Appunti di Biochimica

Esame di biochimica

È un credito (l’esame è 8+1), ciCome funziona il laboratorio e il corso, che è da 9 crediti? Sono tre lezioni frontali per il laboratorio e tre esperienze di laboratorio (due erogate a distanza e una in presenza nelle prime due settimane di Novembre). Da ora a Dicembre ci sono 63 ore ma dovrebbero essere 64+8 quindi le ore segnate fino a Dicembre non sono sufficienti, quindi il corso sarà allungato fino a Gennaio, probabilmente di 9 ore. Il prof di laboratorio si chiama Bemporad.

Materiale di studio

-> Per il libro meglio Lehninger che l’altro, per avere una base, ci sono anche più edizioni. La biochimica si aggancia con vari corsi: la microbiologia, citologia e chimica organica. Per quando riguarda i corsi futuri ci sarà fisiologia, farmacologia… è un aggancio tra le materie passate e le materie più specialistiche successive.

Modalità d’esame

Esame: può essere sia in presenza che in remoto a seconda di come scegliamo:

• In presenza: pre esame scritto con formule e vie metaboliche, come autovalutazione non ha voto, e l’esame vero e proprio orale si basa su quel compitino e si collega ad altri argomenti.
• Da remoto: non esiste la parte scritta che non ha voto, ma si fa comunque un esame tutto orale ma scrivendo delle formule quindi alla fine è la stessa cosa ma senza autovalutazione (con foglio alzato, non come si fece a chimica).

Il corso di biochimica

Cosa è il corso? Vedere come le molecole si organizzano tra di loro per costituire le macromolecole che costituiscono il nostro organismo e poi come si assemblano a formare una cellula, vedere come da un monomero si forma un polimero che poi da luogo ad una struttura cellulare -> biochimica strutturale. Un'altra parte sarà dedicata a come i nutrienti sono usati dal nostro organismo per produrre energia, il viaggio dell’alimento nel nostro corpo, ma anche il viaggio inverso da molecole piccole come si costruisce tutto ciò di cui il nostro organismo ha bisogno.

Dimensioni delle molecole e interazioni

Quanto sono grosse le molecole di cui parliamo? Ad esempio un aminoacido io non posso vederlo in alcun modo, nemmeno con l’imaging più avanzato si può vedere un aminoacido, li posso vedere solo quando si arriva ad avere dei composti macromolecolari. Noi lavoriamo con macromolecole e con aggregati di molecole ad es. la proteina è un aggregato di aminoacidi. I monomeri si aggregano a formare i polimeri che noi studiamo, non studiamo il DNA, il suo metabolismo, parleremo anche di nucleotidi che infatti devono essere sintetizzati e degradati.

Un concetto di chimica che non ci possiamo dimenticare sono quei composti che hanno una geometria tetraedrica, ha una geometria tetraedrica il gruppo fosfato che porta energia da una parte all’altra; inoltre intorno ad un legame singolo i sostituenti possono ruotare ma in un doppio no perché il legame doppio è un legame rigido, e hanno implicazioni nella struttura delle proteine. È importante anche ricordarsi il concetto di cis e trans ma anche chiare e achirale. La differenza tra un’aldeide e un chetone è quello che ci servirà per distinguere fruttosio dal glucosio, inoltre i nostri trigliceridi sono fatti da acidi carbossilici, il legame fosfoanidridico è il legame grazie a cui l’ATP può portare energia al nostro corpo.

Nella biochimica ci interessano i legami deboli, ovvero non c’è un legame ma c’è un’interazione che può essere :

• Elettrostatica
• A idrogeno
• Idrofobica

Si chiamano deboli perché i due atomi sono legati in maniera debole e qualsiasi perturbazione può andare a rompere questo legame. Un legame è debole quando è da solo, ma l’ unione fa la forza: la struttura di una proteina è tale perché tanti legami deboli lavorano insieme per determinare una struttura che è molto stabile, come il DNA, i legami sono tutti ad idrogeno, ma serve addirittura un enzima per aprirlo, più legami ad idrogeno me la tengono ferma. I legami deboli si instaurano anche tra gruppi polari come i carbossilici negativamente o amminici positivamente, si instaurano legami elettrostatici che mi mantengono stabile una struttura.

