Biochimica veterinaria

Biochimica: composizione del corpo umano

1. Acqua 65%

2. Sali minerali 5%

3. Proteine 16%

4. Carboidrati o glucidi 1%

5. Vitamine

6. Nucleotidi... <1%

Citosol e solubilità delle molecole in acqua

Il citosol contiene piccole molecole organiche, metaboliti, che sono polari e restano intrappolati all'interno della cellula.

Solubilità di una molecola in acqua

• Regola il passaggio attraverso le membrane biologiche. A seconda quindi se la molecola è solubile o no cambierà il passaggio.
• Localizzazione intracellulare. Una molecola apolare, es. Vitamina E, andrà nelle membrane, perché la sua natura chimica si scioglie bene lì.
• Necessità di specifici meccanismi di digestione/assorbimento. Quelli più difficili da digerire sono i lipidi (i grassi) perché non si sciolgono in acqua.
• Necessità di trasporto mediante proteine/lipoproteine nel sangue. Per trasportare molecole non solubili in acqua, l'organismo produce proteine di trasporto che legano quelle molecole e le trasportano. Vitamina D non solubile in acqua, gira attaccata a una proteina.
• Distribuzione/accumulo nei diversi organi. Molecola poco solubile in acqua tenderà ad accumularsi nel cervello o nel tessuto adiposo invece che nel muscolo. Molecole solubili in acqua si accumulano dove ci sono tanti lipidi.

Se la catena idrocarburica ha OH, sarà tutta solubile in H₂O. Il glucosio è pieno di OH e anche se ha 6 atomi di C sarà comunque solubile in acqua. Le molecole anfipatiche (parte polare e parte apolare) sono fenilalanina e fosfatidilcolina.

Dissoluzione dei sali e gas importanti

Quando un sale come NaCl si scioglie, gli ioni Na⁺ e Cl^- acquistano una maggiore libertà di movimento determinando un aumento dell’entropia (disordine) del sistema che facilita la dissoluzione dei sali, come l’NaCl.

Durante la formazione della soluzione si ha una variazione di energia libera favorevole: ΔG = ΔH - TΔS, dove ΔH ha un piccolo valore positivo e TΔS un valore nettamente positivo; per cui ΔG sarà negativo.

Gas polari e non polari

I gas non polari importanti sono CO₂, O₂, N₂. I gas polari importanti sono NH₃, NO, H₂S.

Il numero delle molecole di acqua disposte in modo ordinato, e quindi l’entità della diminuzione dell’entropia, è proporzionale all’area della superficie del soluto idrofobico. L’energia libera necessaria per sciogliere un soluto non polare in acqua è quindi sfavorevole: ΔG = ΔH - TΔS, dove ΔH ha un valore positivo, ΔS ha un valore negativo e ΔG quindi positivo.

Reazioni chimiche e amminoacidi

Costante di equilibrio

La posizione all’equilibrio in una qualsiasi reazione chimica è espressa dalla costante di equilibrio Keq. Per la reazione A + B ↔ C + D è possibile definire la costante di equilibrio in base alla concentrazione dei prodotti e dei reagenti presenti all’equilibrio: Keq = [C]_eq [D]_eq / [A]_eq [B]_eq.

Nomenclatura a partire dal COOH

pKa = 2

HA ↔ H⁺ + A^- pH<pKa pH>pKa

pH = pKa

Ka = [H⁺] [A^-] : [HA] Ka : [H⁺] = [A^-] : [HA]

A pH 7 ci sono meno H⁺ pH = 2 10 alla meno 2 M pH = 7 10 alla meno 7 M

pKa = 2 pKa=10 pH<pKa pH>pKa

pH 7 inferiore al pKa che vale 10, la forma acida, che ora H₃N⁺. La formula a sx non può esistere nella realtà. A dx: è < 10, quindi a pH 1 l’O-pH 1 diventerebbe O⁺. Se vado a pH 12 sarà maggiore della pKa.

