Biochimica generale - Appunti

Introduzione alla biochimica

Cap. 1

La biochimica è una scienza che studia i meccanismi in cui gli esseri viventi riescono ad interconvertire le varie forme di energia. La principale forma di energia la otteniamo da quella chimica che può essere convertita in:

• Energia termica: tutte le nostre cellule del nostro corpo compiono reazioni chimiche che permettono di mantenere il nostro corpo a temperatura costante anche quando la temperatura esterna è superiore o inferiore.
• Energia luminosa: utilizzata da organismi fotosintetici.
• Energia meccanica: movimento, ma anche il solo esistere comporta un dispendio di energia.
• Energia informazionale: durante la duplicazione di una cellula si consuma energia per poter creare una copia identica di essa, ma se la cellula madre nasce con una disfunzione del controllo di questa energia si creerà il tumore.
• Energia elettrica: nervi.

Il punto fondamentale di tutto questo è che le energie elencate si possono tutte interconvertire in energia chimica e l’energia chimica si può interconvertire in quelle elencate. Un essere vivente è caratterizzato dal fatto che quando cessa di fare una di quelle trasformazioni è morto (es: se non riusciamo a tenere a 37° la nostra temperatura corporea moriamo).

La differenza tra chimica e biochimica è che la prima descrive le trasformazioni in termini di raggiungimento dei sistemi all’equilibrio, mentre nella biochimica non si andrà mai all’equilibrio. Il concetto di equilibrio in biochimica dipende da vari fattori:

• ΔG (energia libera di Gibbs): questo ci dice se una reazione è spontanea oppure no (se è negativo la reazione è spontanea). Se anche fosse non spontanea, la reazione si può utilizzare energia per farla avvenire ed è per questo che se sono all’equilibrio chimico (ΔG=0) non posso trasmettere dell’energia ed è per questo che tutti i sistemi biologici sono lontani dall’equilibrio.
• ΔS: variazione di ordine del sistema (preferito lo stato disordinato).
• ΔH: legata alla quantità di legame.
• T: temperatura assoluta.

In poche parole: un sistema vivente è un sistema lontano dall’equilibrio in cui le concentrazioni dei singoli composti sono determinate dalle costanti di equilibrio delle singole reazioni e dalla velocità con cui le singole reazioni avvengono. La chimica dei sistemi viventi è compartimentalizzata partendo dal più semplice essere (batterio) ai sistemi più complessi (cellula eucariote con più compartimenti). Questa compartimentalizzazione è importante perché certi tipi di trasferimenti energetici non potrebbero esserci senza di essi.

Tutte le reazioni in biochimica avvengono in ambienti particolari: pH e temperatura blande e l’acqua è l’unico solvente che non altera le reazioni.

L'acqua e le sue tre funzioni in un sistema

Cap. 2

La maggior parte delle reazioni si svolgono in ambiente acquoso. Le sue proprietà sono:

• Mezzo di reazione
• Funzione da solvente
• Agente strutturante: contribuisce alla struttura del materiale biologico
• Elevato calore specifico
• Elevato calore latente di evaporazione: non basta arrivare a 100° per farla evaporare, ma bisogna andare oltre

Le maggiori caratteristiche sono:

• Diversa elettronegatività: utile nelle reazioni (H⁺ e O^-).
• Struttura asimmetrica: crea una distribuzione disuguale delle cariche.
• L’O elettronegativo attrae a sé H di altre molecole.

Avendo delle cariche disuguali crea bipolarismo che è essenziale per le sue funzioni di solvente; è anche importante nelle reazioni con altri sistemi in cui ci sono eccessi di elettroni (es: molecola acqua con molecola acqua). Il legame idrogeno ha due caratteristiche:

• Contenuto energetico debole: richiede e rilascia poca energia.
• Richiede un perfetto allineamento dei tre atomi che partecipano devono essere allineati perché è molto sensibile alle perturbazioni geometriche.

I legami deboli sono molto importanti nei sistemi biologici perché un sistema vivente è dinamico e se fossero forti non potrebbero cambiare, muoversi, perciò vivere. Covalente → Idrogeno → Interazioni elettrostatiche → interazioni non covalenti (Forza diminuente).

