Appunti Biochimica 1

Biochimica

Tratta di relazioni struttura-funzione delle biomolecole: cioè chiunque, osservato un effetto, si domanda qual è la causa. La biochimica, osservata una funzione biologica, chiede: qual è la struttura chimica (biomolecola) che la giustifica?

Struttura chimica e funzione biologica

Struttura chimica → Funzione biologica (es. enzimi ed intermedi metabolici → fermentazione alcolica). Le caratteristiche degli atomi che formano le biomolecole sono la causa strutturale che spiega l’effetto, cioè le funzioni biologiche vitali.

Breve storia dell’evoluzione

3,5 miliardi di anni fa → cianobatteri, solfobatteri fotosintetici, metanogeni, ecc. Produzione abiotica di biomolecole (esperimento di Grey-Miller, riproduzione dell’atmosfera primordiale: metano, ammoniaca, acqua, idrogeno, ecc). Forti cambiamenti di temperatura con forti scariche elettriche danno origine alla sintesi degli amminoacidi.

Esperimento di Grey-Miller: sistema chiuso con gas e scariche elettriche. Risultati: formazione di acidi grassi, urea, amminoacidi, acidi vari ma anche zuccheri e basi costituenti del DNA e dell’RNA. Successivamente a ciò si formarono i batteri, archea, eucarioti e infine funghi, alghe e animali.

Cosa distingue un oggetto inanimato da un organismo vivente?

• Complessità:
  • Chimica: tanti tipi di molecole;
  • Strutturale: tante strutture 3D;
  • Organizzativa: relazioni 3D tra strutture 3D;
  • Sociale.
• Capacità di alimentarsi: assimilare biomolecole per la crescita, ricambio, energia chimica, meccanica, elettrica, …
• Capacità di autoreplicarsi: genitori → figli uguali.
• Capacità di crescere: sintetizzare biomassa.

Tipi di organismi in base alla fonte di energia

• Organismi fototrofi → luce fonte di energia (si dividono in fotoautotrofi e fotoeterotrofi).
• Organismi chemiotrofi → energia chimica fonte di energia (chemioautotrofi se la fonte di carbonio è l’anidride carbonica; chemioeterotrofi se la fonte di carbonio sono i composti organici).

Il flusso di elettroni fornisce energia agli organismi.

Nella cellula:

• Ribosomi → sintesi proteine utilizzando le informazioni contenute nell’RNA.
• Nucleoide → contiene una o più molecole di DNA circolare.
• Pili → punti di adesione alla superficie di altre cellule.
• Flagelli → provvedono al movimento cellulare.
• Involucro nucleare → strutture che variano a seconda del tipo di batterio.

Batteri:

• Batteri gram-positivi → si colorano di viola a contatto con una sostanza detta “gram”. Hanno uno strato solido di glicoproteina, una membrana plasmatica e il peptidoglicano.
• Batteri gram-negativi → non si colorano. Sono dotati di una membrana esterna, una membrana plasmatica e il peptidoglicano.

Cellula con organelli

Complessi supramolecolari (cromatina, membrana plasmatica, parete cellulare) → Macromolecole (DNA, proteine, cellulosa) → Unità monomeriche (nucleotidi, amminoacidi e zuccheri).

I componenti biochimici cellulari che possono essere riutilizzati sono chiamati alimenti/nutrienti e appartengono a 3 classi chimiche: glucidi (zuccheri, carboidrati, ecc), protidi/proteine (amminoacidi, …), lipidi (acidi grassi, colesterolo, …).

Reazioni biochimiche

La via anabolica aumenta l’ordine (∆S<0)

La via catabolica aumenta il disordine (∆S>0)

Energia libera di Gibbs (∆G=∆H-T*∆S)

Un processo avviene spontaneamente solo se ∆G<0, cioè se viene rilasciata energia libera durante il processo. ∆H è negativo per reazione che libera calore. ∆S è positivo per reazione che provoca un aumento del disordine del sistema. ∆H rappresenta il contributo alla rottura/formazione dei legami. -T*∆S è il contributo dell’entropia al ∆G del sistema.

