Biochimica

Biochimica e biomolecole

Gli organismi viventi sono composti da molecole inanimate. Queste molecole seguono le leggi della fisica e della chimica, e regolano il comportamento della materia inanimata. Lo scopo di questa materia è quello di capire come dall’interazione tra molecole inanimate si vengano a generare delle vite.

Obiettivi della materia

Qual è l’obiettivo?

• Conoscere e comprendere le proprietà chimico-fisiche, l'organizzazione strutturale e le funzioni delle molecole.
• Conoscere le principali vie metaboliche e i meccanismi biochimici che regolano il metabolismo.
• Conoscere la bioenergetica del muscolo scheletrico.

Biochimica descrittiva: studio della composizione della materia vivente.

Biochimica dinamica: studio del metabolismo.

Materia, elementi e composti

La materia è formata da due grandi tipologie di sostanze, sostanze pure e miscele. Quelle pure si possono dividere in elementi, che sono le parti più piccole della materia, e sono una porzione omogenea di materia, o si possono formare dei composti, i quali sono combinazioni di atomi.

Con materia intendiamo tutto ciò che occupa spazio e ha una massa.

Un esempio di composto è l’acqua (H2O), la quale è formata da ossigeno ed idrogeno.

In natura esistono 109 elementi chimici differenti indicati con un simbolo che corrisponde alla prima lettera, o le prime due, del nome latino dell’elemento. Di questi 109, 25 sono considerati fondamentali per la vita. Il 97% del corpo umano è composto da Ossigeno, Carbonio, Idrogeno, Azoto.

Acqua e molecole biologiche

Un nascituro è composto dal 95% di acqua, ma man mano che si cresce, invecchiando, l’acqua diminuisce fino ad arrivare ad una concentrazione del 50%.

L’acqua ha il ruolo principale di essere un solvente, all'interno del corpo umano, poiché avvengono tutte le reazioni del nostro organismo.

Un altro aspetto fondamentale è che le molecole biologiche assumono la loro forma ed organizzazione strutturale, proprio perché la loro posizione deriva dall’interazione con l'acqua. Se portassimo via il solvente, acqua, la cellula non esisterebbe più.

L’acqua è una molecola polare, ovvero possiede un dipolo, dove possiede una parte positiva rappresentata dall’ossigeno, e negativa dall’idrogeno.

L’idrogeno condivide una coppia di elettroni con l’ossigeno, solo che l’ossigeno essendo più forte sarà più elettronegativo.

Soluzione

Questa è una miscela omogenea di due o più sostanze. La sostanza che è presente in quantità maggiore è detta solvente, mentre la sostanza presente in quantità minore è detta soluto.

Una soluzione può essere gassosa, solida, tipo l’ottone è una lega formata da materiali metallici diversi, liquida, come il citoplasma di una cellula.

La solubilità di un composto dipende dalla capacità di interagire con il solvente, tanto più interagiscono, meglio si sciolgono.

L’acqua è un solvente polare, quindi i componenti che si sciolgono in essa sono o polari, o idrofili o ionici.

Vi sono anche i composti apolari, cioè che non sono solubili in acqua, idrofobici. Quando un acido grasso viene immerso nell’acqua, l’acido grasso non si scioglie all’interno, ma è come se “sfondasse” la barriera formata dall’acqua, respingendola. Micella lipidica, si forma quando si mette l’olio nell’acqua.

La funzione delle molecole biologiche dipende dall’interazione con l’acqua.

Le biomolecole

Le biomolecole sono:

• Glucidi.
• Lipidi.
• Proteine.
• Acidi nucleici.
• Vitamine: queste non sono sintetizzabili dalla cellula umana. Le vitamine sono essenziali, ma non inteso come qualcosa di importante, ma si intende che non si è in grado di sintetizzarle. Bisogna assumerle attraverso una dieta, poiché l’assenza di vitamine potrebbe portare a patologie.

Le molecole biologiche sono strutture complesse altamente organizzate; qualora vengano danneggiate vi può essere una perdita della funzione, la quale potrà portare al danneggiamento della cellula o alla morte cellulare.

Un aspetto da considerare è che alcune biomolecole portano delle informazioni con loro, nella loro struttura è presente un codice, acidi nucleici; questi è come se fossero un file di informazioni che la cellula dovrà leggere.

I legami sui quali si basano sono i legami deboli, che svolgono un ruolo cruciale nel mantenimento della struttura tridimensionale, perché anche se debole, essendo tanti riescono a mantenere il legame sicuro, ed essendo deboli hanno una maggiore possibilità di movimento.

