Risposte e breve discussione 1) 2) b. L'acidità di una soluzione acquosa è espressa come pH ed è uguale al logaritmo negativo in base 10 della concentrazione degli ioni idrogeno ([H+]). Nell'acqua pura vi è una concentrazione di H+ pari a 10-7 M ed il pH = -log 10-7 = -(-7) = 7,0 c. Il pH di una soluzione è la misura della sua concentrazione idrogenionica. Per un acido debole l'equilibrio di dissociazione è descritto da HA ⇔ H+ + A- ed il pKa è definito come pKa = log 1/Ka Ka è la costante di dissociazione acida ed è pari a: [H+] [A-] Ka = ———— [HA] Si può dimostrare che il pKa di un acido è quel valore di pH al quale l'acido è dissociato per metà e quindi, [A-] = [HA]. La relazione tra pH ed il rapporto di concentrazioni tra acido e base coniugata è data dall'equazione di Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log [base]/[acido] Quindi per una soluzione contenente acido acetico 0,2 M e ione acetato 2M, sapendo che il pKa dell'acido acetico è 4,8; pH = 4,8 + log 2/0,2 = 4,8 + log 10 = 4,8 + 1 = 5,8 3) 4) 5) 6) a. La maggior parte degli amminoacidi in soluzione a pH 7 sono in forma di doppio ione, il cosiddetto "zwitterione". Il gruppo amminico legato al carbonio α è protonato (NH3 +) e quello carbossilico è ionizzato (COO-). Solo cinque dei venti amminoacidi che fanno parte delle proteine possiedono anche un gruppo ionizzabile nella catena laterale. Questi, pur presentando una carica elettrica addizionale, rappresentano una minoranza delle molecole. a. Arginina, lisina e istidina possiedono nella catena laterale dei gruppi chimici che in soluzione acquosa si comportano come basi, acquistando idrogenioni dal solvente. L'acido aspartico si dissocia invece come acido cedendo idrogenioni al solvente. La leucina possiede una catena laterale idrocarburica ramificata e quindi non va incontro a dissociazione. b. A parte la treonina che possiede un gruppo ossidrile nella catena laterale, gli altri amminoacidi contengono zolfo. Tra questi soltanto l'omocisteina non si ritrova nella costituzione delle proteine. E' invece un metabolita intermedio nella formazione della cisteina a partire dalla metionina. Omocisteina e metionina sono anche intermedi del ciclo di rigenerazione dell'S-adenosilmetionina, la molecola di grande importanza fisiologica implicata nelle reazioni di metilazione. La metionina è un amminoacido essenziale che deve essere introdotto con la dieta. c. Il legame peptidico è il legame che si genera tra l'atomo di carbonio carbossilico di un amminoacido e quello di azoto amminico di un secondo amminoacido. E' un legame rigido e planare, non possiede libertà di rotazione e l'atomo di ossigeno carbonilico e quello di idrogeno amminico sono sempre in configurazione trans (opposta). A causa di questa conformazione, tuttavia, i legami formati dagli atomi di carbonio α dei residui amminoacidici che partecipano alla formazione del legame peptidico possiedono una grande libertà rotazionale. 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) b. La struttura primaria di una proteina consiste semplicemente nella sua sequenza di amminoacidi. Solo quei procedimenti che perseguano la determinazione della sequenza amminoacidica hanno quindi rilievo a questo proposito. Ad esempio, hanno importanza la separazione delle catene polipeptidiche e dei frammenti originati dalla rottura proteolitica della catena polipeptidica. A tale proposito, hanno anche importanza la sequenziazione dei frammenti ottenuti dalla digestione della catena polipeptidica originaria ed il confronto per sovrapposizione delle sequenze dei frammenti peptidici ottenuti in condizioni sperimentali differenti. α-eliche e foglietti- β sono invece esempi di struttura secondaria. b. La struttura ad α-elica è un tipo comune di struttura secondaria delle proteine. Questa consiste in un ripiegamento a spirale dello scheletro covalente polipeptidico con le catene laterali degli amminoacidi che si estendono verso l'esterno, perpendicolarmente all'asse dell'elica. Ogni atomo di ossigeno carbonilico del legame peptidico forma un ponte a idrogeno con un legame peptidico posto a quattro residui di distanza nella catena polipeptidica. Questo determina un numero di 3,6 amminoacidi per giro di elica. Poiché l'αelica è spesso presente all'interno delle proteine, essa è formata preferenzialmente da amminoacidi apolari. Al contrario, gli amminoacidi con catene laterali ionizzabili o ingombranti interferiscono con la formazione della struttura ad α-elica. La prolina e l'idrossiprolina sono totalmente incompatibili con la spirale destrorsa dell'α-elica. L'alanina è tra gli amminoacidi che possiedono la maggior propensione ad essere inseriti in una struttura ad α-elica. d. L'elettroforesi