Riassunto biochimica

LE BIOMOLECOLE

I 4 elementi più abbondanti presenti nella materia vivente sono

• AZOTO

• IDROGENO

• CARBONIO

• OSSIGENO

Mediante legami covalenti, il carbonio è capace di formare catene lineari, ramificate e strutture cicliche. Vengono

quindi aggiunti a questi scheletri di carbonio gruppi di atomi, chiamati GRUPPI FUNZIONALI che conferiscono

alla molecola specifiche proprietà chimiche. Questi composti vengono definiti COMPOSTI ORGANICI.

Molte delle molecole d’interesse biologico derivano dagli IDROCARBURI, ovvero composti costituiti da atomi di C

uniti tra loro da legami covalenti e contenti atomi di H. Gli atomi di H possono essere sostituiti con una varietà di

gruppi funzionali creando numerose famiglie: ALCOLI (gruppo ossidrilico)

o AMMINE (gruppo amminico)

o

ALDEIDI E CHETONI (gruppo carbonilico)

o ACIDI CARBOSSILICI (gruppo carbossilico)

o

Le biomolecole hanno dimensioni e strutture tridimensionali caratteristiche che derivano dallo scheletro

carbonioso e dai gruppi funzionali sostituenti.

In una molecola organica quando 4 gruppi o atomi diversi sono legati allo stesso atomo di C, questo viene detto

CARBONIO ASIMMETRICO e può esistere in due diverse forme isomeriche, chiamate STEREOISOMERI . Un tipo

1

particolare di stereoisomeri sono gli ENANTIOMERI, immagini speculari non sovrapponibili, che hanno le stesse

caratteristiche chimiche ma differiscono tra loro per una proprietà fisica, la capacità di ruotare il piano della luce

polarizzata. I composti con atomi di C asimmetrico vengono detti COMPOSTI CHIRALI, tutto gli amminoacidi

(eccetto la glicina) contengono un CENTRO CHIRALE.

Le variazioni della struttura tridimensionale vengono descritti in termini di:

CONFIGURAZIONE: disposizione spaziale di una molecola data dalla presenza di doppi legami intorno ai

▪ quali non è possibile ruotare oppure dai centri chirali interno ai quali i sostituenti sono disposti in

sequenze specifiche;

CONFORMAZIONE: disposizione spaziale dei gruppi sostituenti che sono liberi di assumere posizioni

▪ diverse nello spazio, senza rompere legami ma basandosi soltanto sulla libertà di rotazione.

Se un composto che contiene un centro chirale viene sintetizzato in laboratorio, si creerà una miscela contenente

tutte le forme chirali possibili di quel composto e che quindi non ruoterà il piano della luce polarizzata. Questa

miscela si chiama MISCELA RACEMICA.

Le reazioni che avvengono nelle cellule possono essere suddivise in 5 categorie principali:

1) Ossidazione e riduzione

2) Trasferimento di gruppi funzionali

3) Reazioni che riorganizzano la disposizione dei legami intorno ad uno o più atomi di carbonio

4) Reazioni che rompono o formano legami C-C

5) Reazioni in cui due molecole condensano con eliminazione di una molecola di acqua

AMMINOACIDI

Le proteine sono gli strumenti attraverso cui si esprime l’informazione genetica. Sono costituite dallo stesso

gruppo di 20 aa legati tra loro attraverso legami covalenti in caratteristiche sequenze lineari.

le cellule possono produrre diversi tipi di proteine con proprietà e attività diverse semplicemente legando tra

loro gli stessi 20 aa ma in sequenze diverse.

Tutti gli aa possiedono un GRUPPO AMMINICO e un GRUPPO CARBOSSILICO legati allo stesso carbonio, definito

α (atomo asimmetrico eccetto quello della glicina); differiscono tra loro per la catena laterale R che influenza la

solubilità dell’aa in acqua.

