Appunti di Biochimica

Biochimica delle macromolecole

Lipidi, carboidrati, acidi nucleici, proteine

La cellula cerca di consumare la minor energia possibile e di produrne nel modo migliore. Precursori → prodotto → stato stazionario. Nello stato stazionario apparentemente non accade nulla, ma in realtà stanno avvenendo reazioni. Se si interrompe lo stato stazionario, a causa di un metabolite che non si degrada o per una carenza di esso, si parla di patologia. La situazione appare statica, ma è in realtà molto dinamica. Per non incorrere in tali situazioni occorre dunque fornire i precursori necessari, avere meccanismi che forniscono ciò che serve in modo corretto e che rimuovono quantitativamente e qualitativamente le sostanze degradate.

I precursori sono ricavati dagli alimenti ingeriti, da essi si ottengono molecole che possono avere diversi usi e scopi: costituire una struttura, immagazzinamento, trasformazione in altri prodotti necessari e possono essere bruciati per ottenere energia. Nel processo di ingestione il glucosio nel sangue rimane in uno stato stazionario, oscillando in un range di valori a seconda della situazione metabolica (anabolismo/catabolismo), ipo/iperglicemia non sono compatibili con la vita.

Nell’ambiente sono presenti una serie di composti sotto forma di nutrienti, insita in essi è presente una certa energia potenziale, che viene modificata e trasformata per costituire ciò di cui abbiamo bisogno, all’interno della cellula avvengono meccanismi di sintesi chimica, lavori meccanici, creazione di gradienti elettrici ed osmotici, di luce, trasformazione di E per produrre calore e trasformazione di info genetica. Tutti i processi metabolici portano alla produzione di materiale di scarto, piccole molecole non riutilizzabili, anche tossiche, vengono allontanate dall’organismo se non hanno la possibilità di essere riutilizzate (CO₂, NH₃, acidi).

Lavori di tipo meccanico

• Processo endoergonico: energia assorbita dall’ambiente, compio lavoro e consumo energia.
• Processo esoergonico: energia rilasciata, si compie lavoro, ma senza alcuno sforzo.

Nelle reazioni del metabolismo è necessario che ci sia qualcosa che abbassa la quantità di E necessaria per far sì che avvenga la reazione, i reagenti vengono aiutati a raggiungere l’E dei prodotti grazie all’ATP, moneta di scambio energetico di tutti i viventi. È una molecola molto instabile, libera molta E e se una reazione che ne necessita si trova nelle sue vicinanze avviene, mentre altrimenti non si azionerebbe.

Il metabolismo funziona per reazioni accoppiate, una endoergonica ed una esoergonica (ADP + P → ATP). Le reazioni all’equilibrio sono quelle che mantengono stabile il livello di concentrazione di reagenti e prodotti. Le reazioni guidate, o energy driven sono spinte dall’energia di reazioni esoergoniche.

Struttura ATP

• 1 zucchero, ribosio
• 1 base azotata, adenina
• 3 gruppi fosforici legati con un legame estere (acido + alcol)

I catalizzatori controllano l’esplosione di E dell’ATP e la direzionano, possono essere organici, enzimi, o inorganici, metalli. Permettono ad una reazione, che già di per sé avverrebbe, di farlo più velocemente poiché abbassano l’energia di attivazione. Il catalizzatore non viene utilizzato all’interno della reazione, alla fine di essa non viene trasformato, ma resta tale e può essere riutilizzato per un nuovo processo.

Vie metaboliche

Tutte le vie metaboliche non sono costituite da una sola reazione, ma da più di esse collegate grazie ai catalizzatori. Il nostro corpo compie:

• Catabolismo: reazioni esoergoniche, demoliscono molecole complesse in più semplici.
• Anabolismo: reazioni endoergoniche, portano alla costruzione di molecole più complesse.

Tutte le reazioni vanno controllate sia in modo positivo, che negativo, aumentando o diminuendo la presenza di enzimi. L’inibizione a feedback, o retrograda, si verifica quando il prodotto di una reazione va ad inibire la prima tappa di quella stessa via metabolica. L’inibizione a feedforward, o anterograda, è un’inibizione a distanza, la sensibilità della cellula è talmente elevata che essa permette di agire in senso contrario.

Carboidrati

I carboidrati sono macromolecole chimicamente più semplici ed abbondanti in natura, sono costituite da soli 3 elementi, C, H, O. La loro formula base è (CH₂O)_n con n>3. Nei vegetali hanno funzione strutturale.

