BiochimicaMatricoledispari1
Biochimica
Matricole dispari 1^
lezioneProf.Spina
p
LA BIOCHIMICA
LABIOCHIMICA
15Ͳ20miliardidiannifal’universocomparvesottoformadieruzioni
l d d
f l’
f
d
inimmaginabilidiparticelesubatomichericchedienergiaecalore.
• HeHesiformarononeiprimisecondi;conilprogressivoraffreddamentoi
p
;
p g
materialisicondensavanosottol’influenzadellagravitàgenerandole
stelle.Alcunestellediventaronoenormiedesploserocomesupernove,
rilasciando l’energia
rilasciandol
energiachedeterminòlacondensazionedeinucleidegli
che determinò la condensazione dei nuclei degli
elementisempliciinelementicomplessicheinmiliardidiannigenerarono
lacomplessitàodierna.Circa4miliardidiannifasioriginòlavita,piccoli
organismi capaci di estrarre energia dai composti organici e dalla luce e
organismicapacidiestrarreenergiadaicompostiorganiciedallalucee
operaremutazioninellaformamolecolaredeicompostiorganicichenel
tempogeneraronomolecolesemprepiùcomplesse,lebiomolecole.
• Labiochimicasichiedecomelediversemigliaiadibiomolecole
interagiscanotradiloroconferendoagliesseriviventicaratteristiche
uniche.DaLeheninger:IprincipidiBiochimica.
g
p
p
•
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STRUTTURA E FUNZIONE
DELLE PROTEINE
Le PROTEINE sono i biopolimeri maggiormente presenti all
all’interno
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)
g
, albumina,, lipoproteine,
p p
,p
proteine di membrana))
• TRASPORTO ((emoglobina,
• 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)
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Ligando
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”.
Falso Ligando
Falso Ligando
Il profilo di superficie
determinato dalle catene
laterali degli aa. è alla
base di questa proprietà
Esempi di modalità di interazione
• ALLOSTERIA (ad es
es. nei recettori
recettori, nei canali ionici
ionici,
nella contrazione).
• MOVIMENTO (ad
( d es. il colpo
l generato
t dalla
d ll miosina
i 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
g
covalente con il ligando
g
PO4– che
h modifica
difi lla struttura
t tt
e quindi
i di lle iinterazioni
t
i i
successive)
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PROTEINE
Formaefunzione
Strettacorrelazionefraformae
funzione delle proteine
funzionedelleproteine
Èlaconformazionetridimensionale
che conferisce alla proteina
checonferisceallaproteina
l'attivitàbiologicaspecifica
La caratteristica
distintiva di ogni
proteina è la
particolare sequenza
di aminoacidi
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Il dogma centrale della genetica
Espressione genica
Espressionegenica.
ungeneunaproteina
i
• PerIniziarecioccuperemodell’organizzazione
p
p g
strutturaledelleproteinelepiùgrandi
molecolefin’oraincontrate.
CLASSIFICHIAMOLE
LeproteinepossonoessereFibroseeGlobulari
• Le proteine di sostegno e alcune di
ll contrattili
l h
quelle
hanno una fforma
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
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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
p g
le p
proteine .
Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti
contemporaneamente
La sequenza
q
degli
g amino acidi di una proteina
p
è responsabile
p
della sua
struttura tridimensionale
idi
i
l ((conformazione)
f
i
)
A sua volta, la struttura di una proteina ne determina la funzione
Tutti g
gli amino acidi hanno la stessa
struttura generale ma ciascuno differisce
per il gruppo R
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ɲ
Zwitterion
Glicina.Unicoaa.con2sostituentialCɲ identici(2H)
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Enantiomeri:molecolenonsovrapponibiliimmagini
speculari
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ConvenzionediFischerperdescrivere
molecoleconcentrichiralici,siusala
gliceraldeide per confrontare
gliceraldeideperconfrontare.
Isomeria,stereoisomeria,
enantiomeri
i
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Il potererotatorio èlamisuradell'attivitàottica diunasostanza,quest'ultimarappresentala
proprietàdiruotareilpianodivibrazionedella lucepolarizzata posseduta
dai composti
p
otticamenteattivi.Dalpuntodivista
p
otticorappresentauncasoparticolare
pp
p
di birifrangenza dovutaaldiverso indicedirifrazione dellecomponentidestrogiraelevogira
dellalucelinearmentepolarizzata.
