Riassunto esame Biologia, prof. Martino, libro consigliato L'essenziale di biologia molecolare della cellula, Alberts, Bray

MOLECOLE VETTRICI

Quando una molecola viene ossidata libera energia (e-) che viene temporaneamente immagazzinata in molecole

adibite al traporto energetico (vettori attivati) sotto forma di energia di legame chimico nei legami covalenti,

conservando gli elettroni o immagazzinando gruppi chimici rapidi da trasferire. Questi vettori servono per

trasportare energia dove è necessaria per fare avvenire alcune reazioni e sono “attivati” quando posseggono ciò

che devono trasportare.

La biosintesi di questi vettori (che è sfavorita energeticamente) segue una reazione favorita energeticamente, che

libera calore, che viene prontamente recuperato per sintetizzare i vettori. L’accoppiamento delle due reazioni è

garantito da enzimi appositi che conservano temporaneamente l’energia (in parte c’è sempre una minima

dispersione di calore).

ATP – Adenosin 5’-trifosfato L’ATP è la molecola di scambio energetico della cellula: si forma

a partire dalla fosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato

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PO ) dell’ADP (adenosin 5’-difosfato) e l’ADP a sua volta si

ottiene tramite idrolisi di ATP (che produce ADP + fosfato

inorganico). Il passaggio da ATP a ADP libera 11 kcal/mol che

vengono impiegati per diverse attività cellulari. L’energia

derivata dall’idrolisi di ATP viene spesso convogliata nei legami

che si formano nel corso di reazioni sfavorite energeticamente

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(es. A+B A-B) come nel caso della sintesi dell’amminoacido

glutammina nel quale la molecola finale è ottenuta mediante

una serie di passaggi intermedi che formano molecole unitesi

grazie all’energia derivata da ATP.

NADH e NADPH – vettori di elettroni e atomi di idrogeno

NADH+ (nicotinammide adenin dinucleotide) e NADP+ (nicotinammide adenin dinucleotide fosfato) possono

trasportare 2 elettroni quando si trovano nella forma, rispettivamente, di NADH e NADPH (nome del composto +

ridotto – perché hanno acquisito elettroni e il loro n.o. si è abbassato!), in ultima analisi questi vettori trasportano

temporaneamente ioni idruro. L’NADPH si forma a partire da NADP+ perché si riduce (accettando una

molecole di H+) e il substrato a cui sono stati presi gli elettroni si ossida; lo

ione idruro viene poi rapidamente ceduto ad un’altra molecola perché

solitamente in essa ha una conformazione più stabile. La differenza tra

NADPH e NADH è soltanto nella presenza del gruppo fosfato in una parte

della molecola che non è coinvolta nella reazione di ossidoriduzione: serve

soltanto per classificare la molecola e far compiere ai due vettori compiti

diversi che coinvolgono enzimi diversi.

Le molecole di NADH sono coinvolte negli stati intermedi nel corso di

ossidazioni di grosse macromolecole, principalmente quindi agisce come

agente ossidante (fa ossidare la molecola e si riduce) ed è presente in

grandi quantità mentre NADPH fornisce elettroni nel corso di reazioni anaboliche e dunque risulta essere un agente

riducente (e esso stesso si ossida).

Esistono anche molti vettori che trasportano temporaneamente un gruppo chimico che viene rilasciato ove

necessario: il coenzima A è adibito al trasporto del gruppo acetile ( - COCH ) e nelle forma attivata è noto come

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acetil CoA. Tutti i vettori che trasportano gruppi chimici sono costituiti da una parte organica che costituisce il

“manico” del vettore + il gruppo chimico di riferimento. Spesso i vettori che trasportano gruppi chimici sono

“attivati” dall’energia che viene distribuita da ATP (quindi il motore energetico della cellula è l’ATP).

La maggior parte del peso secco (che non considera l’acqua) cellulare è composto da macromolecole costituite da

subunità piccole unite tramite condensazione (eliminazione di una molecola di H O): queste macromolecole sono

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distrutte aggiungendo una molecola di H O tra i diversi componenti della macromolecola che si separano (reazione

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idrolitica – favorita energeticamente). La biosintesi richiede spesso molta energia e capita a volte di avere

necessità maggiori che vengono soddisfatte idrolizzando anche l’ultimo fosfato di ADP (e quindi ottendo AMP e PP

inorganico) e ottenendo così 26 kcal/mol.

PROTEINE – Struttura e funzione

La maggior parte della cellula è costituita da acqua e proteine, macromolecole costituite da amminoacidi in

sequenza che differiscono per forma e funzione e contribuiscono a svolgere la maggior parte dei compiti cellulari.

Esistono una quantità molto ampia di proteine: enzimi, che velocizzano le reazioni cellulari, proteine strutturali,

forniscono supporto meccanico alla cellula (es. tubulina), proteine di trasporto, che trasportano molecole e piccoli

ioni (es. Hb), proteine motrici, che generano la contrazione (es. miosina), proteine di accumulo, che accumulano

sostanze (es. ferritina per il Fe), proteine segnale, che portano messaggi dentro e fuori dalla cellula (es. ormoni),

proteine recettore, che inoltrano il messaggio dentro la cellula (es. recettore per l’insulina che si trova sulla

membrana delle cellule epatiche), proteine regolatrici, che si legano al DNA e inibiscono o attivano la codifica di

alcuni geni.

