Lezioni, Biochimica

Biochimica delle macromolecole

Macromolecole sono responsabili della maggior parte delle strutture e delle funzioni degli esseri viventi: composti che costituiscono molte strutture cellulari sono piccole molecole solubili in acqua (livello 1) che le cellule ricevono da altre cellule o che sintetizzano a partire da semplici molecole di derivazione non biologica (esempio CO₂, ammoniaca, ecc.) disponibili nell’ambiente.

Queste molecole organiche polimerizzano per formare delle macromolecole biologiche (livello 2), come proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi. Le macromolecole sono poi assemblate in una varietà di strutture supramolecolari (livello 3) che costituiscono gli organuli o altre strutture subcellulari (livello 4) fino ad arrivare alla cellula stessa (livello 5).

Esempio

Fotosintesi -> Glucosio -> Cellulosa -> parete cellulare delle cellule vegetali (CO₂ + H₂O) (zucchero monomero, livello 1) (polimero, livello 2) (livello 3).

Polimerizzazione e monomeri

Le macromolecole che sono responsabili della maggior parte delle forme e delle caratteristiche di tutti i sistemi viventi sono generate dalla polimerizzazione di piccole molecole organiche -> unità ripetute = monomeri (es. glucosio, nucleotidi, aminoacidi).

• Proteine -> macromolecole informazionali. Esempio: enzimi, ormoni, anticorpi, ecc. Monomeri: aminoacidi.
• Acidi nucleici -> macromolecole informazionali. DNA e RNA. Monomeri: nucleotidi.
• Polisaccaridi -> macromolecole di deposito (es. amido, glicogeno) hanno i monosaccaridi come monomeri. Macromolecole strutturali (es. cellulosa) hanno i monosaccaridi come monomeri.

Macromolecole informazionali

L’ordine dei diversi tipi di unità da cui sono costituiti non è casuale, ma altamente significativo per la loro funzione. L’ordine dei monomeri è determinato geneticamente e contiene le informazioni che specificano la loro funzione:

• DNA/RNA -> le informazioni hanno una funzione codificante.
• Proteina -> le informazioni determinano la loro struttura 3D (con conseguenze nella funzione biologica).

La sintesi di polimeri coinvolge sempre dei monomeri attivati e l’ATP o composti simili ad alta energia (sono indispensabili per attivare i monomeri, legandoli con una appropriata molecola di trasporto).

Requisiti per la polimerizzazione

• Monomeri
• Fonte di energia
• Informazioni che specifichino l’ordine in cui i monomeri devono essere aggiunti (per proteine e acidi nucleici).

Principio dell'autoassemblaggio

Le informazioni richieste per specificare l’organizzazione spaziale delle macromolecole e la loro interazione per formare strutture più complesse con specifiche funzioni biologiche sono intrinseche ai polimeri stessi. Quando le macromolecole sono sintetizzate all’interno della cellula si organizzano spontaneamente senza aggiunta di altra energia o di altre informazioni, in strutture più complesse. Principio limitato dalle proteine chaperone che sono necessarie per il folding 3D delle proteine, prevengono interazioni molecolari non corrette, ma non forniscono altre informazioni sulla struttura 3D e non diventano componenti della struttura assemblata.

Denaturazione e rinaturazione

Denaturazione (aumento temperatura; diverso pH, additivi chimici) = perdita della struttura 3D naturale della proteina/polipeptide e della sua funzione.

Rinaturazione = ritorno alle condizioni normali; il polipeptide ripristina la sua corretta struttura 3D e torna a svolgere la propria funzione.

Autoassemblaggio assistito

È necessario uno o più chaperone per un corretto folding della proteina.

Proteine

In base alla funzione si dividono in:

• Enzimi -> catalizzatori (aumentano la velocità delle reazioni chimiche);
• Proteine strutturali -> forniscono un supporto e una forma alle cellule e agli organelli;
• Proteine di motilità -> per la contrazione e il movimento delle cellule e delle strutture intracellulari;
• Proteine di regolazione -> per il controllo e coordinamento delle funzioni cellulari.

La maggior parte sono monofunzionali. Sono polimeri lineari di aminoacidi: nella cellula ce ne sono più di 60 tipi, ma per la sintesi se ne usano solo 20 (anche se poi possono venire modificati chimicamente dopo la sintesi proteica).

