N 3477 BIOCHIMICA 2014-2015 - DI SCAVINO MARCO - Appunti Universitari Online
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N° 3477
BIOCHIMICA
2014-2015
DI SCAVINO MARCO
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Università degli Studi di Torino
DIPARTIMENTO DI CHIMICA
Corso di Chimica e Tecnologie Chimiche
Appunti di studenti
Biochimica
Anno Accademico 2013/2014
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Indice
1 Introduzione 3
2 Proteine 4
2.1 Struttura primaria delle proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Amminoacido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Legame peptidico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Strutture secondarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Analisi della struttura primaria delle proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Studio della struttura secondaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Classificazione proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Strutture terziarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5.1 Tecniche di analisi delle strutture terziarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Struttura quaternaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Regolazione funzionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.8 Motori molecolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8.1 Actina e miosina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.8.2 Contrazione muscolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.8.3 Sistemi a microtuboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Carboidrati 16
3.1 Monosaccaridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 Zuccheri ciclici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Derivati degli zuccheri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Oligosaccaridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Acidi nucleici 20
4.1 Nucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.1 Basi azotate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5 Lipidi 23
6 Enzimi 25
6.1 Ossidoreduttasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.1.1 Effetto catalitico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2 Coenzimi flavinici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2.1 Vitamina B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2.2 Coenzimi chinonici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.3 Regolazione enzimatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7 Metabolismo 32
7.1 Bioenergia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7.1.1 Resa energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.1.2 Accoppiamento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.1.3 AMP ciclico (cAMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.2 Meccanismi regolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.3 Glicolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.3.1 Fase di investimento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.3.2 Fase di recupero energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.3.3 Anaerobiosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.4 Respirazione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.4.1 Produzione acetil-CoA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.4.2 Ciclo acido citrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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7.4.3 Mitocondri e catena respiratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.4.4 Complessi della catena respiratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.5 Sintesi ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.5.1 ATP sintasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
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Introduzione
La biochimica tratta una serie di reazioni organiche. Di grande interesse in questo ambito sono le proteine, sia come catalizzatori, sia come
elementi strutturali. Tra i vari argomenti studiati ci sono le reazioni nelle cellule, la struttura molecolare, il metabolismo e la genetica.
Nella biochimica sono presenti molti composti polimerici, ossia strutture che prevedono la ripetizione di unità strutturali. Tra questi di
rilevanti importanza sono:
• Polisaccaridi (le unità sono i monosaccaridi);
• Acidi nucleici (con unità le basi azotate);
• Proteine (unità base i 20 amminoacidi).
Gli esseri viventi, che presentano tutti questi composti, hanno anche come elementi distintivi: la riformazione delle strutture con
aumento della complessità delle stesse, reazioni che richiedono energia fornita essendo contro l’entropia (aumentano l’ordine del sistema)
e la capacità di autoreplicarsi. La maggior parte delle proteine possiede una struttura globulare con dimensione di circa 5 nm e di peso
40 – 50 kDa (ossia di circa 40 – 50 kg mol−1 ). Per avere un confronto basta pensare che le cellule hanno una dimensione variabile intorno
alle decine fino alle centinaia di micron (10 – 100 µm).
Il rapporto tra superficie e volume delle cellule è necessario sia massimo per massimizzare gli scambi, per cui viene mantenuto
costante. Possiamo distinguere due tipi di cellule:
• Vegetale, che presenta una parete cellulare rigida come i batteri, i vacuoli e i cloroplasti, oltre alla membrana cellulare, i mitocondri
e il nucleo;
• Animale, presenta mitocondri, nucleo, membrana cellulare.
Nelle cellule sono importanti i mitocondri (dimensioni di 1 µm), organelli presenti nella cellula in cui avviene la respirazione cellulare.
Per vedere questi elementi occorre la difrattometria a raggi X. Presentano un doppio sistema di membrane, interna e esterna, indispensabile
per la funzione di questi organelli. Infatti questa struttura permette la creazione di un gradiente protonico, indispensabile negli ultimi
passaggi della respirazione cellulare.
Gli ioni possono passare tranquillamente attraverso la membrana, infatti il potassio K+ e il calcio Ca2+ sono importanti nella
trasmissione dell’impulso nervoso. Non solo i vegetali presentano una parete cellulare, composta da polisaccaridi (microfibrille di
cellulosa) difficili da degradare per loro natura chimica. Anche funghi (anche se presenta chitina), lieviti e batteri (procarioti) ne
posseggono una. La maggior parte degli antibiotici agisce proprio contro un elemento della parete cellulare presente nei batteri. Questi
sono spesso utilizzati nelle biotecnologie e in reazioni biochimiche, essendo organismi facilmente modificabili tramite i plasmidi.
