Biochimica generale

Biochimica generale

Definizione di salute secondo l'OMS

La OMS definisce la salute come "lo stato di completo benessere fisico, mentale e sociale di un individuo e non semplicemente lo stato con assenza di malattia e infermità".

Importanza della biochimica

La biochimica è una materia fondante per tutte le materie della scienza della salute:

• Fisiologia: ogni funzione di un organo dipende dalle reazioni biochimiche che avvengono all'interno
• Genetica: branca della biochimica poiché si può parlare della biochimica del codice genetico
• Patologia: patologie possono essere strettamente correlate a mutazioni o modificazioni di processi biochimici
• Chimica farmaceutica: materia che cerca di sviluppare biomolecole che vengono metabolizzate all'interno dell'organismo, cioè farmaci che possono andare a stabilizzare processi biochimici
• Farmacologia
• Immunologia
• Tossicologia

La biochimica è un linguaggio comune tra tutte le scienze della vita e della salute.

Cos'è la biochimica?

La biochimica è la scienza che studia le biomolecole contenute nelle cellule e le reazioni chimiche cui queste vanno incontro rispettando una serie di principi chimici, fisici e termodinamici che, sebbene comuni anche alle modifiche che subisce il mondo inanimato, costituiscono nell'essere vivente la logica molecolare che è alla base della vita. Letteralmente, bio-chimica significa chimica della vita.

Riassunto sulla biochimica

• Una scienza che descrive struttura, organizzazione e funzione della materia vivente sia in termini molecolari sia in termini chimici
• La materia vivente è costituita da biomolecole che presentano diversi gruppi funzionali che, grazie ad essi, sono in grado di interagire tra loro. L'interazione tra diverse biomolecole avviene secondo una serie di principi noti come "logica molecolare" dello stato vivente ed è proprio grazie ad essi che siamo in grado di svilupparci e vivere
• La vita consiste in una serie di reazioni chimiche raggruppate sotto il nome di metabolismo

Mappa metabolica

La mappa metabolica descrive le reazioni fondanti del metabolismo energetico che avviene all'interno della maggior parte delle cellule viventi. L'insieme di tutte le reazioni chimiche che ha luogo in un essere vivente prende il nome di "metabolismo".

All'interno della mappa metabolica si hanno una serie di molecole che vengono trasformate da una sequenza di reazioni, le quali sono indicate con le frecce che possono essere unidirezionali, cioè la reazione è irreversibile e procede solo in un senso, oppure bidirezionali, cioè la reazione è reversibile.

Quindi, attraverso una serie di reazioni che prende il nome di via metabolica, un substrato come per esempio il glucosio 6-fosfato della glicolisi, viene trasformato nel suo prodotto finale che, in questo caso, è il piruvato. Questo processo porta alla formazione di altre molecole chiamate intermedi metabolici, che si formano proprio durante la via metabolica. Gli intermedi metabolici possono essere utilizzati dalla cellula per altre vie metaboliche, per questo sono comunque essenziali.

Esempio: un intermedio metabolico della glicolisi a 3 atomi di C può essere trasformato in glicerolo, che è la base dei glicerofosfolipidi.

L'insieme delle reazioni chimiche che consentono la trasformazione chimica graduale, in diversi e sequenziali passaggi, del precursore nel prodotto finale costituisce una via metabolica. Non sempre le vie metaboliche sono lineari, alcune volte possono essere circolari e in questo caso il prodotto finale della via metabolica risulta essere uno dei substrati iniziali della via metabolica stessa. Tuttavia, è da sottolineare che tutte le vie metaboliche sono tra di loro correlate.

Il metabolismo serve a trasformare elementi che prendiamo dall'ambiente, come gli alimenti che contengono nutrienti, in composti più semplici attraverso i processi di digestione e assorbimento. I composti più semplici possono essere utilizzati per costruire le macromolecole necessarie al nostro organismo, oppure vengono ossidate per ottenere energia.

Esempio: il C organico contenuto negli alimenti viene trasformato in CO₂ e H₂O e viene eliminato come prodotto di scarto, mentre l'energia viene utilizzata per fare un lavoro cellulare. Si può avere anche la possibilità di depositare l'energia nell'organismo e i più importanti depositi di energia sono i trigliceridi e il glicogeno.

