lezione Prof. Spina miliardi di anni fa l universo comparve sotto forma di eruzioni

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1 Biochimica Matricole dispari 1 1^ lezione Prof. Spina LA BIOCHIMICA miliardi di anni fa l universo comparve sotto forma di eruzioni d l f d inimmaginabili di particele subatomiche ricche di energia e calore. H e He si formarono nei primi secondi; con il progressivo raffreddamento i p materiali si condensavano sotto l influenza della gravità generando le stelle. Alcune stelle diventarono enormi ed esplosero come supernove, rilasciando lenergia che determinò la condensazione dei nuclei degli l energia che determinò condensazione dei nuclei degli elementi semplici in elementi complessi che in miliardi di anni generarono la complessità odierna. Circa 4 miliardi di anni fa si originò la vita, piccoli organismi capaci di estrarre energia dai composti organici e dalla luce e energia dai composti organici e dalla luce e operare mutazioni nella forma molecolare dei composti organici che nel tempo generarono molecole sempre più complesse, le biomolecole. La biochimica si chiede come le diverse migliaia di biomolecole interagiscano tra di loro conferendo agli esseri viventi caratteristiche uniche. Da Leheninger: I principi di Biochimica. p

2 STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE Le PROTEINE sono i biopolimeri maggiormente presenti all interno delle cellule, dal momento che costituiscono dal 40 al 70% del peso secco. Svolgono funzioni biologiche di fondamentale importanza e possono essere divise in 7 gruppi principali: SOSTEGNO proteine strutturali (collagene, cheratina, elastina, fibroina) CATALISI (enzimi) TRASPORTO (emoglobina, albumina, lipoproteine, p proteine di membrana) ORMONI proteine regolatorie (es. insulina e glucagone) DIFESA proteine di protezione (anticorpi, trombina) MOVIMENTO proteine contrattili (actina, miosina) RISERVA (ovoalbumina, caseina) ATTACCO (tossine batteriche, veleni dei serpenti)

3 Le proteine sono biomolecole in grado di comunicare tra di loro e con altre molecole. Le relazioni possibili sono alla base della scelta dei partner e della costruzione dei pathway. Il profilo di superficie determinato dalle catene laterali degli aa. è alla base di questa proprietà Falso Ligando Ligando Falso Ligando Esempi di modalità di interazione ALLOSTERIA (ad es. nei recettori, nei canali ionici, nella contrazione). MOVIMENTO (ad es. il colpo generato dalla miosina i a seguito dell azione ATPasica delle 2 teste, e dell actina che dopo il legame con l ATP polimerizza consentendo alla miosina di attaccarsi) TRASFORMAZIONE (Gli Enzimi che trasformano il ligando Substrato in Prodotto) FOSFORILAZIONI (legame covalente con il ligando PO 4 che modifica la struttura tt e quindi le interazioni i i successive)

4 PROTEINE Forma e funzione Stretta correlazione fra forma e funzione delle proteine È la conformazione tridimensionale che conferisce alla proteina conferisce l'attività biologica specifica La caratteristica distintiva di ogni proteina è la particolare sequenza di aminoacidi Il dogma centrale della genetica Espressione genica. un gene una proteina

5 Per Iniziare ci occuperemo dell organizzazione strutturale delle proteine le più grandi p molecole fin ora incontrate. CLASSIFICHIAMOLE Le proteine possono essere Fibrose e Globulari Le proteine di sostegno e alcune di quelle contrattili hanno una forma fibrosa Sono costituite da catene polipeptidiche allungate, disposte in fasci lungo uno stesso asse a costituire le fibre Sono insolubili in acqua Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di trasporto hanno invece una forma globulare Le catene sono strettamente avvolte in forma compatta, sferica o globulare, come un gomitolo Sono solubili in acqua

6 La struttura delle proteine ne determina la funzione Le proteine costituiscono il 40-70% del peso secco di una cellula Le proteine sono singole catene, non ramificate di monomeri amino acidici Nell organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo 20 compongono le proteine. Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti contemporaneamente La sequenza degli amino acidi di una proteina è responsabile della sua struttura tridimensionale i (conformazione) A sua volta, la struttura di una proteina ne determina la funzione Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce per il gruppo R

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8 Zwitterion Glicina. Unico aa. con 2 sostituenti al C identici (2 H)

9 Enantiomeri: molecole non sovrapponibili immagini speculari

10 Convenzione di Fischer per descrivere molecole con centri chiralici, si usa la gliceraldeide per confrontare. confrontare Isomeria, stereoisomeria, enantiomeri i