• ∆H<0 → calore va dal sistema all’ambiente (reazione esotermica);
• ∆H>0 → calore va dall’ambiente al sistema (reazione endotermica);
• ∆S<0 → diminuisce il disordine del sistema;
• ∆S>0 → aumento del disordine del sistema.

Un processo è favorevole (spontaneo), se ∆G<0; un processo è sfavorevole (non spontaneo) se ∆G>0. Va bene qualunque combinazione di ∆H-T*∆S che renda l’equazione negativa e che dunque renda il processo favorevole.

Accoppiamento di reazioni

Se bisogna far progredire una reazione che crea ordine come sintesi di una proteina, quindi con ∆G>0, come si può fare? Bisogna accoppiare ad una reazione endoergonica (sintesi biochimica) una esoergonica (ossidazione). Esempio: la reazione di anabolismo è di sintesi (lavoro cellulare, osmotico, meccanico) mentre la reazione di catabolismo è di ossidazione/demolizione (cibo ingerito, fotoni solari). Il catabolismo serve a generare energia per permettere l’anabolismo di molecole complesse.

Glucosio ⇌ Glucosio-6-fosfato

• Reazione 1: glucosio+P → glucosio 6 fosfato (endoergonica)
• Reazione 2: ATP → ADP+P (esoergonica)
• Reazione 3: glucosio+ATP → glucosio 6 fosfato

La reazione è spontanea (∆G1<∆G2)

Keq e ∆G⁰

Questi valori sono una misura della tendenza di una reazione a procedere spontaneamente. ∆G e ∆G⁰ si misurano in Joule/mole (o calorie/mole)

∆G⁰=R*T*lnKeq con Keq=[C] +[D] /[A] +[B] Reazione: aA+bB⇌cC+dD

• Quando Keq=1, il valore di ∆G⁰=0
• Quando Keq>>1, il valore di ∆G⁰ è grande e di segno negativo
• Quando Keq<<1, il valore di ∆G⁰ è grande e di segno positivo

Enzimi = proteine che facilitano reazioni chimiche, riducono la barriera di energia di attivazione.

Quali atomi formano le biomolecole?

A livello di atomi costituenti, la materia vivente o biomassa è composta da pochi tipi di elementi: carbonio, idrogeno, azoto, fosforo, ossigeno, zolfo. Gli eteroatomi (O, N, P, S) modificano biologicamente il carattere inerte degli scheletri carboniosi (C+H).

Cosa sono i gruppi funzionali?

Sono gruppi di atomi (C, H) e/o eteroatomi (O, N, P, S) che hanno proprietà chimico fisiche (introducono nuove funzioni ovvero proprietà chimico fisiche/biologiche). Esempi: ossidrile, aldeide, chetone.

Elettronegatività

È un carattere periodico degli atomi della tavola periodica degli elementi. Aumenta da sinistra a destra.

Differenza:

• C-C apolare → 0
• C-H apolare → 0,3
• N-H polare → 0,8
• O-H molto polare → 1,2
• Na-Cl legame ionico → 2,1

In un legame chimico σ, 2 elettroni di legame sono distribuiti in mezzo ai 2 atomi. Gli elettroni sono attratti dall’atomo più elettronegativo fino alla formazione di un dipolo, ovvero una struttura rigida con parziale carica positiva e una parziale carica negativa.

Tipi di legami

• Omopolare: atomi con stessa elettronegatività
• Eteropolare: un atomo è più elettronegativo
• Legame ionico: carica netta negativa su un atomo e positiva sull’altro atomo

Le proprietà chimico fisiche e biologiche dei gruppi funzionali discendono da:

1. Legami chimici interatomici (dalla struttura primaria)
2. Dalla polarità dei legami primari (interazioni intermolecolari o secondarie)

Ma è solo l’elettronegatività da considerare? Qual è la differenza tra formula di struttura e struttura?

