Biochimica generale-alimentare

Biochimica generale

Differenze tra biochimica e chimica

Aspetti chimici

• Selezione a livello atomico: Gli elementi che entrano in gioco nella vita sono diversi da quelli utili nel pianeta → Fe, Al, Ni elementi più abbondanti nel pianeta → C, H, N elementi fondamentali per la vita.

• Selettività nell’utilizzo di atomi con simile reattività: I legami formati da questi atomi (quelli fondamentali per la vita) sono più facili da rompere e riformare. Gli organismi viventi hanno meccanismi di selezione per decidere chi deve o non deve entrare nella cellula. Per esempio, il calcio è molto presente nel corpo umano e poco nella cellula, il contrario avviene per il magnesio. Quando entra troppo calcio nella cellula, essa si contrae e si blocca.

• Presenza di macromolecole informazionali (nelle cellule biologiche): Ciò dimostra la capacità di trasferire informazioni. Le molecole si organizzano secondo una sequenza, e poi vengono organizzate secondo livelli superiori che differenziano le varie funzioni. In altre parole, i diversi livelli di organizzazione conferiscono a una struttura la sua funzione. L’ordine è fondamentale in quanto, a seconda dei vari livelli di struttura, si hanno diverse funzioni. Le due più importanti sono il controllo della funzione e lo studio delle strutture complesse.

Aspetti fisici

• Compartimentalizzazione: Sia all’interno delle cellule, sia tra le cellule, sia tra sistemi. Essa comporta il punto successivo.

• Trasporto di materiali tra i comparti, cellule e tessuti.

• Signaling: Esso è il trasporto di informazioni per via chimica ed elettrica, tra comparti, cellule e tessuti, creando una rete di comunicazioni.

Aspetti termodinamici

• Sistemi viventi all’equilibrio energia energia: Il primo sistema è all’equilibrio quindi termodinamicamente morto, mentre il secondo, essendo lontano dall’equilibrio, è energeticamente vivo.

• Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti.

Interconversione

• Chimica (catabolismo e anabolismo)
• Chimica elettrica (trasmissione nervosa)
• Chimica termica (omeostasi termica)
• Chimica meccanica (movimento)
• Chimica luminosa (visione e luminescenza)
• Chimica informazionale (organizzare il materiale)

Acqua

L’acqua è la molecola più abbondante in un sistema biologico. Le sue funzioni sono:

• Reagente
• Solvente
• Agente strutturale

Un’importante caratteristica dell’acqua è che è fortemente asimmetrica, sia per la disposizione dei suoi atomi, sia per la disposizione degli elettroni. L’asimmetria è completata dal fatto che la presenza di cariche (positive in H e negative in O) conferisce polarità. Ne deriva che l’acqua è un dipolo asimmetrico e da questo fatto si generano le interazioni con le altre molecole (si stabiliscono le proprietà colligative).

Legame a idrogeno

Le molecole di acqua si legano le une con le altre. Questo legame coinvolge un atomo elettronegativo e un protone (H⁺). Non è un legame forte, quindi richiede e rilascia poca energia. I legami deboli hanno bassa energia e possono essere creati e distrutti con grande facilità. Per questo le specie che formano legami a idrogeno hanno una grande elasticità strutturale. Molto spesso i legami deboli si formano in modo “cooperativo”, la presenza di un legame favorisce la formazione del successivo e così via. In questo caso l’energia richiesta per la rottura dei legami aumenta considerevolmente.

L’acqua ha un elevato calore specifico, infatti bisogna scaldarla molto per far aumentare la sua temperatura. Se si abbassa la temperatura dell’acqua a 4,1°C la si porta alla temperatura di massima densità: qui viene ottimizzato il reticolo di interazioni dei legami H. Il legame a idrogeno ha bisogno che gli atomi coinvolti siano perfettamente allineati, se si aumenta la temperatura le molecole di muovono e indeboliscono i legami H. Numerose molecole hanno la capacità di formare legami H con l’acqua, per esempio gli alcoli fino a 4C si miscelano con l’acqua, la loro capacità di sciogliersi in acqua dipende dal fatto che prevalgono le interazioni fra le molecole o con l’acqua. Se prevalgono le interazioni fra molecole allora la sostanza sarà insolubile, se invece prevalgono le interazioni con l’acqua allora essa sarà solubile.

