Le proteine

Che cosa sono gli amminoacidi e quanti tipi diversi formano le proteine degli esseri viventi? Indica quali gruppi chimici condividono tutti gli amminoacidi e quale conferisce a ciascuno le proprietà particolari.

Indica quattro funzioni diverse delle proteine negli esseri viventi e fai un esempio concreto di proteina per ciascuna di esse.

Che cos'è il legame peptidico? Indica tra quali gruppi chimici degli amminoacidi si forma e quale molecola viene liberata nella reazione.

Osserva lo schema dei livelli di organizzazione delle proteine, numerati da 1 a 4. Indica il nome di ciascun livello, descrivi brevemente la sua caratteristica principale e fai un esempio di proteina che presenti il livello 4.

L'emoglobina funzionale di un adulto ($\text{HbA}$) è un eterotetramero solubile. Nell'anemia falciforme, la mutazione puntiforme nel gene della globina $\beta$ sostituisce un acido glutammico con valina in posizione 6 della catena polipeptidica ($\text{HbS}$), provocando la polimerizzazione della desossiemoglobina in lunghe fibre insolubili che deformano gli eritrociti.

1. a) A partire dalle proprietà chimiche delle catene laterali dei due amminoacidi, giustifica perché questo cambiamento nella struttura primaria altera la conformazione e la solubilità della proteina, e indica quale tipo di interazioni molecolari deboli stabilizzano quelle fibre.
2. b) In uno screening genetico si individuano due mutazioni alternative nello stesso codone 6 della globina $\beta$:

• Variante A: l'acido glutammico è sostituito da acido aspartico ($\text{Glu6Asp}$).

• Variante B: l'acido glutammico è sostituito da leucina ($\text{Glu6Leu}$).

Prevedi in modo motivato quale di queste due varianti manterrà una funzione biologica praticamente identica a quella della $\text{HbA}$ sana e quale provocherà un'aggregazione patologica simile all'anemia falciforme.

L'emoglobina perde la sua forma tridimensionale se la temperatura o il pH si discostano troppo dai valori normali. Come si chiama questo processo, quali legami si rompono e quale conseguenza ha sulla funzione della proteina?

Che cos'è un enzima? Spiega come riesce ad accelerare una reazione chimica facendo riferimento all'energia di attivazione e al complesso enzima-substrato.

Un paziente con grave denutrizione arriva al pronto soccorso con debolezza muscolare, disorientamento e acidosi lattica grave (sintomi compatibili con il beriberi). Gli esami biochimici mostrano concentrazioni plasmatiche elevate di piruvato e lattato, con un marcato calo dell'ATP cellulare nonostante i livelli di glucosio siano normali. La somministrazione urgente di tiamina (vitamina B1) fa regredire i sintomi.

1. a) Sapendo che la tiamina è il precursore del coenzima tiamina pirofosfato (indispensabile per il complesso della piruvato deidrogenasi), spiega che cos'è un coenzima e giustifica a livello biochimico perché la sua assenza blocca la respirazione cellulare e fa impennare la sintesi di lattato.
2. b) Se prima di somministrare la vitamina al paziente fosse stata infusa una soluzione glucosata concentrata per «dargli energia», la sua acidosi sarebbe peggiorata rapidamente. Giustifica questa affermazione a partire dalle vie del metabolismo dei carboidrati.
3. c) Dato che i coenzimi non si consumano stechiometricamente nelle reazioni che catalizzano (si rigenerano), argomenta perché noi esseri umani abbiamo bisogno di un apporto continuo di vitamine idrosolubili nella dieta invece di una dose unica nella vita.

In un laboratorio di biochimica si studia la stabilità termica di un enzima umano intracellulare. Si incubano aliquote dell'enzima per 20 minuti a quattro temperature diverse ($15\ \text{°C}$, $37\ \text{°C}$, $45\ \text{°C}$ e $70\ \text{°C}$). Successivamente, ogni campione viene diviso in due frazioni:

• Frazione 1: si misura immediatamente la sua velocità catalitica alla stessa temperatura a cui è stata incubata.

• Frazione 2: il campione viene riportato a $37\ \text{°C}$, si attendono 15 minuti e si misura poi la sua velocità catalitica a $37\ \text{°C}$.

I risultati mostrano che la Frazione 1 ha attività ottimale a $37\ \text{°C}$, molto bassa a $15\ \text{°C}$ e nulla a $70\ \text{°C}$. Nella Frazione 2, il campione pretrattato a $15\ \text{°C}$ recupera il $100\ \%$ della sua attività massima, mentre quello pretrattato a $70\ \text{°C}$ mantiene un'attività del $0\ \%$.

1. a) Interpreta a livello molecolare i risultati della Frazione 2 per i campioni a $15\ \text{°C}$ e $70\ \text{°C}$, distinguendo tra l'energia cinetica del sistema e la denaturazione proteica.
2. b) Prevedi come varierebbe la curva della Frazione 1 se si utilizzasse un enzima equivalente purificato dal batterio termofilo Thermus aquaticus ($T_{\text{ottimale}} \approx 75\ \text{°C}$) e giustifica quali adattamenti nei legami della sua struttura terziaria gli permettono di essere funzionale a quella temperatura.