Biochimica - Programma completo

16/10/2018

Introduzione biochimica

Parte della scienza che studia il metabolismo cellulare degli organismi viventi, ossi l’insieme di tutte le reazioni

chimiche che avvengono all’interno di una cellula. Le reazioni chimiche che avvengono sono tra loro

concatenate, per questo si parla di vie metaboliche. Ogni via metabolica è condizionata da un’altra in quanto

sono concatenate. La patologia è dovuta ad uno squilibrio di un processo biochimico.

I carboidrati, le proteine e i lipidi sono molecole chimiche che costituiscono le cellule e di conseguenza

l’organismo umano. Sono anche dette macromolecole in quanto sono molto grandi e hanno un elevato peso

molecolare. Sono le molecole che svolgono un ruolo strutturale e funzionale nella cellula. Queste molecole

sono:

- Proteine

- Carboidrati: che possono essere chiamati anche zuccheri, glucidi e saccaridi.

- Lipidi: anche chiamati grassi.

- DNA e RNA: sono macromolecole metaboliche molto importanti ma che non vengono studiate dalla

biochimica.

Insieme a queste categorie di macromolecole ci sono delle molecole con peso molecolare più basso che

assistono le macromolecole a svolgere le loro funzioni. Queste sono le vitamine di cui le cellule necessitano

come necessitano delle macromolecole, e i coenzimi che svolgono un ruolo molto simile alle vitamine.

Le proteine

Sono le macromolecole più abbondanti del nostro corpo. Hanno una struttura molto semplice, perchè sono

costituite da solo amminoacidi, ma sono molto versatili, molto di più delle altre macromolecole. Svolgono un

ruolo di:

- CATALIZZATORI: In tutte le vie metaboliche intervengono le proteine come catalizzatori. Lo studio della

biochimica si concentra sugli enzimi. L’enzima è un catalizzatore, cioè una specie chimica che aumenta la

velocità di una reazione chimica. La velocità di reazione chimica, equivale alla quantità di substrato che si

trasforma nell’unità di tempo. Gli enzimi sono importanti perchè le reazioni chimiche in generale sono molto

lente e questo è problematico per la sopravvivenza dell’organismo. Per questo ogni reazione chimica che

avviene all’interno del corpo presenta un enzima, ossia ogni passaggio della via metabolica viene

catalizzata da un enzima specifico.

- STRUTTURALE: come per esempio nei tessuti connettivi e nella matrice extracellulare.

- TRASPORTO: proteine che hanno il compito di trasportare da dentro a fuori e da fuori a dentro alla cellula.

- DEPOSITO: come la ferritina, che forma una tasca dove viene immagazzinato il ferro che serve al trasporto

dell’ossigeno nel sangue.

- CONTRATTILE: come actina e miosina.

- ORMONI: molte proteine sono ormoni, sono importanti. Sono sostanze che vengono rilasciate nel sangue in

piccole quantità e vengono prodotte da tessuti endocrini. Hanno funzione di coordinare le attività

metaboliche di organi diversi. Hanno funzione di regolare la risposta di organi anche molto lontani in

funzione di uno specifico stato metabolico.

- PROTEZIONE: proteine sono anticorpi.

- REGOLATORI DELL’ESPRESSIONE GENICA: come i fattori di trascrizione, agenti che consentono

l’espressione di solamente alcuni geni.

- TRASDUZIONE DEL SEGNALE: trasduzione intracellulare del segnale è la catena di reazioni che, ricevendo

segnali da molecole messaggere (es. ormoni) tramite recettori proteici della superficie cellulare, interagisce

con bersagli molecolari intracellulari di vario tipo per attivare o disattivare l'espressione genica di fattori di

trascrizione, i quali sono essenziali per la regolazione dell'espressione genica di altri geni.

Le proteine sono polimeri, ossia macromolecole molto diffuse, che sono costituite da un certo numero di

gruppi molecolari dette unità o monomeri del polimero. Questi gruppi molecolari sono uguali tra loro o molto

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simili, sono legati da stesso tipo di legame chimico detto covalente. Il legame covalente si stabilisce tra due

atomi che formano un orbitale molecolare per condivisione di elettroni ed è un legame forte. I legami non

covalenti sono detti deboli perchè si formano tra molecole che non condividono elettroni, ma sono unite

tramite forze elettrostatiche.

Le proteine sono polimeri lineari non ramificati, ossia le

singole unità monomeriche sono collegate a catena

testa-coda senza ramificazioni laterali. L’unità chimica

che si ripete sono gli amminoacidi, e tutte le proteine

sono formate da una combinazione lineare di 20 tipi

diversi di amminoacidi.