Oltre ai mitocondri si trovano nella cellula altri organelli:
• La barriera cellulare funge da barriera selettiva con l’ambiente esterno;
• Il nucleo contiene il materiale genetico ed è diviso dal resto della cellula da una barriera nucleare negli eucarioti. Tale materiale è
indispensabile per codificare le proteine. Se voglio portare informazioni al suo interno occorre un composto in grado di passare
anche la sua membrana.
• Il reticolo endoplasmatico, l’apparato del golgi e i ribosomi;
• I ribosomi contengono enzimi idrolitici, che scindono determinate molecole. Tali enzimi possono essere secreti all’esterno.
Necessitano essere separati dal resto per reagire al momento giusto.
Casi particolari sono le cellule nervose che presentano strutture diverse per premettere la trasmissione dell’impulso nervoso.
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Proteine
Possono trovare vari ambiti di applicazione, che spaziano nel campo chimico/biotecnologico, farmaceutico, ambientale e agro-alimentare
(per elencarne alcuni). Un esempio di proteina è l’emoglobina contenuta nel sangue e responsabile del trasporto di ossigeno e CO2 . La
sua struttura particolare è legata alla sua funzione. Tipiche malattie del sangue sono legate alla sua mutazione (anemia falciforme, che
altera la forma dei globuli rossi e li rende incapaci di trasportare ossigeno e CO2 ).
Importanti composti formati dalle proteine sono gli enzimi. Un esempio di enzima è la glucosio ossidasi, in grado di rilasciare elettroni
in base al glucosio, un maggior numero di molecole di glucosio corrisponde a più elettroni rilasciati e quindi una maggiore corrente
misurabile. È estremamente selettivo per il glucosio, non riconosce nessun altro substrato, ed è quindi specifico per esso. Gli enzimi sono
caratterizzati da un sito di riconoscimento dovuta alla sua struttura. Un’alterazione della struttura comporta una variazione del sito attivo e
di conseguenza si alterano le sue proprietà e le sue caratteristiche.
Se sostituisco un amminoacido, posso alterare la struttura finale della proteina e quindi la sua funzionalità, rendendola meno selettiva,
più reattiva o altro a seconda della modifica imposta. Per poter alterare le proteine agisco sul codice genetico, che quando viene espresso
porta alla formazione di una proteina alterata (ingegneria genetica). Per costruire le proteine secondo specifiche sequenze di amminoacidi
occorre codificare il codice genetico ponendo le basi azotate secondo un preciso ordine.
Il riconoscimento delle proteine richiede una funzione regiospecifica
kD
P+L PL
[P][L]
kD = = 10−12 mol
[PL]
L’equilibrio è spostato verso destra, ossia le proteine sono molto affini ai loro leganti.
Gli amminoacidi possono combinarsi in peptidi, sono anche ormoni (ossitocina, contrazione muscolare). Possono anche essere
neurotrasmettitori. Alcune piante trasformano gli amminoacidi in alcaloidi tossici per il corpo umano.
Struttura primaria delle proteine
Sono composte da catene di amminoacidi che fungono da monomeri. Un esempio di proteine sono gli anticorpi, con organizzazione
quaternaria. L’organizzazione terziaria consiste nel ripiegarsi della catena su se stessa, formando strutture tridimensionali, mantenute
da interazioni deboli tra le catene (legami idrogeno, interazioni dipolo-dipolo o forze dispersive di London). La struttura secondaria
consiste nella disposizione secondo strutture particolari della struttura primaria. La primaria consiste in una semplice catena lineare di
amminoacidi.
Amminoacido
Molecola di piccole dimensioni, che si organizza in proteine. Sono caratterizzati da un carbonio in α che presenta un gruppo ammino e un
gruppo carbossilico (da cui il nome). Il resto viene detta catena laterale (“side chain”) o anche residuo R. Esistono 21 amminoacidi
codificati dal DNA, oltre ad altri non codificati, ottenibili in altri modi.
A pH = 7 lo stato dell’amminoacido dipende dalla pk del gruppo acido e del gruppo ammino. Sarà in una forma detta zwitterione.
