Appunti lezioni Biochimica

Intro alla biochimica di Lehninger

La biochimica è la disciplina che analizza e valuta le reazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi. Queste reazioni chimiche non sono tanto diverse da quelle che avvengono in un batterio. Sono una serie di reazioni chimiche organizzate fra di loro in modo da generare un’alterazione di molecole e cellule che alla fine chiamiamo vita. In un cadavere avvengono quasi tutte le reazioni chimiche che avvengono nell’individuo vivo. A un certo punto ne iniziano addirittura altre. La differenza è l’organizzazione e il controllo di queste reazioni che sono coordinate in modo da rendere questi eventi biologici funzionali a quella che è la vita. La degradazione delle molecole avviene anche in vita. La biochimica studia le reazioni sotto un coordinamento dato da diversi fattori.

Metabolismo

Quando parliamo di metabolismo parliamo della capacità di un essere vivente di trasformare l’energia dagli alimenti che assumiamo con la nutrizione in energia metabolica. L’homo sapiens è comparso sulla terra circa 400mila anni fa. Rispetto all’uomo di ora era geneticamente differente, ma non differenze genetiche marcatissime. Considerate che preso il genoma dell’uomo, quindi tutta la sequenza di DNA dell’uomo e quello di un topo la differenza è del 27%, tutto il resto è identico. Se analizziamo il DNA di un uomo e quello di uno scimpanzé, l’omologia è del 97%. Si parla di piccole differenze genetiche che fanno però delle enormi differenze morfologicamente e metabolicamente.

Stile di vita dell'homo sapiens

Che differenza c’è quindi fra questo uomo e questi ominidi? Questo homo sapiens, apparso sulla terra 400mila anni fa in realtà è geneticamente identico, quindi non c’è stata più un’evoluzione marcata, all’uomo del 2022. Cosa faceva nella vita quest’uomo? Nella vita l’homo sapiens cercava di sopravvivere attraverso la caccia e il raccolto. Si svegliava la mattina e faceva un lavoro piuttosto faticoso. L’uomo sovrappeso nella slide è l’uomo del mondo occidentale, e si parla di 1 persona su 3 che risulta essere in sovrappeso. Perché l’homo sapiens di 400mila anni fa non viene rappresentato in sovrappeso? Perché ovviamente era piuttosto improbabile che con l’attività che faceva si verificassero situazioni di sovrappeso.

Alimentazione e metabolismo

C’è da fare una considerazione: uno potrebbe dire “si vabbè ma campavano 25 anni”. Non è vero. La vita media dell’homo sapiens di 400mila anni fa era piuttosto lunga, si è accorciata dopo. L’homo sapiens faceva una vita abbastanza sana. Si muoveva molto. Era un individuo che mangiava carne, pesce, bacche. Quindi un’alimentazione perfetta dal punto di vista biologico. Non assumeva carboidrati. Assumeva solo il grasso della carne. Era un individuo che si nutriva in maniera piuttosto sana. L’uomo di ora si nutre di carboidrati, frutta, zuccheri. Nel mondo occidentale abbiamo un’elevata disponibilità di carboidrati, e si rischia di inserire nell’organismo molta più energia di quanta ce ne serve. Noi per vivere, per avere quella serie di reazioni chimiche necessarie alla vita, abbiamo bisogno di energia. Questa energia la prendiamo dai grassi, dalle proteine, dai carboidrati, ma devono essere bilanciate. Non si deve eccedere in una classe molecolare piuttosto che in un’altra o eccedere in generale, altrimenti immettiamo più energia di quella che ci serve per vivere. L’energia in più la accumuliamo sotto forma di riserva, in parte come polisaccaride complesso (glicogeno, che sta nei nostri muscoli e nel nostro fegato) e gran parte si trasforma in acidi grassi quindi trigliceridi, lipidi. Quindi è il mangiare troppo che ci fa ingrassare, ma nel mondo occidentale la classe molecolare di cui abbiamo una disponibilità enorme sono gli zuccheri.

