Appunti Biochimica 1 – Parte 1 – Completi di immagini e schemi

Matilde Lazzari

Laurea in Biologia

Corso: Biochimica 1

A.a. 2024/25

Contenuti

• Introduzione e acqua
• pH e sistemi tampone
• Amminoacidi
• Proteine parte I
• Proteine parte II
• Mioglobina e Emoglobina
• Enzimi

Biochimica 1

24/02/2025

Vedremo le reazioni chimiche alla base della vita.

Le macromolecole, in base a come sono organizzate nello spazio (struttura), hanno una funzione diversa.

Proprietà dell’acqua e legami chimici delle molecole biologiche

• Tutti gli organismi viventi utilizzano gli stessi tipi di biomolecole (macromolecole) (proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici).
• Tutti gli organismi viventi utilizzano l’energia disponibile nello stesso modo. L’energia è la luce del Sole.
• Le reazioni metaboliche principali sono sostanzialmente le stesse in tutti gli organismi viventi.
• L’organizzazione delle biomolecole è gerarchica, si passa da biomolecole semplici che via via si organizzano in macromolecole più complesse.
• Le molecole complesse sono polimeri di molecole più semplici.

Biochimica

La biochimica è lo studio a livello molecolare degli organismi viventi. Le molecole che costituiscono gli organismi viventi, di per sé prive di vita, interagiscono tra loro in sistemi organizzati, che sono governati dalle medesime leggi chimiche e fisiche che governano l’universo non vivente.

I precursori inorganici, molecole semplici, si organizzano in molecole più complesse, i metaboliti.

I metaboliti semplici a loro volta si possono organizzare in molecole più complesse dette monomeri.

I monomeri via via si organizzano in molecole più complesse, le macromolecole. Gli amminoacidi sono 20 e in combinazione tra loro possono formare un numero elevatissimo di proteine. Anche gli stessi amminoacidi, organizzandosi in maniera diversa, possono formare moltissime proteine diverse.

Le macromolecole a loro volta si organizzano in complessi sopramolecolari.

I complessi sopramolecolari, a loro volta, si possono organizzare in strutture più complesse e grandi, per esempio gli organuli.

!!! Tutto parte dagli stessi costituenti principali che costituiscono anche la materia inanimata, chiamati precursori inorganici (carbonio, idrogeno e ossigeno), i quali, organizzandosi in maniera gerarchica formano sistemi sempre più complessi che sono alla base della vita. A una determinata struttura corrisponde una determinata funzione; per esempio il ripiegamento delle proteine nello spazio ne determina la funzione. !!!

• Tutti gli organismi viventi, pur avendo un alto grado di complessità, sono costituiti dagli stessi tipi di biomolecole (proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici).
• Tutti gli organismi viventi utilizzano energia.
• Capacità di riprodursi: la progenie di un vertebrato ha una somiglianza incredibile con i propri genitori.
• Gli organismi viventi sono in grado di percepire l’ambiente esterno e di cambiare attraverso una evoluzione graduale.

Chimica delle biomolecole

Quali sono le molecole e i costituenti molecolari alla base della vita? Sono 3 e rappresentano il 98% degli atomi presenti negli organismi viventi: carbonio, idrogeno e ossigeno. Altri sono l’azoto, il fosforo e lo zolfo. Le molecole biologiche sono costituite da 25 elementi nella tavola periodica, di cui 6 e in particolare 3 sono i più abbondanti.

Perché sono così abbondanti? Perché gli organismi viventi sono costituiti per la maggior parte da acqua. Il motivo per cui ossigeno e idrogeno sono elementi così comuni è l’ubiquità dell’acqua: ogni tipo di vita necessita di acqua. Dopo ossigeno e idrogeno, l’elemento più abbondante è il carbonio. Il carbonio costituisce lo scheletro di tutte le classi principali di biomolecole.

Le quattro classi principali di biomolecole

• Amminoacidi: carbonio legato a un gruppo carbossilico, uno amminico e una catena laterale (che varia nei diversi amminoacidi). Unità fondamentali delle proteine.
• Zucchero semplice: costituisce l’unità fondamentale dei monosaccaridi (costituiti da una molecola di zucchero, contengono 3/5/6 atomi di carbonio) e polisaccaridi (costituiti da due o più unità di monosaccaridi). Unità fondamentali dei carboidrati.
• Lipidi: la loro funzione principale è quella di riserva di energia, ma possono anche funzionare come molecole segnale e costituenti fondamentali delle membrane biologiche. Sono le macromolecole con le funzioni più variegate.
• Nucleotidi: costituiti da una base azotata (adenina, guanina, citosina e timina o uracile), uno zucchero e un gruppo fosfato. Sono le unità fondamentali degli acidi nucleici, che conservano e trasmettono il materiale genetico.