Bisogna anche considerare l’acqua: se nel citosol della mia cellula possono starci dentro un sacco di enzimi e di metaboliti che poi funzionano è perché queste molecole sono solubili, il citosol è fatta di sostanza acquosa e una molecola è solubile quando è circondata da molecole di acqua. Il glucosio e il suo polimero, il glicogeno, sono molecole solubili che infatti sono circondati da acqua di idratazione. Quando due molecole interagiscono e formano un aggregato, l’aggregato si forma perché è stata eliminata l’acqua di idratazione che è quindi ciò che mi rende solubile una molecola ma anche con che viene eliminato quando si forma un aggregato ad esempio substrato-enzima.

Bioenergetica e metabolismo

Un’altra cosa fondamentale sono i concetti di bioenergetica, ma in particolare noi dobbiamo considerare che il glucosio alla fine diventa energia per il nostro corpo perché fa una serie di reazioni che possono avvenire o meno a secondo che siano esoergoniche o endoergoniche, se le reazioni invece non possono avvenire hanno bisogno di qualcuno che dia loro energia, e lo fa l’ATP che è la nostra moneta di scambio energetico, interviene nelle reazioni che altrimenti non avverrebbero permette al glucosio di trasformarsi in piruvato e in energia. Quindi ci serviranno i concetti di velocità di reazione e il deltaG cioè la variazione di energia libera, se è minore di zero allora la reazione avviene spontaneamente altrimenti ha bisogno di aiuto.

Il metabolismo, è fatto da una serie di reazioni cataboliche (distruzione dei nutrienti) esoergoniche (perché si produce energia e i costituenti di una molecola organica), le reazioni anaboliche sono invece quelle in cui si parte da precursori più semplici per arrivare a macromolecole, ma anche la sintesi ha bisogno di energia quindi mi servirà l’ATP che si è prodotta nel catabolismo. Tutto il metabolismo è una grossa OSSIDO-RIDUZIONE perché nel catabolismo dai composti più complessi che sono ridotti si ottengono composti più ossidati (la CO₂ è più ossidata dei gruppi CHOH che ci sono nel glucosio), chi è invece quindi che si riduce? I coenzimi.

Aminoacidi e pka

Gli aminoacidi hanno delle costanti di dissociazioni quindi ci serve anche ricordare il concetto di pka. Es se ho ph di 4,78 vuol dire che sotto quel valore l’acido non è dissociato, ha l’idrogeno in più, a ph superiore è nella forma dissociata. Se prendo l’istidina, amminoacido particolare, ha la pka simile al ph della cellula quindi per variazioni piccole del ph intracellulare che è intorno a 7, l’istidina può trovarsi in forma protonata o deprotonata. Una forma protonata è una forma che può donare un idrogeno, una forma deprotonata può acquistare un idrogeno, quindi l’acido è una specie che è in grado di rilasciare idrogeni mentre la base è in grado di acquistare idrogeni. Ci saranno amminoacidi che funzionano come basi, altri come acidi e in mezzo ci sta l’istidina che può funzionare in entrambi i modi.

Carboidrati

Il primo è un aldoso, il secondo è un chetoso; il glucosio serve per l’energia, il fruttosio è prodotto nella glicolisi. Ci sono le forme a D o a L che dipende dalla posizione del gruppo ossidrili più lontano da quello aldeidico, quasi tutti sono nella forma L. Se uno vede il glucosio e il galattosio vede che sono due zuccheri, come si definiscono? Epimeri. Anche le forme anomeriche alfa e beta sono importanti: gli zuccheri possono esistere in una conformazione chiusa ed aperta. Ma in soluzione sono in equilibrio quindi posso scriverle nel modo in cui mi piace, a volte per esempio se parto dalla forma aperta mi viene tutto spontaneo, in forma chiusa è più difficile, quindi scriveremo il glucosio aperto perché ci fa più comodo, il glucosio libero tanto si trova in queste due forme.

Non è la stessa cosa scriverlo aperto o chiuso quando il glucosio va a formare delle catene, va a polimerizzare allora a quel punto la forma che permette la polimerizzazione è quella chiusa e sarà importante definire se durante la chiusura dell’anello il carbonio 1 anomerico si è chiuso dando luogo alla forma alfa o quella che è la forma beta. La cellulosa è insolubile, è prebiotica, serve per i batteri che si trovano nel mio organismo.

I monosaccaridi sono legati ad alcool ed Amine con legami glicosidici e vanno a formare dei derivati. Quindi un derivato di un monosaccaride è uno zucchero a cui ad uno dei gruppi ossidrili è attaccato qualcosa’altro, o un gruppo acetilammina che può attaccarsi al glucosio o al lattosio. L’acido sialico so che è un monomero di uno zucchero, molto modificato, ha un gruppo COH invece che un gruppo ossidrilico.

