Biochimica

Biochimica

• Struttura dell’atomo, pag. 2
• Legami, pag. 3
• Reazioni redox, pag. 4
• Biomolecole, pag. 4
• Proteine (definiz.), pag. 8
• Amminoacidi + legame peptidico, pag. 11
• Struttura, pag. 12
• Gli enzimi, pag. 13
• Cinetica delle reazioni enzimatiche, pag. 13-14
• Emoglobina e mioglobina, pag. 15-16
• Effetto Bohr + tossicità monossido di carbonio, pag. 16-17
• Destino degli amminoacidi, pag. 17
• Sintesi dell’urea, pag. 19
• Carboidrati, pag. 20
• Definizione e classificazione
• Digestione, pag. 22
• Lipidi, pag. 23
• Acidi grassi, pag. 23
• Glicerofosforici, pag. 24
• Steroidi e colesterolo, pag. 24
• Nutrienti
• Destino dei lipidi: betaossidazione, pag. 26
• Acidi nucleici, pag. 29
• DNA e RNA
• Funzioni termodinamiche, pag. 30
• Pag. 1
• Composti ad alta energia, pag. 31
• Metabolismo + fasi, pag. 32
• Glicolisi + fasi, pag. 33-35
• Respirazione cellulare, pag. 35
• Ciclo di Krebs, pag. 36
• Complesso succinato deidrogenasi, pag. 36
• Complesso della catena respiratoria, pag. 37
• Gluconeogenesi, pag. 39
• Vitamine, pag. 42
• Storia
• Idrosolubili (B1, B2, B3, B5, B6, B7, B9, B12, C), pag. 43
• Liposolubili (A, D, E, K), pag. 46

La parola biochimica significa chimica degli organismi viventi perciò la materia si occupa dei componenti chimici degli organismi viventi, delle trasformazioni energetiche e processi chimici che avvengono negli organismi.

Cosa distingue un organo vivente da un oggetto inanimato? Gli organismi viventi hanno un alto grado di complessità chimica e di organizzazione microscopica, estraggono l’energia dall’ambiente e sono in grado di trasformarla e utilizzarla e hanno capacità di riprodursi. Tutti gli organismi viventi usano gli stessi tipi di subunità monomeriche: carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici e le strutture di queste macromolecole determinano la funzione biologica.

Chimica

La chimica è la scienza che descrive la materia, le sue proprietà e le trasformazioni energetiche che essa subisce. Si definisce energia la capacità di compiere lavoro o trasferire calore; materia è tutto ciò che ha massa, occupa uno spazio e possiede energia; la materia elementare che costituisce la materia è l’atomo.

Un elemento è una sostanza che non può essere trasformata in sostanze più semplici (rame, zolfo, ferro); invece un composto è una sostanza in cui più elementi Pag. 2 si combinano tra loro e può essere separata in componenti più semplici attraverso trasformazioni chimiche ma non fisiche.

La miscela è un insieme di sostanze mescolate in rapporti variabili e i componenti possono essere separati mediante trasformazione fisica; si distingue miscela omogenea (soluzioni), in cui i componenti sono mescolati così bene che non sono più distinguibili (es. sale in acqua), e miscela eterogenea, dove è più facile individuare i diversi componenti a occhio nudo (acqua e olio, acqua e benzina, acqua e gesso).

La materia si può trovare in 3 stati fisici:

• Solido, forma e volume fisso
• Liquido, volume fisso ma forma variabile
• Gassoso, volume e forma variabile

La materia subisce:

• Trasformazione chimica, cambiamenti radicali della materia così che cambia proprietà fisiche, chimiche e organolettiche (arrugginimento del ferro)
• Trasformazione fisica, cambiamento dello stato fisico ma non della natura chimica (ebollizione dell’acqua)

La struttura dell’atomo

Atomo, dal greco “atmos”, significa indivisibile; in realtà è composto da 3 particelle:

• Elettroni
• Protoni
• Neutroni

Formano il nucleo e gli elettroni ruotano intorno. Il nucleo è quindi caratterizzato da: Pag. 3

• Numero atomico Z = numero di protoni = numero di elettroni
• Numero di massa A = numero protoni + numero neutroni

Quando un atomo perde un neutrone dà origine a un isotopo. Sono quindi atomi che hanno stesso numero di massa ma differente numero di neutroni.

Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo descrivono una traiettoria che rappresenta il livello energetico ed è chiamato orbitale; gli elettroni che si trovano sull’ultimo livello energetico sono detti elettroni di valenza e sono quelli che prendono parte alla formazione di un legame chimico.

Legame chimico

Gli atomi tendono a legarsi spontaneamente per formare molecole, dando luogo al legame chimico. I legami chimici tra gli atomi si formano affinché possano raggiungere uno stato di maggiore stabilità con una configurazione elettronica uguale a quella dei gas nobili (regola dell’ottetto). Pag. 4

Legami intermolecolari

Legame covalente

Ciascun atomo mette in comune con l’altro uno o più elettroni del suo strato più esterno. La molecola sarà polare se, a causa della differenza di elettronegatività dei suoi componenti, avrà una parte carica positivamente e una negativamente, oppure apolare se non ci sono differenze di cariche nelle diverse zone della molecola.

Legame covalente polare è quello dove un atomo è meno elettronegativo del “compagno” e si forma una parziale carica positiva e una parziale carica negativa. Es. l’acqua.

Legame ionico

Uno dei due atomi è talmente più elettronegativo dell’altro che si appropria di uno o più elettroni dell’altro.

Legami intramolecolari

Legame idrogeno (o ponte) Pag. 5

Si forma tra molecole che presentano una forte polarità, l’atomo di idrogeno è sede di una parziale carica positiva. Si forma tra molecole di acqua.

Possiamo quindi ora definire l’elettronegatività: è la tendenza di un atomo in una molecola ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame che lo legano ad un altro atomo.

Nel momento in cui si forma un legame c’è un’energia di mezzo; nel momento in cui si rompe un legame si libera un’energia detta entalpia ΔH. Se rompendo il legame genera energia nell’ambiente esterno la reazione sarà esotermica (ΔH < 0), se invece per romperlo bisogna fornire energia la reazione sarà endotermica (ΔH > 0).

Invece l’energia libera ΔG ci dice se una reazione sarà favorita o sfavorita (ΔG > 0 sfavorita, ΔG < 0 favorita).

Reazioni di ossidoriduzione (redox)

A livello biologico, il loro scopo è quello di conservare energia sotto forma di trasporto di elettroni in molecole che si prestano a subire reazioni di ossidoriduzioni, i cosiddetti NAD e FAD. Le cellule tramite questo sistema conservano l’energia ricavata dalle macromolecole, attraverso gli elettroni scambiati nelle reazioni di ossidoriduzione.

Per acidi s’intendono quelle sostanze che in acqua cedono ioni H+; si definisce invece base quando in soluzione acquosa cede ioni OH-.

Per definire se una sostanza è acida o basica si misura il pH, che è il logaritmo negativo della concentrazione degli ioni H+ e varia tra 0 e 14 (0 acida, 7 neutro, 14 basica). L’acqua è una sostanza anfotera cioè si comporta sia da acido che da base, a seconda della sostanza con cui viene a contatto. Pag. 6

Le soluzioni tampone sono quelle che sono in grado di tamponare la concentrazione degli ioni H+.

In una soluzione distinguiamo:

• Solvente, la componente predominante
• Soluto, la componente in minore quantità

Modi per esprimere la concentrazione () di una soluzione:

• Molarità M = n. moli (soluto) / V (soluzione) n. moli = Molarità (mol) x V
• Percentuale massa/massa
• Percentuale peso/volume
• Percentuale volume/volume

Solubilità: proprietà di una sostanza a sciogliersi in un’altra.

Cenni di biologia

Vedi le differenze tra cellula procariotica e eucariotica da biologia.

Le biomolecole

I componenti chimici sono carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto. Sono i più abbondanti in natura e la combinazione di questi genera le biomolecole. Ma quali proprietà li rendono importanti per la chimica della vita? Il carbonio è l’elemento più versatile cioè capace di formare un vasto numero di legami chimici.

Si definisce gruppo funzionale quella catena laterale R che legata a una molecola conferisce delle particolari caratteristiche; è una catena variabile. Pag. 7

La configurazione spaziale degli atomi permette di individuare isomeri geometrici: Pag. 8

• Cis se le molecole sono sullo stesso lato
• Trans se su lati opposti

Una molecola con un centro chirale può avere solo e soltanto due isomeri detti enantiomeri, cioè uno l’immagine speculare dell’altro.

