Chimica biologica

Composizione del corpo umano e importanza dell'acqua

Se consideriamo il numero di elementi che compongono il corpo umano, ci rendiamo conto che sono principalmente: ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. L'acqua è la molecola della vita: prima di tutto l'acqua rende possibile la vita sulla terra. Ogni essere vivente ha bisogno di acqua per vivere. Le biomolecole lavorano in soluzione acquosa e risultano stabilizzate da un numero elevato di interazioni deboli come per esempio i legami a idrogeno.

Legami nei processi metabolici

Perché i legami deboli sono vantaggiosi rispetto ai legami forti nei processi metabolici? Essendo più deboli i legami richiedono meno energia.

Il pH nei sistemi biochimici

Il pH è un importante parametro dei sistemi biochimici. Il mantenimento del pH entro stretti intervalli è dovuto alla presenza di tamponi fisiologici. Il pH è controllato dalla concentrazione di elettroliti e ioni la cui concentrazione nei vari compartimenti è strettamente controllata e regolata.

Sistemi di pompe ioniche

Quali sono i sistemi di pompe che regolano le concentrazioni degli ioni a livello intra ed extracellulare? Le pompe ioniche mobilizzano gli ioni attraverso la membrana plasmatica contro il loro gradiente elettrochimico, e quindi con un trasporto di tipo attivo effettuato grazie ad una continua spesa energetica. Le pompe ioniche sono molteplici, ma per il neurone la più importante fra queste è senza dubbio la pompa Na+/K+.

Definizione di tampone

Cos'è un tampone? Quali sono le molecole in grado di fungere da tampone in un sistema chimico? Si definisce tampone una soluzione contenente un acido debole e i suoi sali o una base debole con i suoi sali. Questo chimicamente permette alla soluzione di mantenere il pH relativamente stabile in caso di aggiunta di acidi o basi. Questo succede fino a che rimane la presenza contemporanea dei sali.

Composizione e specificità dei tessuti

Il corpo umano è costituito dal 65-70% di acqua e percentuali molto diverse di macromolecole come le proteine, lipidi e glucidi. Vi sono molecole essenziali che vengono introdotte con la dieta come le vitamine.

Tessuti e organi

Tutte le cellule hanno lo stesso patrimonio genetico ma quello che cambia è il patrimonio proteico (il proteoma) sia a livello qualitativo che quantitativo e questo determina la specificità metabolica di ogni tessuto. Ogni tessuto è caratterizzato da una specificità metabolica e tutti insieme partecipano a mantenere un'omeostasi sistemica in termini di concentrazione degli intermedi metabolici circolanti e di produzione di prodotti di rifiuto.

Importanza del sangue

Prendiamo in considerazione un tessuto molto importante: il sangue. Il suo componente principale è il plasma: il componente liquido del sangue nel quale sono sospesi i globuli rossi, i globuli bianchi e le piastrine. Rappresenta più della metà del volume di sangue ed è composto principalmente da acqua in cui sono disciolti sali minerali (elettroliti) e proteine. La proteina plasmatica principale è l'albumina.

Aminoacidi e proteine

Ogni amminoacido è codificato a livello del DNA. Il cambio di una base nucleotidica nel filamento di DNA della tratta di sequenza codificante un gene si traduce in una proteina con un potenziale difetto nella sua sequenza primaria e di conseguenza nella sua struttura secondaria e terziaria.

Il proteoma

Il proteoma è l'insieme delle proteine che agiscono in una certa cellula e dipendono dal tipo di cellula, dal momento, dalla età, dal tessuto, ed è altamente variabile dinamico. I 20 aminoacidi (AA) sono descritti sia in termini di nome per esteso, di sigla a tre lettere e una lettera dell'alfabeto. Vi sono più codoni per uno stesso AA. Con quattro possibili "lettere" (le basi) si possono scrivere 64 (4³) parole di tre lettere (i codoni), ma gli amminoacidi specificati da questi codoni sono soltanto 20.

Proprietà chimiche degli amminoacidi

Al pH fisiologico (pH=7.4) il gruppo carbossilico è dissociato e il gruppo amminico è protonato. La catena laterale è importante dal punto di vista chimico fisico, vi sono fino a 20 tipi di catene laterali diverse. Il carbonio alfa è centro chirale.