Perché l’atomo di carbonio è il più abbondante dopo ossigeno e idrogeno?

Ha caratteristiche speciali:

• Può formare fino a 4 legami covalenti, fondamentale per costituire le macromolecole e creare un enorme numero di combinazioni.
• I legami carbonio-carbonio sono legami forti.
• La rottura di tali legami in seguito a combustione genera di conseguenza molta energia (altamente esoergonica).
• In seguito alla combustione (rottura) dei legami si genera CO₂, la quale è perfettamente solubile in acqua.

Non il silicio?… perché il silicio ha tutte queste caratteristiche in comune con il carbonio, ma gli ossidi di silicio che si generano dalla combustione sono essenzialmente insolubili in acqua.

Il carbonio può formare legami multipli con un altro atomo di carbonio o atomi di altri elementi.

La distribuzione dei legami singoli intorno agli atomi di carbonio ha una distribuzione tetraedrica, determinata dal principio di massima distanza tra gli orbitali di legame. Gli angoli sono di 109.5°. Su un legame singolo C-C la rotazione è perlopiù libera, a meno che entrambi gli atomi di C non siano legati a gruppi molto ingombranti o carichi.

Il legame doppio è più corto e rigido e non consente rotazione intorno al suo asse, così come il legame triplo.

Le 4 principali classi di macromolecole

• Proteine: vengono costituite utilizzando 20 precursori: gli amminoacidi legati da legami peptidici in lunghe catene. Queste catene lineari si ripiegano in strutture tridimensionali precise che determinano la loro attività biologica. Gli esseri umani possono sintetizzare 11 dei venti amminoacidi, i restanti, detti amminoacidi essenziali, vanno assunti con la dieta.
• Carboidrati: sono la principale fonte energetica degli esseri viventi. Il carboidrato più comune è il glucosio e viene immagazzinato sotto forma di glicogeno (animali) o di amido (piante).
• Lipidi: sono molecole più piccole rispetto alle proteine e agli acidi nucleici. Hanno una doppia natura: idrofilica e idrofobica. Hanno funzione strutturale (fosfolipidi di membrana), di segnale (steroidi), di riserva (trigliceridi).
• Acidi nucleici: sono costituiti a partire da 4 precursori, i nucleotidi. Sono lunghe molecole lineari la cui funzione principale è quella di conservare e trasferire l’informazione.

!!! La struttura delle molecole è fondamentale per la funzione. Il carbonio è fondamentale per le macromolecole. I sistemi viventi hanno bisogno di energia. !!!

Tutti gli organismi richiedono energia e carbonio per la vita. Si possono quindi suddividere tutti gli organismi viventi sulla base delle sorgenti di energia che richiedono e sulla base delle sorgenti del carbonio.

L’energia solare è la sorgente dell’energia biologica.

Reazioni favorevoli e sfavorevoli: le leggi della termodinamica

I sistemi biologici sono sistemi aperti e si trovano in uno stato stazionario dinamico con l’ambiente esterno. Si presuppone quindi sempre uno scambio di energia e materia con l’esterno. In un sistema isolato non vengono scambiate né energia né materia.

La sintesi delle molecole complesse e le reazioni metaboliche richiedono energia (stato stazionario dinamico).

Un processo termodinamicamente favorevole libera energia. Tale processo è spontaneo (equazione di Gibbs). ΔG = ΔH - TΔS.

Equazione di Gibbs

Energia libera di Gibbs = Variazione di entalpia - (temperatura x variazione di entropia).

Entalpia: calore della reazione a pressione costante. “Quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l’ambiente”.

Entropia: una disposizione meno ordinata è più probabile di una ordinata. “Misura del disordine presente in un sistema fisico”.

L’energia libera di Gibbs (ΔG) fornisce un criterio per stabilire la spontaneità di una reazione.

→ In generale, una qualunque reazione chimica avviene spontaneamente se e solo se la variazione di energia libera (ΔG) è negativa. ΔG = G(P) - G(S).

Variazione di energia libera di Gibbs = G prodotti (P) - G substrati (S).