La struttura generale di un amminoacido è: un carbonio

legato a un gruppo carbossilico e un gruppo amminico.

All’interno di una molecola chimica ci sono dei gruppi di atomi legati

tra loro che hanno una particolare reattività chimica, ossia che sono

in grado di reagire con altri gruppi di atomi a formare dei legami

chimici ben specifici. Questi sono detti gruppi funzionali, in quanto

definiscono la reattività chimica della molecola.

Gruppo carbossilico: gruppo chimico con carbonio legato al gruppo

OH detto ossidrilico e legato con un doppio legame all’ossigeno.

Gruppo amminico: azoto legato a due atomi di idrogeno. Azoto forma

sempre tre legami covalenti. Questo gruppo si trova nelle proteine ma

anche in altre molecole biologiche come le basi azotate e gli zuccheri.

Gli amminoacidi si differenziano tra loro grazie ad un gruppo R

(radicale) caratteristico di quell’amminoacido, importante perchè ne

determina le caratteristiche. Quando una proteina viene sintetizzata,

avviene una reazione chimica tra gli amminoacidi che la

compongono, ossia il gruppo amminico di un amminoacido agisce con il gruppo carbossilico di un altro. In

questa reazione chimica si ha la perdita di una molecola d’acqua e la formazione di un legame tra l’azoto del

gruppo amminico e il carbonio del gruppo carbossilico. Questo legame è detto amminico, ma nel caso delle

proteine è detto peptidico. Nella sintesi di una proteina, si formano diversi legami tra più amminoacidi. In

questo modo gli amminoacidi all’interno della catena non presentano un gruppo carbossilico e uno amminico

perchè sono impegnati nel legame. Si avrà quindi ad un estremità il gruppo amminico libero del primo

amminoacido, e all’altra il gruppo dell’ultimo amminoacido. Si parla quindi estremità N terminali e C terminali.

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In alcune proteine esistono amminoacidi che si differenziano per poco da i 20 amminoacidi classificati, ossia

per l’aggiunta di un gruppo chimico nella catena laterale. Sono detti amminoacidi modificati, hanno subito una

modifica post trasduzionale. La proteina una volta sintetizzata subisce, attraverso dei specifici processi

metabolici, una modifica di alcuni amminoacidi. Questi amminoacidi modificati servono a dare una particolare

reattività chimica alla proteina o una particolare struttura alla proteina.

Una semplice catena lineare di amminoacidi non può essere chiamata proteina finché non raggiunge la sua

struttura funzionale. Una catena lineare di amminoacidi si dice polipeptide. Nel caso di catene brevi si

chiamano peptidi o oligopeptidi, mentre nelle proteine le catene sono molto lunghe.

Per proteina si intende un polimero funzionale, ossia una catena polipeptidica che ha raggiunto una sua

configurazione specifica.

La maggior parte (>50%) delle proteine sono formate da associazione di più catene polipeptidiche.

Cosa rende una proteina funzionale?

L’assunzione di una caratteristica conformazione. Ogni proteina è in

grado di svolgere le sue funzioni solo quando ha raggiunto una

specifica struttura tridimensionale a seguito del ripiegamento della

catena polipeptidica. Questa struttura tridimensionale è detta

conformazione della proteina. Se è formata da una sola catena

polipeptidica allora proteina assume una conformazione che coinvolge

solo la singola catena. Se è invece formata da più catene

polipeptidiche, ogni catena assumerà la sua specifica conformazione.

La funzione della proteina è strettamente legata alla sua

conformazione, infatti se viene persa la sua conformazione, essa non è

più in grado di svolgere la sua funzione. Quando una proteina si denatura si rompe la struttura 3d della

proteina e quindi essa non è più funzionale. Anche piccole modificazioni della conformazione della proteina

può causare delle patologie. Si hanno però delle modifiche strutturali della proteina che sono messe in atto

dalla cellula per controllare l’attività delle sue proteine e i suoi enzimi. Questo avviene quando si hanno delle

modifiche reversibili nella struttura di un enzima, volte ad attivarlo o disattivarlo all’occorrenza.

