Domande d’esame con risposte di biochimica generale - Prof Bonomi

Risposte alle domande delle slide di biochimica generale - Bonomi primo parziale

Domande #1

• Quali sono le peculiarità termodinamiche dei sistemi viventi?

  L’essenza di un organismo vivente è la continua incessante trasformazione di molecole. I sistemi viventi sono pertanto lontani dall’equilibrio. Da un punto di vista termodinamico, sono caratterizzati da una variazione dell’energia libera di Gibbs (deltaG) minore di zero, che contraddistingue le reazioni spontanee. Un sistema vivente, per mantenere questo stato, consuma energia.

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

  Nelle reazioni biochimiche abbiamo flusso di materiali. Questo flusso è sottoposto ad un controllo cinetico. In un sistema biologico aperto, le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce o le consuma.

• Definire il concetto di energia informazionale

  Molecole informazioni sono molecole che hanno un significato preciso a livello della loro funzione. L’ordine in cui troviamo le molecole ci conferisce un’informazione. L’energia informazionale è utile su due livelli: poter svolgere funzioni complesse e trasformare qualcosa di elementare in qualcosa di usufruibile per la cellula. L’energia informazionale serve per impartire e mantenere l’ordine nelle macromolecole informazionali.

• Cosa si intende per compartimentalizzazione dei sistemi biologici?

  Nei sistemi biologici abbiamo una compartimentalizzazione, ovvero una divisione in reparti. Reazioni diverse possono avvenire in comparti diversi. Per esempio, cellule eucariote sono organizzate in organelli. Si tratta dunque di vari settori divisi fisicamente ma interconnessi tra loro mediante comunicazione molecolare per svolgere funzioni maggiormente complesse.

Domande #2

• Cosa si intende per legame idrofobico?

  L’acqua non interagisce con molecole apolari o idrofobiche. Con tali sostanze si organizza a formare una sorta di gabbia, clatrato, che limita la molecola ad estendere il suo contatto con altre molecole d’acqua. Questa è acqua organizzata, la diminuzione di entropia provoca un sistema termodinamicamente difettoso. L’acqua cerca di minimizzare tra le sue molecole e quelle idrofobiche con la forza idrofobica. Definiamola come una spinta entropica che va a diminuire la superficie di contatto tra molecole idrofobiche e l’acqua.

• Perché il solfato di sodio si scioglie e il solfato di bario no?

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

  Isopropanolo contiene un ossidrile al centro della catena ed è per questo polare e miscibile in acqua. N-butanolo, invece, possiede un ossidrile in posizione terminale ed un carbonio in più, i 4 carboni fanno risentire della porzione non polare e dunque è meno miscibile in acqua.

• A cosa si deve la capacità dei detergenti di rimuovere il grasso adeso a superfici idrofobiche?

  I saponi hanno una testa polare carica e una coda apolare, dunque sono molecole anfifiliche. In ambiente acquoso, l’acqua costringe tali molecole ad organizzarsi per minimizzare la superficie di contatto tra parte idrofobica ed acqua. All’esterno delle strutture che si formano troviamo le porzioni polari. Dunque, questa struttura ci permette di legare le molecole di grasso sulle superfici.

Domande #3

• Quale frazione delle molecole di soluto avrà una carica negativa in una soluzione di acido acetico portata a pH 5.5 (pKa=4.5)?

  Devo usare la relazione di Henderson-Hasselbalch, vedi domande stampate.

Domande #4

• Cosa si intende per sostituzione conservativa all’interno di una sequenza proteica?

  Per sostituzione conservativa intendiamo uno scambio di amminoacidi in una sequenza tra due affini che non cambiano dunque le caratteristiche della proteina.

• Quali sono le caratteristiche geometriche del legame peptidico?

  Il legame peptidico è un legame amminico con aspetti particolari. In conseguenza dell’ibridazione degli orbitali atomici che vi partecipano, ha parziali caratteristiche di doppio legame. Dunque gli elementi prima e dopo il legame giacciono tutti sullo stesso piano. Si ha dunque un solo punto di rotazione rappresentato dai carboni alfa.

• Commentare un esempio di come modifiche post-traduzionali possano contribuire a generare in proteine mature sequenze diverse da quelle determinate geneticamente

  Un esempio di modifica post-traduzionale è quello dell’insulina. L’insulina viene prodotta nel pancreas seguendo le direttive del codice genetico. Si genera così la preproinsulina che deve ancora essere processata perché contiene una sequenza leader amminoterminale che serve solamente a veicolare la catena nel complesso del Golgi. Una volta entrata, viene tagliata la sequenza e si ha così pro-insulina. Nello volgila sequenza viene opportunamente trattata e così alla fine si arriva ad avere la molecola vera e propria dell’insulina che svolge le sue funzioni.

• Quali sono le caratteristiche geometriche dei legami idrogeno in una struttura ad alfa elica?

  I legami idrogeno che si formano tra gli atomi che partecipano al legame peptidico è ciò che tiene insieme le strutture secondarie di proteine. Nell’alfa elica troviamo dei legami peptidici vicini a 4 residui amminoacidici di distanza. Si lega il CO del primo amminoacido con NH del quarto per esempio. Dunque, i legami a idrogeno a questo punto sono allineati lungo la generatrice del cilindro che si viene a formare.

• Per quali ragioni la presenza di prolina in una sequenza proteica è incompatibile con la stabilizzazione di una struttura secondaria?

