Appunti completi di Biochimica generale

Biochimica generale

Appunti delle lezioni della professoressa Irma Colombo

Riccardo Premi

UNIMI | Facoltà di Farmacia

Introduzione alla biochimica

La biochimica spiega perché le molecole, che di per sé sono senza vita, possono dare vita ad un essere vivente. Le molecole sono formate da atomi e sono le stesse molecole che formano gli oggetti inanimati. La biochimica studia d’un livello chimico, come queste molecole si associano a formare specifiche strutture biologiche (lipidi e carboidrati, membrane, organelli e le cellule) che svolgono funzioni fondamentali.

La biochimica cerca di capire come gli esseri viventi possono estrarre, trasformare e utilizzare l’energia dall’ambiente. La biochimica cerca anche di spiegare come l’uomo possa replicarsi, da qui lo studio sulle biomolecole informazionali. La biochimica studia anche come fa l’essere umano a percepire e rispondere alle alterazioni dell’ambiente circostante e alle situazioni (come, ad esempio, l’adattamento alle patologie a periodi di digiuno prolungato).

La biochimica spiega in termini chimici e molecolari tutti questi eventi, anche in termini fisici e termodinamici, che sono in comune con la materia inanimata. La biochimica studia delle molecole prive di vita: il glucosio (sei atomi di carbonio con un gruppo aldeidico e cinque gruppi idrossidi), si presenta come un solido cristallino, ma è indispensabile all’organismo per produrre energia, dato che può essere completamente degradato a CO₂ per produrre energia; il glucosio può essere polimerizzato in una struttura più complessa a produrre il glicogeno, per abbassare la glicemia dopo i pasti e per rendere disponibile il glucosio durante il digiuno. Il glucosio può essere trasformato in acidi grassi che formano i trigliceridi (una molecola di glicerolo e tre di acidi grassi) che vanno a formare il tessuto adiposo. Il glucosio può essere utilizzato per sintetizzare colesterolo, necessario per le membrane, per sintetizzare gli ormoni steroidei e altre molecole. Tutte queste molecole sono necessarie per la vita.

Esistono delle vie che permettono di sintetizzare il glucosio a partire dal glicerolo e dal glicogeno, in base alle situazioni che viviamo. Lo scopo della biochimica è quello di studiare le vie metaboliche: l’insieme delle reazioni chimiche che da una molecola precursore (es. Glucosio) attraverso una serie di passaggi forma il prodotto finale. L’insieme delle vie metaboliche è il metabolismo.

Le vie metaboliche si dividono in vie metaboliche di biosintesi, di deposito, vie metaboliche ossidative e di detossificazione e smaltimento. Le vie metaboliche del glucosio, degli acidi grassi e delle proteine sono connesse ed è importante che queste lavorino in sinergia le une con le altre, quindi devono essere finemente regolate. La biochimica si occupa non solo di descrivere le vie metaboliche, ma anche i principi che le regolano, in modo tale da spiegare quando e perché si attivano e quando si disattivano.

I substrati di partenza vengono introdotti nell’organismo attraverso la dieta. La biochimica si occupa di capire dal punto di vista nutrizionale, quale è la composizione migliore in termini di carboidrati, proteine e grassi della nostra dieta per mantenere uno stile di vita sano. La biochimica spiega anche l’importanza delle vitamine, dei minerali e dell’acqua, che dobbiamo introdurre.

La biochimica si occupa di capire come i diversi organi e i diversi tessuti lavorano in sinergia tra di loro per far funzionare in maniera adeguata l’intero organismo, studia il coordinamento metabolico e la comunicazione neuronale e ormonale.

Biochimica generale lezione 1

Elementi, legami chimici, biomolecole e le loro proprietà

L’organismo umano è costituito da sistemi e sistemi e tutti questi apparati sono costituiti da organi, che sono a loro volta costituiti da tessuti e cellule. Ogni organo è caratterizzato da una o più tipologie cellulari. Ogni cellula, differente in tipologie e differenti le une dalle altre presenta degli organelli, ognuno ricoperto da una sua membrana (nucleo, mitocondri, lisosomi, perossisomi). Le macromolecole sono importanti per formare le membrane di questi organelli. Le macromolecole e i complessi macromolecolari (i fosfolipidi) sono costituite da biomolecole che sono costituiti da atomi.