Quindi gli zuccheri possono essere modificati perché hanno un gruppo fosfato; oppure gli amminozuccheri che possono essere modificati, le glucosammine vanno a costruire dei polimeri che formano l’esoscheletro degli insetti, i carboidrati sono modificati con gruppi acetili che danno rigidità.

Disaccaridi e polisaccaridi

Gli zuccheri possono unirsi tra di loro e il primo livello con cui si uniscono sono i disaccaridi (due zuccheri legati insieme):

• Maltosio: glucosio + glucosio legame alfa 1-4
• Saccarosio: glucosio + fruttosio con legame alfa 1-2
• Lattosio: galattosio + glucosio con legame beta 1-4

I polisaccaridi (es. glicogeno e amido) sono formati dall’unione di glucosio, sono lunghe catene che vanno a formare l’amilosio che è un polimero formato tutto da residui di glucosio legati da legame alfa 1-4, quando la molecola è ramificata oltre ad esserci legami alfa 1-4 sono presenti dei legami alfa 1-6 ovvero avvengono tra il gruppo ossidrilico del carbonio 1 di uno zucchero e il gruppo ossidrilico del carbonio in posizione 6. Questa struttura si trova anche nel glicogeno, quali sono le differenze tra glicogeno e amido? Anche il glicogeno è fatto da una lunga catena di glucosi legati da alfa 1-4 da cui partono delle ramificazioni che sono molte di più di quelle che si trovano nell’amilopectina. Queste ramificazioni vedremo danno un forte significato energetico nel senso che mi permettono di produrre in modo molto veloce dal glicogeno, tanto ATP quando ho bisogno di energia, una struttura non è mai a caso. Quindi il glicogeno è ramificato perché è il suo modo di produrre tanta energia in tempo breve.

Poi ci sono altri polisaccaridi come la cellulosa e la chitina ma la cosa fondamentale è da ricordarsi la cellulosa, il legame beta 1-6 si indica con la stanghetta verso l’alto perché il gruppo ossidrilico coinvolto nel legame era verso l’alto; il legame invece alfa 1-4 metto stanghetta di sotto. I polisaccaridi li troveremo legati agli zuccheri come il glicogeno dei muscoli, l’amido del pane… ma i polisaccaridi sono in tutto il nostro corpo e hanno un ruolo strutturale, sulle membrane si trovano residui di zucchero, sulle proteine si trovano residui di zucchero… si chiameranno glicosamminoglicani, quindi i carboidrati hanno molti più ruoli di quanti ci si possa immaginare.

L’acido ialuronico è idrofilo, da turgidità alla pelle, l’acido ialuronico è una componente della matrice extracellulare. Gli zuccheri non sono solo energia, hanno un ruolo strutturale!! Anche lo stesso cheratansolfato che mi forma lo scheletro, è misto di composizione quindi gli zuccheri sono ovunque.

Glicoconiugati

Glicoconiugati: proteoglicani, glicoproteine, glicolipidi. I glicoconiugati vanno a costituire la branca della glicobiologia ovvero la branca della biochimica che studia le macromolecole in cui gli zuccheri sono attaccati ad altre molecole come proteine o lipidi. Sono tutte strutture in cui la parte saccaridi del carboidrato è legato a proteina o lipidi. Queste strutture non rientrano nel metabolismo energetico, non le consumo per produrre energia, hanno funzione di conferire struttura alla cellula o certe funzionalità.

Proteoglicani

Proteoglicani: sono molecole fatte da proteine e catene di polisaccaridi, si trovano sul lato esterno della superficie cellulare, uniti a proteine sia mediante legami covalenti che mediante interazioni deboli con i gruppi carichi negativamente dei glicosaminoglicani. Alle proteine si attaccano i polisaccaridi formati da residui di glucosio e galattosio modificati da un acetile. Nella costituzione del tessuto una cellula è in contatto con l’altra cellula e la riconosce o non la riconosce a seconda degli zuccheri a cui le varie proteine sono legate quindi la parte saccaridica permette il riconoscimento o l’adesione cellula-cellula. Due cellule che aderiscono tra di loro vanno formare un tappeto di cellule che poi costituiranno un tessuto, cellule che invece non aderiscono non sentono l’adesione e quindi continuano a crescere: caratteristica dei tessuti tumorali in cui le cellule crescono in maniera incontrollata proprio perché non c’è un corretto riconoscimento.