• Se ΔG < 0, la reazione decorre spontaneamente da sinistra a destra.
• Se ΔG = 0, la reazione è all’equilibrio (la quantità di S che si trasforma in P è uguale alla quantità di P che si trasforma in S nella stessa unità di tempo).
• Se ΔG > 0, la reazione decorre spontaneamente da destra verso sinistra.

Anche le reazioni biochimiche che avvengono all’interno della cellula seguono le stesse leggi fondamentali del mondo inanimato. → Quindi la spontaneità di una reazione biochimica dipende dalla variazione di energia libera tra prodotti e reagenti.

In un processo a temperatura e pressione costanti, una trasformazione è possibile solo se porta a una diminuzione dell’energia libera del sistema in esame.

→ Affinché una reazione chimica possa avere luogo, l’energia libera (G) basale delle molecole che vanno incontro alla reazione (substrati, S), deve essere superiore a quella posseduta dalle molecole che si producono nella reazione (prodotti, P).

La variazione di energia libera standard (ΔG°) di una reazione è un modo di esprimere la costante di equilibrio che è definita dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti all’equilibrio.

Condizioni standard: 1 M (concentrazione 1 molare), 298 K (25 gradi C), 1 atm.

aA + bB → cC + dD

K_eq

ΔG° = -RTlnK_eq

R = costante dei gas.

Questa equazione definisce una equazione in scala logaritmica naturale. y = ln(x).

Per valori di x compresi tra 0 e 1, y < 0.

Una reazione è possibile solamente se la variazione di energia libera di Gibbs < 0.

Interconversioni di energia negli organismi viventi

Un organismo vivente acquisisce energia attraverso i nutrienti nell’ambiente (molecole complesse come zuccheri o grassi) o la luce solare per svolgere tutte le funzioni all’interno della cellula (sintesi chimiche, lavoro meccanico, gradienti osmotici ed elettrici, produzione di luce, trasferimento delle informazioni genetiche). In questa trasformazione parte dell’energia è dispersa sotto forma di calore nell’ambiente esterno e contribuisce ad aumentare l’entropia dell’ambiente.

Il metabolismo produce composti più semplici delle molecole iniziali di combustibile: CO₂, NH₃, H₂O, HPO₄^2-. Questo porta a una diminuzione dell’entropia (disordine) nel sistema. I composti semplici polimerizzano formando macromolecole ricche di informazioni: DNA, RNA, proteine.

Accoppiamento energetico tra reazioni

In che modo una reazione che altrimenti sarebbe sfavorevole all’interno della cellula è chimicamente favorevole? L’accoppiamento tra reazioni endoergoniche e esoergoniche permette tutte quelle reazioni che sarebbero altrimenti sfavorevoli dal punto di vista energetico. In questo modo la reazione è termodinamicamente possibile. La moneta di scambio in tale accoppiamento energetico all’interno degli organismi viventi è l’ATP.

L’adenosina tri-fosfato è costituita da tre gruppi fosfato, zucchero ribosio e una base azotata (adenina).

I legami fosforici vengono usati come trasportatori di energia.

Esempi di accoppiamenti energetici

Tipo meccanico:

• Accoppiamento di sollevamento con ΔG > 0 (che richiede energia, endoergonica) accoppiata a una reazione con ΔG < 0 (che avviene spontaneamente, esoergonica). Il peso può essere sollevato se la reazione di sollevamento è accoppiata a una reazione esoergonica.

Accoppiamenti energetici:

• La fosforilazione del glucosio (ΔG > 0, endoergonica) con l’idrolisi dell’ATP (ΔG < 0, esoergonica).

25/02: L’ATP e l’accoppiamento energetico

L’idrolisi dell’ATP è una reazione fortemente esoergonica.

In una reazione, i substrati A e B vengono convertiti in un prodotto C, con una reazione endoergonica con ΔG > 0. Questa reazione viene accoppiata con l’idrolisi dell’ATP.

Affinché il processo avvenga bisogna che il fosfato venga trasferito dall’ATP e si formi un intermedio fosforilato. L’ATP è ideale per questi processi perché può funzionare da donatore o accettore di gruppi fosfato.

• ATP fa da accettore di gruppi fosfato. Il donatore del gruppo fosfato è il fosfoenolpiruvato, che si trasforma in enolpiruvato.
• Fosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato) della creatina, si forma il prodotto fosfocreatina. La fosforilazione sarebbe impossibile dal punto di vista energetico, è possibile per l’accoppiamento con altra reazione.

