Biochimica

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Le proteine sono delle macromolecole costituite di amminoacidi legati fra loro tramite legame peptidico.
IL LEGAME PEPTIDICO E GLI AMMINOACIDI:
gli amminoacidi sono delle molecole caratterizzatealla presenza di due gruppi funzionali: il gruppo amminico e il gruppo carbossilico, in linea generale si tratterebbe quindi di composti bifunzionali, tuttavia è importante sottolineare il fatto che gli amminoacidi più diffusi in natura sono gli alfa amminoacidi, amamminoacidiioè che presentano il gruppo funzionale cacarbossilico quello amminico legati al medesimo atomo di carbonio. Gli amminoacidi che di fatto compongono le proteine sono tutti amminoacidi alfa e sono solamente venti, la struttura generale di tali molecole è schematizzabile in questo modo:

I venti amminoacidi, qui riportati nella loro formula si struttura, nonostante siano accomunati da una medesima struttura generale, sono molto diversi uno dall'altro: si distinguono amminoacidi dotati di catena laterale neutra, polare, acida e basica. Ogni amminoacido presenta quindi almeno due equilibri di dissociazione, uno per il carbossile, uno per il gruppo amminico (e un eventuale terzo

equilibrio che dipende dalla presenza di un gruppo funzionale notevole nella catena R). Come già in precedenza sottolineato queste molecole, strutturate in proteine, sono coinvolte nei sistemi tampone che garantiscono il mantenimento del nostro pH fisiologico. Gli amminoacidi sono legati fra loro a formare proteine tramite un legame che viene definito peptidico, ma che potrebbe essere definito tranquillamente AMMIDICO: si tratta di un legame che, formalmente, si instaura fra i gruppi funzionali amminico e carbossilico con l'uscita di una molecola di acqua.
Il legame peptidico presenta delle caratteristiche molto particolari che influenzano anche la polimerizzazione che porta alla formazione della struttura proteica: come un qualsiasi legame ammidico il legame peptidico È SOGGETTO AD UN FENOMENO DI RISONANZA che coinvolge gli atomi di carbonio azoto e ossigeno coinvolti nel legame stesso; questo provoca alcune conseguenze fondamentali per quanto riguarda la struttura delle molecole proteiche:

è inibita la rotazione fra i legami coinvolti nel fenomeno di risonanza: i legami che vengono ad instaurarsi presentano un carattere parzialmente di doppio legame, non è quindi possibile in alcun modo la rotazione.
L'unico modo per far stare tutti e tre gli atomi sul medesimo piano è la creazione di un rettangolo planare rigido nel quale si collocano tutti gli atomi posti fra due diversi carboni alfa.

Come conseguenza abbiamo una situazione di questo tipo: una proteina sarà costituita di tanti piani rettangolari più o meno identici come dimensioni, concatenati fra loro a formare

una macromolecola dalla struttura generalmente molto regolare. L'unico grado di libertà possibile è quello garantito dalla rotazione dei legami intorno ai carboni alfa, questi si posizioneranno in modo da raggiungere il livello di conformazione energeticamente più stabile.
FUNZIONE DELLE PROTEINE: le proteine presenti nel nostro organismo appartengono a numerose categorie e tipologie e hanno numerose funzioni diverse:

Proteine di trasporto, in particolare emoglobina e mioglobina per l'ossigeno, ferritina e transferrina per il ferro.
Contrazione e movimento come actina e miosina, che sono presenti in tutte le cellule contrattili e motili.
Funzione difensiva, in particolare naturalmente gli anticorpi ma anche le proteine del complemento (adiponectina).
Trasmissione degli impulsi nervosi come la rodopsina.
Controllo della crescita e differenziamento.
Sostegno strutturale, in particolare collagene.
Catalisi enzimatica.
Funzione ormonale.

LA STRUTTURA DELLE PROTEINE: per poter descrivere una proteina, che altro non è se non un aggregato di amminoacidi uniti fra loro tramite legame peptidico, è necessario creare, vista la complessità delle strutture che si possono creare, una gerarchia descrittiva rigorosa e precisa, in particolare si ricordano:

STRUTTURA PRIMARIA: la struttura primaria di una proteina altro non è che la sequenza degli amminoacidi che la costituiscono, in particolare deve dare le seguenti informazioni:

quanti sono gli amminoacidi coinvolti.
Che tipo di amminoacidi sono.
Il loro ordine nella molecola.