La nomenclatura degli aa è basata sulla configurazione assoluta della gliceraldeide, stabilita dalla sua diffrazione

ai raggi X e si basa su due configurazioni: L o D, che si riferiscono alla configurazione assoluta dei 4 sostituenti

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interno al centro chirale.

1 Stereoisomeri: particolari isomeri che hanno la stessa connettività, ovvero i cui atomi sono legati tra loro nello stesso modo ma differiscono per la

loro disposizione nello spazio.

2 Diffrazione ai raggi X: determina la struttura di composti organici ed inorganici, per la comprensione delle funzioni e dei meccanismi molecolari.

Nelle soluzioni acquose gli aa possono agire da acidi o da basi. Gli aa che hanno un solo gruppo amminico e un

solo gruppo carbossilico cristallizzano dalle soluzioni acquose come specie completamente ionizzate note con il

nome di ZWITTERIONI .

3

Gli aa possono essere suddivisi in base alle proprietà dei loro gruppi R:

1) GRUPPI R ALIFATICI NON POLARI: non polari e idrofobici 1.1 Alanina

1.2 Valina

1.3 Leucina

1.4 Isoleucina

2) GRUPPI R AROMATICI: non polari 2.1 Fenilalanina

2.2 Tirosina

2.3 Triptofano

3) GRUPPI R CARICHI NEGATIVAMENTE: hanno carica negativa a PH 7 3.1 Glutammato

3.2 Aspartato

4) GRUPPI R CARICHI POSITIVAMENTE: hanno carica positiva a PH 7 4.1 Lisina

4.2 Arginina

4.3 Istidina

5) GRUPPI R POLARI NON CARICHI: molto più solubili in acqua, in quanto contengono catene laterali che

possono creare legami a H con l’acqua 5.1 Serina

5.2 Treonina

5.3 Cisteina

5.4 Metionina

5.5 Asparagina

5.6 Glutammina

6) AA NON STANDARD: 6.1 4-Idrossiprolina

6.2 5-Idrossilisina

6.3 N-Metillisina

6.4 carbossilglutammato

6.5 Selenocisteina

6.6 Ornitina

6.7 Citrullina

Durante una titolazione si ha una graduale aggiunta o rimozione di protoni.

4

Facciamo l’esempio con la GLICINA. Ogni molecola di base aggiunta determina la rimozione netta di un protone

da una molecola di aa. A pH molto basso la specie ionica predominante è quella completamente protonata (⁺H₃N-

CH₂-COOH). Al punto di mezzo della prima fase di titolazione, sono presenti in quantità equimolari il donatore di

protoni (⁺H₃N-CH₂-COOH) e l’accettore di protoni (⁺H₃N-CH₂-COO⁻). Al punto di mezzo di una titolazione il PH

corrisponde alla PK del gruppo protonato che viene titolato. Al pH 5,97 (punto di flessione), sta iniziando la

rimozione del secondo protone. A questo pH la glicina è presente in larga misura nella specie ionica ⁺H₃N-CH₂-

COO⁻. La seconda fase della titolazione corrisponde alla rimozione di un protone dal gruppo amminico. Il pH è

9,60 e corrisponde alla pKa del gruppo amminico. La titolazione è finita intorno al pH 12 in cui la forma

predominante è H₂N-CH₂-COO⁻.

La prima informazione che possiamo ottenere dal grafico è la

misura quantitativa del pKa di ciascun gruppo ionizzante.

La seconda è la capacità tamponante⁵ dell’aa.

La terza è la relazione tra la sua carica elettrica netta ed il pH

della soluzione. Nel punto di flessione l’aa è presente nella

sua forma dipolare ma ha carica netta 0. Questo pH viene

detto PUNTO ISOELETTRICO ed è dato dalla media 5

aritmetica dei valori dei due pKa.

