Appunti Biochimica agraria e chimica del suolo

Biochimica agraria

Biochimica → disciplina che studia le sostanze che costituiscono la materia vivente soprattutto: le trasformazioni (metabolismo intermedio) a cui la materia vivente viene sottoposta; le trasformazioni energetiche che si accompagnano a quelle molecolari.

Proprietà dei viventi

• I viventi sono formati da cellule
• I viventi sono in grado di riprodursi
• I viventi sono in grado di assumere materia dall’esterno trasformandola in energia per l’accrescimento
• I viventi sono in grado di reagire agli stimoli ambientali
• I viventi sono capaci di evoluzione

Gli elementi che compongono la materia vivente sono una decina circa tra cui C, H, N, O che ne compongono il 99%.

Costituenti cellulari

• Acqua (70%) è il solvente universale.
• Composti organici del carbonio (25%) costituiscono le macromolecole complesse, in genere polimeri delle biomolecole principali.
• Sali minerali (5%) come sodio, potassio, cloro (regolano l’equilibrio acido-base della cellula); calcio e magnesio (ossa, denti, gusci, contrazione muscolare, coagulazione sangue); magnesio (costituente centrale della molecola della clorofilla); fosforo (molecole con alto contenuto energetico e acidi nucleici); ferro (emoglobina e mioglobina); iodio (ormoni della tiroide).

Urea per sintesi nel 1828, l’Urea Wohler ottenne il primo composto organico partendo dal cianato d’ammonio. Viene usata come fertilizzante per le piante grazie all’ureasi che scinde la molecola di N per usarla nella pianta. Viene usata inoltre dalla pianta per difendersi dai parassiti.

Il suo processo di sintesi coinvolge due reazioni:

1. La prima reazione è di tipo esotermico, l’ammoniaca liquida reagisce con il ghiaccio secco per dare carbammato di ammonio + calore.
2. Nella seconda reazione, di tipo endotermico, si ha la decomposizione del carbammato di ammonio in urea e acqua.

L’urea rappresenta una delle forme a bassa tossicità in cui gli organismi viventi eliminano l’ammoniaca. L’enzima ureasi idrolizza l’urea derivante dalla deaminazione metabolica degli amminoacidi in ammoniaca e anidride carbonica.

La comprensione dei processi biologici che avvengono negli organismi viventi è possibile grazie allo studio dei meccanismi molecolari che regolano lo svolgimento di questi processi.

Tecniche biochimiche

Un esempio di tecnica biochimica è la luminometria che tramite un apparecchio (il luminometro) determina quantitativamente le sostanze per le quali vengono sfruttate reazioni di bioluminescenza o di chemiluminescenza. Nel caso in cui l’emissione della luce sia prodotta da una reazione enzimatica si ha la bioluminescenza; nel caso in cui l’emissione della luce sia prodotta da sostanze eccitate che perdono poi una parte di energia allo stato fondamentale sotto forma di energia luminosa si chiama chemiluminescenza.

Il luminometro è utilizzato nel dosaggio di ATP con il sistema luciferina-luciferasi. La luciferina si ossida con l’ossigeno, energia e dell’enzima luciferasi che si trova nelle lucciole. Il prodotto della reazione è l’ossiluciferina, un composto con minore energia e quella in eccesso è emessa come radiazione luminosa visibile.

Per la chemiluminescenza, esempi sono la misura della concentrazione del monossido di azoto nell’atmosfera e il saggio del luminolo utilizzato per rilevare tracce di sangue in quanto questo composto si ossida con acqua ossigenata producendo un composto chemiluminescente con luce blu solo in presenza di alcune sostanze come il ferro, per questo viene usata per rilevare sangue.

Materia vivente e biomolecole

La materia biomolecolare, cioè i composti organici da cui vennero costituiti i primi esseri viventi, furono selezionati durante l’evoluzione biologica per la loro capacità di esprimere particolari funzioni nelle cellule. Sono identici in tutti gli organismi viventi.

La materia può dividersi in vivente (svolge funzioni vitali ed è formata da cellule) o non vivente. L’atomo è la base di tutto ciò. La materia vivente è caratterizzata da:

• È complicata e organizzata, al contrario la materia inanimata è costituita solo da una miscela di composti chimici semplici.
• Ogni componente di un organismo vivente ha uno scopo specifico e una funzione. Questo vale per le strutture macroscopiche come il cuore o i polmoni e per quelle microscopiche intracellulari.
• Gli organismi viventi hanno la capacità di prendere, trasformare ed usare l’energia dell’ambiente sotto forma di sostanze organiche e quella della luce solare. Inoltre, possono autoreplicarsi in modo preciso. La materia inanimata non ha questa capacità.

