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BIOCHIMICA Leggere Capitolo 1: 1.1 Chimica 1.2 Materia 1.3 Atomi e molecole 1.4 Modello atomico e struttura elettronica 1.5 Tavola periodica e proprietà periodiche 1.6 Mole, massa atomica, molecolare, assoluta e relativa 1.7 Legami atomici (intramolecolari) 1.8 Legami tra molecole (intermolecolari) 1.9 Stati di aggregazione della materia 1.10 Soluzioni 1.11 Proprietà colligative delle soluzioni 1.12 Equilibrio chimico 1.13 Termodinamica 1.14 Acqua, acidi-basi, sistemi tampone 1.15 Cinetica chimica 1.16 elettrochimica Capitolo 2: 2.1 Caratteristiche generali 2.2 Idrocarburi (alcani, cicloalcani, alcheni, i.aromatici) 2.3 Composti eterociclici aromatici 2.4 Alcoli e tioalcoli 2.5 Aldeidi e chetoni 2.6 Acidi carbossilici 2.7 Ossidazione di alcoli e tioalcoli 2.8 Ammine 2.9 Derivati degli acidi carbossilici e fosforici (esteri, anidridi, ammidi) 2.10 Composti polifunzionali Capitolo 3: 3.1 Scopi della biochimica 3.2 La cellula 3.3 logica della vita 3.4 Omeostasi dell’acqua

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Capitolo 4 - Da pag 106 a 117"

STRUTTURA DELLE PROTEINE Le proteine sono polimeri lineari costituiti da unità monometriche dette amminoacidi." Gli amminoacidi sono composti organici che presentano un carbonio centrale C legato a 4 molecole diverse: H, COOH (gruppo carbossile - acido), NH2 (gruppo amminico basico) e R (quarto sostituente, variabile, differenzia i vari amminoacidi). Il carbonio centrale viene detto C in α rispetto al gruppo carbossilico a priorità maggiore e si parla quindi di α-amminoacidi." Le proteine sono formate esclusivamente da α-amminoacidi." Al pH fisiologico gli amminoacidi si presentano nella forma zwitterionica (o anfiione o sale interno, si origina dal fatto che il gruppo acido e il gruppo basico formano un sale)." Gli amminoacidi possono appartenere alla serie L e D (quasi tutti quelli in natura L, pochi D)." Eccezione: Gly (glicina), perchè ha due gruppi H." "

"

" A sx: L-α-amminoacido; a dx: forma zwitterionica.

Le proteine sono divise in due gruppi:"

- Proteine fibrose e insolubili in acqua, come le proteine strutturali (collagene, elastina, -

-

cheratina) e quelle di membrana (pompe ioniche);" Proteine globulari e solubili: come i catalizzatori (enzimi), p. di deposito (ferritina, caseina), p. di trasporto (emoglobina, albumina), p. del sistema contrattile (actina, troponina), p. dei sistemi di difesa (immunoglobuline, fibrinogeno), tossine, trasmettitori (recettori, ormoni peptidici);" Alcune proteine sono in parte solubili e insolubili (es. missina dei sistemi contrattili)."

Gli amminoacidi standard sono 20 e, per ciascuno di essi, esiste nel DNA un codone (o tripletta) che lo codifica." Aminoacidi non-standard necessari per alcune funzioni:" - Non-standard nelle proteine: risultato della modificazione chimica degli amminoacidi, che avviene dopo la sintesi della catena polipeptidica; solitamente avviene nel RE o nel Golgi e può coinvolgere carboidrati (glicosilazione), lipidi (acilazione), fosforilazione (gruppo fosfato), idrossilazione (-OH), carbossilazione (CO2)." - Non-standard non nelle proteine: modificazione degli amminoacidi in seguito ad azione enzimatica. Alcuni esempi sono ormoni (epinefrina, norepinefrina, adrenalina) e molecole intracellulari (creatina, citrullina,..)"

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In base al gruppo R si distinguono 3 categorie:" - gruppi R idrofobi o apolari, che non ionizzano: alanina, valina, fenilalanina, leucoma, isoleucina, prolina" - Gruppi R idrofili o polari, che ionizzano ma non presentano cariche (serina, cisteina, tirosina, treonina)" - Gruppi R basici o acidi (oltre a COOH e NH2 già presenti in tutti gli amminoacidi, es. acido aspartico, acido glutammico, asparagina, glutammina, istidina, arginina, lisina)."

