Domande biochimica

Domande di biochimica

Quali sono le peculiarità termodinamiche dei sistemi viventi?

Le peculiarità termodinamiche dei sistemi viventi che contribuiscono a differenziarli dai sistemi chimici “in provetta” sono l’interconversione delle varie forme di energia e il controllo cinetico delle reazioni. Se l’energia non fosse convertita nelle sue molteplici forme, il sistema sarebbe energicamente morto; inoltre il controllo delle concentrazioni di reagenti e prodotti e quindi della velocità delle reazioni tiene il sistema biologico lontano dall’equilibrio e quindi energicamente attivo.

Quali parametri controllano la concentrazione di reagenti e prodotti nelle reazioni biochimiche?

I parametri che controllano la concentrazione di reagenti e prodotti nelle reazioni biochimiche sono la velocità con cui vengono rispettivamente consumati e formati e gli aspetti termodinamici.

Definire il concetto di "energia informazionale"

L’energia informazionale, derivante dalla conversione dell’energia chimica, serve al sistema biologico per trasformare qualcosa di disordinato in qualcosa di ordinato e mantenerlo tale.

Cosa si intende per “compartimentalizzazione” dei sistemi biologici?

I sistemi biologici, a differenza dei semplici sistemi chimici, presentano una compartimentalizzazione a livello tissutale, cellulare e intracellulare: ciò significa che un essere vivente possiede una struttura perfettamente organizzata in compartimenti intercomunicanti tra i quali sussiste il fenomeno del signaling, vale a dire di trasporto di sostanza grazie all’azione di mediatori chimici ed elettrici.

Cosa si intende per legame idrofobico?

È un legame entropico (ΔG<0) che tende a minimizzare la superficie di contatto tra l’acqua e il composto apolare; varia lo stato d’ordine del sistema ed è legato al concetto di capacità strutturante dell’acqua. Infatti, se ad una soluzione acquosa viene aggiunto un soluto non polare, quindi idrofobico, l’acqua non interagisce con esso, ma si organizza intorno alle molecole di questa sostanza: in tal modo aumenta lo stato d’ordine del sistema con una diminuzione dell’entropia. L’acqua infatti è in grado di organizzare soluti non polari costringendo l’intera molecola a minimizzare la superficie esposta.

Perché l’isopropanolo si mescola con l’acqua in tutte le proporzioni, e il n-butanolo si scioglie solo al 15% circa?

L’isopropanolo ha una catena idrocarburica (quindi apolare e idrofobica) di piccole dimensioni che gli impedisce di legarsi con l’acqua e di essere quindi solubile; il n-butanolo invece ha una componente idrofobica maggiore che comporta una minore interazione con le molecole di acqua rispetto al caso dell’isopropanolo.

Perché nelle proteine di riserva dei cereali la glutammina è più abbondante dell’acido glutammico?

L’acido glutammico è un aminoacido acido, ha cioè la catena laterale carica negativamente, mentre la glutammina è un aminoacido basico con il gruppo R carico positivamente. Inoltre, negli aminoacidi acidi, ogni carbossile dissociato è in grado di legare fino a 36 molecole d’acqua e negli aminoacidi basici più la catena laterale è voluminosa più è idrofobica (la glutammina lega solo 4 molecole di acqua). Di conseguenza è vantaggioso che nelle proteine di riserva dei cereali (come il riso) sia più abbondante la glutammina dell’acido glutammico, perché in questo modo è favorita la conservazione ed è sfavorito il marciume, promosso invece dall’acqua.

Cosa distingue la prolina da tutti gli altri aa?

A differenza di tutti gli altri aminoacidi, la prolina è un imminoacido, vale a dire un aminoacido ciclico: infatti, la sua catena laterale presenta un legame con il gruppo amminico legato al carbonio alfa. Di conseguenza la rotazione della molecola attorno al carbonio centrale (che non è più chirale) è impedita allo stesso modo quindi della formazione della struttura secondaria.

Perché la serina è considerata un amminoacido polare e la cisteina no?

La serina e la cisteina sono entrambi aminoacidi neutri con una catena laterale molto simile che differisce però per la presenza di un gruppo ossidrile nella serina e di un gruppo sulfidrile nella cisteina: perciò la prima è polare e la seconda no.