La cellula è l’unità strutturale e funzionale di tutti gli organismi viventi. Lo scopo della biochimica è determinare come le molecole inanimate all’interno degli organismi viventi possono interagire tra loro per mantenere lo stato vivente.

Tutte le macromolecole delle cellule sono composte di un numero limitato di “blocchi” legati tra loro in quantità variabili: il DNA è costituito da 4 blocchi diversi, i deossiribonucleotidi, disposti in certe sequenze; le proteine sono costituite da 20 aminoacidi diversi.

Assiomi della biochimica

Quattro assiomi della biochimica:

1. Una cellula è un sistema isotermico di molecole organiche capace di autocostruirsi e di estrarre energia libera e materiali dall’ambiente.
2. Nelle cellule avvengono molte reazioni organiche consecutive, promosse da catalizzatori organici prodotte dalle cellule stesse.
3. Le cellule mantengono uno stato stazionario dinamico, che non è in equilibrio con l’ambiente esterno; esse funzionano secondo il principio della massima economia.
4. La loro precisa autoreplicazione, anche dopo molte generazioni, è assicurata da un codice lineare in grado di autoripararsi.

La cellula

Le cellule sono le unità strutturali e funzionali degli organismi viventi. L’organismo più piccolo è la singola cellula mentre il corpo umano ne contiene 10¹⁴.

Ogni cellula è circondata da una membrana sottile che la rende un singolo compartimento ed è autosufficiente. Le membrane cellulari, dette citoplasmatiche, sono selettivamente permeabili e permettono l’ingresso di nutrienti e sali minerali, impediscono ai prodotti di uscire. Sono composte da un doppio strato fosfolipidico in cui sono immerse proteine specializzate, alcune sono enzimi, altre servono per il trasporto.

All’interno troviamo il citoplasma, dove avvengono le reazioni catalizzate dagli enzimi e dove avviene la trasformazione dell’energia chimica in lavoro per permettere il movimento e le funzionalità della cellula. All’interno di questo si trovano i ribosomi che intervengono nella sintesi proteica.

Tutte le cellule hanno un nucleo in cui il materiale genetico viene replicato sotto forma di acido nucleico, DNA o RNA. Ci sono poi organuli specializzati come mitocondri e cloroplasti.

Tipi di cellule

Esistono due tipi di cellule: procariote ed eucariote.

I procarioti sono le cellule più semplici, di origine più antica; sono formate da famiglie di microrganismi unicellulari chiamati batteri. Si ritiene che siano state le prime ad originarsi nell’evoluzione biologica. Sono molto usate nella biochimica per gli esperimenti grazie alla loro semplicità.

Gli eucarioti sono più grandi e complessi, molto vari e differenziati. Sono le cellule presenti negli animali, piante e funghi. Le cellule eucariotiche, oltre ad un nucleo ben formato, con molti cromosomi hanno anche organelli circondati da membrane.

• I mitocondri, che ossidano le molecole di combustibile per formare ATP.
• I cloroplasti, nelle cellule fotosintetiche, che catturano l’energia solare per convertire la CO₂ in glucosio. Si ritiene che mitocondri e cloroplasti abbiano origine batterica.
• Il reticolo endoplasmatico che guida e convoglia i prodotti di secrezione al Golgi dove questi vengono impacchettati e poi liberati all’esterno della cellula.
• I lisosomi, che contengono enzimi degradativi.
• I perossisomi, che mantengono segregati gli enzimi che formano e distruggono i perossidi.
• I microfilamenti, microtubuli e microtrabecole che formano il citoscheletro.
• Ciglia e flagelli, composti di microtubuli appaiati da cui dipende il movimento cellulare.
• I ribosomi, liberi o legati al reticolo endoplasmico ruvido, per la sintesi proteica.
• Siti specifici sulla membrana di riconoscimento e legame per altre cellule o per ormoni.

Le dimensioni delle cellule sono abbastanza ridotte questo perché devono muoversi senza aiuti meccanici, devono avere un rapporto ottimale tra superficie e volume della cellula, inoltre la velocità del loro metabolismo interno è limitata dalla velocità di diffusione delle molecole nutritive all’interno della cellula.

I virus

Sono strutture sopramolecolari non viventi, costituite da una molecola di acido nucleico circondata da un rivestimento proteico, il capside. Sono in grado di infettare specifiche cellule ospiti obbligandole a replicare la particella virale secondo le informazioni genetiche contenute nell’acido nucleico del virus.

