Propedeutica Biochimica - Appunti del 16/12/2022 PDF

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA lezione del 16/12/2022 Prof Di Paola Sbobinatori: Miriam D’Annunzio e Sara Cutrupi LE PROTEINE Sono le macromolecole più abbondanti e svolgono...

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA lezione del 16/12/2022 Prof Di Paola Sbobinatori: Miriam D’Annunzio e Sara Cutrupi LE PROTEINE Sono le macromolecole più abbondanti e svolgono molteplici funzioni: 1) STRUTTURALE: fanno parte del sistema muscolare 2) CONTRATTILE (actina e miosina) 3) DI RISERVA (ovalbumina: riserva amminoacidica per l’embrione) 4) DI DIFESA (struttura dell’anticorpo) 5) DI TRASPORTO (emoglobina che trasporta l’ossigeno) 6) SEGNALE (ormoni come l’insulina che è ipoglicemizzante e favorisce l’ingresso di glucosio nella cellula, o come il glucagone che è iperglicemizzante) 7) ENZIMI: catalizzano reazioni (enzima idrolasi) Possono comportarsi anche da ALLERGENI e TOSSINE, prodotte da microrganismi. STRUTTURA Sostanze quaternarie, costituite da CARBONIO, IDROGENO, OSSIGENO E AZOTO. AMMINOACIDO = monomero del polipeptide proteina Gli amminoacidi usati per formare le proteine sono 20. Questi 20 amminoacidi si combineranno tra di loro formando un numero quasi infinito di lunghe catene polipeptidiche (come le lettere dell’alfabeto che sono solo 25 ma ci permettono di formare moltissime parole). Dire CATENA POLIPEPTIDICA è diverso da dire PROTEINA: nella proteina sono contenuti più di 60 amminoacidi, perché la presenza di un numero superiore di amminoacidi indica la complessità della funzioneà più complessa è la struttura proteica, più complessa è la funzione. CATENA POLIPEPTIDICA à circa 60 amminoacidi OLIPEPTIDE à meno di 20 amminoacidi Il carbonio centrale forma 4 legami con sostituenti differenti: un idrogeno, una regione variabile (R), un gruppo carbossilico COOH e un gruppo amminico NH2 1 PARTICOLARITA’ Ù Il carbonio centrale viene definito alfa ed è CHIRALE, ovvero è legato a 4 sostituenti differenti. La chiralità consente anche un’altra proprietà ovvero l’oggetto non è sovrapponibile alla sua immagine speculare. Quindi il carbonio chirale consente che ci siano due forme dello stesso amminoacido, chiamate STEREOISOMERI O ENANTIOMERI, che non sono sovrapponibili. Noi distingueremo questi due enantiomeri in base alla posizione del gruppo amminico rispetto all’osservatore: quando il gruppo amminico si trova a sinistra dell’osservatore nella struttura dell’amminoacido, questo sarà della serie L; se il gruppo amminico è a destra dell’osservatore l’amminoacido sarà di serie D. Tutti gli amminoacidi che formano le proteine sono di serie L. CLASSIFICAZIONI IN BASE AL GRUPPO R 1) AMMINOACIDI APOLARI: il gruppo R è costituito da catene idrocarburiche, che non sono polari. Di questo gruppo fanno parte anche alcuni amminoacidi 2  ESSENZIALI (quelli che dobbiamo assumere con la dieta perché il nostro corpo non li produce spontaneamente come quelli della carne, del pesce, delle uova) In base al valore nutrizionale che l’amminoacido apporta alla proteina stessa, questa verrà definita ad ALTO O BASSO VALORE BIOLOGICO. 2) AMMINOADICI AROMATICI : gruppo R costituito da composti aromatici (anch’essi per la maggior parte idrofobici). Anche in questo gruppo ci sono alcuni amminoacidi essenziali. 3) AMMINOACIDI POLARI (SENZA CARICA) possono interagire con molecole di acqua CON CARICA POSITIVA (BASICI) CON CARICA NEGATIVA (ACIDI) Nella proteina la presenza di amminoacidi polari o apolari è fondamentale. Ad esempio nell’ANEMIA FALCIFORME, una patologia a carico dell’emoglobina, la conformazione dell’emoglobina cambia perché si ha la trasformazione in amminoacido apolare di un amminoacido che prima era polare à compromissione della funzione della proteina. Si ha anche un cambiamento di forma dell’eritrocita, che assume una forma a falce. PROPRIETA’ DEGLI AMMINOACIDI IN SOLUZIONE Presenza gruppo amminico e carbossilico à comportamento ionico dell’amminoacido in soluzione. - Soluzione con PH FISIOLOGICO( 7-7,4) à amminoacido in forma anfoionica o ZWITTERIONICA perchè il gruppo carbossilico si comporta da acido debole, ovvero tende a cedere uno ione H+, mentre il gruppo