Glicemia

La glicemia è a concentrazione di glucosio nel sangue. Ci sono dei valori di riferimento entro i quali bisogna stare. Di solito i valori di riferimento vanno dai 70 ai 110 mg/dL. 110 già è tanto, bisognerebbe stare sotto i 110. 70/110 mg/dL corrispondono a circa 0.7-1.1 g/L di sangue. Se uno beve una lattina di coca cola, immette nel proprio organismo acqua, aroma naturale e zucchero. 35 grammi di zucchero. 35 grammi di zucchero sono circa 11 bustine di zucchero. L’uomo ha circa 5 litri di sangue. Dopo aver bevuto una lattina di coca cola ha introdotto 35 grammi di zuccheri, quindi la concentrazione di glucosio nel suo sangue passa ad almeno 7 g/L. 7 g/L è 10 volte sopra il livello di glicemia considerato normale.

Energia e termodinamica

La trasformazione dell’energia che prendiamo dagli alimenti, porta a dei livelli energetici dentro il nostro organismo, che se non vengono consumati si accumulano sotto forma di grasso. L’energia viene trasformata sempre, in qualsiasi processo chimico dell’universo. Bisogna sempre rifarsi al primo principio della termodinamica. “L’energia non si crea e non si distrugge”. Esiste una certa quantità di energia nell’universo, che non può essere distrutta ma può essere solo trasformata. Nell’uomo l’energia che prendiamo dai nutrienti viene trasformata per fare il lavoro cellulare, sintesi delle macromolecole, sintesi delle proteine, sintesi del DNA, sintesi dell’RNA, ovvero quelle reazioni chimiche organizzate e coordinate che danno luogo alla vita. Anche per il lavoro meccanico per muoversi serve energia. Inoltre l’energia serve per produrre calore. Tutti gli elementi che abbiamo assunto per trarne energia, erano sotto forma di carboidrati, proteine etc. Queste molecole vengono spezzettate e degradate in molecole più semplici: anidride carbonica, acqua, gruppi fosfato etc, che a loro volta saranno usati dal nostro organismo per produrre molecole. Un errore molto comune è quello di pensare che mangiamo alimenti che ci servono direttamente per il nostro metabolismo.

Energia delle reazioni chimiche

Alla fine del 19° secolo Williard Gibbs mise a punto questa teoria. Sviluppo delle grandezze per valutare l’energia delle reazioni chimiche. Energia che fu chiamata G. Le 3 grandezze che vanno tenute in considerazione sono entalpia (H), entropia (S) e la temperatura (T). la temperatura è sempre costante negli esseri viventi.

• Entalpia: quantità di legami chimici, e qualità dei legami chimici che tengono insieme gli atomi nelle molecole. (energia contenuta nei legami chimici)
• Entropia: è il grado di disordine dell’universo. La tendenza della materia è quella di aumentare l’entropia. Entalpia e entropia sono coinvolte nelle variazioni energetiche delle reazioni chimiche. Questo è quello che avviene nel nostro metabolismo. Quando noi assumiamo alimenti, traiamo energia per far avvenire tutte le reazioni chimiche.

Adesso prendiamo in considerazione questi due piani inclinati. Prendiamo in considerazione quello rosa. Abbiamo un sasso all’apice del piano inclinato. Se questo sasso lo tengo fermo, lassù sta fermo. Se lo lascio, tende a scivolare attratto dalla gravità terrestre. Non ha bisogno della mia spinta. È una reazione spontanea. Se applicassimo la formula di Gibbs, otterremo un valore finale che è inferiore a 0. Le reazioni che in biochimica avvengono spontaneamente e liberano energia si chiamano esoergoniche. Nella parte celeste abbiamo un sasso alla base del piano inclinato. Se non lo tocchiamo sta fermo. Se lo voglio spingere all’apice del piano inclinato lo devo spingere e devo applicare una forza. Devo compiere un lavoro, usare energia. Se applicassimo qui la formula di Gibbs otterremo un risultato superiore a zero. Non è un’azione spontanea. Le reazioni che richiedono energia si chiamano endoergoniche. Se legassi il sasso rosa a quello celeste, il sasso rosa utilizzerebbe molta più energia rispetto a quella che servirebbe al sasso celeste di salire sull’apice del piano inclinato. Le reazioni esoergoniche e endoergoniche si possono quindi unire.