Le biomolecole

La maggior parte della materia solida degli organismi viventi è costituita da composti organici, contenenti carbonio legato covalentemente ad altri atomi di carbonio o di idrogeno, ossigeno ed azoto. Il carbonio sembra essere stato selezionato nel corso dell’evoluzione biologica per la capacità di formare legami singoli o doppi tra loro generando strutture lineari, ramificate o cicliche, a cui possono essere legati diversi tipi di gruppi funzionali. Le biomolecole organiche hanno forme o conformazioni tridimensionali specifiche.

Quattro tipi di macromolecole: acidi nucleici, proteine, carboidrati, lipidi.

• Gli acidi nucleici sono catene di 4 diversi nucleotidi. In tutte le cellule hanno la funzione universale di conservare, trasmettere e tradurre l’informazione genetica.
• Le proteine sono catene formate da 20 diversi tipi di aminoacidi, legati covalentemente. Rappresentano la percentuale più grande della materia vivente, in tutte le cellule. Il nome deriva dal greco proteios, cioè principale. Sono le biomolecole più versatili, capaci di svolgere funzioni numerose.
• I polisaccaridi sono catene di unità ricorrenti di zuccheri semplici. Hanno due importanti funzioni: forme di conservazione di combustibili ricchi di energia, per esempio l’amido; elementi strutturali extracellulari, per esempio la cellulosa.
• I lipidi sono costituiti da una o più catene di acidi grassi, derivati dall’acido oleico o dall’acido palmitico, e alcuni possono contenere anche un alcool, ad esempio il glicerolo. Hanno due funzioni: sono componenti strutturali delle membrane; sono un deposito di materiale ricco di energia. Sono molecole piccole, ma possono associarsi per formare grandi strutture simili a sistemi macromolecolari.

Si ipotizza che le biomolecole comuni si siano formate spontaneamente dai gas atmosferici e dall’acqua, sotto l’influenza di energia, all’inizio della storia della Terra. Questo processo di evoluzione chimica può essere simulato in laboratorio: l’esperimento sull’origine abiotica della vita condotto da Stanley Miller nel 1953.

Dopo aver sottoposto a scariche elettriche una miscela gassosa composta di NH₃, CH₄, H₂O e H₂ (simile a quella sulla Terra in era prebiotica), i prodotti sono stati raccolti per condensazione. La fase gassosa conteneva CO e CO₂ insieme ai composti di partenza; la fase acquosa conteneva dei composti organici inclusi alcuni aminoacidi, acidi ossidrilici, aldeidi, acido cianidrico (HCN).

Acqua

L’acqua è il composto più abbondante negli organismi, circa il 70% in peso. È il mezzo nel quale avvengono le reazioni del metabolismo catalizzate da enzimi, il trasporto dei nutrienti e il trasferimento di energia chimica. Il suo elevato punto di congelamento, di ebollizione e calore di vaporizzazione sono il risultato di forti interazioni intermolecolari sotto forma di legami idrogeno tra molecole adiacenti che determinano la grande coesione interna dell’acqua allo stato liquido.

È una molecola polare (un dipolo) e può formare legami idrogeno con soluti polari, qualità che ne fanno un potente solvente per composti ionici e molecole polari. Infatti, scioglie molti sali cristallini, idratando gli ioni che li compongono. Il reticolo cristallino dell’NaCl si disgrega quando le molecole d’acqua si raggruppano intorno agli ioni Cl^- e Na⁺. Le cariche ioniche vengono così parzialmente neutralizzate e le attrazioni elettrostatiche necessarie per la formazione del reticolo si indeboliscono.

L’acqua disperde le molecole anfipatiche (composti organici contenenti sia gruppi idrofobici sia gruppi idrofilici) come i saponi, formando micelle in cui i gruppi idrofobici sono nascosti all’acqua ed i gruppi carichi sono invece sulla superficie (esempio gli acidi grassi).

Gli acidi sono definiti come donatori di protoni, le basi come accettatori di protoni. Una coppia coniugata acido-base consiste di un donatore di protoni HA e del suo corrispondente accettore A^-. Una copia coniugata acido-base può agire da tampone e resistere a cambi di pH. Le più importanti coppie tampone biologiche sono: H₂CO₃ - HCO₃^- e H₂PO₄^- - HPO₄^2- (acido carbonico; acido fosforico). L’attività catalitica degli enzimi è fortemente influenzata dal pH.