Quali interazioni stabilizzano gli elementi di struttura secondaria in una proteina?

La struttura secondaria delle proteine è stabilizzata da legami idrogeno, i legami deboli più forti, che si instaurano tra gli atomi di carbonio e azoto partecipanti al legame peptidico, tipico della struttura primaria. Questi H-bonds si formano o ogni quattro aminoacidi o tra aminoacidi più lontani della sequenza lineare.

Quali amminoacidi sono incompatibili con la formazione di una struttura secondaria ad alfa-elica?

Spesso la struttura secondaria ad alfa elica è impedita da particolari aminoacidi presenti nella sequenza lineare della struttura primaria: la prolina, essendo un imminoacido, impedisce la rotazione della molecola attorno al carbonio che dovrebbe essere chirale; gli aminoacidi con catene laterali troppo ramificate (come valina e isoleucina) e troppo vicini sono causa di ingombro sterico; la presenza di aminoacidi con la stessa carica sul gruppo R si respingono perché troppo vicini o perché disposti in sequenza; infine la glicina destabilizza la struttura secondaria, perché la sua catena laterale consiste di un solo atomo di idrogeno e di conseguenza non è in grado di contrastare l’azione competitrice dell’acqua (non protegge i legami idrogeno).

Come si ripiega la struttura primaria per originare foglietti beta paralleli o, rispettivamente, anti-paralleli?

Nel beta foglietto lo scheletro amminoacidico è quasi completamente disteso: si possono quindi formare dei legami idrogeno tra parti diverse della catena che si ripiega su sé stessa e torna indietro (formando dei legami intracatena) o tra catene diverse (legami intercatena). Se le catene peptidiche decorrono nella stessa direzione, cioè sono allineate nella direzione C→N, si tratta di foglietto beta loop (parallelo), altrimenti si parla di foglietto beta turn (antiparallelo).

Quali amminoacidi potranno formare legami ionici con un residuo di glutammato nella struttura terziaria di una proteina?

L’arginina.

Che cosa si intende per "core idrofobico" di una struttura proteica?

Il core idrofobico di una struttura proteica è la parte apolare più interna di una macromolecola o di un’associazione di molecole anfipatiche che si organizzano per formare una struttura ordinata. Generalmente il core idrofobico si riferisce alla parte delle proteine globulari formata da aminoacidi apolari che interagiscono poco con l’acqua.

Per quali ragioni alcuni polipeptidi si uniscono permanentemente a dare una struttura quaternaria?

Alcuni polipeptidi si uniscono in modo permanente in una struttura quaternaria per svolgere appieno le proprie funzioni per ottenere una maggiore azione di regolazione delle funzioni biologiche, grazie all’assembramento di più funzioni.

Perché lo ione Ca stabilizza la struttura di alcune proteine?

Molte proteine che si trovano in struttura terziaria sono stabilizzate dall’interazione con ioni positivi, tra i quali il calcio che è uno ione positivo: un esempio calzante è quello dell’alfa lattoglobulina, una proteina in cui lo ione Ca²⁺ si trova tra due alfa eliche. Attorno a questa proteina si trovano quattro carbossili carichi negativamente che rimangono vicini senza respingersi grazie alla presenza dello ione positivo.

In che stato redox deve essere il ferro nell’eme di mioglobina ed emoglobina per legare O₂?

Affinché emoglobina e mioglobina possano legare ossigeno, l’atomo di ferro presente nel gruppo eme deve trovarsi in stato di ossidazione +2 (ferroso) e non +3 (ferrico), dato che il numero di ossidazione dell’ossigeno è -2. Inoltre, la molecola biatomica di ossigeno impiega solo uno dei due atomi nel legame con il ferro.

Quali sono le conseguenze fisiologiche del cosiddetto “effetto Bohr”?

L’effetto Bohr consiste nel rilascio di ossigeno da parte dell’emoglobina, quando è funzione della concentrazione di anidride carbonica e dal pH. Quando l’anidride carbonica aumenta nel sangue, l’emoglobina diminuisce la propria affinità per l’ossigeno, cosa che avviene anche con una diminuzione del pH sanguigno. L’affinità invece aumenta con l’aumentare del pH. Dato che l’anidride carbonica nel sangue si trova sotto forma di acido carbonico, la presenza di anidride carbonica influenza notevolmente il pH: nelle zone periferiche del corpo, dove la quantità di anidride è maggiore, il pH è più acido, quindi l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno è minore; nelle zone centrali invece l’anidride è presente in quantità maggiori, quindi l’ossigeno viene rilasciato con meno facilità.

