Appunti di Biochimica - Analisi dei Moduli aa 202223 PDF

SOMMARIO Modulo I: Biochimica strutturale - Prof. De Stefani............................................................................................................ 3 CAPITOLO 1: GLI ATOMI E LE MOLECOLE....................................................................................................................... 3 CAPITOLO 2: I LEGAMI.................................................................................................................................................... 4 CAPITOLO 3: TERMODINAMICA, CINETICA ED EQUILIBRIO DELLE REAZIONI CHIMICHE................................................ 5 CAPITOLO 4: L'equilibrio: Acidi, Basi, scala del pH.......................................................................................................... 8 CAPITOLO 5: CHIMICA ORGANICA, LA SPECIFICITA’ DEL CARBONIO.............................................................................. 9 CAPITOLO 6: LA CHIRALITA’.......................................................................................................................................... 10 CAPITOLO 7: I GRUPPI FUNZIONALI.............................................................................................................................. 11 LE BIOMOLECOLE: PROTEINE E AMMINOACIDI................................................................................................................ 12 CAPITOLO 8: LA STRUTTURA DEGLI AMMINOACIDI..................................................................................................... 12 CAPITOLO 9: PEPTIDI E LEGAME PEPTIDICO................................................................................................................. 14 CAPITOLO 10: STRUTTURA PRIMARIA, SECONDARIA TERZIARIA E QUATERNARIA DELLE PROTEINE.......................... 16 CAPITOLO 12 : PROTEINE FIBROSE E GLOBULARI......................................................................................................... 18 CAPITOLO 15: LEGAME COOPERATIVO PROTEINA LIGANDO....................................................................................... 21 CAPITOLO 16: ALLOSTERIA........................................................................................................................................... 22 CAPITOLO 17-18: ENZIMI E CINETICA ENZIMATICA...................................................................................................... 23 CAPITOLO 19: REGOLAZIONE DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA......................................................................................... 25 BIOMOLECOLE: I CARBOIDRATI........................................................................................................................................ 28 CAPITOLO 20: MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E CICLIZZAZIONE DEGLI ZUCCHERI............................................. 28 CAPITOLO 21: DISACCARIDI E LEGAME GLICOSIDICO................................................................................................... 29 CAPITOLO 22: OLIGOSACCARIDI E POLISACCARIDI STRUTTURALI E DI RISERVA.......................................................... 29 BIOMOLECOLE: I LIPIDI..................................................................................................................................................... 33 CAPITOLO 24: ACIDI GRASSI E TRIGLICEROLI................................................................................................................ 34 CAPITOLO 26: LIPIDI DI MEMBRANA E LIPIDI DI SEGNALE........................................................................................... 35 BIOMOLECOLE: ACIDI NUCLEICI........................................................................................................................................ 37 CAPITOLO 30: NUCLOTIDI, ACIDI NUCLEICI E INFORMAZIONE GENETICA.................................................................... 37 CAPITOLO 31: DNA E RNA............................................................................................................................................. 39 LE MEMBRANE BIOLOGICHE E IL TRASPORTO DI MEMBRANA.................................................................................... 42 BASI BIOCHIMICHE DELLA CONTRAZIONE MUSCOLARE............................................................................................... 49 MODULO II: BIOCHIMICA METABOLICA E PRINCIPI DI NUTRIZIONE – PROF. GIORGIO.................................................... 56 GLUCOSIO NEL CORPO.................................................................................................................................................. 56 INTERAZIONE GLUCOSIO-CELLULE, LA GLICOLISI.......................................................................................................... 58 LA GLICOLISI.................................................................................................................................................................. 60 IL CATABOLISMO DEL GLUCOSIO NEI VARI ORGANISMI............................................................................................... 64 LA GLICOGENOSINTESI - SINTETIZZAZIONE DEL GLUCOSIO.......................................................................................... 66 1 LA GLICOGENOLISI........................................................................................................................................................ 67 LA GLUCONEOGENESI................................................................................................................................................... 69 LA VIA DEL PENSOTOSO FOSFATO................................................................................................................................ 72 IL CICLO DI KREBS / DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI....................................................................................................... 74 LA CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI MITOCONDIALI..................................................................................... 77 LA RESPIRAZIONE.......................................................................................................................................................... 79 SINTESI DI ATP - ATP SINTASI........................................................................................................................................ 82 FOSFOCREATINA, CREATINA KINASI E ALTRE SORGENTI DI ATP................................................................................... 83 NADH/GSH, ENERGIA E STERSS OSSIDATIVO................................................................................................................ 85 AMPK............................................................................................................................................................................ 86 LA METABOLOMICA...................................................................................................................................................... 87 LA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI.................................................................................................................................... 89 LA DEGRADAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI E I CORPI CHETONICI.................................................................................... 90 IL METABOLISMO DEGLI AMINOACIDI.......................................................................................................................... 93 IL CICLO DELL’UREA...................................................................................................................................................... 95 IL BILANCIO ENERGETICO DELL’ORGANISMO E LA NUTRIZIONE.................................................................................. 96 LA REGOLAZIONE ORMONALE DEL METABOLISMO..................................................................................................... 98 L’INSULINA, IL GLUCAGONE E IL RITMO CIRCADIANO................................................................................................ 101 I MECCANISMI DELLA TRASDUZIONE DEL SEGNALE................................................................................................... 102 IL BILANCIO ENERGETICO E IL QUOZIENTE RESPIRATORIO........................................................................................ 104 TERMOGENESI............................................................................................................................................................ 107 TEST DI COOPER E ERGONOMETRI............................................................................................................................. 109 IL DOPING................................................................................................................................................................... 109 LE BASI BIOCHIMICHE DELLA NUTRIZIONE UMANA................................................................................................... 112 I NUTRIENTI ESSENZIALI.............................................................................................................................................. 115 BIOATTIVI.................................................................................................................................................................... 119 GLI EFFETTI DELLA RESTRIZIONE CALORICA E DEL DIGIUNO...................................................................................... 121 DIGESTIONE E ASSORBIMENTO.................................................................................................................................. 122 BIOATTIVI VEGETALI................................................................................................................................................... 124 IL MICROBIOTA........................................................................................................................................................... 126 NUTRIZIONE E LONGEVITA’........................................................................................................................................ 