Introduzione alla biochimica, amminoacidi, glicoconiugati e glicolisi

Lezione 1 - Introduzione alla Biochimica e gli Amminoacidi

Cos'è la Biochimica?

La biochimica è la disciplina che studia le reazioni chimiche fondamentali per la vita, ovvero il legame tra chimica e biologia. Si concentra sulle molecole presenti negli esseri viventi e sulle loro interazioni, che permettono il funzionamento dell'organismo.

Gli Elementi Fondamentali della Vita

Le molecole biologiche sono costituite principalmente da quattro elementi chimici:

1. Idrogeno (H) - Primo gruppo della tavola periodica.
2. Carbonio (C) - Quarto gruppo della tavola periodica.
3. Azoto (N) - Quinto gruppo della tavola periodica.
4. Ossigeno (O) - Sesto gruppo della tavola periodica.

Tra questi, il carbonio è il più importante perché è in grado di formare quattro legami covalenti, permettendo la costruzione di strutture molecolari complesse, come proteine, carboidrati e lipidi.

Il Carbonio e i suoi Legami

Il carbonio ha 4 elettroni nel guscio più esterno e può formare quattro legami covalenti per raggiungere la stabilità, secondo la regola dell'ottetto (massima stabilità con 8 elettroni nel guscio esterno).

Tipi di Legami Covalenti

• Legame singolo: due atomi condividono una coppia di elettroni.
• Legame doppio: due coppie di elettroni condivise (es. ossigeno molecolare O2).
• Legame triplo: tre coppie di elettroni condivise (es. azoto molecolare N2).

I Gruppi Funzionali

I gruppi funzionali sono combinazioni di atomi che danno specifiche proprietà chimiche alle molecole. I principali gruppi funzionali delle macromolecole biologiche sono:

• Gruppo metilico (-CH2): un carbonio legato a tre idrogeni.
• Gruppo carbonilico (-C=O): caratterizza aldeidi e chetoni.
• Gruppo carbossilico (-COOH): presente negli amminoacidi.
• Gruppo amminico (-NH2 0 -NH2+): caratterizza gli amminoacidi.
• Gruppo ossidrilico (-OH): presente negli alcoli e nei carboidrati.
• Gruppo sulfidrilico (-SH): forma legami disolfuro nelle proteine.

Le Proteine e gli Amminoacidi

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti nelle cellule e svolgono ruoli essenziali come:

• Struttura e sostegno (collagene, cheratina).
• Trasporto (emoglobina, mioglobina).
• Movimento (actina e miosina nei muscoli).
• Difesa immunitaria (anticorpi).
• Catalisi delle reazioni biochimiche (enzimi).

Le proteine sono composte da amminoacidi, che sono i mattoni fondamentali delle proteine. Esistono 20 amminoacidi, ognuno con una struttura comune:

• Un carbonio centrale (carbonio a).
• Un gruppo amminico (-NH2).
• Un gruppo carbossilico (-COOH).
• Un atomo di idrogeno (-H).
• Un gruppo R (catena laterale) -> Diverso per ogni amminoacido.

Amminoacidi Essenziali vs. Non Essenziali

• Essenziali: devono essere assunti con la dieta (valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano, lisina, istidina, arginina).
• Non essenziali: il corpo può sintetizzarli autonomamente.

Enantiomeri e Chiralità

Gli amminoacidi (eccetto la glicina) hanno una forma chirale, cioè possono esistere in due versioni speculari:

• L-amminoacidi (naturali e utilizzati nelle proteine).
• D-amminoacidi (rari in natura, presenti in alcuni batteri).

La chiralità è importante per la funzione biologica delle proteine.

Classificazione degli Amminoacidi

Gli amminoacidi si dividono in cinque gruppi principali:

1. Amminoacidi Alifatici Non Polari (idrofobici)

• Glicina (Gly) -> più semplice, non chirale.
• Alanina (Ala) -> gruppo metilico (-CH3).
• Valina (Val), Leucina (Leu), Isoleucina (lle) -> catene ramificate.
• Prolina (Pro) -> struttura ad anello, dà rigidità alle proteine.
• Metionina (Met) -> contiene zolfo.

1. Amminoacidi Polari Non Carichi (idrofili)

• Serina (Ser) e Treonina (Thr) -> hanno un gruppo -OH, formano legami idrogeno con l'acqua.
• Asparagina (Asn) e Glutammina (GIn) -> contengono gruppi ammidici.
• Cisteina (Cys) -> contiene zolfo (-SH), può formare ponti disolfuro nelle proteine.

1. Amminoacidi Aromatici

• Fenilalanina (Phe) -> non polare.
• Tirosina (Tyr) -> leggermente polare grazie al gruppo -OH.
• Triptofano (Trp) -> contiene azoto, precursore della serotonina.

