Appunti completi Biomolecules structure and functions

Appunti di biomolecules: structure and function

Introduzione alle biomolecole

Biochimica = disciplina che studia i processi interni e relativi agli organismi viventi.

Biomolecole = composti chimici prodotti da organismi viventi, costituiti da pochi elementi: C, H, O, N, P, Ca, S. Possono essere inoltre suddivise in due categorie:

• Di grandi dimensioni: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.
• Piccole molecole: metaboliti, peptidi e prodotti naturali.

Carboidrati (o zuccheri)

Sono composti organici, detti anche glucidi, formati da H, O, C, e si possono dividere in:

• Semplici: composti da una (monosaccaride) o due (disaccaride) differenti molecole di zucchero.
• Complessi: composti da più (polisaccaride) molecole di monosaccaridi.

Tutti i carboidrati hanno una struttura circolare che può essere pentosa (5C) o esosa (6C). Esempi: Glucosio è un monosaccaride esoso mentre il Saccarosio è un disaccaride composto da glucosio e fruttosio (monosaccaride pentoso).

Le principali funzioni dei carboidrati sono:

Lipidi (o grassi)

Sono composti organici idrofobici e non polari quindi non capaci di interagire con l’acqua. Si dividono in 3 categorie:

• Lipidi Semplici: composti da poche unità strutturali, come i trigliceridi.
• Lipidi Complessi: composti da molte unità strutturali, come i fosfolipidi.
• Steroidi: composti da unità strutturali cicliche, come il colesterolo.

Le principali funzioni dei lipidi sono:

Acidi nucleici

Sono biomolecole costituite da uno zucchero ciclico legato ad un gruppo fosfato, che conferisce carica negativa alla molecola, e da una specifica base nitrogena. Le principali funzioni sono:

Gli organismi semplici (virus e batteri) sono caratterizzati solo dall'RNA. Negli organismi complessi invece è presente anche il DNA che rimane all’interno del nucleo perché contiene le informazioni per produrre le proteine (forma di difesa). Nel momento in cui le proteine si formano il passaggio di quest’ultime dal nucleo al citoplasma è possibile grazie all’RNA. Tra i due esistono anche differenze strutturali, infatti il DNA è formato da due eliche, l'RNA da uno e nell’RNA al posto della base azotata Timina troviamo l’Uracile.

Nota: Le dimensioni del virus sono da 10nm a 2-3 micrometri. Il virus è materiale genetico contenuto all'interno di una particella organica che invade le cellule viventi e utilizza i processi metabolici del loro ospite per produrre una nuova generazione di particelle virali (materiale genetico nel DNA dell'ospite).

Proteine

Sono biomolecole costituite da catene di AAs, legati gli uni con gli altri da legami peptidici. Il numero degli AAs è correlato alla forma della proteina, che a sua volta è correlata alla sua funzione. Il legame peptidico è un legame covalente molto forte, che conferisce la struttura primaria alla proteina. Ulteriori avvolgimenti danno luogo a strutture più complesse: secondaria, terziaria, quaternaria.

Le principali funzioni delle proteine sono:

Acqua

È un composto chimico polare in cui 2 atomi di H e 1 atomo di O sono legati mediante un legame covalente; in acqua le molecole inorganiche formano composti organici. Rappresenta il 70% del peso umano.

Proprietà fisiche dell'acqua

• Polarità: formazione di legami di idrogeno.
• Solubilità: differenza tra composti idrofili e idrofobici.
• Diffusione: fenomeno mediante il quale si ha trasporto di massa.
• Osmosi: diffusione del solvente attraverso una membrana semipermeabile, che non fa passare il soluto; l’acqua si muove per osmosi, i composti ed i soluti si muovono per diffusione.

Proprietà chimiche dell'acqua

• Ionizzazione: reazione dove 2 H₂O reagiscono producendo un catione idrossonio (H₃O⁺) e anione idrossido (OH^-).
• Acido: sostanza che dissociandosi in acqua libera ioni H⁺.
• Base: sostanza che dissociandosi in acqua libera ioni OH^-.
• pH: scala di misura dell’acidità e della basicità di una soluzione acquosa. Acidi e Basi cambiano il pH.
• Soluzione Tampone (Buffer): soluzione che si oppone alla variazione del pH per aggiunte moderate di acidi o basi.

