Appunti di Biochimica

23/24 Biochimica 2° anno 1° semestre

La biochimica e gli organismi viventi

La biochimica è lo studio delle basi molecolari della vita e proviene da due discipline: chimica e biologia (il linguaggio delle cellule è un linguaggio chimico). Serve a comprendere l’organizzazione strutturale delle macromolecole biologiche, a definire le tappe delle vie metaboliche principali e i meccanismi di regolazione di queste vie. È quindi lo studio degli organismi viventi a livello molecolare.

Gli organismi viventi hanno una complessa organizzazione e ogni parte, ogni tessuto, svolge la sua specifica funzione. Il motivo di questa diversità è dovuto al fatto che le reazioni chimiche sono diverse da tessuto a tessuto, cioè ogni tessuto ha una propria indipendenza dal punto di vista metabolico. Noi siamo dei complessi sistemi chimici e questi sistemi contengono tutte le informazioni necessarie per crescere e riprodursi attraverso il metabolismo, a spese di energia e materiali dell’ambiente (cibo e, in misura minore, energia solare). Abbiamo la capacità di trasformare l’energia dall’ambiente, da qualcosa che proviene dall’esterno, cioè dagli alimenti e quindi dalle macromolecole.

La trasformazione dell’energia da parte di macromolecole fa sì che noi rilasciamo nell’ambiente esterno prodotti di scarto, molecole che non utilizziamo più (principalmente acqua, ammoniaca e anidride carbonica); questo concetto si esprime in fisica con la seconda legge della termodinamica per cui contribuiamo all’aumento dell’entropia, al disordine universale, e questo aumento di entropia, di disordine che creiamo nell’universo, è parzialmente bilanciato dalla nostra capacità di sintetizzare macromolecole. Da piccole molecole si producono macromolecole: è il processo inverso. Ci occuperemo infatti di sintesi e degradazione di macromolecole.

Conoscenze di biologia

Una cellula eucariotica animale è diversa da quella batterica dalla presenza di un nucleo e quindi di una membrana nucleare, dalla presenza di una serie di organelli all’interno del citoplasma, di una membrana citoplasmatica (in alcuni casi i batteri hanno anche una parete batterica). I batteri hanno una parete batterica composta da strati di glicoproteine e peptidoglicani, hanno un nucleoide, flagelli ecc. La cellula eucariotica ha, invece, specifiche caratteristiche.

Molti processi metabolici, molte reazioni, avvengono in specifici distretti cellulari: alcuni nei mitocondri, alcuni all’interno del citoplasma, altri nel reticolo endoplasmatico, altri sulla membrana plasmatica. Ogni organello è deputato a svolgere una specifica funzione e, quindi, a svolgere particolari reazioni chimiche. I batteri e gli eucarioti hanno un unico progenitore comune: gran parte delle reazioni biochimiche infatti è comune ai batteri e agli eucarioti, poiché entrambi utilizzano come combustibile principale gli zuccheri (carboidrati).

Tutti gli organismi hanno bisogno di una fonte di energia per poter sopravvivere. Per alcuni la fonte di energia è la luce solare: in questo caso si parla di organismi fototrofi, che attraverso la luce solare sono in grado di generare comporti organici. Organismi fototrofi sono, ad esempio, le piante (che svolgono il processo di fotosintesi), ma anche alcuni batteri. Noi esseri umani non siamo organismi fototrofi, nonostante la luce solare per noi sia vitale (ad esempio, alcuni composti come la vitamina D si sintetizzano sulla pelle a partire dal colesterolo grazie all’azione dei raggi ultravioletti del sole).

Noi utilizziamo però fonti di carbonio per poter sopravvivere, in particolare usiamo composti organici e li metabolizziamo, cioè li riduciamo a molecole sempre più piccole producendo grandi quantità di energia (processo comune all’uomo, ad alcuni batteri e ad alcuni funghi): siamo per questo definiti organismi chemiotrofi.

In generale, tutte le reazioni di catabolismo (cioè rompere una macromolecola in molecole più piccole) avvengono sempre nei mitocondri, mentre tutte le reazioni di anabolismo (cioè di sintesi di nuove molecole) avvengono esclusivamente nel citoplasma. L’insieme di catabolismo e anabolismo prende il nome di metabolismo.

Il mitocondrio infatti è uno degli attori principali della biochimica. Sono costituiti da una membrana mitocondriale esterna e una interna; quest’ultima è abbondantemente invaginata, presenta infatti una serie di creste mitocondriali ed è dotata di un proprio genoma, cioè ha un proprio DNA ed è capace di replicarsi autonomamente rispetto alla cellula stessa. Molte reazioni avvengono all’interno della matrice mitocondriale, altre sulla cresta mitocondriale e altre tra le due membrane esterna e interna. È bene dunque sapere la struttura di un mitocondrio.

