Appunti di Biochimica

Appunti biochimica

Ripasso dei fondamentali

Prima di tutto, bisogna sapere che le reazioni più importanti a livello biologico per la vita accadono nella cellula se ci sono determinati requisiti:

• Temperatura della cellula a 37°
• Ph della cellula a 7,4

Composti di utilità biologica fondamentali

Alla base di tutto quello che è la biochimica troviamo dei composti di utilità biologica fondamentali:

• Alcoli -> composti con terminazione R-OH (funzione ossidrilica)

Gli alcoli sono di 3 tipologie differenti a seconda di quanti elementi R sono legati al -OH:

• Primari -> C-OH è legato a un solo atomo di C
• Secondari -> C-OH è legato a due atomi di C
• Terziari -> C-OH è legato a tre atomi di C

Gli alcoli si dividono in:

• Monovalenti -> hanno 1 solo gruppo OH
• Polivalenti ne hanno più di 1

Caratteri chimici degli alcoli

Sono composti polari, anche se la loro polarità diminuisce all'aumentare della catena idrocarburica. Sono solubili in acqua ma più aumenta la catena idrocarburica e minore sarà la solubilità.

Reazioni caratteristiche degli alcoli -> di ossidazione

• Alcool primario -> Aldeide si ossida in acido carbossilico. In questa reazione l’alcool di partenza perde il doppietto elettronico con H (creando carbocatione) e anche l’idrogeno del -OH, facendo rimanere un O con carica negativa. Da questo si ottiene un’aldeide e H+, H- sciolti in soluzione -> H- va su enzima NAD, diventando la sua versione ridotta NADH (il NADH si riossida e produce energia sottoforma di ATP), mentre H+ rimane in soluzione.
• Alcool secondario -> Accade la stessa cosa dell’alcool primario ma si produce un chetone, anziché un'aldeide.
• Alcool terziario -> Gli alcool terziari sono già composti stabili, di conseguenza non si ossidano.

Tioli -> Composti con terminazione R-SH (funzione solfidrilica). Danno reazioni simili agli alcoli perché S (zolfo) ha caratteristiche simili all'O (entrambi appartengono allo stesso gruppo della tavola periodica quindi hanno caratteri chimici simili).

Reazioni caratteristiche dei tioli -> di ossidazione

In questo caso la reazione avviene intermolecolarmente, in quanto H viene rimosso da due molecole differenti. Il processo è identico ma si crea un disolfuro (ponte disolfuro) tipico delle proteine, per stabilizzare la loro struttura tridimensionale.

Ammine -> Composti con terminazione -NH2 (funzione amminica). Sono composti che derivano dall'ammoniaca (NH3) e sono primarie, secondarie e terziarie a seconda del numero di R che si legano alla N.

Caratteri chimici delle ammine

Tipicamente è basica -> svolge una funzione di accettatore di protoni, reagendo con H2O.

Composti carbonilici -> Sono diversi composti con terminazioni differenti a seconda che siano Aldeidi R-COH, chetoni R-COR’ e acidi carbossilici R-COOH.

Caratteri chimici dei composti carbonilici

• Gruppo tipicamente polare -> condividono il gruppo carbonilico C=O, di conseguenza sono tutti composti polari (O- e C+).
• Sono solubili in acqua in base alla lunghezza delle code di carbonio (aldeidi e chetoni sono utili per zuccheri mentre acidi carbonilici sono utili per acidi grassi da 4 atomi di C).

Reazioni caratteristiche di aldeidi e chetoni

Riduzione

• Da aldeide si arriva a alcool primario -> mediante unione di H- del NADH e H+ della soluzione.
• Da chetone si arriva a alcool secondario -> mediante unione di H- del NADH e H+ della soluzione.

Ossidazione

• L’aldeide può essere ossidata in acido carbossilico mediante introduzione di O₂ sull'H.