Le biomolecole sono composti del carbonio; inoltre vi sono dei gruppi funzionali nelle quali suddividerle.

Carbonio e gruppi funzionali

Perché è stato scelto il carbonio come elemento chiave?

• Riesce a formare legami covalenti stabili sia con se stesso e anche con altri elementi, quali ossigeno, idrogeno ecc.

I composti del carbonio più semplici sono gli idrocarburi, costituiti da carbonio ed idrogeno; sono però poco importanti dal punto di vista biomedico. Sono importanti invece altre molecole organiche nelle quali uno o più legami tra C e H sono costituiti con legami funzionali.

Gruppi funzionali:

• Carbonile: formato da un doppio legame di carbonio con l’ossigeno, importante per proteine e glucidi.
• Carbossile: quando un carbonio si lega con COOH, presente negli amminoacidi.
• Gruppo amminico: carbonio legato all’azoto nella sua forma NH2, lo si trova negli aminoacidi e proteine.

Quando si forma un gruppo carbonilico su un carbonio terminale, si chiama gruppo aldeidico. Questo gruppo però si distingue da un altro gruppo dove “l’aggancio” non deve essere per forza sul carbonio terminale; ed è chiamato gruppo chetonico.

Il gruppo carbossilico, in ambiente acquoso cede un protone H+ con comportamento come un acido. Per un gruppo amminico, si ha un comportamento opposto e si comporta come una base; in ambiente acquoso acquista un protone H+.

Glucidi

Si intendono un gruppo di sostanze classificabile come zuccheri o saccaridi. I glucidi sono da chiamare tali o zuccheri, non carboidrati.

Sono le molecole organiche più abbondanti in natura e sono composte generalmente da composti ternari poiché formati da Carbonio, Ossigeno e Idrogeno.

I glucidi non svolgono solo quella energetica, ma altre funzioni importanti.

Questi sono suddivisi in 3 classi in base al numero delle unità monomeriche o zuccherine.

• Se vi è una sola unità zuccherina o monomerica si chiamano monosaccaridi, zuccheri semplici.
• Se vi sono da 2 a 20 unità zuccherine parlerò di oligosaccaridi.
• Se vi sono più di 20 unità monomeriche si parlerà di polisaccaridi.

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono definiti poliidrossi aldeidi o poliidrossi chetoni, o anche zuccheri semplici, contenenti almeno 3 atomi di carbonio. Si parla di zuccheri semplici all’interno dei monosaccaridi, anche perché al di sotto dei monosaccaridi non posso andare.

Possiamo classificare in 2 gruppi i monosaccaridi:

• Formato da un numero di atomi di carbonio che va da 3 a 7.
• Se ho 3 atomi di carbonio triosi.
• Se ho 4 atomi di carbonio tetrosi.
• Se ho 5 atomi di carbonio pentosi.
• Se ho 6 atomi di carbonio esosi.
• Se ho 7 atomi di carbonio eptosi.
• Quelli di natura chimica del gruppo carbonilico, gruppo aldeidico o chetonico.

Il ribosio è un componente fondamentale in molte strutture, tra le quali l’ATP, adenosintrifosfato. L’ATP contiene un pentoso, il ribosio.

Un derivato del ribosio è il 2-deossi-ribosio, la differenza è che il 2-deossi-ribosio ha perso un glucosio.

Il monosaccaride più importante per le funzioni cellulare e bioenergetiche della cellula è il glucosio. Il cervello utilizza per i suoi scopi energetici esclusivamente glucosio.

Ci sono degli zuccheri che possono differire solo nella configurazione attorno ad un atomo di carbonio, e si chiamano epimeri.

Es.

La struttura del mannosio è praticamente identica al glucosio, ma cambia la disposizione spaziale dei gruppi funzionali, in questo caso gruppo alcolico, del gruppo 2.

Il galattosio è un epimero in C4, poiché la disposizione spaziale dei gruppi funzionali varia in questo gruppo.

Le formule mostrate finora sono tutte lineari, ma in realtà le forme che si trovano in natura sono quasi sempre cicliche.

Perché si forma l’anello? Il gruppo aldeidico in C1 reagisce con il gruppo ossidrilico in C5, e si viene a formare un anello.

Nomi diversi per la posizione di OH dentro l’anello.

Oligosaccaridi

Gli oligosaccaridi sono costituiti da due o più, fino a 20, monosaccaridi legati da un legame covalente, quindi un legame molto forte, il legame glicosidico.

OH e H reagiscono e si uniscono ---> si andrà a perdere una molecola di acqua.