11 Il potere rotatorio è la misura dell'attività ottica di una sostanza, quest'ultima rappresenta la proprietà di ruotare il piano di vibrazione della luce polarizzata posseduta dai composti otticamente attivi. Dal punto di vista ottico rappresenta un caso particolare p di birifrangenza dovuta al diverso indice di rifrazione delle componenti destrogira e levogira della luce linearmente polarizzata. La condizione necessaria ma non sufficiente affinché vi sia attività ottica è che la molecola siachirale, cioè essa ità l l i hi l i è non deve essere sovrapponibile alla sua immagine speculare Una sostanza capace di ruotare il piano di vibrazione della luce polarizzata in senso orario (da sinistra a destra) è l i i i i t d t )è detta destrogira, mentre una sostanza in grado di ruotare tale piano in senso antiorario è detta levogira Il polarimetro di l Laurent Ammino Acido Dopo aver valutate le proprietà ottiche e spaziali degli aminoacidi definiamo il l l l d d l comportamento di questa famiglia molecolare che ha sia un gruppo acido che uno basico, alle variazioni di ph

12 H Forma I ph <2 Forma II ph intorno a neutralità 2 Forma III ph>7 Equazione di Henderson Hasselbach HA H + + A [ac. debole] [protone] [base coniugata] Cost di diss. Ka= [H+][A ] [HA] Risolvendo per[h], considerando il log di entrambe i, membri dell eq. id d il l di i b i d ll moltiplicandoli per 1 e sostituendo il log con ph e pka rispettivamente: ph= pka + log[apka ] [HA]

13 Tampone di acido acetico e acetato pk:4,8; potere tampone tra 3,8 e 4,8, massima a ph 4,8. La titol. di un a. può essere considerata simile a quella per l ac. acet., ma gli aa. presentano due gruppi funzionali dissociabili, il carbossilico e l amminico. A ph acido l a. è nella forma I, coll aumentare del ph il carbossile si dissocia in forma carbossilato si genera uno zwitterione (forma II), che darà la forma III, ad un ph molto maggiore, infatti il gruppo NH 3 è un acido debole. K1=[H+][ II] [I] [II] ph=pk1+log [I]

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17 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

18 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006 degradazione delle proteine alimentari Uso metabolico dello scheletro carbonioso dell aa. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

19 Le proteine sono macromolecole costituite dall unione di un grande numero di unità elementari: gli amminoacidi (AA) Sebbene in natura esistano più di 300 amminoacidi, soltanto 20 sono incorporati nelle proteine dei mammiferi poiché sono gli unici codificati dal DNA La caratteristica strutturale comune a tutte le proteine è di essere dei polimeri lineari di amminoacidi Ciascuna proteina ha però una propria struttura tridimensionale che la rende capace di svolgere specifiche funzioni biologiche

20 Struttura degli amminoacidi Ogni amminoacido (eccetto la prolina) possiede un carbonio centrale, chiamato carbonio (chiralico), al quale sono legati quattro differenti gruppi: un gruppo amminico basico (-NH 2 ) un gruppo carbossilico acido (-COOH) un atomo di idrogeno (-H) una catena laterale, diversa per ciascun amminoacido (-R)

21 Gli aminoacidi Anatomia di un amminoacido. Ad eccezione della prolina e dei suoi derivati, tutti gli amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine possiedono questo tipo di struttura. che comunemente nelle possiedono tipo struttura. Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno l atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi: il carbonio (asimmetrico) è quindi un centro chiralico o otticamente attivo Gli amminoacidi che hanno un centro asimmetrico nel carbonio possono esistere in due forme speculari (D ed L) dette stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri Le proteine contengono solo L- amminoacidi

22 Gli aminoacidi naturali e, in particolare, quelli che costituiscono le l l ll l proteine, appartengono tutti alla serie L. Già da tempo però aminoacidi della serie D sono stati riscontrati in natura, in particolare nei microrganismi, in alcuni insetti, negli invertebrati marini, nelle piante superiori e, ultimamente, anche nei mammiferi. Recenti ricerche in mutanti di topo privi di D aminoacido ossidasi hanno infatti confermato la p presenza nei tessuti dei mammiferi di D aminoacidi in quantità superiori a quelle stimate precedentemente. Gli aminoacidi della serie D possono anche formarsi in seguito alla cottura della anche in seguito alla cottura degli alimenti o a trattamenti tecnologici. La capacità di trasformare i D aminoacidi nella forma L invece è specie specifica: nell'uomo solo le forme D della metionina e della fenilalanina possono essere convertite nelle e essere nelle forme L corrispondenti. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

23 Quando un amminoacido viene sciolto in H 2 O diventa uno ione dipolare (zwitterione) che può agire sia come acido (donatore di protoni) che come base (accettore di protoni) Le sostanze che hanno questa doppia natura si definiscono anfòtere o anfoliti. Al ph fisiologico (valore attorno a 7,4) tutti gli amminoacidi hanno: il gruppo carbossilico dissociato, si forma lo ione negativo carbossilato (-COO - ) il gruppo amminico protonato (-NH 3+ ) Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