Reazioni caratteristiche degli acidi carbossilici

• Formazione di esteri - Acido carbossilico può reagire con alcool -> formando un estere mediante condensazione (eliminazione di H₂O) oltre che a formare trigliceridi (esteri formati dagli acidi grassi e dall’alcool del glicerolo, utili riserve di energia).
• Formazione tioesteri - Situazione identica si ha nel caso dei tioesteri -> acido carbossilico reagisce con tioalcolo a formare un tioestere.
• Formazione ammidi - Acido carbossilico si unisce all'ammina -> forma l’ammide (C=ONH è il legame carb-ammidico presente nelle proteine, influenza il modo in cui proteine e i peptidi si dispongono nello spazio).

Tipologie di composti biologici molto importanti: Lipidi, zuccheri e proteine

Lipidi

Sono molecole tutte differenti tra loro ma sono accomunate dalla presenza di almeno un acido grasso (acido carbossilico dal numero di carbonio ≥ 4) e hanno come funzione quella di riserva, struttura e funzione regolatoria.

Focus sugli acidi grassi

• Acidi carbossilici con acidi carbonio ≥ 4 ma sempre pari.
• Hanno una pKa = 4,5 e in gruppo fisiologico sono presenti come ioni CO-.
• In base alla lunghezza della catena carboniosa sono a catena corta (fino a 6C), a catena media (da 8 a 14C) e a catena lunga (da 16 a 36C).
• Possono essere saturi (non hanno doppi legami C-C, i più comuni sono il butirrico, il palmitico, lo stearico) mentre insaturi (hanno almeno un doppio legame C-C, i più comuni sono gli acidi essenziali come l’acido oleico, linoleico, linolenico).

Questo influenza la temperatura di fusione: maggiore è il numero di doppi legami e minore sarà il punto di fusione. I lipidi con acidi grassi saturi sono solidi a temperatura ambiente (grassi) mentre i lipidi ricchi di acidi grassi insaturi sono liquidi a temperatura ambiente (oli).

Caratteristiche chimiche dei lipidi

• Sono insolubili in acqua (idrofobici) ma sono solubili in solventi organici.
• Sono molto importanti per la dieta per il loro alto valore energetico.
• Aiutano ad assorbire le vitamine liposolubili (A, D, E, K) oltre che ai grassi acidi essenziali (non in grado di essere sintetizzati dall'organismo come Omega 3).
• Sono importanti costituenti strutturali degli organismi viventi ovvero delle membrane biologiche.
• Hanno una funzione regolatoria in quanto precursori di ormoni e vitamine.

Classificazione dei lipidi

• Semplici (gliceridi e trigliceridi, cere e steridi) - Hanno una funzione di riserva dato da molecola di glicerolo e 3 acidi grassi. Sono più funzionali per la liberazione di 3 molecole di H₂O, rispetto al glicogeno, ovvero una riserva a breve termine di glucosio nel fegato e nei muscoli -> ossidando i trigliceridi ho più energia con minore sforzo rispetto al glucosio e, oltre a questo, sono accumulati in forma anidra, ovvero priva di molecole di acqua, andando a pesare di meno e con meno spessore, compattandole in spazi piccoli.
• Complessi (fosfolipidi e glicolipidi per le membrane) - Hanno una funzione strutturale delle membrane cellulari e quindi sono costanti nella cellula nel tempo. Si dividono in fosfolipidi (glicerofosfolipidi, sfingolipidi) e glicolipidi -> hanno tutti carattere anfipatico, in quanto hanno porzione idrofilica e idrofobica.

Applicazioni dei lipidi complessi

• Guaina mielinica -> Rivestimento delle fibre nervose, contiene acidi grassi a catena lunga con punti di fusione molto elevati, al fine di rimanere rigida ed isolare per un passaggio più veloce del contatto nervoso.

Colesterolo

• Non è un lipide ma viene considerato un alcool per la funzione alcolica.
• Ha una componente idrofobica e una polare.
• È insolubile in acqua.
• Viene trasportato da lipoproteine plasmatiche (LDL sono buone perché rimuovono colesterolo mentre HDL è indice di assenza movimento colesterolo).

In base alla sua produzione è in parte esogena ed in parte endogena (accumulo di colesterolo crea placche aterosclerotiche con l’aumento d’infarto miocardico e apoplessia cerebrale). Ha anche un lato buono -> precursore di molecole d'importanza vitale come acido biliare (utile per la bile nell'assorbimento e digestione dei lipidi, solubilizzando i trigliceridi), produce la vitamina D, facilita l'assorbimento del calcio a livello intestinale, sviluppa il sistema immunitario. Se carente provoca rachitismo, problemi e disfunzione a livello degli ormoni sessuali e della corteccia surrenale.