Conoscenze di chimica

La biochimica richiede anche conoscenze di chimica. Per completare un ottetto un atomo deve acquistare elettroni e quindi interagire con altri atomi (ad esempio, il carbonio ha 4 elettroni nel guscio di valenza e può formare un massimo di 4 legami per raggiungere l’ottetto). La biochimica è la chimica del carbonio, così come la chimica organica. Tutte le biomolecole sono composti organici e il carbonio ha una versatilità enorme nel formare legami (può formare un massimo di 4 legami semplici, o può formare legami doppi o tripli). Non sono noti però composti organici con tripli legami.

Gli atomi di carbonio hanno struttura tetraedrica con angoli di legame di 109,5°; quando un C lega con un altro C i singoli atomi di C sono liberi di girare l’uno rispetto all’altro, ma in presenza di doppi legami C-C ciò non avviene e tutti gli atomi che si ritrovano legati a questi carboni giacciono tutti su uno stesso piano. Questo concetto viene ripreso parlando poi della struttura delle proteine: molte proteine presentano una struttura a foglietto in cui la presenza del doppio legame fa sì che si creino tanti foglietti; molte proteine hanno una classica conformazione detta a foglietto beta (beta sheet).

In chimica organica sono presenti dei gruppi funzionali (es: -OH ci dice che si tratta di alcoli, -COOH gruppo carbossilico ci dice che si tratta di aldeidi, C doppio legame O gruppo carbonilico, gruppo anilico -CONH₂, gruppo fenilico che è un anello aromatico, gruppo amminico caratteristico degli amminoacidi, sulfidrilico -SH, disulfidrilico -S-S-, -PO gruppo fosforilico ecc). Tutti i gruppi sono caratteristici dei composti biologici, composti che troviamo nelle nostre cellule per svolgere un ruolo che consente la nostra vita. Ma le molecole biologiche non sono esattamente uguali a quelle della chimica organica, ma sono più complesse.

Ad esempio, l’istidina, un amminoacido, contiene un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e un gruppo imidazolico; quindi ha 3 gruppi funzionali, ognuno dei quali è capace di stabilire delle reazioni. L’epinefrina (più comunemente detta adrenalina) è un ormone che regola il metabolismo degli zuccheri e degli acidi grassi, presenta molti gruppi funzionali e ognuno di questi andrà incontro a specifiche reazioni (non verrà richiesta la struttura). L’acetil-coenzima A è la molecola più importante dell’intero metabolismo, infatti tutto il metabolismo dei carboidrati, degli acidi grassi, convoglierà tutto in questa molecola; presenta inoltre molti gruppi funzionali.

Molte volte le reazioni tra molecole avvengono grazie alla formazione di legami idrogeno (atomo elettronegativo e atomo elettropositivo che si attraggono), legami peptidici che possono avvenire tra gli amminoacidi, attrazioni e repulsioni ioniche, interazioni idrofobiche tra molecole o forze di Van der Waals.

In biochimica, nelle nostre cellule esistono anche degli isomeri geometrici o isomeri cis-trans. Ad esempio, l’acido maleico si trova in una conformazione cis con due H da una parte e due COOH dall’altra; il suo isomero è l’acido fumarico, che si trova in una conformazione trans, cioè i due H e i gruppi carbossilici si trovano da lati opposti; questi isomeri non sono inter-convertibili, ma si possono inter-convertire solo in un caso, cioè se avviene la rottura del doppio legame, ma non avviene quasi mai perché richiede un apporto energetico troppo grande.

Così come in chimica organica, esistono molecole chiraliche e achiraliche. Una molecola chiralica ha 4 sostituenti legati a un carbonio e non può essere sovrapposta alla sua immagine speculare, a differenza delle molecole non chiraliche. Gli atomi si differenziano per la loro elettronegatività; il fluoro è l’elemento più elettronegativo, mentre il potassio quello più elettropositivo. Da questo concetto deriva che atomi con elettronegatività diversa possono interagire tra di loro. Possono legarsi tramite legami semplici (bassa energia di dissociazione), doppi (energia di dissociazione più alta) o tripli (ma non li consideriamo). La cellula lavora sempre in condizioni di massima economia energetica.