Funzioni dei carboidrati

• Energetica, sia immediata che di riserva.
• Strutturale, raramente e solo associata ad altre macromolecole.
• Di segnale cellulare.

Monosaccaridi

Derivati aldeidici o chetonici di alcoli poliidrossilici, in cui ho almeno 3 atomi di C. Monosaccaride aldeidico: gruppo carbonilico presente all’estremità della catena. Monosaccaride chetonico: gruppo carbonilico presente all’interno della catena. Il più piccolo aldosio è la gliceraldeide, C₃H₆O₃, il più piccolo chetosio è il diidrossiacetone C₃H₆O₃.

Di una stessa molecola si possono avere isomeri levo (L) o di (D), a seconda della posizione dell’OH dell’ultimo carbonio chirale, se a dx o sx. Quando la molecola presenta un carbonio (o centro) chirale significa che al C sono legati 4 diversi atomi o gruppi. All’interno di una molecola di carboidrati sono presenti più gruppi alcolici ed un aldeidico o chetonico, tutte le volte che un gruppo alcolico si avvicina ad aldeidico o chetonico si ha una reazione che porta alla formazione di un emiacetale o emichetale.

L’angolo di legame delle molecole è di 109° tra i C che legano 4 gruppi, esso si trova al centro del tetraedro. Tra C e C ci sono legami semplici che permettono la libera rotazione di una struttura rispetto all’altra, ruotando tutti i legami in modo congruente avrò il carbonilico e l’aldeidico/chetonico che vanno a collidere con l’OH terminale, in tal caso mi si origina un emiacetale/chetale ciclico. Quando il C carbonilico va ad interagire con l’OH ho la possibilità che l’attacco avvenga sia al di sopra che al di sotto del piano, il C carbonilico, anche detto anomerico, porta alla formazione di 2 anomeri a seconda di dove si lega l’OH. Carbonio α è quello che presenta l’OH dalla parte opposta del piano rispetto al CH₂OH terminale, mentre è detto β quando il gruppo OH è dalla stessa parte del piano di CH₂OH. Gli anomeri α e β hanno proprietà chimiche e fisiche differenti ed in soluzione acquosa si interconvertono tra loro con un certo equilibrio.

Gli zuccheri presentando una serie di gruppi funzionali attivi possono partecipare a redox, tutti i monosaccaridi sono zuccheri riducenti perché hanno un gruppo aldeidico, che in determinate situazioni può essere ossidato, e dopo riduce l’altro, nel caso di gruppo chetonico il procedimento è lo stesso perché esso viene trasformato in aldeidico.

Molecola ridotta: ha più H rispetto alla forma precedente. Molecola ossidata: ha più O rispetto alla forma precedente. La riduzione del gruppo carbonilico di uno zucchero genera una classe di composti diidrossilati detti alditoli, nei deossizuccheri uno degli OH è sostituito da un H.

Reazione di esterificazione

Acido + alcol. I gruppi alcolici si trovano sul monosaccaride e si comportano da alcoli, reagiscono con acidi e loro derivati per formare esteri.

Formazione dei glicosidi

Monomeri (monosaccaridi) che interagiscono tra loro. Un C anomerico, che precedentemente era carbonilico (aldeidico o chetonico) e dall’altra parte tanti gruppi OH. Quando l’OH legato al C anomerico si avvicina ad un altro OH qualunque essi reagiscono e si forma il legame glicosidico, indicato con R’OR (l’ossigeno fa da ponte). Ciò che si forma non è un etere, poiché se si idrolizza il glicoside vengono riottenuti i carboni originali, mentre con l’etere non si può tornare indietro.

Disaccaridi

Si formano nel momento in cui si origina un legame glicosidico. → maltosio: glucosio + glucosio. Glucosio + βgalattosio → lattosio. Gli oligomeri degli zuccheri sono spesso in forma di disaccaridi, 2 unità di monosaccaridi unite da legami glicosidici di tipo β.

Galattosio

Nel latte è l’elemento che dà intolleranza, presenta l’enzima inducibile lattasi, prodotto in grande quantità quando necessario e molto presente nei neonati. αglucosio + βfruttosio → saccarosio; il saccarosio non è uno zucchero riducente, in esso è presente un legame glicosidico particolare, mette a contatto i 2 C anomerici dei monosaccaridi (C1 del glucosio e C2 del fruttosio).