• Gli amminoacidi contengono un C asimmetrico legato a quattro gruppi diversi che rende la molecola chirale (otticamente attiva).
• Chirale = non sovrapponibile alla propria immagine speculare.
• Due molecole identiche in tutto, salvo l'essere una l'immagine speculare dell'altra tra loro non sovrapponibili, sono dette enantiomeri.
• Tutti gli amminoacidi naturali sono della serie L, con il gruppo amminico –NH₂ a sinistra.
• La chiralità è importante nel riconoscimento tra enzimi e ligando.

Proprietà acido-base degli amminoacidi

Gli AA sono acidi e basi deboli per cui in soluzione acquosa si comportano come tamponi. La reazione quantitativa tra concentrazione di un acido (HA) e la sua base coniugata (A-) è rappresentata dall'equilibrio: HA ↔ H⁺ + A^-. La costante di dissociazione dell'acido è Ka = [H⁺] [A^-] / [HA]. Il pH è calcolato come: pH = pKa + log [A^-] / [HA]. Un tampone ha la sua massima efficacia quando il pH è uguale al pKa.

Forma isoelettrica e zwitterione

La forma isoelettrica di un AA, come nel caso della valina che possiede una catena laterale alifatica ramificata, a pH neutro assumerà una struttura con una carica positiva e una negativa formando una struttura dipolare a carica netta pari a zero. Questa forma chiamata zwitterione reagirà all'aggiunta di equivalenti di [OH^-] comportandosi come un tampone e quindi contrastando la variazione di pH.

Legame peptidico

Il legame peptidico ha carattere di doppio legame parziale e risulta essere più corto di un legame singolo essendo rigido e planare. Si trova in configurazione trans, non porta cariche ma è di tipo polare. La formazione del legame peptidico tra due amminoacidi in natura è un processo complesso, che passa attraverso molti passaggi. Il prodotto finale è una ammide, che si ottiene per perdita di H₂O tra il gruppo amminico di un amminoacido e quello carbossilico dell'altro amminoacido. Il legame peptidico definisce la sequenza degli amminoacidi nella catena polipeptidica.

Caratteristiche e funzioni delle proteine

Le proteine sono macromolecole costituite da catene di aminoacidi (AA), di circa 5.000 - 1.000.000 Dalton. Il compito delle proteine nei sistemi viventi è di svolgere specifiche funzioni secondo modalità previste dal programma genetico delle cellule. La specifica sequenza degli aminoacidi nella catena determina la struttura terziaria delle proteine (conformazione). La conformazione di ogni proteina è determinante per la sua funzione.

Funzioni delle proteine

• Componenti strutturali
• Proteine dei sistemi contrattili
• Trasportatrici di molecole
• Trasmettitrici di messaggi
• Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi)
• Componenti del sistema di difesa contro i patogeni (immunoglobuline)
• Controllo e regolazione dell'espressione genica (DNA polimerasi)
• Deposito di materiale (ferritina per gli ioni ferro)

Struttura delle proteine

La struttura primaria è caratterizzata dalla presenza di legami covalenti. L'analisi della struttura primaria è importante per studiare le caratteristiche strutturali e funzionali delle proteine, paragonare proteine di organismi diversi e studiare le proteine patologiche.

Strutture secondarie delle proteine

La struttura secondaria delle proteine è la disposizione nello spazio degli atomi dello scheletro della proteina. È caratterizzata da legami idrogeno tra gli NH ammidici ed i gruppi carbonilici dello scheletro polipeptidico. I tipi di struttura secondaria maggiormente presenti nelle proteine sono l'alfa-elica, il foglietto beta-ripiegato e il ripiegamento-beta.

Nella struttura ad alfa-elica il gruppo carbonilico di ogni residuo amminoacidico è legato mediante un legame idrogeno al gruppo amminico dell'amminoacido posto quattro residui amminoacidici più avanti. All'interno dell'alfa-elica ogni legame peptidico partecipa alla formazione di questi legami idrogeno (con l'esclusione di quelli vicini alle estremità dell'elica).

