Appunti integrati con studio del libro di Biochimica - parte 1

Biochimica

Biochimica è la scienza che studia la chimica della vita. Trasporto trans membrana è la seconda caratteristica che rende vitale un organismo. Per capire bene che cosa significa studiare la chimica della vita ritorniamo un po’ indietro nel tempo, siamo negli anni ’70 e un certo Lehninger, biochimico famosissimo, scrisse che gli organismi viventi sono costituiti da molecole che sono essenzialmente prive di vita.

Queste molecole prive di vita come il glucosio, i carboidrati, gli acidi grassi ecc. se le mettiamo in provetta non fanno nulla se non rimanere inanimate. Tuttavia se le stesse, nelle stesse proporzioni, nelle stesse concentrazioni ecc. le osserviamo all’interno di una cellula, e quindi in un contesto organico, possiamo immediatamente dire che quella cellula è viva.

Per capire la biochimica quindi dobbiamo prima capire quali per un biochimico sono le caratteristiche che rendono vitale un organismo. La vita di un organismo non è altro che un processo attraverso cui gli esseri viventi fanno essenzialmente 4 cose, tre di queste le studieremo in questo corso.

Caratteristiche che rendono vitale un organismo

• Scambio di energia con l’esterno tramite le membrane. Possiamo parlare della fosforilazione ossidativa di cui ci parlava Lehninger, dove esistono delle proteine che hanno il compito di produrre energia in maniera tale che la cellula possa utilizzarla e poi scambiarla con l’esterno. “Scambiare” significa prelevare l’energia sotto forma di energia solare e poi, sulla membrana dei cloroplasti, ci sono i complessi della fosforilazione che produrranno ATP a partire proprio dall’energia solare.
• Scambio di materia. Immaginate come se le cellule fossero sigillate e non scambiassero nutrimento o prodotti di scarto con l’esterno. Se la membrana fosse impermeabile chiaramente non ci potrebbe essere una vita all’interno di quella cellula e quindi lo scambio di materia attraverso dei meccanismi di trasporto trans membrana è la seconda caratteristica che rende vitale un organismo.
• Scambio di informazioni. Le cellule interagiscono tra di loro. Ad esempio la cellula epatica dialoga con la cellula pancreatica e quando noi siamo in stato di ipoglicemia o in iperglicemia, il glucagone e l’insulina, che vengono secreti dal pancreas, arrivano nel torrente ematico e vengono distribuiti e interagiscono con tutte le cellule tra cui anche le cellule epatiche per poterle appunto condizionare affinché le cellule epatiche che, fino ad un momento prima si comportavano in un certo modo, alterano completamente il loro percorso di attivazione e fanno quello che è richiesto fare per far in modo che l’organismo possa rispondere allo stimolo in maniera coerente.
• Capacità di auto assemblarsi, autoduplicarsi e trasmettere il proprio patrimonio genetico alle cellule delle generazioni successive.

Gli organismi autotrofi e quindi gli organismi animali, in particolare l’uomo, è il sistema al quale noi faremo riferimento perché voi siete studenti di farmacia e quindi progetterete, dispenserete, studierete farmaci che interagiscono con organismi animali, in particolare con l’uomo.

Se io ho ad esempio ho mangiato 100 g di zucchero la mia glicemia è dunque salita e l’insulina deve determinare in qualche modo la diminuzione della concentrazione di glucosio ematico per non entrare in coma iperglicemico così come se io sto otto ore a digiuno la concentrazione di glucosio ematico tende a scendere, l’insulina dunque non deve essere più secreta e le cellule del pancreas ma devono produrre un altro ormone che è il glucagone che deve fare l’effetto opposto ovvero aumentare la concentrazione del glucosio nel sangue per evitare di andare in stato di ipoglicemia.

Voi sapete che quando andate in farmacia venderete dei farmaci che per esempio agiscono da antiulcera nei casi di acidità. I farmaci antiulcera attualmente disponibili e i più efficaci sono gli inibitori della pompa protonica ovvero un sistema di trasporto, la pompa protonica, H+/K+ ATP-asi, che si trova nella mucosa dello stomaco che non fa altro che produrre acido cloridrico. La biochimica si occupa di studiare questo sistema fisiologico, analizzarne la struttura per poi capire in che modo agire.