Il legame peptidico Dal punto di vista chimico è un legame di tipo ammidico, covalente (quindi molto forte) ed è il legame attraverso il quale si possono legare gli amminoacidi. Questo legame rappresenta la struttura base delle catene polipeptidiche." Il legame si forma grazie a una reazione di condensazione tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro (con liberazione di una molecola H2O)." Due amminoacidi —> dipeptide + altri amminoacidi —> catena polipeptidica." Le catene sono sempre lineari e presenta due estremità:" - Estremità N-terminale: L-α-amminoacido con gruppo amminico libero —> amminoacido N-terminale;" - Estremità C-terminale: amminoacido con COO- libero —> C-terminale" I legami sono molto compatti e robusti e la loro rottura può avvenire solo per via chimica (trattamento prolungato con HCl, alte temperature,..)" Struttura primaria = sequenza amminoacidi " Rappresenta la sequenza degli amminoacidi dalla porzione N-terminale a quella Cterminale." I polipeptidi sono identificati mediante la sequenza degli aminoacidi che li compongono " (Es. Ala-Lys-His-Asp)." Nelle catene polipeptidiche le uniche cariche esistenti sono quelle dei gruppi terminali della catena e quelle dei gruppi R che non sono impegnati nel legame." Le cariche conferiscono alla catena una caratteristica, detta “mobilità elettroforetica”, cioè la capacità di migrare verso un polo elettrico (se sono presenti più cariche negative andrà verso il positivo e viceversa)." Struttura secondaria = conformazione della catena" Il legame peptidico permette la formazione di legami a idrogeno (ponti H), che anche se deboli sono responsabili delle conformazioni caratteristiche alle proteine." Le due strutture più comuni sono:" - Alfa elica: il legame H si instaura tra l’atomo H legato al gruppo amminico con carica δ+ di un amminoacido e O con δ- di COO- del quarto amm. successivo nella catena." - Beta foglietto/ β pieghe: i ponti H si formano tra amminoacidi di catene diverse o della stessa catena ma lontani gli uni dagli altri; la conseguenza è la formazione di un foglietto ripiegato con le catene a distanze fisse."

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Struttura terziaria = struttura tridimensionale " E’ strettamente dipendente dai gruppi R e dalla loro polarità." I legami chimici fra i residui R sono:" - Interazioni idrofobiche (Forze di London) " - Interazioni a ponte di idrogeno" - Interazione dipolo-dipolo" - Interazione fra ioni di carica opposta (legame ionico)" - Legami covalenti" - I ponti disolfuro (-S-S-) si formano dall’ossidazione di due residui di Cisteina (della stessa catena o anche di catene diverse). I -S-S- sono molto forti (quasi come covalenti) e conferiscono strutture specifiche alle proteine (es. pre-insulina che viene attivata a insulina ha 3 ponti); i ponti -S-S- adiacenti compongono la cheratina dei capelli (la loro rottura e formazione di -SH- determina l’aumento della flessibilità del capello, la successiva ossidazione fa si che i ponti -S-S- si riformino in modo casuale o a piacere —> messa in piega)." Nella struttura terziaria possono essere presenti sia l’α-elica, che il β-foglietto:" - Struttura globulare idrofilica: + α, - β" - Fibrosa: + β, - α" - Mista "

Struttura quaternaria = proteine costituite da più catene" E’ il risultato di associazioni non covalenti di più subunità, a formare un complesso proteico." La maggior parte delle proteine di questa categoria sono enzimi allosterici (=si attiva e inattiva) e non tutte le proteine hanno la struttura quaternaria. "