L’unione avviene tra un ossidrile in posizione 1 e un altro in posizione 4.

I disaccaridi di interesse biomedico sono:

• Maltosio, si trova nella birra. Quando il gruppo H in posizione 1 reagisce con OH in posizione 4 si forma il maltosio.
• Saccarosio, zucchero che si usa nell'alimentazione. Quando si ha la condensazione di un glucosio, ossidrile in posizione 1 che reagisce con l’ossidrile in posizione 2 del fruttosio, si otterrà il saccarosio.
• Lattosio, si trova nel latte, il colore bianco deriva da questo. Formato da una molecola di galattosio e una di glucosio, si viene a formare un legame tra il gruppo ossidrile del gruppo 1 e il gruppo OH del glucosio in posizione 4.

Destrine: sono oligosaccaridi formati da corte catene di glucosio. Vengono usate come eccipienti, come leganti, le quali formano strutture ad anello, ed al centro legarci un farmaco; quindi posso usarle per indirizzare il farmaco a lungo rilascio per portarlo in un determinato punto del corpo.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono i più rappresentati in natura, dal punto di vista strutturale come caratteristiche chimiche sono simili agli oligosaccaridi, però hanno dimensioni molto più grandi.

I polisaccaridi si dividono anche fra loro:

• Tipo di unità monosaccaridiche ricorrente.
• Lunghezza della catena, quante volte quel monosaccaride viene ripetuto per formare il polisaccaride.
• La tipologia di legame glicosidico che unisce le unità monomeriche.
• Grado di ramificazione, se è ramificato o meno.

Omopolisaccaride, formato da sempre dalla stessa unità monomerica ripetuto n volte. Può essere semplice o ramificato.

Questi possono essere divisi a loro volta in:

• Polisaccaridi strutturali: qui quelli più noti sono la cellulosa, parete della cellula vegetale, e la chitina, presente nell’esoscheletro degli artropodi.
• Polisaccaridi di riserva: qui quelli più noti possono essere l’amido, situato nelle cellule vegetali, o il glicogeno, situato nelle cellule animali.

Amido

Amido: è un polimero del glucosio, formato da un singolo monosaccaride ripetuto n volte. Formato a sua volta dall’Amilosio, possiede una struttura lineare, e dalla Amilopectina, possiede una struttura ramificata.

Glicogeno

Glicogeno: è un omopolisaccaride ramificato, ed è un polimero del glucosio. Quando gli animali devono immagazzinare il glucosio, immagazzinano il glicogeno.

Il glicogeno è molto ramificato, ed è molto più grande della amilopectina.

Il glicogeno viene immagazzinato solo nel fegato, fino a 7-10% della massa. La massa del fegato oscilla tra 1 - 1,5 kg, quindi di glicogeno immagazzinato ne avremo 100/150 g, e nel muscolo, fino a 1 - 2%, nel muscolo si potrebbero immagazzinare 200/250 g di glicogeno.

Quando al muscolo serve ATP, prende il glicogeno e lo scinderà in tante molecole di glucosio, attraverso gli enzimi il glucosio verrà trasformato in ATP.

Perché il fegato immagazzina glicogeno? Anche nel fegato si andrà a formare del glucosio, però non avendo movimenti contrattili non necessita di glucosio come i muscoli; ma dato che il cervello utilizza solo glucosio per lavorare e necessita quantitativi costanti di esso, può prendere questo glucosio dal fegato; ergo il fegato mantiene l’omeostasi glucidica. Quindi tiene costante la glicemia, quest’ultima in un soggetto sano normale con alimentazione equilibrata, è sempre costante, e durante una giornata oscilla da 70-90 milligrammi x cento millilitri di sangue.

Le riserve di glicogeno durano molto poco; dopo 24 ore le riserve nel fegato vengono azzerate.

Cellulosa

Cellulosa: presente nella cellula vegetale come polisaccaride strutturale, inoltre è un omopolisaccaride lineare non ramificato, e contiene 10.000/15.000 molecole di glucosio.

I legami che si formano sono: Dalla cellulosa non ottengo glucosio, quindi non posso avere la produzione di glicogeno.

Eteropolisaccaridi

Eteropolisaccaride, formato da almeno 2 monosaccaridi diversi, ripetuti N volte. Anch’essi sono semplici o ramificati, in questo caso quello ramificato presenta 3 monosaccaridi diversi.

La famiglia più importante è rappresentata dagli glicosamminoglicani, che sono eteropolisaccaridi lineari e hanno la proprietà di legare grandi quantità di acqua.

