Appunti lezioni Biochimica

Lezioni biochimica 1° 5/10/20

Caratteristiche sistema vivente

La nostra unità funzionale è la cellula eucariote, con nucleo e mitocondri, che è in grado di svolgere numerose operazioni di metabolismo. Deve tale capacità anche alla sua particolare organizzazione strutturale e funzionale. Ciò le consente di trasformare energia e replicarsi. Per comprendere a livello molecolare vari meccanismi è stato usato l’organismo simbionte E.coli.

La cellula è il quarto livello di complessità organizzativa che viene studiato essa è formata da:

• Complessi sopramolecolari: cromatina, membrana plasmatica, organelli subcellulari.
• Macromolecole: proteine, lipidi, zuccheri, acidi nucleici.
• Unità monomeriche: amminoacidi, monosaccaridi, nucleotidi ecc.
• Macrocostituenti: componenti della cellula vivente presenti in grande quantità (C, O, S, N...)
• Microcostituenti: molecole presenti in quantità piccolissime ma essenziali per il corretto funzionamento dell’organismo (Fe, Cu, Na, Cl, Si, Zn…). La loro assenza è spesso incompatibile con la vita, in quanto spesso vengono usati da enzimi.

Termodinamica

“Studio delle variazioni di energia durante una trasformazione”

Ha lo scopo di:

• Prevedere se in date condizioni sperimentali (in questo caso cellulari) una reazione è spontanea.
• Fornire precise indicazioni sulle condizioni necessarie per far avvenire una reazione così da capire come massimizzare l’efficienza di una reazione ottimizzandone l’uso di energia e tempo, in quanto questi sono gli indici limitanti per la compatibilità con la vita.

La cellula è un sistema termodinamico aperto (scambia energia e materia con l’esterno) e dinamico, in quanto non può mai trovarsi all’equilibrio (Δ=0, velocità di donazione e ricezione è uguale= risultante 0 = ciclo futile). Per vivere deve mantenere sempre un delta diverso da 0, scambiando energia sotto forma di lavoro (W, misurata in J) e calore (Q).

Per capire il funzionamento della cellula e dei vari meccanismi biochimici è necessario riuscire a descrivere lo stato del sistema. Per far ciò uso funzioni di stato:

• H = entalpia
• S = entropia
• E = energia
• G = energia libera di Gibbs

Le funzioni di stato devono il loro nome al fatto che dipendono solo dallo stato iniziale e finale del sistema, non possono essere misurate in modo empirico e assoluto, posso solo ottenere informazioni su ciascuna intese come variazioni. Esse son descritte da combinazioni di variabili di stato, che possono essere empiricamente calcolate per mezzo di strumenti di misura e forze conservative (una forza si dice conservativa quando non importa il percorso ma solo lo stato iniziale e finale). Le variabili di stato che descrivono il sistema “cellula” sono:

• P = pressione (atm o Pa)
• T = temperatura (K o °C)
• V = volume
• [M] = concentrazione molare (n/V)

In condizioni normali H= E + PV, ma se intesa nella cellula, il nostro sistema è approssimabile a un sistema con P costante, dunque: H= E + 0 (in quanto 0*V =0). H≈E

Principi della termodinamica

Primo principio: “l’energia dell’universo è costante, l’energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma” questo comporta che l’energia posseduta dalle particelle di un campione è nota come energia interna ed è costante e che essa venga trasformata usando mezzi per la trasformazione. E = U + K: l’energia totale del sistema è la somma dell’energia cinetica del sistema, energia data dalla massa e dalla velocità (traslazione, vibrazione, rotazione), più l’energia potenziale, cioè l’energia in potenza che un elemento del sistema potrebbe fornirmi se messa in atto.

L’energia totale finale e iniziale di un sistema è costante E_{tot i} =E_{tot f}. Dunque per descrivere un sistema è conveniente descriverlo in termini di meccanismi per la trasmissione dell’energia; questo si traduce in: U + K + E_int = Q + W. Q-W W= lavoro meccanico o ecc >0 se fa lavoro; <0 se subisce lavoro. ΔH=ΔE. Q= calore >0 se assorbo; <0 se cedo. In conclusione calore e lavoro fanno variare i valori dell’energia interna in quanto sono mezzi attraverso i quali l’energia si trasforma.