3 Zwitterione: molecola elettricamente neutra che però presenta sia cariche positive che cariche negative

4 Titolazione: tecnica di analisi chimica utilizzata per determinare la concentrazione incognita di un acido o una base in una soluzione facendola

reagire con una soluzione a concentrazione (titolo) nota rispettivamente di una base o di un acido (titolante)

5 Capacità tamponante: quantità di acido o base forte che deve essere aggiunta a un litro di soluzione affinché si verifichi la variazione di una unità

di pH

INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLE PROTEINE

Le proteine vengono classificate in base alla loro funzione:

Enzimi

➢

Proteine strutturali

➢ Proteine di trasporto

➢ Proteine di membrana

➢ Proteine contrattili e motili

➢ Proteine di riserva

➢ Proteine di difesa

➢ Proteine regolatrici

➢

I piccoli polipeptidi sono sequenziali utilizzando procedimenti automatizzati. Per sequenziare un’intera catena

polipeptidica, viene utilizzato un metodo chimico noto con il nome di DEGRADAZIONE DI EDMAN, marca e stacca

soltanto il residuo ammino-terminale da un peptide. Lasciando tutti gli altri legami peptidici intatti.

Per quanto riguarda i grandi peptidi , questi vengono rotti in pezzi più piccoli in modo tale da essere sequenziali

correttamente. È composto da diverse tappe:

1) ROTTURA DEI PONTI DISOLFURO: possono generare delle interferenze con il procedimento

2) ROTTURA DELLA CATENA POLIPEPTIDICA: si possono usare diversi metodi. Un gruppo di enzimi (chiamati

proteasi) e di reagenti chimici che rompono il legame peptidico adiacente ad uno specifico residuo

amminoacidico

3) SEQUENZIAMENTO DEI PEPTIDI: tutti i frammenti peptidici prodotti vengono sequenziali con la

degradazione di Edman

4) ORDINAMENTO DEI FRAMMENTI PEPTIDICI: un altro campione del peptide nativo viene rotto in piccoli

frammenti usando un enzima o un reagente chimico diverso, che spezzi la catena in posizioni diverse da

quello precedente. Viene ora esaminata la sequenza amminoacidica di ogni frammento ottenuto con i due

tipi di rottura della catena polipeptidica con l’intento di trovare peptidi della seconda serie la cui sequenza

generi una continuità, mediante sovrapposizioni, tra i peptidi della prima serie. I peptidi generati dalla

seconda procedura di frammentazione che si sovrappongono come sequenza forniscono l’ordine corretto in

cui disporre i peptidi generati dalla prima frammentazione.

5) LOCALIZZAZIONE DEI PONTI DISOLFURO: quando la sequenza è stata completata, la tappa successiva è la

determinazione della posizione dei ponti disolfuro. Un campione della proteina viene frammentato con un

enzima proteolitico questa volta senza rompere i ponti disolfuro. Se i peptidi ottenuti con questa

frammentazione vengono confrontati con quelli generati all’inizio in cui i ponti disolfuro erano stati

eliminati in precedenza, nella prima serie mancheranno due peptidi che saranno sostituiti da uno più

grande. I due peptidi scomparsi rappresentano le regioni della catena intatta che sono unite dal ponte

disolfuro.

Le PROTEINE OMOLOGHE sono evoluzionisticamente correlate e di solito svolgono la stessa funzione in specie

diverse. Molte posizioni nella sequenza amminoacidica sono occupate dagli stessi residui amminoacidici in tutte

le specie e vengono chiamati RESIDUI INVARIANTI. In altre posizioni, invece, può esserci una variabilità

considerevole di aa, passando da una specie all’altra. Questi residui vengono detti RESIDUI VARIABILI.

I residui variabili possono essere divisi in CONSERVATIVI se le sostituzione coinvolgono residui amminoacidici

simili, e in NON CONSERVATIVI se le sostituzioni coinvolgono residui amminoacidici casuali.