Quelli più conosciuti sono:

• Acido ialuronico: formato da almeno due tipi diversi di monosaccaridi. È presente nella matrice extracellulare della cartilagine e dei tendini, nel liquido sinoviale, nell’umore vitreo dell’occhio e nel cordone ombelicale. Quale è la sua funzione? Diventa un ammortizzatore biologico, poiché in grado di legare grandi quantità di acqua. Impedisce alle cartilagini di avere delle lesioni, ed impedisce le compressioni violenti sulle cartilagini, magari del ginocchio, piede o caviglia.
• Eparina: non fa parte del tessuto connettivo. È molto importante perché inibisce la coagulazione del sangue.

Ruoli biochimici dei glucidi

• Ruolo energetico: nel corpo umano si usano lipidi e glucidi come fonti energetiche. A parità di peso i glucidi danno molta meno energia rispetto ai lipidi; inoltre i lipidi sono idrofobici, mentre i glucidi si legano molto bene con l’acqua. La vera riserva energetica del corpo umano sono i lipidi, non i glucidi, i quali sono il materiale nobile per produrre ATP. Se l’introito calorico è superiore alle spese caloriche, si ingrassa.
• Ruolo plastico: si intende la parte strutturale, quando un composto partecipa per formare una struttura, si dice che quel particolare componente possiede un ruolo plastico. I glucidi sono tali perché assolvono ad un ruolo strutturale, ovvero formano delle strutture biologiche.
• Ruolo idrodinamico: permette di interagire con l'acqua in maniera eclatante, ogni volta che si muove un glucide si muove dell’acqua. Uno degli esempi è un composto che viene usato in medicina, una sostanza chiamata mannitolo; questo è un diuretico molto potente e pericoloso. Se si forma dell’acqua in seguito ad un incidente stradale, nella zona del cranio, bisogna togliere l’acqua in maniera più velocemente possibile; a questo proposito se si usa il mannitolo in endovena riuscirò a liberare la zona cranica dall’acqua. Questa sostanza è molto pericolosa e va maneggiata con molta cura e solo in casi estremi.

Lipidi: struttura e funzione

Il termine lipide deriva da un termine greco per indicare “grasso”, e a differenza dei glucidi, la classificazione dal punto di vista strutturale non ha molta importanza, poiché hanno delle caratteristiche strutturali molto diverse tra loro, ma vengono uniti tutti dalla loro insolubilità nei solventi polari, come l’acqua; ma invece sono solubili nei solventi apolari.

Questi presentano una grande varietà strutturale, presentano strutture diverse fra di loro e ognuna di questa è finalizzata a lavori diversi.

Hanno necessariamente una grande varietà funzionale.

I lipidi dal punto di vista funzionale sono divisibili in:

• Lipidi di riserva, energetica.

Acidi grassi

Acidi grassi: gli acidi grassi naturali, con i quali veniamo sempre a contatto, possiamo definirli come acidi monocarbossilici, contengono un gruppo acido, ma contengono anche una catena idrocarburica, contengono atomi di carbonio che, di numero, vanno da 4 a 36, le catene quindi possono essere sia corte che molto lunghe. Una cosa molto importante è che queste catene sono composte da un numero pari di atomi di carbonio.

Nella struttura degli acidi grassi distinguiamo:

• Un gruppo carbossilico.
• Una catena idrocarburica, coda apolare.

Come si distinguono gli acidi grassi? Si differenziano per:

• Lunghezza della catena idrocarburica.
• Grado di insaturazione della catena, si intende se nella catena è presente uno o più doppi legami.

Gli acidi grassi che sono importanti in ambito biochimico e medico sono gli atomi compresi tra 14 e 20. C14; C20.

In base alla presenza o assenza di doppi legami possono trovare:

• Acidi grassi saturi: non presentano doppi legami.
• Acidi grassi monoinsaturi: possiedono un solo doppio legame.
• Acidi grassi polinsaturi: posseggono due o più doppi legami.

L’acido linolenico ha 3 doppi legami, e non 2 come l'acido linoleico. Entrambi questi acidi sono essenziali, e non potendo produrli dobbiamo assumerli tramite la dieta.

Scritta in viola: 18 indica il numero di carboni; il 2 indica che vi sono due doppi legami, mentre quel delta con i numeri indica che vi è un doppio legame dove inizia il 9, mentre un altro doppio legame dove inizia il 12.

La nomenclatura parte dal fondo, il primo numero rappresenta sempre il numero di atomi di carbonio, il secondo numero ci dice che sono presenti due doppi legami, successivamente cid