Biochimica generale - primo parziale

Biochimica e chimica a confronto

Aspetti chimici

Selezione a livello atomico: Gli elementi presenti nella cellula non sono quelli più abbondanti sul pianeta. Gli elementi più abbondanti sulla Terra (poco reattivi) non sono presenti in grandi quantità nella cellula, perché abbiamo bisogno di elementi reattivi visto che la vita è un continuo susseguirsi di reazioni (elementi non in quiete).

Selettività nell'utilizzo di specie con simile reattività: Ad esempio, la troponina è una macromolecola che lega il calcio, cambia la sua struttura e avvia la contrazione muscolare. La miosina è una macromolecola che lega il magnesio, idrolizza una molecola di ATP, cambia la sua struttura e muove le fibre muscolari. Calcio e magnesio differiscono per le loro preferenze quando interagiscono con altre molecole.

La presenza di macromolecole informazionali: Le molecole sono allineate in un preciso ordine (sequenza) che permette di organizzarsi a livelli superiori di struttura controllando una funzione specifica. In biochimica, come nell'espressione verbale:

• Le lettere si ordinano in parole
• Le parole si ordinano in frasi o versi
• Frasi o versi si ordinano in capitoli, canti, atti

Alla fine, si arriva alla compiuta espressione del progetto di comunicazione inteso dall'Autore. La biochimica, infatti, si occupa di organizzare l'informazione in modo da esprimere qualcosa.

Aspetti fisici

Compartimentalizzazione: La cellula è divisa dall'ambiente esterno.

Compartimentalizzazione intracellulare: Per gli eucarioti abbiamo una divisione anche all'interno della cellula (organelli).

Divisione tessutale: Nei sistemi viventi, come il nostro, le cellule vanno a formare i tessuti e i tessuti si organizzano in organismo.

Aspetti termodinamici

I sistemi biochimici sono sistemi aperti lontano dall'equilibrio.

Sistema all'equilibrio: (Per semplicità, recipienti alla stessa altezza, Keq = 1) Energeticamente morto: non c'è produzione o consumo di energia.

Sistema lontano dall'equilibrio: Energeticamente vivo. Il passaggio di liquidi tra i recipienti produce energia (o la consuma, a seconda del verso).

Perché le cose vanno come vanno e non in un altro modo? Per l'entropia (stato di disordine di un sistema).

Costante di equilibrio: All'equilibrio DG=0 il rapporto tra le attività dei reagenti e dei prodotti di reazione elevate per il proprio coefficiente stechiometrico ha un valore fisso, denominato K (costante di equilibrio) Q=K.

L'equazione di Gibbs-Helmholtz viene molto semplificata nei sistemi biologici, dove prende la forma:

In cui gli apici stanno ad indicare che la reazione avviene a pressione atmosferica, a pH uguale a 7.0, ed a concentrazione dell'acqua costante. Anche in questo caso, l'equazione serve a predire il possibile comportamento della reazione, e il suo possibile equilibrio:

Semplificando moltissimo, possiamo raggruppare le reazioni che avvengono nei sistemi biologici nelle seguenti categorie:

• Endoergoniche: Richiedono l'assorbimento di energia
• Esergoniche: Producono energia

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti: La termodinamica ci dice quali probabilità ha una reazione di avvenire come l'abbiamo scritta, ma non ci dà nessuna informazione sulla rapidità con cui essa davvero si svolge. Il controllo della velocità è fondamentale in tutti gli eventi biologici e consente di mantenere le reazioni in un sistema aperto lontano dall'equilibrio, assicurando il flusso e l'interconversione dell'energia.

Se tutte le reazioni sono consentite si arriva all'equilibrio. Se trasformo questo sistema chiuso in un sistema aperto:

In un sistema "aperto" (anche con costanti di equilibrio unitarie = recipienti alla stessa altezza) le altezze dei liquidi nei vari serbatoi (le concentrazioni di A, B, C) dipendono dalla velocità con cui il liquido passa da un recipiente all'altro (dal diametro dei tubi).

Quindi, in un sistema biologico "aperto", le concentrazioni di ciascuna specie dipendono anche dalla velocità della reazione che le produce o le consuma.