Biologia delle proteine Le proteine possiedono funzioni altamente specifiche perché la proteina può riconoscere alcune molecole (enzimi: substrato-sito attivo; anticorpo-antigene; …). " Tale riconoscimento varia in base alla sequenza degli amminoacidi e alla distribuzione dei gruppi R e perché esso avvenga le due parti devono essere complementari sia strutturalmente che a livello odi carica elettrica. Quindi, ogni alterazione della struttura primaria può impedire che ciò avvenga: stato patologico, disfunzioni, alterazioni,.." Denaturazione La struttura delle proteine può essere disfatta attraverso il processo di denaturazione (alte temperature, pH, ….). Tale processo può essere irreversibile e reversibile (in questo caso intervengono i chaperoni)." Turnover E’ un processo che consiste nell’eliminazione e conseguente rimpiazzo di proteine." Le proteine vecchie o non più funzionali vengono marcate con piccole molecole dette “ubiquitine”, le quali vengono riconosciute dai lisosomi, che hanno il compito o di eliminarle o di rimetterle a disposizione dei ribosomi." Le uniche cellule che non possono fare il turnover sono gli eritrociti perché in fase di maturazione perdono il nucleo e i mitocondri."

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Capitolo 8 - da pag. 156 a 174"

ENZIMI E COENZIMI Enzima letteralmente “nel lievito” perché è dove furono osservati per la prima volta."

Gli enzimi sono proteine che hanno varie funzioni:" - Catalizzare le reazioni chimiche " - Portare le reazioni all’equilibrio in tempi brevissimi —> in questo modo vengono svolte, in tempi brevi e con la stessa “macchina”, solo le reazioni necessarie, minimizzando gli sprechi e il dispendio energetico; " - La regolazione permette di selezionare quali reazioni devono essere accelerate, rallentate o bloccate" - Sono altamente specifici"

La catalasi chimica Perché la reazione substrato —> prodotto avvenga devono essere soddisfatte almeno due reazioni:"

- La reazione deve essere termodinamicamente favorevole e perché questo avvenga, l’energia libera (G) del prodotto deve essere inferiore all’energia libera del substrato, cioè " Gprodotto - Gsubstrato = ΔG P può avvenire solo se l’urto fra A e B avviene con una forza sufficiente per permettere la formazione di P. Gli urti che non possiedono la forza sufficiente non sono in grado di formare P. La distribuzione di energia delle molecole A è rappresentata da una gaussiana. La frazione di molecole con energia superiore all’energia di attivazione può essere aumentata o elevando la temperatura e quindi l’energia di tutte le molecole o diminuendo l’energia di attivazione, come gli enzimi."

Caratteristiche fondamentali della catalasi - Gli enzimi si combinano col substrato e abbassano l’energia di attivazione della reazione; perché ciò avvenga si deve formare un legame chimico fra enzima e substrato." In tal modo, l’enzima può inserire uno o più strati di transizione intermedi con energie di attivazione inferiori a quelle della reazione non catalizzata."

- Gli enzimi non modificano l’equilibrio della reazione ma semplicemente accelerano il raggiungimento dell’equilibrio (Keq è costante in presenza di enzima)."

- Gli enzimi non sono modificati nella reazione e, per questo, al termine di una trasformazione sono subito pronti per catalizzarne un’altra." Vedi figure 1, 2, 3."

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Reversibilità delle reazioni enzimatiche Anche se le reazioni enzimatiche sono reversibili, esiste un flusso unidirezionale di materiale per quanto riguarda le catene enzimatiche." Gli enzimi favoriscono il raggiungimento dell’equilibrio, non necessariamente il completamento della reazione e infatti catalizzano la reazione inversa:"

A

B

Le reazioni enzimatiche sono reversibili perché non modificano la Keq ma se B diventa il substrato di un’altra reazione, la prima reazione diventa irreversibile.