Proprietà di legame dell'acqua

• Elettronegatività: tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame. L’atomo di O è più elettronegativo dell’atomo di H, ed è in grado di attrarre elettroni formando legami covalenti.
• Polarità delle molecole: ogni atomo di O si lega covalentemente con 2 atomi di H. Il polo negativo (δ-) è situato nell’atomo di O ed il polo positivo (δ+) nell’atomo di H.
• Solubilizzazione (Solvatazione): interazione tra soluto e solvente che porta le singole molecole di soluto disciolto a circondarsi di molecole di solvente. Non si hanno 2 fasi, infatti il soluto risulta disperso nel solvente a livello delle singole molecole o ioni. Nel caso specifico del sale (NaCl) in acqua si ha la disintegrazione del reticolo cristallino.
• Idratazione: interazione tra gruppi carbossilici ionizzati e H dell’acqua, e tra gruppi amminici protonati e O dell’acqua. Gli ioni sono solvatati dall’acqua attraverso un orientamento specifico. La solubilizzazione tramite acqua è possibile solamente per molecole cariche o polari. Generalmente le biomolecole sono non-cariche e polari.
• Idrofilicità: capacità di interagire con le molecole di acqua (molecole polari).
• Idrofobicità: incapacità di interagire con l’acqua (molecole non polari) quindi la solubilità è possibile solo in solvente organici.
• Legame Idrogeno: interazione debole dipolo-dipolo che si viene a formare tra molecole nelle quali un atomo di H (protone povero di elettroni) è legato covalentemente con un atomo di piccole dimensioni e fortemente elettronegativo (F, N, O), ricco di elettroni. Nei diversi stati dell’acqua (solido, liquido, gassoso) è possibile trovare 3 tipologie di legame idrogeno. Allo stato solido una molecola d’acqua è legata con un legame H ad altre 4 molecole (consente al ghiaccio di galleggiare), dando luogo ad una struttura espansa e poco densa, dove quindi il numero di legami H è elevato. Passando dallo stato solido (ghiaccio), allo stato liquido (acqua), allo stato di vapore, si ha una riduzione dei legami H.

Proprietà strutturali e chimico-fisiche

• Molecole Anfipatiche: sono molecole che contengono sia un gruppo idrofilico che un gruppo idrofobico. In questo modo, quando vengono immerse in un liquido acquoso, tendono a formare spontaneamente un doppio strato, dove le teste idrofile sono rivolte verso l’esterno e le code idrofobe verso l’interno. Si ha quindi la presenza di entrambe le regioni polari (o cariche) e apolari (non cariche). Ex: Doppio strato fosfolipidico della membrana.
• Micelle: strutture sferiche stabili in cui i gruppi idrofili vengono esposti mentre le regioni idrofobiche sono interne (acidi grassi) e non entrano in contatto diretto con l’acqua.
• Bilayer: struttura stabile e organizzata di 2 strati, dove le code idrofobiche sono ripiegate verso l’interno, mentre le teste polari sono esposte verso l’esterno.
• Osmosi: fenomeno per cui si ha un flusso di solvente tra due soluzioni separate da una membrana semipermeabile. Il solvente fluisce dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata (membrana semipermeabile). Il movimento dell’acqua attraverso barriere fisiche infine dipende dalla concentrazione dal momento che lo scopo finale dell’acqua è quello di equilibrare le concentrazioni di soluto.
• Pressione Osmotica: pressione da applicare alla soluzione affinché non passi il solvente tramite osmosi.
• Proprietà Colligative: proprietà della soluzione che dipendono solamente dal numero di particelle solute, o ioni, che compongono la soluzione non dalla natura delle particelle stesse.

Auto ionizzazione

Ionizzare significa accettare o rilasciare ioni e porta al concetto di acido e base. Nel caso dell’acqua invece siamo davanti al fenomeno di autoionizzazione ovvero una reazione chimica in cui 2 molecole di acqua reagiscono per produrre un catione idrossonio (H₃O⁺) ed un anione idrossido (OH^-). Questa reazione è caratterizzata da un equilibrio chimico dinamico, in quanto vi è sempre un movimento delle cariche (la reazione è possibile in ambo le direzioni).