L’acqua, grazie a questi legami deboli, riesce a creare una rete di molecole connesse tra loro; l’acqua è quindi caratterizzata da avere una struttura colligativa (atomi tutti legati tra loro) ed è importante perché nell’acqua allo stato liquido i legami tra H e O continuano a disfarsi e a riformarsi (di fatti per far bollire l’acqua ci vuole molto calore).

Quando noi scaldiamo l’acqua si ha una diminuzione della viscosità perché fornendo calore i legami si continuano a formare e a disfare fino a che questi legami non ci sono più; questo vuol dire che siamo passati allo stato vapore (energia latente di evaporazione è quella energia che dobbiamo fornire in più per far ballare le molecole e portare l’acqua in fase vapore).

Mentre se la raffreddiamo otteniamo lo stato di massima densità dell’acqua (a 4°) e succede che il reticolo è ottimizzato da altri legami H ottenendo un rapporto massa/volume più alto possibile (più molecole possibili nel minor spazio). Il reticolo si irrigidisce ottenendo il ghiaccio. Il ghiaccio ha una minore densità dell’acqua perché a 4° i legami che uniscono i piani dell’acqua sono leggermente inclinati tra loro mentre se andiamo a 0° questi piani diventano dritti allineati tra loro. Nota bene: in questo caso le molecole d’acqua possono formare 3 legami H con altre molecole d’acqua.

• Acqua come ingrediente delle reazioni chimiche

L’acqua è uno dei principali reattivi con il quale le varie molecole possono reagire.

Nota bene: la molarità dell’acqua in un litro d’acqua è = 55,518 g/mol. Se l’acqua entra in una reazione essa sarà spinta verso la separazione dell’estere; mentre se volessi fabbricare l’estere dovrò utilizzare un alcol e un acido dove l’acqua non è presente. Questo perché la cellula sfrutta il fatto che in alcuni ambienti l’acqua non è presente perché la costringerebbero ad andare verso un’altra direzione:

[ ] [ ]
acqua x estere
Keq= [ ] [ ]
acido x alcol
L’acqua non si considera perciò la nostra formula diventa:
[ ]estere
Keq= [ ] [ ]
acido x alcol

• Funzione di solvente

Essa si comporta come solvente nei confronti di tutte quelle molecole che con essa possono formare legami (molecole polari o idrofile). Possiamo incontrare due tipi di soluti:

• Soluti non ionici (non carichi): alcoli, si sciolgono perché la funzione ossidrilica dell’alcol si comporta come un R-OH formando legami idrogeno (si usa il glicerolo per non far cristallizzare l’acqua oppure per vedere se il latte è annacquato si guarda il punto di congelamento). L’acido è capace di coordinare 3 molecole d’acqua (2 con l’O e 1 con l’H) mentre l’ammina 2 con i due idrogeni presenti. Questa tecnica è utilizzata per non far rendere si che l’acqua sia disponibile negli alimenti per ulteriori reazioni che possono portare al deperimento dell’alimento.
• Soluti ionici (carichi): grazie alle cariche presenti sulla molecola dell’acqua (H positivo e O negativo) i composti ionici verranno circondati dalle molecole d’acqua in base se sono cationi (l’ossigeno andrà ad attaccare il sale) o anioni (l’idrogeno andrà ad attaccare). Si tratta di un interazione elettrostatica (con un COOH la molecola può legare 3 molecole d’acqua, mentre se tolgo l’H diventa CO e CO che può legare fino a 61 molecole d’acqua) che causa la coordinazione di molta più acqua da parte di uno solo ione che varia in funzione del pH

I soluti ionici creano un alone intorno a loro che creando diversi tipi di legame con le molecole d’acqua. Possiamo distinguere tre tipi diversi di acqua:

• Acqua libera: non risente della presenza della ione
• Acqua debolmente legata: risente poco di questa carica
• Acqua fortemente legata: è quella adiacente allo ione

Esempio l’acqua del mare se la congeliamo solo una parte congela ed è quella parte che non è legata. Riassumendo l’acqua scioglie alcune sostanze perché con esse interagisce: con i soluti non ionici formano legami H e con soluti ionici forma questa sfera di solvatazione.

• Capacità strutturale dell’acqua

L’acqua ha la capacità di organizzare strutture non solubili costringendo l’intera molecola o porzione di essa a minimizzare la superficie a contatto con il soluto formando un clatrato portando da una forma organizzata (superficie maggiore e maggiore numero di molecole d’acqua utilizzate quindi minore entropia) ad una meno ordinata più stabile termodinamicamente (superficie minore e minore numero di molecole d’acqua e quindi maggiore entropia). (es: brodo e sporco sul piatto con il sapone che è una molecola anfipatica → metà della molecola polare e metà apolare).