amminico si comporta da base debole, ovvero tende ad accettare lo ione H+. Quindi abbiamo: Gruppo carbossilico à COO- Gruppo amminico à NH3+ 3  - Soluzione con PH ACIDO (1,2,3) con maggiore concentrazione di ioni H+ à forma dell’aminoacido POSITIVA - Soluzione con PH BASICO con minore concentrazione di ioni H+ à forma dell’amminoacido NEGATIVA PUNTO ISOELETTRICO = PH in corrispondenza del quale la concentrazione di catione e anione è uguale à carica netta nulla ELETTROFORESI = movimento di una molecola in presenza di un campo elettrico. Questa tecnica è usata per separare le classi proteiche e per determinare la concentrazione proteica. In soluzione poniamo due elettrodi: le proteine con carica negativa si spostano verso il polo positivo (anodo) mentre quelle con carica positiva si spostano verso il polo negativo (catodo). 4 ULTERIORI CLASSIFICZIONI DEGLI AMMINOACIDI Oltre agli amminoacidi essenziali e non abbiamo anche gli - ESSENZIALI SOLO SE CI RIFERIAMO ALL’ETA’ EVOLUTIVA, ovvero quelli che sono essenziali fino all’età dello sviluppo, alla fine della quale l’organismo riesce a garantirne la sintesi (come ad es tirosina o cisteina). Se in fase di crescita al bambino non viene garantita una dieta adeguata, che comprende anche le proteine animali, questo avrà grossi problemi in fase di sviluppo. - GLUCOGENICI : l’amminoacido può essere riutilizzato per formare glucosio. - CHETOGENICI : l’amminoacido è usato nella formazione dei corpi chetonici. Questo perchè la proteina è l’unica macromolecola che non può essere immagazzinata (non possiamo avere riserve proteiche, quindi deve essere degradata così come i suoi amminoacidi): il gruppo carbonioso viene riutilizzato, il gruppo amminico viene eliminato nel ciclo dell’urea. LEGAME PEPTIDICO Dopo aver descritto la struttura degli amminoacidi, dobbiamo necessariamente sapere che questi, per poter formare la proteina, si devono associare tra di loro in catene polipeptidiche. La terminologia esatta richiede che i cosiddetti ‘peptidi’ vengano distinti in più classi: -oligopeptide: catena composta da pochi amminoacidi, meno di 20. -polipeptide: catena composta da circa 60 amminoacidi. -proteina: la catena si può definire proteina solo se composta da più di 60 amminoacidi (o comunque circa 100). Questi amminoacidi si devono legare tra di loro, e lo fanno attraverso il legame peptidico che si formerà sempre tra due gruppi di amminoacidi adiacenti, in particolare il gruppo carbossilico di un amminoacido, ed il gruppo amminico di quello adiacente. Questo avviene perché le proteine, nella loro struttura lineare (catena), hanno un inizio ed una fine. L’inizio corrisponde all’amminoacido che ha il gruppo amminico libero; di conseguenza, il primo legame peptidico dovrà formarsi tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido (perché il primo gruppo amminico deve restare sempre libero) ed il gruppo amminico del secondo amminoacido (quello adiacente). Ma che tipo di legame è? Possiamo notare che quando il gruppo carbossilico reagisce con il gruppo amminico, va via una molecola d’acqua (in particolare va via il gruppo ossidrile del primo amminoacido e l’idrogeno del secondo). Questo comporta la formazione di un legame peptidico, legame semplice, attraverso una reazione definita ‘’reazione di condensazione’’. La reazione opposta invece, che avviene cioè reinserendo una molecola d’acqua, viene definita ‘’idrolisi’’, processo per cui riusciamo a ripristinare i singoli amminoacidi e quindi spezzare il legame. Quest’ultima, che viene spesso utilizzata in laboratorio per isolare gli amminoacidi, non è una reazione di idrolisi semplice, ma si definisce reazione di ‘idrolisi acida’, una reazione molto più forte della singola molecola d’acqua che viene reinserita. 