La biochimica studia il corpo umano in termini chimico molecolari, anche secondo i principi che regolano la materia inorganica.

Elementi essenziali per la vita

Il corpo umano contiene solo una piccola parte degli elementi della tavola periodica. Gli elementi maggiormente presenti nel corpo umano sono H, O, C e N, che insieme rappresentano più del 96% della massa delle cellule (elementi “maggiori”). Sono poi presenti elementi minori e i microelementi (anche noti come elementi “presenti in tracce”). Gli elementi minori sono compresi in una percentuale tra lo 0,01 e il 0,99 % mentre i microelementi sono presenti in una percentuale minore del 0,01%. Anche se sono poco presenti, la mancanza degli elementi “minori” e dei microelementi può essere causa di patologie e si può manifestare in situazioni fisiologiche. Il ferro è fondamentale per il trasporto dell’ossigeno, anche se è un microelemento.

La presenza massiccia di idrogeno e ossigeno è data dal fatto che la maggior parte del corpo umano è formata da acqua (H = 62% e O = 24,5%). Il carbonio è presente al 8,5%. I quattro elementi sono maggiormente disponibili per formare biomolecole perché hanno una maggiore capacità di formare tra di loro legami covalenti, per compartecipazione di una o più coppie di elettroni. L’elemento che ha una maggiore versatilità a formare legami covalenti è il carbonio, che può formare legami con H, O e N, legami singoli e doppi e può formare legami con non solo un altro atomo di carbonio, ma l’atomo di carbonio è stabile quando forma 4 legami covalenti, 4 legami che si rivolgono verso i vertici di un tetraedro. Questo atomo di carbonio potrà formare 4 legami con altri 4 atomi di carbonio. I legami del carbonio con un altro atomo di carbonio può essere singolo, doppio o triplo (anche se in biochimica i legami tripli sono particolarmente assenti). Un atomo di carbonio avrà sempre 4 sostituenti che si legano.

Il fatto di poter legare 4 atomi di carbonio fa sì che questi atomi di carbonio possono formare una molteplicità di molecole che possono avere strutture lineari (come l’acido monocarbossilico – 1 solo gruppo carbossilico COOH – a 18 atomi di carbonio, comunemente noto come acido stearico), possono formare strutture cicliche (colesterolo – con catena formata da 8 atomi di carbonio e 4 strutture cicliche condensate fra di loro) e strutture ramificate (come il beta-carotene).

Idrocarburi

Sono le molecole organiche più semplici che sono costituiti solamente da carbonio e idrogeno. Possono essere alifatici, degli alcheni, ramificati, ciclici o aromatici (formati da uno o più anelli aromatici condensati fra di loro). Questi idrocarburi possono essere importanti in un laboratorio chimico, ma non in biochimica, perché sono poco reattivi dal punto di vista chimico. Affinché una molecola che contiene carbonio possa essere utilizzata dalla cellula e quindi costituire una biomolecola, deve avere una “personalità chimica”, una caratteristica funzionale che la rende reattiva ovvero deve contenere uno o più gruppi funzionali. Tra le biomolecole non avremo idrocarburi semplici, ma avremo idrocarburi sostituiti.

Radicali e gruppi funzionali

Togliendo un atomo di idrogeno dagli idrocarburi, formeremo dei radicali (metile dal metano, etile dall’etano, fenile dal benzene), e il carbonio di questi radicali potrà legarsi ad un sostituente. Esso può essere un idrossile (-OH), un carbonile (-CHO), un carbossilico (-COOH), un amminico (-NH₂, primario, secondario o terziario), un gruppo tiolico (-SH), un gruppo fosfato (-OPO₃--) o un gruppo solfato (-SO₄-); questi ultimi danno una caratteristica acida alla molecola che li contiene, poiché contengono delle cariche negative. Una molecola che contiene almeno uno di questi sostituenti ha una personalità chimica e che quindi può essere utilizzata dall’organismo.

Gruppi funzionali più comunemente presenti nelle biomolecole

Eteri, esteri e anidridi, derivano da reazioni tra biomolecole più semplici. Molecole che contengono un ossigeno etereo derivano da una reazione chimica tra due alcool. Il gruppo estere deriva da una condensazione tra il gruppo carbossilico di un acido carbossilico con il gruppo idrossilico di un alcol. Le anidridi derivano dalla condensazione di due gruppi carbossilici di due acidi carbossilici.

