Biochimica generale

Appunti biochimica generale: modulo 1

Prof. Franco Bonomi

Biochimica e chimica a confronto

Differenze tra vivente e provetta:

• Aspetti chimici
• Aspetti fisici
• Aspetti termodinamici

Aspetti chimici

• ≠ La selezione a livello atomico (elementi nella cellula elementi sul pianeta)
• La selettività nell’utilizzo di atomi con simile reattività (esempio: Na/K e il potenziale di membrana: il potassio riesce ad entrare nei pori della membrana anche se è più grosso del sodio perché il sodio è ricoperto dall’acqua; -9Mg/Ca e la contrazione muscolare: il calcio è 10 molare mentre il magnesio è 20 milioni di volte più abbondante)
• La presenza di macromolecole “informazionali”:
  • I componenti di queste macromolecole sono disposti in un ordine specifico (sequenza)
  • → Livelli superiori di struttura funzione

Aspetti fisici

• Compartimentalizzazione: suddivisione in compartimenti, cioè in sezioni separate da membrane interne all’organulo (eucarioti). Fornisce protezione e riesce a mantenere elevate concentrazioni di componenti. Aumenta l’efficienza di reazioni chimiche le quali possono avvenire contemporaneamente all’interno della cellula. Essa può essere:
  • Intracellulare
  • Cellulare: (I globuli rossi sono le uniche cellule senza nucleo né mitocondri).
  • Tissutale
• Trasporto di materiali tra comparti/cellule/tessuti
• Signaling (trasporto di informazioni, per via chimica od elettrica) tra comparti / cellule / tessuti: ci sono molecole segnale che raccolgono informazioni provenienti dai tessuti ad esempio, le trasmettono agli organi e questi organi rispondono mandando dei segnali ad altri organi. Sistema semplic

Aspetti termodinamici

Stessa a Sistemi “viventi” lontano dall’equilibrio chimico. Energe non c’è

I sistemi vivi hanno un input, entra un materiale che il sistema scompone e viene poi utilizzato consum nuovamente; quindi questi sistemi sono caratterizzati da un flusso di materiale al loro interno. Sistema Per produrre energia bisogna avere un flusso. dall’equil

Sistema all’equilibrio: energeticamente morto, ovvero non c’è produzione (o consumo) di energia produce Energe consuma

Sistema lontano dall’equilibrio: energicamente vivo Il passai recipie

Il passaggio di liquidi tra i recipienti produce energia (o la consuma, a seconda del verso)

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti

Energia second Se la reazione A→B non viene consentita, non si ha formazione di B e C Controllo anche “cinetico” delle concentrazioni di reagenti e prodotti:

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti: Se la reazione A→B non viene consentita, non si ha formazione di B e C

Se la reazione B→C non viene consentita, non si ha formazione di C A B B C B→ →A B C

Se la reazione B→C non viene consentita, non si ha formazione di C Se tutte le → →100 100 100 reazioni sono consentite si arriva all’equilibrio. (attese all’equilibrio) A B C

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e 300 prodotti: B (effettive) In un sistema “aperto” (con costanti di equilibrio unitarie = recipienti alla stessa altezza) → →A B C le altezze dei liquidi nei vari serbatoi (le concentrazioni di A, B, C) dipendono dal → →100 100 100 (attese all’equilibrio) diametro dei tubi, e cioè dalla velocità con cui il liquido passa da un recipiente all’altro: 150 150 A B C Quindi, in un sistema biologico “aperto” le concentrazioni di ciascuna specie dipendono (effettive) dalla velocità della reazione che le produce o le consuma.

In un sistema “aperto” (con costanti di equilibrio unitarie = recipienti alla stessa altezza) le altezze dei liquidi nei vari serbatoi (le concentrazioni di A, B, C) dipendono dal Controllo cinetico di reazioni diverse: La prevalente conversione del composto A in B o in C, e le concentrazioni di diametro dei tubi, e cioè dalla velocità con cui il liquido passa da un recipiente all’altro:

Quindi, in un sistema biologico “aperto” le concentrazioni di ciascuna specie questi ultimi dipendono dalla combinazione di: aspetti termodinamici (le altezze dei recipienti e del liquido al loro dipendono dalla termodinamica delle singole reazioni e dalla loro velocità interno) e di aspetti cinetici (il diametro dei tubi che li collegano, e la rapidità con cui – lontano dall’equilibrio – essi si svuotano).

