Riassunto biochimica (45 pag.)

Proteine e amminoacidi

Le proteine mediano tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono molteplici funzioni. Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti e la loro varietà è molto grande. In una cellula si possono trovare migliaia di proteine. Le proteine sono formate dalla stessa serie di 20 amminoacidi legate in modo covalente. Le cellule sono in grado di produrre proteine attraverso le combinazioni dei 20 amminoacidi esistenti. Le proteine sono polimeri di amminoacidi in cui ogni residuo amminoacidico è unito a quello vicino da uno specifico legame covalente.

Caratteristiche degli amminoacidi

Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono alfa-amminoacidi. Presentano un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati allo stesso atomo di carbonio (il carbonio alfa) e differiscono soltanto l’uno dall’altro per la catena laterale o gruppo R. Tutti gli amminoacidi, eccetto la glicina, hanno l’atomo di carbonio alfa legato a quattro gruppi diversi:

• Un gruppo carbossilico (COOH);
• Un gruppo amminico (NH2);
• Un gruppo R;
• Un atomo di idrogeno (H).

L’atomo di carbonio è quindi un centro chiralico. I quattro gruppi possono disporsi nello spazio in due modi diversi corrispondenti a immagini speculari non sovrapponibili l’uno dell’altro. Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà dei loro gruppi R, in particolare considerando la loro polarità o tendenza a interagire con l’acqua a un pH biologico.

Amminoacidi essenziali

Gli amminoacidi essenziali sono quegli amminoacidi che un organismo vertebrato non è in grado di sintetizzare da sé in quantità sufficienti, ma che devono essere assunti con l’alimentazione. Ogni amminoacido può essere indicato con una terna di lettere, oppure con la sua iniziale, esempio: Glicina = Gly o G. Tre amminoacidi sono essenziali durante lo sviluppo e l’infanzia: Arginina, Cisteina, Tirosina.

Amminoacidi semi-essenziali o non essenziali

Sono amminoacidi che possono essere sintetizzati dall’organismo, a patto che vengano forniti altri amminoacidi essenziali in quantità superiori al fabbisogno, per far fronte alla loro produzione. Gli amminoacidi che possono essere trasformati l’uno nell’altro sono: metionina, omocisteina, fenilalanina, tirosina, arginina, ornitina e citrullina.

In particolari condizioni di stress dell’organismo, ad esempio dopo uno sforzo intenso o un intervento chirurgico significativo, la glutammina può venir consumata in quantità tali da dover essere introdotta con la dieta.

Caratteristiche degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono agire sia da basi che da acidi. Quando un amminoacido viene sciolto in acqua diventa uno ione dipolare o zwitterione. Uno zwitterione può agire come acido (donatore di protoni) e come base (accettore di protoni). Le sostanze che hanno questa doppia natura sono dette anfoteriche e vengono chiamate anfoliti. Gli amminoacidi si possono classificare in:

• Glucogenici: amminoacidi che possono essere convertiti in glucosio tramite il processo della gluconeogenesi;
• Chetogenici: gli amminoacidi dal cui catabolismo possono essere convertiti ad acetil-CoA e quindi contribuire alla formazione di corpi chetonici;
• Sia glucogenici sia chetogenici: dal loro catabolismo si ottiene acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs, oltre che all’acetil-CoA.

Gli amminoacidi sono i precursori di importanti molecole biologiche come neurotrasmettitori, il gruppo eme e le basi azotate.

Peptidi e proteine

I peptidi e le proteine sono i polimeri degli amminoacidi. Le proteine sono macromolecole costituite dall’unione di un gran numero di unità elementari: gli amminoacidi (AA). Le proteine contengono solo L-amminoacidi. Due molecole di amminoacidi possono legarsi covalentemente mediante un legame amidico, chiamato legame peptidico, formando un dipeptide. Questo legame si genera per l’eliminazione di una molecola di acqua dal gruppo carbossilico di un alfa-amminoacido e dal gruppo amminico alfa dell’altro. Tre amminoacidi possono essere uniti tra loro da due legami peptidici formando un tripeptide.