Esistono molecole che hanno un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico maggiore di quello dell’ATP, quindi donano un gruppo fosfato all’ADP che si trasforma in ATP.

Trasferimento del gruppo fosfato dall’ATP

Reazione: produzione di glutamina a partire da glutammato.

Il contributo dell’ATP nella reazione (idrolisi dell’ATP) avviene con due step:

• Il gruppo fosfato è trasferito dall’ATP al glutammato e si forma l’intermedio fosforilato.
• Il gruppo fosfato è sostituito dal gruppo NH₃ (amminico), il fosfato è rilasciato e si forma glutammina.

Perché l’idrolisi dell’ATP è favorevole in condizioni standard: basi chimiche

• L’idrolisi dell’ATP è esoergonica (ΔG < 0): i legami fosfo-anidridici sono altamente energetici.
• Migliore separazione di carica nei prodotti di idrolisi: diminuzione della repulsione elettrostatica delle 4 cariche negative dell’ATP.
• I prodotti sono più stabili energicamente per effetto di “risonanza”.
• Migliore solvatazione dei prodotti per la presenza di più specie cariche, ricordando che le reazioni biochimiche avvengono in ambiente acquoso.

La variazione di energia libera standard dipende dalla forza ionica del mezzo in cui avviene la reazione, quindi dalla maggiore o minore concentrazione di ioni metallici che influiscono nei meccanismi di solvatazione.

1. Migliore separazione di carica nei prodotti di idrolisi

La repulsione delle 4 cariche negative dell’ATP diminuisce quando l’ATP si idrolizza.

2. Effetto “risonanza”: dispersione della carica elettrica

Il gruppo fosfato va incontro a una maggiore stabilizzazione per risonanza rispetto all’ATP: l’ortofosfato ha un numero di forme di risonanza con lo stesso livello energetico superiore a quello del gruppo fosforico presente nell’ATP. Il guadagno di stabilità viene espresso come energia di risonanza.

Trasferimento del gruppo fosfato dall’ATP

L’ATP frequentemente opera come donatore di gruppi fosfati nella biosintesi degli esteri fosfati.

Trasferimento del gruppo fosfato

Ci sono molte altre molecole che possono essere coinvolte nelle reazioni di trasferimento del gruppo fosfato, le quali hanno un potenziale di trasferimento del gruppo fosfato più elevato dell’ATP, quindi possono donare il fosfato all’ADP nella sintesi dell’ATP. Queste molecole sono: fosfoenolpiruvato (PEP), creatina fosfato, 1,3-bifosfoglicerato.

La donazione del gruppo fosforico è una reazione esoergonica, per gli stessi motivi dell’idrolisi dell’ATP (migliore separazione di carica, prodotti più stabili per risonanza e migliore solvatazione).

Idrolisi del bifosfoglicerato

Esoergonica per gli stessi motivi delle altre.

Fosfati: classifica secondo energia libera standard di idrolisi

Reazioni quali PEP + ADP = piruvato + ATP sono favorevoli e possono essere usate per sintetizzare ATP. L’ATP ha una posizione intermedia nel suo valore di energia libera standard, quindi svolge efficacemente la sua funzione di trasportatore di gruppi fosforici (donatore e accettore).

Variazione di energia libera e velocità di reazione

• Il ΔG° fornisce il criterio per stabilire la spontaneità di una reazione, ma non dice nulla circa la velocità di una reazione.
• Una reazione può essere esoergonica (ΔG < 0), ma essere talmente lenta da risultare incompatibile con i bisogni fisiologici di un sistema vivente.

Quindi i parametri da tenere in conto parlando dei sistemi biologici sono due: il ΔG (possibilità o meno di una reazione) e la velocità.

• La velocità (cinetica chimica) di alcune reazioni può essere così lenta da risultare trascurabile rispetto alla durata della vita umana.

→ Tali reazioni sono termodinamicamente possibili, ma cinematicamente impossibili.

Eppure tali reazioni decorrono nel nostro organismo a velocità elevata. Come? Grazie agli enzimi. Gli enzimi non impattano il ΔG, influenzano solo la velocità della reazione.

I legami chimici

Possono essere covalenti, ionici e non covalenti (interazioni deboli).

1. Legami covalenti

Gli atomi che costituiscono le molecole sono tenuti insieme da legami covalenti in cui coppie di elettroni sono condivise tra coppie di atomi.