Da questa struttura derivano poi tutte le altre: la struttura tridimensionale di una proteina dipende in modo molto stretto dalla sua composizione in amminoacidi (in particolare per la forte influenza delle catene R).

STRUTTURA SECONDARIA: la struttura secondaria di una catena peptidica è una struttura tridimensionale ordinata, descrivibile, quindi, anche a livello numerico, che la catena peptidica stessa assume naturalmente in virtù delle relazioni che si instaurano fra gli amminoacidi che la compongono. La formazione di queste strutture è vincolata alla capacità rotazionale che i legami fra carboni alfa consentono e quindi, di fatto, al livello energetico che la molecola stessa assume. Le strutture secondarie note sono numerose, tuttavia quelle tipicamente presenti in natura a riguardo sono due:

ALFA ELICA: si tratta di una struttura che si realizza sovente in natura ed è di fatto un'elica di amminoacidi legati fra loro e stabilizzati dalla presenza di legami ad idrogeno fra gruppi N-H2 e COOH. Questa struttura si forma in modo particolare quando gli amminoacidi coinvolti presentano una inclinazione fra i loro piani dell'ordine di grandezza di circa 100°; in questa situazione:

si instaurano dei legami ad idrogeno fra le molecole amminoacidiche, questi legami ad idrogeno insistono esattamente fra il carbossile di un amminoacido e il gruppo amminico presente sul quarto amminoacido successivo.
La struttura si stabilizza in un'elica che presenta catene R orientate verso l'esterno dell'elica stessa.
L'elica presenta un passo di 5,4Å.

Una struttura di questo tipo, la prima individuata e una delle più comuni in natura, si forma tipicamente in presenza di amminoacidi come:

GLUTAMMATO.
METIONINA.
ALANINA.
LEUCINA.

Ed è di solito sfavorita dalla presenza di PROLINA che, essendo un amminoacido completamente rigido, inibisce la formazione dell'alfa elica.

FOGLIETTO BETA: gli amminoacidi coinvolti in questo tipo di strutture sono generalmente diversi da quelli coinvolti nella formazione della struttura ad alfa elica, in particolare la struttura in questione è formata di amminoacidi legati fra loro a formare filamenti distribuiti linearmente nello spazio; è assente qualsiasi forma di avvolgimento. Filamenti lineari diversi possono affiancarsi uno all'altro formando delle strutture più complesse, note appunto come beta foglietto, e stabilizzate a livello strutturale dalla presenza di legame ad idrogeno fra gruppi carbossilici di una fila e gruppi amminici dell'altra. I due filamenti possono essere:

PARALLELI: le due catene peptidiche sono affiancate parallelamente quando estremità uguali (amminiche o carbossiliche) delle due diverse catene si trovano al medesimo capo della struttura; ovviamente le due catene devono essere fra loro separate per poter arrivare ad una situazione come quella sopra descritta. In un caso come questo nelle due sequenze di amminoacidi gruppi funzionali uguali si trovano in posizione esattamente coincidente nelle due catene, non risulta quindi possibile creare dei legami ad idrogeno paralleli all'asse della struttura stessa; la forza di questi legami risulterà quindi indebolita.
ANTIPARALLELE: in questo caso estremità diverse delle due catene si trovano al medesimo capo della struttura, i gruppi funzionali uguali delle due catene antiparallele si posizionano in modo sfalsato uno rispetto all'altro, si possono quindi instaurare dei legami ad idrogeno più corti e più resistenti a livello strutturale. In un caso come questo inoltre è possibile che l'intera struttura sia costituita da un unico peptide che, grazie alla formazione di un ansa (beta turn), si ripiega su se stesso, oppure da due peptidi affiancati.

Nel caso in cui le catene siano antiparallele e legate tramite un'ansa, la distanza lungo la sequenza fra i due amminoacidi che sono coinvolti nella formazione di un legame ad idrogeno è notevole.
Amminoacidi propensi alla formazione di una struttura come questa sono:

VALINA.
ISOLEUCINA.
FENILALANINA.
TIROSINA.
TRIPTOFANO.
TREONINA.

