Biochimica

Biochimica

Introduzione

Esame: scritto con domande aperte (8 cfu);

Libri: D.L. Nelson M.M. Cox “Introduzione alla biochimica di Lehninger” (Zanichelli); Campbell Farrell “Biochimica” (Edises);

Propedeuticità: per l’esame di nutrizione animale comparata.

Il termine “biochimica” significa “chimica della vita” e studia lo stimolo, il segnale e quali molecole lo interpretano. Migliaia di molecole diverse sono raggruppate in poche classi di sostanze (proteine, lipidi, glucidi e vitamine). Una dieta bilanciata varia a seconda dell’animale.

Ripasso di chimica

Tutti gli organelli delle cellule sono composti da macromolecole che, in modo ordinato, formano l’assetto cellulare interno. Determinati gruppi chimici (aldeidi, alcoli, alcani, etc.) determinano il funzionamento della cellula, riconoscono le molecole e vengono formati dei legami. Vi sono vari tipi di legami:

• Covalente: se la differenza di elettronegatività è minore di 1.7. Due atomi mettono in condivisione un elettrone in acqua; distinguiamo il covalente polare legame (OH, NH, CO, NP, OP), dove gli elettroni sono più spostati verso il nucleo della molecola più elettronegativa, e il covalente apolare legame (CC, CH, O₂ attraversa le membrane biologiche senza problemi).
• Ionico: se la differenza di elettronegatività è maggiore di 1.7. Molto forte se le molecole non si trovano in acqua i sali minerali in acqua si separano, formando i cosiddetti elettroliti. Le molecole d’acqua, essendo dei dipoli, attraggono le cariche negative dello ione fino a rompere il legame ionico, determinando la dissociazione elettrolitica (carica dipolo).
• Van der Waals: legame intermolecolare, molto debole, in quanto durante il legame le molecole possiedono comunque una dinamicità, di conseguenza in condizioni normali c’è la possibilità che si separano. Dipolo-dipolo indotto se guardiamo in tempi brevi 3 molecole apolari, noteremo che transitoriamente presentano una regione più positiva e una regione più negativa, attraendosi tra di loro.
• Legame a idrogeno: legame intermolecolare, molto debole. Lo troviamo tra i filamenti di DNA. Si possono formare solo quando H è legato ad O (non se legato a C) o N. È quel legame che può formarsi e dissociarsi permettendo alle molecole delle cellule di riconoscersi. La molecola d’acqua è definita poiché è una molecola polare, con delle regioni cariche positivamente e regioni cariche negativamente, ma che nel complesso è neutra. Il legame a idrogeno è il legame della vita. La forza del legame dipende dal movimento delle molecole: aumentando la temperatura, il movimento delle molecole aumenta e, per questo motivo, a 0° C il movimento relativo è inferiore alla forza del legame e l’acqua diventa un solido, a 100° C invece il legame a idrogeno tra le molecole d’acqua non si forma. Il processo tra 0° e 100° è reversibile, al di sotto dello 0 o al di sopra del 100 invece è irreversibile. Una molecola d’acqua può formare fino a 4 legami a idrogeno.
• Legame idrofobico: aumento di entropia (basso numero di molecole di H₂O ordinate) se si minimizza la superficie di contatto con molecole non polari presenti. L’acqua rimane fissa, ordinata, attorno a una molecola non polare. Se ci fossero due molecole non polari, allora le due molecole si uniscono per consentire all’acqua di minimizzare lo spazio in cui le molecole di acqua non possono creare legami. Responsabile del ripiegamento delle proteine e del fatto che i lipidi sono difficili da digerire.