Quando il numero di amminoacidi è piccolo, la struttura viene detta oligopeptide; se gli amminoacidi sono invece tanti, il prodotto viene chiamato polipeptide. I peptidi contengono un solo gruppo amminico alfa libero e un solo gruppo carbossilico alfa libero, uno per ciascuna estremità della catena. Alcune proteine sono costituite da una singola catena polipeptidica, mentre le proteine multisubunità hanno 2 o più polipeptidi associati non covalentemente.

Tipi di proteine

Le proteine si dividono in:

• Semplici: contengono solo amminoacidi;
• Coniugate: contengono oltre agli amminoacidi anche dei gruppi chimici.

Livelli di struttura delle proteine

Le proteine vengono suddivise in quattro livelli di struttura:

• Struttura primaria: costituita dall’insieme dei legami covalenti che uniscono subunità monomeriche della proteina (successione di polipeptidi);
• Struttura secondaria: si riferisce alla disposizione particolarmente stabile dei residui amminoacidici (ripiegamenti spaziali polipeptide alfa e beta-foglietto);
• Struttura terziaria: descrive gli aspetti del ripiegamento tridimensionale di un polipeptide (legami deboli e alcune proteine di ponti disolfuro S-S);
• Struttura quaternaria: quando una proteina ha due o più subunità polipeptidiche (aggregazione di più subunità).

Classificazione delle proteine

Le proteine possono essere classificate in:

• Globulari: costituite da varie e complesse strutture secondarie, nelle quali le catene polipeptidiche tendono ad avvolgersi su se stesse. Queste proteine assumono una forma globulare o sferica e sono generalmente solubili in acqua;
• Fibrose: costituite da catene polipeptidiche disposte in fasci o foglietti costituiti per lo più da un solo tipo di struttura secondaria. Costituiscono strutture di sostegno e di protezione all’interno o all’esterno della cellula. Sono adatte a ruoli strutturali (alfa-cheratina e collagene).

Struttura terziaria

La struttura terziaria di una proteina è l'organizzazione tridimensionale che una proteina assume in dipendenza della sua specifica struttura primaria. La struttura terziaria è indispensabile per l’attività biologica della proteina. La struttura primaria di una catena polipeptidica determina la sua struttura terziaria. Quando una proteina si avvolge su se stessa, gli amminoacidi che si trovano in regioni lontane della sequenza polipeptidica possono ugualmente interagire tra loro.

Vitamine

Le vitamine sono sostanze organiche indispensabili ai nostri organismi viventi. Si distinguono in:

• Vitamine liposolubili ovvero solubili nei grassi: vitamine A, D, E, K, F, Q;
• Vitamine idrosolubili ovvero solubili in acqua: C, B1, B2, B5, H...

Funzioni delle vitamine:

• Non rappresentano una fonte energetica (come glucosio o acidi grassi) o nutrienti strutturali (amminoacidi);
• Funzionano come unità individuali;
• Regolatori di reazioni, alcune delle quali coinvolte nel metabolismo energetico;
• Tutte le vitamine sono essenziali;
• Alcune funzionano come vitamine dopo aver subito una modificazione provitamine (beta-carotene).

Vitamina D (colecalciferolo)

Vitamina D si trova nei cibi in 2 forme principali, la maggiore è il colecalciferolo ed in piccola quantità come ergocalciferolo. La vitamina D si trova nelle uova, tonno, salmone, margarina ed azione del sole sulla pelle. È importante per l’assorbimento del calcio.

Vitamina A (retinolo)

Retinolo (regno animale) e beta-carotene (regno vegetale) sono i precursori della vitamina A. Retinolo: fegato, latte intero, formaggi e burro; Carotene: latte, carote, vegetali a foglia grande e frutti di colore arancione come mango e albicocche. Principali funzioni:

• Essenziale per la visione;
• Previene cecità notturna;
• Antiossidante;
• Necessaria per la salute degli epiteli, per la crescita dei capelli;
• Promuove lo sviluppo dell’osso.

Vitamina E

Carenza molto rara nell’uomo: ampiamente diffusa in natura (uova, oli vegetali e germe di grano). Funzioni principali: antiossidante, protegge le cellule contro il danno ossidativo prodotto dai radicali liberi come l’ossidazione dei lipidi nella membrana cellulare.