Quindi l’effetto Bohr ha delle ripercussioni fisiologiche: infatti un tessuto muscolare brucia carbonio per produrre energia, reazione che causa una contemporanea acidificazione del sangue. Quindi è importante che l’effetto Bohr funzioni correttamente per evitare l’acidosi o l’alcalosi ematica, cioè rispettivamente il mancato rilascio di ossigeno a livello muscolare e una debole assunzione di ossigeno a livello polmonare.

Come è ancorato il gruppo eme alla catena proteica di mioglobina ed emoglobina?

Il gruppo eme planare è inserito in una tasca idrofobica nella parte proteica ed è tenuto in posizione dalle attrazioni idrofobiche tra l’anello porfirinico dell’eme e le catene laterali non proteiche di emoglobina/mioglobina. Precisamente è ancorato dentro la proteina grazie ai due gruppi idrofobici della valina e della fenilalanina.

Perché la mancata assunzione di acido ascorbico indebolisce il tessuto connettivo?

La mancata assunzione di acido ascorbico, che si trova nella vitamina C, indebolisce il tessuto connettivo perché questa sostanza è essenziale per il corretto funzionamento della prolina idrossilasi, l’enzima che converte i residui di prolina del collagene in idrossiprolina. Quest’ultima è fondamentale, in quanto partecipa alla formazione di legami idrogeno tra i filamenti di collagene rendendoli ancora più forti (quindi stabilizza il collagene). Se c’è carenza di acido ascorbico, il collagene si indebolisce divenendo instabile e fragile e provocando i sintomi dello scorbuto, quali fragilità capillare, lesioni cutanee e caduta dei denti.

Quale relazione correla la velocità di una reazione enzimatica alla concentrazione di substrato?

\[v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}\] oppure se K_m=k_d[S]+[S]

Con quali componenti possono interagire le proteine in un alimento?

• Altre proteine (impasti)
• Lipidi (burro e panna)
• Amido (pasta)
• Acqua
• Micromolecole (aromi e micronutrienti)
• Ambiente di conservazione

In campo alimentare è fondamentale poter controllare tali interazioni, perché il verificarsi di una piuttosto che di un’altra consente l’ottenimento di un determinato prodotto desiderato o indesiderato. In particolare, si controllano: modificazioni strutturali delle proteine muscolari (actina e miosina) durante la conversione del muscolo in carne, delle proteine di riserva e dei secreti proteici (latte); modificazioni funzionali degli enzimi specifici di processi e metodi di conservazione.

Qual è il ruolo dell’acqua in un alimento?

L’acqua presente in un alimento ha funzione strutturante, di solvente e di mezzo di reazione, oltre che di stabilizzante con le strutture biologiche. Quindi regola gli equilibri osmotici e di pH, la solubilità e la biodisponibilità delle macromolecole (soprattutto proteine) e la crescita microbica.

Quali sono le tipologie di acqua in un alimento?

Negli alimenti è possibile distinguere quattro tipi di acqua, a seconda del grado di attività:

• Acqua di tipo IV: acqua pura con attività pari a 1;
• Acqua di tipo III: acqua libera con attività tra 0.8 e 0.9 che favorisce la crescita microbica, l’attività delle ossidasi e l’imbrunimento non enzimatico;
• Acqua di tipo II: acqua coordinata con attività tra 0.25 e 0.8 che protegge dalle attività enzimatiche, dalle reazioni idrolitiche e ossidative. Inoltre, definisce sia la “water holding” dell’alimento, ovvero la sua capacità di trattenere l’acqua, sia la texture del prodotto.
• Acqua di tipo I: acqua legata con attività compresa tra 0 e 0.25 può favorire l’autossidazione lipidica sotto un certo livello. È l’acqua incongelabile che, se fosse eliminata, consentirebbe l’interazione tra proteine e lipidi.

Qual è il ruolo di una proteina nella definizione di “water holding”?