Controllo cinetico di possibili reazioni diverse: La prevalente conversione del composto A in B o in C, e le concentrazioni di queste ultime specie dipendono dalla combinazione di:

• Aspetti termodinamici (le altezze dei recipienti e del liquido al loro interno)
• Aspetti cinetici (il diametro dei tubi che li collegano, e la rapidità con cui – lontano dall'equilibrio – essi si svuotano)

Proprietà dei sistemi biologici: interconversione di energia

L'interconversione tra le diverse forme di energia richiede sempre la realizzazione di strutture complesse, in cui sono associate:

• Macchine (molecolari) con funzioni specifiche
• Sistemi di captazione dell'energia (come prendere energia)
• Sistemi di rilascio dei «prodotti» (come convertire energia in qualcos'altro)
• Meccanismi di controllo del funzionamento

L'energia del legame chimico assume altre forme:

• Chimica — chimica (catabolismo e anabolismo)
• Chimica — elettrica (la trasmissione nervosa)
• Chimica — termica (omeostasi termica)
• Chimica — meccanica (movimento)
• Luminosa — chimica (visione e luminescenza)
• Chimica — informazionale (organizzare il materiale, mettere in ordine il caos richiede energia)

L'acqua

L'acqua reagente

L'acqua funge da reagente nelle reazioni di idrolisi (serve per scindere altre molecole).

Solvente agente strutturante

Le molecole d'acqua si legano tra loro con il legame idrogeno: che si forma tra l'H⁺ e l'atomo elettronegativo (nel caso dell'acqua l'ossigeno). I "legami deboli" – come il legame a idrogeno – hanno bassa energia, e possono essere "fatti e disfatti" con grande facilità. Ciò consente una elevata "elasticità" strutturale alle specie in cui essi sono presenti.

Acqua liquida: Molto spesso i legami deboli si formano in modo "cooperativo" (come nel caso dell'acqua): la presenza di un legame favorisce la formazione del successivo, e così via. In questo modo, l'energia richiesta per la rottura dei legami nel sistema aumenta considerevolmente (calore latente: per avere il vapore dobbiamo fornire molta energia sotto forma di calore).

Acqua solida (ghiaccio): Le interazioni tra molecole sono importanti anche nel determinare le caratteristiche geometriche di un sistema: nel ghiaccio le molecole non si muovono più e formano un reticolo cristallino regolare che occupa più volume dell'acqua liquida. Le variazioni di densità dell'acqua con la temperatura (e nelle transizioni di fase) ne sono un esempio: il ghiaccio è meno denso dell'acqua e ciò gli consente di galleggiare su di essa.

Numerose altre molecole hanno la capacità di formare legami idrogeno, tra di loro e con l'acqua (alcoli, chetoni, acidi carbossilici, ammine…). Su questa capacità si basa la loro solubilità/miscibilità:

• Se prevalgono le interazioni tra molecole: il composto è insolubile
• Se prevalgono le interazioni con l'acqua: il composto è solubile

Esempio: Zuccheri semplici: solubili a freddo. Zuccheri complessi (amido):

• Insolubili (a freddo)
• Solubili (a caldo): l'aumento di temperatura rompe le interazioni tra molecole favorendo le interazioni con l'acqua

Proprietà solventi dell'acqua: ioni

Anche in questo caso, una specie chimica è solubile se prevalgono le interazioni con l'acqua rispetto a quelle tra molecole o suoi componenti (in questo esempio, gli ioni che formano il cloruro di sodio).

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 (+). 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 solvate sono quelle che effettivamente partecipano alle reazioni o vengono trasportate da e per le cellule.

• Acqua legata: strato perfettamente ordinato, gli atomi di H sono rivolti verso lo ione, l'acqua in questo stato è difficile da rimuovere dalla specie
• Acqua debolmente legata: sente l'influenza della carica ma non fortemente
• Acqua libera: non risente della carica

Acqua come solvente: acidi e basi

Segno e numero delle cariche possedute da molti soluti possono cambiare in funzione del pH del mezzo. I relativi equilibri sono governati dalla relazione di Henderson-Hasselbach:

pH = pKa + log ([A]/[AH])

[A]/[AH] = 10^{(pH – pKa)}

Si noti che quando pH=pKa il rapporto [A]/[AH] vale 1, cioè [A] = [AH]. Specie chimiche poliprotiche possono avere più di un valore di pKa, come evidenziato dall'acido fosforico.