LA STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DELLE PROTEINE

Soltanto una delle innumerevoli conformazioni teoricamente possibili è quella che tende a predominare, cioè

quella che è termodinamicamente più stabile e che quindi possiede la minor energia di Gibbs. Le proteine che si

trovano nella loro conformazione funzionale vengono dette NATIVE.

STRUTTURA PRIMARIA

definita come la sequenza degli aa uniti da legami peptidici e la posizione dei ponti disolfuro.

6

La conformazione di una proteina viene stabilizzata dalla presenza dei ponti disolfuro e dalle interazioni deboli

non covalenti: i legami H e le interazioni idrofobiche, ioniche e di van der Waals. Le interazioni idrofobiche

contribuiscono molto alla stabilità di una proteina in quanto l’interno di una proteina è un nucleo molto denso di

catene laterali di aa idrofobici. La formazione di un legame è accompagnata da una variazione favorevole di

energia libera.

6 Legame peptidico: legame responsabile dell’unione degli aa e della conseguente formazione di peptidi e proteine. Si tratta di un legame covalente

che si genera tramite un processo di condensazione tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico

Le proteine possono essere divise in: Gli atomi di carbonio α di aa adiacenti sono separati da 3 legami

Fibrose: la cui catena polipeptidica è

▪ covalenti disposti in questo modo: Cα-C-N-Cα. Studi della diffrazione ai

disposta in lunghi filamenti o foglietti; raggi X hanno dimostrato che il legame C-N in un peptide è più corto di

Globulari: la cui catena polipeptidica è

▪ un legame C-N in un’ammina e che gli atomi associati al legame sono

avvolta su se stessa fino a raggiungere una complanari. Ciò indica la presenza di una risonanza o di una parziale

forma sferica o globulare. ridistribuzione delle due coppie di elettroni tra O e N, generando un

GRAFICO DI RAMACHANDRAN: un grafico in cui Ψ è dipolo elettrico. I 4 atomi che compongono il legame peptidico sono

in funzione di Φ che mostra le conformazioni disposti sullo stesso piano , in modo che O e H sono in posizione trans. I

possibili per la maggior parte dei residui aa: legami ammidici C-N non sono in grado di ruotare liberamente a causa

del loro parziale carattere di doppio legame. La rotazione è permessa

Le aeree in blu scuro sono conformazioni

▪ solamente intorno ai legami N-Cα e Cα-C. Per convenzione gli angoli

che tutti gli aa possono assumere formati dalla rotazione di questi due legami sono indicati con Φ e Ψ.

Quelle con blu leggermente più chiaro sono

▪ Sempre per convenzione questi due angoli sono uguali a 0 nella

conformazioni che possono assumere tutti conformazione in cui i due legami peptidici collegati da un singolo Cα

gli aa tranne la valina e la isoleucina

Le aree azzurre sono conformazioni

▪ sono sullo stesso piano. Φ e Ψ possono assumere valori da -180° a

talvolta instabili ma presente in alcuni tipi +180°, ma molti risultano impossibilitati a causa di interferenze

di molecole steriche tra atomi dello scheletro del polipeptide e delle catene laterali.

STRUTTURA SECONDARIA

Definita come organizzazioni, regolari e ricorrenti nello spazio, dei residui amminoacidici adiacenti di una

catena polipeptidica.

sono presenti diversi tipi di struttura secondaria. I più importanti sono α-ELICA e la STRUTTURA β.