É inoltre importante sottolineare che le catene laterali degli amminoacidi sporgono sopra e sotto la struttura. Naturalmente gli angoli di legame sono estremamente diversi rispetto a quelli descritti nella struttura ad alfa elica.

STRUTTURA TERZIARIA: si tratta della conformazione spaziale che una catena peptidica assume una volta posta nel suo ambiente funzionale, una struttura complessa che di fatto è formata dalla combinazione di diverse strutture secondarie e di interazioni di vario genere che si instaurano fra catene laterali degli amminoacidi. Le interazioni che partecipano di fatto alla formazione di questa struttura ineriscono unicamente con le caratteristiche delle catene laterali e sono:
PONTI DISOLFURO: si tratta degli unici legami covalenti che interessano questo tipo di struttura: un amminoacido particolare, la CISTEINA, presenta all'estremità della struttura un gruppo tiolico, quando due gruppi di questo tipo si affiancano, per ossidazione dei due atomi di zolfo (-2 → -1) si crea una relazione covalente che instaura una relazione fra due diversi amminoacidi:

R-SH + R-SH → R-S-S-R + H2

INTERAZIONI IONICHE: si tratta di interazioni che si instaurano fra amminoacidi con catene laterali ionizzabili, possono essere repulsive o attrattive a seconda delle combinazioni.
INTERAZIONI APOLARI: si instaurano in particolare fra amminoacidi dotati di catena laterale aromatica, ma non solo, si tratta di forze di van de waals; possono essere dei dipoli istantanei o indotti dalla presenza di ioni vicini. Sono interazioni di natura idrofobica.
STRUTTURA QUATERNARIA: struttura caratteristica di proteine oligomeriche, si tratta di proteine che per poter funzionare necessitano la formazione e quindi l'assemblaggio di diverse subunità peptidiche fra loro. In caso di non corretto assemblaggio della struttura la proteina non può funzionare.

PROTEINE FIBROSE E GLOBULARI: una prima classificazione delle proteine si può definire già a partire dalle strutture di natura terziaria:

PROTEINE FIBROSE: si tratta di proteine caratterizzate dalla presenza di una struttura particolarmente sviluppata in senso longitudinale, sono sostanzialmente delle strutture peptidiche ad alfa elica che intessono fra loro delle relazioni fino a formare una struttura compatta e solida.

Generalmente sono α cheratine.
Formano strutture come capelli, lana, piume, unghie, artigli, squame, corna.
La loro solidità è generalmente data dalla presenza di ponti disolfuro in quantità variabili. Come qualsiasi tipo di proteina anche le cheratine alfa subiscono processi di denaturazione (vedi i capelli e la permanente)e rinaturazione.

Le transizioni dalla struttura di tipo alfa alla struttura di tipo beta sono generalmente possibili, ma implicano:

perdita di funzione (denaturazione).
Sono spesso irreversibili perché è difficile ottenere una struttura identica a quella denaturata in precedenza (questo discorso è molto variabile in relazione al tipo e alla struttura di ciascuna proteina).

DI FATTO PONTI SOLFURO E LEGAMI DI NATURA POLARE SONO I PRINCIPALI RESPONSABILI DELLA FORMAZIONE E DELLE CARATTERISTICHE DI QUESTO TIPO DI STRUTTURA.

PROTEINE GLOBULARI: sono proteine caratterizzate da una struttura di tipo sferoidale o globulare che dir si voglia. Rispetto alle proteine fibrose, queste proteine presentano una forma estremamente diversa, tuttavia le interazioni coinvolte nella formazione e nel mantenimento delle due strutture sono le medesime. Una proteina raggiunge la sua conformazione nativa unicamente posta nel suo ambiente funzionale che, generalmente, è il sangue, un ambiente tipicamente polare, quindi, immersa in esso la proteina assume una conformazione di questo tipo:

AMMINOACIDI IDROFILI si collocano in contatto con l'ambiente acquoso e intessono relazioni con esso.
AMMINOACIDI IDROFOBICI, tramite un adeguato ripiegamento della struttura, si collocano il più possibile lontani dall'ambiente polare esterno intessendo delle relazioni deboli fra loro.

