Domande Biochimica

Geometria dei legami di carbonio

La chimica degli organismi viventi è organizzata attorno all’elemento carbonio che forma legami di due tipi:

• Legami singolo (C-H)
• Legami doppi (C=O)

Può condividere una coppia di elettroni con un altro atomo di carbonio; legame singolo C-C molto stabile oppure condividere 2 o 3 coppie di elettroni C=C e C≡C. Geometria: disposizione tetraedrica dei 4 legami singoli lunghi 0,154 nm con angolo di 109,5°. Legami singoli C-C sono liberi di ruotare mentre i legami doppi C=C non consentono la rotazione libera. Inoltre, legami singoli di un doppio legame giacciono sullo stesso piano.

Principali gruppi funzionali delle biomolecole

Agli scheletri carboniosi possono essere uniti gruppi di atomi chiamati gruppi funzionali che conferiscono alla molecola specifiche proprietà chimiche. Molte molecole di interesse biologico possono essere considerate come composti derivati dagli idrocarburi (C e H). Lo scheletro di C è stabile ma l’H può essere sostituito dai gruppi funzionali. La "personalità" chimica del composto è determinata dalla chimica dei suoi gruppi funzionali e dalla loro posizione nello spazio.

Configurazione e conformazione

La disposizione nello spazio degli atomi è detta la sua stereochimica. I composti esistono sotto forma di stereoisomeri, cioè molecole diverse in cui l’ordine dei legami è lo stesso ma variano le loro relazioni spaziali tra atomi.

Configurazione

Indica la distribuzione spaziale degli atomi di una molecola dovuta alla presenza di:

• Legami doppi attorno ai quali non c’è rotazione
• Centri chirali intorno ai quali gli atomi sono organizzati con una specifica sequenza

Isomeri conformazionali: non possono convertirsi l’uno nell’altro senza avere una temporanea rottura di uno o più legami. Isomeri geometrici: Cis o Trans, differiscono per la distribuzione dei sostituenti rispetto al doppio legame non rotante. Un atomo di C con 4 sostituenti diversi è detto asimmetrico, l’atomo di C è un centro chirale e i sostituenti disposti nello spazio in diversi modi generano 2 stereoisomeri. Centri chirali n → Stereo-isomeri 2ⁿ. Enantiomeri: immagini speculari l’uno dell’altro, caratteristiche chimiche simili ma diversa interazione della luce polarizzata e quindi ruotano il piano in direzioni opposte (diastereoisomeri non sono enantiomeri).

Conformazione

La distribuzione nello spazio di gruppi di sostituenti senza rompere i doppi legami. Sono liberi di assumere posizioni diverse nello spazio per la libera rotazione di un legame. Sono due i tipi di conformazione che non è possibile isolare perché sono liberamente interconvertibili. Conformazione sfalsata più stabile e libera di ruotare conformazione eclissata.

Cos'è il legame idrogeno?

L’attrazione elettrostatica tra l’atomo O di una molecola d’acqua e l’H di un’altra molecola d’acqua porta a un’interazione elettrostatica detta legame idrogeno (legame H). È il legame covalente più debole. Nell’acqua allo stato liquido hanno un'energia di dissociazione del legame di 20 KJ/mole (348 KJ/mole legame covalente). A temperatura ambiente l’energia libera di una soluzione acquosa è dello stesso ordine di quella necessaria a rompere i legami H. Il numero di legami H che si formano tra le molecole d’acqua conferisce a questa una notevole coesione interna. L’acqua forma legami H con soluti polari. I legami H si formano facilmente tra l’atomo elettronegativo (accettore di H, di solito O₂ o N) più un atomo di H legato covalentemente a un altro atomo elettronegativo (donatore di H).

I legami di H sono più forti quando le molecole legate sono orientate in modo da tenere massima l’interazione elettrostatica che si ha quando l’atomo di H e gli altri due atomi che partecipano al legame sono su una linea retta, cioè quando l’atomo accettore è in piena linea con il legame covalente tra l’atomo donatore e l’H. Quindi i legami H sono direzionali e capaci di tenere insieme due molecole di acqua in una disposizione geometrica precisa.

Proprietà dell'acqua

• Punto di fusione 0° C
• Punto di ebollizione 100° C
• Calore di evaporazione 2260 J/g

Forti attrazioni tra molecole d’acqua adiacenti generano nell’acqua allo stato liquido una grande coesione interna.