α ELICA: è la più semplice disposizione che una catena polipeptidica può assumere. È una struttura

➢ elicoidale dove lo scheletro del polipeptide è strettamente arrotolato intorno all’asse longitudinale della

molecola e le catene laterali dei residui amminoacidici sporgono verso l’esterno dello scheletro

elicoidale. L’unità ripetitiva è un singolo giro dell’elica che si estende per una lunghezza di 0,56nm lungo

l’asse della molecola e corrisponde alla periodicità osservata. I residui amminoacidici hanno

conformazioni con angoli Ψ variabili da -45° a -50° e angoli Φ di circa -60° e ogni giro dell’elica contiene

3,6 residui amminoacidici. L’avvitamento dell’elica è DESTROSO. La struttura è stabilizzata da LEGAMI H

tra l’atomo di H legato all’atomo di N elettropositivo di ogni legami peptidico e l’atomo di O carbonilico

elettronegativo del quarto residuo amminoacidico successivo posto nella direzione dell’ammino-

terminale dell’elica. Ogni giro dell’elica è tenuto unito a quello adiacente da diversi legami H che,

mediante la somma dei loro effetti rendono stabile la struttura. Non tutti i peptidi possono formare α

eliche stabili. Ad esempio se una catena polipeptidica contiene molti residui di Glu adiacenti, non si potrà

formare una α elica in quanto a pH 7 hanno una carica negativa che, essendo vicini tra loro, si

respingono. Stessa cosa per Lys e/o Arg che, al contrario, a pH 7 possiedono una carica positiva.

un’altra limitazione è data dai residui di Pro che, avendo l’N legato in un anello rigido non è possibile

alcuna rotazione intorno al legame.

CONFORMAZIONE β: è la conformazione più estesa delle catene peptidiche. In questa conformazione lo

➢ scheletro della catena polipeptidica è esteso con un andamento a zig zag. Ad esempio, nella fibroina le

catene polipeptidiche a zig zag sono disposte l’una affianco all’altra formando una struttura che ricorda

una serie di pieghettature e che viene chiamata FOGLIETTO RIPIEGATO.

Nella conformazione β i legami H possono essere sia intracatena che intercatena. I gruppi R dei residui

amminoacidici adiacenti sporgono al di fuori della struttura a zig zag alternativamente da una parte o

dall’altra, creando una tipica organizzazione sfalsata. Le catene polipeptidiche adiacenti in un foglietto

rispiegato possono essere parallele o antiparallele. Le due strutture sono simili ma il periodo è più

breve in quella parallela.

Esistono altre strutture spesso presenti in un certo tipo di proteine. Ad esempio:

➢ - ELICA DEL COLLAGENO

- RIPIEGAMENTI β o ANGOLI β: presenti dove le catene peptidiche cambiano bruscamente direzione.

La struttura è un ripiegamento di 180° che comprende 4 residui amminoacidici.

Esempi di proteine fibrose. Queste donano resistenza ed elasticità alla struttura di cui fanno parte, hanno

strutture relativamente semplici e sono idrofobici a causa dell’alta presenza di aa idrofobici sia sulla superficie

che all’interno della proteina.

α-CHERATINA: proteina che resiste alla tensione. È una α elica destrorsa, contiene molti residui

✓ idrofobici, ovvero Phe, Ile, Val, Met e Ala. La resistenza alla tensione viene amplificata dall’avvolgimento

di più catene elicoidali unite a formare una superelica che ha andamento opposto a quello delle singole

eliche, ovvero sinistrorso. La resistenza di queste strutture viene amplificata da legami covalenti

trasversali tra le catene polipeptidiche all’interno dei filamenti a elica e tra multi-eliche. Questi legami, in

questa struttura sono ponti disolfuri mentre in quelle più dure e resistenti il 18% dei residui

amminoacidici sono cisteine impegnate in ponti disolfuro.

COLLAGENO: proteina che resiste alla tensione. Ha una struttura unica, è un’elica sinistrorsa con 3

✓ residui amminoacidici per giro. Nella struttura alcuni aa sono più rappresentato degli altri: la Gly

corrisponde al 35% dei residui totali, l’Ala l’11% e la Pro e la Hyp il 21%. La sequenza polipeptidica

corrisponde all’unità tripeptidica ripetuta Glu-X-Pro oppure Glu-X-Hyp. Anche in questa strutture le

singole catene si uniscono