Biochimica strutturale

Struttura delle proteine

In una proteina si distinguono:

• la struttura primaria, ovvero la sequenza lineare degli amminoacidi della catena polipeptidica. Il legame peptidico –CO-NH- è rigido. Per questo, in una catena polipeptidica, il legame tra due amminoacidi adiacenti giace sullo stesso piano. Il carbonio centrale a cui è legata la catena laterale R (detto carbonio alfa) che non è impegnato nel legame, è l'unico elemento dello scheletro peptidico che può ruotare attorno ai suoi legami con l'atomo di azoto amminico e con il carbonio carbossilico, rispettivamente. Quindi il legame peptidico impone una limitazione alle possibili conformazioni delle catene peptidiche.
• la struttura secondaria, determinata da forme di ripiegamento assunte spontaneamente da segmenti della catena polipeptidica, in funzione della loro composizione amminoacidica. Un esempio di struttura secondaria è l'alfa-elica, in cui le catene polipeptidiche si avvolgono lungo il proprio asse formando una struttura a spirale.

struttura elicoidale detta alfa elica. Nella cheratina della lana, sette alfa eliche sono avvolte una sull'altra formando una fibra.

il foglietto betaStudiando i cambiamenti di conformazione della cheratina al calore, Pauling e Corey dimostrarono l'esistenza di una seconda struttura secondaria: il foglietto beta. La cheratina dei capelli, ad esempio, normalmente assume una conformazione ad alfa elica (detta alfa-cheratina) che le conferisce elasticità. Se si scalda l'alfa-cheratina, si rompono i legami idrogeno tra le unità dell'elica e la proteina assume una forma più allungata erigida: la beta-cheratina, fatta di foglietti beta. Per questo i parrucchieri per "stirare" i capelli li scaldano prima.

la struttura terziaria, costituita da ulteriori ripiegamenti e interazioni tra le strutture secondarie delle varie porzioni della catena. Anche questa dipende dalla natura dei gruppi R degli amminoacidi.

Le proteine sono costituite da

elettrostatiche, possono essere presenti anche legami disolfuro tra i residui di cisteina. Questi legami contribuiscono a mantenere la struttura tridimensionale della proteina. Le proteine possono anche assumere una struttura quaternaria, che si riferisce all'arrangiamento di più catene polipeptidiche all'interno di una proteina complessa. Queste catene possono essere identiche o diverse e possono interagire tra loro attraverso legami non covalenti come legami idrogeno, interazioni idrofobiche e interazioni elettrostatiche. La struttura delle proteine è fondamentale per la loro funzione biologica. La forma tridimensionale di una proteina determina come interagisce con altre molecole nel suo ambiente, come substrati, enzimi o altre proteine. Cambiamenti nella struttura delle proteine possono influenzare la loro funzione e possono essere associati a malattie come le malattie neurodegenerative. In conclusione, le proteine sono costituite da catene polipeptidiche lunghe che possono assumere diverse strutture secondarie e terziarie. Queste strutture sono stabilizzate da legami intramolecolari e determinano la forma e la funzione delle proteine.

Elettrostatiche tra amminoacidi con carica opposta, sono spesso presenti ponti disolfuro -S-S-. Si tratta di legami covalenti dovuti all'ossidazione dei gruppi tiolici -SH delle cisteine.

Funzionalità

La struttura terziaria conferisce le principali proprietà funzionali alle proteine, per questo proteine con proprietà simili hanno spesso una struttura terziaria simile. Ad esempio, proteine fibrose come la cheratina o il collagene hanno forma allungata, sono insolubili in acqua e formano strutture robuste. Le proteine solubili invece tendono ad una forma sferica e sono dette globulari. Proteine ancorate alla membrana della cellula ma che devono anche sporgere nel mezzo acquoso, come i recettori, hanno un dominio idrofobico esteso che attraversa la membrana e uno globulare che sporge all'esterno.

I recettori

I recettori proteici sono proteine presenti alla superficie della cellula in grado di legare molecole o altre proteine presenti nello spazio extracellulare. Il sito

di legame assume una struttura terziaria specifica per accogliere un certo ligando. Ad esempio il recettore dell'ormone adrenalina è selettivo per la forma enantiomerica L, grazie alla disposizione nel sito attivo di gruppi di amminoacidi idrofobici e carichi negativamente in grado di interagire con la porzione idrofobica e carica positivamente della molecola di adrenalina.

Legame ormone-recettore→ Un recettore è selettivo nei confronti di un solo enantiomero, come una mano che interagisce con un altro oggetto chirale.

la struttura quaternaria, costituita dall'associazione di più catene polipeptidiche a formare proteine con più subunità. Ogni subunità è una proteina essa stessa, ma solo la loro associazione conferisce al complesso le sue proprietà funzionali. (ex: emoglobina)

Enzimi: Un'altra importante classe di proteine le cui funzioni dipendono strettamente dalla struttura terziaria sono gli enzimi.

Enzimi sono dei catalizzatori biologici la cui funzione è rendere possibile lo svolgimento delle reazioni chimiche del metabolismo cellulare. In ogni reazione chimica, due o più molecole (i substrati) si combinano per generare una o più nuove molecole (i prodotti). Questo processo comporta la rottura di legami chimici dei substrati e la formazione di nuovi legami nei prodotti.