Glicoproteine

Glicoproteine: oligosaccaridi legati covalentemente a proteine di superficie. Sono riconosciuti dalle lectine. Sono sia extracellulari che di membrana che citoplasmatiche. Gli anticorpi stessi sono delle glicoproteine. Il quadratino verde è lo scheletro della catena, mentre i rombi sono i pezzettini della catena polipetidica. Quindi una glicoproteina è una proteina con una struttura dove attaccati ci sono dei residui di zuccheri. Può essere un anticorpo, può essere una proteina extracellulare. La parte dello zucchero è fatto da una serie limitata di carboidrati che vanno a fare questi alberelli che è una sorta di codice con cui vengono descritte tutte le glicoproteine. Sulla struttura vedo Asn che è l’asparagina, ovvero un aminoacido, questo vuol dire che il punto in cui lo zucchero si attacca in modo covalente una proteina è presente come aminoacido l’asparagina. Se ingrandisco il punto in cui lo zucchero si lega covalentemente vedo che ho un’asparagina inserita in una catena polipeptidica, avrò il carbonio alfa a cui è attaccata l’asparagina, a cui si attacca uno zucchero modificato con il gruppo acetile ad esempio ad andare a formare GlcNAc.

Quindi in una glicoproteina gli zuccheri sono attaccati alla catena laterale di un’asparagina attraverso un legame covalente

• GlcNAc: N acetil glucosammina
• Gal: galattosio non modificato
• Neu5Ac: Acido Acetil neurammico

Al posto dell’asparagina posso avere anche Serina e Treonina, quindi la parte zuccherina può essere attaccata alla parte di Serina e Treonina. Negli organismi superiori le glicoproteine di solito sono attaccate ad un residuo di asparagina formando il legame N-glicosidico, invece il legame O-glicosidico avviene attraverso la serina o la treonina è molto meno frequente. Quindi gli zuccheri sono formati da una serie di zuccheri di cui noi conosciamo la composizione e che sono importanti per il riconoscimento cellula-cellula. I gruppi sanguigni A B 0 sono tali perché la parte dei carboidrati è diversa tra i vari gruppi, infatti la parte saccaridica che si trova sulla superficie dei globuli rossi avrà diversa struttura.

Lectine

Lectine: proteine che legano i carboidrati. La complessità e la diversità delle catene glicosidiche fa si che i carboidrati siano molecole in grado di portare molte informazioni (codice saccaridico). Alcuni esempi: selectine; emoagglutinina (lectina del virus dell’influenza, essenziale per la penetrazione nelle cellule ospiti, riconosce residui di acido sialico legati a galattosio). -> ultimamente si parla di codice saccaridico, il codice porta un’informazione specifica di riconoscimento o no, una parte della biochimica studia proprio le glicoproteine. Sono proteine che vanno e legare i carboidrati e possono mediare il riconoscimento cellula-cellula ma anche il riconoscimento tra un antigene esterno e la membrana cellulare.

Glicolipidi

Glicolipidi: sono formati da lipidi e zuccheri, oligosaccaridi coniugati ai lipidi (nel tessuto nervoso partecipano alla conduzione degli impulsi; in altri tessuti permettono la trasduzione del segnale all’interno delle cellule). Gangliosidi: glicolipidi contenenti acido sialico. C’è una parte idrofobica, che saranno tutte le code che sono degli acidi grassi quindi un glicolipide è una struttura formata da una parte lipidica e da una parte zuccherina, sono importanti per le risposte immunologiche che diamo a degli agenti patogeni. I glicolipidi non sono solo strutture batteriche, ci sono anche nel nostro organismo, i glicolipidi si trovano ad esempio a costituire le membrane del tessuto nervoso, la parte zuccherina è molto ricca di acido sialico, derivato di uno zucchero, e sono abbondanti nelle membrane del tessuto nervoso.

Lipidi

Hanno vari tipi di ruoli:

• Di riserva e quindi costruiscono la più straordinaria riserva energetica del nostro organismo, a parità di peso sono 3 volte più energetici dei carboidrati -> ci concentriamo su questo
• Strutturali come i fosfolipidi della membrana
• Come segnale ovvero una molecola va ad attivare una cascata di eventi che porta un’informazione dall’esterno della cellula a dentro una cellula o dentro il nucleo.

I lipidi passano indenni dal stomaco, vengono scissi, trasportati nel sangue ed arrivano ai vari tessuti. Un lipide è idrofobico e quindi ha delle problematiche, non può andare a circolare liberamente nel sangue, io mangio la pasta, l’amido ha...