Attraverso lo stesso metabolismo si può metabolizzare molecole che non servono alla vita dell'organismo e chiamiamo xenobiotici, possono essere tossici e possono essere farmaci, ed essi seguono le stesse vie metaboliche che seguono le biomolecole presenti all'interno dell'organismo. Capire la via metabolica che seguono gli xenobiotici è fondamentale per capire il destino chimico di un farmaco che è stato progettato per avere una determinata azione/risposta.

Le cellule

Cellula procariotica

Sono cellule semplici, non possiedono un vero e proprio nucleo e sono quasi assenti gli organelli citoplasmatici. Sono però dotati di una parete cellulare fondamentale per l'omeostasi salina e ionica, anche in ambienti estremi, e che ricopre la membrana cellulare. Queste sono le cellule ancestrali da cui derivano le cellule eucariotiche.

Cellule eucariotiche

Le cellule eucariote possono essere animali o vegetali e hanno molte cose in comune come il nucleo e il nucleolo. Il nucleo è di fondamentale importanza, proprio per questo è protetto e circondato da una membrana nucleare che presenta pori da cui passa DNA, RNA e proteine. Attorno alla membrana nucleare si hanno dei "serbatoi" del RER sopra al quale sono presenti i ribosomi che sintetizzano le proteine che finiscono al suo interno. Si hanno poi i sistemi più periferici come REL e l'apparato del Golgi.

Inoltre, vi sono i mitocondri formati da una doppia membrana che presenta molte invaginazioni date dalla membrana mitocondriale esterna verso l'interno. Vi sono poi, in modo più o meno numeroso, una serie di organelli subcellulari all'interno dei quali avvengono una serie di reazioni specifiche.

Tuttavia, la cellula vegetale si differenzia da quella animale poiché presenta anche una parete cellulare, oltre alla membrana plasmatica, che è molto simile alla parete dei batteri. Inoltre, la cellula vegetale contiene al suo interno grossi vacuoli all'interno dei quali vengono immagazzinati trigliceridi o carboidrati e cloroplasti all'interno dei quali è svolta la sintesi clorofilliana.

Evoluzione delle cellule

Dall'antica cellula procariotica a singolo filamento di DNA ancorato alla membrana plasmatica, si è passati a una cellula in cui la membrana plasmatica si è invaginata portando il DNA all'interno della cellula stessa per poi arrivare ad una antica cellula eucariotica che presenta il nucleo circondato dal reticolo endoplasmatico. Questa antica cellula eucariotica non è in grado di utilizzare l'ossigeno.

Ad un certo punto questa cellula eucariotica ancestrale ha incorporato un batterio di tipo ossidativo aerobico (ricava energia dall'ossidazione delle biomolecole), il quale si è invaginato all'interno della cellula stessa circondandosi così di due membrane, una quella originale del batterio e una derivante dall'invaginazione della membrana plasmatica della cellula ancestrale. Alcuni geni batterici si sono poi spostati nel nucleo e l'inclusione del batterio con la cellula ancestrale ha trasformato il batterio in mitocondri.

Invece, se il batterio è di tipo fotosintetico (ottiene energia dalla luce e sintetizza biomolecole a partire da CO₂), esso si invagina all'interno della cellula eucariotica ancestrale e si moltiplica. Alcuni geni batterici si sono poi spostati nel nucleo e tale inclusione batterica ha trasformato il batterio in cloroplasti.

Composizione e struttura cellulare

Le cellule eucariotiche sono alla base del nostro organismo, ma queste sono formate da atomi che, con legami covalenti, formano molecole sia inorganiche, la più importante è l'acqua, sia molecole organiche che, a loro volta, possono polimerizzare a dare macromolecole, come gli amminoacidi che si sono polimerizzati a proteine. Le macromolecole, a loro volta, formano gli organelli presenti nelle cellule e le cellule si differenziano secondo la loro funzione sia nell'espressione delle proteine, sia nella struttura, sia nelle dimensioni ecc. Le cellule vanno poi a costituire un tessuto nel quale le cellule comunicano grazie alla matrice extracellulare, il tessuto va poi a formare l'organo e l'insieme degli organi va a formare poi un sistema.