I processi energetici possono essere:

• Endoergonici: assorbono energia dall’esterno ΔG >0
• Esoergonici: cedono energia all’esterno ΔG < 0

Il primo principio ci aiuta a descrivere lo stato del sistema ma non la direzione della reazione.

Secondo principio: “l’entropia dell’universo è in costante aumento”. L’entropia del sistema è in continuo aumento dunque entrambi i processi, esotermici e endotermici, possono avvenire spontaneamente in quanto l’importante è che la variazione di entropia sia sempre positiva.

Terzo principio: definisce la spontaneità della reazione:

• + TΔSΔG= ΔH. ΔG >0 NON spontanea.
• ΔG<0 spontanea.
• ΔG =0 equilibrio.

L’energia libera è additiva, in una reazione la somma dell’energia libera di formazione (ΔG ° = condizioni dei prodotti meno quella dei reagenti mi da la variazione dell’energia libera standars P=1 atm, T=25 °C, [M]=1) totale. Nella cellula le condizioni non sono quelle standard. Questo è quello che consente di avere variazioni, anche notevoli, in termini di che modificheranno il giudizio sulla natura della spontaneità o meno di una reazione. ΔG_e dell’energia ottenuta o ceduta.

Nella cellula il valore di G cambia a seconda della concentrazione dei reagenti e prodotti, cioè dipende dalle costanti di equilibrio delle reazioni, e dalla energia libera di formazione degli stessi in condizioni standard. Da tale formula possiamo ricavare la costante di equilibrio della reazione. Questo concetto è fondamentale per comprendere il metabolismo cellulare:

• Processi esoergonici catabolismo (degradazione) ossidazione ΔG<0
• Processi endoergonici anabolici (sintesi) riduzione ΔG>0

Per spiegare come tali reazioni avvengono chimicamente, bisogna comprendere la natura dei legami chimici tra le atomi e molecole, come tali legami, considerando la nube elettronica e altre proprietà, si dispongono tridimensionalmente nello spazio. Per fare ciò si considera soprattutto gli angoli del legame del carbonio ibridato, la posizione delle molecole nello spazio, la priorità di tali molecole, la stereochimica, chiralità ecc, i possibili attacchi a tali carboni e oltretutto la reattività dei vari gruppi funzionali. Altra importante questione è capire la forza posseduta dai vari tipi di legame e le proprietà di ciascun legame.

2° 6/10/20 Ambiente acquoso

Nel corso dell’evoluzione le cellule si son evolute per contenere acqua in quanto essa, per particolari disposizioni dovute alla sovrapposizione delle nuvole elettroniche dei vari elementi di legame, a differenza di molti altri composti diminuisce la sua densità tra 0 e 4 °C; oltretutto, grazie ai particolari legami che forma, è in grado di solvatare e solubilizzare numerose molecole e ioni. “Il simile scioglie il simile”.

Questa proprietà è esprimibile in termini di polarità del legame, e momento dipolare. A causa delle differenze di elettronegatività abbastanza alte tra ossigeno e idrogeno, l’acqua ha un momento dipolare (parziale carica negativa su ossigeno e positiva su idrogeno) abbastanza elevato. In aggiunta, se consideriamo il modello VSEPR, che considera la disposizione delle molecole anche in termini di ln (lone pair) possiamo osservare che i doppietti elettronici non condivisi dall’ossigeno possono causare una riduzione dell’angolo di legame da 180 ° a circa 104,5°.

Tutto questo spiega il perché e il per come si formano legami idrogeno ovvero interazioni deboli tra molecole di acqua diverse in cui è presente un atomo “donatore” del legame (O) e un atomo “accettore” (O) dell’altra molecola. Tali legami son legami deboli con diverse caratteristiche:

• Direzionalità:
  • Lineare: relativamente più forte
  • Angolato: relativamente più debole
• Atomo donatore e accettore.
• Singolarmente debole e complessivamente forte.

Essendo l’acqua polare, essa non solvata molecola apolari ma solo molecole polari o cariche. Questo è essenziale per la costituzione dell’unità fondamentale cellulare e delle sue diverse compartimentalizzazioni. Un tipo di legame altrettanto importante, che si instaura come conseguenza della polarità dell’acqua è il legame idrofobico, cioè la tendenza di coalescere (agglomerare) di molecole apolari in quanto immerse in ambiente polare.