Per stabilizzare la configurazione della proteina ci

sono al suo interno dei legami deboli che si vanno a

formare tra le catene laterali di suoi specifici

amminoacidi. Questi legami deboli sono di tipo

elettrostatico e si possono rompere, come legame a

idrogeno, interazione elettrostatiche e forze di Van

der Walls. Permettono alla proteina di mantenere il

loop e assumere la sua conformazione stabile. Anche

una singola sostituzione di un amminoacidi con altro

porta alla perdita di parte della sua conformazione,

poiché non c’è la possibilità di stabilire quel legame

che permette la formazione di quel loop. La

conformazione di una proteina è determinata dalla

sua sequenza amminoacidica in quanto la vicinanza

o meno di due amminoacidi permette la formazione di un legame elettrostatico o no. Quando proteina viene

sintetizzata assume spontaneamente la sua conformazione, ci sono perfino alcune proteine che cominciano

ad assumere la loro conformazione già in fase di sintesi. Questo è dovuto al fatto che la proteina assumendo

la sua struttura specifica diventa stabile.

Nella conformazione di una proteina possono essere distinte delle “gerarchie” di

struttura.:

- Struttura quaternaria: quando la proteina è formata da più catene

polipeptidiche. Non tutte le proteine hanno una struttura quaternaria, ma la

maggior parte si.

- Struttura terziaria: regioni della proteina che sono organizzate ad alfa elica o

beta foglietto. Si possono trovare quindi all’interno di una proteina diverse 16/10/2018

regioni con diverso tipo di ripiegamento. Alcuni sono ripiegamenti regolari,

altri sono ripiegamenti che apparentemente non hanno una regola di

disposizione ma sono caratteristici di un tipo di proteina. La maggior parte

delle proteine sono costituite dalla catena polipeptidica a cui sono legati

tramite dei legami chimici covalenti dei gruppi chimici non di natura

proteica. Questi sono legati a specifici amminoacidi della catena e sono

chiamati gruppi prostetici della proteina. Il gruppo prostetico forma,

assieme alla proteina, l’unità funzionale. In tutte le proteine di membrana il

gruppo prostetico è un carboidrato, e le proteine si dicono glicosilate. La

modifica della proteina mediante l’aggiunta di gruppi prostetici avviene

dopo la sintesi della proteina, durante l’assunzione della sua

conformazione o a seguito di essa. Questi gruppi possono essere

anche molto pesanti e di diversa natura, ma costituiscono una parte

fondamentale della proteina. Es nell’emoglobina non è la proteina

che lega l’ossigeno ma è il suo gruppo prostetico (gruppo eme) che

permette questo legame.

- Struttura secondaria: si distinguono le regioni ad alfa elica e beta

foglietto.

Alfa elica: la catena polipeptidica è avvolta attorno ad un asse a

formare una singola elica. Questa struttura è stabilizzata da legami

idrogeno, che si formano tra idrogeno legato ad un atomo di azoto o

ossigeno e un’ altro atomo di azoto o ossigeno di una molecola vicina. Il legame idrogeno è molto

importante in tutte le molecole biologiche.

Beta foglietto: si forma una struttura planare in cui la catena si ripiega a formare

delle regione che hanno un andamento parallelo. Anche in questo caso la

struttura è stabilizzata da un legame a idrogeno.

- Struttura primaria: catena di amminoacidi. La sua conformazione della proteina

dipende dalla struttura primaria in quanto dipende dagli amminoacidi legati delle

catene. Per questo motivo anche una piccola modificazione della sequenza di

amminoacidi nella catena porta alla disfunzione di quella proteina.

Anemia falciforme: tipico esempio di modifica di una proteina. E’ una malattia

genetica in cui si ha una singola mutazione in un gene che codifica per una

subunità della proteina (mutazione puntiforme). La modificazione di un singolo

amminoacido porta alla sintesi di emoglobina che non trasporta efficacemente

l’ossigeno. Detta falciforme perchè il globulo rosso assume un aspetto a falce.

Le modifiche conformazionali fisiologiche (attivo - disattivo enzima) non

coinvolgono la sostituzione di amminoacidi, sono modifiche chimiche a carico di

alcuni amminoacidi che sono reversibili. Si ha quindi una via metabolica che

permette la modificazione della proteina e un’altra che consente di ritornare alla

configurazione iniziale. 17/10/2018

I lipidi

Sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, che possono essere molto diversi

chimicamente tra loro, ma hanno una caratteristica chimico-fisica comune. Sono l’insolubili in acqua e solventi

polari, mentre sono solubili nei solventi apolari. Nel nostro corpo troviamo:

- Acidi grassi

- Trigliceridi

- Colesterolo

- Fosfolipidi

- Vitamine liposolubili: A, D, E, K. Vitamine che accumuliamo nel nostro organismo perchè le conserviamo nel

tessuto adiposo.