Domanda di esame ed esercizio

Domanda di esame di scrivere un pezzo di AA con le cariche giuste.

Oltre che gruppo NH₂^- e COOH^- terminale ci possono essere gruppi dissociabili anche in catene laterali R. Se pKa = 1.8 - 2.4 a pH = 7 come scritto a sinistra. Se pKa = 8-11 a pH = 7 come scritto a destra. Se pKa = 10 (tirosina) a pH = 7 come scritto a sinistra perché inferiore a pKa.

Proteine e amminoacidi

Le proteine sono formate sempre dalla stessa sequenza di 20 AA. Le proteine sono polimeri di AA in cui ogni residuo amminoacido è unito a quello vicino.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono molecole in cui sono presenti contemporaneamente un gruppo acido o carbossilico (comunemente COOH) e un gruppo amminico (solitamente primario, NH₂) legati allo stesso atomo di C, e differiscono l'uno dall'altro per la catena laterale o gruppo R.

I 20 AA sono tutti L-Alpha, eccetto la glicina che non è L. Infatti, c’è l’H al posto del gruppo R. La glicina non è né D né L. Gli AA delle serie D sono presenti solo in pochi peptidi, solitamente presenti nella parete cellulare dei batteri.

Presenza di AA nell'organismo

• AA proteici (parleremo sempre di questi) nell’organismo di un animale li possiamo trovare:
• Non legati a nient’altro che svolgono una propria funzione. Solubili in H₂O ma passaggio attraverso membrane regolato. Permette quindi a organismo di distribuire AA in base alla necessità. Pochi rispetto a quelli sotto forma di proteine.
• Sotto forma di Peptidi, brevi catene in cui AA sono legati tra loro con legame peptidico.
• Sotto forma di Proteine, la maggior parte degli AA in un organismo. Che come tali devo assorbirle, non sono digeribili e basta.

Ruoli biologici degli amminoacidi

• Costituenti di proteine e peptidi. AA fanno proteine e in piccola quantità i peptidi.
• Specifici ruoli biologici di AA liberi (ad es. L-glutammato un neurotrasmettitore).
• Precursore di altri metaboliti, molecola che si forma durante il metabolismo, alcuni come presenti nell’alimento, ma altri li produciamo a partire da AA. Ad esempio, la biosintesi di adrenalina e noradrenalina. Noi non mangiamo adrenalina ma dobbiamo assumere la L-tirosina per produrla, attraverso le proteine, se no non avremmo l’adrenalina. Mangiamo proteine per avere AA che ci danno per esempio neurotrasmettitori, eme, sfingolipidi, sali biliari (fatti dal fegato per digerire i lipidi), mediatori chimici, fosfolipidi, ormoni (es. ormoni della tiroide sono derivati dalla tiroxina e iodio insieme), nucleotidi (abbiamo bisogno di costruire adenina, guanina... quindi di AA), alcaloide (es. caffeina e altri farmaci, che per esempio in caso di operazioni aiutano molto), vitamine (molte derivano da AA).... tutte molecole di cui abbiamo assolutamente bisogno e per questo dobbiamo assumere le proteine. Molti di questi metaboliti sono genericamente definite Ammine Biogene, quando togliamo il COOH.
• Ruolo energetico: usa AA per ottenere energia, ossida atomi di C, li brucia, e l’energia che si ottiene permette di produrre ATP. AA usati a scopo energetico sono quelli carnivori, non quelli erbivori. Noi se possiamo a scopo energetico usiamo i carboidrati e i lipidi, gli AA possiamo usarli a scopo energetico ma non sono la nostra prima scelta.