Questo processo è favorito entropicamente a livello microscopico in quanto il disordine molecolare è maggiore quando l’agglomerato ha dimensioni maggiori e minore quando l’agglomerato ha dimensioni minori. Dunque molecole apolari, per il secondo principio della termodinamica, assumeranno una forma capace di massimizzare i livelli di entropia molecolare. Le interazioni idrofobiche sono un tipo di interazioni fondamentali per spiegare l’associazione enzimatica, quando un sito di legame incontra il suo substrato, per interazione idrofobica, si genera una frattura nella gabbia di molecole di acqua che circondano le componenti idrofobiche, questo fa sì che si ampli la superficie da coprire (la gabbia aumenta di dimensioni), questo è favorito termodinamicamente. Questo è anche alla base del principio della formazione di membrane e micelle.

Un altro tipo di legame che si genera tra le molecole idrofobiche sono le interazioni di Van der Waals, le quali però son massime sono a distanze ottimali e diventano repulsivi se la distanza è troppo poca (sovrapposizione di nubi elettroniche genera repulsione di carica) o si rompono se la distanza è troppa.

Oltre a queste caratteristiche l’acqua ha proprietà fisiche assai importanti per la vita della cellula come per esempio le proprietà colligative cioè legate alla concentrazione delle sostanze, tali proprietà esistono solo quando è presente una membrana semipermeabile che non consente il passaggio dei soluti ma solo del solvente. Per stabilire un equilibrio sarà necessario diluire maggiormente la soluzione più concentrata, questo avviene attraverso un passaggio di solvente da una parte a un altra della membrana.

La diluizione spiegata dal principio di Le Chatelier causa un rispettivo aumento di volume nella soluzione più concentrata e una diminuzione di volume in quella meno concentrata.

Pressione osmotica: guida il turgore della cellula, è la pressione che deve essere esercitata dall’esterno per ristabilire, dopo il passaggio di acqua e il raggiungimento dell’equilibrio, la situazione iniziale. Condizioni:

• Iso-osmotica: non c’è movimento di acqua (V costante)
• Ipo-tonica: c’è entrata di acqua (V aumenta)*
• Iper-tonica: c’è fuoriuscita di acqua (V diminuisce)*

* Non compatibili con la vita. Variando in modo controllato la pressione osmotica posso usare gradienti osmotici per direzionare una reazione o passaggio di molecole. Es: dialisi (bioetica).

pH

Il pH cellulare deve essere mantenuto pressoché costante, in quanto variazioni troppo repentine di pH possono causare gravi danni all’ambiente cellulare e le sue componenti, per questo nella cellula verranno impiegati diversi tamponi. Il pH è un fattore di controllo fondamentale nelle cellule in quanto descrive il grado di carica (dissociazione o meno) di diverse molecole e dunque la loro capacità di reagire in date condizioni, oltretutto un dato pH può favorire o sfavorire date reazioni enzimatiche fondamentali (pH ottimali) per il metabolismo della nostra cellula. Controllare gli H⁺ nella cellula può significare controllare la progressione di date reazioni. La neutralità corrisponde con il valore della costante di dissociazione dell’acqua.

Tipi di tamponi:

• Proteine: in quanto le loro catene laterali possono protonarsi e deprotonarsi
• Amminoacidi: possono protonarsi o deprotonarsi, trovandosi in equilibrio tra la sua componente acida e basica.
• CO₂: l’anidride carbonica sciogliendosi in acqua diventa acido carbonico (H₂CO₃) che essendo un acido debole si dissocia in H⁺ e CO₃^-
• H₃PO₄: tampone fosfato.

Macromolecole: amminoacidi e proteine

Come da definizione presentano un gruppo amminico, uno acido e una catena laterale, che a seconda della sua natura, conferirà svariate proprietà. Nelle nostre cellule son presenti sia α sia β amminoacidi, i secondi hanno principalmente funzione di trasmissione del segnale. A pH fisiologico (7) la porzione N terminale (acida: in quanto acido coniugato della base NH₃⁺) è protonata mentre la C terminale è deprotoata (base coniugata dell’acido COOH).