Per ogni reazione vengono riportati i valori della costante di dissociazione (Ka) e del suo logaritmo negativo, il pKa. L’acqua non solo è il solvente universale delle reazioni chimiche delle cellule viventi, ma spesso partecipa direttamente alle reazioni. Per esempio, la formazione di ATP da ADP e fosfato inorganico è una reazione di condensazione, in cui vengono eliminati gli elementi dell’acqua. La reazione inversa, la scissione accompagnata dall’aggiunta degli elementi dell’acqua, è detta reazione di idrolisi. Le reazioni di idrolisi sono responsabili anche della depolimerizzazione enzimatica delle proteine, dei carboidrati e degli acidi nucleici. Le reazioni di idrolisi sono quasi sempre esoergoniche. Poiché queste reazioni producono due molecole da una, aumentano il disordine del sistema.

La formazione di polimeri cellulari dalle loro unità costitutive semplici tramite reazioni di condensazione è un processo endoergonico e quindi non spontaneo.

Reazioni esoergoniche

Esoergonico → processo (naturale) che avviene con diminuzione di energia libera. Nelle reazioni esoergoniche i reagenti possiedono un contenuto energetico superiore a quello dei prodotti: l’energia mancante è stata liberata nell’ambiente. Durante la reazione, il contenuto di energia libera del sistema diminuisce. L'energia che viene persa può essere di vari tipi: calore (in questo caso si parla più propriamente di reazioni esotermiche) oppure energia luminosa. Esempio reazioni cataboliche.

Reazioni endoergoniche

Endoergonico → processo non spontaneo; si ha un aumento di energia libera. L'energia che viene assorbita dal sistema può essere di vari tipi: calore (in questo caso si parla più propriamente di reazioni endotermiche) ma anche energia luminosa. La reazione endoergonica non avviene spontaneamente. Un esempio di reazioni endoergonica è la fotosintesi clorofilliana. L'energia richiesta dalla reazione è fornita dalla luce solare per poi essere immagazzinata nel glucosio sotto forma di energia chimica. In generale, tutte le reazioni relative all'anabolismo sono reazioni endoergoniche.

Processi biochimici e acqua

L’acqua e l’anidride carbonica sono i prodotti finali dell’ossidazione di combustibili come il glucosio. Il processo globale può essere riassunto: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ► 6 CO₂ + 6H₂O. L’acqua prende parte alle reazioni biochimiche in qualità di reagente, ad esempio, nella fotosintesi; le piante verdi e le alghe usano l’energia solare per scindere l’acqua: 2H₂O + 2A ► O₂ + 2AH₂. In questa reazione A è un composto accettore di elettroni, che varia a seconda dell’organismo fotosintetico; l’acqua serve come donatore di elettroni in una sequenza di reazioni di ossidoriduzione fondamentale per la vita sulla Terra.

Amminoacidi e peptidi

Tutte le proteine sono costruite da 20 amminoacidi essenziali legati tra loro attraverso legami covalenti in sequenze specifiche. I peptidi sono catene corte di due o più amminoacidi. Con i 20 amminoacidi gli organismi possono costruire enzimi, ormoni, le proteine del latte. Tutti gli amminoacidi hanno proprietà strutturali comuni e quando le proteine vengono riscaldate in presenza di acidi o basi forti, gli amminoacidi vengono liberati per la rottura del legame. Il primo amminoacido ad essere stato scoperto è stato l’asparagina.

Tutti gli amminoacidi hanno in comune un gruppo -carbossilico (COO^-), un gruppo -amminico (NH₃⁺) e un gruppo distintivo R, tutti legati allo stesso atomo di carbonio . Questo è quindi un centro chirale. Tutti gli amminoacidi differiscono tra loro per il gruppo R. L’atomo di carbonio è asimmetrico (tranne la glicina che ha due atomi di idrogeno) quindi si può avere due forme stereoisomere, nelle proteine si hanno solo stereoisomeri L. Il composto di riferimento è lo zucchero a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide. L’atomo di riferimento è il carbonio più ossidato legato al carbonio asimmetrico: il carbonio carbossilico e il carbonio aldeidico.

La polarità, cioè la tendenza ad interagire con l’acqua a pH fisiologico (circa 7), dei gruppi R serve a classificare gli amminoacidi. Ci sono gruppi R totalmente apolari o idrofobici e gruppi altamente polari o idrofilici. Le classi principali sono 5:

• Gruppi R alifatici idrofobici → i gruppi R sono di natura idrocarburica e quindi idrofobici. Esempi la prolina (ciclica) e la metionina (R contiene lo zolfo).