Uomo di riferimento sano: sesso maschile, adulto con peso di 70 kg. Un individuo di queste caratteristiche è "formato" principalmente da muscolo scheletrico, tessuto adiposo, scheletro e pelle. Quindi, gli organi metabolici più importanti (come cuore, fegato, cervello e rene) costituiscono una percentuale molto minore del peso corporeo totale.

Andando ad analizzare la composizione atomica si può notare come essa sia molto differente tra la materia non vivente e il corpo umano. La crosta terrestre, infatti, è composta principalmente da:

• Silicio
• Ossigeno
• Alluminio e Ferro

Mentre nell'organismo umano gli elementi maggiormente presenti sono:

• Idrogeno ed ossigeno sono i più importanti perché vanno a costituire H₂O
• Carbonio: componente fondamentale di tutte le molecole organiche
• Azoto

Questi elementi che compongono il corpo umano rappresentano il 99% della massa del corpo umano. Microelementi come selenio, zinco e manganese sono considerati perché sono presenti in unità micromolare.

Elementi essenziali e legami chimici

Gli atomi, soprattutto C, H, O, N, che sono gli elementi essenziali per la vita, sono associati a formare molecole grazie alla presenza di legami covalenti stabili e mantengono la loro struttura grazie a legami labili o deboli.

Legami covalenti

• La chimica degli organismi viventi è organizzata intorno al carbonio che rappresenta più della metà del peso secco. Il C ha una versatilità chimica notevole, infatti ha la capacità, praticamente unica, di formare un numero quasi infinito di composti mediante la sua possibilità di generare fino a 4 legami covalenti (singoli, doppi o tripli) altamente stabili. I composti che contengono una struttura carboniosa sono detti organici e la maggior parte delle biomolecole sono composti organici.
• Metano: questo composto può essere rappresentato in diversi modi:
  • Formula di struttura: C legato a 4H rappresentati con linee perpendicolari al C stesso.
  • Modello a sfere e bastoncini: vengono rappresentati anche i raggi atomici di C e H, e si nota che questi formano un tetraedro e proprio ai vertici di questo si trovano gli H. Il tetraedro ha angoli ben specifici.
  • Modello a spazio pieno: dà un'idea del volume e dei raggi di Van der Waals dei diversi atomi.

Come detto precedentemente esiste una grande varietà di molecole carboniose. Le molecole organiche che presentano solo atomi di C e H sono detti idrocarburi. Essi possono essere a catene lineari o ramificate, oppure avere catene con doppi e tripli legami. Le catene idrocarburiche possono anche ciclizzare a formare degli "anelli" che a loro volta possono essere aromatici semplici, aromatici coniugati oppure aromatici eterociclici quando è presente un atomo che non è un C. Gli idrocarburi si distinguono in alcani, alcheni e alchini.

Isomeria e gruppi funzionali

• Alcuni composti del C sono detti isomeri, cioè molecole con la stessa formula grezza, ma diversa struttura e ogni isomero ha proprietà chimico-fisiche peculiari; gli isomeri sono quindi molecole diverse e tale diversità è data anche dai gruppi funzionali.
• Gruppi funzionali sono gruppi di atomi che partecipano alle reazioni chimiche. Essi danno alla molecola particolari proprietà di reattività chimica.

Alcuni esempi di gruppi funzionali importanti sono:

• Gruppi alcolici o ossidrilici (O-H). L'ossigeno può essere I, II, III. Un esempio di molecola che contiene un gruppo alcolico è l'etanolo. Gli alcoli si trovano anche negli zuccheri.
• Gruppi carbonilici: aldeidi (HC=O) e chetoni (CC=O). L'ossigeno è in forma più ossidata rispetto all'ossigeno dei gruppi alcolici. I gruppi carbonilici vanno a formare molecole molto importanti, infatti alcuni zuccheri sono aldeidi o chetoni polidrossilici, ma si hanno anche altri aldeidi e chetoni come metaboliti intermedi o come metaboliti terminali. Un esempio sono i metaboliti che derivano dall'ossidazione degli acidi grassi, essi vengono chiamati corpi chetonici.
• Gruppo carbossilico (HO-C=O) il gruppo chetonico-aldeidico può essere ulteriormente ossidato ad acido carbossilico. Un esempio è l'acido acetico, metabolita fondamentale che deriva dall'ossidazione di tutte le biomolecole. Acidi carbossilici a catena lunga importanti sono gli acidi grassi che hanno particolari proprietà.
• Gruppo amminico (NH₂): oltre all'ossigeno si possono legare altri atomi come l'azoto, formando le ammine. Il gruppo amminico è il gruppo più importante per gli amminoacidi. All'interno del nostro organismo ci sono moltissimi gruppi amminici per questo il nostro organismo si è organizzato in modo tale da eliminare l'azoto in modo efficiente. Infatti, esso viene eliminato dal nostro organismo mediante un sistema di scarto, quello principale è la biosintesi che porta alla formazione dell'urea.