1. Amminoacidi Basici (Carica Positiva)

• Lisina (Lys) -> importante per la crescita e il sistema immunitario.
• Arginina (Arg) -> coinvolta nel ciclo dell'urea (eliminazione dell'ammoniaca).
• Istidina (His) -> precursore dell'istamina, coinvolta nelle reazioni allergiche.

1. Amminoacidi Acidi (Carica Negativa)

• Aspartato (Asp) e Glutammato (Glu) -> presentano un gruppo carbossilico extra, sono coinvolti nei segnali nervosi e nel metabolismo.

Importanza degli Amminoacidi nella Dieta

• Fenilalanina: precursore della tirosina. Una sua alterazione causa fenilchetonuria, che porta a ritardo mentale.
• Triptofano: precursore della serotonina (ormone del benessere).
• Glutammina: supporta il sistema immunitario e l'attività cerebrale.
• Cisteina e metionina: fondamentali per capelli e pelle.
• Arginina: fondamentale per lo smaltimento dell'ammoniaca.

Lezione 2 - Amminoacidi e Proteine

Introduzione alla Biochimica e alla Chimica del Carbonio

La biochimica è lo studio della chimica degli esseri viventi e si basa sulla chimica del carbonio. Questo perché il carbonio può formare quattro legami covalenti con altri atomi (singoli, doppi o tripli). Ad esempio:

• Legame covalente triplo: si trova nell'azoto molecolare (N2).
• Legame covalente doppio: si trova nell'ossigeno molecolare (O2).

Gli Amminoacidi: Cosa Sono e Come Sono Classificati

Gli amminoacidi sono i mattoni fondamentali delle proteine. Ogni amminoacido è composto da:

• Un carbonio alfa (Ca).
• Un gruppo carbossilico (-COOH).
• Un gruppo amminico (-NH2).
• Un atomo di idrogeno.
• Una catena laterale R, che varia e determina le caratteristiche chimiche e fisiche dell'amminoacido.

Gli amminoacidi sono classificati in base alle loro proprietà chimiche e fisiche, e si dividono in 8 gruppi principali:

Amminoacidi Alifatici Non Polari

• Glicina (Gly, G): è l'unico amminoacido senza un centro chirale.
• Alanina (Ala, A): ha una catena laterale costituita da un gruppo metile (-CH3).
• Valina (Val, V), Leucina (Leu, L), Isoleucina (lle, I): amminoacidi con catena laterale ramificata.
• Prolina (Pro, P): ha una catena laterale ciclica, importante per la struttura del collagene.
• Metionina (Met, M): contiene zolfo ed è essenziale per la sintesi proteica e per la salute di pelle, capelli e unghie.

Amminoacidi Aromatici Non Polari

• Fenilalanina (Phe, F).
• Tirosina (Tyr, Y): deriva dalla fenilalanina grazie all'enzima fenilalanina idrossilasi. La sua carenza causa fenilchetonuria, una grave malattia metabolica.
• Triptofano (Trp, W): precursore della serotonina, che a sua volta è precursore della melatonina (importante per il sonno).

Amminoacidi Polari Non Carichi

Questi amminoacidi hanno gruppi che interagiscono con l'acqua:

• Serina (Ser, S) e Treonina (Thr, T): hanno un gruppo ossidrilico (-OH).
• Asparagina (Asn, N) e Glutammina (Gln, Q): hanno un gruppo carbossiammidico.
• Cisteina (Cys, C): ha un gruppo sulfidrilico (-SH) che può formare ponti di disolfuro, essenziali per la struttura proteica.

Amminoacidi Carichi Positivamente (Basici)

Questi amminoacidi contengono gruppi amminici nella catena laterale:

• Lisina (Lys, K).
• Istidina (His, H): importante per la guaina mielinica (essenziale per la trasmissione nervosa).
• Arginina (Arg, R): partecipa al ciclo dell'urea (eliminazione dell'azoto in eccesso).

Amminoacidi Carichi Negativamente (Acidi)

• Aspartato (Asp, D) e Glutammato (Glu, E).
• Il glutammato deriva dalla glutammina e supporta le funzioni cognitive.
• L'aspartato deriva dall'asparagina e la sua riduzione può rallentare la crescita tumorale.

Ionizzazione degli Amminoacidi e il pH

Gli amminoacidi sono ioni anfoteri, cioè possono comportarsi sia da acidi che da basi. Questo dipende dal pH:

• Gruppo -COOH (carbossilico): a pH alto si deprotona e diventa -COO.
• Gruppo -NH2 (amminico): a pH basso si protona e diventa NH +.

A pH fisiologico (circa 7,4), gli amminoacidi esistono in una forma zwitterionica, cioè con carica netta zero. Il punto isoelettrico (pl) è il valore di pH in cui la carica dell'amminoacido è neutra:

pI = \frac{pKa1 + pKa2}{2}

Dove:

• pKa1 si riferisce al gruppo carbossilico.
• pKa2 si riferisce al gruppo amminico.