Vitamina K

Vitamina K interviene in una delle reazioni della coagulazione del sangue. Carenza molto rara nell’uomo: ampiamente diffusa in natura, in parte sintetizzata dalla flora batterica.

Enzimi

L’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nella cellula costituisce il metabolismo cellulare. Il metabolismo cellulare può essere di 2 tipi:

• Catabolismo: insieme dei processi biologici che hanno come prodotti sostanze strutturalmente più semplici e povere di energia;
• Anabolismo: comprende l’insieme dei processi di sintesi o bioformazione delle molecole organiche (biomolecole) più complesse a partire da quelle più semplici o dalle sostanze nutritive. L’anabolismo richiede energia al contrario del catabolismo.

Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche che consentono di liberare energia o immagazzinare energia. Le reazioni che liberano energia sono chiamate esoergoniche. Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale dei loro reagenti. Le reazioni endoergoniche assorbono energia e danno origine a prodotti ricchi di energia potenziale (con un livello di energia chimica superiore a quella delle sostanze di partenza). La funzione degli enzimi e degli altri catalizzatori è quella di abbassare l’energia di attivazione della reazione e quindi di aumentare la velocità nella reazione.

L’energia utilizzata per aumentare la velocità delle reazioni enzimatiche deriva da interazioni che si formano tra il substrato e l’enzima. Perché una reazione chimica inizi, i reagenti devono assorbire una quantità di energia chiamata energia di attivazione (EA). Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la richiesta energetica.

Come lavora un enzima

Un enzima genera un ambiente specifico in cui una data reazione è energeticamente favorita. Una caratteristica delle reazioni catalizzate dagli enzimi è quella di avvenire all’interno di una tasca dell’enzima, detto sito attivo. La molecola che si lega al sito attivo e su cui l’enzima agisce è il substrato. Il substrato quindi è il reagente che si lega al sito attivo. Il sito attivo è la parte di enzima a cui si lega il substrato ed in cui avvengono le reazioni.

Caratteristiche degli enzimi:

• Sono capaci di agire a concentrazioni molto basse;
• Non subiscono trasformazioni.

Modello dell’adattamento indotto: Enzima e substrato si modificano a vicenda. Si ritiene che la struttura del sito attivo non sia rigida ma flessibile, e presenti una conformazione capace di adattarsi alla forma del substrato. Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito attivo rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso, che lo porta ad un legame più stabile in modo da portare correttamente a termine la sua attività catalitica. L'enzima esochinasi è un buon esempio del modello ad adattamento indotto: quando il glucosio si avvicina al sito attivo l'enzima cambia conformazione, avvolgendosi attorno al substrato.

Inibizione enzimatica

• Una sostanza chimica che interferisce con l’attività di un enzima è detta inibitore.
• L’azione di un inibitore è irreversibile se si formano legami covalenti tra inibitore ed enzima. È reversibile quando si formano solo legami deboli (come il legame idrogeno).

Inibitori competitivi e non competitivi

• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un substrato.
• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione dell’enzima modificando la sua forma.

Regolazione enzimatica

La regolazione enzimatica può essere di 2 tipi:

• Regolazione allosterica: è una regolazione di un enzima o di una proteina mediata da una molecola detta effettore che svolge tale funzione legandosi presso il sito allosterico. Un effettore allosterico può legarsi a un enzima e, alterando i legami che determinano la struttura terziaria, mutare la conformazione del sito attivo. In questo modo può essere modulata l’attività enzimatica dell’enzima.
• Modificazione covalente: si aggiunge un gruppo fosfato all’enzima, rendendolo più attivo e poi lo rilascia.

Classificazione degli enzimi in base al tipo di reazione catalizzata

Classificazione tipo di reazione catalizzata:

• Transferasi: trasferimento di gruppi funzionali (esempio chinasi);
• Idrolasi: reazioni di idrolisi;
• Ligasi: reazione di unione tra due molecole;
• Ossidoreduttasi: reazioni di ossidoriduzioni (NAD e FAD).