Modi di rappresentare la struttura 3D

• Rappresentazione spaziale secondo una convenzione
• Rappresentazione in prospettiva (“ball and stick”)
• Rappresentazione a spazio pieno

Dietro alle parole acqua, glucosio, alanina si deve sempre pensare a strutture: formule e strutture spaziali 3D. In biochimica, per struttura si intende la struttura spaziale 3D: come una molecola vede un’altra molecola con la quale interagire.

I legami covalenti hanno 2 elettroni condivisi (singoli, doppi, tripli): legami σ e π. La struttura 3D delle molecole si basa sulla forma degli orbitali di legame:

• Orbitali atomici (sp)
• Orbitali ibridi (sp², sp³)
• Orbitali di legame (σ, π)

Differenza tra conformazione e configurazione

Conformazione: cambiamento della disposizione degli atomi mentre ruotano intorno al legame singolo (atomi appaiati o spaiati). Non può avvenire intorno al legame doppio perché impedirebbe la rotazione. Non richiede la rottura dei legami e avviene con orientazione tetraedrica.

Configurazione: il suo cambio richiede la rottura dei legami, es. acido maleico (cis) e acido fumarico (trans).

Chiralità delle molecole

La molecola ruotata non può essere sovrapposta all’immagine speculare della molecola originaria. Ciò avviene se l’atomo di carbonio attacca 4 atomi diversi tra loro (centro stereogeno).

Esempio di chiralità con cambiamento di proprietà: (R)-carvone (essenza menta) (S)-carvone (essenza cumino). La struttura spaziale 3D aggiunge complessità alla distribuzione delle cariche atomiche sulla superficie esposta (esterna) delle biomolecole. Quindi influisce in modo determinante su:

• Possibilità di interazione intermolecolare
• Le proprietà funzionali come la capacità di reagire, catalizzare

Reattività in acqua

L’acqua è l’elemento preponderante nelle cellule. Dalle interazioni tra le biomolecole con l’acqua deriva la definizione di idropaticità (carattere di interazione con l’acqua). Dipende dalla polarità dei gruppi funzionali:

• Biomolecole polari = idrofile in acqua
• Biomolecole non polari = idrofobiche in acqua (es. lipidi neutri)
• Biomolecole in % polari in % apolari = anfipatiche in acqua (es. fosfolipidi, proteine)

La disomogeneità delle cariche sulla superficie delle molecole determina: attrazione/repulsione dei gruppi funzionali (dipoli, legami H, legami di Wan der Waals), riconoscimento biochimico molecolare, la capacità di reagire (nucleofilo/elettrofilo), le reazioni metaboliche ordinate.

Riassumendo:

I gruppi funzionali delle biomolecole permettono di predire tutti i legami deboli intermolecolari tramite:

1. La struttura
2. L’elettronegatività degli atomi dei gruppi funzionali
3. La polarità dei gruppi funzionali delle molecole (basata sulle differenze di elettronegatività tra gli atomi)

I gruppi funzionali delle biomolecole danno un riconoscimento molecolare. Una cellula è un laboratorio chimico automatico dove l’evoluzione ha sviluppato biomolecole per riconoscerne altre necessarie ad effettuare reazioni che permettono di esprimere la vita. I gruppi funzionali sono alla base del legame di un substrato nel sito attivo di un enzima per il riconoscimento. Fasi del riconoscimento a livello chimico molecolare:

• Avvicinamento delle molecole in base al carattere di compatibilità elettrostatica a livello tridimensionale o di struttura.
• Successiva formazione del massimo numero di legami secondari tra loro.
• Attrazione o repulsione con molecole di acqua.

Rapporti struttura/funzione in biochimica

1. Funzione biologica → enzimi, metabolismo, …
2. Macromolecola/ultrastruttura → membrana, …
3. Polarità della molecola → legami deboli intermolecolari
4. Gruppo funzionale → polarizzazione
5. Atomo → elettronegatività