H R H R O
O
⊕
N Cα C H N Cα C
H OH H O
zwitterione
Il carbonio α è potenzialmente chirale. Sono sempre in configurazione L. Gli amminoacidi con configurazione D sono molto rari. Un
esempio è presente sulla parete cellulare dei batteri. Gli amminoacidi quando si legano per dare le proteine formano un legame peptidico e
non hanno più caratteristiche di zwitterione, restando carichi solo l’azoto e l’ossigeno terminali (vedi paragrafo 2.1.2).
Alifatici Tutti gli aromatici hanno un codice a tre lettere ed uno ad una lettere associato.
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H3 C H CH3
H CH3 C
⊕ ⊕ ⊕
H3 N C COO H3 N C COO H3 N C COO
H H H
Glicina/Gly/G Alanina/Ala/A Valina/Val/V
Amminoacido flessibile, conferisce gradi di Maggiore rigidità rispetto alla glicina.
libertà alla proteina.
CH3
H3 C H CH3
C CH2 H2 C CH2
CH2 H3 C CH CH2
⊕ ⊕
H3 N C COO H3 N C COO H2 N ⊕ C COO
H H H
Leucina/Leu/L Isoleucina/Ile/I Prolina/Pro/P
Idrofoba, più aumenta la catena più sarà Stesso peso molare della leucina (sono gli Unico amminacido ciclico, perché ricrea un
idrofoba. Più ingombrante dell’isoleucina. unici due amminoacidi). immino gruppo (ammina secondaria).
Amminoacido rigido, impartisce alla
struttura un brusco ripiegamento (separa
gruppi ordinati).
Se si sostituisce un amminoacido con uno simile (leucina e isoleucina) la proteina ottenuta mantiene una omologia di sequenza. Se si
sostituisce un gruppo con uno simile, ma più libero, aumenta la flessibilità (esempio aumenta la dimensione di un sito di riconoscimento).
Catene debolmente polari
OH SH OH
CH2 CH2 CH CH3
⊕ ⊕ ⊕
H3 N C COO H3 N C COO H3 N C COO
H H H
Serina/Ser/S Cisteina/Cys/C Treonina/Thr/T
Idrossile legato al metilene in β. Può dare Un tiolo al posto del alcool, pk a = 8,3, Analogo superiore della serina, presenta un
legame idrogeno ma non si dissocia quindi si deprotona più facilmente della metile in β. Stesse caratteristiche della
facilmente pk a = 16. serina, a cui assomiglia. Può dare un serina, ma maggiore ingombro sterico.
equilibrio redox con formazione di un ponte
disolfuro, oltre che formare legami
idrogeno. Per questo è responsabile della
formazione di strutture secondarie.
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H H
⊕ ⊕
OOC C NH3 OOC C NH3
CH2 CH2
S CH3 SH S
ossidazione
CH2 SH riduzione S
CH2 CH2 CH2
⊕ ⊕ ⊕
H3 N C COO H3 N C COO H3 N C COO
H H H
Metionina/Met/M cisteina cistina
Struttura con proprietà molto alifatiche.
Debolmente polare, lo zolfo può impiegare
il doppietto disponibile. Viene codificata
dalla tripletta ADG. Il primo amminoacido
di una proteina è la metronina.
Aromatici È possibile calcolare il coefficiente di assorbimento relativo. Il triptofano ha anche una fluorescenza spiccata. Riemette
nella regione dei 350 nm. Se si trova in un luogo molto rigido, il salto maggiore viene tradotto in uno spostamento verso il blu. Viceversa,
il luoghi più liberi l’estensione va verso il rosso.
Una proteina viene detta foldata (“folded”) quando è ripiegata, sfaldata (“unfolded”) quando viene srotolata. L’aumento di libertà
comporta un passaggio da lunghezze d’onda verso il blu a lunghezze d’onda verso il rosso.
Fluorescenza Fluorescono le specie che riemettono la luce con cui vengono eccitate. Logicamente la luce viene riemessa a
lunghezze d’onda maggiori, perché parte dell’energia viene dispersa.
OH
NH
CH2 CH2 CH2
⊕ ⊕ ⊕
H3 N C COO H3 N C COO H3 N C COO
H H H
Fenilalanina/Phe/F Tirosina/Tyr/Y Triptofano/Trp/W
In para rispetto al metilene c’è un idrossile, L’assorbimento di questi aromatici è nella
con pk a = 10, quindi si dissocia a pH radiazione UV, data l’estesa
basici. Parzialmente polare e banda di delocalizzazione. Assorbimento a 290 nm.
assorbimento a 270 nm. Se si trovano in una proteina, questa avrà un
picco di assorbimento a 270 nm.
Basici Presentano proprietà elettrostatiche. Sono gruppi facilmente protonabili.
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