Anche l’azoto può essere presente nelle molecole organiche. In questo caso parleremo di molecole azotate. Il gruppo funzionale può contenere un’ammina (primaria, secondaria o terziaria). Il gruppo funzionale può essere ammidico, ovvero formato dalla reazione del gruppo carbossilico di un acido carbossilico e con il gruppo amminico di un’ammina. Esiste inoltre il gruppo imminico, che si formano quando il carbonio cheto (carbonile di un chetone) reagisce con l’azoto di un’ammina. Composti contenenti l’azoto possono essere anche più complessi: il gruppo funzionale guanidinio, in cui l’atomo di C forma due legami singoli con due atomi di azoto e un doppio legame con un altro atomo di azoto, e il gruppo imidazolo, in cui gli atomi di azoto sono contenuti all’interno di un ciclo. Il C mantiene sempre quattro legami.

Ci sono ancora due tipologie di gruppi funzionali, tra cui quelli che contengono fosforo. Il gruppo fosfo-estere è formato da un gruppo fosfato che si lega all’ossigeno di un alcool. Si chiama fosfo-estere perché nasce dalla condensazione dell’acido fosforico con un alcool. Il gruppo fosfo-anidridico nasce dalla condensazione da due acidi carbossilici che contengono due gruppi fosfato (acido fosforico), che si uniscono tra di loro. Il gruppo fosfato, libero o associato ad una catena, se reagisse con un gruppo carbossilico, formerebbe un’anidride mista, poiché una componente acida è data dall’anidride e un’alta dal gruppo fosfato.

Esistono poi i tioli, che contengono un atomo di S. Due tioli possono formare un disolfuro, mentre la reazione tra un gruppo carbossilico e un gruppo tiolico forma un tioestere. Il legame tioestere è un legame ad alto contenuto energetico.

Descrivere le proprietà chimiche di una molecola significa indicare la presenza dei gruppi funzionali, poiché sono questi gruppi che possiedono la “personalità chimica”. Esistono delle biomolecole che sono dette polifunzionali, poiché le biomolecole possono contenere due o più gruppi funzionali, ciascuno con caratteristiche e funzioni specifiche.

Il coenzima A (Co-A)

Una molecola molto complicata che contiene più gruppi funzionali è il Coenzima A (Co-A): tutti i gruppi funzionali del CoA sono riconosciuti da diversi enzimi; quindi, servono per l’interazione della molecola con gli enzimi. La reattività chimica della molecola è però data dal gruppo tiolico (è per questo che in alcuni casi troviamo la scritta CoASH). Il gruppo tiolico potrà formare un legame tioestere con il gruppo carbossilico di un’altra molecola. Questa reazione è importantissima per l’attivazione e la protezione dei gruppi carbossilici degli acidi monocarbossilici.

La personalità chimica di questa molecola è data da tanti gruppi funzionali con la reattività chimica associata in particolare al gruppo tiolico e sarà questo gruppo il responsabile di condensare il gruppo carbossilico di un acido carbossilico, formando un legame tioestere, ad alto contenuto energetico. La formazione di questo legame è fondamentale perché protegge il gruppo carbossilico di un acido grasso e ne determina l’attivazione che permetterà all’acido carbossilico di essere utilizzato all’interno della cellula.

Quando il coenzima A è legato ad un gruppo carbossilico, il gruppo carbossilico senza un’OH è chiamato Acile. Un acido monocarbossilico legato al coenzima A è l’Acetil-Coenzima A (Acil-SCoA), che è un trasportatore di gruppo acile in alcune reazioni enzimatiche.

La presenza di uno o più gruppi funzionali definisce la “personalità chimica” della biomolecola. Alcuni gruppi funzionali permettono alla biomolecola di essere chimicamente reattiva e altri permettono la sua interazione con altre biomolecole.

Isomeri

La personalità chimica dipende non solo dalla presenza dei gruppi funzionali, ma anche dalla disposizione spaziale degli atomi che la compongono (arrangiamento tridimensionale). Sebbene i gruppi funzionali di una biomolecola siano essenziali per la sua funzione, l’arrangiamento degli atomi che costituiscono la biomolecola nello spazio tridimensionale, cioè la sua stereochimica, è altrettanto importante. La disposizione spaziale deve essere ben definita, perché permette o impedisce l’interazione di una biomolecola con un’altra (es. Interazione substrato-enzima, ligando recettore, proteina-DNA, antigene-anticorpo).