Le principali trasformazioni chimiche nei sistemi biologici:

• Reazioni di ossido-riduzione
• Rottura di legame covalente per mezzo di gruppi funzionali molto reattivi
• Reazioni di condensazione (eliminazione di una molecola d’acqua)
• Reazione di decarbossilazione (eliminazione una molecola di CO₂)

Il legame a idrogeno stabilizza i legami sia negli acidi nucleici sia nelle proteine, pur essendo legami deboli. I legami non covalenti possono sembrare meno importanti, ma in realtà sono fondamentali a livello biologico.

Altre interazioni deboli sono:

• Forze di van del Walls, interazioni tra dipoli permanenti
• Interazioni dipolo-dipolo

Le membrane biologiche sono importanti perché definiscono i confini di una cellula e sono costituite da un doppio strato fosfolipidico e sono anfipatiche cioè presentano una porzione idrofila e una porzione idrofobica. Il modello della struttura delle membrane biologiche è detto a mosaico fluido poiché sono resistenti e flessibili grazie alle proteine presenti sulla membrana che fungono da collegamento integrali, e comunicazione con le altre cellule. Le proteine possono essere integrali, cioè saldamente legate alla membrana, o periferiche, cioè legate debolmente da legami a idrogeno. Si presentano nella conformazione a α-elica.

Oltre al collegamento svolgono la funzione di trasportatori:

• Proteine uniporter, substrato in una sola direzione
• Proteine cotrasportatori divise in
• Simporto, due substrati in un’unica direzione
• Antiporto, due substrati in due direzioni opposte Pag. 9

Organizzazione della materia vivente

Si parte da elementi semplici fino a costituire i metaboliti, ossia strutture molecolari che entrano nei processi biologici; questi costituiscono i monomeri che sono le basi delle macromolecole. Le macromolecole si possono associare a formare struttura sovramolecolari e a loro volta formano gli organelli della cellula vivente. Quindi i mattoni della cellula sono: lipidi, proteine, carboidrati e acidi nucleici.

Le proteine

Sono le macromolecole più abbondanti, presenti in tutte le cellule; sono polimeri di 20 amminoacidi e svolgono un numero enorme di funzioni. Tra le funzioni troviamo: funzione enzimatica, funzione strutturale, funzione di trasporto, regolatrici di espressione genica, recettori di membrana, anticorpi, ormoni (es. l’insulina), coagulazione del sangue.

Abbiamo un carbonio α. Gruppo carbossilico (acido). Legame con idrogeno. Gruppo amminico. Catena laterale variabile. Pag. 10

Quando l’atomo di carbonio presenta tutti e 4 i costituenti diversi si chiama carbonio chirale; esistono perciò due modi in cui un gruppo si può presentare (stereoisomeri) non sovrapponibili.

Anche gli amminoacidi esistono della forma D e L (a eccezione della glicina, dove il gruppo R è un idrogeno). Pag. 11

Gli amminoacidi sono sostanza anfotere quindi in soluzione acquosa si possono comportare sia da acidi che da basi. In funzione della diversa protonazione, possiamo definire il punto isoelettrico dell’amminoacido cioè il valore di pH in corrispondenza del quale l’amminoacido ha carica elettrica = 0.

Definiamo amminoacidi non proteici quegli amminoacidi che non rientrano tra i 20 naturali ma hanno una somiglianza, come l’ornitina e la citrullina. Pag. 12

Due o più amminoacidi si legano tra loro attraverso una reazione di condensazione (eliminazione di una molecola di acqua) per formare con legame peptidico un peptide; ogni peptide avrà una estremità N-terminale e una C-terminale.

In questo caso abbiamo un tetrapeptide, cioè una struttura formata da 4 amminoacidi (ala, glu, gly, lys). Sono legati tra loro e ognuno presenta la propria catena laterale R (all’esterno della struttura portante).

Le proteine quindi sono polimeri le cui unità monomeriche (gli amminoacidi) sono legate da legami peptidici.

Le proteine possono essere formate da una sola catena o più catena avvolte tra loro.

Le proteine che contengono gruppi non proteici sono dette coniugate e il gruppo è chiamato gruppo prostetico (es. glicoproteine, emoproteine, fosfoproteine).