In una cellula avvengono almeno 5 tipi di trasformazioni chimiche: ossidoriduzione; scissione e formazione di legami carbonio-carbonio (si scinde un legame C-C e se ne forma un altro); riarrangiamenti interni; trasferimento di gruppi funzionali (all’interno di una molecola un gruppo funzionale cambia posizione); reazioni di condensazione. Nelle reazioni di ossidoriduzione si ha sempre un trasferimento di elettroni (un composto acquista elettroni e un altro li cede). Il carbonio presenta vari stati di ossidazione: può essere presente come idrocarburo (non nella cellula), come alcol, come aldeide, acido carbossilico o come ossido di carbonio (questo presenta il numero di ossidazione più alto).

Quando assumiamo zuccheri, il glucosio entra in un ciclo metabolico detto glicolisi, il cui prodotto finale è il piruvato. Il glucosio è una molecola a 6 atomi di C; viene scissa in due molecole a 3 atomi di C (2 molecole di piruvato) e si produce energia sotto forma di ATP. Il piruvato presenta 2 gruppi funzionali: un gruppo carbonilico CO e un gruppo carbossilico COO⁻. Pertanto questa molecola è un alfachetoacido, una molecola che contiene un gruppo chetonico in posizione alfa del carbonio, legato a sua volta a un acido COO⁻.

Questo piruvato, che si è formato dalla rottura del glucosio, sarà sottoposto a vari processi in base a se ci troviamo in condizioni aerobiche o anaerobiche (cioè in presenza o in assenza di ossigeno). In questo caso questo processo avviene in condizioni anaerobiche: il piruvato assume due protoni o due elettroni (in biochimica è lo stesso dire 2 protoni o 2 elettroni), quindi è una reazione di ossidoriduzione perché vengono acquistati e ceduti elettroni.

C’è una molecola deputata a trasferimento di elettroni, chiamata NAD, che trasforma il piruvato in lattato. La reazione non avviene casualmente, ma con un enzima detto lattato-deidrogenasi. Tutte le deidrogenasi catalizzano le reazioni di ossidoriduzione. La lattato-deidrogenasi catalizza proprio l’acquisto di due elettroni dal piruvato, che viene convertito in lattato. Questa è una reazione fortemente muscolare (basta pensare all’acido lattico): avviene nei muscoli, ma anche nel cuore. Queste reazioni sono diverse e si parla di isoenzimi, un enzima sta nel muscolo e un altro nel cuore. Catalizzano la stessa reazione, ma sono un po’ diversi per alcune caratteristiche.

Infatti, ad esempio, durante un infarto del miocardio, la prima cosa che avviene nel paziente è l’aumento della lattato-deidrogenasi. Nel muscolo avviene comunemente questa reazione, ma è una reazione reversibile: il lattato può cedere i suoi elettroni e si riconverte in piruvato. Gran parte delle reazioni in biochimica sono reazioni di ossidoriduzione dove intervengono le deidrogenasi.

In biochimica ci troviamo anche di fronte a reazioni di scissione e formazione di legami C-C. Quando c’è un legame C-C, questo può essere scisso in due modi: o per scissione omolitica (gli elettroni vengono equamente distribuiti, in modo tale che un elettrone va sul carbonio e l’altro elettrone va sull’altro carbonio) o per scissione eterolitica (un carbonio si prende tutti e due gli elettroni e assume carica negativa, mentre l’altro resta senza elettroni e assume carica positiva). Si formano, dunque, un carboanione (che può andare a reagire con un composto povero di elettroni) e un carbocatione (che può reagire con un composto ricco di elettroni).

Altro tipo di reazioni sono i riarrangiamenti interni. Durante la glicolisi avviene questa reazione: il glucosio 6-fosfato si trasforma in fruttosio 6-fosfato. Il carbonio 1 del glucosio 6-fosfato contiene un gruppo CHO, il carbonio due contiene un gruppo CHOH. Durante il riarrangiamento interno, il carbonio 1 ora ha un gruppo CH OH; il carbonio 2 ora ha un gruppo CO. Una isomerasi ha catalizzato questa reazione: il carbonio 1 che prima era un’aldeide viene ridotto ad alcol, mentre il carbonio 2 che prima era un alcol ora viene ossidato a chetone.

Le reazioni di trasferimento di gruppi interessano principalmente i gruppi fosfato. L’ATP è una molecola in cui i gruppi fosfato sono legati gli uni agli altri. Un gruppo fosfato dell’ATP può essere trasferito a una molecola di glucosio e la molecola di glucosio, ad esempio, diventa fosforilata e l’ATP si converte in ADP. Tutte queste reazioni attivano interventi metabolici. L’ATP è l’attore principale del nostro metabolismo: il metabolismo viene convogliato nella formazione di energia.