24 Oltre alla parte funzionale, comune a tutti, ogni amminoacido presenta un gruppo -R proprio La natura del gruppo -R conferisce proprietà diverse a ciascun amminoacido Punto isoeletrico (pi): è il valore di ph al quale un amminoacido ha carica netta 0 cioè è elettricamente neutro Il pi è una caratteristica di ogni singolo amminoacido Nelle proteine quasi tutti i gruppi carbossilici e amminici degli amminoacidi sono uniti in legami peptidici Le proprietà di ciascun amminoacido dipendono dalle catene laterali (-R) che sono i gruppi funzionali responsabili della struttura, delle funzioni e della carica elettrica delle proteine Ciò che sostanzialmente determina il ruolo di un amminoacido in una proteina è la natura della catena laterale (-R)

25 Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà delle loro catene laterali (-R), considerando la loro polarità o non polarità al ph fisiologico e quindi la tendenza ad interagire con l acqua Gli amminoacidi con catene laterali cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie i delle proteine I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all interno delle proteine, protetti dal contatto con l acqua Amminoacidi con gruppi -R alifatici (non polari) Glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina. Le loro catene laterali sono costituite da una catena idrocarburica satura: sono idrofobici. La metionina è uno dei due amminoacidi contenenti zolfo. La prolina ha una caratteristica ti struttura tt ad anello, formato dalla catena laterale e dal suo gruppo amminico, i e differisce i dagli altri amminoacidi idi perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R ). E solo moderatamente polare.

26 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli Amminoacidi con gruppi -R aromatici Fenilalanina, tirosina, triptofano Le loro catene laterali sono aromatiche Sono relativamente non polari (idrofobici) Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche I gruppi -OH della tirosina ed NH del triptofano possono formare legami a idrogeno

27 Amminoacidi aromatici ionizzabile Non polare Non polare Amminoacidi con gruppi -R polari, non carichi Serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina Sono polari ma in condizioni n fisiologiche sono privi di carica elettrica. I loro gruppi -R sono più idrofilici di quelli degli AA non polari: contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l acqua. La polarità di serina e treonina è dovuta al gruppo ossidrilico (-OH) OH), quella della cisteina al gruppo sulfidrilico (-SH), quella di asparagina e glutammina ai gruppi ammidici (-CONH 2 ),dovesialaporzione carbonilica che quella amminica possono entrare in gioco.

28 Amminoacidi con gruppi -R carichi positivamente (basici) Lisina, arginina, istidina Sono accettori di protoni Le loro catene laterali, contenenti gruppi amminici, a ph fisiologico sono ionizzate ed hanno carica positiva L istidina è debolmente basica (pk a = 6,0) ed a ph fisiologico l amminoacido libero è in gran parte non ionizzato; quando si trova incorporata in una proteina può recare una carica positiva o essere neutra (proprietà molto importante!)

29 Struttura degli amminoacidi Amminoacidi polari con carica Si dispongono all esterno della molecola proteica a a contatto con il solvente * H

30 Amminoacidi con gruppi -R carichi negativamente (acidi) Acido aspartico, acido glutammico. Sono donatori di protoni. I gruppi carbossilici i delle loro catene laterali, al ph fisiologico, sono ionizzati ed hanno carica negativa. PROTEINE ACIDE E BASICHE Le proteine nelle quali il rapporto: ( lys + arg ) / ( asp + glu ) >1 sono basiche. Quando tale rapporto ( lys + arg ) / ( asp + glu ) <1 sono acide.

31 Struttura degli amminoacidi Amminoacidi con caratteristiche particolari

32 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli Dal punto di vista biochimico gli amminoacidi si possono classificare in: Essenziali: quegli AA che una determinata specie non è in grado di sintetizzare t (o li sintetizza t in quantità non sufficienti *); - devono essere introdotti con la dieta - Phe, Val, Thr, Try, Ile, Met, Leu, Lys, His*, Arg* (* sono necessari nella dieta solo durante lo stadio giovanile di crescita) Non essenziali: quegli AA che una determinata specie è in grado di sintetizzare.

33 Glucogenici: tutti gli AA dal cui catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs e che quindi possono essere utilizzati per riformare glucosio (Asp, Glu, Asn, Gln, His, Pro, Arg, Gly, Ala, Ser, Cys, Met, Val). Chetogenici: gli AA dal cui catabolismo otteniamo acetilcoa o acetoacetilcoa, che quindi non possono essere utilizzati per riformare glucosio (leucina e lisina). Sia chetogenici che glucogenici: dal loro catabolismo otteniamo acido piruvico o un intermedio del ciclo di Krebs, oltre che acetil CoA o acetoacetilcoa (Phe, Tyr, Trp, Ile, Thr).