Solubilità in H₂O è una proprietà chimico-fisica in quanto influenza: passaggio di molecole attraverso le membrane biologiche; localizzazione intracellulare; necessità di specifici meccanismi di digestione e assorbimento; necessità di trasporto mediante proteine o lipoproteine nel sangue; distribuzione e accumulo nei diversi organi; farmacocinetica; localizzazione degli enzimi responsabili del suo metabolismo; etc. La solubilità è determinata dalla presenza o assenza di gruppi polari e dal loro contributo relativo rispetto alle porzioni apolari della molecola. La presenza di cariche elettriche nette contribuisce alla solubilità. Il colesterolo è insolubile in acqua e di conseguenza si accumula all’interno delle vene. Ad esempio, gli alcoli (-OH) a catena corta sono solubili in acqua, più aumenta la catena, meno solubili sono. Gli grassi non si sciolgono in acqua, per questo motivo nel sangue l’albumina si carica di acidi grassi e li porta nelle cellule. Le molecole anfipatiche hanno una regione nettamente idrofobica e una regione nettamente polare; infatti, si posiziona nelle superficie di separazione, ad esempio danno origine alle membrane biologiche.

Equilibrio chimico

Il processo (reazione chimica) è irreversibile e reversibile. Lo stesso processo può essere irreversibile in certe condizioni e reversibile in altre. Ad esempio, l’acqua può diventare solida se arriva a 0° ed è irreversibile se la temperatura rimane costante o si abbassa; se la temperatura si alza, questo processo diventa reversibile. Processo spontaneo: se non impedisco che avvenga, avverrà. Ad esempio, se pongo un gas in un contenitore chiuso, vicino ad un contenitore chiuso vuoto, appena lo apro il gas va ad occupare spontaneamente il vuoto, andando a distribuirsi omogeneamente.

• Reazione irreversibile: aA+bB → cC+dD
• Reazione reversibile: aA+bB ⇌ cC+dD

Nel caso di una reazione irreversibile, non esiste una costante di equilibrio. Al contrario, in una reazione reversibile esiste una costante che descrive quantitativamente la reazione stessa. All’equilibrio il rapporto tra concentrazioni di reagenti e prodotti non è uguale, ma costante.

Principio di Le Chatelier: quando un equilibrio chimico è perturbato per effetto di un’azione esterna, il sistema reagisce in modo da ridurre o annullare l’effetto della sollecitazione stessa in modo da ripristinare quell’equilibrio. L’azione di perturbazione può essere un cambiamento nelle condizioni (es. si alza o si abbassa la temperatura) o aggiungendo o togliendo reagenti o prodotti.

Non tutti gli acidi hanno la stessa costante di equilibrio e dipende dalla forza dell’acido. Nel nostro organismo sono presenti più processi contemporaneamente, sono presenti tamponi e molecole che si dissociano. La maggior parte dei metaboliti negli animali sono o degli acidi deboli o delle basi deboli. Se aggiungo un acido forte in una miscela di acqua e acido debole, l’acido forte influenza la dissociazione dell’acido debole. Ad esempio: CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO^- acido debole, la maggior parte non si dissocia nell’acqua. Se aggiungo acido cloridrico (HCl ⇌ H⁺ + Cl^-), l’aggiunta di H⁺ causa un cambiamento nell’equilibrio della prima miscela.

Nel rumine gli acidi grassi volatili attraversano la parete solo se presenti sotto forma di HA (HA ⇌ H⁺ + A^-), se il pH varia, gli acidi grassi non manterranno la forma HA e di conseguenza non possono essere assorbiti. Quindi, CH₃COOH attraversa tranquillamente le membrane, invece CH₃COO^- non riuscirà ad attraversare le membrane. Le specie hanno permeabilità e legami con altre proteine diverse. L'acidosi è un'alterazione del pH che “sballa” tutte le reazioni dell’organismo.

A pH 7 gli acidi subiscono questa variazione della loro tendenza a dissociare, ovvero si dissociano completamente. I metaboliti (acidi deboli) che hanno un carbossile a pH 7 sono sempre carichi negativamente. Nelle cellule e nel sangue il pH 7 viene mantenuto dai sistemi tampone, ovvero da acidi poliprotici, sostanze capaci di dissociare più protoni (diprotici e poliprotici), es. acido fosforico.