Gruppi funzionali accettori e donatori di H nei sistemi biologici

Le biomolecole non cariche ma polari, come gli zuccheri, si sciolgono facilmente in acqua per effetto stabilizzante dei legami H che si formano tra gruppi ossidrilici e atomi di O₂ carbonilici dello zucchero e le molecole polari di H₂O. Aldeidi, alcoli, chetoni e composti con C-N (basi del DNA) formano legami H con l’acqua e tendono a essere solubili.

Legame H di gruppi peptidici

La stabilizzazione di una struttura secondaria delle proteine in gran parte dipende dalla formazione di legami H tra atomo legato all’azoto di un legame peptidico e atomo di O di un altro legame peptidico.

Gruppo carbonilico di un chetone e H₂O. Gruppo ossidrilico di un alcol e H₂O.

Solubilità in acqua di sali, molecole polari e apolari

L’acqua interagisce elettrostaticamente con i soluti carichi. L’acqua è un solvente polare che dissolve la maggior parte delle biomolecole che sono in genere composti carichi o polari. Idrofili: composti che si sciolgono in acqua (polari); idrofobi: non polari.

L’acqua scioglie i sali come NaCl idratando e stabilizzando gli ioni Na⁺ e Cl^- e quindi opponendosi alla loro tendenza a associarsi in forma cristallina perché indebolisce le loro interazioni elettrostatiche. Lo stesso vale per composti con gruppi funzionali: acidi carbossilici ionizzati –COO^-, ammine protonate –NH₃⁺. L’acqua scioglie questi composti sostituendo i legami H soluto-soluto con legami H acqua-soluto disperdendo le interazioni elettrostatiche perché la sua costante dielettrica (numero di dipoli presenti nel solvente) è molto alta.

Forza interazioni ioniche: dipende dalla carica Q degli ioni, dalla distanza tra gruppi carichi (r) e dalla costante dielettrica ∑ del solvente. Acqua ∑= 78,5 Benzene ∑=4,69.

Interazioni idrofobiche di soluti apolari e entropia delle soluzioni acquose

L’entropia aumenta quando le sostanze cristalline si sciolgono, è la misura del disordine. Quando un sale come NaCl si scioglie, gli ioni Na⁺ e Cl^- lasciano il reticolo cristallino acquistando una maggiore libertà di movimento (aumento entropia), causalità del sistema. Durante la formazione della soluzione si ha una variazione dell’energia libera dunque; ∆G = ∆H – T ∆S. I gas sono polari e sono poco solubili in H₂O. Gas biologicamente importanti: CO₂, O₂, N₂. Il passaggio di queste molecole di gas allo stato gassoso disordinato alla soluzione limita considerevolmente il loro movimento e quindi porta a una diminuzione dell’entropia. (Gas poco solubili in H₂O).

Alcuni organismi possiedono proteine trasportatrici solubili in H₂O, es. emoglobina e mioglobina, che facilitano il trasporto di O₂. La CO₂ forma H₂CO₃ acido carbonico nelle soluzioni acquose e viene trasportata così. Ammoniaca NH₃ e acido solforico H₂S sono polari e si sciolgono. I composti non polari determinano variazioni energeticamente non favorevoli alla struttura dell’acqua. Quando un idrocarburo viene mescolato con acqua si formano due fasi; nessun liquido è solubile nell’altro, sono idrofobici e non sono in grado di generare interazione favorevoli. Nei composti idrofili (sali) la variazione netta dell’entalpia ∆H per la dissoluzione di questi è in genere piccola. I composti idrofobici comportano un piccolo aumento dell’entalpia. Dissolvendo soluti in acqua si ha una diminuzione dell’entropia. Le molecole d’acqua che si trovano nelle immediate vicinanze del soluto non polare sono costrette ad assumere orientamenti che portano alla formazione di strati di molecole d’acqua ordinati intorno a ogni molecola di soluto. Il numero delle molecole d’acqua negli strati è proporzionale all’area di superficie del soluto idrofobico incluso dentro gli strati di molecole d’acqua.

Comportamenti anfipatici: da composti che contengono nella loro struttura sia regioni polari che regioni apolari. La regione idrofila reagisce favorevolmente con acqua e tende a dissolversi mentre la idrofobica evita il contatto con acqua. Si formano micelle in cui i gruppi idrofobici sono sequestrati e lontani dal contatto con acqua, non vi sono strati di molecole d’acqua ordinate e quindi l’entropia è alta. I legami che tengono uniti le regioni apolari sono le interazioni idrofobiche tra lipidi e lipidi + proteine. Sono importanti per le strutture delle membrane biologiche. Tra AA apolari stabilizzano la struttura 3D delle proteine. La forza dipende dal raggiungimento del sistema di una maggiore stabilità termodinamica minimizzando il numero di molecole di acqua ordinate necessarie a circondare la parte idrofoba. Sostanze anfipatiche: proteine, pigmenti, vitamine, steroli, fosfolipidi di membrana.