Ogni biomolecola ha una personalità chimica che viene definita dalla presenza di uno o più gruppi funzionali.

Nomenclatura

• I residui organici che vanno a comporre le biomolecole possono formare:
  • Metile: etano legato a un altro C è detto metile
  • Etano è detto etile
  • Anello aromatico benzenico è detto fenile
• Gruppo aldeidico e chetonico sono detti gruppo carbonile, gruppo acido è detto carbossile, il gruppo alcolico legato a un C saturo è detto idrossile, mentre se il gruppo alcolico è legato a un C che presenta un doppio legame è detto enolo.

Gli alcoli tramite una reazione di condensazione formano un etere. Se si condensa un alcol con gruppo acido si forma un estere. Se si condensa un acido con un alcol e l'acido è l'acido acetico, l'estere conterrà un residuo acetilico. Se si condensano due acidi tra di loro, che possono essere entrambi inorganici o anche organici, si ottiene un legame che è anidritico.

Ogni biomolecola ha una determinata reattività che viene definita da uno o più gruppi funzionali.

Biomolecole polifunzionali

Tuttavia, le biomolecole sono polifunzionali, cioè contengono più gruppi funzionali ciascuno con le proprie proprietà.

Esempio Acetil-Coenzima A: molecola è un trasportatore di gruppi acetili in alcune reazioni enzimatiche e presenta più gruppi funzionali. Tale molecola termina con uno zolfo organico e per questo fa un legame estero particolare, cioè un tioestereo; ha poi un legame ammidico, un'anidride inorganica, un estere inorganico, una molecola eterociclica che contiene un gruppo ammidico. Strutturalmente si ha un acetile legato a un braccio lungo e flessibile. L'acetil-Coenzima A è un esempio di molecola presentante gruppi funzionali differenti. Parte della molecola deriva da una vitamina che è l'acido pantotenico.

Molecole biologiche principali

Le cellule sintetizzano un numero enorme di grosse molecole a partire da una rispettiva serie di molecole più piccole. Le quattro classi principali di molecole biologiche sono:

• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine
• Acidi nucleici

Molte di queste molecole hanno dimensioni molto grandi, dal punto di vista molecolare, e per questo sono definite macromolecole.

Legami covalenti

L'atomo di C può condividere una o più coppie di elettroni, andando a formare legami differenti:

• Legame covalente singolo: condivisione di una coppia di elettroni con un altro atomo, che può essere un H, un O, un N o un altro C. Esso permette la rotazione libera del C e questo porta a strutture tridimensionali molto eterogenee, chiamate conformeri. Sono strutture che possono esistere tutte, ma che hanno stabilità diversa. Il carbonio, in questi casi, è ibridato sp³ con un angolo di 109,5° e una geometria tetraedrica.
• Legame covalente doppio o triplo: condivisione di due o tre coppie di elettroni con un altro atomo. Tale legame è più corto, maggiore sono le coppie di elettroni condivise e questo rende il legame rigido con l'impossibilità di rotazione. Con doppio o triplo legame, tutti gli atomi si trovano sullo stesso piano con angoli di 120° e l'ibridazione del C è sp² o sp. L'impossibilità di rotazione libera porta alla formazione di configurazione differenti.

Rappresentazione tridimensionale

Quindi, gli atomi nello spazio possono arrangiarsi in modo tridimensionale. Proprio per questo esistono diversi metodi di rappresentazione:

• Cunei e tratteggi: tramite cunei e tratteggi si evidenziano i legami tra gli atomi. I cunei indicano che quel legame si "proietta" fuori dal foglio, mentre i tratteggi indicano che il legame "si proietta" sotto il foglio.