Proprietà solventi dell’acqua

Anche in questo caso una molecola è solubile se prevalgono le interazioni con l’acqua rispetto a quelle tra molecole o i suoi componenti (ioni). Se si immerge uno ione in acqua si dispongono attorno ad esso le molecole in modo diverso in base alla loro carica, formando una sfera di solvatazione. Aumentando la distanza fra catione ed anione diminuisce l’intensità di attrazione. Uno ione coordina molta più acqua di qualunque altra specie chimica. Le sfere di solvatazione determinano le caratteristiche biologiche dell’acqua. Non tutti i sali però sono solubili in acqua, ad esempio il cloruro di argento non lo è.

Legame idrofobico

L’acqua ha la capacità strutturante nei confronti delle molecole. Questa capacità strutturante è dovuta ad interazioni dell’acqua con le molecole apolari. L’acqua forma attorno alla molecola una sorta di gabbia protettiva detta clatrato. La formazione di queste strutture organizzate da parte dell’acqua porta ad un aumento di ordine nel sistema (diminuzione dell’entropia). Il legame idrofobico è un’interazione di tipo entropico che consente di minimizzare le interazioni sull’interfaccia tra un soluto immiscibile e l’acqua. Un esempio è il sapone, il grasso si incastra alla superficie per legame idrofobico finché non viene lavato con acqua e sapone. Il sapone è il sale di un acido grasso a lunga catena. I saponi sono molecole anfifiliche, ossia in acqua formano micelle, in quanto la parte carica del sapone vuole interagire con l’acqua, mentre la parte non carica vuole interagire con i grassi.

Amminoacidi

Le proteine sono costituite da catene precise di amminoacidi. Un α-amminoacido ha la funzione acida e quella basica, data relativamente da COOH e da NH₂, legate entrambe sullo stesso C che è chirale (Cα). Sul C insistono quattro sostituenti: le due funzioni caratterizzanti, un H e una catena R laterale. In base a come sono disposti i sostituenti può avere due forme chirali. Gli L-amminoacidi sono presenti nelle proteine, mentre i D-amminoacidi sono presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi (antibiotici, alcuni ormoni, pareti batteriche). Gli amminoacidi sono anfoteri, ossia il loro stato di carica dipende dal pH; possono assumere simultaneamente cariche positive e negative sulle due funzioni caratterizzanti.

Classificazione degli amminoacidi

• Neutri: Indifferenti alla presenza di acqua come Ala e Gly. Idrofilici come Ser, Cys, Thr, Asn, Gln. Idrofobici alifatici come Val, Fen, Ile, Met, Leu. Idrofobici aromatici come Phe, Tyr, Trp.
• Carichi: Negativamente (acidi) come Asp, Glu. Positivamente (basici) come Lys, Arg, His.

Punto isoelettrico

Essendo che gli amminoacidi sono sostanze anfotere, possono fungere sia da basi che da acidi, possono esistere in forma sia protonata che deprotonata, ciò dipende direttamente dal pH della soluzione in cui l’amminoacido è presente. In forma generale a pH molto acidi prevale la forma cationica e a pH molto basici prevale la forma anionica. Esiste però un pH, specifico per ogni amminoacido, che permette ad esso di mantenere sia carica positiva che carica negativa, qui l’amminoacido è presente in forma di ione dipolare (zwitterione): tale valore di pH è chiamato punto isoelettrico. Solitamente il PI si trova intorno a pH neutro.

Amminoacidi con catene non protonabili

In questo caso il PI è la media dei due valori di pKa relativi alla dissociazione del residuo COOH e al residuo NH₂.

Esempio alanina: pKa(COOH)= 2 pKa(NH₃)= 9,22 PI= (2+9,2)/2= 5,6 Quindi a pH maggiore del PI l’alanina avrà carica negativa, a pH minori del PI l’alanina avrà carica positiva.

Amminoacidi con catene protonabili (acidi)

PI=(pKa1+pKa3)/2 dove pKa1 e pKa3 sono i pKa dei gruppi COOH, non si tiene conto quindi del pKa del gruppo amminico.

Esempio ac. Aspartico: pKa1=2,1 pKa2=9,8 pKa3=3,9 PI=(3,9+2,1)/2=3

Amminoacidi con catene protonabili (basici)

PI=(pKa2+pKa3)/2 dove pKa1 e pKa3 sono i pKa dei gruppi NH₂, non si tiene conto quindi del pKa del gruppo acidico.