Per “water holding” si intende la capacità di un alimento di trattenere l’acqua: questa dipende da come le proteine interagiscono con l’acqua presente nella matrice alimentare. Quando interagisce con le proteine, l’acqua ne modifica la solubilità: infatti, solubilizzandole, ne dispiega la struttura terziaria creando interazioni con altre molecole presenti nell’alimento.

Come sono tradizionalmente classificate le proteine in base alla loro solubilità?

In base alla loro solubilità, le proteine sono tradizionalmente classificate in:

• Albumine (sieroalbumina e lattoalbumina) solubili in acqua;
• Globuline (immunoglobuline e legumine) solubili in soluzioni saline;
• Gluteline (caseina e glutenine) solubili in acidi;
• Prolamine (gliadine) solubili in alcoli;
• Scleroproteine non solubili in assoluto.

Descrivere le ragioni per cui la solubilità di una proteina varia al variare del pH.

Variando il pH della proteina, variano tutti i pK delle catene laterali degli aminoacidi che la compongono. Quando si porta il pH in corrispondenza del punto isoelettrico della proteina, ovvero si fa in modo che la sua carica netta sia nulla, le varie proteine presenti nella soluzione tendono ad associarsi: per valori di pH maggiori o minori del punto isoelettrico le proteine cariche risultano essere più solubili (a pH elevato la proteina è deprotonata e solubile; a pH basso la proteina è protonata e solubile). Quindi al punto isoelettrico la solubilità di una proteina è minima. Per esempio, nella produzione di yogurt si fa in modo che i batteri producano acido lattico spostando il pH verso il punto isoelettrico delle caseine che tendono a coagulare perché meno solubili.

Descrivere le ragioni per cui la solubilità di una proteina varia al variare della forza ionica.

La forza ionica (concentrazione salina di una soluzione) non agisce sulla struttura nativa della proteina ma solo sulla sua solubilità. In particolare:

• Bassa forza ionica: salting-in = solubilizzazione;
• Aggiunta di sali: aggregazione;
• Saturazione e sovrasaturazione: salting-out = precipitazione.

Il fenomeno del salting-out è sfruttato nella conservazione delle proteine in forma precipitata (più stabile) ed è ottenuto per diluizione o ultrafiltrazione, ovvero per allontanamento dei sali. Infatti, aggiungendo del sale ad un solvente, il sale si scioglie perché intorno ad ogni ione il solvente forma un alone di solvatazione lo ione libero in soluzione può interagire con le cariche superficiali delle proteine schermandole la solubilizzazione delle proteine è facilitata. Se poi si continua ad aumentare la forza ionica della soluzione, gli ioni liberi, continuando a schermare le cariche superficiali, favoriscono l’associazione delle proteine (perché hanno una carica netta sempre minore) fino alla completa precipitazione quando la soluzione si satura: infatti in queste condizioni, dove l’acqua non è più disponibile per l’idratazione, si crea una competizione tra il sale e le proteine (si devono sciogliere entrambi) le proteine si aggregano e precipitano.

Motivare le ragioni per cui alcuni sali stabilizzano la struttura delle molecole proteiche.

Alcuni sali, detti strutturanti, sono in grado di stabilizzare la struttura di una molecola proteica, operando il salting-in o out senza modificare la struttura nativa della macromolecola. Si tratta di sali idrofili, molto solvatati e che agiscono solo sulle cariche superficiali delle proteine non penetrano all’interno della struttura proteica, al contrario dei sali destrutturanti che sono invece poco solvatati e lipofili. Questi sali, entrando nella struttura proteica, la denaturano modificano sia la solubilità sia la struttura nativa.

Quali sono le interazioni che possono stabilizzare un gel formato da caseine?

Un gel formato da caseine, come lo yogurt o il formaggio fuso, è stabilizzato principalmente da interazioni idrofobiche ed elettrostatiche. Quando si parla di caseina si intendono quattro diverse proteine: alfa-s-1, alfa-s-2, beta e k-caseine. La prima è ricca di residui di prolina (idrofobici) ma soprattutto di serina fosforilata (carica negativa); la beta-caseina è invece molto più idrofobica e meno fosforilata; la k-caseina presenta diverse peculiarità: netta separazione tra zone idrofiliche e zone idrofobiche, residui cisteinici (S-S) ed è glicosilata in corrispondenza...