In questo modo si ottiene una molecola tipicamente ripiegata su se stessa a formare un globo.
DI FATTO I LEGAMI DI NATURA IDROFOBICA SONO I PRINCIPALI RESPONSABILI DELLA FORMAZIONE DI QUESTO TIPO DI STRUTTURA.

LA MIOGLOBINA: la mioglobina è una proteina globulare caratteristica di cellule muscolari e di cellule in generale dotate della capacità di contrarsi e di muoversi, ma non solo, svolge un ruolo importante anche nella respirazione cellulare. A prescindere da questo la mioglobina è una proteina tipicamente globulare:

é costituita di circa 150 amminoacidi, la composizione sarà diversa fra specie e specie, ma, essendo la funzione sempre la medesima,

non vi sarà molta differenza.

Composizione a livello polare mista: sono presenti amminoacidi polari e amminoacidi apolari.
Molti amminoacidi sono dotati di capacità di dare struttura ad alfa elica, in particolare si formano ben 8 segmenti ad alfa elica fra i quali si frappongono delle proline, definite critiche, che, impedendo la formazione dell'alfa elica, portano alla formazione di ben 7 anse.

Grazie alla presenza di un certo numero di interazioni idrofobiche la molecola si chiude in senso globulare e da un effetto in acqua detto EFFETTO TYNDALL: si tratta di

un effetto che si verifica in caso di immersione di una macroioni in acqua, lo ione viene solvatato, ma esiste come tale in soluzione circondato interamente da molecole d'acqua senza subire dissociazione.
Ma la struttura sicuramente più interessante a livello molecolare è la struttura dell'EME: si tratta di una parte non proteica della molecola capace di legare l'ossigeno e conservarlo come tale fino al momento del suo utilizzo.
TRASPORTO DELL'OSSIGENO: si tratta di un processo molto delicato in quanto deve tenere conto di numerosi fattori:

la molecola di ossigeno deve entrare nella struttura proteica e ad essa legarsi in modo da poter essere trasportata.
La molecola di ossigeno non deve MAI E IN ALCUN MODO entrare in contatto con agenti riducenti: essendo un forte ossidante, la molecola di ossigeno deve essere isolata nel circolo sanguifero per impedire che entri in contatto con agenti riducenti (sarebbe sufficiente un contatto con molecole di acqua).

A rendere possibile tale processo è il gruppo EME: si tratta di una struttura caratterizzata da:

NUCLEO costituito da una molecola di ferro.
UNA STRUTTURA costituita di ben 4 anelli pirrolici uniti fra loro da ponti definiti metilici (atomi di carbonio).
UNA SERIE DI SOSTITUENTI che nella specie umana sono:

1,3,5,8 tetrametil.
2,4 divinil.
6,7 propanoil.

Queste componenti sono legate fra loro, alla struttura proteica e, in alcuni casi, alla molecola di ossigeno in questo modo: la molecola di Fe++ è un forte elettronattrattore, risulta quindi avere elevata affinità con i quattro atomi di azoto che lo circondano, inoltre IL FERRO, elemento di transizione, SUBISCE UNA FORMA DI IBRIDIZZAZIONE DETTA d2sp3 TALE PER CUI PRESENTA 6 ORBITALI DISPONIBILI E ISOENERGETICI, di
questi:

4 sono impegnati nei legami ferro-azoto (due legami di tipo covalente e due di tipo dativo) e giacciono sul medesimo piano.
1 viene utilizzato per legare la catena peptidica soprastante, in particolare si lega con l'atomo di azoto della ISTIDINA 93.
1 viene utilizzato per legare l'ossigeno quando necessario.