128 2 MODULO I: BIOCHIMICA STRUTTURALE - PROF. DE STEFANI CAPITOLO 1: GLI ATOMI E LE MOLECOLE La materia si divide in sostanze pure e miscele. Le sostanze pure possono essere elementi (1 singolo atomo) o composti (2 o più atomi); le miscele sono invece omogenee (soluzione in cui sono disciolte molecole, es urina) o eterogenee (diversi componenti con diversa struttura, es sangue, latte). La materia si presenta in 3 stadi: solido, liquido e gassoso; questi stati dipendono da pressione e temperatura. Le trasformazioni chimiche sono diverse e prendono il nome di cambiamento di stato: L’ATOMO L’atomo è un elemento che può essere descritto, dal punto vista fisico, come una sfera, la quale presenta un nucleo. Ogni atomo è formato da protoni, neutroni ed elettroni, i quali si differenziano per carica e massa. I protoni e i neutroni si trovano al centro in quanto hanno massa maggiore, mentre gli elettroni orbitano attorno al nucleo. Gli atomi sono sempre neutri, quindi non hanno carica. Attualmente non si conosce il moto gli elettroni (né velocità, né posizione), però si può descrivere la probabilità che un elettrone si trova in un punto, ovvero nell’orbitale (1927, principio di indeterminazione di Heisenberg). L’identità dell’atomo è determinata dal numero di protoni, ovvero dal numero atomico Z; il numero di massa A, invece, è la somma del numero di protoni (Z) e di neutroni (N) presenti nel nucleo. La massa relativa all’atomo viene espressa in Dalton: 1 Dalton = 1/12 massa del carbonio 12 (12C). L’orbitale è definito da quattro numeri quantici principali e ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni. Il numero quantico principale definisce il livello energetico e si indica con: n; il numero quantico secondario, chiamato anche angolare, definisce la forma e l si indica con: l; il numero quantico magnetico definisce la geometria nello spazio e si indica con mL; infine, il numero di spin stabilisce la rotazione sull’asse e si indica con ms. Il numero quantico principale (n) va a indicare anche l’appartenenza alla tavola periodica (nel periodo). Possiamo quindi dire che n equivale al periodo della tavola periodica. I gas nobili, che si trovano nell’ultimo gruppo, non interagiscono mai con altri atomi, in quanto hanno completato il livello energetico, quindi sono stabili. Possiamo quindi affermare che la reattività, ovvero il modo in cui due atomi reagiscono tra di loro, dipende dalla configurazione elettronica. Per diventare stabile, un atomo, che non è gas nobile, deve assumere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (assumere o cedere 3 elettroni). Un caso particolare è il carbonio, il quale si trova a metà strada tra due gas nobili e predilige assumere la configurazione del neon (verso destra). LE MOLECOLE Gli atomi, legati tra loro, formano le molecole. Il legame tra due o più atomi consiste nella condivisione di elettroni. L’elettronegatività, invece, è la capacità, posseduta da un atomo, di attrarre gli elettroni dei legami covalenti in cui è coinvolto. Il fluoro, ad esempio, è il più elettronegativo; quindi, attrae elettroni in modo più forte. Gli elettroni, all’interno di un legame, tendono ad essere maggiormente attratti dall’atomo più elettronegativo (nube elettronica che si sposta verso l’atomo più elettronegativo). L’atomo con maggiore elettronegatività, all’interno del legame, assume una carica parziale negativa (delta -). ZOOM: PESO MOLECOLARE E MOLE 1,2 CAPITOLO 2: I LEGAMI I legami chimici possono essere di diversa natura. I LEGAMI FORTI: LEGAME COVALENTE Il legame covalente, chiamato anche legame forte, può essere omopolare, nel caso in cui non c’è differenza di elettronegatività, eteropolare, se la differenza di elettronegatività è minore di 1,9, infine covalente ionico, quando la differenza di elettronegatività è maggiore a 1,9 (non molto frequente es. NaCl, cloruro di sodio). Dal legame ionico si formano gli ioni, i quali possono essere positivi o negativi. Nell’esempio, infatti, si ottiene Na+ e Cl-, in quanto la differenza di elettronegatività è molto elevata. L’energia di legame covalente è l’energia necessaria a rompere il legame; tanto più forte sarà il legame tanto più vicini saranno i nuclei degli atomi. I LEGAMI DEBOLI: INTERAZIONI NON COVALENTI Nei legami deboli l’energia coinvolta, che porta quindi all’unione di atomi, è nettamente inferiore rispetto a quella dei legami covalenti, ma la forza complessiva, che tiene unite le molecole risulta essere elevata, in quanto molte interazioni messe assieme formano strutture particolarmente rigide. Tra i legami deboli ricordiamo: - interazioni elettrostatiche, - legami ad idrogeno, - interazioni di van der Waals - interazioni idrofobiche. 1 Il peso molecolare è dato dalla somma del peso dei singoli atomi (si guarda la massa nella tavola periodica). 2 Lamole è una quantità di sostanza che contiene tante unità quanti sono gli atomi contenuti in 12 g (1 mol) di 12C: tale quantità costante è espressa dal numero di Avogadro (NA= 6,022169 x 1023). Il numero di moli di una sostanza chimica si determina con il rapporto tra la massa (in grammi) della sostanza e il suo Peso Molecolare (g/PM)1 4 INTERAZIONI ELETTROSTATICHE Le interazioni elettrostatiche avvengono tra due atomi o gruppi chimici elettricamente carichi, o con una carica parziale. Le forze possono essere sia attrattive, sia repulsive; un esempio sono due ioni o uno ione e un dipolo. LEGAME IDROGENO Il legame idrogeno può essere considerato un caso particolare delle interazioni elettrostatiche, in quanto necessita di un atomo donatore e un atomo accettore. Il donatore è un atomo di idrogeno parzialmente positivo, il quale si lega ad un accettore con carica parzialmente negativa (solitamente azoto e ossigeno). Le biomolecole sono formate prevalentemente da legami a idrogeno. INTERAZIONI DI VAN DER WALLS Le interazioni di Van deer Walls avvengono tra tutte le molecole e sono ancora più deboli dei legami a idrogeno; possono anch’esse essere attrattive o repulsive. Il dipolo permanente si verifica quando le cariche sono distribuite in modo disomogeneo; basta che ci sia un dipolo permanente per orientare le molecole circostanti, formando così un dipolo indotto. A loro volta i dipoli indotti posso indurre molecole apolari a diventare dipoli indotti. INTERAZIONI IDROFOBICHE Le interazioni idrofobiche si verificano quando molecole idrofobiche reagiscono con molecole polari. Ad esempio, aggiungere olio nell’acqua; l’olio è una molecola che non instaura dipolo e non si scioglie in acqua, quindi le molecole di olio rimangono assieme grazie alla repulsione che si crea tra acqua e olio (verso molecole polari in generale). CAPITOLO 3: TERMODINAMICA, CINETICA ED EQUILIBRIO DELLE REAZIONI CHIMICHE Si definisce reazione chimica una qualunque trasformazione della materia, in cui le sostanze che partecipano cambiano la loro composizione. I reagenti si scompongono e gli atomi si riaggregano formando nuovi composti, ovvero i prodotti. Tra reagenti e prodotti abbiamo, ovviamente, caratteristiche diverse, ma comunque relazionate (non completamente diverse, la quantità di atomi tra destra e sinistra rimane invariata). Le reazioni, quindi, non cambiano la natura della materia. “Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma” REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE Le reazioni di ossidoriduzione prevedono il trasferimento di elettroni da una molecola all’altra. La molecola ridotta dona elettroni alla molecola ossidata, la quale si riduce, mentre la molecola che inizialmente era ridotta si ossida, in quanto perde un elettrone TERMODINAMICA DELLE REAZIONI CHIMICHE Ad ogni reazione è associata una variazione di energia; in ogni sistema biologico si trasforma energia e materia. L’entropia di un sistema isolato lontano dall’equilibrio termico tende a salire nel tempo, finché l’equilibrio non è raggiunto. 5 “Si chiama "entropia". È come quando esce il dentifricio dal tubo e non può più rientrare dentro. (Woody Allen) I sistemi biologici viventi non raggiungono mai l’equilibrio, per questo dobbiamo continuare ad inserire energia all’interno del sistema; nel momento in cui si raggiunge l’equilibrio, il sistema muore. Per misurare l’energia si utilizza l’energia di Gibbs, la quale ha due componenti: l’entalpia (H) e l’entropia (S). Ogni reazione è appunto accompagnata da una variazione di energia libera di Gibbs (G). Questa variazione può essere pari a zero, maggiore di zero o minore di zero. In base alla variazione, quindi possiamo descrivere il verso della reazione. - Se Δ G < 0 allora la reazione è spostata verso destra e viene quindi chiamata esoergonica, perché rilascia energia, - se Δ G > 0 la reazione è spostata a sinistra e viene definita endoergonica, in quanto necessita di energia per avvenire, - se Δ G = 0 la reazione si trova all’equilibrio, quindi la velocità tra destra e sinistra rimane uguale (non è equilibrio statico, ma dinamico!!). COORDINATE DI REAZIONE S = reagenti, P = prodotti L’immagine descrive una reazione di tipo esoergonico, in quanto la variazione ΔG è minore di 0 L’energia associata ad una reazione dipende dalle condizioni, ovvero temperatura (ambiente), pressione (atmosferica), quantità di reagenti e prodotti (1 molare, quindi costante). Se la temperatura è 25°C, 298 K, la pressione è 100kPa e la quantità di reagenti e prodotti è 1 molare, quindi costante, le condizioni vengono chiamate condizioni standard, e si va quindi a formare un Δ G standard. In condizioni reali, invece, il ΔG varia e viene chiamato Δ G reale; infatti, questo sarà proporzionale al rapporto tra prodotti e reagenti (prodotti/reagenti). I cambiamenti di energia sono additivi, in quanto sono collegati gli uni con gli altri e possono avvenire in sequenza. 6 La prima rx a sinistra non potrebbe avvenire da sola, di conseguenza si fa avvenire la rx a destra, in parallelo. Il Δ G totale sarà quindi negativo. Possiamo quindi affermare che le reazioni termodinamicamente sfavorite possono essere accoppiate a reazioni termodinamicamente favorite ESEMPIO: grafite e diamante. Il Δ G è molto negativo, quindi, in teoria, i diamanti dovrebbero trasformarsi in grafite. Per spiegare questo si introduce la cinetica, ovvero la velocità di una reazione. L’equilibrio termodinamico è diverso dall’equilibrio cinetico, infatti le coordinate di reazione indicano anche la velocità energetica. La gobba che si forma nella curva grafica indica il tempo e quindi la velocità con cui avviene questa reazione. Tanto più maggiore è l’energia di attivazione (gobba), tanto maggiore sarà il tempo di reazione CINETICA DELLE REAZIONI I catalizzatori accelerano la velocità, quindi modificano l’equilibrio cinetico, ma non quello termodinamico. L’accelerazione riduce quindi l’energia di attivazione e velocizza il processo. Per far sì che avvenga una reazione (cinetica di reazione) bisogna far incontrare le molecole, le quali devono essere orientate correttamente e devono avere un grado di energia sufficientemente alto per rendere efficace la collisione (stato di transizione). La cinetica è influenzata dalla natura e dalla concentrazione dei reagenti (la reazione può prevedere la rottura/formazione di legami semplici (più veloce) o di legami complessi (più lenta); una maggiore concentrazione dei reagenti aumenta la probabilità di avere collisioni efficaci), dalla pressione e temperatura (l’aumento della temperatura conferisce maggiore energia cinetica media alle molecole reagenti (aumento urti efficaci)), e dalla presenza di catalizzatori (aumentano o diminuiscono l’energia di attivazione della reazione). 