Carboidrati

I carboidrati sono le biomolecole più abbondanti sulla Terra. Vi sono 3 grandi classi di carboidrati:

• Monosaccaridi: costituiti da un’unità poliossidrilica aldeidica o chetonica; il monosaccaride più famoso è il glucosio a 6 atomi di carbonio;
• Oligosaccaridi: costituiti da catene di unità monosaccaridiche unite da caratteristici legami glicosidici; i più importanti sono i disaccaridi che contengono due unità monosaccaridiche;
• Polisaccaridi: costituiti da lunghe catene di centinaia o migliaia di unità monosaccaridiche; alcuni come la cellulosa hanno una catena lineare, altri invece come il glicogeno hanno una catena ramificata.

L’unità di base dei carboidrati è il monosaccaride. Il monosaccaride più importante è il glucosio in quanto:

• Prodotto primario della fotosintesi;
• È il più abbondante in natura;
• Le cellule catabolizzano gli altri monosaccaridi previa la loro conversione in intermedi glicolitici.

I monosaccaridi differiscono per:

• Numero di atomi di carbonio;
• Posizione del gruppo carbonilico (C=O);
• La disposizione dei gruppi ossidrilici (OH) legati agli atomi di carbonio.

I monosaccaridi possono avere da 3 a 9 atomi di carbonio. Se il gruppo carbonilico (C=O) è ad un’estremità della catena carboniosa il monosaccaride è un’aldeide; se il gruppo carbonilico (C=O) è in qualunque altra posizione, il monosaccaride è un chetone. In un monosaccaride, a ciascun carbonio è legato un gruppo ossidrilico (-OH), tranne ad uno che è legato mediante un doppio legame ad un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonilico. Se il gruppo carbonilico è in posizione terminale il monosaccaride è un aldeide, altrimenti è un chetone.

Glucosio e fruttosio sono isomeri. Quando due monosaccaridi si uniscono con un altro monosaccaride si ha la formazione di un disaccaride con liberazione di una molecola d’acqua. Il legame che si forma prende il nome di legame glicosidico.

Polisaccaridi

La maggior parte dei carboidrati è presente in natura nella forma di polisaccaridi, polimeri con una massa molecolare molto elevata. I polisaccaridi differiscono tra loro per il tipo di unità saccaridica ricorrente, per la lunghezza della catena e per il tipo di legame glicosidico. I principali polisaccaridi sono l’amido nelle cellule delle piante e il glicogeno nelle cellule degli animali.

Polisaccaridi di riserva

Amido: depositato nei semi, nei tuberi e nelle radici dei vegetali. L’amido contiene due tipi di polimeri di glucosio, l’amilosio e l’amilopectina.

La cellulosa, costituente principale del mondo vegetale, è formata da lunghissime catene lineari di beta-D-glucosio.

Glicogeno: principale polisaccaride di riserva delle cellule degli animali. Il glicogeno è un polimero di subunità di glucosio. Il glicogeno, riserva energetica degli organismi animali, ha una struttura molto ramificata ed è costituito da più di 100,000 unità di glucosio. Il glucosio rappresenta una forma di energia veloce e prontamente disponibile. È relativamente stabile e facile da trasportare. È il composto organico più diffuso in natura, sia libero sia sotto forma di polimeri. È uno dei carboidrati più importanti ed è usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante. Il glucosio è il principale prodotto della fotosintesi ed è il combustibile della respirazione.

Nei mammiferi, il cervello usa solo glucosio. In condizioni di digiuno i corpi chetonici diventano una fonte di energia per il cervello. Il glucosio è la sola fonte energetica per gli eritrociti. Il muscolo scheletrico a riposo ricava energia principalmente dall’ossidazione di acidi grassi e corpi chetonici, mentre durante l’esercizio fisico intenso ottiene il glucosio dalla demolizione del glicogeno. Al prolungarsi dell’esercizio, in seguito alla demolizione del glicogeno muscolare, aumenta l’assorbimento del glucosio del sangue.

Ossidazione e riduzione

Il termine ossidoriduzione si descrivono tutte quelle reazioni chimiche in cui cambia il numero di ossidazione degli atomi: Una reazione redox può essere pensata come lo svolgersi contemporaneo di due distinte "semireazioni":

• Ossidazione: si manifesta come aumento del numero di ossidazione di un elemento (perdita di elettroni).
• Riduzione: implica una diminuzione del numero di ossidazione di un elemento (acquisto di elettroni).