Esempio lisina: pKa1=2,18 pKa2=8,95 pKa3=10,53 PI=(8,95+10,53)/2=9,74

Per il calcolo del punto isoelettrico di un peptide bisogna tenere conto dei pKa del gruppo amminico del primo amminoacido, del gruppo carbossilico dell’ultimo amminoacido e delle varie catene laterali che sporgono.

pKa delle catene laterali

• Asp = 3,7
• Glu = 4
• His = 6
• Tyr = 10
• Lys = 10,5
• Arg = 12

Scambio di disolfuri

Trasforma un legame covalente intramolecolare (nella stessa proteina) in uno intermolecolare (in due proteine diverse). Non comporta, però, una variazione del numero di -SH e -S-S. Diversi amminoacidi si trovano nelle proteine con la loro forma modificata. Si tratta quasi sempre di modificazioni post-strutturali, ovvero avvengono dopo che la proteina è stata sintetizzata. Molte di esse sono specie specifiche, quindi hanno rilevanza anche per determinare l’origine di materiale alimentare. Per esempio l’idrossiprolina si trova solo nel collagene, quindi analizzando ad esempio dei wurstel, trovando questa proteina si deduce che sono stati preparati con anche del tessuto connettivo. Esistono poi anche delle specie bioattive, ovvero molecole che si formano da amminoacidi liberi, sia rimuovendo gruppi funzionali sia modificandone la struttura. Per esempio la tiroxina è un ormone che regola le funzioni della tiroide. → Tiroxina ormone → Triptamina (da triptofano) vasodilatatore → Instammina neurotrasmettitore.

Proteine

Sono polimeri informazionali costituiti da L-amminoacidi messi secondo un ordine preciso che sta nel genoma di ciascun essere vivente. Le proteine svolgono ruoli fondamentali:

• Catalitici, accelerano la trasformazione delle molecole
• Sono coinvolte in tutti i fenomeni di trasporto
• Riserva
• Partecipare alla formazione di strutture, semplici a livello di cellule o più complesse a livello degli alimenti. Quasi tutto quello che mangiamo deve la sua consistenza e il suo sapore alle proteine che contiene

Struttura primaria

Sono catene lineari di amminoacidi, legati tra loro tramite legame peptidico. Il legame peptidico caratterizza la struttura primaria ed è un legame covalente tra il gruppo carbossile in α del primo amminoacido e il gruppo amminico in α del secondo. Esiste, inoltre, uno specifico verso per “leggere” una catena peptidica (amminoterminale → carbossiterminale). Il legame peptidico presenta parziali caratteristiche di doppio legame grazie all’elettronegatività dell’ossigeno che costringe gli atomi che vi partecipano a stare sullo stesso piano. Il Cα infatti rappresenta l’unico possibile punto di rotazione della molecola: si forma così una struttura proteica o “piastrine a snodate”.

Punto isoelettrico di un peptide

È un valore di pH legato alla totalità degli amminoacidi presenti, è dato dai gruppi αC e αN della catena ed è influenzato dal pH e dalle catene che sporgono dalla catena.

Esempio: lo yogurt si produce portando le proteine al loro punto isoelettrico abbassando il pH a 5,5/6. Se il pH si abbassa ulteriormente il composto inizierà a separarsi poiché si andrà ad intaccarne l’equilibrio.

Alcune complicazioni:

• La presenza di prolina (imminoacido), causa una rigidità della catena a livello di questo amminoacido
• La struttura primaria di una proteina (sequenza) essendo codificata a livello genetico, eventuali alterazioni della codifica possono ricadere in primo piano sulla catena primaria e di conseguenza in sistemi più complessi, causando modifiche (mutazioni) che sono importanti dal punto di vista evolutivo, patologico e per utilizzazioni pratiche in campo alimentare.