Gli amminoacidi

Cap. 3

Gli amminoacidi sono i componenti che costituiscono le proteine; quest’ultime sono molto importanti per le trasformazioni alimentari, sono macromolecole informazionali e c’è una corrispondenza tra strutture e funzioni. Gli amminoacidi sono per comporre una proteina sono disposti in modo molto preciso. Sono definiti amminoacidi α perché sullo stesso C è presente la funzione acida e amminica.

Se si ha un centro chirale (carbonio con 4 sostituenti diversi) possiamo avere due forme chirali della molecola (forma D e L), ma nelle proteine sono presenti solo aa di configurazione L (la configurazione D si trova solo nel materiale che riveste le cellule batteriche). Gli amminoacidi sono molecole anfoteri che, cioè che possono acquisire sulla stessa molecola due cariche di segno opposto (struttura Zwitterionica). La carica dipende dal pH. A pH molto bassi vi sono moltissimi protoni presenti → carica positiva. A pH molto alti i protoni non sono presenti → carica negativa.

Per questo motivo vale la relazione di Handerson-Hasselbuleh: -pH = pK + log A / HA dove K = costante di dissociazione acida. a =+( H O x A ) / HA3. Nel pH fisiologico (5-7) si hanno abbastanza protoni per protonare l’amminogruppo, ma non abbastanza per protonare il carbossile, quindi esiste la forma ZWITTERIONE (+ -). Ad un certo punto di pH, noto come il PUNTO ISOELETTRICO; un amminoacido ha carica neutra perché il numero di amminogruppi protonati (carica positiva) è uguale al numero di gruppi carbossilici deprotonati (carica negativa).

Il pKa di un carbossile standard è 2,5, quindi esempio se ho 100 molecole a pK = 2,5 avrò a-50 con COOH e 50 con COO^-, ovvero il 50% protonata e il 50% deprotonata. Per l’amminogruppo si ha un pK = 9,5, cioè avrò il 50% di NH₃⁺ e il 50% di NH₂. Quindi a 9,5 la carica sarà -1/2 e a 2,5 sarà +1/2.

Conseguenze: a pH superiori al PI le molecole anfoteri che hanno una carica negativa mentre al di sotto hanno una carica positiva. Il PI è la media geometrica tra due costanti di dissociazione, ovvero la media aritmetica tra due valori di pK.

Gli amminoacidi si differenziano tra loro per le loro catene laterali. Gli 8 amminoacidi essenziali sono:

• Leucina
• Isoleucina
• Lisina
• Metionina
• Fenilanina
• Treonina
• Triptofano
• Valina

Nota bene: tutte le proteine iniziano con la metionina. In natura ne sono stati scoperti 21 e si possono suddividere in famiglie in base alla loro catena laterale:

• Neutri:
• Idrofobici (più è grossa la catena laterale e più sarà idrofobico).
• Polari (devono avere nella catena laterale qualche cosa che reagisce con l’acqua es: funzione alcolica).
• Carichi:
• Acidi
• Basici

Nota bene: la prolina ha un carbossile, ma è un amminoacido (è ciclica). Nota bene 2: gli aa basici hanno un gruppo protonabile o deprotonabile nella catena laterale, ovvero un gruppo carico, oppure che può assumere una carica positiva (arginina = sempre protonata, lisina = sempre protonata al di sotto di 9,5, istidina = struttura eterociclica nella catena laterale).

Nota bene 3: serina e treonina si attaccano agli zuccheri sulla superficie delle cellule (glicoproteine – gruppo sanguineo).

Dall’acido aspartico e glutammico esistono le forme amidate: asparagina e glutammina (es: le proteine dei semi hanno grandi quantità di questi perché sono i più facili da adoperare; esistono nei semi perché non attirano l’acqua come fanno il glutammato e l’aspartato invece; essi a parità di peso del chicco entrambi hanno il doppio di azoto rispetto ai rispettivi acido aspartico e glutammico).

Nota bene: la glicina grazie al suo H nella catena laterale può avere comportamenti sia idrofilici che idrofobici.