La stereoisomeria di una biomolecola può essere espressa in termini di “conformazione” o di “configurazione”. Esistono quindi isomeri conformazionali e isomeri configurazionali. La combinazione di conformazione e configurazione nelle biomolecole è della massima importanza per le loro interazioni biologiche.

Con il termine conformazione ci si riferisce alla geometria o disposizione spaziale degli atomi di una molecola che può cambiare per libera rotazione attorno ai legami semplici senza che sia necessario rompere alcun legame covalente. In questo caso è possibile passare da uno stereoisomero all’altro semplicemente ruotando i legami covalenti semplici (i doppi legami hanno capacità rotatoria fortemente limitata). In conseguenza di questa rotazione, la molecola può ovviamente assumere un numero infinito di strutture dette isomeri conformazionali o conformeri o rotameri.

Esempio di isomeri conformazionali: l’etano. L’etano è formato da due gruppi metilici, in cui gli atomi di carbonio si uniscono tra di loro con legami semplici e ogni atomo di carbonio lega tre molecole di H. È possibile per questa molecola ruotare intorno al legame semplice, permettendo agli atomi di H di disporsi nello spazio in maniera diversa a seconda dell’isomero conformazionale considerato. Nell’immagine sono presenti le disposizioni “estreme”: la configurazione eclissata, in cui gli atomi di H sono molto vicini gli uni con gli altri, e la conformazione sfalsata, in cui gli atomi di H si trovano tra loro più distanti.

Tutte le conformazioni sono possibili? Che cosa limita la capacità di creare conformeri? L’energia. Ogni conformero possiederà una propria energia che lo renderà più o meno stabile. Prevarrà il conformero più stabile. Con molecole sostituite, la capacità di rotazione intorno al legame C-C, sarà influenzata (limitata) dalla presenza di un gruppo molto ingombrante. In caso di sostituenti carichi positivamente o negativamente, la capacità di rotazione sarà inoltre influenzata da effetti di repulsione o da effetti di attrazione.

I conformeri derivano dalla rotazione di legami semplici, la cui capacità di rotazione dipenderà dal loro contenuto energetico, dalla presenza di sostituenti più o meno ingombranti che influenzeranno questa capacità di rotazione. I conformeri non sono solo possibili per molecole lineari, ma anche per strutture cicliche: il glucosio nella forma ciclica potrà esistere in conformazioni diverse (a sedia e a barca) a seconda di come si dispongono gli atomi che costituiscono la molecola. Anche la disposizione dei sostituenti andrà a cambiare la tipologia di legami che forma la molecola con altre molecole. Si passa da un conformero all’altro senza rompere legami.

Con il termine configurazione ci si riferisce alla geometria o disposizione spaziale degli atomi di una molecola che può cambiare solo se si rompono, anche se solo temporaneamente, uno o più legami covalenti. Parlo quindi di Isomeri configurazionali. Gli isomeri geometrici non possono convertirsi l’uno nell’altro senza la rottura di un legame covalente.

• La possibilità di una biomolecola di esistere in due o più isomeri configurazionali è determinata dalla presenza di almeno un doppio legame attorno ai quali non vi è libertà di rotazione o Isomeri Geometrici, in cui la configurazione del doppio legame può essere “cis-” o “trans-”.
• Dalla presenza di almeno un centro chirale intorno ai quali i gruppi sostituenti sono disposti in un ordine di priorità specifico o Stereoisomeri (Enantiomeri o diasteroisomeri).

Un centro chirale è un atomo di C tetraedrico asimmetrico che lega cioè 4 sostituenti diversi che possono essere disposti nello spazio in due modi, cioè con due configurazioni diverse. La presenza di un centro chirale rende possibile la formazione di due molecole (stereoisomeri) con proprietà molto simili o identiche, ma con diverse caratteristiche biologiche e fisiche (es. interazione con la luce polarizzata). Gli stereoisomeri possono essere identificabili con due sistemi di nomenclatura: “sistema R/S” e “sistema D/L”.