Aminoacidi

Gli aminoacidi possono essere divisi in 3 gruppi:

• Gruppo A (idrofobi con R apolare) -> il gruppo R è di natura idrocarburica, no O e N; tendono a localizzarsi nella parte interna della molecola. Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina, Fenilalanina, Triptofano, Prolina.
• Gruppo B (idrofili con R polare – non carichi) -> il gruppo R contiene l’ossigeno. Serina, Treonina, Cisteina, Tirosina, Asparagina, Glutammina.
• Gruppo C (idrofili con R carico) -> il gruppo R è protonato o ionizzato al pH cellulare. Acidi: Aspartato e Glutammato. Basici: Lisina, Arginina, Istidina.

Gli aminoacidi si legano con reazione di disidratazione (condensazione) tra un gruppo carbossilico di uno e un gruppo amminico dell’altro -> legame peptidico. Sono necessarie sia energia che informazione per l’aggiunta di ciascun aminoacido: l’energia serve per legare gli aminoacidi al tRNA, mentre l’informazione per l’ordine degli aminoacidi).

Sintesi del polipeptide

Processo di allungamento di una catena di aminoacidi. Il prodotto della polimerizzazione degli aminoacidi è un polipeptide non una proteina!!! (Proteina = catena polipeptidica, o più catene, che ha raggiunto una forma 3D unica e stabile ed è biologicamente attiva).

• Proteine monomeriche -> proteine costituite da un singolo polipeptide e raggiungono la loro conformazione finale a seguito del ripiegamento che avviene spontaneamente quando si è formata la catena (sintesi proteica coincide con polimerizzazione degli aminoacidi).
• Proteine multimeriche -> costituite da due o più subunità polipeptidiche e possono essere omomeriche, se le subunità sono identiche, o eterodimeriche, se le subunità sono identiche. La sintesi proteica coincide in questo caso con la polimerizzazione degli aminoacidi, ripiegamento di ogni catena, interazione e assemblaggio delle diverse catene.

Struttura delle proteine

La struttura delle proteine dipende dalla sequenza degli aminoacidi e dalle loro interazioni tra gruppi R che danno la conformazione.

• Struttura primaria: si riferisce alla sequenza di aminoacidi (dal N-terminale, al C-terminale), la quale deriva dalla sequenza nucleotidica dell’mRNA (la quale deriva dalla sequenza nucleotidica del gene codificante la proteina). Gli aa incorporati nella catena polipeptidica sono detti residui aminoacidici.
• Struttura secondaria: coinvolge interazioni locali tra aminoacidi che si trovano vicini gli uni agli altri, creando strutture che vengono chiamate α-elica e β-foglietto.
  • α-elica: forma a spirale. Scheletro di legami peptidici da cui sporgono i gruppi R dei singoli aa (3,6 aa ogni giro dell’elica) questo permette la formazione di un legame idrogeno (H) tra il gruppo amminico di un aa e un gruppo carbossilico dell’altro. Le anse dell’elica sono legate con legami H. I legami H sono paralleli all’asse dell’elica.
  • β-foglietto: conformazione distesa. I gruppi R degli aminoacidi adiacenti sporgono alternativamente dai due lati del foglietto. I legami H sono perpendicolari al piano del foglietto. Viene definito β-foglietto parallelo se le catene vanno nella stessa direzione (da N-terminale a C-terminale), o β-foglietto antiparallelo se le due catene vanno in direzioni opposte.
  • Motivi: unità di strutture secondarie costituite da combinazioni di α-elica e/o β-foglietto connessi tra loro da anse di lunghezza variabile.
• Struttura terziaria: dipende dalle interazioni dei gruppi R indipendentemente da dove questi si trovano lungo la sequenza primaria (esempio gli R idrofobici si associano tra loro cercando un ambiente non acquoso all’interno della molecola). La catena polipeptidica si ripiega nella sua conformazione nativa, cioè nella condizione più stabile per quella sequenza aminoacidica. Il ripiegamento è spontaneo o con l’aiuto di chaperone. È mantenuta da legami covalenti (legame disolfuro tra due cisteine -> è molto stabile) e non (legame H tra gruppi R appropriati, interazioni elettrostatiche tra gr R carichi, interazioni idrofobiche tra R apolari).
  • Proteine fibrose -> estese strutture secondarie lungo tutta la molecola (struttura ordinata e ripetitiva; es. cheratina, collagene).
  • Proteine globulari -> struttura compatta con regioni ad α-elica e a β-foglietto intersperse con random coils (avvolgimenti casuali) che permettono alla catena polipeptidica di raggomitolarsi in modo specifico per la funzione della proteina. La maggior parte delle proteine globulari è costituita da domini = unità ripiegata localmente di struttura terziaria che spesso contiene regioni ad α-elica e a β-foglietto impaccate insieme. Di norma proteine con funzioni comuni hanno un dominio comune; proteine con funzioni multiple hanno diversi domini.
• Struttura quaternaria: livello di organizzazione che riguarda le interazioni tra subunità e il loro assemblaggio (solo per proteine multimeriche). Legami e forze che stabiliscono questa struttura sono gli stessi della struttura terziaria. Inoltre, due o più proteine sono organizzate in un complesso multiproteico, in cui ogni proteina è coinvolta in modo sequenziale nello stesso processo a più tappe.