Interconversione delle forme di energia

Energia del legame chimico in altre forme

Chimica chimica (catabolismo e anabolismo) ⇔

Chimica elettrica (la trasmissione nervosa) ⇔

Chimica termica (l’omeostasi termica) ⇒

Chimica meccanica (il movimento) ⇒

Luminosa chimica (visione e luminescenza) informazionale (organizzare il materiale): è l’energia che ci serve ⇔ → per trasformare un materiale disordinato in un materiale organizzato. Esempio: mattoni à muro

Acqua

L’acqua è il componente principale della maggior parte delle cellule; la sua geometria e le sue proprietà come solvente contribuiscono a determinare le proprietà dei sistemi viventi.

L’acqua è costituita da ossigeno legato a due atomi di idrogeno in modo stabile, dove i due atomi di H formano un angolo di 104,5° con l’ossigeno perché l’ossigeno tende a trattenere i propri elettroni. Essa è una molecola molto polare ed ha una forma angolare. L’acqua è presente nei sistemi viventi e alimentari; svolge tre funzioni:

• Reagente: l’acqua è un composto in grado di reagire con altre molecole soprattutto all’interno delle nostre cellule
• Solvente: è il mezzo in cui vi sono tutte le molecole che ci sono nell’ambiente cellulare
• Agente strutturante nei confronti del materiale biologico

Legame idrogeno

Le proprietà colligative dell’acqua: ciascuna molecola d’acqua tende ad interagire con qualcosa che abbia una carica. Una molecola d’acqua forma con le molecole d’acqua adiacenti un legame a idrogeno, in cui vi è un atomo elettronegativo ovvero ossigeno con carica negativa che è attratto da un atomo di idrogeno meno elettronegativo con carica positiva di un'altra molecola di acqua.

È un legame molto debole, ovvero ha bassa energia ma se vi sono molte molecole di acqua il legame diventa forte. Un legame che non è molto stabile richiede poca energia per formarsi e meno energia ancora per rompersi e questo ci consente di manipolare questo materiale, ovvero consente una elevata elasticità strutturale alle specie interessate.

Interazione tra molecole d’acqua: i legami deboli si formano in modo cooperativo: la presenza di un legame favorisce la formazione del successivo e così via. In questo modo, l’energia richiesta per la rottura dei legami aumenta (calore latente).

L’acqua possiede un’enorme capacità termica questo perché la rottura dei legami richiede una quantità enorme di energia.

Le interazioni tra molecole sono importanti anche nel determinare le caratteristiche geometriche di un sistema: le variazioni di densità dell’acqua con la temperatura (e nelle transizioni di fase) ne sono un esempio.

Quando l’acqua raggiunge temperature basse, inizia a gelare ed assume una struttura cristallina, ovvero rigida e non deformabile. Se si vuole passare da queste struttura alla struttura liquida, bisogna fornire del calore (calore latente di fusione). L’innalzamento della temperatura dell’acqua liquida richiede una quantità grande di calore perché buona parte dell’energia fornita è utilizzata per rompere i legami a idrogeno che tengono insieme le molecole del liquido. Quindi l’acqua ha sia un alto calore di fusione che un alto calore di evaporazione.

Galleggiamento del ghiaccio: nel ghiaccio, che è acqua allo stato solido, le singole molecole sono tenute in sede da legami a idrogeno. Ogni molecola d’acqua si legame mediante questi legami ad altre molecole formando un reticolo cristallino rigido. Le molecole non sono stipate in modo così stretto come nell’acqua allo stato liquido quindi l’acqua solida è meno densa dell’acqua liquida ed è per questo che il ghiaccio galleggia. L’acqua quando congela, aumenta di volume.

Numerose altre molecole hanno la capacità di formare legami idrogeno, tra di loro e con l’acqua. Su questa capacità si basa la loro solubilità/miscibilità. L’alcol è in grado di formare legami idrogeno con la molecola di acqua.

Prevalgono le interazioni tra molecole: insolubile.

Prevalgono le interazioni con l’acqua: solubile.

Esempi:

• Zuccheri semplici solubili a freddo
• Zuccheri complessi (amido): insolubili a freddo; solubili a caldo. Ad esempio lo zucchero si scioglie in acqua; mai una sola molecola di glucosio si scioglie ma bisogna legarlo ad esempio ad un’altra molecola di glucosio ovvero formando il saccarosio che ha una sua mobilità; questo perché le interazioni tra le molecole prevalgono rispetto a quelle con il solvente.

