­amminoacido

La discriminazione della cellula di una forma o dell’altra avviene a causa degli enzimi, i cui siti attivi sono fortemente asimmetrici e possono catalizzare le loro reazioni solo in presenza del corretto enantiomero.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere classificati suddividendoli in base alle proprietà dei loro gruppi R e in particolare considerando la loro “polarità”. La polarità dei gruppi R varia da completamente non polare o idrofobico (insolubile in acqua) ad altamente polare o idrofilico (solubile in acqua). Per cui si dividono in:

Gruppi R alifatici non polari

All’interno di questo gruppo convergono sette aminoacidi: glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina e metionina. Ciascuno di questi aminoacidi possiede singole particolarità:

• Alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi insieme alle proteine stabilizzando la struttura della proteina stessa grazie ad interazioni idrofobiche;
• La glicina è l’aminoacido più semplice, l’unico a non possedere un centro chirale e non fornisce un contributo significativo alle interazioni idrofobiche;
• La metionina è uno dei due aminoacidi contenenti zolfo (il secondo è la cisteina) e il suo gruppo R contiene un gruppo tioetere non polare (CH2 − S − CH3);
• La prolina ha una struttura ciclica particolare che riduce la flessibilità strutturale del polipeptide nelle regioni in cui essa è presente.

Gruppi R aromatici

Tre sono gli aminoacidi che presentano gruppi R aromatici: fenilalanina, tirosina e triptofano. Tutti possono partecipare nelle interazioni idrofobiche, e il gruppo −OH della tirosina può in aggiunta formare legami idrogeno, funzionalmente importanti per alcuni enzimi. La fenilalanina è l’aminoacido meno polare del gruppo per via del fatto che il suo anello aromatico non è modificato da gruppi funzionali.

Gruppi R polari non carichi

Questo gruppo è il secondo più numeroso e contiene cinque aminoacidi: serina, treonina, cisteina, asparagina e glutammina. La polarità è derivata per serina e treonina dal gruppo −OH, per la cisteina dal gruppo −SH, per asparagina e glutammina dai loro gruppi amminici −NH2. Asparagina e glutammina sono gli amidi di due aminoacidi di base: aspartato e glutammato; la cisteina, invece, può velocemente ossidarsi per formare un dimero aminoacidico chiamato cistina, che grazie al suo ponte disolfuro stabilizza moltissimo la struttura di molte proteine.

Gruppi R carichi positivamente (basici)

Tre sono gli aminoacidi carichi positivamente: lisina, arginina ed istidina. L’unico tra questi ad avere una catena laterale ionizzabile con un pKa vicino alla neutralità è l’istidina, che a pH 7 è presente sia in forma protonata che in forma neutra.

Gruppi R carichi negativamente (acidi)

Due sono gli aminoacidi carichi negativamente a pH 7: aspartato e glutammato, entrambi dotati di un secondo gruppo carbossile.

Peptidi

Gli amminoacidi possono essere legati covalentemente per mezzo della formazione di un “legame ammidico” tra il gruppo alfa­carbossilico di un amminoacido e il gruppo alfa­amminico di un altro. Questo legame è definito “legame peptidico”, e i prodotti formati da questo legame sono detti “peptidi”.

Il prodotto del legame peptidico tra una glicina ed una alanina è definito invece “dipeptide”, poiché deriva dalla condensazione di due amminoacidi. La reazione può essere vista come semplice eliminazione di una molecola d’acqua tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’altro. Si noti che la reazione lascia ancora un gruppo H3N+ disponibile ad un’estremità del dipeptide e un gruppo carbossilico libero all’altra.

Quindi, la reazione potrebbe in teoria essere continuata aggiungendo, per esempio, acido glutammico a un’estremità e lisina all’altra, formando così un “tetrapeptide”. La porzione di ciascun amminoacido che entra a far parte della catena viene detta “residuo amminoacidico”.

Quando il numero degli amminoacidi è relativamente piccolo, la struttura viene detta “oligopeptide”, invece se gli amminoacidi sono numerosi, il prodotto viene chiamato “polipeptide”.

La maggior parte degli oligopeptidi e dei polipeptidi mantengono un gruppo amminico libero ad un’estremità, detta “estremità amino­terminale” o “N­terminale”, ed un carbossile libero all’altra estremità, detta “estremità carbossi­terminale” o “C­terminale”.

Proteine

Le proteine sono macromolecole polimeriche caratterizzate da una struttura di base uniforme, rappresentata dalla “sequenza amminoacidica”. Le proteine non si presentano come semplici filamenti, ma assumono strutture tridimensionali, in quanto tendono a ripiegarsi su se stesse assumendo una conformazione precisa: le conformazioni possibili sono di solito quelle termodinamicamente più stabili, ossia quelle che hanno la minore energia libera di Gibbs. Le proteine che si trovano nella loro conformazione funzionale sono dette “proteine native”; la “stabilità”, invece, può essere definita come la tendenza a mantenere una conformazione nativa.