Polisaccaridi

Possono essere:

• Costituiti da una singola unità di ripetizione;
• Costituiti dall’alternarsi di due tipi di unità.

L’unità di ripetizione è un monosaccaride (= zucchero semplice) e sono definiti come: aldozuccheri, se hanno un gruppo carbonilico al terminale; cheto zuccheri, se hanno un gruppo carbonilico interno. Il più comune monosaccaride è il D-glucosio C₆H₁₂O₆ (aldoesoso): può avere una forma lineare o ad anello; quest’ultima è la più comune in quanto è la forma più stabile a livello energetico. (Formula generale dei carboidrati C_nH_2nO_n).

Il D-glucosio può avere due forme:

• Forma α -> con l’OH verso il basso
• Forma β -> con l’OH verso l’alto

In base a quale forma viene usata, si possono avere amido o glicogeno (forma α) e cellulosa (forma β).

Disaccaridi

Sono costituiti da due unità monosaccaridiche unite covalentemente. I disaccaridi sono:

• Mannosio -> costituito da due α-D-glucosio legati con legame α-glicosidico;
• Lattosio -> costituito da β-D-galattosio e β-D-glucosio (legame β-glicosidico);
• Saccarosio -> costituito da α-D-glucosio e α-D-fruttosio (legame α-glicosidico).

Il legame glicosidico è una reazione di condensazione tra il C₁ e il C₄. Viene definito “legame α” se il legame è tra due molecole di α-glucosio, oppure “legame β” se l’OH sul C₁ è in forma β.

Polisaccaridi

Hanno la funzione di riserva o una funzione strutturale. Hanno una funzione di riserva l’amido (cellula vegetale) e il glicogeno (cellula animale). Entrambi sono costituiti da unità ripetute di α D-Glucosio legati con legami α-glicosidici C₁ e C₄ (se lineari), o legami α-glicosidici C₁ e C₆ (se ramificati). Il glicogeno è molto ramificato perché ha legami α (1->6) ogni 8-10 unità di glucosio che originano catene laterali di 8-12 residui. Viene immagazzinato nel fegato (per livelli ematici di zucchero) e nel tessuto muscolare (per la contrazione muscolare).

L’amido è costituito da amilosio quando non ramificato (10-30%) o da amilopectina quando è ramificato (legami α 1->6 ogni 12-15 residui con catene laterali di 20-25 unità di glucosio).

Ha funzione strutturale, invece, la cellulosa (parete delle cellule vegetali) che è costituita da unità di β-D-glucosio legato con legami β 1->4.

Lipidi

I lipidi non si formano tramite polimerizzazione, ma vengono considerati macromolecole per i loro pesi molecolari. Sono caratterizzati dall’avere una natura idrofoba e sono facilmente solubili in solventi non polari. Alcuni sono definiti anfipatici, ovvero sono costituiti da una regione polare e una regione non polare.

Funzioni principali

• Riserva di energia
• Struttura della membrana
• Funzioni biologiche specifiche (per esempio trasmissione di segnali chimici dentro e attraverso la cellula)