Nota: Ione = componente con carica (+ o -).

Un dato importante dell’acqua è la costante di ionizzazione (= esprime la tendenza di un composto a dissociarsi) che è fissato a 10^-14, dal momento che questo ha una forte connessione con la scala di pH. Quest’ultima, infatti, assume valori da 0 a 14 e dipende dalla concentrazione di ioni H⁺ (maggiore sono presenti minore è il valore di pH). Si definisce infatti come l’inverso del logaritmo della concentrazione di H⁺. Il sangue ha un pH di 7.2/7.4 quindi leggermente più basico rispetto al pH neutro.

Acidi e basi

Acidi = sostanze che dissociandosi in acqua liberano ioni H⁺, riducendo il pH della soluzione e sono sostanze capaci di cedere ioni H⁺ ad un’altra specie chimica detta base coniugata (HCl è un acido forte presente nello stomaco per l’idrolisi delle proteine).

Basi = sostanze che dissociandosi in acqua liberano ioni OH^-, incrementando il pH della soluzione e sono sostanze capaci di accettare ioni H⁺ da un’altra specie chimica detta acido coniugato (NH₃ è una base forte presente nei reni per la distruzione delle proteine morte).

Tampone (o buffer)

È una soluzione di acido-base coniugata o base-acido coniugato caratterizzato da valore di pH costante e fisso. Piccole variazioni di H⁺ o OH^- non modificano il pH perché vengono neutralizzati reagendo rispettivamente con la base coniugata o l’acido coniugato. La loro funzione quindi a livello biologico è mantenere costante il pH, infatti sono presenti in grandissima quantità nel nostro organismo. Si definisce capacità Tampone la misura della capacità di opporsi ad una variazione di pH da parte di una soluzione tampone, all’aggiunta di una certa quantità di acido forte o base forte.

Una soluzione ha una buona capacità tampone se, dato l’esempio di un acido forte legato alla sua base coniugata, nella crescita del metabolismo si ha un aumento degli ioni H⁺, che legandosi alla base coniugata formano HA mantenendo costante il pH; al contrario, se si ha un aumento di ioni OH^-, nella dissociazione dell’HA gli ioni H⁺ si andranno a legare con l’OH^- formando H₂O.

Il pH del tampone può essere calcolato con l’equazione di Henderson-Hasselbalch. Esempi biologici: nel sangue troviamo il tampone bicarbonato (HCO₃^-/H₂CO₃), quindi se il pH del sangue diminuisce l’equilibrio viene spostato verso H₂CO₃ (un acido debole) che si dissocia in acqua e CO₂ (eliminata dai polmoni); se il pH aumenta l’equilibrio si sposta verso HCO₃^- che richiede CO₂ dai polmoni per produrre H₂CO₃ e rilasciare H⁺. Altri esempi sono l’urina con il tampone fosfato, l’emoglobina e le proteine nei fluidi intracellulari.

Termodinamica

Gli organismi viventi sono sistemi aperti dal momento che prendono i nutrienti dall’ambiente e restituiscono energia e scarti. Fanno parte di un sistema chiuso in cui la massa si conserva secondo il principio di Lavoisier o di conservazione della massa. Si definisce stato stazionario invece lo stato di dinamico equilibrio tipico dei sistemi ciclici. Anche all’interno dei componenti biologici le leggi della termodinamica sono rispettate:

1. Conservazione dell'energia: l'energia non può essere né creata né distrutta quindi la quantità totale di energia nell'universo è sempre costante; viene inoltre introdotto il concetto di entalpia.
2. L'entropia, o disordine, dell'universo deve aumentare ad ogni processo.
3. Determinazione della spontaneità di una reazione tramite il concetto di energia libera di Gibbs.

Amminoacidi

Le proteine sono una classe molto complessa perché composta da innumerevoli strutture che hanno diverse funzioni. La storia delle proteine inizia nel 1828 con la nascita della biochimica e l’idea che i composti organici potrebbero derivare da semplici sostanze chimiche inorganiche (es. Urina deriva dal cianato di ammonio). Solo nel 2003 è stata scoperta, grazie al human gene project, la mappa genomica umana.