Una catena polipeptidica può teoricamente assumere innumerevoli conformazioni per il fatto che lo stato non avvolto è caratterizzato da un elevato grado di “entropia conformazionale” che si contrappone al ripiegamento, mantenendo lo stato non avvolto. Le interazioni chimiche che controbilanciano questi effetti e stabilizzano la conformazione nativa sono: ponti disolfuro, interazioni deboli non covalenti (legami idrogeno), interazioni idrofobiche, interazioni ioniche (ponti salini) ed interazioni di van der Waals.

I legami covalenti che contribuiscono alla conformazione nativa della proteina sono chiaramente molto più forti delle singole interazioni deboli, ma sono tuttavia quest’ultime che predominano nello stabilizzare la struttura delle proteine a causa del loro numero molto più elevato. La stabilità di una proteina è data anche dalla formazione di un legame idrogeno, precedentemente impegnato con una molecola d’acqua prima che la proteina si ripiegasse.

Per ogni legame idrogeno che si genera all’interno di una proteina, bisogna quindi che si rompa un legame idrogeno della stessa forza tra lo stesso gruppo e l’acqua. La conformazione nativa di una proteina, quindi, è favorita rispetto alle altre perché nessun’altra molecola ha la stessa capacità dell’acqua di formare legami idrogeno; altre molecole ad esempio potrebbero interferire in qualche modo con i legami idrogeno esistenti e determinarne la rottura.

Effetto idrofobico

Esiste un altro fattore che contribuisce alla stabilità termodinamica di molte proteine. Quando l’acqua circonda un composto idrofobico, la disposizione ottimale dei legami idrogeno porta alla formazione di uno strato ben organizzato, detto “strato di solvatazione”, di molecole di acqua nelle immediate vicinanze della molecola idrofobica. Questo ordinamento delle molecole d’acqua corrisponde ad una diminuzione del disordine del sistema: l’entropia pertanto diminuisce.

Considerando di avere una catena polipeptidica contenente un elevato numero di residui laterali idrofobici (ad esempio leucina e isoleucina): quando tale catena è nella forma non ripiegata questi residui sono a contatto con l’acqua e provocano il riordinamento delle molecole d’acqua nello strato di solvatazione, determinando così una diminuzione dell’entropia. Se però la catena si ripiega in una struttura globulare, questi residui laterali idrofobici risultano nascosti all’interno della molecola lontani dall’acqua. Le molecole d’acqua che prima erano ordinate dalla proteina nello strato di solvatazione, sono ora rilasciate acquistando libertà di movimento. Per questa ragione vi è un incremento favorevole dell’entropia che permette una maggiore stabilità della struttura proteica.

Struttura della proteina

Una proteina ha quattro livelli di organizzazione che sono: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

Struttura primaria e legame peptidico

La struttura primaria di una proteina è data dalla semplice sequenza lineare dei suoi aminoacidi tra loro legati covalentemente dal “legame peptidico”. I legami covalenti pongono importanti limitazioni alle conformazioni di un peptide.

Dal punto di vista strutturale un legame peptidico è formato da amminoacidi adiacenti i cui atomi di carbonio alfa sono separati da tre legami covalenti disposti in questo modo: ­C – C – N­ ­C. Alcuni studi hanno dimostrato che il legame C – N (carbonio – azoto) in un peptide è più corto del legame C – N (carbonio – azoto) in un ammina e che gli atomi del legame peptidico sono complanari (si trovano sullo stesso piano). Ciò indica la presenza di una risonanza o di una parziale ridistribuzione delle due coppie di elettroni tra l’atomo di ossigeno carbonilico e l’atomo di azoto ammidico. L’ossigeno viene ad acquistare una parziale carica negativa mentre l’azoto acquista una parziale carica positiva, generando un dipolo elettrico. Il legame C­N peptidico è stato definito parzialmente doppio e quindi limitato nella rotazione: nel legame peptidico possono ruotare solo i due legami covalenti esterni, cioè N­ ­C (azoto – carbonio alfa) e ­C – C (carbonio alfa – carbonio).

Per convenzione gli angoli generati dalla rotazione di questi legami sono indicati con le lettere φ (phi) e ψ (psi).

Struttura secondaria

Il secondo livello di organizzazione della proteina è la struttura secondaria e rappresenta la capacità di una proteina di assumere una struttura spaziale regolare e ripetitiva. Essa può essere di due diversi tipi: la conformazione a spirale (o ad alfa­elica) e quella planare (o a beta­foglietto).

L’alfa­elica e il beta­foglietto, quindi, sono le conformazioni più comuni riscontrabili nelle catene polipeptidiche di una proteina. L’alfa­elica è la conformazione più favorevole perché naturalmente riduce al minimo l’energia libera e può essere sinistrorsa o destrorsa. Nella struttura ad alfa­elica il suo scheletro polipeptidico è arrotolato intorno ad un asse immaginario tracciato longitudinalmente attraverso il centro dell’elica, dove le catene laterali R dei residui amminoacidici, che intervengono nella formazione della struttura, sono all’esterno dello scheletro elicoidale. La struttura dell’elica è stabilizzata da legami idrogeno tra l’atomo di idrogeno legato all’atomo di azoto di ogni legame peptidico e l’atomo di ossigeno carbonilico del quarto residuo amminoacidico successivo, posto nella direzione dell’ammino­terminale dell’elica. Ciò da origine, quindi, ad un’elica regolare con un giro completo ogni 3,6 amminoacidi.