Gli amminoacidi son circa 20 proteogenici che si differenziano per le proprietà della catena R:

• Non polari- alifatici
• Polari

Cys, ossidandosi a cistina, genera, con un’altra molecola, ponti di solfuro che per la struttura proteica sono i legami più forti che contribuiranno ad un corretto folding. Asparagina e Glutammina sono le ammidi dell’acido aspartico e glutammico. La prolina dal punto di vista chimico è un immino acido (amminoacido secondario). Questo ha conseguenze importanti nella forma delle proteine contenenti prolina che per esempio tendono a non formare eliche.

Aromatici: Presentano una serie di legami coniugati che favoriscono la delocalizzazione della nube elettronica e rendono la struttura altamente stabile con un livello energetico più basso in quanto gli elettroni si respingeranno meno, oltretutto potendo assume un numero maggiore di disposizioni differenti equienergetiche avranno livelli di entropia più elevati e saranno dunque più favorite, a volte più reattiva (effetto risonanza).

Carichi + e -

Gli amminoacidi son molecole chirali (ogni carbonio lega 4 sostituenti diversi), di ciascuna esistono su due forme stereochimiche diverse. Ovvero ho due enantiomeri (una molecola è l’immagine speculare dell’altra) le due forme sono L e D (levogiro e destrogiro) cambia il modo di ruotare la luce polarizzata. Il sistema di denominazione di L e D deriva dagli zuccheri i quali ruotano la luce polarizzata a destra (D) o sinistra (L). Lo zucchero studiato è la gliceraldeide che ruota il piano a destra dunque essendo che gli amminoacidi ruotavano la luce dalla parte opposta vennero nominati L. Tale configurazione è definita relativa, quella assoluta è quella che viene data a seconda della priorità dei vari sostituenti (S=L, R=D). I D amminoacidi non sono proteogenici ma son applicati per la neurotrasmissione.

Gli amminoacidi si dividono in:

• Essenziali: non possiamo sintetizzarli (latte, uova, carne, soia, legumi, frutta secca), da tali amminoacidi generiamo molecole importanti come per esempio dal triptofano dal NAD → NADH.
• Non essenziali.

I ruminanti non han amminoacidi essenziali in quanto i microrganismi del rumine sintetizzano tutti gli amminoacidi. Vari meccanismi nella cellula sono reazioni di ossido-riduzione, processi reversibili:

• Ossidazione aumenta il su NO catabolismo →
  • Perde H
  • Perde e
  • Perde cariche negative
  • Acquista O o un atomo più elettronegativo.
• Riduzione Riduce il suo numero di ossidazione anabolismo →
  • Acquista H
  • Acquista e
  • Acquista cariche negative
  • Perde O o atomi più elettronegativi.

Amminoacidi particolari

Sono abbondantissimi nel collagene dove la presenza dell’OH determinerà il punto di attacco di diversi zuccheri per la distinzione del tipo di collagene con funzioni diverse. La 6-N-metillisina è importante in quanto la metilazione delle lisine negli istoni da informazioni sullo stato del DNA. Carbossi glutammato: lo si trova nella cascata della coagulazione del sangue, nelle γ-proteine della coagulazione. Le due cariche negative formeranno legami con ioni calcio che determineranno la formazione del coagulo.

Funzioni amminoacidi

• Liberi: es: D-aspartato con funzione di neurotrasmettitore.
• Proteogenici: legati da legame peptidico.
• Piccoli peptidi: con significato funzionale.
• Vasopressina (ADH): è un ormone che controlla il riassorbimento dell’acqua, quanta viene assorbita, e quanta viene espulsa.
• Ossitocina: 9 amminoacidi, controlla la contrazione uterina durante il parto, controlla la muscolatura liscia.
• Glutatione (ECG): fondamentale come antiossidante, interviene per combattere i radicali liberi che si formano anche durante la respirazione (ubichinone). La regione che si ossida e si riduce proteggendo la cellula da radicali è la cisteina che forma ponte di solfuro con un’altra molecola di glutatione. È presente in alte quantità in mitocondri e associato a globuli rossi, in quanto serve per ridurre i perossidi (radicali), sottoprodotti non voluti della respirazione o altre vie metaboliche.