7 EQUILIBRIO CHIMICO Le reazioni possono essere reversibili o irreversibili; se sono reversibili abbiamo due frecce opposte, mentre se sono irreversibili c’è una sola freccia, sarà completamente spostata verso i reagenti. Se in una reazione aggiungo dei reagenti, l’equilibrio si sposterà verso destra, mentre se tolgo reagenti dalla reazione l’equilibrio sarà verso sinistra. “Quando l’equilibrio di un sistema viene in qualche modo perturbato, il sistema reagisce in modo da annullare il disturbo e ristabilire l’equilibrio” (Principio di Le Chatelier) CAPITOLO 4: L'EQUILIBRIO: ACIDI, BASI, SCALA DEL PH. Una soluzione è una miscela omogenea in cui una o più sostanze sono immerse in un solvente (fase liquida, solida o gassosa). Il soluto si troverà in concertazione minore, mentre il solvente in soluzione maggiore. Una soluzione si può definire tale quando il soluto è di dimensioni molto piccole e invisibili all’occhio umano; nelle sospensioni o dispersioni colloidali, invece, il soluto forma particelle di grandi dimensioni. Il solvente biologico per eccellenza è l’acqua, la quale si ionizza in ione H+ e OH- (si dissocia), anche se nella gran parte dei casi l’acqua si trova in forma associata. La quantità di H+ determina l’acidità/pH della sostanza, in quanto quando una sostanza (H-X) viene disciolta in acqua rilascia un protone H+ e l’altra sostanza assume una carica parzialmente negativa. Per Bronsted-Lowry un acido è la sostanza che messa in acqua cede protoni, mentre la base acquista protoni. Keq, di dissociazione dell’acqua in questo caso, ci indica verso dove è spostata la rx; infatti, più il numero è piccolo più la reazione è spostata verso destra. IL CONCETTO DI PH Il pH è dato dal logaritmo in base 10 della concentrazione di ioni H+, preso in valore negativo. In una soluzione neutra il pH è 7, in una soluzione acida il pH è minore di 7, mentre in una soluzione basica o alcalina il pH è maggiore di 7. Possiamo quindi dire che se la concentrazione di H+ è maggiore di quella di OH- avremo una soluzione acida e viceversa. Il pH all’interno del corpo umano varia molto; nella scala di misurazione il pH va da 0 a 14. Tanto più un acido aumenta la concentrazione di H+ di una sostanza, tanto più risulterà debole e questa grandezza viene indicata con la costante Ka. Un acido rilascia ioni H+ in una soluzione acquosa: HA → H+ + A. La costante del pH, indicata con pKa risulta essere: 𝑝𝐾𝑎 = − log10 𝐾𝑎 Il pH, nei diversi distretti corporei, deve rimanere costante attorno ad un determinato valore; per far ciò si utilizzano i sistemi tampone: sistemi chimici formati da una sostanza acida (rilascia H + ) una basica (prende H +), di conseguenza non alterano il pH esterno. Affinché il pH della soluzione sia costante, le componenti del sistema tampone devono essere presenti in quantità sufficientemente elevate. Generalmente, quindi, i tamponi sono costituiti da una coppia coniugata acido-base. ES: l’acido acetico forma l’acetato nel momento in cui rilascia H+, si dice quindi che è un acido coniugato. I principali sistemi tampone sono: 8 tampone fosfato (pH= 7.2 → quando acido e base si trovano nelle stesse quantità. Il tampone fosfato tiene costante il pH della cellula) e tampone bicarbonato (pH= 6.1 → quando acido e base si trovano nelle stesse quantità. Il tampone bicarbonato tiene costante il pH del sangue). CAPITOLO 5: CHIMICA ORGANICA, LA SPECIFICITA’ DEL CARBONIO La chimica organica prende questo nome in quanto tutti gli organismi, che appartengono a questa categoria, sono a base di carbonio. Il carbonio è un atomo particolare, perché, rispetto agli altri, da più possibilità di instaurare legami; è il sesto elemento della tavola periodica (6 protoni, 6 neutroni e 6 elettroni) e la sua configurazione elettronica risulta essere: 1s2, 2s2, 2p2. Da ciò si capisce che il secondo livello energetico è riempito per metà e per completarlo dovrebbe ricevere 4 elettroni (gas nobile più vicino), quindi per essere stabile dovrebbe fare 4 legami. Il carbonio è un atomo prescelto, perché è versatile per quanto riguarda il numero e il tipo di legami da instaurare; quest’atomo può quindi promuovere un elettrone appartenente al 2s e spostarlo nell’orbitale 2p. Gli orbitali prendono quindi il nome di orbitali ibridi sp (2, 3, 4 nuovi orbitali ibridi → rispettivamente sp, sp2, sp3). GLI ORBITALI IBRIDI E LE LORO FORME Quando il carbonio è ibridato sp3 forma 4 orbitali ibridi disposti secondo un tetraedro ed è caratterizzato dalla presenza di 4 legami semplici. Quando il carbonio è ibridato sp2 forma 3 orbitali ibridi disposti secondo un … ed è caratterizzato dalla presenza di legami doppi; se il legame avviene tra la parte sopra e quella sotto del piano di legame, prende il nome di legame Π. Quando il carbonio è ibridato sp forma 2 orbitali ibridi disposti secondo un … ed è caratterizzato dalla presenza di tripli legami. Il carbonio, quindi, ha una versatilità di legame notevole, possono essere tutti semplici, oppure doppi o tripli. LE ISOMERIE Gli isomeri sono due o più composti diversi che hanno però la stessa formula grezza, sono cioè costituiti dallo stesso tipo e numero di atomi, ma differiscono per la formula di scrittura, cioè nella disposizione degli atomi e dei relativi legami chimici. Le isomerie ci permettono di capire come si posizionano gli atomi nello spazio. Le isomerie si dividono in isomerie di catena, di posizione e stereoisomeria. 9 ISOMERIA DI CATENA L’isomeria di catena è data dalla forma della catena di C, la quale può essere lineare, ramificata o ciclica. Si ottengono molecole con caratteristiche chimiche-fisiche diverse, quindi gli atomi possono essere separati in diverse componenti. ISOMERIA DI POSIZIONE L’isomeria di posizione è data dalle diverse posizioni in cui il gruppo funzionale si presenta. Si ottengono molecole con caratteristiche chimiche-fisiche diverse, quindi gli atomi possono essere separati in diverse componenti. STEREOISOMERIA La stereoisomeria è caratterizzata dalla presenza di stereoisomeri, ovvero degli isomeri nei quali gli atomi componenti sono legati tra loro nello stesso modo, ma differiscono per la loro disposizione nello spazio. La stereoisomeria si divide in geometrica (si verificano quando si hanno due doppi legami tra carbonio) e ottica. - Nell’isomeria geometrica si identifica un piano di legame e in base a dove si trovano atomi uguali si distinguono isomeri cis (se si trovano nella stessa parte del piano di legame) e isomeri trans (nel caso in cui le coppie di atomi si trovano sfalsate rispetto al piano di legame). Solitamente le configurazioni cis e trans vengono utilizzate per eliminare la possibile repulsione tra atomi/parti di molecole. - Nell’isomeria ottica ci sono gli enantiomeri, ovvero molecole uguali, con proprietà fisico-chimiche uguali, ma con attività ottica diversa (rotazione della luce polarizzata). Gli enantiometri possono essere definiti come delle molecole con immagine speculare, ma non sovrapponibili. CAPITOLO 6: LA CHIRALITA’ Una molecola che non è sovrapponibile alla sua immagine speculare viene definita molecola chiarale e, in particolar modo, la chiralità è data dagli atomi legati al carbonio. Se a quest’ultimo sono legati 4 atomi diversi prende il nome di carbonio chirale, o meglio centro chirale. Nel momento in cui è presente un centro chiarale, si possono formare 2 enantiomeri; se il legame viene rappresentato con un triangolo pieno significa che l’atomo è ruotato fuori dal piano, quindi verso l’esterno, mentre se è rappresentato da un triangolo tratteggiato, allora l’atomo è ruotato all’interno del piano. Gli enantiomeri vengono indicati con R e S o D e L. Alcune molecole presentano più centri chirali. 10 ES. acido tartarico (sottoprodotto della fermentazione del vino → Pasteur). Pasteur scoprì che l’acido tartarico in forma D e L cristallizza in modo diverso, per questo dedusse ciò che ora prende il nome di stereoisomeria. ES. limonene. I sistemi biologici riescono a distinguere i 2 enantiomeri, i quali possono conferire caratteristiche diverse alle 2 sostanze, oppure uno dei due enantiomeri può essere biologicamente inattivo. Il racemo/miscela racemica è formata dalla mescolanza delle due forme (D e L), ed è presente specialmente nei farmaci. Un altro esempio è il talidomide, il quale è un farmaco prodotto negli anni ’50, nato come sedativo e utilizzato dalle donne gravide. Dopo alcuni anni, ci furono diversi casi di focomelia, ovvero nascita di bambini con arti deformati o mancanti. Grazie ad alcune ricerche si capì che questa patologia era legata all’assunzione del farmaco da parte delle donne incinta; la presenza dell’enantiomero, del talidomide, in 2 forme attive causò appunto la focomelia. CAPITOLO 7: I GRUPPI FUNZIONALI Un gruppo funzionale è un raggruppamento di atomi che per la loro natura e il tipo di legame che li unisce, conferisce alle molecole in cui è presente peculiari caratteristiche chimiche e fisiche più o meno indipendenti dalla struttura molecolare complessiva. REMEMBER: una catena alifatica è una catena di atomi di carbonio legati gli uni con gli altri. Un alcano è formato da legami singoli, mentre alchene e alchino sono formati rispettivamente da legami doppi e tripli. A loro volta i ciclo alcani, i ciclo alcheni e i ciclo alchini sono caratterizzati da catene cicliche con singoli, doppi e tripli legami. La delocalizzazione degli elettroni viene rappresentata tramite un cerchio, all’interno della molecola, che rappresenta gli elettroni contemporaneamente presenti in tutti gli aromi facenti parte della molecola; i cicli aromatici sono strutture che presentano la delocalizzazione elettronica IDROCARBURI ALIFATICI Gli idrocarburi alifatici sono formati da una catena lineare o ramificata di atomi di carbonio, o da una catena chiusa ad anello, ma non di tipo benzenico. IDROCARBURI AROMATICI Il ciclo esano, ibridizzato sp3, è caratterizzato da una struttura a sedia, causata dalla sua ibridazione. Tendenzialmente i legami semplici sono più flessibili quindi gli atomi possono ruotare attorno al legame, mentre i 11 legami doppi e tripli inducono rigidità all’interno della molecola in cui si trovano. In questo caso, del benzene, si presenta un’elevata stabilità, in quanto vi è la presenza di doppi legami e anche delocalizzazione elettronica ETEROCICLI I cicli possono contenere al loro interno anche atomi diversi dal carbonio, i quali prendono il nome di eterocicli (ossigeno, azoto e zolfo). ES. pirimidina e purina AGGIUNGI- STUDIA GRUPPI FUNZIONALI SUPERIORI LE BIOMOLECOLE: PROTEINE E AMMINOACIDI Le biomolecole sono molecole molto importanti che formano la materia. Le biomolecole sono 4: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici CAPITOLO 8: LA STRUTTURA DEGLI AMMINOACIDI I singoli amminoacidi svolgono una funzione biologica importante, inoltre se legano l’un l’altro formano le proteine, che permettono il funzionamento del metabolismo. Tutti gli amminoacidi sono formati da ossigeno, idrogeno, carbonio e azoto, e presentano sempre un gruppo carbossilico (COOH) e un gruppo amminico (NH2). Per questo motivo prendono il nome di amminoacidi, proprio per la presenza di un gruppo amminico + un gruppo carbossilico, i quali attaccati allo stesso atomo di carbonio. Gli amminoacidi sono 20 e li ritroviamo all’interno delle proteine, per questo vengono chiamati aminoacidi proteinogenici. Il carbonio centrale prende il nome di carbonio alfa, al quale sono attaccati: - un gruppo carbossilico COOH (oppure COO-), - un gruppo amminico NH2 (oppure NH3+) - una catena laterale R. Gli amminoacidi sono 20, in quanto esistono 20 catene R diverse che conferiscono caratteristiche diverse. Tutti gli amminoacidi sono molecole chirali, tranne nel caso in cui il gruppo R inizia con l’idrogeno, ovvero nel caso della glicina. Dal punto di vista chimico gli amminoacidi posso essere infiniti; tuttavia, in biochimica il termine aminoacidi si riferisce in genere ai 20 aminoacidi proteinogenici, ossia solamente gli aminoacidi che sono normalmente incorporati durante la sintesi proteica delle cellule eucariotiche. L’aminoacido varia al variare della catena R, la quale gli conferisce caratteristiche particolari dovute alla diversa struttura, dimensione e carica. Ciò che distingue un aminoacido dall’altro è la presenza di specifici gruppi funzionali nella catena laterale R, quindi la carica che la molecola assume. Ogni aminoacido è identificato da una sigla a 3 lettere, oppure con una sola. Esistono diversi modi per classificare gli amminoacidi: secondo il gruppo funzionale presente nella catena R, distinguendo quali aminoacidi sono essenzali e quali no, infine in base alle caratteristiche fisico-chimiche che essi presentano. 