Polisaccaridi

Possono essere omopolisaccaridi, quando i residui glucidici sono tutti identici, o eteropolisaccaridi, quando è presente più di un tipo di monosaccaride. I polisaccaridi hanno più funzioni, quando essa è funzionale (cellulosa o chitina) i legami sono di tipo β, mentre quando hanno funzione di riserva, accumulo ed immagazzinamento energetico i legami sono di tipo α.

Chitina

È un polimero costituito da unità di n-acetil-glucosammina, presenta tutti legami di tipo β, l’unica differenza con la cellulosa è la sostituzione del gruppo OH in C2 con un amminico acetilato. La struttura della chitina la rende quindi rigida ed indigeribile, è il principale componente dell’esoscheletro di invertebrati come crostacei, ragni, insetti, ed è presente in funghi ed alghe.

Polisaccaridi strutturali

Molti di questi polimeri lineari giacciono uno accanto all’altro nella parete cellulare batterica, legati tra loro da piccoli peptidi che dipendono dalla specie batterica. Oltre che la membrana plasmatica già presente, questi peptidi uniscono le catene polisaccaridiche formando un’unica struttura di peptidoglicani, che avvolge l’intera cellula impedendone la lisi (alcuni antibiotici agiscono così, impedenti al batterio di ricrearsi una nuova parete cellulare).

Polisaccaridi di riserva

Di 2 tipi: animale, il glicogeno e vegetale, l’amido, che si distingue in amilosio ed amilopeptina. Entrambi sono presenti nella cellula in forma di granuli, sono tutti polimeri dell’α-D-glucosio e differiscono solo nel modo in cui i residui di glucosio sono legati tra loro. Il glicogeno nell’uomo è immediatamente disponibile tramite le cellule muscolari, ma è presente una piccola scorta mentre si aspetta la mobilitazione di quello di riserva, contenuto nel fegato. Il glicogeno, come l’amilopeptina ha ramificazioni, per il primo sono circa ogni 7/8 residui di zucchero, è un composto più compatto e con più estremità dell’amilopeptina, che ha invece ramificazioni ogni 15/20 residui di zucchero. La struttura del glucosio nel permette una rapida mobilitazione, in tempi compatibili con le necessità metaboliche da parte della glicogeno-fosforilasi.

Glicosamminoglicani

Mucopolisaccaridi costituiti da unità disaccaridiche ripetute in cui un componente è un amminozucchero ed almeno 1/2 di essi abbia carica negativa. A parte l’eparina, danno origine ai proteoglicani, essi si presentano con un bastone di acido ialuronico in cui sono inseriti i gag con il loro nucleo proteico, sono presenti in particolari strutture come la cartilagine, che avendo molte cariche negative è capace di assorbire H₂O o perderla, in seguito a compressione. Le proteine, soprattutto quelle di membrana, sono legate con legame N-glicosidico o O-glicosidico a dei carboidrati, si dicono glicosidate, poiché hanno legati a sé dei gruppi glucidici, creano una struttura utile nel riconoscimento cellula-cellula.

Glicoproteine

Proteine che portano legati disaccaridi con legame glicosidico. Hanno funzione anticongelante nei pesci antartici, sono utili per la specificazione antigenica (gruppo sanguigno) e producono mucine quando sono salivari.

Lipopolisaccaridi

Strutture complesse costituite da catene ripetute di carboidrati legate ai fosfolipidi di membrana complessi.

Proteine

Le proteine sono macromolecole più versatili, con ruolo in tutti i processi biologici.

Funzioni

• Catalizzatori biologici, sotto forma di enzimi modificano la velocità di reazione.
• Trasportatori con capacità di immagazzinare molecole (emoglobina che trasporta O₂).
• Supporto meccanico, di tipo statico come nel collagene, di tipo dinamico nei movimenti.
• Strutturale, con struttura rigida (citoscheletro/collagene).
• Di collegamento, con struttura flessibile.
• Generano movimento, muscolatura involontaria, movimenti micro e macroscopici, capacità di muovere soluti.
• Protezione immunitaria da attacchi esterni di virus e batteri tramite le immunoglobuline.
• Trasmissione di impulsi.
• Controllo di crescita e differenziamento tramite ormoni.