Esempi:

• Gli amminoacidi acidi hanno un pI basso.
• Gli amminoacidi basici hanno un pI alto.

Il Legame Peptidico e la Struttura delle Proteine

Gli amminoacidi si uniscono tra loro formando peptidi e proteine grazie al legame peptidico, che si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (-NH2) di un altro, con la perdita di una molecola d'acqua.

Le proteine possono avere diverse strutture:

1. Struttura primaria: sequenza lineare di amminoacidi.
2. Struttura secondaria: ripiegamenti locali della catena (alfa-elica, beta-foglietto).
3. Struttura terziaria: ripiegamento tridimensionale completo della proteina.
4. Struttura quaternaria: interazione tra più catene polipeptidiche (es. emoglobina).

Alcune proteine contengono gruppi prostetici, come l'eme nell'emoglobina.

Tecniche di Studio delle Proteine

Per studiare le proteine si usano diverse tecniche:

• Western Blotting: separa le proteine in base al peso molecolare usando un detergente (SDS).
• Elettroforesi: sfrutta la carica delle proteine per separarle applicando un campo elettrico.

Applicazioni Biologiche del pH nelle Proteine

Le proteine funzionano in base al pH dell'ambiente:

• Pepsina (enzima digestivo dello stomaco): attiva a pH acido perché contiene molti amminoacidi acidi.
• Lisozima (presente nelle lacrime, azione antibatterica): attivo a pH basico perché contiene amminoacidi basici.

Calcolo del Numero di Amminoacidi in una Proteina

Si può stimare con la formula:

P.M. namminoacidi 110

Dove 110 è il peso medio di un amminoacido, considerando la perdita di una molecola d'acqua durante la formazione del legame peptidico.

Lezione 3 - Struttura e Ruolo delle Proteine

Struttura delle Proteine

Le proteine sono macromolecole biologiche fondamentali, formate da amminoacidi legati tra loro da legami peptidici. La loro struttura può essere descritta su quattro livelli:

1. Struttura primaria -> È la sequenza lineare di amminoacidi uniti da legami peptidici. La sequenza determina la funzione della proteina.
2. Struttura secondaria -> È l'organizzazione spaziale di segmenti della catena polipeptidica. Comprende tre principali conformazioni:

• a-elica: una struttura a spirale stabilizzata da legami a idrogeno intracatena.
• Foglietto ß: una disposizione più allungata, formata da più filamenti ß paralleli o antiparalleli, stabilizzati da legami a idrogeno intercatena.
• Ripiegamenti @: brevi segmenti di amminoacidi che connettono strutture secondarie come a-eliche e foglietti B.

1. Struttura terziaria -> Descrive il ripiegamento tridimensionale dell'intera proteina. È stabilizzata da:

• Ponti disolfuro (legami covalenti tra due cisteine).
• Legami a idrogeno.
• Interazioni idrofobiche (tra residui non polari).
• Interazioni ioniche (tra gruppi carichi positivamente e negativamente).

1. Struttura quaternaria -> Alcune proteine sono formate da più subunità (esempio: emoglobina). L'interazione tra queste subunità determina la loro funzione.

Legami Chimici e Stabilità delle Proteine

Le proteine assumono una determinata conformazione nello spazio, detta conformazione nativa, che è la più stabile e funzionale. La stabilità è garantita da vari tipi di legami:

• Legami a idrogeno -> Forze deboli tra un atomo di idrogeno e un atomo elettronegativo (ossigeno, azoto, fluoro).
• Effetto idrofobico -> Tendenza dei residui idrofobici a trovarsi all'interno della proteina per evitare l'acqua.
• Interazioni ioniche -> Attrazione tra cariche opposte presenti nei gruppi laterali di alcuni amminoacidi.
• Ponti disolfuro -> Legami covalenti tra due residui di cisteina.

Questi legami determinano la forma e la funzione delle proteine, permettendo loro di svolgere ruoli biologici specifici.

Il Legame Peptidico

Il legame peptidico è il legame covalente che unisce due amminoacidi. Si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (-NH2) di un altro, con eliminazione di una molecola di acqua (reazione di condensazione).

Caratteristiche del Legame Peptidico

• È un ibrido di risonanza, il che significa che oscilla tra una forma con legame singolo e una con legame doppio.
• È planare e rigido -> gli atomi coinvolti (C, N, O e H) giacciono sullo stesso piano e non possono ruotare liberamente.
• Il gruppo peptidico forma un dipolo elettrico -> l'ossigeno carbonilico è parzialmente negativo, mentre l'azoto ammidico è parzialmente positivo.

Angoli Diedrici (Phi, Psi, Omega)

• 22 (omega) -> legame peptidico (NON può ruotare).
• ¢ (phi) -> tra N e Ca (PUÒ ruotare).
• ₩ (psi) -> tra Ca e C (PUÒ ruotare).