12 CLASSIFICAZIONE PER GRUPPO FUNZIONALE In base al tipo di gruppo funzionale presente nella carena R possiamo distinguere amminoacidi: - Alifatici: non presentano un gruppo funzionale; - Aromatici: gruppo funzionale aromatico, doppi legami delocalizzati; - Acidi: gruppo funzionale carbossilico; - Basici: gruppo funzionale basico; - Idrossilici: gruppo idrossilico; - Zolfo: contengono zolfo; - Ammidici: gruppo ammidico CLASSIFICAZIONE PER TIPO Gli amminoacidi possono essere classificati secondo il tipo, ovvero esistono aminoacidi essenziali e aminoacidi standard. Gli aminoacidi essenziali sono un sotto insieme di quelli standard costituito da 9 aminoacidi speciali, che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare, di conseguenza è necessario assimilarli attraverso la dieta. CLASSIFICAZIONE PER CARATTERISTICHE FISICO-CHIMICHE Per classificare gli amminoacidi si possono osservare le caratteristiche fisico-chimiche. Li possiamo così distinguere in cinque gruppi: - Non polari: non c’è gruppo che interagisce con l’acqua (nella catena R), di conseguenza c’è una solubilità bassa in acqua - Polari privi di carica 2 - Polari carichi positivamente 2 - Polari carichi negativamente 2 - Aromatici: contengono nella catena laterale R una struttura benzenica. Le caratteristiche fisico-chimiche degli aminoacidi sono 3: - la massa molecolare (unità di misura: dalton): più le masse sono piccole, più semplicemente si instaurano legami tra loro - l’idrofobicità: per misurare la polarità si utilizzano degli indici numerici - la carica elettrica: l’aminoacido presenta una carica negativa nel gruppo carbossilico e una positiva nel gruppo amminico, di conseguenza risulta neutro, o meglio in soluzione acquosa neutra, tutti gli aminoacidi si presentano in forma zwitterionica (forma zwitterioncica = carica neutra. Tutti gli 2 solubile in H2O, crea legami deboli con l’acqua. Inoltre, H2O dipolo permanente 13 aminoacidi in una soluzione in pH 7 sono in forma zwiterionica. Se vario il valore del pH varia anche la carica: a pH acidi la carica netta di ogni aminoacido diventa positiva, mentre a pH basici la carica diventa negativa). GLI AMINOACIDI E IL PH Gli aminoacidi si comportano come delle soluzioni tampone, infatti posso essere interscambiabili tra acidi e basi. Nel caso in cui nella catena R sia presente un gruppo funzionale speciale, possono verificarsi variazioni del pH. Le proteine presentano uno specifico punto isoelettrico (pI), dato da un valore di pH al quale la proteina è elettricamente neutra. Se il pH < pI, allora la proteina è carica positivamente, mentre se il pH > pI, allora la proteina è carica negativamente. L’eccezione sta nell’istidina, in quanto la carica della catena R varia al variare del pH fisiologico; questo aspetto è molto importante perché all’interno di una proteina può alterare completamente la funzione. MODIFICAZIONI DEGLI AMINOACIDI Gli aminoacidi possono andare in contro a modificazioni nel momento in cui vengono aggiunti particolari gruppi chimici alle catene R, che determinano una variazione delle proprietà del residuo amminoacidico; questo processo prende il nome di modificazioni post-traduzionali e avvengono a carico della catena laterale R nel momento in cui la proteina viene tradotta (PTMs); sono modifiche dinamiche e reversibili. Le modificazioni post-traduzionali avvengono una volta che la proteina è stata sintetizzata a carico della catena laterale e sono covalenti; tra le più importanti abbiamo la fosforilazione (attaccare e togliere gruppo fosfato), glicosilazione (attaccare e togliere zuccheri) Le modificazioni sono particolarmente importanti anche a livello patologico, in quanto permettono di degradare le molecole malformate; infatti, le malattie neurodegenerative sono causate dall’accumulo di proteine malformate. Nella fosforilazione ossidativa ci sono 3 residui che possono venire fosforilati: serina, treonina e tirosina. Nel punto OH si può aggiungere un gruppo fosfato. La funzione principale degli aminoacidi è quella di costruire le proteine, inoltre sono precursori di molecole biologicamente attive, ovvero se modificati possono diventare degli ormoni specializzati. CAPITOLO 9: PEPTIDI E LEGAME PEPTIDICO I peptidi e le proteine sono dei polimeri di aminoacidi, infatti, se si legano 2 aminoacidi si forma un dipeptide, se si legano 3 aminoacidi si forma un tripeptide, ecc. Se il numero di aminoacidi è compreso tra 2 e 50 si parla di oligopeptide, mentre se è maggiore di 50 si parla di polipeptide o proteina. Il legame che tiene assieme gli aminoacidi prende il nome di legame peptidico ed è formato dall’unione di un’amina con un acido, i quali formano un’amide (N.B. il legame avviene tra carbonio e azoto). Per convenzione, ma 14 anche per ragioni biologiche, gli aminoacidi si scrivono con il carbonio in posizione centrale, a sinistra il gruppo aminico e a destra quella carbossilico. Il legame peptidico deriva da una condensazione (-H2O). FORMULE DI RISONANZA: Il legame che si forma tra carbonio e azoto, e comunemente viene rappresentato con un solo trattino, ovvero come scriviamo un legame singolo. Nella realtà il legame peptidico è un legame misto, ovvero intermedio tra il singolo e il doppio, proprio per questo si utilizza una formula di risonanza per rappresentare correttamente il legame peptidico. Il singolo legame consente la rotazione dei due elementi, il doppio legame impedisce la rotazione, il legame misto impedisce la rotazione. Il legame peptidico introduce quindi una certa rigidità nelle catene polipeptidiche e gli angoli di legame sono di circa 120°; la lunghezza è intermedia tra singolo e doppio. Ogni volta che si forma un legame peptidico sono presenti 6 atomi sullo stesso piano bidimensionale (atomi complanari); l’idrogeno e l’ossigeno all’interno del legame peptidico sono sempre in configurazione trans, la quale è energicamente favorita (maggiore spazio tra le catene R). Il legame peptidico induce rigidità dove esso è presente, però c’è una libera rotazione tra carbonio alfa, carbonio e l’ossigeno (angolo psi: Ψ) e tra carbonio alfa e l’azoto (angolo phi: ϕ). Solo alcune combinazioni dei valori di psi e phi sono permessi, per vedere ciò si ricorre al digramma di Ramachandran. LEGAMI TRA AMINOACIDI Le proteine svolgono ruoli funzionali e strutturali grazie alla struttura tridimensionale, quindi la struttura determina la funzione. Nelle proteine, gli amminoacidi sono uniti covalentemente tra loro mediante un legame peptidico (condivisione di elettroni), inoltre c’è un altro tipo di legame forte che si presenta tra gli aminoacidi, ovvero il legame disolfuro (ponte disolfuro → due zolfi che si attaccano tra di loro); questo si forma tra le catene laterali degli amminoacidi. ES: L’insulina è formata da due catene polipeptidiche distinte, le quali si uniscono, formando una catena unica tramite 2 punti disolfuro. I legami possono avvenire intercatenea, quindi tra due catene diverse, oppure intracatena, quindi all’interno della catena stessa. Nel caso dell’insulina si presentano entrambi i casi IL DIAGRAMMA/PLOT DI RAMACHANDRAN Il diagramma, o plot, di Ramachandran è un modo di rappresentare le combinazioni di angoli diedri phi e psi ammesse all’interno di una determinata struttura polipeptidica (l’intensità del colore varia al variare della probabilità della combinazione). La combinazione, e quindi il digramma, varia al variare dell’aminoacido, però tendenzialmente solo il 25-30% del diagramma è occupato da zone stericamente permesse. Nel caso della glicina, che presenta nella catena R solamente un idrogeno (molto corta e poco ingombrante), le zone permesse occupano fino al 45% 15 del plot; nel caso opposto, invece, la prolina che presenta un gruppo R ciclico, ha molte restrizioni conformazionali. CAPITOLO 10: STRUTTURA PRIMARIA, SECONDARIA TERZIARIA E QUATERNARIA DELLE PROTEINE Tutte le proteine hanno la struttura primaria, secondaria e terziaria, mentre solo alcune presentano anche quella quaternaria. STRUTTURA PRIMARIA Nella struttura primaria si considera solamente la sequenza di aminoacidi (da N azoto terminale a C carbonio terminale). Si possono visualizzare legami peptidici covalenti tra gli amminoacidi. STRUTTURA SECONDARIA Nella struttura secondaria si considerano delle strutture locali che si presentano ripetutamente, infatti alcune zone delle proteine si dispongono secondo una struttura specifica. La struttura secondaria è quindi la struttura tridimensionale di un segmento di una proteina, ed è dovuta alla formazione di legami idrogeno tra i gruppi CO e NH dello scheletro polipeptidico, senza tener conto delle catene laterali o delle relazioni con altri parti della proteina. Sono quindi legami deboli, ponti idrogeno, che coinvolgono i gruppi amminici e carbonilici e si ripetono nelle catene. La struttura regolare più semplice prende il nome di alfa elica, si forma quando un certo numero di coppie di angoli phi e psi sono in successione tra di loro e hanno valori compresi tra -60° e -50°. In questo modo i piani peptidici si dispongono in maniera elicoidale interno all’asse longitudinale (ogni giro dista 5,6 Armstrong). Tutte le proteine contengono almeno una struttura ad alfa elica. Si possono visualizzare legami ponte idrogeno tra aminoacidi adiacenti sullo scheletro. Si ripete ogni 3,5 aa STRUTTURA TERZIARIA Nella struttura terziaria si considera l’intera catena polipeptidica nella struttura tridimensionale (struttura reale che la proteina presenta nello spazio). La struttura terziaria rappresenta la conformazione tridimensionale degli atomi che compongono una proteina di sequenza definita. Si distinguono 2 tipi di proteine caratterizzate da struttura terziaria: 16 - proteine globulari: catene ripiegate con conformazione sferoidale, sono coinvolte nella regolazione dell’omeostasi cellulare (enzimi) - proteine fibrose: struttura lineare con conformazione a filamento, funzioni biologiche nell’architettura cellulare e tissutale. Il processo che trasforma la struttura primaria in struttura terziaria, quindi il passaggio che permette la trasformazione della sequenza di amminoacidi in una struttura 3D nativa, prende il nome di folding (processo di ripiegamento delle proteine). Il processo inverso, invece, prende il nome di denaturazione della proteina; quindi, si passa dalla struttura terziaria alla struttura primaria. La conseguenza principale di questi processi sta nella perdita della funzione della proteina. FOLDING Il folding è un processo gerarchico e cooperativo, infatti alcune strutture si formano prima delle altre (generalmente sono strutture più stabili, ad esempio alfa elica) e guidano la costruzione delle strutture successive. Il folding viene anche detto imbuto energetico (folding tunnel), perché si parte da uno stato ad alta energia ed alta entropia e si arriva ad uno stato a bassa energia e bassa entropia. Con il procedere del processo di ripiegamento aumenta il numero delle interazioni e diminuisce il numero di conformazioni ammesse. Lo stato Molten globule o globulo fisso è un ripiegamento intermedio già globulare ma ancora poco compatto. Alcune conformazioni transitorie possono persistere fino a quando non viene fornita energia per superare la barriera energetica con decadimento in conformazione ad energia minore La struttura terziaria è tenuta assieme da legami covalenti, principalmente ponti disolfuro, e legami non covalenti, quindi deboli, come legami idrogeno, ionici, interazioni idrofobiche e van der Waals. Il processo di folding viene tendenzialmente assistito da alcune proteine, ovvero le proteine Chaperons e Chaperonins. Il loro ruolo è quello di assistere e guidare il folding di alcune proteine tramite dei meccanismi particolari. Alcune