Stessa cosa vale per l’emoglobina che è una proteina che trasporta ossigeno nel sangue. Questa può trasportare ossigeno ai polmoni, ai tessuti, può prelevare anidride carbonica dai tessuti e cedere sempre ai tessuti ossigeno perché ha una struttura, che per quanto sia simile per esempio alla mioglobina che è il gemello che si trova anziché nel torrente ematico nei tessuti muscolari, poiché non è identica la mioglobina è un serbatoio di ossigeno nel muscolo e non potrà mai fare quello che fa l’emoglobina cioè cedere e assumere ossigeno in un modo reversibile.

Quindi un qualcosa funziona in un certo modo se ha una certa struttura, farà altro se questa struttura verrà cambiata. E qui arriviamo a un altro concetto che le nostre cellule non hanno sempre lo stesso comportamento perché noi viviamo in un ambiente, riceviamo degli stimoli talvolta diversi e non facciamo sempre le stesse cose.

Ogni risposta deve potere essere plastica, per esempio deve potere aumentare la concentrazione di un prodotto o potere diminuire la concentrazione dello stesso prodotto e allora è necessario che le trasformazioni siano reversibili. Le proteine rappresentano benissimo questo concetto perché sono delle macromolecole costituite da atomi con una struttura terziaria e quaternaria, cioè una disposizione nello spazio tridimensionale, che si fonda sulle interazioni deboli, legami a idrogeno, Van Der Waals, interazioni idrofobiche, insomma tutte interazioni plastiche per cui possono attraversare cicli catalitici ed essere riciclati oppure con una molecola di proteine si possono fare un numero n di trasformazioni.

Oppure come nel caso dell’emoglobina nei tessuti ha una conformazione e quindi fa una cosa ovvero cedere ossigeno, nei polmoni subisce una variazione conformazionale che porta l’emoglobina ad avere una elevatissima affinità nei confronti dell’ossigeno. Quindi struttura e funzione vanno d’accordo, ma la struttura è un qualcosa di mutabile, di estremamente plastico, perché le macromolecole sono tenute a cambiare sempre la loro conformazione per dare risposte sempre diverse affinché il nostro organismo possa gestire l’interazione con l’ambiente in modo proficuo.

In biochimica parleremo sempre di qualche cosa che è reversibile, cioè la cellula deve potere tornare indietro. Quando un farmaco invece altera, come nel caso dell’aspirina, la struttura primaria perché crea un legame covalente vicino al sito attivo della proteina e ne altera la sua struttura primaria e di conseguenza secondaria, terziaria e quaternaria, quell’enzima è finito e non possiamo più tornare indietro e quindi la cellula è costretta a risintetizzare un’altra proteina per poter riavere quell’effetto.

Fondamenti di biologia

La cellula da un punto di vista biologico è l’unità fondamentale costitutiva dell’organismo. Vi propongo un’altra definizione molto più termodinamica, molto più chimica: la cellula è un sistema isotermico di molecole, in grado di auto assemblarsi, auto perpetuarsi ed estrarre energia libera in materia dal suo ambiente.

Fondamenti di fisica

Vi ricordate quando in fisica avete studiato l’energia libera? L’energia libera è quell’energia che a pressione e temperatura costante può essere convertita in lavoro.

Poi ci sono altre due grandezze importanti che sono l’Entalpia (H) e l’Entropia (S). L’Entropia è il disordine, non ci possiamo fare niente ma quando il glucosio per esempio viene convertito in piruvato nella glicolisi, il glucosio ha in sé un contenuto energetico dovuto ai legami dei vari atomi di carbonio che nel momento in cui si rompono viene sviluppata energia che può essere o energia libera o calore.

Allora tutte le trasformazioni chimiche che studieremo, tutte le reazioni metaboliche, convertono integralmente l’energia libera dei reagenti in energia libera nei prodotti di reazione, dissipando sotto forma di calore, di entalpia, una quantità proprio minimale sia per un problema che funzioniamo veramente bene e quindi i sistemi sono massimizzati per estrarre da ogni reazione la giusta quantità di calore se invece dissipiamo calore immaginatevi quello che succederebbe in tutto il catabolismo, la cellula brucerebbe.

Energia libera

L’energia libera viene utilizzata per:

• Creare i gradienti ionici, ad esempio un pesce fintanto che è vivo la concentrazione dei soluti all’esterno della cellula e all’interno della cellula è diversa, per esempio la concentrazione di potassio all’interno del pesce è maggiore di quella che c’è nel lago, la concentrazione di sodio la stessa cosa, la concentrazione di cloro la stessa cosa. Nel momento in cui il pesce muore le concentrazioni sono uguali.
• Creare le biomolecole, dagli aminoacidi alle proteine.