Infine, ci sono le reazioni di condensazione, che avvengono grazie all’eliminazione di acqua e formazione di legami che uniscono una molecola all’altra.

Gran parte del metabolismo è focalizzato alla degradazione e sintesi di macromolecole, ma è anche vero che siamo in grado di sintetizzare molecole a partire da molecole molto semplici. Ad esempio, a partire da amminoacidi sintetizziamo principalmente proteine, ma siamo anche in grado di sintetizzare alcuni ormoni che derivano direttamente da amminoacidi, o alcuni neurotrasmettitori (come la serotonina, che deriva dalla serina) la cui derivazione è da un singolo amminoacido; a partire dall’adenina sintetizziamo acidi nucleici, ATP e una serie di enzimi; a partire da acidi grassi (come l’acido palmitico) sintetizziamo i lipidi di membrana; o ancora, il glucosio non viene tutto utilizzato per produrre energia, ma una parte di esso viene utilizzato per sintetizzare zuccheri di cui abbiamo bisogno (lattosio, fruttosio, saccarosio e così via).

Amminoacidi, peptidi e proteine

Le proteine sono tra le molecole più importanti della nostra vita, difatti costituiscono gran parte del mondo vivente. È una molecola che fa parte dell’intero mondo vivente e quindi è altamente conservata nel corso dell’evoluzione. Una proteina si origina grazie alla trascrizione di un gene specifico: l’RNA messaggero viene così trascritto e dal nucleo viene trasportato nel citoplasma dove, attraverso il meccanismo della traduzione (che avviene nei ribosomi) vengono sintetizzate proteine contenenti una specifica sequenza di amminoacidi.

Va da sé che gli elementi fondamentali della proteina sono gli amminoacidi. Un amminoacido è una molecola che contiene un carbonio chiralico che si lega con: un gruppo carbossilico (che conferisce la funzione acida), un gruppo amminico (che conferisce funzione basica), un atomo di idrogeno e un gruppo R (che conferisce specifiche proprietà). Gli amminoacidi si distinguono gli uni dagli altri esclusivamente per la costituzione del gruppo R, tutti gli altri tre gruppi sono sempre identici.

Gli amminoacidi hanno una specifica nomenclatura chimica. Il carbonio 1 è il carbonio carbossilico; il carbonio 2 è il carbonio chiralico. Ma un’altra nomenclatura vuole invece che il carbonio chiralico sia detto carbonio alfa; la nomenclatura di tutti gli altri carboni segue le lettere dell’alfabeto greco (utilizziamo questa nomenclatura). Gli amminoacidi possono esistere come stereoisomeri (come immagini speculari non sovrapponibili l’una rispetto all’altra). Ci sono due tipi di amminoacidi: quelli che hanno il gruppo amminico a sinistra (amminoacidi della serie L; L-amminoacidi), e quelli che ce l’hanno a destra (della serie D; D-amminoacidi). In natura esistono quasi tutti amminoacidi della serie L. Gli amminoacidi si classificano in base al gruppo R.

Gli amminoacidi li troviamo spesso abbreviati con tre lettere o con una lettera. Ognuno ha il suo pk e valore di dissociazione e può migrare diversamente in un campo elettrico.

Ci sono amminoacidi che hanno un gruppo alifatico non polare (glicina, alanina, prolina, valina, leucina, metionina); dei più importanti bisogna conoscere le strutture. Altri amminoacidi hanno un gruppo R polare non carico (serina, treonina, cisteina, asparagina, glutammina); in particolare la cisteina è un amminoacido che contiene un gruppo sulfidrilico -SH, gruppo altamente reattivo; infatti, in molti casi, due cisteine adiacenti possono reagire tra di loro con una reazione di ossidoriduzione, in cui si allontanano due protoni formando un ponte disolfuro -S-S-; questi ponti stabilizzano la struttura di molte proteine.

Altri hanno un gruppo aromatico R (fenilalanina, tirosina, triptofano); in particolare la tirosina è il precursore di tutti gli ormoni tiroidei. Tutti gli amminoacidi aromatici sono in grado di assorbire la luce ultravioletta a una lunghezza d’onda di 280 nm, e questa proprietà viene utilizzata dai ricercatori per individuare amminoacidi aromatici.

Altri hanno un gruppo R carico positivamente (lisina, arginina e istidina); hanno una carica positiva in più e conferiscono quindi all’intero amminoacido una netta carica positiva (quindi se si fa migrare una di queste molecole in un campo elettrico, queste migreranno verso il polo negativo).

Altri ancora hanno un gruppo R carico negativamente (aspartato e glutammato); se questi amminoacidi si fanno migrare verso un campo elettrico, questi migreranno ver