Formazione legame peptidico

I due amminoacidi reagiscono a livello del gruppo ossidrilico di uno (funzione acida) e dell’idrogeno dell’altro; va via quindi una molecola di acqua (reazione di condensazione) e si forma il legame peptidico C-N.

Intorno a questo legame la molecola non può ruotare. Pag. 13

Struttura delle proteine

• Primaria, è quella più semplice e ci fornisce la successione degli amminoacidi
• Secondaria, definisce l’organizzazione spaziale della struttura amminoacidica. Può essere ad α-elica o β-foglietto.
• Terziaria, fa riferimento al ripiegamento della catena polipeptidica
• Quaternaria, fa riferimento alle interazioni fra più subunità

La struttura terziaria è stabilizzata da interazioni deboli.

Sulla base di questi livelli strutturali le proteine si classificano in due grandi gruppi:

• Proteine fibrose, le catena polipeptidiche sono organizzate in lunghi fasci, struttura secondaria, insolubili in acqua, funzione strutturale (collagene, cheratine)
• Proteine globulari, assumono forme sferiche, varie funzioni (es. emoglobina)

Le proteine si possono denaturare cioè perdere la loro conformazione nativa; agenti denaturanti sono calore, pH estremi, solventi organici, urea. È un processo reversibile. Pag. 14

Gli enzimi

Sono catalizzatori biologici; sono proteine altamente specializzate e affinché possa svolgere la sua funzione dev’essere nella conformazione nativa. A volte richiedono dei cofattori (ioni inorganici oppure grosse molecole organiche) che operano come trasportatori temporanei.

La loro funzione è quella di aumentare la velocità di reazione.

In un enzima individuiamo il sito attivo, una cavità dove il substrato si va ad alloggiare. Non segue il modello chiave-serratura ma il modello dell’adattamento indotto, cioè il substrato instaura delle interazioni che lo rendono adattabile.

Cinetica delle reazioni enzimatiche

Lo studio della cinetica enzimatica consiste nello studiare la velocità di una reazione, cioè trovare una relazione tra la velocità iniziale e la concentrazione del substrato.

Innanzitutto diciamo che l’interazione con il substrato porta alla formazione del complesso enzima-substrato.

Quindi quando vogliamo conoscere la velocità di una reazione dobbiamo ricordare il seguente equilibrio S P cioè il substrato che si trasforma in prodotto.

Mettendo sugli assi cartesiani in ordinata la velocità e in ascissa la concentrazione, la reazione chimica procede linearmente fino a quando non si esaurisce ossia quando non si ha più il substrato e si ha il prodotto.

V = k[S] la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione del substrato.

Più alta è l’energia di attivazione, più bassa sarà la velocità della reazione.

Mentre una reazione chimica procede linearmente, una cinetica enzimatica segue andamento iperbolico dove si raggiunge velocità massima: se l’enzima ha occupato tutti i siti di legame, pur mettendo substrato la reazione non avviene. Le reazioni chimiche quindi seguono una cinetica di saturazione con andamento iperbolico.

Esiste una reazione tra velocità di reazione e la concentrazione del substrato. Pag. 15

Un altro modo per rappresentare l’equazione di Michaelis – Menten è il grafico dei doppi reciproci, più semplice, in cui fa il reciproco dell’equazione e corrisponde all’equazione di una retta.

Inibizione enzimatica (regolazione attività enzimatica)

Si parla di inibizione enzimatica quando l’attività dell’enzima viene bloccata. Può essere reversibile, competitiva e non competitiva.

Per competitiva s’intende quella in cui il substrato e l’inibitore competono entrambi per legarsi sullo stesso sito attivo dell’enzima. Graficamente abbiamo una retta che fa capire l’andamento con inibitore e una retta con andamento senza inibitore: l’inibitore competitivo andrà ad influenzare la km.

Per non competitiva è quella in cui inibitore e substrato non vanno sullo stesso sito ma l’enzima ha un substrato specifico per entrambi: a variare in questo caso sarà la velocità dell’enzima.

Gli enzimi che hanno struttura globulare, quindi più subunità proteiche, seguono una cinetica allosterica cioè l’enzima oltre al sito di legame per il substrato può avere dei siti modulati da molecole dette modulatori (nel caso dell’emoglobina 4 siti di legame per