In pratica a fare tutto quello che è endoergonico, cioè tutte quelle trasformazioni che non avverrebbero mai in quelle condizioni perché hanno una variazione di energia libera positiva.

Vi faccio un esempio, prima tappa della glicolisi, banalissima, il glucosio reagisce con l’ATP per formare glucosio-6-fosfato. Noi abbiamo bisogno di ATP perché se non ci fosse l’ATP ma ci fosse semplicemente il fosfato inorganico, glucosio più fosfato inorganico non formerà mai glucosio-6-fosfato perché da un punto di vista termodinamico il glucosio è stabilissimo, il glucosio-6-fosfato è instabile, neanche con le cannonate sulla terra una cosa instabile diventa una cosa stabile.

Se invece io fosforilo il glucosio con l’ATP e formo l’enzima fosforilato che poi fosforila il glucosio, allora l’enzima fosforilato diventa instabile e si trasforma in qualcosa di più stabile questo è un meccanismo che si chiama meccanismo delle reazioni accoppiate.

Dalla termodinamica voi sapete appunto che l’energia libera G è una funzione di stato, cioè dipende dallo stato iniziale e dallo stato finale di una reazione. Se guardo il glucosio e il glucosio-6-fosfato so che l’energia del glucosio è bassissima, l’energia libera del glucosio-6-fosfato è enorme. Concludo quindi che il glucosio è molto più stabile del glucosio-6-fosfato, dico che il ΔG tra il prodotto di reazione e il reagente è maggiore di zero e dico quindi che è una reazione endoergonica cioè non è spontanea.

Al contrario, prendo la reazione di idrolisi dell’ATP: vediamo in questo diagramma che se considero l’ADP e il fosfato inorganico (Pi) cioè i prodotti di reazione, questi sono enormemente più stabili dei reagenti, questo significa che questa reazione ATP che dà ADP e fosfato inorganico è spontanea perché ha un ΔG minore di zero.

Poiché il ΔG2 è maggiore del ΔG1, guardare il vettore, cioè l’energia libera ceduta dall’idrolisi dell’ATP è maggiore di quella che serve al glucosio per fosforilarsi, io posso sommare queste due reazioni che hanno un intermedio comune, il fosfato inorganico, e quindi:

• Reazione 1: glucosio + fosfato inorganico + ATP glucosio-6-fosfato.
• Reazione 2: ATP ADP + fosfato inorganico.
• Reazione 3: somma delle due reazioni in cui fosfato inorganico e fosfato inorganico si elidono.

Sommando i vari ΔG, ovvero le varie energie libere dei reagenti e dei prodotti di reazione, condivido un intermedio, lo sommo membro a membro e ottengo la reazione 3 che è una reazione esoergonica. Tutte quelle volte in cui la cellula si trova davanti una reazione che deve portare a compimento e quella reazione è termodinamicamente sfavorita perché è endoergonica succede che la reazione 1 si accoppia alla reazione 2 in modo tale che la reazione 3 che ne risulti sia esoergonica.

Chiaramente si deve scegliere una reazione 2 che dia più energia di quella che serve alla reazione 1 perché se fossero uguali, in termini di energia, sarebbero reazioni all’equilibrio e non sarebbe né eso né endoergonica.

Questo meccanismo avviene spessissimo perché la cellula è un sistema omeostatico a 37 gradi, pH 7,4 e a pressione atmosferica ed è un sistema che lavora, da un punto di vista metabolico in condizioni blande e allora molto spesso le reazioni non sono spontanee perché partono da reagenti che sono talmente stabili che tra di loro non reagirebbero mai e allora la maggior parte delle reazioni che studieremo sono delle reazioni accoppiate in cui ci renderemo conto che questo fosfato inorganico non è realmente l’intermedio comune perché se facciamo questa stessa reazione in una provetta non avverrà mai perché quando si forma il fosfato inorganico già l’ATP si è idrolizzata e il glucosio è stato lì a guardare quindi sono due mondi che non si incontreranno mai, due strade parallele.

Quello che succede realmente nella cellula avviene grazie a un enzima che si chiama esochinasi che lega entrambi i reagenti: il glucosio e l’ATP e l’ATP legandosi alla proteina si idrolizza fosforilando la proteina. Quindi l’ATP si idrolizza fosforilando l’enzima, l’enzima diventato instabile, perché sappiamo che i composti fosforilati sono instabili, è fortemente energetico e va a fosforilare il glucosio e a quel punto la reazione è esoergonica perché abbiamo un enzima fosforilato che è molto più stabile dell’enzima non fosforilato che andrà a sua volta a fosforilare il glucosio.