In alcune proteine, alfa­eliche si avvolgono l’una intorno all’altra per formare una struttura particolarmente stabile, nota come “coiled coil”. Questa struttura si può formare quando le due (o in qualche caso tre) alfa­eliche hanno la maggior parte delle loro catene laterali non polari (idrofobiche) su un lato, così che possono avvolgersi l’una intorno all’altra, con queste catene laterali rivolte all’interno.

Nella struttura a foglietto beta, invece, le catene polipeptidiche si dispongono l’una accanto all’altra formando un foglietto costituito da una serie di ripiegamenti. In tali ripiegamenti sono spesso presenti residui di glicina e prolina, il primo in quanto piccolo e flessibile, mentre il secondo assume facilmente la configurazione cis, una forma che si adatta bene ad un cambio di direzione molto stretto. Anche questa struttura è stabilizzata da legami idrogeno che si formano tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica.

I gruppi R dei singoli residui amminoacidici sporgono al di fuori della struttura a foglietto beta, da un lato e dall’altro, creando una organizzazione sfalsata. Le catene polipeptidiche adiacenti in un foglietto beta possono essere parallele, ossia avere lo stesso orientamento ammino­carbossiterminale del peptide, oppure antiparallele, cioè avere orientamento ammino­carbossi opposti.

Struttura terziaria e classificazione delle proteine

La struttura terziaria di una proteina è la sua disposizione tridimensionale, cioè i ripiegamenti dei suoi elementi di struttura secondaria, insieme alla disposizione spaziale delle sue catene laterali.

Nel considerare le strutture di livello più elevato è utile dividere le proteine in due grandi classi: le proteine fibrose, che hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti, e le proteine globulari, che hanno invece catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche. I due gruppi sono funzionalmente differenti poiché le proteine che determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna della cellula sono fibrose, mentre la maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici sono globulari. La resistenza delle proteine fibrose è dovuta da legami covalenti crociati tra le catene polipeptidiche adiacenti.

Nelle proteine globulari i diversi segmenti di una catena polipeptidica, invece, tendono ad avvolgersi l’uno sull’altro generando una forma di proteina compatta.

Il ripiegamento genera diverse strutture necessarie alle proteine per svolgere diverse funzioni e comprendono gli enzimi, le proteine di trasporto, le proteine motrici e regolatrici, e le immunoglobuline (un esempio di proteine globulari è dato dalla mioglobina).

Proteine fibrose

Esempi di proteine fibrose sono: l’ α­cheratina, il collagene e la fibroina della seta. L’ α­cheratina possiede una struttura resistente alla tensione ed è presente nei capelli, nelle unghie e negli strati esterni della pelle. L’elica dell’ α­cheratina è destrorsa e la resistenza dell’intero complesso è data da un superavvolgimento di due catene (coiled coil) di α­cheratina che hanno la stessa di direzionalità.

L’andamento elicoidale del superavvolgimento è invece sinistrorso, opposto a quello delle alfa eliche. Le superfici dove le due eliche si toccano nella struttura avvolta sono rivestite da amminoacidi idrofobici e le loro catene R si inseriscono l’una vicino all’altra con un’alternanza perfettamente regolare. Ciò permette un avvicinamento massimo delle catene all’interno del superavvolgimento.

Il collagene, invece, come l’ α­cheratina, possiede una struttura resistente alla tensione ed è presente nel tessuto connettivo, nei tendini e nella cartilagine. L’unità base della fibra di collagene è la molecola di “tropocollagene”, una tripla elica di tre catene polipeptidiche alfa che formano un superavvolgimento destrorso. Il collagene è un superavvolgimento: tre catene polipeptidiche, dette “catene alfa” (da non confondersi con le alfa­eliche) sono superavvolte le une sulle altre.

L’avvolgimento superelicoidale è destrorso, mentre le singole catene alfa sono sinistrorse. La formazione delle singole eliche del tipo collagene è favorita dalla presenza di prolina o idrossiprolina nella molecola di tropocollagene: nella sequenza Gly­X­Y, X è spesso prolina, mentre Y è prolina o idrossiprolina (altri residui sono comunque talvolta ammessi nella sequenza come sostituenti). La maggior parte dei legami idrogeno tra le catene nella tripla elica si formano tra i protoni ammidici e gli atomi di ossigeno carbonilici, ma anche i gruppi –OH dell’idrossiprolina sembrano partecipare alla stabilizzazione della struttura.

La fibroina della seta, infine, è una proteina prodotta dagli insetti e dai ragni. Le sue catene polipeptidiche sono in conformazione...