A —> B —> C Quando più enzimi prendono parte ad una serie di reazioni si parla di catena enzimatica. Le vie metaboliche consistono di catene enzimatiche composte da più enzimi che lavorano in serie per trasformare una sostanza in un’altra." Struttura degli enzimi L’enzima attivo è un proteina ( o apoenzima = letteralmente, parte proteica del’enzima) talvolta associato a una parte non proteica. La parte proteica invece può essere una molecola organica come coenzima (derivata dalle vitamine), ione metallico o entrambi." L’enzima presenta un substrato, il cui sito attivo è contenuto nell’apoenzima, e un sito attivo che determina la specificità della reazione (es. deidrogenazione, ossidazione, trasferimento di un gruppo)." Il sistema DNA/RNA/ribosomi generalmente non codifica per l’apoenzima, ma per il suo precursore (zimogeno o proenzima). Quando il precursore è parzialmente idrolizzato ad opera di altri enzimi chiamati proteasi, esso si trasforma in apoenzima e diventa attivo. " La maggior parte delle reazioni enzimatiche utilizza substrati, che sono di piccole dimensioni in confronto all’enzima. Di conseguenza, solo una piccola parte dell’enzima di trova a diretto contatto con il substrato a formare il complesso enzima-substrato." Il resto della proteina enzimatica fornisce lo scheletro strutturale che garantisce il mantenimento dei componenti del sito attivo e la sua conformazione." Alcuni enzimi presentano anche un sito allosterico che riconosce molecole non correlate al substrato che fungono da attivatori o inibitori dell’enzima." Anche gli enzimi hanno un tempo di vita specifico e una volta giunto il momento della degradazione entrano in gioco i lisosomi e l’ubiquitina (proteina regolatoria): essi hanno il compito di degradarle e rimettere a disposizione della cellula gli amminoacidi derivati dalla reazione, che verranno utilizzati per la sintesi di nuove proteine." Vedi figura 4"

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Nomenclatura degli enzimi La Enzyme Nomenclature Commission propone una denominazione di 3 parti per ogni enzima:"

- Nome del substrato" - Nome del coenzima" - Nome della reazione catalizzata con l’aggiunta del suffisso -asi" Specificità di substrato e azione L’enzima esplica la sua funzione attraverso un legame chimico con il substrato." Il riconoscimento deve soddisfare criteri rigorosi di complementarietà di struttura e carica per consentire la formazione dei legami ionici, elettrostatici e ponti H fra enzima e substrato." Il riconoscimento è spesso tridimensionale: gli enzimi possono distinguere tra stereoisomeri D- e L- degli amminoacidi e ciò spiega perché anche se in natura esistono entrambi, solo quelli della serie L sono presenti nelle proteine (appunto perché viene riconosciuta la “forma”)." es. enzima glicerol kinasi può riconoscere solo la forma α del glicerolo." Sempre per questo motivo, i gruppi R delle proteine si devono trovare in posizioni specifiche (il substrato interagisce anche con alcuni gruppi R) e se dovessero esserci modificazioni nella struttura primaria della proteina (mutazioni) si avrebbe un malfunzionamento o proteine incompatibili con l’attività biologica." Azione degli enzimi L’enzima (E) lega il substrato (S) e in seguito al cambiamento conformazione di E si ha un prodotto (P). Dopo il suo rilascio, E assume nuovamente la forma che aveva prima di legare S e torna disponibile per catalizzare una nuova reazione." Tra queste, la reazione più lenta è quella E+S —> ES (reversibile)." N.B." - attività enzimatica: quantità di S convertito per minuto in condizioni standard di T, pH, forza ionica." - Attività specifica: attività enzimatica espressa per mg di prot. in micromoli /min/mg proteina." - Costante catalitica/numero di turnover: attività enzimatica per mole di enzima" - Velocità massima: velocità ottenuta in condizioni di saturazione dell’enzima con il substrato." Derivazione di Michaelis-Menten (1913) E’ l’equazione matematica che correla la velocità iniziale v0 (velocità istantanea iniziale a t0) con la concentrazione del substrato. Graficamente è una curva iperbolica in cui v0 aumenta all’aumentare si S: tale situazione indica l’asintoto della curva (Vmax) che esprime la situazione in cui l’enzima è saturo di substrato e ha raggiunto la sua velocità massima. Km (costante di M-M) rappresenta l’affinità di E per S in mol/L. Km e Vmax sono parametri che dipendono da enzima a enzima ma che sono tutti influenzati da T, pH, forza ionica."