I carboidrati

Carboidrati (glucidi o zuccheri) -> sono composti da C, H e O e per ogni atomo di C è presente una molecola di H₂O (idrate del carbonio). Composti polifunzionali contenenti gruppi ossidrilici (funzioni alcoliche) e un gruppo carbonilico (aldeidi o chetoni).

Funzioni dei carboidrati

• Energetica -> Fonte di energia immediata o fonte di riserva mediante ossidazione: 1gr di glucosio sono 4 kcal -> diventa energia usata subito, 1gr di acidi grassi sono 9 kcal -> viene usato più tardi in quanto è una riserva.
• Strutturale -> Gli zuccheri fanno parte delle glicoproteine e dei glicolipidi delle membrane cellulari.
• Regolatrice -> Le oligosaccaridi di superficie servono da segnali ormonali.

Classificazione dei carboidrati

• Monosaccaridi -> Zuccheri più semplici, composti da una singola unità ossidrilica (aldeidica o chetonica). Generalmente hanno un numero di atomi di C da 3 a 7, di cui uno con la funzione aldeidica o chetonica mentre gli altri hanno funzione alcoliche. Se hanno funzione aldeidica prendono il nome di aldosi mentre se hanno funzione chetonica sono chetosi (il gruppo aldeidico sta sempre in posizione 1 mentre il gruppo chetonico sta sempre in posizione 2). I monosaccaridi terminano con il suffisso -oso preceduto dal numero di C e dalla funzione aldo- o cheto-.

Trioso più semplice e più importante

• Gliceraldeide (tre monosaccaridi) -> ha sia la funzione D che L, ma consideriamo D (il gruppo OH è a destra del carbonio chirale) perché i nostri enzimi sono in grado di metabolizzare solo questi. Dalla gliceraldeide, per creare quella che è la successione dei carboidrati aldosi D, unisco un nuovo centro chirale sotto alla funzione carbonilica ottenendo due tetrosi, ripeto e ottengo dei pentosi, ripeto e ottengo degli esosi.
• Diidrossiacetone è il chetoso più semplice (tre monosaccaridi) -> non ha un centro chirale nella funzione chetonica perché non porta 4 gruppi diversi, anche se io posso creare dei D-chetosi aggiungendo un CHOH chirale sotto alla funzione chetonica.

• Oligosaccaridi -> Brevi catene di unità monosaccaridiche, unite da legami glicosidici (disaccaridi). I disaccaridi si creano quando due monosaccaridi reagiscono tra loro quando il primo con l’ossidrile della funzione emiacetalica e il secondo con un qualsiasi ossidrile, creando un legame glicosidico come il saccarosio.
• Polisaccaridi -> Polimeri ad alto peso molecolare con più di 10 unità di monosaccaridi (lineari o ramificati) e possono essere omopolisaccaridi (stesso monosaccaride all'interno che si ripete n volte) oppure etero polisaccaridi (diversi monosaccaridi come costituenti), uniti da legami di tipo glicosidico.

Esistono più tipologie di polisaccaridi

• Di riserva -> Scorta energetica per la cellula e generalmente hanno vita breve (amido in vegetale e glicogeno in animale).
• Di struttura/sostegno -> Partecipano alla costituzione di strutture di sostegno della cellula e dei tessuti (cellulosa in vegetali, peptidoglicano in batteri, GAG in animali).

Carboidrati importanti: Fruttosio, Galattosio e Glucosio

• D-Fruttosio -> Carboidrato cheto-pentoso caratterizzato da un OH a sinistra sotto al carbonio chetonico e un OH a destra nel C più lontano dalla funzione chetonica.
• D-Galattosio -> Carboidrato aldo-esoso e D-Glucosio -> Carboidrato aldo-esoso sono epimeri, ovvero sono isomeri che differiscono solamente per un carbonio (posizione 4).