Tipi di interazioni non covalenti delle biomolecole

• Legame idrogeno: tra gruppi neutri tra legami peptidici.
• Interazioni ioniche: attrattive, repulsive.
• Interazioni idrofobiche
• Interazioni di Van der Waals: due atomi non carichi vengono a trovarsi molto vicini, le loro nuvole elettroniche si influenzano vicendevolmente. Le variazioni casuali degli elettroni intorno al nucleo causano un dipolo elettrico transitorio che ne riduce un altro opposto nell’atomo vicino. Questi due dipoli si attraggono debolmente portando i due nuclei vicini e le loro nuvole elettroniche iniziano a respingersi. In un punto in cui attrazione e repulsione si bilanciano, detto punto di contatto di Van Der Waals, i nuclei non possono ulteriormente avvicinarsi. Esiste per ogni atomo uno specifico raggio di Van Der Waals che stabilisce quanto un atomo può avvicinarsi a un altro. Queste 4 interazioni non covalenti si formano e si rompono continuamente, essendo non covalenti sono deboli. Un effetto cumulativo in una proteina in un acido nucleico può diventare significativo. Es: substrato di una proteina.

Osmolarità di soluzioni acquose

Tutti i soluti disciolti modificano alcune proprietà fisiche del solvente acquoso come:

• Pressione di vapore
• Punto di ebollizione o fusione
• Pressione osmotica

Queste sono proprietà colligative. L’effetto del soluto su queste proprietà dell’acqua è indipendente dalla proprietà chimica del soluto stesso e dipende soltanto dal numero di particelle presenti in una certa quantità di acqua. I soluti disciolti modificano queste proprietà abbassando la concentrazione di acqua. Le molecole d’acqua tendono a spostarsi da una regione in cui la sua concentrazione è maggiore a una in cui è minore. Quando queste due regioni sono separate da una membrana semipermeabile passa solo l’acqua e non il soluto e questo passaggio di acqua da alte concentrazioni a basse produce la pressione osmotica equazione di Van't Hoff: TT = iCRT. R è il gas, T la temperatura assoluta e iC è concentrazione molare per il fattore di Van't Hoff.

Osmosi: movimenti dell’acqua attraverso una membrana semi-permeabile guidati da una differenza di pressione osmotica TT. Fattore più importante per la vita delle cellule. Le membrane plastiche sono più permeabili all’acqua.

Isotoniche: due soluzioni con uguale osmolarità. Quando una cellula è circondata da una soluzione isotonica questa non perde molecole d’acqua.

Ipertoniche: la soluzione rispetto alla cellula ha osmolarità maggiore. La cellula tende a sgonfiarsi, perde H₂O, e la cellula tende a sgonfiarsi.

Ipotoniche: l’osmolarità della soluzione è minore rispetto al citosol. La cellula si gonfia e se non è circondata di parete può scoppiare: lisi osmotica può contrastare ciò ad esempio; piante e batteri hanno parete rigida, protozoi hanno vacuolo contrattile e animali multicellulari mantengono la osmolarità del sangue e fluidi uguale grazie a proteine nel plasma che alzano la pressione osmotica.

Struttura di un aminoacido

Tutte le proteine sono costituite dallo stesso gruppo di aminoacidi legati tra loro in modo covalente in caratteristiche sequenze lineari. Ognuno dei 20 AA ha la sua caratteristica catena lineare (gruppo R) da cui dipendono le proprietà chimiche, es: influenza la solubilità. Sono AA perché possiedono un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati allo stesso atomo di carbonio detto carbonio α. In tutti gli AA, tranne la glicina, il Cα è legato a 4 gruppi diversi, centro chirale; per ogni AA sono possibili due stereoisomeri.

Punto isoelettrico di un aminoacido

Un AA può avere una carica netta uguale a zero quando la carica – del gruppo carbossilico e la carica + del gruppo amminico si equivalgono. In questo caso il pH viene detto punto isoelettrico. Più la pKa di una soluzione è lontana dal punto isoelettrico più sarà elevata la carica netta delle molecole di AA. Al punto isoelettrico l’AA è nella forma dipolare.

Dissociazione di amminoacidi (quali?)