La struttura ad alfa-elica presenta le seguenti caratteristiche:

• Avvolgimento destrorso della catena
• Gruppi R all'esterno
• Passo dell'elica di 5.4 Å
• 3.6 residui amminoacidici per ogni giro dell'elica

Diversi fattori possono impedire la formazione dell'alfa-elica tra cui:

• Ingombro del gruppo R: residui di Asn, Ser, Thr, Cys
• Carica del gruppo R: residui di Glu, Lys, Arg
• Residui di glicina: troppo flessibile
• Residui di prolina: l'atomo di azoto fa parte di un anello rigido e non è possibile alcuna rotazione intorno al legame N-C_α

Nella struttura a foglietto beta-ripiegato lo scheletro covalente della catena polipeptidica assume un andamento a zig-zag con i gruppi R all'esterno. In questa struttura si formano legami idrogeno tra l'atomo di idrogeno del gruppo NH di un legame peptidico e l'atomo di ossigeno del gruppo CO del legame peptidico posto di fronte.

In un foglietto beta-ripiegato le catene polipeptidiche possono avere:

• La stessa direzione (foglietti-beta paralleli)
• La direzione opposta (foglietti-beta antiparalleli)

Il ripiegamento beta è responsabile dei cambiamenti di direzione delle catene polipeptidiche tipici delle proteine globulari; collega le estremità di due segmenti adiacenti aventi strutture ad alfa-elica o a foglietto beta-ripiegato.

Nel ripiegamento beta, che contiene quattro residui amminoacidici, il gruppo carbonilico del primo residuo forma un legame idrogeno con il gruppo amminico del quarto residuo.

Una proteina con sequenze di amminoacidi polari sarà destinata ad un ambiente acquoso e quindi sarà facilmente una proteina solubile (secrete o citosolica) mentre quelle con segmenti costituiti da AA non polari presenterà domini di membrana e quindi facilmente legata a membrane. Gli amminoacidi polari si distribuiscono sulla superficie delle proteine solubili; gli amminoacidi non polari si dispongono sulla superficie delle proteine di membrana.

Struttura terziaria delle proteine

La struttura terziaria di una proteina è l'organizzazione tridimensionale che la proteina assume nello spazio; rappresenta l'ulteriore ripiegamento della catena polipeptidica e dipende dalla struttura primaria della proteina. La struttura terziaria è caratterizzata da interazioni chimiche tra i gruppi R degli amminoacidi come:

• Ponti disolfuro (tra due residui di cisteina)
• Interazioni elettrostatiche
• Legami idrogeno
• Interazioni idrofobiche
• Interazioni di Van der Waals

Struttura quaternaria delle proteine

Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche dette subunità, che possono essere uguali o diverse; l'organizzazione delle subunità in complessi tridimensionali costituisce la struttura quaternaria. Le varie subunità sono unite mediante interazioni deboli, come:

• Legami idrogeno
• Interazioni elettrostatiche
• Interazioni idrofobiche

Le subunità possono:

• Avere funzioni diverse, correlate tra loro (es. subunità catalitiche e subunità regolatorie negli enzimi allosterici)
• Svolgere la stessa funzione (es. emoglobina, proteine di rivestimento dei virus)
• Funzionare in modo indipendente l'una dall'altra
• Funzionare in modo cooperativo

Ruolo della cisteina nelle proteine

La cisteina è una molecola con un particolare legame di tipo S-S definito ponte disolfuro, fondamentale per permettere a questa molecola di legarsi con le sue simili anche se sono in punti differenti della catena polipeptidica, andando a modificare così in maniera determinante la proteina che andrà poi a interessare i processi organici dell'organismo. Due molecole di cisteina legate fra loro formano una molecola di cistina.

Ponti di solfuro nei capelli e nei peli

La cistina, e quindi di conseguenza la cisteina dalla quale deriva, sono indispensabili nei processi di cheratinizzazione; è presente in abbondanza sullo strato superficiale ed esterno della cuticola pilifera. Questo determina la differenza tra capelli ricci e capelli lisci.

Denaturazione di una proteina

La perdita della struttura tridimensionale di una proteina, il processo di denaturazione, può essere reversibile: ritorno alle condizioni originali (ad esempio, abbassamento della temperatura o allontanamento del solvente organico) può far sì che la proteina riprenda spontaneamente la sua struttura nativa. Tutta l'informazione di cui un polipeptide necessita per adottare la struttura nativa corretta, è contenuta nella propria sequenza amminoacidica. Le proteine assumono diversa struttura quaternaria che dipende dalla presenza di più subunità (catene polipeptidiche) uguali o diverse. Per il corretto ripiegamento di queste strutture proteiche complesse è necessaria la presenza di un sistema di controllo di qualità che permette il corretto ripiegamento delle subunità e della struttura nativa.