La proteina è costituita da una sequenza lineare di aminoacidi (ne esistono 20 in natura) che si legano tra loro

mediante il legame peptidico. Per questo motivo le proteine sono definite polipeptidi e la sequenza aminoacidica è

unica per ogni proteina. Tutti gli aminoacidi sono composti da un’ossatura di base che è coinvolta nel legame

peptidico e da una catena laterale, R, che determina le caratteristiche della proteine e che non sono coinvolti nel

legame peptidico. Di per sé la sequenza aminoacidica ha molta liberta di conformazione (sono legami covalenti

semplici), tuttavia a causa dei numerosi ripiegamenti dovuti a legami deboli tra atomi dell’ossatura e delle catene

R, ogni proteina ha una sua specifica conformazione.

I legami deboli alla base della struttura tridimensionale della

proteina sono: legami a idrogeno (per gruppi R polari), legami

ionici, forze di van der Waals e interazioni idrofobiche (gli

aminoacidi idrofobici tendono a sistemarsi internamente alla

proteina per minimizzare il contatto con la soluzione acquosa).

La struttura tridimensionale di una proteina è detta

conformazione ed è stato dimostrato che se la proteina (tramite

specifici solventi che eliminano le interazioni deboli) viene

denaturata, ovvero diventa una catena lineare senza specifica

conformazione, all’eliminazione dei solventi specifici, la proteina

si rinatura: questo significa che la conformazione tipica di ogni

proteina è insita nella sequenza aminoacidica stessa e questa

conformazione è quella con il minor grado di energia libera.

La forma della proteina può leggermente cambiare a causa di interazione tra macromolecole, ma, generalmente

una variazione nella conformazione proteica si associa alla presenza di malattie perché la proteina stessa

danneggia i tessuti (es. proteina prionica PrP con conformazione errata che tende a fare assumere la sua

conformazione alle proteine sane di altre cellule). Per ovviare a tale problema esistono alcune proteine specifiche

chaperon (secondatori molecolari) che hanno il compito di dirigere la catena polipeptidica ad assumere la

conformazione a minore energia libera (anche se la conformazione è già prestabilita nella sequenza aminoacidica).

Per capire il ruolo svolto da una proteina è importante capire quale sia la sua struttura aminoacidica: per farlo è

possibile usare un metodo diretto, che consta nell’analisi diretta degli aminoacidi che compongono la sequenza

polipeptidica, o un metodo indiretto, nel quale si sequenziano i geni che codificano per le proteine (anche a partire

da una prima analisi diretta) e poi si “traduce” ciò che i geni sintetizzano per valutare che aminoacidi e proteine

andranno a produrre.

Struttura secondaria

La struttura primaria consiste nella sequenza lineare degli aminoacidi con i loro corpi e le catene laterali.

Un primo ripiegamento della catena polipeptidica si osserva con le due possibili conformazioni che si creano a

partire dalle interazioni tra i gruppi N-H e C=O dello scheletro del polipeptide.

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Elica α Struttura dove il gruppo N-H di un aminoacido interagisce con il gruppo C=O di un altro aminoacido ogni

4 legami peptidici (un giro di elica è composto da 3,6 aminoacidi). L’elica è composta da elementi impilati sfalsati

ognuno degli stessi gradi dall’altro e può essere destrorsa o sinistrorsa (se viene capovolta non varia il suo senso

di rotazione). E’ abbondante nelle membrane cellulari dove funge da recettore o proteina transmembrana e in esso

l’ossatura idrofilica è posta all’interno e le catene idrofobiche interagisco con il doppio strato lipidico. A volte 2

eliche α si associano creano una spirale ritorta dove all’interno sono poste le catene laterali idrofobiche

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Foglietto β Struttura causata da legami idrogeno che si formano tra due catene polipeptidiche (della stessa

proteina!) che decorrono parallelamente: se entrambe decorrono verso lo stesso verso si parla di piano β parallelo

mentre se decorrono in senso diverso si parla di piano β antiparallelo. Questa struttura si trova generalmente nella

parte interna delle proteine e garantisce resistenza alla trazione e al freddo (es. proteina anticongelante colettero).

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Struttura terziaria Insieme di piani β e eliche α oltre che dei tratti senza una specifica disposizione e pieghe che

si formano tra il C – terminale e l’N-terminale del polipeptide.

Ripiegamenti di più catene polipeptidiche tra loro costituiscono la struttura quaternaria.

Un altro modo per definire la conformazione e la struttura della proteina è quello di definire ed individuare i domini

proteici della proteina ovvero tutte quella parti di essa che possono ripiegarsi autonomamente in una struttura

stabile secondaria/terziaria. Solitamente un dominio è composto da 100-250 aminoacidi. Una proteina può anche

essere costituita da numerosi domini e solitamente ognuno di essi riflette una specifica funzione: la proteina CAP

(p. di attivazione catabolica) dei batteri lega l’AMP ciclico in un dominio che causa un cambiamento

conformazionale nella molecola che porta il II dominio a legarsi al tratto di DNA da “accendere”. 300 390

Tecnicamente le catene polipeptidiche possibili sono infinte (una catena polipeptidica da 300 aa ha 20 = 10

sequenze) ma soltanto quelle con una configurazione stabile in relazione all’utilità biochimica esistono realmente e

sono emerse nel corso dell’evoluzione.

Le proteine possono essere raggruppate in famiglie di proteine dove ogni membro proteico si assomiglia con l’altro

e la struttura è press