Biochimica Intro - I sistemi viventi

Introduzione alla Biochimica

• I sistemi viventi sono composti da molecole inanimate (biomolecole) che seguono le leggi della chimica e della fisica.
• Le biomolecole hanno una struttura definita e una precisa funzione.
• I sistemi viventi sono organizzati in strutture complesse e ordinate, con molecole che formano un'intreccio struttura interna.

Le Macromolecole

• Le macromolecole sono i principali costituenti cellulari che spiegano le proprietà e le caratteristiche dei sistemi viventi.
• Le macromolecole sono polimeri costituiti da più unità singole tenute assieme da legami covalenti.
• Presentano una polarità strutturale e una direzionalità, con una successione di monomeri che formano la macromolecola.
• L'ordine sequenziale delle unità monomeriche specifica informazioni.

Le Interazioni Deboli

• Le interazioni deboli sono responsabili del riconoscimento e dell'interazione tra le macromolecole.
• Le quattro tipologie di interazioni deboli sono:
  • Legami a idrogeno
  • Interazioni ioniche
  • Interazioni di Van der Waals
  • Interazioni idrofobiche

Legami a Idrogeno

• Richiedono la presenza di un idrogeno legato a un atomo elettronegativo.
• L'atomo elettronegativo attira gli elettroni, creando una parziale carica positiva sull'idrogeno.
• La molecola donatrice e la molecola accettore formano il legame a idrogeno.

Interazioni IONiche

• Riguardano gli ioni, che possiedono una carica elettrica.
• La forza del legame dipende dalle cariche dei due ioni e dalla costante dielettrica del mezzo.

Interazioni di Van der Waals

• Sono deboli elettrostatiche che riguardano tutte le molecole.
• La forza di interazione dipende dalla distanza tra le molecole.

Interazioni Idrofobiche

• Si verificano tra molecole apolari (non polari) che non formano legami a idrogeno.
• Le molecole apolari tendono ad aggregarsi in acqua, riducendo l'entropia del sistema.

Il Riconoscimento Molecolare

• Il riconoscimento molecolare avviene attraverso la complementarietà strutturale tra le molecole.
• Le interazioni deboli permettono il riconoscimento tra molecole, formando un alto numero di legami deboli.

Le Proteine

• Le proteine sono le macromolecole più abbondanti e più varie che svolgono la maggior parte delle funzioni biologiche.
• Le proteine sono polimeri lineari costituiti da 20 amminoacidi, legati tra loro da legami covalenti.

Gli Amminoacidi

• Gli amminoacidi sono le unità monomeriche delle proteine.
• Hanno una triplice nomenclatura: nome comune, sigla di 3 lettere, sigla di 1 lettera.
• Possono essere classificati in 4 gruppi in base alla polarità e alla carica delle catene laterali.

Il Legame Peptidico

• Gli amminoacidi si legano tra loro attraverso un legame condensazione che avviene tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido e il gruppo amminico del secondo amminoacido.
• Il legame peptidico è un legame ammidico che si forma con la liberazione di una molecola d'acqua.

La Gerarchia Strutturale delle Proteine

• L'architettura delle proteine può essere concettualmente suddivisa in 4 livelli di organizzazione:

  • Struttura primaria (sequenza amminoacidica)
  • Struttura secondaria (forme spaziali locali)
  • Struttura terziaria (struttura tridimensionale globale)
  • Struttura quaternaria (organizzazione delle subunità)### Struttura Secondaria

• La struttura secondaria delle proteine è la disposizione locale di α-eliche e foglietti β all'interno della catena polipeptidica.

• Le α-eliche e i foglietti β sono stabilizzati da legami a idrogeno che si formano tra residui vicini.

• La struttura secondaria è importante per la funzionalità delle proteine.

Conformazione ad Alpha Elica

• La conformazione ad α-elica è una struttura compatta elicoidale con psi = -60° e phi = -50°.
• La struttura elicoidale è stabilizzata da legami a idrogeno che si formano tra O del carbonilico e H di un gruppo NH.
• I legami a idrogeno sono particolarmente forti in quanto i tre atomi si trovano nella stessa direzione parallela all'asse dell'elica.
• Le catene laterali in un'α-elica si dispongono verso l'esterno dell'elica minimizzando l'ingombro sterico.
• Ogni residuo sale di 1,5 Å lungo l'asse (distanza assiale) e ci sono 3,6 amminoacidi per giro dell'elica.

Conformazione Beta

• La conformazione beta è una conformazione più estesa con psi = -120° e phi = +120°.
• La struttura è stabilizzata da legami a idrogeno che si formano tra residui non vicini.
• La conformazione beta richiede due o più catene polipeptidiche che si dispongono l'una accanto all'altra.
• I legami a idrogeno prendono il nome di legami idrogeno intercatena.