Acqua come agente strutturante: il legame idrofobico

Le interazioni dell'acqua con molecole apolari (es., 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 (ΔG = ΔH – T * ΔS). Pertanto, 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".

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

Detergenti e proteine alimentari

Assicurati di aver lavato i piatti!

Le proteine aiutano altri tipi di sporco (grassi e oli in particolare) ad aderire alle superfici idrofobiche. Di cosa abbiamo bisogno per scomporlo?

• Calore: Scioglie i grassi, rende l'olio meno viscoso
• Sapone: Micelle detergenti offrono alle proteine un effetto molto idrofobo ambiente; può incorporare trigliceridi
• Olio di gomito (energia meccanica) o getti d'acqua nelle lavastoviglie: Abbattere le goccioline di lipidi; favorisce il distacco delle proteine dalle superfici

Amminoacidi e proprietà delle proteine

Gli isomeri L degli amminoacidi sono quelli presenti normalmente nelle proteine e utilizzati nel metabolismo. Gli isomeri D degli amminoacidi sono presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi, nelle pareti batteriche, e in alcuni composti secreti da vari tipi di cellule (antibiotici, alcuni ormoni).

Gli amminoacidi sono molecole anfoteriche, cioè in grado di assumere simultaneamente sia cariche positive che negative. Le molecole quali gli amminoacidi, che portano gruppi carichi con polarità opposta, sono note come ioni dipolari o zwitterioni. Gli amminoacidi, come gli altri composti ionici, mostrano una solubilità maggiore nei solventi polari rispetto a quelli non polari.

AA neutri:

• Idrofobici: Ala (A); Val (V); Leu (L); Ile (I); Pro (P); Phe (F); Trp (W); Gly (G); Met (M); Cys (C)
• Polari: Ser (S); Thr (T); Tyr (Y); Asn (N); Gln (Q)

AA carichi:

• (+) Lys (K); Arg (R); His (H); (-) Asp (D); Glu (E)

Idrossi-amminoacidi

Gli ossidrili alcoolici nelle catene laterali di serina e treonina sono molto importanti per:

• La funzione catalitica di molte proteine (per esempio, le proteasi con cui digeriamo la componente proteica degli alimenti)
• La possibilità di formare esteri con acidi inorganici, come il fosfato
• La possibilità di formare legami glucosidici con la funzione carbonilica di zuccheri

Amminoacidi aromatici

Gli amminoacidi aromatici hanno un caratteristico spettro di assorbimento nella regione dell'ultravioletto. Questa peculiarità può essere usata per il dosaggio quantitativo delle proteine solubili.

La prolina

La prolina (Pro, P) è un imminoacido, in cui la funzione amminica presente sul carbonio alfa è inserita in una struttura eterociclica, mentre la funzione carbossilica è libera. La carica di un gruppo che può cedere o assorbire protoni dipende dal pH.

Anche per specie anfoteriche vale la relazione di Henderson-Hasselbach:

pH = pKa + log [A]/[AH]

[A]/[AH] = 10^{(pH – pKa)}

I valori di pK dei gruppi ionizzabili dipendono dall'ambiente circostante. Gli α-amminoacidi possiedono due o, per quelli con catene laterali ionizzabili, tre gruppi acido-base. A valori di pH molto bassi, questi gruppi sono completamente protonati, mentre a valori di pH molto alti questi gruppi sono deprotonati. A valori intermedi di pH, i gruppi acidi tendono a essere deprotonati mentre i gruppi basici tendono a essere protonati. Quindi, per l'amminoacido glicina, al di sotto del valore di pH 2,35 (corrispondente al valore di pK del suo gruppo carbossilico acido), predomina la forma cationica +H₃NCH₂COOH. Al di sopra del valore di pH 2,35, l'acido carbossilico è per lo più ionizzato mentre il gruppo amminico è ancora almeno in parte protonato (+H₃NCH₂COO⁻). Al di sopra del valore di pH 9,78 (corrispondente al valore di pK del gruppo amminico), la forma predominante è quella anionica H₂NCH₂COO⁻. Si noti che, in soluzione acquosa, la forma neutra non ionizzata (H₂NCH₂COOH) è presente in quantità trascurabili.