Per i gruppi dissociabili si ha la tirosina e la cisteina e tutti e due rilasciano un protone (si comportano da acidi). Bisogna far notare che più è alto il pH e più l’ossidrile della tirosina si dissocia perché è alcalino, ecco perché ci si mette il limone sulla frutta per non farla diventare nera.

Struttura delle proteine

Cap. 4

Le proteine sono polimeri composti da amminoacidi con vari livelli di organizzazione:

• Struttura primaria
• Struttura secondaria
• Struttura terziaria
• Struttura quaternaria

Struttura primaria: Questa struttura è stabilizzata solo dal legame peptidico che si crea tra i vari amminoacidi creando una sequenza di essi che è caratterizzata da:

• Tipi di amminoacidi presenti: vi sono alcune proteine che sono ricche di alcuni amminoacidi, ma povere di altri; di fatti tutti i cereali sono ricchi di glutammina, ma poveri di glutammato (anche se presenti tutti e due nella piante la glutammina è presente nel seme perché ricca di azoto che serve per far crescere altre piante e lega poca acqua e quindi è facile da stoccare nel seme secco).
• Ordine in cui gli amminoacidi sono disposti: la sequenza ha un verso, ma con estremità diverse: si parlerà di estremità ammino-terminale (inizio) e estremità carbossi-terminale (fine). La lunghezza può variare e si parlerà di peptidi (fino a 5 amminoacidi) e di polipeptidi (fino a 20 amminoacidi).
• Presenza di particolari sequenze all’interno della catena principale: le catene laterali possono subire delle modificazioni grazie a dei siti di riconoscimento causando allergie (più grave) e intolleranze. Queste stringhe di amminoacidi che l’individuo riconosce scatenando una reazione fisiologica si chiamano epitopi (dato che gli amminoacidi sono in sequenza si chiamano epitopi sequenziali).

Il legame peptidico si forma tra il gruppo carbossile di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido (ha un’estremità N-terminale – funzione amminica – e una C-terminale – funzione carbossilica). Ha una peculiare disposizione degli elettroni: ha un tipo di ibridazione elettronica che lo fa somigliare a un doppio legame (tutti gli atomi giacciono sullo stesso piano); quindi la struttura primaria è caratterizzata da una serie di piani l’uno sull’altro attorno al carbonio α. L’unico amminoacido che non permette la rotazione è la prolina (imminoacido) causando un punto di rigidità nella molecola.

Le strutture primarie delle proteine possono essere diverse rispetto alla sequenza del DNA e quindi vi possono essere delle modificazioni:

• Conservative: sostituzione di un amminoacido con le stesse prerogative (si basano molte tecniche di analisi degli alimenti es: mozzarelle fatte con il latte di vacca o di pecora).
• Modificanti: vi può essere la modificazione del gruppo N-terminale e C-terminale.
• Maturazione: due proteine distinte sono legate da legami solfuri.

Su una stessa stringa di amminoacidi vi sono pezzi chiamati in differenti modi:

• Sequenza funzionale: sequenza amminoacidica che ha solo uno scopo secondario il quale permette da la possibilità di utilizzare la sequenza leader.
• Sequenza leader: sequenza che entrerà dentro la cellula per essere attivata e successivamente eliminata per non far permettere di entrare in un’altra cellula.

Tutte queste modificazioni sono chiamate modificazione post-traduzionali e spiegano perché la sequenza di una proteina matura non corrisponda alla sequenza determinata geneticamente. Ma la sequenza amminoacidica non serve a nulla dal punto di vista funzionale: deve essere strutturata per far sì che serva in modo da conferire una struttura superiore (certi amminoacidi devono trovarsi vicino ad altri per essere utilizzati).

Struttura secondaria: Essa è la disposizione reciproca di amminoacidi continui nello spazio. Stabilizzata da legami idrogeno (C-O e N-H) e si possono formare due diversi tipi di conformazione:

• α elica: stabilizzata da legami idrogeno tra il carbonile e l’NH del 4° amminoacido successivo. Questi legami sono disposti lungo l’asse dell’elica (non all’interno) e i gruppi R si trovano all’esterno che permettono di allontanare (schermano i siti) le molecole d’acqua dai legami H che stabiliscono la struttura. Questo genere di struttura non può essere formata se vi è presente la prolina (che impedisce la rotazione), se vi sono amminoacidi ramificati per l’incompatibilità sterica e amminoacidi carichi perché si respingerebbero li uni con gli altri.
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