Esempio: con alcuni tipi di latte non è possibile produrre il formaggio poiché non esistono le sequenze amminoacidiche che permettono la formazione di caglio. Tali mutazioni possono essere:

• Conservative, cambia l’amminoacido, ma con uno simile che quindi conserva le caratteristiche della proteina
• Non conservative, cambia l’amminoacido, ma con uno con proprietà totalmente diverse, cambiando la natura della proteina

Le proteine non hanno sempre l’esatta sequenza scritta nel DNA e questo avviene per diversi motivi:

• Mancato processo, la cellula non ha tolto alcuni dei “cappucci di protezione” (delle aggiunte alla molecola che inserisce la cellula per proteggere i suoi prodotti)
• Modificazioni post-strutturali, modificazioni che avvengono dopo che le proteine sono state fabbricate

Esempio insulina: questa molecola nasce come un lungo polipeptide formato da quattro parti: la pre-pro-insulina è una catena ad avvolgimento casuale appena sintetizzata dai ribosomi. La sequenza leader consente alla catena di essere trasportata al pancreas dove viene preparata. È un esempio di sequenza funzionale. Una volta raggiunto il pancreas si stacca. Dopo la scissione della sequenza leader la pre-pro-insulina si piega in una conformazione più stabile e si formano i ponti disolfuro: a questo punto si ha la pro-insulina. La sequenza di connessione viene rimossa e si forma l’insulina matura.

Struttura secondaria

In questa struttura le catene a piastre snodate polipetidiche si avvolgono nello spazio, con questo si hanno due vantaggi:

• Le strutture, essendo più compatte, occupano meno spazio
• La particolare disposizione consente determinate funzioni

Questa struttura è stabilizzata da un solo legame ovvero quello idrogeno

α-elica

Le piastrine sono adagiate sulla superficie di un cilindro, formando una struttura regolare stabilizzata dai legami H tra il residuo carbossilico di un amminoacido e il residuo amminico della quarta piastrina successiva. L’interno del cilindro è vuoto poiché non sono presenti legami. Tutti i gruppi R sporgono verso l’esterno come catene laterali. Analizzando la β-lattoglobulina, presenta caratteristiche intrinseche di funzionalità, come per il fatto di avere tutte le strutture (catene laterali) idrofiliche da una parte dell’elica, mentre quelle idrofobiche si trovano dalla parte opposta. Interagisce con il solvente, mentre quella idrofobica resta verso il resto della proteina.

• Esistono alcuni amminoacidi che sono incompatibili con la struttura ad α-elica:
  • Prolina, non può formare strutture secondarie perché il Cα non può ruotare. Nelle strutture secondarie è utilizzato solo per passare da una struttura ad un’altra
  • Amminoacidi carichi, se nella catena si hanno amminoacidi con la stessa carica vicini, è presente la repulsione elettrostatica, le catene laterali si respingono e si destruttura la proteina. Amminoacidi con carica alternata adiacenti invece possono coesistere
  • Amminoacidi ramificati, Val e Ile, se vicini danno problemi di ingombro sterico
  • Glicina, un’α-elica troppo ricca in glicina non sta in piedi poiché le sue catene laterali formate dal solo H, formano facilmente legami H con l’acqua circostante ed essa non riesce a creare ulteriori legami H per la stabilità della struttura.

β-sheet

Le differenze con l’α-elica:

• Le piastre amminoacidiche giacciono su dei piani che hanno delle angolazioni nei punti Cα
• I legami H si formano tra regioni della sequenza che giacciono sullo stesso piano, ma che possono essere lontani nella sequenza
• I gruppi laterali sporgono sopra e sotto e riescono ad esercitare la necessaria protezione dell’acqua

Anche le strutture β-sheet possono generare superfici anfifiliche. Esistono due tipi di β-sheet:

• Parallelo
• Antiparallelo

Quando si crea un arrangiamento antiparallelo si ha bisogno di una curva stretta, β-turn, che può essere composta da un residuo di prolina. Per un arrangiamento parallelo si ha bisogno di una curva più lunga β-loop. Le strutture β-sheet sono un buon esempio di strutture cooperative, la solidità della struttura cresce al crescere del numero delle catene che creano la struttura (creando legami H). Già la semplice acquisizione di una struttura secondaria consente alla proteina di svolgere una funzione specifica. Per esempio i β-sheet interagiscono fra loro formando una specie di barile cavo all’interno e vi intrappolano un acido grasso.

Esempio fibroina: è una proteina presente nella seta e nelle ragnatele. La struttura primaria è Ala e Gly a ripetizione, e la struttura secondaria è paracristallina. Da un lato sporge l’Ala e dall’altro Gly; i β-sheet si impaccano in una struttura.