proteine, o parti di esse, non hanno una struttura fissa/ordinata, proprio per questo prendono il nome di intrinsically disordered proteins (IDPs). STRUTTURA QUATERNARIA Nella struttura quaternaria sono presenti 2 o più catene polipeptidiche diverse e ci informa sulla relazione spaziale che caratterizza la proteina. Accanto a proteine monomeriche, si possono trovare proteine costituite da più catene (subunità), tra loro identiche o diverse, che generano complessi tridimensionali definiti dalla struttura quaternaria (monomeriche e multimeriche → subunità possono essere uguali o diverse ) 17 CAPITOLO 12 : PROTEINE FIBROSE E GLOBULARI Le proteine fibrose hanno una struttura lineare con conformazione a filamento. Svolgono per lo più funzioni biologiche nell’architettura cellullare e tessutale (collagene e alfa-cheratina). Le proteine globulari sono caraterizzate da strutture diverse che si ripetono, le proteine globulari sono catene ripiegate con conformazione sferoidale. Sono generalemnte coinvolte nella regolazione dell’omeostasi cellulare (mioglobina ed emoglobina). PROTEINE FIBROSE: IL COLLAGENE Il collagene è la principale proteina del tessuto connettivo negli animali, ed è uno dei più importanti componenti della matrice extracellulare (la composizone della matrice extracellulare varia in base all’organo, ma c’è sempre una componente di collagene). Il collagene viene prodotto soprattutto dai fibroblasti, ed è presente in grande quantità a livello della pelle, dei vasi, delle cartilagini, dei denti, delle ossa e della cornea. La matrice extracellulare è una sostanza amorfa, inerte, che instaura interazioni con le cellule che sono disperse in essa, mediante le interine, le quali interagiscono con il citoscheletro e con la matrice extracellulare (composta da collagene, carboidarti). Il collagene presenta una struttura unica che lo caratterizza: la tripla elica. La tripla elica è composta da 3 catene polipeptidiche che si avvolgono le une sulle altre formando un elica a 3 filamenti. Il collagene è ricco di glicina (circa il 30%) ed è caratterizzato da uno schema ciclico che vede l’alternarsi di una glicina e due amminoacidi (glicina, aminoacido, aminoacido, glicina; questa sequenza determina la struttura a tripla elica. Nelle immagini a e b si vede il singolo filamente ad elica, nell’immagine c, invece, si vedono i 3 filamenti. Nell’immagine d sono rappresentati i filamentei avvolti, completati da residui di glicina che si ripetono, i quali si trovano all’interno della struttura, vicino all’asse. Quindi queste immagini rappresentano 3 singole eliche sinistronrse associate tra loro, che formano una super-elica. La glicina, avendo un gruppo R molto piccolo, ingombra poco spazio e fa si che la tripla elica sia molto compatta e stretta. Il collagene è costituito da eliche allungate, con un passo di 9,2 armstrong (elica più allungata grazie alla glicina). Nella tripla elica ci sono solamente legami idrogeno intercatena tra l’-NH peptidico della glicina e il -CO peptidico di aminoacidi delle altre catene. La triplice elica risulta quindi compatta, idrofobica ed insolubile, adatta a formare fibre. Nel collagene troviamo: - glicina 35% - alanina 11% - prolina3 + idrogeno 20% All’interno delle cellule il collagene viene prodotto sottoforma di protocollagene, il quale è caraterizzato da 3 strutture diverse, di cui 1 tripla elica, che serve per far maturare il collagene. Nel momento in cui il collagene diventa maturo presetna una struttura unica, ovvero la tripla elica. 3 Con R ciclico, quindi conferisce rigidità 18 I fibrloblasti producono collagene in eccesso, il quale viene privato della testa azoto e rilasicato nel citoplasma; quando arriva nella matrice extracellulare viene privato della coda di carbonio e quindi si formano delle fibre di collagene che si dispongono in modo oridnato ma sfalsato. Queste singole unità si legano le une con le altre per formare una fibra di collagene; più fibre si dispongono in modo parallelo, ma sfalsato. Il collagene deve avere due caratteristiche fondamentali: deve essere fluido, ma anche resitente; per far ciò si ricorre alle modificazioni post traduzionali di due residui. Le modificazioni da effetturale sono 2: - a carico di residui di prolina → idrossilazione/ossidrilazione (attaccare un gruppo OH a carico della prolina) - a carico di residui di lisina → idrossilazione e allisina IDROSSILAZIONE PROLINA Reazione catalizzata dalla prolina idrossilati, la quale serve a stabilizzare il collagene, aumentando la temperatura di fusione. L’aggiunta del gruppo OH permette al collagene di creare nuovi legami che contribuiscono alla stabilizzazione; dal punto di vista chimico fisico, il collagene che ha subito questa modificazione presenta una temperatura di fusione più elevata, risultano fluido a 37° (temperatura fisiologica). IDROSSILAZIONE LISINA La lisina subisce una doppia modificazione, in parte viene idrossilata per formare l’idrossilisina, in parte per trasformare l’idrossilisina in allisina. Anche in questo caso si aggiunge un gruppo OH. L’idrossilisina viene modificata in allisina, la quale presenta un gruppo aldeidico, il quale è particolarmente importante, perché due allisine possono reagire tra loro grazie al gruppo aldeidico, formando un legame covalente tra le due catene. Riassumendo: si formano dei legami covalenti tra i due gruppi aldeidici. Le lisine modificate svolgono due diverse funzioni: - rappresenta il sito di attacco per i polisaccaridi; - rappresenta un sito di cross-link fra diverse catene (creare legami tra le lisine modificate). Questi due tipi di modificazioni sono particolarmente importanti e avvengono in gran parte del nostro corpo, visto che il collagene è abbondantemente presente. La allisina va a formare legami covalenti intercatena FOCUS: ACIDO ASCORBICO – VITAMINA C La vitamina C è un micronutriente essenziale per il corpo che permette le modificazioni traduzionali precedentemente citate. L’essere umano è privo di un enzima che sintetizza la vitamina C, di conseguenza dobbiamo assumerla tramite la dieta. La carenza di acido ascorbico causa una patologia chiamata scorbuto, che in generale causa carenza di collagene, di conseguenza ci sono dei danneggiamenti in tutte le strutture in cui il collagene è particolarmente presente (denti, capelli, ferite, …). 19 PROTEINE GLOBULARI: MIOGLOBINA, EMOGLOBINA PREMESSA & FOCUS: COENZIMI Molto proteine contengono dei cofattori, ovvero porfirine e clorine. La porfirina è formata dall’unione di 4 anelli pirrolici, caratterizzati da elettroni delocalizzati, per questo si dice che è un sistema ad elevata coniugazione di elettroni. La porfirina è la struttura di base per la costruzione del gruppo EME, infatti se alla porfirina si aggiunge un Fe2+ si ottiene un gruppo EME. Il ferro può formare dei legami covalenti di coordinazione, che consistono nella condivisione di elettroni da parte di un solo atomo (il ferro forma fino a 6 legami di coordinazione). Esistono diversi gruppi EME, diversi tra loro, i quali possono legare la proteina tramite legami covalenti o non covalenti. LA MIOGLOBINA La mioglobina è una proteina più piccola del collagene, con peso inferiore. È normalmente presente nei muscoli e gli conferisce il color rosso. Il ruolo biologico della mioglobina è quello di legare e trattenere l’ossigeno nelle cellule muscolari. La mioglobina in conformazione nativa (= funzionale) è costituita da una parte proteica (apoproteina) e una non proteica (gruppo prostetico). Il gruppo prostetico, nell’immagine, è rappresentato dalla macchia rossa; questa è quindi una molecola organica che si unisce alla parte proteica per creare la mioglobina funzionale. Il gruppo prostetico per eccellenza è il gruppo EME, il quale si trova nella mioglobina, nell’emoglobina, nei citocromi, nei catalasi e nel NOS, ed è caratterizzato dalla presenza di un atomo di ferro 2+ al centro. la mioglobina è costituta da 153 amminoacidi e contiene un gruppo EME. È una struttura globulare molto compatta e l’80% è caratterizzata da una struttura ad alfa elica; ci sono 8 segmenti che uniscono le alfa eliche e 7 regioni non elicoidali. La parte non proteica è caratterizzata dalla presenza del gruppo EME. L’ossigeno forma un legame con il ferro contenuto al centro della struttura, mentre il gruppo EME è attaccato alla mioglobina perché forma un legame con l’istidina. Il ferro contenuto nel gruppo EME forma altri due legami di coordinazione (Riassumendo: 4 legami con azoti centrali + 1 legame con istidina della proteina + 1 legame con ossigeno). Per far si che la mioglobina sia attiva, il ferro deve essere sempre nello stato ridotto 2+. Il gruppo EME si localizza in una tasca idrofobica inaccessibile al solvente; questo impedisce l’ossidazione del ferro 2+ a ferro 3+. A seconda dello stato di ossidazione dell’emoglobina, il tessuto varia da rosso acceso a rosso più spento tendente al giallo-marrone L’EMOGLOBINA L’emoglobina è una proteina multimerica formata da 4 subunità, a due a due uguali, che prendono il nome di globine; viene descritta come un tetramero formato da 2 catene alfa e 2 catene beta che complessivamente presentano una struttura quaternaria. Ogni globina possiede una parte proteica e una parte non proteica (gruppo eme) e proprio per questa caratteristica viene associata alla mioglobina. 20 Allineamento multiplo: allineo due o più sequenze per vedere le caratteristiche uguali e diverse Nonostante siano proteine con sequenza piuttosto diversa, la loro struttura nativa è molto simile: la mioglobina immagazzina ossigeno nei tessuti e la si trova nelle cellule muscolari, mentre l’emoglobina trasporta ossigeno nel sangue ed è contenuta nei globuli rossi. La funzione comune è quella di legare l’ossigeno, ma con due scopi differenti. Le proteine trasportatrici di ossigeno, emoglobina e mioglobina, sono tra gli esempi meglio caratterizzati del legame reversibile proteine-ligando. Le proteine non costituiscono entità individuali, ma la loro funzione spesso dipende dal legame con altre molecole, proteiche o di altra natura. Il ligando è una molecola unita reversibilmente ad una proteina, in un sito peculiare, chiamato sito di legame, a cui il ligando si associa in modo altamente specifico; la flessibilità delle proteine permette che lievi modifiche della loro conformazione possono avvenire dopo il legame del ligando. Nelle proteine multimeriche, una modificazione conformazionale di una subunità può influenzare la struttura delle altre subunità. Sono presenti 2 istidine. CAPITOLO 15: LEGAME COOPERATIVO PROTEINA LIGANDO La saturazione (SAT.) è la differenza tra i siti di legame occupati ed è dato da rapporto tra proteina legata e proteina totale (L = ligando, Kd= costante di dissociazione, indica l’affinità tra proteina e ligando). La saturazione varia in un range da 0 a 10, ma si può esprimere anche in valore percentuale. Valori bassi di Kd indicano alta affinità, mentre valori alta di Kd indicano bassa affinità. Matematicamente la Kd indica la concentrazione di ligando alla quale metà dei siti di legame della proteina sono occupati. Nel grafico l’asse delle y indica la saturazione, mentre l’asse delle x rappresenta la concentrazione del ligando. L’emoglobina è formata da 4 sub unità, mentre la mioglobina ad 1 unità. L’emoglobina deve essere particolarmente affine all’ossigeno per legarlo ai polmoni, ma dall’altra parte deve rilasciarlo nei tessuti con altrettanta efficienza. Per far questo l’emoglobina è caratterizzata da una doppia personalità, infatti, l’emoglobina si comporta in modo diverso a seconda di dove si trova, ovvero nei vasi sanguigni dei