Nell’organismo ci sono 3 tipi di sistemi tamponi:

• Presenza contemporanea di H₂PO₄^- (acido debole) e HPO₄^2- (base coniugata) ⇌ li scriveremo come “Pi” (fosfati inorganico), li intenderemo entrambi;
• CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ (acido debole) ⇌ H⁺ + HCO₃^- (base coniugata), questa specie è instabile, o si dissocia in H₂CO₃ o in CO₂;
• Proteine, ricche di catene laterali con proprietà di acido o base debole.

Lipidi

Acido acetico e metanolo, reagendo, producono un estere. I lipidi sono delle molecole caratterizzate da insolubilità in H₂O. Svolgono la loro funzione in membrane o legate a proteine (non in ambienti acquosi), sono immagazzinati in gocce lipidiche o membrane e vengono trasportati nel sangue legandosi a specifiche proteine o lipoproteine. I lipidi più comuni sono gli acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, glicolipidi e steroli (colesterolo). Altri sono gli steroidi (derivati dal colesterolo), eicosanoidi (derivati dall’acido arachidonico, mediano le infiammazioni), vitamine liposolubili (A, D, E, K) e ubichinone o coenzima Q (trasportatore di elettroni della catena respiratoria).

Non tutti i lipidi servono per ottenere energia, ma sono presenti nell’organismo anche in modo funzionale. I ruoli principali sono: energetico (metabolismo aerobico, si devono ossidare delle molecole); strutturale (nelle membrane biologiche e parete cellulare); termoregolazione; vitamine; cofattori di enzimi e proteine (vitamina K, retinale); trasportatori di elettroni; ormoni e precursori di ormoni; antiossidanti; segnale cellulare; neurotrasmettitori (es. endocannabinoide, fa passare il segnale da un neurone ad un altro; l’organismo animale riconosce bene molecole della cannabis o di vari oppiacei in quanto nel nostro organismo ci sono altre molecole che si legano nello stesso punto dove si legano le molecole della “droga”); gli eicosanoidi sono mediatori di infiammazione, febbre, dolore e allergie; ruolo in vasodilatazione, chemiotassi, coagulazione, crescita e differenziamento cellulare, sistema immunitario etc.

Gli acidi grassi li distinguiamo in:

• Liberi: R-COOH ⇌ R-COO^- + H⁺
• Esterificati: R₁-COOH + HO-R₂ ⇌ R₁-COOR₂ + H₂O

Gli acidi grassi volatili, ovvero acido acetico, acido propionico e acido butirrico NON sono lipidi, difatti sono solubili in acqua ed evaporano molto facilmente. L’acido grasso più comune è l’acido stearico (C₁₈H₃₆O₂). Se una catena ha solo legami semplici viene chiamato saturo; se ha uno o più doppi legami, allora è detto insaturo o poliinsaturo (>1). Se vi è un numero pari di C allora è detto cis; il doppio legame tra i carboni introduce una certa rigidità nel movimento delle catene, che si impaccano in modo meno ordinato, formando meno legami tra loro. Il punto di fusione è legato alla lunghezza della catena, aumenta a un numero maggiore di C.

Gli acidi grassi liberi sono acidi deboli e sono tensioattivi: si impongono nella superficie di contatto tra l’acqua e l’aria o l’olio (non è una cosa positiva per le cellule). Gli acidi grassi presentano una libertà di rotazione, la molecola si dispone nello spazio in tanti modi. In base a dove si trova, presenterà una forma estesa o ripiegata. Se nella molecola vi è un doppio legame, allora la molecola in quel punto non sarà libera di ruotare.

• Acido palmitico: 16 C e 0 doppi legami
• Acido stearico: 18 C e 0 doppi legami
• Acido palmoleico: 16 C con 1 doppio legame in C9 (acido cis, insaturo)
• Acido oleico: 18 C con 1 doppio legame in C9
• PUFA: acido linolenico, 18 C con 2 doppi legami in C9, C12. È un acido grasso che i mammiferi devono assumere e non lo possono produrre, è essenziale