Caratteristiche delle proteine

Polimeri lineari costituiti da unità monomeriche, gli amminoacidi, che ne determinano la struttura tridimensionale e la funzione. Le proteine determinano la transizione tra il mondo unidimensionale delle sequenze ed il tridimensionale delle molecole in grado di svolgere attività biologiche. Le proteine contengono diversi gruppi funzionali, che si possono trovare sulla catena laterale o legati ad altri gruppi. A seconda del gruppo funzionale legato, alcoli, tioli, basici, acidi, tioesteri, amminici, carbossilici o carbossammidici, la proteina esplica una carta funzione biologica ed essenzialità per l’attività enzimatica dell’organismo.

Da una sequenza in 2 dimensioni (acidi nucleici), si passa ad un’altra in 2 dimensioni (proteine) e grazie agli enzimi presenti la struttura diventa tridimensionale, cosa che permette alla proteina di esplicare la propria funzione biologica e non semplicemente la trasmissione di un messaggio. Le proteine possono interagire tra loro e con altre molecole biologiche per formare strutture complesse, in cui presentano proprietà non altrimenti riscontrabili. Le proteine possono legarsi a cofattori o strutture più grandi, per andare a formare elementi come i ribosomi. Esistono 20 amminoacidi, nella struttura di base è presente un carbonio chirale (α), legato a 4 gruppi diversi:

• 3+-amminico protonato –NH₃+
• Carbossilico dissociato –COO-
• H
• Gruppo R o laterale, che è ciò che varia nei singoli amminoacidi.

Gli amminoacidi in soluzione, a pH fisiologico (7) sono in generale ioni dipolari, zwitterioni. Quando inserisco in H₂O una sostanza che presenta gruppo amminico e carbossilico, se titolo l’amminoacido aggiungendo composti, a pH acido la sostanza sarà completamente dissociata, aggiungendo una base invece il pH si alzerà. L’amminoacido, quando arriverà al pK acido, si troverà per il 50% nella forma completamente protonata e per il restante 50% nella forma in cui il –COOH si è completamente dissociato per contrastare la quantità di base aggiunta. A 5,5 < pH < 7,5 gli amminoacidi si trovano fortemente dissociati, lo sono completamente nel punto isoelettrico, dove il numero di molecole dissociate positivamente o negativamente è uguale. Se aggiungo ancora base si divide anche l’–NH₂, al 50% totalmente deprotonato, perde il protone, continuando fino al limite massimo si otterrà la forma completamente deprotonata. Se la sostanza presa in esame presenta più di un gruppo amminico o carbossilico, devo aggiungere un altro pKa o pKb a seconda del gruppo R.

Classi di amminoacidi

• Amminoacidi non polari con gruppo R alifatico: glicina (unico non chirale), leucina, isoleucina, metionina (presenta un gruppo tioestere -S- ed è in grado di cedere un gruppo metilico a strutture che lo richiedono), valina ed alanina.
• Amminoacidi non polari aromatici: fenilalanina, tirosina e triptofano, presentano un anello aromatico capace di captare l’E luminosa grazie ai doppi legami coniugati presenti. Molecole contenenti questi composti possono essere localizzate attraverso un’analisi spettrofotometrica, permettono inoltre la valutazione della quantità proteica all’interno di un campione.
• Amminoacidi polari non carichi: asparagina e glutammina (con un gruppo ammidico, diverso dal carbossilico di glutammato ed aspartato), serotonina e treonina (2 gruppi alcolici legati alla struttura alifatica), cisteina (con il gruppo -SH, ha importanza nei legami intra/extra catena tra le 2 proteine, se si forma un ponte disolfuro tra le 2 cisteine si ottiene una molecola di cistina, l’unica con legame covalente tra le proteine).
• Gruppi polari carichi negativamente: glutammato ed aspartato (presentano un gruppo carbossilico acido).
• Gruppi polari carichi positivamente: lisina, arginina ed istidina.
• Prolina, che non fa parte di alcuna classe poiché a causa del legame tra -NH e gruppo R tramite legame covalente origina 2 problemi, l’NH₂ non è libero e il carbonio α è bloccato in una struttura chiusa senza libertà di rotazione.

Gli istoni sono sequenze monotone delle proteine con funzione statica, il DNA viene avvolto meccanicamente e rimane bloccato. Essi contengono quasi esclusivamente lisina ed arginina cariche positivamente, dunque si uniscono facilmente al DNA carico negativamente, originando zone diverse a seconda della carica.