Questi ultimi due orbitali si collocano ai vertici di una struttura tridimensionale e sono uno al di sopra e uno al di sotto del piano formato dal quadrilatero degli azoti.
La funzione dell'eme si estrinseca in questo modo:
nel momento in cui una molecola di ossigeno si lega al ferro questo, rispetto al piano descritto dalle molecole di azoto, si sposta verso il basso trainando con se anche la struttura proteica della mioglobina (alla quale è legato tramite l'istidina 93); questo provoca una deformazione molto significativa dell'intera molecola che consente la penetrazione del gruppo EME in una sacca idrofobica che lo isola completamente dall'ambiente polare esterno impedendone la riduzione. La struttura del gruppo eme:

EME = ferroprotoporfirina IX; si tratta di una delle possibili forme della ferroprotoporfirina. Nel caso in cui il ferro venga ossidato a Fe+++ il gruppo assume il nome di EMINA o FERROPROTOPORFIRINA che perde la capacità di legare l'ossigeno; questa trasformazione avviene spontaneamente in presenza di acqua; l'isolamento dell'eme è quindi essenziale anche alla conservazione della sua funzionalità, non solo di quella dell'ossigeno. La parte proteica della molecola ha anche un'altra funzione: regola e soprattutto diminuisce l'affinità eme-ossigeno, in assenza di essa l'ossigeno non si separerebbe dal ferro.
FUNZIONE CELLULARE GENERALE DELLA MIOGLOBINA: trasferire l'ossigeno dall'emoglobina alla citocromo ossidasi, ultimo complesso della catena respiratoria mitocondriale, questo è possibile unicamente grazie alla regolazione dell'affinità con l'ossigeno fra le tre molecole:
EMOGLOBINA < MIOGLOBINA < CITOCROMO OSSIDASI
L'EMOGLOBINA: l'emoglobina è una struttura proteica tetramerica, costituita cioè da
quattro subunità peptidiche complementari a livello funzionale e molto simili alla mioglobina. Nell'uomo adulto le quattro subunità sono due alfa e due due beta e ciascuna di esse è caratterizzata dalla presenza di un gruppo eme. Come per qualsiasi struttura quaternaria il tetramero si chiude nella sua forma globulare grazie alle interazioni fra le catene laterali degli amminoacidi. La sua efficacia è tale da portare la concentrazione di ossigeno nel sangue dai 5ml che sarebbero presenti per semplice solubilizzazione del gas a ben 250ml al litro.
A livello strutturale la molecola dell'emoglobina si assembla in questo modo:

due subunità differenti si associano fra loro in modo molto stretto, l'affinità fra di esse è infatti molto elevata, maggiore di quella che ci sarebbe fra due subunità del

medesimo tipo che anzi tendono a respingersi.

Le due metà si associano fra loro in modo non speculare (subunità differenti combaciano), questo avviene perchè a livello funzionale è necessario che vi sia una determinata distanza fra le due metà della molecola.

Naturalmente la struttura è organizzata in questo modo per GARANTIRE LA MASSIMA FUNZIONALITÀ STRUTTURALE.
FUNZIONAMENTO: la molecola dell'ossigeno, O2, è naturalmente, in quanto apolare, poco solubile nel torrente sangiugno, per questo motivo è necessario utilizzare, per soddisfare le esigenze del corpo umano, un trasportatore come L'EMOGLOBINA; l'emoglobina stessa, inoltre, si occupa, almeno parzialmente, della eliminazione dei prodotti delle ossidazioni del nostro organismo (CO2). A livello organizzativo:

OSSIGENO: viene prelevato dagli alveoli polmonari dalla emoglobina che lo porta intatto fino ai tessuti, qui deve essere mantenuto nel suo stato naturale fino all'utilizzo, e per questo viene ceduto alla MIOGLOBINA che lo cederà al momento opportuno alla citocromo ossidasi.
ANIDRIDE CARBONICA: prodotto dell'ossidazione di molecole carboniose l'anidride carbonica viene legata alla componente proteica della molecola e trasportata quindi all'esterno tramite il circolo sanguifero e gli alveoli polmonari.

Il legame covalente in questione si forma in questo modo:
sfrutta i gruppi amminici terminali non ionizzabili (per esempio di gruppi ammidici delle catene R) per formare dei gruppi genericamente definiti carbammati.

Fonte: http://www.autistici.org/castalia/download/Med%20-%20schemi,%20appunti%20e%20dispense/Biochimica%20generale%20e%20nutrizionale%20COMPLETO%20-%20Giordano%20Perin%20%5Bda%20www.appuntimed.com%20biochimica,%20%20appunti,%20schemi,%20dispense%5D.pdf

Sito web da visitare: http://www.autistici.org/

Autore del testo: Perin

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