Quando un AA non possiede un gruppo R ionizzabile viene sciolto in H₂O a pH neutro, esso si trova in soluzione come ione bipolare, detto zwitterione (carica doppia) NH₃⁺ e COO^-. Composto anfotero che si comporta sia da acido che da base. Se si trova in ambiente acido avrà protonazione dell’ammina (basica), in soluzione acida cede ioni H⁺ al gruppo acido. Gli AA che presentano un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e un gruppo ionizzabile hanno valori di pKa molto simili. pKa bassa è dovuta alla repulsione tra protone uscente e carica + del gruppo amminico. Quelli che hanno costante di dissociazione acida alta e rispettiva pKa bassa (acido-base). Tutti hanno almeno due gruppi potenzialmente ionizzabili, alcuni anche a 3 pKa (quelli carichi).

Ponti disolfuro

Legami covalenti che formano ponti attraverso gruppo funzionale S-S. È importante per stabilizzare la struttura terziaria delle proteine. Si formano per ossidazione dei gruppi tiolici della cisteina. Possono formarsi tra AA appartenenti a due catene polipeptidiche diverse o possono essere intramolecolari così la proteina è meno soggetta a degradazione.

Legame peptidico e proprietà

Il legame peptidico C-N si ha quando il gruppo carbossilico di un peptide condensa con l’amminico del peptide successivo, eliminando una molecola di acqua. È un legame tra due AA adiacenti. Gli atomi che fanno parte del legame peptidico sono complanari e questo permette la presenza di risonanza. I sei atomi del legame giacciono sullo stesso piano e l’atomo di O₂ del gruppo carbossilico è in posizione trans rispetto all’H del gruppo amminico. Questo tipo di legame non può ruotare liberamente a causa del loro doppietto elettronico non condiviso (C-N). Si ha parziale ridistribuzione delle coppie di e-, l’O acquista una carica parziale – e l’N una carica parziale + generando un piccolo dipolo elettrico.

Angoli di legame Phi φ e Psi ψ e grafico di Ramachandran

Gli atomi di C di αAA adiacenti sono separati da 3 legami covalenti Cα-C-N-Cα. Il legame C-N ha qualche carattere del doppio legame per effetto della sua risonanza e non può ruotare. I legami N-Cα e Cα-C possono ruotare con angoli ψ e φ. Lo scheletro di una catena peptidica può essere raffigurato con una serie di piani rigidi consecutivi che hanno in comune un punto di rotazione Cα. φ Phi N-Cα e ψ Psi Cα-C con valori compresi tra +180° e -180°, ma molti non sono possibili per interferenze steriche. I valori permessi sono nel grafico di Ramachandran: esempio di grafico di residui di L-Alanina. Le conformazioni possibili sono quelle che non presentano o ne presentano poche di interferenze steriche, calcoli con r di Van Der Waals e angoli di legame. L’angolo 0° non è mai ammesso. L’asimmetria nella distribuzione delle conformazioni permesse che si osserva nel grafico dipende dalla stereochimica L. Grafici di altri AA praticamente uguali a questo. Per AA ramificati le aree permesse sono più ristrette, per la Gly zone più grandi perché non ha ingombri sterici e per la Pro φ -35° e -85° per via della catena laterale ciclica.

Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria di una proteina

Primaria

Rappresenta tutti i legami covalenti che legano tra loro i vari AA in catene polipeptidiche. L’elemento principale è la sequenza di AA che la compongono.

Secondaria

Le configurazioni più stabili sono α-elica e β-foglietto che assumono una forma non stabile. Le strutture secondarie sono definite a livello locale, il che significa che possono esistere molti differenti modelli secondari in una singola molecola proteica. Si riferisce a un segmento peptidico di una proteina che descrive l’organizzazione spaziale della catena principale. La struttura secondaria è regolare quando ogni angolo Psi o Phi rimane invariato all’interno del segmento.

Terziaria

La forma globale di una singola molecola proteica, ossia la relazione spaziale del modello della struttura secondaria con un altro.

Quaternaria

Alcune proteine contengono più di 20 catene polipeptidiche o sub unità che possono essere uguali o diverse. L’organizzazione di queste sub unità in complessi 3D dà la struttura quaternaria. Unione di più molecole proteiche solitamente definite in questo caso sub unità proteiche, le cui singole funzioni prendono parte alla funzione globale del complesso proteico.

α-elica

Struttura secondaria elicoidale, la più semplice disposizione che una catena polipeptidica può assumere con legami peptidici rigidi. Lo scheletro del polipeptide è strettamente arrotolato intorno ad un immaginario asse tracciato longitudinalmente attraverso il centro dell’elica. Le catene laterali sporgono verso l’esterno dello scheletro elicoidale. I residui aminoacidici di una alfa-elica hanno conformazioni con angoli Psi da -45° a -50°.