Quindi la prima tappa della glicolisi quando la studieremo sarà: glucosio + ATP + esochinasi + magnesio glucosio-6-fosfato + ADP. Il ΔG di idrolisi è elevato cioè negativo ovvero la reazione è esoergonica quindi spontanea ma ciò non mi dice che avverrà in un tempo che sia opportuno per la cellula o che sia fisiologicamente rilevante.

Quel valore negativo di ΔG mi dice soltanto che i reagenti sono più instabili dei prodotti di reazione quindi la reazione è spontanea però la cellula si deve dotare di un enzima che non soltanto gestisce questa reazione accoppiata facendo in modo che i reagenti interagiscano tra di loro, ma opera anche quello che Garret chiama “controllo cinetico sulle potenzialità termodinamiche” ovvero si deve fare in modo che la reazione avvenga quando mi serve e non potendo agire sulle condizioni di vita della cellula, pH, temperatura e pressione, posso sfruttare enzima che in questo caso funge da catalizzatore agendo sulla cinetica di reazione abbassando dunque l’energia di attivazione e rendendo più veloce la reazione. Di conseguenza quella tappa della glicolisi di cui abbiamo precedentemente parlato, avverrà in un tempo che sia opportuno.

In conclusione gli enzimi determinano non soltanto un aumento della velocità di reazione, che è importantissimo perché le reazioni avvengono di solito in condizioni talmente blande che potrebbero avvenire in un tempo troppo lungo per l’organismo ma permettono anche, essendo proteine e poiché le proteine funzionano sulla base di legami reversibili, di potere aumentare o diminuire la velocità della reazione cioè quando l’esochinasi non deve più funzionare ci sarà un modulatore allosterico negativo che diminuirà la capacità di reagire con i reagenti disattivandoli.

Questo è un grafico che ci fa vedere una reazione A B, analizziamo la quantità di prodotto B formato all’aumentare del tempo in una reazione non catalizzata e una reazione catalizzata.

Infine Garret, sempre riguardo agli enzimi, diceva che gli enzimi dotano la cellula di un controllo straordinario cioè un controllo che riguarda le potenzialità cinetiche su una reazione che è termodinamicamente favorita. Questo controllo straordinario serve perché ad esempio in 10 tappe della glicolisi non c’è mai un solo meccanismo di controllo perché se quello crolla o se non è sufficiente la cellula collassa dunque ce ne sono tanti allora oltre alla capacità che hanno gli enzimi di automodularsi si crea un circuito di feedback negativo cioè qualunque cosa succede è un qualcosa che riguarda l’intera tappa metabolica.

Inibizione a feedback negativo

Supponiamo: la treonina che diventa isoleucina. Se, indipendentemente da quello che è successo nelle varie vie metaboliche, il prodotto di reazione si sta accumulando e allora questo prodotto interagisce con il principale enzima della reazione, che rappresenta la chiave di tutto il percorso metabolico, disattivandolo in modo tale che B non verrà più prodotto. Quindi questa si chiama inibizione a feedback negativo. Quindi oltre al controllo cinetico degli enzimi, esiste proprio il controllo che riguarda l’accumulo del prodotto di reazione che porta all’inibizione degli enzimi che a monte producono quella cosa.

2 Lipidi

Struttura: un gran numero di strutture vengono definite lipidiche quando condividono alcune caratteristiche molecolari e fisico-chimiche ossia la scarsa solubilità in acqua e un’elevata solubilità in solventi apolari.

I lipidi si possono classificare in varie tipologie:

• Acidi grassi, sono i costituenti di sottoclassi lipidiche più complesse come per esempio triacilgliceroli.
• Glicerofosfolipidi.
• Sfingolipidi.

Tutti condividono un’unità fondamentale che nasce dalla condensazione di diverse molecole di acidi grassi. Altre strutture particolari lipidiche, che rivestono un significato funzionale elevatissimo, sono la classe dei terpeni e degli steroli.

Principali ruoli fisiologici dei lipidi

• Riserva energetica: triacilgliceroli, si conservano nel tessuto adiposo e svolgono una importante funzione: produrre ATP e calore.
• Componenti della struttura di membrana: steroli, glicerofosfolipidi e sfingolipidi.
• In alcuni organelli subcellulari, soprattutto nelle cellule vegetali, come i cloroplasti, oltre che steroli, glicerofosfolipidi e sfingolipidi, si devono includere galattolipidi e sol