poloni si trova in una conformazione ad alta affinità, mentre nei vasi sanguigni periferici (muscoli) si trova in una conformazione a bassa affinità e rilascia quindi ossigeno. Un’efficiente proteina di trasporto di O2 deve operare a bassa affinità nei tessuti ed alta affinità nei polmoni, ovvero subire una variazione di stato (immagine c). L‘emoglobina opera una transizione conformazione da uno stato a bassa affinità (T - tesed) ad uno ad alta affinità (R – relaxed), con una curva di saturazione ad andamento sigmoidale. T quando passa nei tessuti, R 21 quando passa nei polmoni. La transizione tra i due stati dipende dalla concentrazione del ligando, quindi, in questo caso, dalla concentrazione di ossigeno. Il legame di O2 alla prima subunità comporta l’aumetno dell’affinità per l’ O2 delle altre subunità; quindi, è il legame dell’ossigeno con la prima subunità che modifica le altre 3 subunità (cooperazione). Avere due conformazioni diverse è una proprietà tipica dell’emoglobina, ma anche di altre proteine, e questa particolarità prende il nome di allosteria (proteine allosteriche = proteine che variano da uno stato affine a uno meno affine, quindi passa dallo stato T allo stato R). L’emoglobina è una proteina allosterica, in cui il legame del ligando ad un sito modifica le proprietà di un sito diverso della stessa molecola. CAPITOLO 16: ALLOSTERIA L’allosteria è la regolazione di una proteina mediata da una molecola detta effettore, o modulatore allosterico, che svolge tale funzione legandosi presso il sito allosterico. Il legame di un ligando ad un sito modifica le proprietà di legame di altri siti per un altro ligando. I meccanismi alla base della regolazione allosterica richiedono interazione tra diverse subunità e il cambiamento conformazionale. Esistono due tipi di allosteria: - eterotreopica → ligando non coincide modulatore allosterico - omotropicae → ligando coincide con modulatore allosterico. L’allosteria può essere positiva o negativa, dipende dal modulatore, infatti, se quest’ultimo è positivo favorisce il legame tra proteina e ligando, mentre se è negativo sfavorisce il legame tra proteina e ligando. La mioglobina presenta un’equazione più semplice, in quanto lega 1 subunità, mentre L’emoglobina presenta un’equazione più complessa, in quanto lega 4 subunità EQUAZIONE DI HILL (n = indice di Hill che misura il grado di cooperatività). - Se n = 1 → legame non cooperativo. L’affinità della proteina per il ligando non dipenda dal legame di altri ligandi - Se n > 1 → legame cooperativo positivo. Il legame del primo ligando aumenta l’affinità per i successivi - Se n > 1 → legame cooperativo negativo. Il legame del primo ligando riduce l’affinità per i successivi (miglioramento dell’affinità di legame). Dal punto di vista biochimico la transizione parte da uno stato T a minore affinità e arriva allo stato R con maggiore affinità, e consiste in una variazione conformazionale in cui i protomeri alfa e beta scivolano e ruotano reciprocamente. Questo cambiamento conformazione è dato dal legeme dell’ossigeno che promuove la transizione T – R influenzando la conformazione dell’eme. L’appiattimento dell’eme induce una modificazione conformazione dell’elica F. Senza l’ossigeno, l’atomo di ferro 2+ è trattenuto sotto il piano dell’eme dall’istidina prossimale; il legame di ossigeno sposta in alto l’atomo di ferro 2+ e quindi l’istidina prossimale, modificando la conformazione dell’elica F. La transizione tra gli stati T – R consiste in un marcato spostamento dell’intera elica F (la variazione di una subunità modifica tutta l’emoglobina). La variazione conformazione dell’elica F di una subunità induce una modificazione che si trasmette all’intera moecola: anche le eliche F delle altre subunità assumono la 22 conformazione dello stato R, senza ossigeno. Lo spostamento degli atomi di ferro 2+ delle altre subunità aumenta l’affinità per l’ossigeno. L’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno può essere modificata da: - Temperatura: T tessuti = 37°, T polmoni = 20°, T emoglobina varia da organo a organo e a mano a mano che si abbassa la temperatura diventa più affine all’ossigeno (come nei polmoni); - pH: alto a livello polmonare e basso nei tessuti; - pCO2 (quantità di anidride carbonica): poca nei polmoni, quindi l’affinità dell’emoglobina aumenta al diminuire della CO2, quindi lega ossigeno nei polmoni, dove c’è poco CO2; - 2,3 – bisfosfoglicerato (BPG). Il bisfosfoglicerato è importante: - in gravidanza → c’è uno scambio di ossigeno dall’emoglobina materna a quella fetale; durante lo sviluppo embrionale le emoglobine sono diverse rispetto a quelle dell’adulto. L’emoglobina fetale è più affine al bisfosfoglicerato. - Per la produzione di globuli → l’emoglobina varia al variare dell’altitudine, infatti a mano a mano che si alza l’altitudine viene prodotto meno bisfosfoglicerato e aumenta quindi l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno. CAPITOLO 17-18: ENZIMI E CINETICA ENZIMATICA Gli enzimi sono catalizzatori biologici altamente specifici e permettono che nella cellula le reazioni avvengano con velocità compatibili con la vita, ovvero milioni di volte superiori a quelle delle stesse reazioni non catalizzate. In generale, un enzima catalizza la trasformazione di un substrato (reagente) in un prodotto. Gli enzimi, dal punto di vista chimico, sono proteine, mentre dal punto di vista funzionale sono catalizzatori biologici, ovvero proteine che velocizzano le reazioni (aumentala velocità con cui i reagenti diventano prodotti). Alcuni enzimi non sono proteine, ma RNA catalitici, e prendono il nome di ribozimi. Nel 99% dei casi, però, gli enzimi sono proteine. Per l’attività catalitica, diversi enzimi richiedono la presenza di cofattori semplici, ovvero ioni metallici, oppure complessi, quindi coenzimi, trasportatori di specifici gruppi funzionali. Se il cofattore è legato covalentemente all’enzima si para di gruppo prostetico. L’enzima nel suo complesso viene definito oloenzima, mentre la sola parte proteica viene definita apoenzima. Le vitamine (micronutrienti essenziali) agiscono come gruppi prostetici e sono specifiche per determinate reazioni. L’unica vitamina che il corpo riesce a sintetizzare è la vitamina D (mediante raggi solari). Le vitamine sono liposolubili e idrosolubili; l’eccessiva assunzione di vitamine liposolubili possono causare patologie particolari. Considerando la complessità strutturale, si distinguono: - enzimi monomerici, una sola catena polipeptidica; - enzimi oligomerici, più catene polipeptidiche; - complessi multi-enzimatici, più enzimi legati e coordinati fra loro per svolgere reazioni a catena in modo veloce e minimizzando le reazioni collaterali. 23 Le classi enzimatiche sono 7 e catalizzano per diversi tipi di reazione; ogni classe si divide poi in diverse sottocategorie, fino ad arrivare all’enzima vero e proprio, identificato da un nome e un codice. 1) OSSIDOREDUTTASI: all’interno di questa classe si trovano le reazioni di ossidoriduzione, quindi le reazioni sono caratterizzate da trasferimento di elettroni (ES. metabolismo). 2) TRASFERASI: all’interno di questa classe le reazioni sono caratterizzate dal trasferimento di gruppi funzionali. 3) IDROLASI e LIASI: entrambe le classi promuovono la rottura di un legame. Nel caso delle idrolasi la rottura è idrolitica, infatti entra una molecola d’acqua, nel caso della liasi la rottura non avviene per l’acqua. 4) ISOMERASI: tipo di reazione intramolecolare che prevede la riorganizzazione molecolare, ad esempio cis e trans. 5) LIGASI: enzimi che formano nuovi legami, forti e covalenti 6) TRANSLOCASI: scoperta nel 2017 mediano lo spostamento delle molecole da un lato all’altro della membrana. Gli enzimi sono proteine che velocizzano reazioni che avvengono all’interno di una tasca della proteina che viene definita sito attivo. La molecola che si lega all’enzima e su cui l’enzima agisce è il substrato. Il sito attivo è dato dall’organizzazione tridimensionale (folding) della proteina e pertanto il più delle volte è composto da residui lontani tra loro nella struttura primaria. Gli enzimi sono particolarmente precisi, soprattutto per la presenza del complesso enzima substrato, generano un ambiente specifico, sito attivo, dato dalla confermazione 3D della proteina e spesso composto da residui lontani tra loro nella struttura primaria. Riscaldando l’enzima si cambia la natura, quindi l’enzima non è più attivo. Un catalizzatore accelera in modo consistente la velocità di reazione riducendo l’energia di attivazione; esso non viene consumato durante la reazione e non ne altera l’equilibrio chimico. L’enzima instaura legami con il prodotto per diminuire l’energia (delta G). La differenza di energia si traduce in velocità di reazione, quindi tanto più l’energia verrà abbassata, tanto più la reazione avverrà velocemente (velocizza anche di 10 ^17 volte una reazione). Dal punto di vista quantitativo vi sono delle equazioni che esprimono la velocità dell’enzima (ES) = concentrazione complesso enzima substrato. (P) = prodotto La quantità di enzima substrato, dopo pochi secondi, rimane costante. La prima parte della reazione prende il nome di stato pre-stazionario, mentre la seconda parte prende il nome di stato stazionario, in quanto la quantità di enzima substrato rimane costante. 24 Nello stato pre-stazionario avviene la formazione del complesso, dura pochissimo tempo e quindi è difficile da osservare. Lo stato stazionario si verifica quando la concentrazione di enzima substrato rimane costante. Lo stato stazionario appresenta lo stato più comune in cui trova una reazione, ed è quindi quello che può essere osservato dal punto di vista quantitativo. La cinetica enzimatica, che studia gli aspetti quantitativi della velocità di una reazione, si riferisce sempre alla cinetica dello stato stazionario. La velocità di una reazione non è costante, ma, indicativamente, si può indicare con V0. La curva arriva ad un valore massimo che prende il nome di velocità massima della reazione. Il grafico è quindi un’iperbole che poi si appiattisce e rimane costante. Si ricorre all’utilizzo di Michaelis-Menten : - Vmax= velocità massima (mol/s). rappresenta la velocità di reazione a concentrazioni saturanti di substrato. - Km= valore di concentrazione (mol/L) → costante di Michaelis-Menten. Ogni enzima presenta una specifica Km per ogni diverso substrato. Km indica l’affinità di un enzima per un determinato substrato. Più piccola è Km più è affine - Km = ½ Vmax CAPITOLO 19: REGOLAZIONE DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA La regolazione dell’attività enzimatica è essenziale per mantenere l’omeostasi cellulare, ovvero l’equilibrio vitale. Regolare il pH permette di regolare l’attività enzimatica e quindi fa lavorare correttamente organi e tessuti. Essendo proteine, anche per gli enzimi lo stato di protonazione delle catene laterali di particolari 25 residui può influenzare la struttura terziaria e la conformazione 3D; inoltre, questo può modificare la capacità catalitica acido-base di un enzima. Nella cellula la regolazione dell’attività di un enzima può essere ottenuta mediante diversi meccanismi: - Controllo quantitativo (quantità) - Controllo qualitativo (attivo o non attivo). CONTROLLO QUANTITAIVO Il controllo quantitativo può avvenire su 4 livelli diversi: - regolazione dell’espressione genica; - regolazione della degradazione proteolitica; - taglio proteolitico di un pro-enzima; - compartimentalizzazione. REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA Regola la quantità di enzima in positivo REGOLAZIONE DELLA DEGRADAZIONE PROTEOLITICA Regola la quantità di enzima in negativo TAGLIO PROTEOLITICO Si parte da un enzima inattivo, chiamato zimogeno, che diventa attivo tramite la proteolisi, ovvero il distaccamento di una parte dell’enzima. Il pezzo che viene staccato è una sequenza inibitoria, nel momento in cui viene staccata l’enzima risulta attivo. Questo processo è caratterizzante dello stomaco, è un meccanismo molto veloce mediato da un altro enzima COMPARTIMENTALIZZAZIONE Viene mantenuto un enzima in un luogo specifico (tessuto o organello sub cellulare), dove l’accesso ai substrati è limitato. Ad esempio, la sintesi – degradazione degli acidi grassi: la sintesi avviene nel citosol, mentre la degradazione avviene nei mitocondri. Es: lisosoma (viene degradato solo ciò che entra dentro la strutta, in modo da controllare l’attività enzimatica relegando un enzima specifico in un punto specifico). CONTROLLO QUALITATIVO Il controllo qualitativo può avvenire mediante due processi: - regolazione allosterica (mediato dai modulatori o effettori allosterici); - regolazione mediante modificazione covalente reversibile dell’enzima. L’enzima può essere acceso o spento, quindi reso attivo o inattivo. Attraverso un legame non covalente il modulatore si lega all’enzima e porta l’attivazione o l’inibizione della proteina; il modulatore può essere sia positivo, sia negativo, e in base alla carica favorisce la transizione da T a R o viceversa. 