Figura 12"

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Coenzimi Sono piccole molecole organiche, spesso derivate da vitamine, che mediano il legame tra enzima e substrato. Spesso i coenzimi fungono da secondo substrato, rendendo così specifica la reazione." Il legame coenzima-enzima è covalente;" Il legame coenzima-substrato è ionico o elettrostatico." es. ATP, NAD+, FAD, CoA" Esistono inoltre metalli di transizione (Fe, Zn, Cu, Mn,..) che agiscono come stabilizzatori della proteina o come accettori/donatori di elettroni (acidi di Lewis)." Enzimi delle vie metaboliche In teoria, ogni substrato può subire un gran numero di reazioni ma l’enzima, essendo specifico, ne favorisce una sola. Più enzimi possono lavorare in sequenza, utilizzando l’uno il prodotto dell’altro creando così catene enzimatiche che formano prodotti molto diversi dal substrato iniziale." Trasformazione di Lineweaver-Burk " Descrive una rappresentazione graficamente utile della derivazione di M-M: quest’ultima è limitata perché Km può essere determinato solo conoscendo Vmax, che è però un valore difficile da determinare perché essendo S infinito, si può manipolare la reazione." Graficamente è l’equazione di una retta." "

Figura 13"

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Regolazione dell’attività enzimatica Le attività enzimatiche devono essere regolate e controllate per evitare che la cellula produca prodotti inutili e affinché l’energia venga risparmiata. Infatti, in stato stazionario, la cellula non funziona mai al massimo e a volte le attività vengono addirittura bloccate." Inoltre, teoricamente le reazioni enzimatiche sono tutte reversibili ma in pratica ciò non avviene spesso, in quanto ogni prodotto è utilizzato come substrato per la reazione successiva di una catena enzimatica." I fattori più importanti che condizionano l’attività enzimatica sono quantità e attività dell’enzima." Controllo di quantità dell’enzima Ad ogni istante la quantità di un enzima dipende da 3 fattori:" - Velocità di sintesi di quella proteina: può aumentare in seguito all’accumulo intracellulare di substrato o alla presenza di induttori e può diminuire a causa di prodotti terminali della catena enzimatica;" - Velocità di trasformazione di zimogeno o pro-enzima in enzima attivo: la conversione dipende da vari fattori, come ormoni, messaggeri,.. (es. pronsulina —> insulina)" - Velocità di degradazione di quella proteina: è controllata dai lisosomi con l’attività di endocitosi e pinocitosi " Caso particolare: regolazione della concentrazione di enzima rappresentato dalla compartimentalizzazione della cellula, “racchiudendo” cioè alcune molecole in una zona delimitata da membrana (es. GLUT)." Controllo dell’attività enzimatica I fattori fisici che regolano l’attività enzimatica sono principalmente pH e temperatura." Sostanze/fattori che riducono l’attività (inibitori) si dividono in due categorie:"

- Competitivi (IC): simili a S, competono con esso per il sito attivo di E; in presenza di IC servono maggiori quantità di S per un’attività." L’inibizione competitiva rappresenta il funzionamento di molti farmaci, che competono con i substrati fisiologici."

- Non competitivi (INC): interagiscono con E attraverso un sito diverso dal sito attivo; quando INC si lega, la conformazione di E viene modificata, inattivandolo." Gli esempi principali sono la degradazione delle proteine a causa di eccessivo pH o T." Inibizione uncompetitiva: l’inibitore si lega al complesso ES provocando cambiamenti simultanei di Vmax e Km." Modificazioni covalenti Alcune modificazioni covalenti sono in grado di modificare l’attività di un enzima. La più frequente è la fosforilazione di residui di Ser ad opera dell’ATP:" Enzima + ATP —> Enzima-P + ADP" Questa reazione è catalizzata da una proteina chinasi ed è irreversibile; la defosforilazione può avvenire solo ad opera delle protein fosfatasi in una reazione che non forma ATP:" Enzima-P —> Enzima + Pi" La fosforilazione può sia aumentare che inibire l’attività enzimatica."

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Allosterismo Si parla di allosterismo quando una molecola (detta modulatore o legante o effettore allosterico) esplica una funzione di controllo sull’attività enzimatica. Il modulatore deve essere in grado di modificare la conformazione di E:" - se S e modulare si legano alla stessa conformazione di E ne risulta un’interazione positiva (modulatore= stimolatore)" - Se S e M legante si legano a conformazioni diverse ne risulta un’interazione negativa (M= inibitore)" Il modulatore può anche essere di classe K o V (a seconda che alteri Km o Vmax) e può es...