Acidi grassi: lipidi più comuni nell’organismo e corrispondo al 90% dei grassi assunti con la dieta. Hanno

funzione energetica importante ed è per questo che i nutrienti assunti in eccesso nel nostro organismo

vengono trasformati in acidi grassi che vengono poi conservati nel tessuto adiposo. Svolgono una funzione di

protezione meccanica di alcuni organi particolarmente importanti per l’organismo come cuore, fegato, milza e

reni. Questi organi sono circondati da un pannicolo adiposo che funge da cuscinetto protettivo. Gli acidi grassi

sono inoltre componenti dei fosfolipidi di membrana. Chimicamente sono molto semplici poiché contengono

solo C, H e O. Sono formati da una

catena di atomi di carbonio. La

lunghezza della catena varia a

seconda del tipo di acido grasso:

acidi grassi a catena corta sono

prodotti dal nostro organismo, acidi

grassi a lunga catena (più di 10

atomi di C) sono acidi grassi che

sono introdotti con la dieta. La

maggior parte degli acidi grassi presenti nell’organismo sono a lunga catena.

Gli acidi grassi sono lipidi che presentano un gruppo funzionale caratteristico: il gruppo carbossilico. Questo

gruppo è l’unica porzione reattiva dell’acido grasso. Si distingue tra acidi grassi:

- Saturi: acidi grassi dove il carbonio ha tutti legami covalenti singoli. A temperatura ambiente sono si

trovano in forma solida. (Es. acidi grassi animali come il burro)

- Insaturi: quando vi sono nella catena uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio. A temperatura

ambiente sono in forma liquida. (Es acidi grassi vegetali come olio).

I grassi insaturi e saturi generano risposte metaboliche diverse nell’organismo proprio a causa dei doppi

legami.

Trigliceridi: strettamente connessi agli acidi grassi. Quando noi assumiamo e accumuliamo acidi grassi, li

depositiamo sotto forma di trigliceridi. Nel sangue gli acidi grassi sono trasportati associati a strutture

molecolare complesse dette lipoproteine. Sono strutture che nascono dall’associazione di proteine, trigliceridi,

colesterolo e fosfolipidi. Sono

costruzioni sovramolecolari in

quanto nascono dall’unione non

covalente di questi composti.

Formati da una molecola di

glicerolo, che contiene il gruppo

alcolico che è particolarmente

reattivo con i gruppi carbossilici.

Reagiscono tra loro formando un

legame estero che genera una

molecola d’acqua e lega un

gruppo alcolico della molecola di

glicerolo con una molecola di acido 17/10/2018

grasso. Questo composto è detto trigliceride, ossia un estere degli acidi grassi. In questa forma gli acidi grassi

sono immagazzinati nel nostro organismo. Quando un acido grasso deve essere degradato, si rompe il legame

estere, liberando la molecola. Gli acidi grassi che forma il trigliceride non sono necessariamente tutti uguali tra

loro.

Fosfolipidi: struttura simile ai trigliceridi. Formati

da una molecola di glicerolo, due acidi grassi che

formano un legame estere solo con due gruppi

alcolici del glicerolo e un gruppo fosfato legato

mediante legame estere con il terzo gruppo

alcolico. Da questo deriva il nome fosfolipidi. Al

gruppo fosfato può essere legata una catena o

gruppo che determina la tipologia di fosfolipide.

Una caratteristica dei fosfolipidi è quella di avere

una testa idrofilica (che consiste nella porzione

costituita dal gruppo fosfato e il gruppo R) e una porzione idrofobica (costituita da acidi grassi).

Colesterolo: ha struttura chimica molto differente rispetto alla

struttura degli acidi grassi o glicerolo. Componente fondamentale

della membrana plasmatica di tutte le cellule insieme ai fosfolipidi

di membrana. Ha la funzione di regolare la fluidità della membrana

plasmatica. Dal colesterolo tramite vie metaboliche vengono

sintetizzati gli acidi o sali biliari che sono molto importanti a livello

digestivo. Inoltre a partire dal colesterolo vengono sintetizzati gli

ormoni steroidei e la vitamina D. Essa è fondamentale per la

fissazione del calcio nelle ossa, e la maggior parte di quella che è

presente nel nostro organismo viene sintetizzata a livello

dell’epidermide in presenza di radiazioni UV a partire dal colesterolo.

Il colesterolo nel nostro organismo per la maggior parte è

sintetizzato dal nostro corpo a livello del fegato. Poiché parte del colesterolo viene assunto con la dieta, ci

sono dei meccanismi di regolazione della produzione del colesterolo per mantenere un livello