Disaccaridi importanti: Maltosio, Lattosio e Saccarosio

• Maltosio -> Disaccaride, derivato dalla digestione dell'amido, è dato da 2 glucosi uniti (alfa, al di sotto del piano dell’anello, 1 - 4 glicosidico tra OH in posizione 1 del primo e OH in posizione 4 dell'altro, con eliminazione di H₂O) creando un etere.
• Lattosio -> Formato da galattosio e glucosio (legame galattosidico tra OH in posizione 1 beta, al di sopra del piano dell’anello, del galattosio e OH in posizione 4 del glucosio quindi beta 1-4 galattosidico).
• Saccarosio -> Quello che si usa normalmente come zucchero da cucina, dato da una molecola di glucosio e una di fruttosio (legame glicosidico tra OH in posizione 1 alfa, al di sopra del piano dell’anello, del glucosio e OH in posizione 2 beta, al di sotto del piano dell’anello, del fruttosio quindi alfa 1- beta 2 glicosidico).

Caratteristica del glucosio

Glucosio, in soluzione acquosa, non è quasi mai a catena aperta ma tende a ciclizzare, formando la struttura del Glucopiranosio, in base all’anello che viene creato (simile al pirano) -> se Oh si trova sotto piano di anello si chiama alfa altrimenti si chiama beta. Questa reazione avviene tra OH in posizione 5 del glucosio e il gruppo aldeidico, grazie alla capacità dell’O=C del gruppo aldeidico (che presenta la O con carica – e C con carica +) e quella del OH in posizione 5 (che presenta la H con carica + e O con carica -) di unirsi mediante doppietto di elettroni presente sull’O del quinto carbonio con il C della funzione aldeidica. Anche il fruttosio ciclizza ma crea un anello simile al furano, creando il fruttofuranosio -> il procedimento è identico ma avviene tra la funzione chetonica e la OH in posizione 5.

Aminoacidi e proteine

Molecole con un’importanza biologica fondamentale perché vengono usate dalle cellule per lo svolgimento di tutte le loro funzioni e possono essere:

• Semplici -> Costituite da una sola catena di aminoacidi.
• Coniugate -> Da una parte amminoacidica e da sostanze di natura diversa (gruppo prostetico = indispensabile per la funzione proteica).

Funzioni delle proteine

• Catalisi -> Quasi tutte le reazioni chimiche dell’organismo vengono catalizzate da proteine (enzimi).
• Trasmissione dei segnali chimici -> Mediante ormoni e recettori.
• Difesa -> Producono anticorpi per la gestione degli agenti estranei che entrano a contatto con noi.
• Movimento -> Proteine contrattili (muscolari = contraggono e rilasciano il muscolo permettendo movimento oppure il flagello batterico).
• Trasporto -> Emoglobina trasporta l’ossigeno per gli organismi e i tessuti oppure le proteine di membrana deputate al trasporto di sostanze.
• Deposito -> Deposito di sostanze (mioglobina nei muscoli per l’ossigeno).
• Sostegno -> Proteine strutturali (collagene nell’osso, cartilagine e tessuti connettivi).

Proteine -> Macromolecole date da unione di unità elementali detti amminoacidi (AA), di cui ne esistono circa 300 tipi in natura ma solo 20 sono presenti nelle proteine dei mammiferi in quanto sono gli unici codificati dal DNA (codoni), sono costituite da polimeri lineari legati con un legame peptidico, hanno una propria struttura tridimensionale (utile per lo svolgimento delle funzioni biologiche, se la perde non sarà più in grado di svolgere il proprio lavoro). Esistono amminoacidi essenziali (che noi dobbiamo introdurre con la dieta perché non siamo più in grado di sintetizzarli) e non essenziali (noi siamo in grado di sintetizzarli) -> dieta deve essere il più vario possibile perché alcuni amminoacidi variano la propria essenzialità nel corso della crescita.

Struttura degli amminoacidi

Ogni amminoacido possiede un carbonio centrale (carbonio α, centro chirale) a cui sono legati 4 diversi gruppi funzionali:

• Gruppo amminico -> NH₂, basico
• Gruppo carbossilico -> COOH, acido
• Un atomo d’Idrogeno -> H
• Catena laterale -> R, diversa da amminoacido ad amminoacido