26 REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA Gli effettori allosterici sono capaci di alterare le proprietà catalitiche di un enzima attraverso la modificazione conformazionale del sito attivo, che viene indotta dal loro legame non covalente ad uno specifico sito regolatorio. Gli effettori positivi producono un aumento di attività enzimatica, quelli negativi invece la riducono. Quando il substrato agisce da modulatore allosterico, l'enzima si definisce omotropico; quando l'effettore è una molecola diversa dal substrato, l'enzima si definisce eterotropico. Nell’immagine C sta per subunità/sito catalitica/catalitico dove avviene la catalasi della reazione La maggior parte degli enzimi allosterici sono oligo-o multimerici e catalizzano principalmente le reazioni poste all'inizio di una cascata metabolica o nei punti di potenziali diramazioni delle vie metaboliche. In molti enzimi allosterici, il sito catalitico e quello regolatorio si trovano su subunità diverse (subunità catalitica vs subunità regolatoria): il legame del modulatore induce una variazione conformazionale trasmessa all’intera molecola. Gli enzimi allosterici non seguono la cinetica iperbolica di Michaelis-Menten, ma l’andamento della velocità delle reazioni da essi catalizzate è di tipo sigmoidale, riflettendo la natura cooperativa delle interazioni tra le subunità dell’enzima e del legame dell’effettore sull’attività catalitica. L’equazione di Michaelis-Menten vale solo per gli enzimi normali (micheliani), non quelli allosterici. La modulazione allosterica può essere sia posiitiva, sia negativa e può assumere forme diverse a livello di grafico REGOLAZIONE MEDIANTE MODIFICAZIONE COVALENTE REVERSIBILE DELL’ENZIMA La regolazione mediante una modificazione covalente reversibile di uno o più residui dell’enzima è un meccanismo largamente utilizzato nella cellula. Sono possibili molteplici modificazioni differenti a carico degli amminoacidi, ognuna catalizzata da enzimi specifici, come l’aggiunta di particolari gruppi chimici alle catene laterali. Formazione di legame covale + aggiunta/sottrazione enzima: modifica di gruppi funzionali che porta lala formazione di un nuovo legame covalente Le stesse modificazioni possono essere operate su residui diversi (metilazione di K e R) Lo stesso residuo può essere soggetto a modificazioni diverse (K metilata o acetilata). La fosforilazione è la modificazione più importante e può avvenire su tre residui specifici che presentano un gruppo ossidrilico e un gruppo fosfato nella catena R (2 cariche negative che modificano la conformazione): serina, treonina e tirosina. Gli enzimi che attaccano un gruppo fosfato all’enzima prendono il nome di chinasi, mentre le fosfatasi tolgono il gruppo fosfato La glicogeno fosforila viene regolata mediante fosforilazione: la fosforilasi chinasi attiva l’enzima (forma a, forma fosforilata), mentre la fosforilasi fosfatasi rimuove i gruppi fosfato convertendo l’enzima in una forma poco attiva (glicogeno fosforilasi → forma B, quindi forma non fosforilata). Nella forma B è come se l’enzima non fosse presente. 27 In alcuni casi, ad esempio nella glicogeno fosforilasi, un enzima può subire una doppia regolazione: covalente ed allosterica (es. AMP) BIOMOLECOLE: I CARBOIDRATI CAPITOLO 20: MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E CICLIZZAZIONE DEGLI ZUCCHERI I carboidrati sono l’insieme di tutte quelle molecole che come formula generale hanno (CH2O)n. Il carboidrato più importante è il glucosio, il quale contiene un gruppo carbonilico, un gruppo aldoso e un gruppo chetoso. I monomeri dei carboidrati sono i monosaccaridi, i quali hanno da 3 a 7 carboni; i monomeri possono unirsi sottoforma di catene per creare: - disaccaridi: unione di due monosaccaridi; - oligosaccaridi: unione da 3 a 10 monosaccaridi; - polisaccaridi: unione da 11 a 100 monosaccaridi. I carboidrati vengono anche chiamati glucidi, zuccheri o saccaridi. Dal punto di vista strutturale tutti i carboidrati sono poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni, questo perché presentano sempre un gruppo carbonilico, che può essere aldoso o chetoso. LE FUNZIONI DEI CARBOIDRATI I carboidrati rappresentano la fonte energetica più utilizzata dagli organismi viventi (es. globuli rossi utilizzano glucosio per rimanere in vita); hanno inoltre funzione strutturale, infatti molte strutture del nostro organismo sono costitute anche da carboidrati, come, ad esempio, la cellulosa delle cellule vegetali e la matrice extracellulare delle cellule umane (proteina + carboidrato). La 3 funzione è quella di deposito energetico, in particolar modo nell’uomo il glicogeno rappresenta la forma di stoccaggio del glucosio; nelle piante, invece, il glicogeno è immagazzinato sottoforma di amido. Infine, hanno funzione di costituzione di molecole in particolar modo degli acidi nucleici. Ogni carboidrato, per esser tale, deve essere una molecolare chirale; quindi, per calcolare il numero di stereoisomeri presenti in una molecola si ricorre alla regola di Bel-Van’t Hoff : Numero di stereoisomeri = 2n (n= numero di C asimmetrici). Per ogni carboidrato si può disegnare una forma D e una forma L, a seconda di dove si posizione l’OH; generalmente in natura si possono trovare solo carboidrati in conformazione D, proprio per questo si tende a considerare solamente le forme D. Se OH a destra D molecola (glucosio), se OH sinistra L molecola (glucosio) NOMENCLATURA ALDEIDI-CHETONI: - trioso (3 atomi di carbonio); - tetroso (4atomi di carbonio); - pentoso (5 atomi di carbonio); - esoso (6 atomi di carbonio). 28 LA REATTIVITA’ DEI CARBOIDRATI La reazione generica tra un’aldeide/chetone e un alcol forma una molecola di emiacetale quando si parte da un’aldeide, mentre emichetale quando si parte da un chetone. La molecola finale può reagire ulteriormente con un alcol/ammina formando l’acetale. Questa reazione è importante in quanto avviene all’interno della molecola di glucosio (rx intramolecolare). Il gruppo carbonilico del glucosio reagisce con il gruppo ossidrilico; in tal modo il glucosio, quando viene disciolto in acqua, si presenta in forma ciclica a 6 atomi. Una volta che si forma, il carbonio 1 che subisce la reazione, diventa un carbonio chirale, in quanto nella forma ciclica ha 4 sostituenti diversi legati. Questa reazione avviene spontaneamente, infatti una volta che il glucosio vien disciolto in acqua si presenta in forma ciclica in 2 varianti, ovvero conformazione alfa (α) e beta (β). Il carbonio su cui avviene la reazione prende il nome di carbonio carbonilico/anomerico e presenta la variante α se OH sta sotto il piano di legame, invece, sta sopra se si trova in forma β. Il 99% del glucosio assume forma ciclica in quanto è energicamente è più stabile, mentre l’1% rimane in forma aperta. Quando i carboidrati vengono rappresentati in forma aperta sono in formula di Fischer, mentre se sono scritti in modo ciclico sono in formula di Haworth. In soluzione acquosa, i monosaccaridi con 5 o più aromi di carbonio assumono una forma ciclica, che si trova in equilibrio con la forma a catena lineare. PIRANO: 5 carboni + 1 ossigeno il carbonio carbonilico va incontro ad una reazione in modo che si chiuda su se stesso. Può avvenire poi un'altra reazione che comporta la formazione di un acetale, mediante un legame glicosidico. Questo legame tiene unite le catene monomeriche per formare disaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi. Per formare il legame glicosidico, il carbonio anomerico deve reagire con alcoli (legame O-glicosidico) o con ammine (legame N-glicosidico). Il legame O-glicosidico tiene assieme i polisaccaridi, mentre il legame N-glicosidico tiene assieme i nucleotidi. Alcuni OH dei monosaccaridi possono essere sostituiti da gruppi chimici diversi, producendo zuccheri biologicamente importanti, come i derivati del glucosio (amminozuccheri). CAPITOLO 21: DISACCARIDI E LEGAME GLICOSIDICO I disaccaridi sono costituiti da due molecole di monosaccaride unite da un legame o-glicosidico, un legame etere tra gruppo OH di una molecola e il gruppo carbonilico anomerico dell’altra molecola, con una reazione di condensazione. I disaccaridi più importanti sono il lattosio e il saccarosio. Il legame glicosidico può unire il C anomerico con il C - OH in posizioni diverse della seconda molecola di zucchero, generando disaccaridi differenti per le proprietà chimiche, fisiche e biologiche. CAPITOLO 22: OLIGOSACCARIDI E POLISACCARIDI STRUTTURALI E DI RISERVA I polisaccaridi sono polimeri con massa molecolare elevata che differiscono tra loro per: 29 - il monosaccaride/i monosaccaridi; - la lunghezza della catena; - il tipo di legame glicosidico che unisce i componenti; - il grado di ramificazione della catena; - ruolo funzionale. Esistono 2 famiglie di polisaccaridi: - omosaccaridi: c’è un solo tipo di monosaccaride che compone la catena - eteropolisaccardi: ci sono due o più tipi di monosaccaride che compone la catena. Entrambe le famiglie di polisaccaridi si possono diversificare in: polisaccaridi ramificati e polisaccaridi non-ramificati, a seconda delle ramificazioni che essi presentano. Dal punto di vista funzionale si possono distinguere in: - polisaccaridi nutrizionali o di riserva: i principali omopolisaccaridi sono l’amido nelle cellule vegetali e il glicogeno nelle cellule animali; - polisaccaridi strutturali o di sostegno: si trovano nelle membrane biologiche, nelle pareti cellulari delle piante (cellulosa), nell’esoscheletro degli insetti (chitina) e alcuni eteropolisaccarisi (glicosamminoglicani) sono componenti della matrice extra-cellulare. GLI OMOPOLIMERI DEL GLUCOSIO L’AMIDO L’amido è un omopolisaccaride del glucosio costituito da due tipi di polimeri, l’amilosio e l’amilopectina. L’amilosio è una catena lineare di molecole di D-glucosio, unite da legami di tipo O-glicosidico tra carbonio 1-4. Il carbonio anomerico si trova in forma alfa. L’amilopectina è ramificata, con legami alfa 1-4 nella catena principale (identica all’amilosio) e legami alfa 1-6 nei punti di ramificazione. Le ramificazioni conferiscono al polisaccaride una maggiore compattezza e permettono una depolimerizzazione