Classificazione degli amminoacidi

Gli Amminoacidi sono classificati in 5 tipi in base alla polarità e alla carica (pH 7) dei loro gruppi R:

• Gruppi R alifatici apolari: Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Glicina (non forma però interazioni idrofobiche), Metionina (contenente zolfo) e Prolina. AA con catena laterale ramificata sono usati come fonte energetica dai muscoli e dal cuore: Leucina, Valina, Isoleucina, Alanina, Metionina (uno dei più importanti e meno abbondanti) e Prolina.
• Gruppi R aromatici: Fenilalanina, Tirosina e Triptofano (più grosso e meno abbondante che va mangiato); con catene laterali aromatiche, sono idrofobici.
• Gruppi R polari: Serina, Treonina (non ramificata ma con OH), Cisteina (AA che noi possiamo produrre ma non a sufficienza, da cui deriva la Taurina), Asparagina e Glutammina (che nel fondo hanno un’ammide, quindi mai carica).
• Gruppi R basici (carica netta positiva a pH 7): Lisina, Arginina e Istidina (l’unico AA ad avere una catena laterale ionizzabile con un pKa vicino alla neutralità).
• Gruppi R acidi (carica negativa netta a pH 7): Aspartato e Glutammato. A pH 7 sempre aspartato, non acido aspartico.

Cistina è il risultato dell’ossidazione di 2 molecole di cisteina, in cui c’è il gruppo SH che si ossida facilmente. Togliendo da ognuna delle 2 specie 1 elettrone e 1 protone complessivamente ne avremo 2. Il risultato è che i 2 atomi di S si legano tra loro con un legame covalente, il ponte disolfuro. La forma dei nostri capelli è dovuta ai ponti disolfuro che abbiamo nella cheratina. La cistina è una trasformazione della cisteina.

Amminoacidi essenziali e non essenziali

Non possiamo fare a meno dei nostri AA, alcuni sono definiti essenziali e altri non essenziali. I primi devono essere presenti nell’alimento nella quantità giusta, perché l’organismo non può produrli e se ne è in carenza non può produrre le proteine che gli servono. I “non essenziali” sono prodotti dall’organismo e per questo non è essenziale introdurli con il cibo.

Peptidi

Peptidi: hanno dimensioni che variano da 2 a 3 residui AA fino a migliaia di residui. 2 molecole di AA possono unirsi covalentemente mediante un legame ammidico, il legame peptidico, che forma un dipeptide. Questo tipo di legame si forma per eliminazione di una molecola di acqua (reazione di condensazione). Il legame peptidico viene fatto in una cellula nei ribosomi, attraverso la sintesi o traduzione, solo in risposta a una necessità dell’organismo. I peptidi sono la maggior parte prodotti perché c’è un gene che fa fare una lunga proteina che poi viene tagliata. Non conosciamo quanti ne abbiamo attivi nell’organismo. Molti si formano dal latte. La caseina genera per digestione peptidi che riusciamo ad assorbire. Li otteniamo dall’alimento, dalla proteina caseina, nel latte.

Proteine

Le proteine sono macromolecole funzionali, che attraverso la loro funzione permettono la vita. Sono costituite da polimeri di AA legati tra loro. Esistono proteine solubilissime in acqua (albumina) e altre non solubili (cheratina, che se assunta da noi non ha nessun valore nutritivo). Alcune sono fatte da 1 sola catena ma la maggior parte sono fatte da più catene polipeptidiche, da subunità.

Alcune sono molto positive, come gli istoni, che servono anche a regolare l’uso di informazioni. Ci sono molte proteine con necessità di cofattori, dove non basta la catena proteica ma serve qualcosa che non sia proteica. Ci sono alcune molto stabili e altre estremamente labili. In alcuni casi alcune proteine prodotte fanno la loro funzione e dopo vengono degradate perché non servono più, alcune hanno una durata anche di pochi minuti, altre invece durano tutta la vita. Nel DNA abbiamo circa 20.000 geni, quindi 20.000 proteine diverse, più o meno. Di queste non sono presenti tutte nella stessa quantità. La più abbondante nel siero è l’albumina (fatta di un'unica subunità).