Un composto smette di sciogliersi in acqua quando le interazioni dentro il composto prevalgono sulle interazioni con l’acqua.

Proprietà solventi dell’acqua: ioni

Una specie chimica è solubile se prevalgono le interazioni con l’acqua rispetto a quelle tra molecole o suoi componenti (ioni). I composti ionici con carica intera (KCl) e i composti polari con cariche parziali tendono a sciogliersi in acqua per l’attrazione elettrostatica tra cariche opposte.

Sfera di solvatazione: l’acqua esercita la sua azione solvente grazie alla dipolarità della sua struttura: il dipolo acqua si orienta in modo diverso a seconda che interagisca con anioni (-) o cationi (+). L’estremità negativa del dipolo di una molecola d’acqua attrae uno ione positivo o l’estremità positiva di un altro dipolo. L’estremità positiva di una molecola d’acqua attrae uno ione negativo o l’estremità negativa di un altro dipolo. L’insieme di cariche differenti, tenute le une vicine alle altre per attrazione elettrostatica, ha un’energia più bassa di quella che si avrebbe se questa interazione non esistesse. La diminuzione dell’energia rende il sistema più stabile e ne favorisce l’esistenza.

Le specie solvatate sono le specie che troviamo nei sistemi biologici e negli alimenti.

I singoli ioni sono presenti in soluzione come specie chimiche circondate da uno strato più o meno spesso di molecole d’acqua: allontanando le cariche di segno opposto, l’acqua previene la formazione di legami ionici o elettrostatici tra ioni, o tra porzioni di molecole (anche enormi) che presentano cariche di segno opposto.

Le molecole d’acqua che circondano un’altra molecola (o una porzione di molecola) hanno diversa mobilità e reattività, a seconda della natura dell’interazione e della distanza dalla molecola. Queste specie solvatate sono quelle che effettivamente partecipano alle reazioni o vengono trasportate da e per le cellule.

Segno e numero delle cariche possedute da molti soluti possono cambiare in funzione del pH del mezzo. I relativi (pH – pKa) equilibri sono governati dalla relazione di Henderson-Hasselbach: pH = pKa + log([A]/[AH]) [A]/[AH] = 10

Lo stato di solvatazione di qualunque materiale dove vi sono gruppi dissociabili dipende dal pH, ovvero da quante cariche ci sono presenti.

Dato un certo valore di pH, il rapporto tra forma dissociata (protonata) e forma non protonata di una specie dipende da pKa.

Esempio: CH COOH pKa = 4,75 pH = 4,75 quindi il rapporto vale 0.3

Si noti che quando pH = pKa il rapporto vale 1 cioè [A] = [AH]

Specie chimiche poliprotiche possono avere più di un valore di pKa perché hanno più di un idrogeno da cedere. Ad esempio da H PO a H PO ecc. cambia il pKa.3 4 2 4

Legame idrofobico

Le interazioni dell’acqua con molecole apolari (benzene) sono di tipo entropico e formano le basi della sua azione strutturante. L’acqua si organizza sulla superficie di molecole (o strutture più grosse) con cui non può formare legami.

La formazione di queste strutture organizzate da parte dell’acqua porta ad un aumento di ordine del sistema.

L’aumento di ordine del sistema (cioè, la diminuzione della sua entropia) è termodinamicamente svantaggioso.

∆ G = ∆ H – T* ∆ S

Il sistema tende a minimizzare la superficie di contatto tra soluti non polari e acqua (esempio: grasso del brodo). Le interazioni di tipo entropico che minimizzano la superficie di contatto su scala molecolare, tra molecole (o loro porzioni) idrofobiche e l’acqua sono dette legami idrofobici.

I legami idrofobici permettono di formare strutture.

Gli acidi grassi e i loro sali (saponi) sono esempi di molecole anfifiliche (cioè con una parte polare in grado di interagire con il solvente ovvero idrofila ed una molto apolare che sfugge al solvente ovvero idrofobica).

Micelle, vescicole, membrane (ma anche le bolle di sapone e la schiuma della birra) sono esempi di strutture formate da molecole anfifiliche e stabilizzate da interazioni idrofobiche tra le regioni non polari delle molecole che le formano.