LacondizionenecessariaͲ manonsufficienteͲ affinchévi
siaattivitàotticaèchelamolecolasia
i tti ità tti è h l
l l i chirale,cioèessa
hi l i è
nondeveesseresovrapponibileallasuaimmagine
speculare
Unasostanzacapacediruotareilpianodivibrazionedella
l
lucepolarizzatainsensoorario(dasinistraadestra)è
l i t i
i (d i i t
d t )è
detta destrogira,mentreunasostanzaingradodiruotare
talepianoinsensoantiorarioèdetta levogira
Ilpolarimetrodi
Il
l i
di
Laurent
AmminoͲAcido
Dopoavervalutateleproprietàotticheespazialidegliaminoacididefiniamoil
l
l
à
h
l d l
d d f
l
comportamentodiquestafamigliamolecolarechehasiaungruppoacidocheunobasico,
allevariazionidipH
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H
FormaIIpHintornoa
neutralità
FormaIpH<2
2
FormaIIIpH>7
EquazionediHendersonHasselbach
HAH++AͲ
[ac.debole][protone][baseconiugata]
Costdidiss.
Ka=[H+][AͲ ]
[HA]
Risolvendoper[H],considerandoillogdientrambei,membridell’eq.
Ri
l d
[H]
id
d il l di t
b i
b i d ll’
moltiplicandoliperͲ1esostituendoil–logconpHepKarispettivamente:
pH=pKa+log[A
pH
pKa + log[AͲ]
[ ]
[HA]
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Tamponediacidoaceticoeacetatopk:4,8;poteretamponetra3,8
e4,8,massimaapH4,8.
Latitol.diuna.puòessereconsideratasimileaquellaperl’ac.acet.,magliaa.
presentanoduegruppifunzionalidissociabili,ilcarbossilicoel’amminico.ApHacido
l’a.ènellaformaI,coll’aumentaredelpHilcarbossilesidissociainformacarbossilato
sigeneraunozwitterione(formaII),chedaràlaformaIII,adunpHmoltomaggiore,
infattiilgruppoNH3èunacidodebole.
K1=[H+][II]
[I]
[II]
pH=pK1+log
[I]
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P.Champe,R.Harvey,D.R.Ferrier,LEBASI
DELLABIOCHIMICA,Zanichelli Editore
S.p.A. Copyright © 2006
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P.Champe,R.Harvey,D.R.Ferrier,LEBASIDELLA
BIOCHIMICA,Zanichelli Editore S.p.A.
Copyright © 2006
degradazionedelle
proteine
alimentari
Usometabolico
delloscheletro
carboniosodell’aa.
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BIOCHIMICA,Zanichelli Editore S.p.A.
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• Le proteine sono macromolecole costituite
d ll’ i
dall’unione
di un grande
d numero di unità
i à
elementari: gli amminoacidi (AA)
• Sebbene in natura esistano più di 300
amminoacidi, soltanto 20 sono incorporati
p
nelle proteine dei mammiferi poiché sono gli
unici codificati dal DNA
• La caratteristica strutturale comune a
tutte
u
le p
proteine è di essere dei p
polimeri
m
lineari di amminoacidi
• Ciascuna proteina ha però una propria
struttura tridimensionale che la rende
capace di svolgere specifiche funzioni
biologiche
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Struttura degli amminoacidi
• Ogni amminoacido (eccetto la prolina)
possiede un carbonio centrale
centrale,
chiamato carbonio D(chiralico), al
quale
l sono legati
l
ti quattro
tt diff
differenti
ti
gruppi:
• un gruppo amminico basico (-NH2)
• un gruppo carbossilico acido ((-COOH)
COOH)
• un atomo di idrogeno
g
(-H)
• una catena laterale, diversa per
ciascun amminoacido (-R)
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Gliaminoacidi
Anatomiadiunamminoacido.Adeccezionedellaprolinaedeisuoiderivati,tuttigli
amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine possiedono questo tipo di struttura.
amminoacidichesitrovanocomunementenelleproteinepossiedonoquestotipodistruttura.
• Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno
l’
l’atomo
di carbonio
b i D legato
l
a quattro gruppii
diversi: il carbonio D ((asimmetrico)) è qquindi
un centro chiralico o otticamente attivo
• Gli amminoacidi che hanno un centro
asimmetrico nel carbonio Dpossono esistere
in due f
forme
m speculari
p
(D ed L) dette
stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri
• Le p
proteine contengono
g
solo L- amminoacidi
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•
Gliaminoacidinaturalie,inparticolare,quellichecostituisconole
l
d
l
l
ll h
l
proteine,appartengonotuttiallaserieL.Giàdatempoperòaminoacidi
dellaserieDsonostatiriscontratiinnatura,inparticolarenei
microrganismi,inalcuniinsetti,negliinvertebratimarini,nellepiante
superiorie,ultimamente,ancheneimammiferi.Recentiricerchein
mutantiditopoprividiDͲaminoacidoossidasihannoinfatticonfermatola
p p
presenzaneitessutideimammiferidiDͲaminoacidiinquantitàsuperioria
quellestimateprecedentemente.