Sperimentalmente non siamo ancora riusciti a vedere tutte e 20.000 le proteine, siamo solo a 17.000. La proteina più abbondante nel nostro organismo è il collagene. La proteina considerata più piccola è l’insulina, costituita da 2 subunità, 51 AA in tutto. La più grossa nell’essere umano è la Titina, fatta da 26,000 residui. Le proteine nobili hanno un contenuto di AA essenziali più simile alla necessità quindi sono migliori dal punto di vista alimentare. Noi animali non abbiamo nessuna fonte di riserva di AA. Se mangiamo troppe proteine le eliminiamo. La proteina ha una funzione quasi identica a quello che fa nell’uomo e nel bovino.

Funzioni delle proteine

• Strutturali: extracellulare (collagene) e intracellulare (tubulina)
• Enzimi: circa 8000
• Trasporto: emoglobina, albumina, trasportatori di membrana.
• Contrazione: miosina
• Recettori
• Canali ionici
• Anticongelante
• Protezione e lubrificante (mucine)
• Struttura cromatina e controllo espressione DNA
• Riserva: ovoalbumina

V-Typer ATPase è la proteina che produce ATP, tanta quanto pesiamo. Conosciamo anche atomo per atomo com’è fatto lo Zika virus (legato a malattie come la febbre gialla). Sono un agglomerato di acidi nucleici e poche proteine. Sappiamo anche atomo per atomo come sono fatti i ribosomi (un insieme di molecole di RNA e proteine, 50 e 50).

Struttura delle proteine

La disposizione spaziale degli atomi di una proteina, o di una porzione di una proteina, è detta conformazione. Le conformazioni possibili di una proteina corrispondono a tutte le strutture che la proteina può assumere senza rottura di legami covalenti. Le conformazioni che la proteina assume in condizioni diverse sono in genere quelle termodinamicamente più stabili, cioè che possiedono il più basso valore di energia libera di Gibbs (G). Queste conformazioni sono dette Native. Nel contesto della struttura delle proteine, la stabilità può essere definita come la tendenza a mantenere una conformazione nativa.

Struttura primaria

1. PRIMARIA o sequenza amminoacidica indica l’ordine con cui si succedono gli AA a partire dall’estremità ammino-terminale (e in base alla posizione dei legami disolfuro, se ci sono). Quest’ordine è codificato dal gene, cioè abbiamo una proteina (serie di AA in fila) perché c’è nel DNA una porzione di questo che codifica (ogni 3 nucleotidi mette quell’AA). Il ribosoma non mette insieme niente se non arriva un ordine chiamato RNAmessaggero.

In una proteina a sequenza primaria c’è sempre AA a sx che si chiama “estremità ammino-terminale/end” e a dx “estremità carbossile-terminale”. Per convenzione il primo AA è quello con il gruppo amminico libero, quindi la sequenza, l’ordine con cui si succedono, rappresenta la struttura primaria; significa che abbiamo il pezzo di DNA, gene, che tramite l’RNAmessaggero, mette in fila tutti questi. NON ESISTONO CATENE POLIPEPTIDICHE RAMIFICATE, sono sempre lineari e c’è il ripetersi sempre degli stessi atomi. La catena principale la chiamiamo back bone (spina dorsale), dal primo all’ultimo. Ci sono poi le catene laterali, ma sarà impossibile trovare quelle ramificate, non esistono. Tutte le proteine, quando vengono prodotte dal ribosoma, hanno come AA la metionina (N), che poi viene tolta nella proteina matura.