su gel di poliacrilammide in presenza di SDS viene comunemente impiegata per separare le proteine in base alla loro massa. Con questa tecnica, le proteine sono disciolte in una soluzione del detergente dodecilsolfato di sodio (SDS). L'SDS è un detergente ionico che distrugge le interazioni non covalenti delle proteine native legandosi a queste in un rapporto di una molecola di SDS ogni due residui amminoacidici. Ciò fa si che la proteina denaturata possieda una quantità di carica negativa che è approssimativamente proporzionale alla sua massa. La carica elettrica originaria della proteina non gioca quindi alcun ruolo nella corsa elettroforetica. L'applicazione di una corrente elettrica alle estremità del gel determina una migrazione più rapida per le proteine più piccole mentre quelle più voluminose rimangono vicine al punto di applicazione. e. Il termine struttura quaternaria si riferisce all'organizzazione strutturale di proteine costituite da più catene polipeptidiche dette subunità. Solo alcune proteine possiedono questo livello di organizzazione strutturale. b. La sequenza e la composizione delle fibre di collageno sono uniche. Circa un trezo degli amminoacidi è rappresentato dalla glicina. Prolina e idrossiprolina, o una combinazione delle due, si trovano spesso comprese tra i residui di glicina che si ripetono nella sequenza. Questi due amminoacidi costituiscono circa il 20 % del collageno. Si pensa che i residui di prolina siano determinanti per la formazione dell'elica del collageno mentre quelli di glicina ne permettano il superavvolgimento. I residui di prolina e, in minor proporzione, quelli di lisina possono essere idrossilati in presenza di acido ascorbico (vitamina C), un agente riducente. Idrossiprolina e idrossilisina sono perciò residui caratteristici del collageno e sono raramente presenti in altre proteine. L'isoleucina è invece presente in tutte le proteine. e. L'emoglobina dell'adulto, o emoglobina A, è costituita da quattro catene polipeptidiche, di cui due α e due β. Le catene sono tenute assieme da interazioni non covalenti. Il tetramero di emoglobina può essere correttamente rappresentato dall'associazione di due dimeri, ognuno dei quali contiene le due diverse catene polipeptidiche. Quindi la schematizzazione (α 1 -β1 ) (α 2-β2 ), che si riferisce rispettivamente ai dimeri 1 e 2, è il modo migliore per rappresentare la struttura quaternaria dell'emoglobina dell'adulto. Si pensa che le interazioni idrofobiche siano le interazioni non covalenti più importanti per la stabilizzazione della struttura quaternaria. b. Nella curva di dissociazione dell'ossigeno si riporta la percentuale di saturazione dell'emoglobina con l'ossigeno in funzione della quantità di ossigeno presente in soluzione, 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) espressa come pO2 (pressione parziale di ossigeno). La saturazione dell'emoglobina varia da 0 a 100 %. La pO2 può variare dall'assenza di ossigeno in soluzione fino a valori più alti. Il 2,3-bifofoglicerato, o BPG, è presente all'interno dei globuli rossi in concentrazioni simili a quelle dell'emoglobina. Il BPG si lega all'emoglobina non ossigenata abbassandone l'affinità per l'ossigeno e favorendo quindi il rilascio di ossigeno a livello dei capillari. Ne consegue che l'aumento dei livelli di BPG sposta la curva di dissociazione dell'ossigeno verso destra. Allo stesso modo, l'aumento degli ioni H+ e dei livelli di CO2 inducono il rilascio dell'O2 dall'emoglobina, spostando la curva verso destra. Viceversa, l'abbassamento dei livelli di H+ e della CO2 spostano la curva verso sinistra. L'emoglobina fetale ha una maggior affinità per l'ossigeno in tutte le condizioni. Il mescolamento di emoglobina fetale con quella di adulto comporta un aumento dell'affinità per l'O2 con uno spostamento della curva verso sinistra. d. L'emoglobina è una proteina tetramerica la cui curva di saturazione dell'ossigeno ha un caratteristico andamento sigmoidale. Ciò è conseguenza delle interazioni cooperative tra i quattro siti di legame. L'ossigeno si lega all'emoglobina senza che si abbiano cambiamenti dello stato di ossidazione dello ione ferroso presente nell'eme. Il monossido di carbonio e il cianuro si legano all'emoglobina con maggiore affinità rispetto all'ossigeno. L'O2 è rilasciato ai tessuti e scambiato con la CO2 in quanto l'aumento dei livelli di CO2 nei capillari comporta una diminuzione dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. e. Gli enzimi accelerano le reazioni diminuendone l'energia libera di attivazione ovvero abbassandone la barriera di attivazione. Attraverso la combinazione con il substrato, un enzima altera il meccanismo della reazione