Gli aminoacidi della serie D possono anche formarsi in seguito alla cottura
GliaminoacididellaserieDpossonoancheformarsiinseguitoallacottura
deglialimentioatrattamentitecnologici.LacapacitàditrasformareiDͲ
aminoacidinellaformaLinveceèspecieͲspecifica:nell'uomosololeforme
D della metionina e della fenilalanina possono essere convertite nelle
Ddellametioninaedellafenilalaninapossonoessereconvertitenelle
formeLcorrispondenti.
Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli
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Quando un amminoacido viene sciolto in
H2O diventa uno ione dipolare
(zwitterione) che può agire sia come
acido
id (donatore
(d
t
di protoni)
t i) che
h 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
COO-)
• il gruppo amminico protonato (-NH3+)
Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli
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• Oltre alla parte funzionale, comune a tutti,
ogni amminoacido presenta un gruppo -R
R
proprio
• La natura del gruppo -R
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
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)
( R)
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• Gli amminoacidi possono essere classificati in
base alle proprietà delle loro catene laterali
(-R), considerando la loro polarità o non
polarità
l
à all pH
H fisiologico
f
l
e quindi
d lla tendenza
d
ad interagire
g
con l’acqua
q
• Gli amminoacidi con catene laterali cariche
cariche,
idrofiliche, sono generalmente esposti sulla
superficie
fi i d
delle
ll proteine
i
• I residui idrofobici, non polari, si trovano in
genere all
all’interno
interno delle proteine,
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
L prolina
li ha
h una caratteristica
tt i ti struttura
t tt
ad
d anello,
ll
formato dalla catena laterale e dal suo gruppo
amminico,
i i
e diff
differisce
i
d
dagli
li altri
lt i amminoacidi
i
idi
perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R’).
E’ solo moderatamente polare.
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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
f
• I gruppi -OH della tirosina ed NH del
triptofano possono formare legami a idrogeno
•
•
•
•
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Amminoacidi aromatici
Nonpolare
ionizzabile
Nonpolare
Amminoacidi con gruppi -R polari,
non carichi
• Serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina
• Sono
n p
polari m
ma in
n condizioni
n z n ffisiologiche
g
sono
n p
privi di
carica elettrica.
• I loro gruppi -R
R sono più idrofilici di quelli degli AA
non polari: contengono gruppi funzionali che formano
legami idrogeno con ll’acqua.
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
CONH2), dove sia la porzione
carbonilica che quella amminica possono entrare in
g
gioco.
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Amminoacidi con gruppi -R carichi
positivamente (basici)
• Lisina
Lisina, arginina,
arginina istidina
• Sono accettori di protoni
• Le loro catene laterali, contenenti gruppi
pH fisiologico
g
sono ionizzate
amminici, a p
ed hanno carica positiva
• L
L’istidina
istidina è debolmente basica (pKa = 6
6,0)
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!)
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Struttura degli
g amminoacidi
Amminoacidi polari con carica
Sidispongonoall’esterno
della molecola proteica a
dellamolecolaproteicaa
contattoconilsolvente
*
H
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Amminoacidi con gruppi -R carichi
negativamente
i
( idi)
(acidi
• Acido aspartico, acido glutammico.
• Sono donatori di protoni.
p
• I gruppii carbossilici
b
ili i d
delle
ll lloro catene
t
laterali, al pH fisiologico, sono ionizzati ed
hanno carica negativa.
PROTEINE ACIDE E BASICHE
Le proteine nelle quali il rapporto:
(6lys +6arg )/(6asp +6glu )>1sono basiche.
Quando tale rapporto
(6lys +6arg )/(6asp +6glu )<1sono acide.
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Strutturadegliamminoacidi
Amminoacidi con caratteristiche particolari
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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
n grado
gra o di ssintetizzare
nt t zzar (o li ssintetizza
nt t zza in
n
quantità non sufficienti *);
- devono essere introdotti con la dieta
- Phe, Val, Thr, Try, Ile, Met, Leu, Lys, His*, Arg*
(* sono necessarii nella
ll dieta
di t solo
l d
durante
t llo stadio
t di
giovanile di crescita)
• Non essenziali: q
quegli
g AA che una determinata
specie è in grado di sintetizzare.
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• 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,
(Asp Glu
Glu, Asn,
Asn Gln,
Gln His,
His Pro,
Pro Arg,
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
Si ch
chetogenici
t
nici ch
che glucogenici:
luc
nici: dal
d l lloro
catabolismo otteniamo acido piruvico o un
intermedi del cicl
intermedio
ciclo di Krebs,
Krebs oltre
ltre che acetil C
CoA
Ao
acetoacetilCoA (Phe, Tyr, Trp, Ile, Thr).
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