L'energia richiesta per rompere i legami dei substrati e generare i prodotti è detta energia di attivazione, in quanto serve a portare le molecole dei substrati in uno stato di transizione o stato attivato, in cui possono combinarsi nei prodotti.

Alcune reazioni hanno una bassa energia di attivazione, per cui il calore presente nell'ambiente cellulare è sufficiente ad attivare i substrati. La maggior parte delle reazioni metaboliche (ad esempio la glicolisi o l'ossidazione degli acidi grassi) tuttavia ha un'energia di attivazione elevata e non avverrebbe praticamente.

mai spontaneamente nelle condizioni cellulari. Profilo energetico di reazione Gli enzimi servono ad abbassare l'energia di attivazione per passare dai substrati ai prodotti, rendendo possibili le reazioni del metabolismo cellulare. Come si vede dall'immagine, il salto di energia necessario per attivare i substrati è minore in presenza degli enzimi. Come funzionano gli enzimi Gli enzimi possiedono tasche di legame altamente specifiche per i substrati di una certa reazione. Possono così avvicinare i due substrati in modo che i loro gruppi reattivi siano nella posizione ottimale. Inoltre, gli enzimi possiedono una tasca detta sito attivo, in cui le catene R degli amminoacidi prendono contatto con i gruppi reattivi dei substrati facilitando la sintesi dei prodotti. Legame enzima-substrato L'enzima forma con il substrato il complesso ES (enzima-substrato), grazie alla complementarietà del suo sito di legame in cui catene laterali R degli amminoacidi sono posizionate inmaniera ottimale per interagire con le porzioni corrispondenti dell'amolecola di substrato. La formazione del complesso ES procede solitamente attraverso due passaggi:

• il substrato entra nel sito di legame attraverso la complementarietà strutturale (modello chiave-serratura);
• l'interazione del substrato con l'enzima causa una modificazione della struttura terziaria di quest'ultimo che assume la conformazione attiva in cui i substrati sono correttamente posizionati per la catalisi (adattamento indotto).

Gli enzimi sono regolati. Oltre a rendere possibile le reazioni metaboliche, gli enzimi sono importanti punti di regolazione. La loro attività può essere regolata:

• dalla concentrazione dei substrati e dei prodotti;
• dal pH;
• da cofattori essenziali per la reazione come gli ioni metallici Ca2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+;
• dalla temperatura.

Esistono inoltre molecole o addirittura piccole proteine che, legandosi ad un enzima, lo possono

attivare o inibire. Agendo sugli enzimi, la cellula è in grado di operare una fine regolazione della velocità delle sue vie metaboliche.

Nucleotidi e acidi nucleici

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica. L'acido ribonucleico RNA e l'acido desossiribonucleico, DNA, sono i depositari dell'informazione genetica.

Essi sono polimeri, ovvero macromolecole costituite dalla ripetizione di unità semplici (monomeri). Le unità degli acidi nucleici sono i nucleotidi.

L'ordine in cui sono disposti i singoli nucleotidi nella catena polimerica dell'acido nucleico specifica il loro contenuto di informazione genetica.

Negli organismi viventi, il DNA serve a immagazzinare e trasmettere alla progenie l'informazione genetica. L'RNA, invece, serve a rendere disponibile l'informazione per la sintesi delle proteine o svolge ruoli di regolazione.

I nucleotidi: ribosio e desossiribosio

L'unità base degli acidi nucleici sono

I nucleotidi sono costituiti da due molecole chimiche differenti: uno zucchero e una base azotata.

Nell'RNA, al carbonio C2 dello zucchero sono legati un idrogeno e un gruppo -OH: è il D-riboso.

Nel DNA, in posizione C2 sono legati due idrogeni a formare il 2-desossi, D-ribosio.

Nucleotidi: struttura generale

Essendo zuccheri ciclici, il carbonio C1 del ribosio e del desossiribosio è anomerico. Qui si lega la base azotata con legame β-N-glicosidico, quindi tutti i nucleotidi sono β-anomeri rispetto allo zucchero. La molecola formata da base + zucchero è detta nucleoside. Si ha un ribonucleoside se lo zucchero è il D-ribosio (RNA) o un deossiribonucleoside se lo zucchero è il 2-desossi, D-ribosio (DNA).

Le catene di DNA e RNA sono formate dai derivati 5'-fosfato dei nucleosidi, ovvero molecole che hanno un gruppo fosforico legato con legame estere al carbonio C5 dello zucchero. Questi nucleosidi 5'-monofosfati sono

detti nucleotidi. Nella cellula esistono anche nucleotidi di- e trifosfati, ovvero che presentano una catena di due e tre gruppi fosforici, rispettivamente, legati al C5 dello zucchero.

Le basi azotate

I nucleosidi contengono principalmente cinque differenti basi azotate: tre di tipo purinico e due di tipo piramidinico.

Le basi pirimidiniche sono così chiamate perché derivano dalla pirimidina, un composto eterociclico formato da un anello a 6 atomi di formula generale.

Le basi puriniche presenti nei nucleosidi sono:

• l’adenina (6-amino purina);
• la guanina (2-amino-6-ossipurina).

Queste due basi si trovano sia nei ribo- che nei desossiribonucleotidi (quindi sia nell' RNA che nel DNA).

Le basi pirimidiniche presenti nei nucleosidi sono:

• la timina (5-metiluracile) che si trova solo nel DNA;
• la citosina (5-metil-2,4 diossi pirimidina) che si trova sia nell' RNA che nel DNA;
• l'urac