Proteine

Sono dei polimeri costituiti da una serie di unità semplici che sono gli aminoacidi (solitamente alfa). Gli -aminoacidi sono costituiti da un gruppo amminico e un gruppo carbossilico legati allo stesso carbonio (alfa). Il carbonio alfa è legato anche ad un atomo di idrogeno e al gruppo della catena laterale che determina l’identità dell’aminoacido.

Gli isomeri L degli aminoacidi sono quelli presenti normalmente nelle proteine e utilizzati nel metabolismo. Struttura di un generico alfa-amminoacido

Gli isomeri D degli aminoacidi sono presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi (antibiotici, alcuni ormoni) e Gli amminoacidi sono nelle pareti batteriche. molecole ANFOTERICHE, cioè

Gli aminoacidi sono molecole anfoteriche, cioè in grado di assumere sia cariche positive che negative in funzione in grado di assumere del pH. Abbiamo quindi tre forme di aminoacidi (carica positiva, negativa e neutra). La carica di un gruppo che può simultaneamente sia cedere o assorbire protoni dipende dal pH quindi vale ancora la relazione di Hasselbach.

Ad un certo valore di pH esisterà un aminoacido nella forma priva di carica ovvero sarà all’equilibrio. Questo valore negative. di pH viene definito punto isoelettrico (valore di pH a cui una specie anfoterica ha carica netta pari a 0).

pH < pI carica positiva

pH = pI carica nulla

pH > pI carica negativa pKa1+pKa2

Il punto isoelettrico viene calcolato: pI = 2

Una specie legherà più acqua quanto più è carica.

Aminoacidi

Nelle proteine sono presenti tanti tipi diversi di aminoacidi. Essi possono essere:

Aminoacidi carichi

• Aminoacidi acidi (hanno la possibilità di rilasciare un protone) e loro amidi: possiedono nella loro catena laterale dei gruppi carichi; ci sono due carichi negativamente che sono l’acido aspartico e l’acido glutammico, i quali sono i due aminoacidi più abbondanti presenti nelle proteine che mangiamo. In alcune proteine questi aminoacidi che sono potenzialmente carichi vengono trasformati in altri aminoacidi che sono strutturalmente simili ma non possiedono carica e sono l’asparagina e la glutammina. La differenza fondamentale tra glutammato e glutammina e asparagina e aspartato è l’aspartato e il glutammato possono avere una carica negativa sulla catena laterale mentre le altre due non si possono dissociare e quindi non possono avere cariche né positive né negative. Quindi l’aspartato e il glutammato legheranno più acqua perché sono specie cariche che possono interagire con una nuvola di molecole d’acqua mentre glutammina e asparagina al massimo possono interagire con 3 molecole di acqua. Glutammina e asparagina sono in grado di eliminare l’acqua. Un altro aspetto importante è la differenza di massa atomica tra glutammato e glutammina: il chicco di grano ad esempio ha bisogno di azoto per crescere e la glutammina contiene il doppio dell’azoto che contiene il glutammato.
• Aminoacidi basici: essi differiscono per il tipo di funzione chimica che contribuisce alla loro capacità di assorbire protoni.
  • La lisina è in grado di protonarsi e quindi nella catena laterale può esserci presente una carica positiva.
  • L’arginina ha nella catena laterale la funzione guanidinica; essa è una specie che si può protonare per il 50%. Questo aminoacido quindi è sempre carico positivamente.
  • L’istidina è costituita da una catena laterale con funzione eterociclica. Essa si può protonare sull’atomo di azoto generando uno ione carico positivamente. La cosa fondamentale è che il pKa (6,5) di questa protonazione è molto alto (non è facile attaccare un protone).

Aminoacidi neutri

Essi si dividono in polari e non polari (idrofobici); la differenza è la capacità dei gruppi presenti nella catena laterale di interagire con l’acqua e di formare legami idrogeno con essa.

Quelli polari sono serina, treonina, tirosina, asparagina e glutammina.

Quelli apolari sono alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, triptofano, glicina, metionina e cisteina.

Aminoacidi aromatici

Quelli più “famosi” sono la fenilalanina che differisce dalla tirosina perché esso è molto più idrofobico, infatti è uno degli aminoacidi con le catene laterali maggiormente idrofobiche; un altro è il triptofano che è costituito da una funzione indolica non protonabile che &eg