Ripiegamenti della Catena Principale

• I ripiegamenti permettono alla catena di cambiare direzione fra due tratti a conformazione regolare.
• I ripiegamenti possono essere irregolari o con strutture regolari (ripiegamenti β-turn).

Struttura Terziaria

• La struttura terziaria è l'insieme delle strutture secondarie.
• Descrive la posizione esatta di tutti gli atomi e degli amminoacidi che compongono la proteina.
• La struttura terziaria tiene conto delle interazioni a lungo raggio esistenti tra tutti gli elementi di struttura secondaria presenti.

Struttura Quaternaria

• La struttura quaternaria descrive la disposizione spaziale delle diverse subunità e la natura delle loro interazioni.
• Alcune proteine contengono due o più catene polipeptidiche.

Tipologie Principali di Proteine

• Proteine globulari: sono le più abbondanti e possono contenere elementi ad α-elica o in conformazione-β.
• Proteine intrinsecamente disordinate (IDP): non hanno una conformazione fissa ed ordinata.
• Proteine fibrose: sono proteine che forniscono supporto e resistenza ai tessuti.
• Proteine di membrana: possono attraversare lo strato lipidico e avere funzioni di trasporto, comunicazione e produzione di energia.

Denaturazione e Ripiegamento delle Proteine

• La denaturazione è la perdita della struttura della proteina.
• L'effetto cooperativo è il fenomeno per cui una parziale rottura della struttura ripiegata destabilizza la parte restante della molecola.
• La temperatura di fusione (T melting) è la temperatura alla quale metà della proteina risulta denaturata.

Folding delle Proteine

• Il processo di folding delle proteine avviene normalmente nelle cellule.
• Il ripiegamento è un processo assistito da chaperoni molecolari.
• I chaperoni riconoscono e si legano alle parti idrofobiche esposte sulla superficie degli intermedi di folding.### I difetti di folding delle proteine
• I difetti di folding delle proteine sono la base molecolare di numerose malattie
• Gli errori nel sistema di rimozione delle proteine con ripiegamento alterato sono correlati ad alcune patologie, come l'Alzheimer e il Parkinson
• Tali patologie sono dette amiloidosi, dovute alla presenza di fibre amiloidi che si creano a seguito di un accumulo di polipeptidi non correttamente ripiegati

Folding delle proteine

• Il folding delle proteine è cruciale per la loro funzionalità
• L'errore nel folding può portare a patologie come l'Alzheimer e il Parkinson

Struttura della mioglobina

• La mioglobina è una proteina globulare, compatta, a singola catena con 153 amminoacidi
• Presenta 8 α-eliche (indicate da A a H) unite da anse
• La mioglobina è una proteina coniugata, con una parte non proteica (gruppo prostetico eme) che contiene un ione Fe2+

Funzione della mioglobina

• La mioglobina serve ad immagazzinare ossigeno
• La mioglobina lega l'ossigeno al ferro, che a sua volta lega l'istidina F8 e l'istidina E7
• La mioglobina richiama rapidamente l'ossigeno dai capillari ai tessuti

Legame tra ligando e proteina

• La funzione della maggior parte delle proteine globulari è mediata dall'interazione reversibile con altre molecole dette ligandi
• Il sito di legame è complementare alla forma del ligando
• La forza di legame di una proteina per il suo ligando è definita affinità

Emoglobina

• L'emoglobina è una molecola di trasporto che lega e trasporta ossigeno
• L'emoglobina è un tetramero con 4 subunità (2α e 2β) che interagiscono tra di loro
• L'emoglobina presenta una struttura tridimensionale simile alla mioglobina
• L'emoglobina può contenere fino a 4 molecole di ossigeno

Cooperatività dell'emoglobina

• L'emoglobina presenta cooperatività, ovvero il legame dell'ossigeno a uno dei quattro siti influisce sugli altri
• Ciò aumenta l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno
• La cooperatività è dovuta alla transizione tra la conformazione T e la conformazione R dell'emoglobina

Regolazione dell'emoglobina

• L'emoglobina è regolata da regolatori eterotropici come il 2,3-bifosfoglicerato
• Il 2,3-bifosfoglicerato stabilizza la conformazione T dell'emoglobina, diminuendo l'affinità per l'ossigeno

Altre funzioni dell'emoglobina

• L'emoglobina può essere influenzata da ioni idrogeno e CO2, che regolano l'affinità per l'ossigeno
• L'emoglobina fetale (α2γ2) presenta una maggiore affinità per l'ossigeno rispetto all'emoglobina adulta