Struttura secondaria

2. SECONDARIA descrive l’organizzazione spaziale della catena principale polipeptidica (back bone), senza tener conto della conformazione delle catene laterali. L’H del NH legato in un AA forma un legame idrogeno con l’O del carbonile di un altro AA distante 4 residui, in base ai legami idrogeno potremo avere 2 tipi di strutture secondarie:

• Elica: ripiegamento in cui un C=O si viene a trovare vicino nello spazio all’NH di 4 AA avanti. Ogni 4 AA l’elica gira. Si formano legami idrogeno lungo il back bone che stabilizzano un andamento a elica, avvolta e rappresentata come un nastro. Alla formazione di legami idrogeno partecipa ciascun legame peptidico. Al centro dell’elica non c’è nessuno spazio vuoto, ma ci sono tutti gli atomi. Le catene laterali degli AA sono disposte verso l’esterno rispetto all’elica. La cheratina, ad esempio, è fatta completamente a elica con tanti ponti disolfuro (dove ci sono le cisteine si formano dei legami covalenti). Anche proteine non grosse come la leptina, ormone, tutto a elica. La struttura a elica è tipica delle proteine globulari, come la mioglobina.
• Foglietto: la catena peptidica non è avvolta ma estesa. Ci sono più catene che fanno legami idrogeno. Vedremo che ci sarà un legame idrogeno tra un pezzo e un altro e un altro ancora, facendo sì che nello spazio le tre zone si vengano, dopo il ripiegamento, a trovare vicine. Quindi si verranno a formare una serie di legami idrogeno tra porzioni diverse che stabilizzeranno questa struttura.

Struttura terziaria

3. TERZIARIO è dato dal ripiegamento della proteina nello spazio, struttura tridimensionale. Ogni proteina ha una sua struttura/forma terziaria, determinata dalla struttura primaria secondo fattori energetici oggi ancora in parte ignoti. Perché una proteina sia attiva non basta che ci sia una catena, la catena deve essere ripiegata in un modo giusto -> struttura nativa (forma biologicamente attiva). Se la proteina perde anche minimamente la sua struttura nativa, la sua forma, diventa inattiva. La forma di una proteina dipende dalla sua sequenza, che dà origine a molti legami H, ma sono importantissime anche le catene laterali da cui si formano migliaia di interazioni anche tra le diverse catene laterali (es. legami H inferiori, oppure interazioni ioniche - AA come la lisina che ha una carica netta positiva, se ripiegandosi nello spazio si trova vicino a un glutammico con una carica negativa ecco che in quel punto si formerà un legame forte, ionico). Il ripiegamento complessivo di una proteina è dovuto a tutte le possibili migliaia di interazioni che si formano tra tutti i suoi atomi. La forma della proteina è quella che da più interazioni, proprio a causa del suo ripiegamento, anche se non siamo in grado di calcolarlo. Un altro tipo di interazione molto importante è l’interazione idrofobica, cioè tra catene laterali che non possono fare legame H con l’acqua vengono espulse dall’acqua e quindi tenderanno ad essere all’interno della proteina.

Oggi c’è una tecnica, la cristallografia, che permette di vedere come sono fatte le proteine, dove si colloca ogni atomo di questa. La prima struttura di una proteina fatta è stata quella della mioglobina (esperimento durato 35 anni). Nella mioglobina abbiamo tante catene laterali diverse che possono interagire con quelle di un altro pezzo della proteina. Nella mioglobina umana (catena in alfa elica) abbiamo un cofattore chiamato eme inserito nella proteina, la cui funzione è quella di immagazzinare O₂. Il Ferro andrà a legarsi assieme e lo troviamo nel centro del cofattore. Le proteine globulari sono come delle sfere, con interno idrofobico ed esterno idrofilo. Le proteine sono così grosse perché: quando la proteina non è ripiegata le catene AA sono distinte, appena finisce di essere prodotta la proteina si ripiega spontaneamente, in modo da avere più legami possibili nelle sue catene laterali ed essere quindi stabile. Se io blocco la proteina ne blocco una essenziale per il patogeno. Qualsiasi molecola usiamo per bloccare la proteina del patogeno bloccherebbe anche la funzione patogena.