5 CARATTERISTICHE DEL LEGAME PEPTIDICO È un legame che ha delle caratteristiche di doppio legame, sebbene in realtà sia un legame singolo: - È un legame rigido e planare, e non è possibile la rotazione (noi sappiamo che solitamente, attorno al legame semplice, è possibile che ci sia una rotazione). -È un legame TRANS: i gruppi, specialmente le catene R, saranno disposti in modo tale da impedire qualsiasi ingombro sterico, altrimenti potrebbero nascere interazioni tra gruppi di amminoacidi che altererebbero la struttura della proteina. Se fosse CIS infatti, le catene laterali R sarebbero troppo vicine, e quindi inevitabilmente si creerebbero interazioni. -Il gruppo CO ed NH non hanno carica elettrica, però sono polari (infatti possono formare legame a idrogeno, che è fondamentale). -ha una lunghezza minore rispetto ad un legame doppio (essendo semplice). Le lunghe catene amminoacidiche che si formano, vanno a costituire lo scheletro della proteina. Gli amminoacidi formano infatti una catena lineare che ha due estremità, definite ‘’ammino-terminale’’ e ‘’carbossi-terminale’’. Le possibili combinazioni amminoacidiche sono 20^100, un numero vastissimo. LE STRUTTURE PROTEICHE La proteina presenta più strutture: -la struttura primaria –> sequenza di amminoacidi lineare che forma la proteina, nonché sede di mutazioni. -la struttura secondaria -> rappresenta la riorganizzazione in termini di conformazione della catena della proteina. È proprio la struttura primaria stessa che inizia a cambiare forma ed assume due particolari conformazioni: alpha-elica e beta-foglietto. In realtà ne esiste una terza, che viene definita ‘tripla elica allungata’ ma è peculiare del collagene. -la struttura terziaria -> le conformazioni della struttura secondaria assumono una tridimensionalità nello spazio. Abbiamo un vero e proprio riavvolgimento detto ‘’folding’’, che conferisce una riorganizzazione tridimensionale. -la struttura quaternaria -> è la più complessa, poiché qui troveremo non una singola catena, ma più catene che andranno ad organizzarsi in maniera particolare. La struttura primaria l’abbiamo già vista parlando di catene polipeptidiche lineari. La struttura secondaria invece abbiamo detto che è una riorganizzazione della struttura primaria che si sviluppa in due conformazioni: l’alpha-elica, che è una struttura che nasce da legami idrogeno intracatena, si avvolge su stessa su un asse immaginario, e lo fa attraverso dei ponti idrogeno che si ripetono ogni 3-4 amminoacidi (in media 3,6). Si va a formare un’elica di passo di circa 0.54 nanometri. I gruppi R inoltre sono rivolti all’esterno dell’elica, al fine di evitare l’ingombro sterico. Il beta-foglietto pieghettato invece non si avvolge su se stesso, ma forma pieghe a causa dei legami a idrogeno intercatena. (tra catene adiacenti). Anche qui i gruppi R sono rivolti verso l’esterno. 6 [Per quanto riguarda la tripla elica allungata, che come abbiamo detto è peculiare solo del collagene, è formata da legami a idrogeno. Ha questa particolare forma proprio per conferire sostegno e forza alla proteina, caratteristiche fondamentali della proteina collagene appunto.] La struttura terziaria non è altro che un riavvolgimento tridimensionale della struttura secondaria che prende la forma globulare (funzione enzimatica) o fibrosa (funzione strutturale). Qui intervengono altri tipi di legame come le forze di Van der Waals, i ponti disolfuro, che conferiscono rigidità di struttura (fa eccezione la mioglobina, proteina molto rigida nonostante non sia composta da ponti disolfuro), ed interazioni idrofobiche. Queste ultime sono associate ad enzimi che possiedono le cosiddette ‘tasche idrofobiche’, formate da amminoacidi idrofobici, in cui non deve entrare acqua, altrimenti altererebbe la funzione enzimatica stessa. La struttura quaternaria è la più complessa, poiché sono più proteine ad interagire tra di loro. L’esempio classico che si fa per spiegare questo tipo di struttura è l’emoglobina, la proteina di trasporto del nostro sangue, composta da 4 catene polipeptidiche uguali a 2 a 2. L’associazione di catene identiche la definiamo ‘omotipica’, l’associazione di catene diverse, invece, ‘eterotipica’. DENATURAZIONE La proteina, per poter svolgere la propria funzione, deve mantenere sempre il suo folding (riavvolgimento), altrimenti si altera e dunque perde le sue proprietà e la sua 7 conformazione. Questo processo è definito denaturazione, e avviene quando variano le condizioni fisiologiche come temperatura e pH, ma anche in presenza di detergenti o sostanze denaturanti. La denaturazione può essere sia reversibile che irreversibile. 8