Le proteine sono grandi biomolecole costituite da catene di AAs legati uno all’altro da un legame peptidico. La grande diversità biologica delle proteine e, di conseguenza, le proprietà dipendono dalle 20 tipologie di AAs, di cui tutti contengono C, H, N, O e solo 2 S.

Amminoacidi

Sono le unità costitutive delle proteine; nella loro struttura recano sia il gruppo funzionale amminico (-NH₂) denominato N terminus, sia quello carbossilico (-COOH) denominato C terminus. Per questo motivo sono molecole zwitterioni o anfotere, poiché presentano contemporaneamente un gruppo acido ed un gruppo basico, dove vi è un perfetto bilanciamento tra cariche negative e cariche positive (molecola elettricamente neutra nel suo complesso). Dal punto di vista microscopico quindi possiamo dire che nella molecola sono presenti due diverse cariche ma dal punto di visto macroscopico la molecola appare stabile e neutrale. Grazie alla carica la molecola può essere compatibile con l’acqua e quindi con l’ambiente biologico.

Proprietà chimiche degli amminoacidi

In condizioni fisiologiche si ha una forma ionica dell’amminoacido (zwitterione), dove le cariche negative sono bilanciate da quelle positive. Tutti gli AAs hanno una capacità tampone, ovvero la possibilità di mantenere costante il pH:

• a) Quando il pH decresce significa che la concentrazione degli ioni H⁺ aumenta, quindi gli AAs cominciano a contrastare tale aumento. Il gruppo carbossilico (COO^-) può legare ioni H⁺, facendo assumere carica positiva all’AA.
• b) Quando il pH cresce significa che la concentrazione degli ioni H⁺ diminuisce, quindi gli AAs cominciano a contrastare tale diminuzione. Il gruppo amminico (NH₃⁺) può rilasciare ioni H⁺, facendo assumere carica negativa all’AA.

Punto Isoelettrico (pI): valore di pH al quale la molecola (AA o proteina) presenta carica elettrica netta nulla ovvero un bilanciamento tra cariche positive e negative (pH Zwitterione).

Legame peptidico

È un legame chimico molto forte, covalente, che si forma tramite condensazione ed è responsabile dell’unione degli AAs e della conseguente formazione di peptidi e proteine. Le informazioni di codifica delle proteine e quindi come questi AAs devono legarsi tra di loro si trovano nel DNA che esce dal nucleo sotto forma di RNA per andare nei ribosomi dove effettivamente avviene la sintesi.

Nota: In condizioni fisiologiche l’estremo N (con il gruppo amminico) e l’estremo C (con il gruppo carbossilico) sono entrambi ionizzati.

Risonanza

Il legame peptidico non è lineare ma può essere definito come un doppio legame parziale, dovuto alla risonanza tra due stati. Ciò è dovuto al fatto che l’O è molto elettronegativo quindi attrae elettroni, al contrario dell’H; può accadere quindi che il N ceda un elettrone all’O e quindi il doppio legame si sposta dall’O al N. Queste però sono due strutture teoriche che in vivo non sono realmente presenti ma è presente un movimento continuo di elettroni che non ci permette quindi di definire il legame peptidico come singolo o doppio (da qui la definizione di doppio parziale). Questo doppio legame parziale limita la rotazione: C=O-N-H sono complanari. Solamente C_α-C e C_α-N hanno quindi una mobilità rotazionale. Possono quindi formarsi due possibili conformazioni correlate da un angolo di 180°:

• Cis: gli atomi di C_α sono nella stessa parte del legame peptidico
• Trans: gli atomi di C_α sono nelle parti opposte del legame peptidico

Il trans è più favorito perché la repulsione tra gruppi su entrambi i C_α è ridotta al minimo grazie alla distanza massima. Dalla catena lineare di amminoacidi (legame peptidico) si arriva alla struttura 3D delle proteine grazie a legami deboli (interazioni non covalenti) tra cui:

• Legame H: attrazione tra un atomo ad alta elettronegatività nell’AA1 (-COOH; -OH), definito come accettore elettronico e un atomo H con bassa elettronegatività nell'AA2.