Importanza del ripiegamento delle proteine

Quali sono i fattori che influenzano il ripiegamento delle proteine? Perché il ripiegamento delle proteine è così importante? La forma influenza la struttura, le interazioni e le funzioni delle proteine. Il ripiegamento delle proteine è così importante perché ci permette di comprendere come possiamo sfruttare la conoscenza del ripiegamento delle proteine nel campo della salute e della cura delle malattie. Le proteine si possono sfruttare in ambito medico perché, conoscendole, si possono identificare le proteine contenute sui virus e creare un vaccino o un farmaco contro di esso.

Ripiegamento o folding di una proteina

Esistono due fattori che sembrano impedire il corretto ripiegamento di proteine più grandi che sono:

• La tendenza a formare aggregati insolubili: durante il ripiegamento, nel tentativo di proteggere i loro residui idrofobici dall'acqua, due o più polipeptidi diversi possono aggregarsi tra loro formando complessi insolubili e pertanto non funzionanti.
• La tendenza ad intraprendere percorsi secondari che portano ad un ripiegamento scorretto può portare a proteine che essendo mal ripiegate sono instabili e non funzionanti o proteine mal ripiegate stabili ma non funzionanti.

Il ripiegamento corretto di una proteina, oltre che dalla sua composizione amminoacidica, è determinato dall'aiuto di altre proteine, note come chaperoni molecolari o proteine da stress (HSP). Esponendo le cellule a temperature di 35/37°C, si rilevava un calo nella sintesi delle proteine della cellula, e i dispositivi deputati alla sintesi proteica lavoravano a ritmi serrati per la sintesi delle Hsp, il cui ruolo era quello di ripristinare la struttura tridimensionale di proteine che, in seguito allo shock termico, erano andate incontro a denaturazione.

Ruolo dei chaperoni

I chaperoni molecolari svolgono la loro azione legandosi a residui idrofobici esposti della proteina bersaglio. La loro azione, in questo modo, è duplice:

• Impediscono che questi possano interagire con altri residui idrofobici di proteine vicine nel tentativo di proteggersi dal contatto con l'acqua, e quindi impediscono la formazione degli aggregati insolubili.
• Impediscono che i residui idrofobici della stessa proteina si aggreghino prematuramente tra loro originando una conformazione errata.

Il proteoma

Il proteoma umano è l'insieme di proteine espresse dal nostro genoma. Le informazioni sulle proteine devono riguardare non solo la struttura chimica e la funzione ma anche il tessuto in cui generalmente si trovano.

• Il Proteoma può variare tra due individui della stessa specie.
• Il Proteoma in uno stesso individuo può variare nel tempo.
• Il Proteoma può variare in risposta ai cambiamenti ambientali.

Malattie legate al mal ripiegamento delle proteine

Le malattie associate al mal ripiegamento delle proteine includono:

• La malattia da aggregati di fibrille di amiloide Alzheimer
• Le malattie prioniche encefalopatie spongiformi trasmissibili e Morbo di Creutzfeldt-Jacob
• Proteopatie

Enzimi

L'enzima è una proteina. Un enzima è costituito da un sito catalitico. Se abbiamo una molecola che ha le sembianze del substrato per quanto riguarda la parte che si adatta al sito attivo possiamo avere l'inibizione dell'enzima, detta inibizione competitiva.

Inibizione enzimatica

Inibizione non competitiva avviene quando due siti attivi sono presenti: quello del substrato e un sito modulatore in cui viene accolto un inibitore che, adattandosi al sito modulatorio e quindi inibitorio, va a modificare il sito attivo, motivo per cui il substrato non riesce più a interagire, quindi si ha un inibitore non competitivo. Esistono anche inibizioni miste (competitive e non competitive).

Enzimi che non seguono la cinetica

L'enzima allosterico presenta oltre al sito attivo anche altri siti modulatori (detti siti allosterici), quindi la cinetica enzimatica allosterica, essendo complessa, non è rappresentata da una cinetica iperbolica (poiché essa rappresenta rapporti enzima-substrato più semplici) ma da curve sigmoidi.

Reazioni semplici sono rappresentate dall'equazione di Michaelis-Menten. Le reazioni a spostamento singolo (sequenziali) vedono l'enzima legarsi all'attivatore, che poi si lega al substrato e forma il complesso enzima-attivatore-substrato secondo un meccanismo ordinato o casuale. Le reazioni a spostamento doppio vedono l'enzima legarsi al substrato solo dopo che il primo substrato è stato convertito in prodotto.