Il pH a cui una molecola non porta carica elettrica netta è detto punto isoelettrico, pI. Per gli α-amminoacidi:

• Per gli acidi monoamminici e monocarbossilici, come per esempio la glicina, K_i e K_j rappresentano K₁ e K₂.
• Per gli amminoacidi carichi aspartato e glutammato, K_i e K_j sono K₁ e K_R, mentre per arginina, istidina e lisina, K_i e K_j sono K_R e K₂

pH < pI carica positiva pH = pI carica nulla pH > pI carica negativa. Dalle catene formate nelle proteine dagli amminoacidi, sporgono solo le "catene laterali", le quali ne condizionano le caratteristiche.

Punto isoelettrico di peptidi e proteine: pI: valore di pH a cui la carica netta è pari a zero se pH>pI, carica netta negativa se pH<pI, carica netta positiva.

Il glutatione è un tripeptide «strano», coinvolto nella regolazione del potenziale redox intracellulare, con sequenza: -glutamil-cisteinil-glicina: contiene un legame isopeptidico.

L'aspartame è un potente dolcificante semi-sintetico, in cui l'aspartato forma un legame peptidico con l'estere metilico della fenilalanina.

Per calcolare il punto isoelettrico di un peptide devo fare la media dei pI degli amminoacidi, o in maniera più precisa calcolare la media delle pKa di tutti gli NH e COOH del peptide.

La formazione o la rottura di un legame covalente tra gli atomi di zolfo di due catene laterali di cisteina (legame disolfuro) sono reazioni redox facilmente reversibili.

La reazione nota come "scambio di disolfuri" (disulfide exchange) non comporta una variazione nel numero di –SH o –S-S-, ma può trasformare un legame covalente intra-molecolare in uno inter-molecolare.

Glutatione: Ha un ruolo fondamentale nel metabolismo cellulare; la sua composizione è Glu–Cys–Gly, in cui il gruppo γ-carbossilico della catena laterale del glutammato forma un legame isopeptidico con il gruppo amminico del residuo di Cys (il termine isopeptidico consente di distinguere questo legame da quello peptidico che si forma dall'unione di un gruppo α-carbossilico con un gruppo α-amminico di due amminoacidi). Due di questi tripeptidi (abbreviati in GSH) vanno incontro a ossidazione dei loro gruppi SH per dare origine a una struttura dimerica unita da un ponte disolfuro detta glutatione disolfuro (GSSG):

Alcuni enzimi antiossidanti usano il glutatione – nella forma ridotta - per eliminare perossidi organici ed acqua ossigenata:

2 GSH + ROOH → GSSG + ROH + H₂O

Altri enzimi usano il glutatione per reazioni di "disulfide exchange" o per ridurre disolfuri in proteine o tra composti più piccoli:

2 GSH + R-S-S-R → GSSG + 2 RSH

Il rapporto GSH:GSSG indica la capacità della cellula di mantenere un ambiente riducente, e di prevenire patologie degenerative. Il glutatione ossidato può venir ridotto – nelle cellule - da un cofattore redox (NADPH) associato all'enzima glutatione reduttasi.

Amminoacidi biologicamente attivi

I 20 amminoacidi standard subiscono molte altre trasformazioni chimiche che possono modificarli in altri amminoacidi o composti correlati. Diversi amminoacidi si trovano nelle proteine in forma modificata. Le catene laterali di tali residui derivano da uno dei 20 amminoacidi standard dopo che il polipeptide è stato sintetizzato. I gruppi R convenzionali sono in rosso, mentre le modificazioni sono in blu. Si tratta – quasi sempre –