favorendo la formazione di uno stato di transizione la cui energia è inferiore a quella dello stato di transizione della reazione non catalizzata. In questo modo, gli enzimi accelerano le reazioni fino a milioni di volte. I livelli energetici dei reagenti non sono influenzati dalla presenza degli enzimi. Gli enzimi non modificano gli equilibri delle reazioni. d. Gli isoenzimi, forme diverse dello stesso enzima, sono costituiti dall'associazione di subunità diverse in varie proporzioni. Ad esempio, la lattato deidrogenasi è un tetramero di quattro subunità. Le quattro subunità possono essere uguali tra loro ovvero essere una miscela di due tipi di subunità (H e M). Le combinazioni possibili delle due subunità possono originare cinque differenti isoenzimi: H4 , H3 M, H2 M2 , HM3 , M4 . Questi hanno simile specificità di substrato ma diverse affinità e mobilità elettroforetica. Il tipo H è presente soprattutto nel muscolo cardiaco mentre il tipo M è più abbondante nel fegato e nel muscolo scheletrico. b. La Km, costante di Michaelis-Menten, è definita come la concentrazione di substrato in presenza della quale la reazione catalizzata da un enzima procede ad una velocità pari a metà della velocità massima. c. Gli enzimi allosterici, a differenza degli enzimi comuni, non seguono la cinetica di Michaelis-Menten. Un sito attivo di un enzima allosterico spesso influenza positivamente un altro sito attivo della stessa molecola. Questo fenomeno, noto come cooperatività, determina un andamento sigmoidale della curva di V in funzione di [S]. I termini inibizione competitiva e non competitiva si riferiscono alle cinetiche di Michaelis-Menten ma non agli enzimi allosterici. c. Gli inibitori non competitivi, contrariamente agli inibitori competitivi, non sono analoghi strutturali del substrato. Di conseguenza, gli inibitori non competitivi si legano agli enzimi in posizioni distanti dal sito attivo. Per questo motivo, il grado di inibizione è legato esclusivamente alla concentrazione di inibitore e l'aumento della concentrazione del substrato non potrà rimuovere l'inibizione. In questo caso quindi avremo una diminuzione della Vmax senza che la Km sia apprezzabilmente modificata. Nel caso dell'inibizione competitiva avremo invece un sensibile aumento del valore della Km. a. Il legame di un effettore alla subunità regolatrice di un enzima allosterico causa un cambiamento conformazionale che può comportare un aumento o una diminuzione dell'attività enzimatica. La cooperatività positiva è propria di alcune molecole, ad esempio 21) 22) l'emoglobina. Un effettore positivo aumenta l'affinità per il substrato. Questo è il caso della protein chinasi AMP ciclico -dipendente. L'AMP ciclico si lega alla subunità regolatrice che, di conseguenza, si dissocia dalla subunità catalitica, attivandola. In assenza di AMP ciclico, la subunità regolatrice è saldamente legata alla subunità catalitica rendendo l'enzima inattivo. Molti enzimi allosterici catalizzano spesso la prima tappa, ovvero la tappa regolatrice, di una via metabolica. Il prodotto finale della via agisce, quindi, come effettore negativo dell'enzima. Questo fenomeno è noto come inibizione retrograda (inibizione a feedback). b. Gli enzimi possono essere regolati a lungo o a breve termine. La regolazione a breve termine, in genere rapida, avviene attraverso inibizione da prodotto terminale, controllo allosterico, disponibilità di substrato e modificazioni covalenti. In questo tipo di regolazione il prodotto, i substrati o un altro enzima regolatore modificheranno la Vmax o la Km dell'enzima in modo rapido. Al contrario, la regolazione a lungo termine, che avviene nel giro di ore o addirittura giorni, è effettuata attraverso un aumento della velocità di degradazione o della velocità di sintesi di un enzima. I cambiamenti dei livelli quantitativi di enzima che conseguono a tali meccanismi sono in genere frutto della presenza di ormoni o metaboliti che svolgono azioni di repressione o derepressione genica. d. La pepsina è secreta dalle cellule della mucosa gastrica in forma di precursore. A differenza della maggior parte dei proenzimi digestivi, questa non è attivata da un'idrolisi catalizzata da proteasi. Il pepsinogeno è convertito a pepsina mediante idrolisi acida spontanea a pH 2. L'acido cloridrico secreto dalle cellule gastriche è responsabile di questa acidità. Tutti gli enzimi pancreatici sono attivati contemporaneamente non appena riversati nel duodeno. Ciò avviene per idrolisi del tripsinogeno, chimotripsinogeno, proelastasi e procarbossipeptidasi da parte della tripsina stessa. Quantità catalitiche di tripsina originano inizialmente dall'azione dell'enteropeptidasi duodenale sul tripsinogeno.