più veloce. Nella catena principale c’è una ramificazione ogni 20/30 unità. Si trova nelle piante ed il modo in cui esse immagazzinano il glucosio in eccesso IL GLICOGENO Dal punto di vista strutturale, il glicogeno è uguale all’amilopectina, ma con ramificazioni più frequenti, ogni 8- 10 unità; anche dal punto di vista funzionale, il glicogeno somiglia all’amido; infatti, il glicogeno rappresenta il modo in cui i mammiferi immagazzinano glucosio. La glicogenina funziona da primer per il glicogeno, per far crescere il carboidrato. La struttura principale del glicogeno è tenuta assieme da legami alfa 1-4, mentre le ramificazioni legami alfa 1-6. I legami alfa comportano una struttura compatta con un avvolgimento elicoidale della catena, stabilizzato da legami H. 30 LA CELLULOSA La cellulosa è un omopolisaccaride lineare di D-glucosio, con legami beta 1-4. I legami beta determinano una struttura dritta ed estesa della catena (stabilizzata da legami H). quando diverse catene vengono affiancate, si formano reticoli di legami H intracatena e intercatena, risultando in un fibra super molecolare molto resistente. La cellulosa, al contrario di amido e/o glicogeno, non può essere utilizzata come fonte energetica dalla maggior parte degli animali in quanto essi possiedono solamente gli enzimi a-amilasi, capaci di idrolizzare i legami glicosidici alfa 1-4, ma non quelli beta 1-4 della cellulosa. Nel rumine dei bovini, specifici simbionti (batteri e protisti) secernono la cellulasi, un enzima litico specifico per i legami beta 1-4. GLI ETEROPOLISACCARIDI Gli eterpolisaccaridi si differenziano a seconda dei monomeri da cui sono composti, ma anche a seconda del legame che li lega. I principali eterpolisaccaridi di interesse biologico sono: - peptidoglicani (aa + unità glucidiche) → microbi - glicosamminoglicani (eteropolisaccaridi puri) - proteoglicani. PEPTIDOGLICANI I peptidoglicani si trovano nei microbi e sono i principali costituenti della parete batterica, conferendo resistenza e rigidità; hanno una parte glucidica e una proteica, per questo presentano una struttura mista. I peptidoglicani costituiscono la parete batterica e sono anche importanti per noi in quanto riconoscendo i peptidoglicani il corpo scatena risposte infiammatorie. Questi batteri vivono in condizioni ambientali difficili. GLICOSAMMINOAGLICANI I glicosamminoglicani (catene di derivati del glucosio con numerose cariche negative) sono polimeri lineari costituiti da unità ripetute di disaccaridi, uno dei quali è sempre N-acetil-glucosammina (o N-acetil-galattosammina). Alcuni di essi presentano gruppi solforici e carbossilici, che conferiscono una forte carica negativa e impongono alla molecola una conformazione estesa in soluzione acquosa. I glicosamminoglicani sono carichi negativamente, in quanto i gruppi carbossilici conferiscono cariche negative. Sono particolarmente importanti in quanto conferiscono la struttura alla matrice extracellulare, infatti, lo spazio extracellulare dei tessuti animali è costituito da una sostanza gelatinosa (matrice extracellulare) con funzione di sostegno meccanico e di supporto agli scambi di sostanze tra le cellule e l’ambiente. La matrice è composta da eterpolisaccaridi (essenzialmente glicosaminoglicani) e proteine fibrose (collagene) altamente interconnessi tra loro. ESEMPIO: L’acido ialuronico è un esempio classico, infatti è costituito da una lunga catena di unità glucidiche. L’acido ialuronico (o ialuronano) è l’unico glicosaminoglicano ad essere presente nella matrice come tale, non legato a proteine. L’acido ialuronico mantiene il grado di idratazione, turgidità, plasticità e viscosità, poiché si dispone nello spazio in una conformazione aggregata 31 incamerando così un notevole numero di molecole d'acqua. È anche in grado di agire come sostanza cementante e come molecola antiurto (cuscinetto) nonché come efficiente lubrificante (es. nel liquido sinoviale) prevenendo il danneggiamento delle cellule del tessuto da stress fisici. È anche un componente essenziale dell’componente dell’umor vitreo dell’occhio, mantengono il corretto grado di idratazione e quindi ci permette di vedere. ESEMPIO: un altro esempio è l’eparina, un eteropoisaccardie complesso e di grandezza variabile. È costituta da unità disaccaride ripetute con sulfonazioni variabili. Il glucide che è alla base è un derivato dell’acido glucoronico. È un fluidificante del sangue e un anti aggregante delle piastrine, questa proprietà è legata, in parte, dalle cariche negative. Generalmente il bilancio dei componenti determina le caratteristiche e le proprietà del tessuto, per questo ci sono tessuti elastici o rigidi. PROTEOGLICANI Nella matrice extracellulare, i glicosamminoglicani sono uniti covalentemente a proteine (di membrana o di secrezione) a dare complessi macromolecolari detti proteoglicani. Il legame tra lo zucchero e la proteina è di tipo glicosidico e coinvolge l’ossidrile di un amminoacido serina. Sono quindi molecole miste che derivano dal legame tra proteine e glucidi. I proteoglicani sono molecole molto grandi presenti nella matrice extracellulare dove coprono gli spazi vuoti; hanno funzione di supporto e sostegno per l’architettura della matrice extracellulare. L’associazione con le proteine fibrose della matrice (collagene, fibronectina) costituisce un supporto di adesione per le cellule, mediato da proteine di membrana (integrine) associate ai filamenti di actina del citoscheletro. LE GLICOPOROTEINE Le glicoproteine sono coniugati di carboidrati e proteine, in cui una catena saccaridica (di dimensioni e composizione variabile) viene legata covalentemente ad uno specifico residuo del polipeptide. La glicosilazione può avvenire mediante un legame O-glicosidico (catena laterale che contiene OH) tra il C anomerico dello zucchero e il gruppo OH di un residuo di Sero Thr; oppure mediante un legame N- glicosidico tra zucchero e l’azoto ammidico di un residuo di Asn. Le glicoproteine sono parte delle cellule, infatti la parte esterna è creata da glicoproteine, che complessivamente prende il nome di glicocalice. RUOLO BIOLOGICO DELLE GLICOPROTEINE Le catene oligosaccaridiche rappresentano una sorta di «etichetta» di riconoscimento. Gli oligopolisaccaridi codificano importanti informazioni: 32 - destinazione intracellulare delle proteine (vengono etichettate per capire dove devono andare); - interazioni cellula-cellula; - migrazione cellulare; - differenziazione cellulare; - riconoscimento di segnali extracellulari (es. fattori di crescita); - controllo qualità nel processo di sintesi e ripiegamento delle proteine. Le glicoproteine sono: anticorpi (immunoglobuline), ormoni (FSH, LH, TSH) e le proteine del latte BIOMOLECOLE: I LIPIDI I lipidi (o grassi) costituiscono un gruppo eterogeneo di sostanze accomunate dalla proprietà fisica della insolubilità nei solventi polari come l’acqua (idrofobicità) e dalla solubilità nei solventi apolari (lipofilicità). I lipidi non formano strutture polimeriche, ma sono molecole piuttosto piccole ed eterogenee che hanno una forte tendenza ad associarsi fra loro mediante interazioni non covalenti di tipo idrofobico. La molecola lipidica, in acqua, non si scioglie ma forma una goccia, costituite da molecole lipidiche che interagiscono tra loro RUOLO BIOLOGICO I lipidi rivestono due funzioni biologiche principali: - riserva energetica (calorie in eccesso vengono immagazzinate sottoforma di lipidi); - elementi strutturali delle membrane biologiche (separano due ambienti acquosi) - molecole segnale (ormoni che trasportano informazioni da un’organo/cellula all’altro/a). Dal punto di vista chimico si può fare una classificazione basata sulla loro struttura (famiglie e sottofamiglie). Dal punto di vista biochimico si può fare una classificazione basata sulla funzione: lipidi di riserva e lipidi di membrana. I lipidi di riserva sono rappresentati dai trigliceridi (come viene immagazzinata l’energia); i lipidi di membrana hanno un carattere idrofobico, ma anche idrofilico. I LIPIDI DI STRUTTURA Al di là della struttura, i lipidi sono tutti idrofobici, in quanto ci sono legami singoli tra carbonio e idrogeno ( C-C, C-H), infatti, solitamente ci sono pochissimi gruppi funzionali. Introno ad ogni cellula, i lipidi costituiscono una membrana biologica che ne definisce la dimensione e mantiene separato il suo contenuto dall’ambiente (barriera semipermeabile al passaggio di molecole polari e ioni). La possibilità di creare dei microambienti con caratteristiche chimico-fisica distinte viene largamente utilizzata dalle cellule eucariotiche, che possiedono nel loro citoplasma un elaborato sistema di compartimenti (organelli) funzionalmente distinti e racchiusi da membrane. 33 CAPITOLO 24: ACIDI GRASSI E TRIGLICEROLI L’acido grasso rappresenta una delle molecole lipidiche più importante. È una catena alifatica (carbonio) con la presenza di un gruppo carbossilico (acido); i legami possono essere singoli o doppi. Gli acidi grassi si differenziano per la lunghezza della catena e per la presenza/assenza di doppi legami. Il carbonio del gruppo carbossilico è il carbonio 1. NOMENCLATURA STANDARD ACIDO GRASSO 18 numero carbonio 18: 1 numero di doppi legami ACIDO OLEICO 18:1 (Δ9) dove c’è il legame NOMENCLATURA ALTERNATIVA ACIDO GRASSO Nomenclatura omega, si parte a numerare dalla fine, quindi il carbonio finale è il carbonio 1. Questa viene usato nella nomenclatura medica (es. omega 3 → l’insaturazione si trova in carbonio 3). Alcuni acidi grassi sono essenziali e quindi vanno introdotti con la dieta, ovvero gli omega 3 e omega 6; inoltre questi sono dei precursori importante per le molecole segnale. Gli acidi grassi si dividono in saturi (non c’è doppio legame) e acidi insaturi (se c’è più di un doppio legame). Gli acidi insaturi si dividono in monoinsaturi, se presentano un doppio legame, e polinsaturi, se presentano più di un doppio legame. In natura si trovano solo acidi grassi in configurazione cis. Chimicamente gli acidi grassi sono acidi deboli; presenta una catena alifatica (carbonio) da 4 a 36 atomi di carbonio (solitamente da 16 a 24). Nei grassi saturi, la libera rotazione intorno ad ogni legame C-C conferisce grande flessibilità alla catena alifatica: la conformazione più stabile è quella completamente estesa (minimizza le interferenze fra atomi vicini), l’insaturazione, però, introduce rigidità nella molecola. Nell’immagine si vede ce l’acido grasso insaturo, a destra, occupa più spazio rispetto all’acido grasso saturo. Le proprietà fisiche degli acidi grassi dipendono dalla lunghezza e dal grado di insaturazione delle catene alifatiche (apolari): quanto più lunga è la catena (e pochi i doppi legami) tanto più bassa è la solubilità in acqua. A temperatura ambiente (25°C) gli acidi grassi saturi da 12 a 24 atomi di C hanno una consistenza cerosa (burrosa), mentre gli acidi insaturi con la stessa lunghezza sono oleosi. Questo comportamento è determinato dal diverso grado di impacchettamento degli acidi grassi saturi e insaturi. Gli acidi grassi saturi si possono impacchettare così strettamente da costituire strutture quasi cristalline nelle quali gli atomi delle loro lunghe catene stabiliscono numerose interazioni (di tipo van der Waals) con quelli delle catene vicine. Negli acidi grassi insaturi, il doppio legame in cis produce un ripiegamento della catena idrocarburica e quindi una interazione più debole tra le catene, con una diminuzione della temperatura di fusione. 34 LIPIDI DI RISERVA I lipidi di riserva più semplici costituiti a partire dagli acidi gra

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