  Nessuna struttura secondaria può formarsi se ho presente una prolina. In presenza di una prolina, le piastre non ruotano e non posso formare la struttura secondaria.

• Illustrare schematicamente la posizione delle catene laterali di amminoacidi in strutture ad alfa elica e a beta-sheet

  I legami idrogeno che si forma tra gli atomi che partecipano al legame peptidico è ciò che tiene insieme le strutture secondarie di proteine. Nell’alfa elica troviamo dei legami peptidici vicini a 4 residui amminoacidici di distanza. Si lega il CO del primo amminoacido con NH del quarto per esempio. Dunque, i legami a idrogeno a questo punto sono allineati lungo la generatrice del cilindro che si viene a formare. Nel caso del foglietto, i legami idrogeno possono non necessariamente coinvolgere gruppi lontani di 4 unità fra di loro. Importante è che siano affiancati tra loro i legami idrogeno. Dalle estremità del foglietto sporgono i residui amminoacidici che proteggono la catena dall’acqua.

• Quali aminoacidi sono incompatibili in ambiente acquoso con la stabilità di una struttura alfa elica?

  In ambiente acquoso bisogna far sì che l’acqua non si avvicini troppo alla struttura secondaria della proteina. Così facendo potrebbe andare a formare legami idrogeno rompendo così quelli già esistenti che si trovano sulla nostra elica. Le catene laterali degli amminoacidi che sporgono dalla spirale hanno la funzione di allontanare l’acqua. Per tale motivo la glicina non può essere usata poiché non ha una catena laterale vera e propria.

• Che differenze ci sono tra beta turn e beta loop?

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

  Le interazioni ioniche sono interazioni tra aminoacidi che hanno carica opposta. Sappiamo che il glutammato ha carica negativa, dunque gli amminoacidi che possono formare legami ionici con lui sono arginina, lisina e istidina che hanno una carica positiva.

• Perché lo ione Ca⁺⁺ stabilizza la struttura di alcune proteine?

  Relativamente ai legami che stabilizzano le strutture terziarie, troviamo i legami di coordinazione, che sono molto stabili e nei quali entrano in gioco degli atomi di metalli come ferro e calcio. Sono proprio i metalli inseriti che coordinano i legami fra le zone della molecola che le conferiscono grande stabilità e rigidità. Lo ione calcio va a stabilizzare l’alfalattoglobulina, proteina del latte. In tale struttura troviamo 4 funzioni carbossiliche che hanno tutte una carica negativa. Come sappiamo, dovrebbero respingersi, ma non lo fanno poiché l’atomo di calcio impedisce ai 4 residui di vedersi. Se tolgo il calcio, loro si vedono, si respingono e la struttura diventa instabile.

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

  Analizzando a livello tridimensionale una proteina, possiamo accorgerci come al suo interno nel cilindro cavo che si viene a formare vengano localizzate le porzioni idrofobiche. Quasi tutte le proteine, per assumere una certa struttura, hanno necessità di nascondere i propri residui idrofobici all’interno, lontano dall’acqua. Si notano dunque dei veri e propri nuclei centrali di amminoacidi idrofobici che si definisce core idrofobico.

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

• Commentare un esempio di modalità in cui avviene il folding assistito

  Il folding è il processo di ripiegamento di una proteina. Vi sono due modalità di assunzione della struttura, una è spontanea e l’altra assistita. Nel folding assistito guidiamo il processo di ripiegamento ed intervengono delle proteine che hanno funzione di aiutare il polipeptide ad assumere la struttura corretta. Il folding assistito può richiedere o meno energia (chaperoni molecolari). Serve energia informazionale per dire alla proteina come ripiegarsi. Una nota proteina che interviene nel folding assistito è la PDI, detta anche proteina disolfuro isomerasi. Tale proteina isomerizza i ponti disolfuro. Nell’esempio vediamo una proteina con i ponti disolfuro posti in posizione sbagliata. La PDI rompe uno dei disolfuri e lo lega con se stessa, dunque la proteina induce la formazione di un nuovo disolfuro con una reazione di scambio. Alla fine, la PDI si slega e la proteina si è sistemata. La PDI la troviamo in forma ridotta ed in forma ossidata, quella ossidata serve a fabbricare nuovi disolfuri in proteine che non li hanno.

• Per quali ragioni la gelatina usata in gastronomia è derivata dal collagene di organismi acquatici?

  La gelatina usata in gastronomia è la colla di pesce. Ovvero si utilizza il collagene dei pesci. Si usano gli ossi di pesci perché stando nell’acqua il loro collagene è più debole perché non devono sostenere grandi pesi come negli organismi terrestri. Dunque si ottiene più facilmente una soluzione a gel, che gelifichi a freddo.

• Quali sono i liganti del ferro in una molecola di ossimioglobina?

  Il ferro in una molecola di mioglobina fa 6 legami di coordinazione. Innanzitutto, abbiamo 4 legami con i pirroli del gruppo eme e uno con l’azoto dell’istidina prossimale. Il sesto legame il ferro lo compie in posizione diametralmente opposta con l’istidina distale, che veicola il legame con una molecola di ossigeno. Un ossigeno si lega al ferro e l’altro all’istidina distale.

• Quali legami tengono il gruppo eme ancorato alla struttura proteica in emoglobina e mioglobina?

  La struttura enorme del gruppo eme con il suo ferro al centro è tenuta nella proteina da due interazioni. Le interazioni idrofobiche tra la superficie planare e apolare del gruppo eme e i residui idrofobici presenti nella struttura delle proteine.