Glicolisi

Quando parleremo della glicolisi, ovvero della degradazione del glucosio, quando noi mettiamo zuccheri nel nostro organismo, la prima reazione di degradazione del glucosio, non è una rottura della molecola ma è un’aggiunta di una parte chimica alla molecola di glucosio. Si aggiunge gruppo fosfato (fosforilazione del glucosio). Se prendo una provetta di acqua e ci metto dentro glucosio e gruppo fosfato, queste due molecole non si assoceranno mai, perché la degradazione del glucosio non è una reazione spontanea, è una reazione endoergonica. Ha bisogno di energia. In questa provetta per far unire il glucosio al gruppo fosfato bisogna aggiungere qualcosa che gli fornisce energia. Questo qualcosa è l’ATP (adenosintrifosfato). Quando l’ATP è messo nell’acqua si rompe subito, perché l’idrolisi dell’ATP è una reazione fortemente esoergonica. L’energia liberata dall’idrolisi dell’ATP fa fosforilare il glucosio. Il principio base del metabolismo è accoppiare reazione esoergoniche a reazioni endoergoniche. L’unità di misura con cui si misura la variazione di energia è la caloria. In ambiente anglosassone usano il Joule. Quando il delta G di una reazione chimica è negativo, si tratta di una reazione spontanea, esoergonica, quando invece è positivo non è spontanea ed è endoergonica. Quando parliamo di reazioni spontanee, ci aspettiamo che sia una reazione che avvenga immediatamente. Le reazioni anche se sono spontanee, non è detto che siano veloci.

Metabolismo: catabolismo e anabolismo

Il metabolismo è l’insieme di tutte le reazioni chimiche che hanno luogo in un organismo vivente. Si divide in due fasi:

• Catabolismo: è la fase di degradazione delle molecole biologiche
• Anabolismo: è la fase di sintesi delle molecole biologiche

Le vie degradative sono quelle destinate a produrre ATP, mentre quelle di sintesi consumano ATP. Le varie vie metaboliche sono tutte interconnesse. L’ATP è un nucleotide che non viene usato per la sintesi delle molecole genetiche, bensì per dare energia. È fatto da uno zucchero con 5 atomi di carbonio, poi abbiamo una base azotata, così chiamata perché contiene atomi di azoto, in questo caso c’è la purina adenina, e poi ci sono 3 gruppi fosfato, per questo si chiama adenosintrifosfato. Abbiamo detto che l’entalpia è la quantità e la qualità degli atomi contenuti in una molecola (2 o più atomi combinati insieme fanno una molecola). In questa molecola di ATP ci sono vari legami. Per esempio il legame che tiene insieme i due gruppi fosfato si chiama legame anidridico, in cui c’è un ossigeno che fa da ponte, è un legame che si può rompere in acqua. Quando si rompe questo legame viene liberata una certa quantità di energia. Quanta energia viene liberata? Attraverso la formula di Gibbs si può calcolare. Sappiamo che il delta G della reazione di idrolisi produce -7,5 kcal/mole. Meno perché è una reazione esoergonica. L’ATP è una molecola che quando viene rotta libera la quantità maggiore di energia. Molte delle reazioni del metabolismo se non funzionano in modo adeguato fanno emergere delle malattie.

Trasformazione dell'energia

Abbiamo detto che il metabolismo non è altro che un processo di trasformazione di energia dagli elementi all’ATP, che poi serve per vivere. Esempio la pasta contiene una certa quantità di energia che noi, rompendo le molecole di questi alimenti, riusciamo a ottenere trasformando l’energia di questi elementi in ATP. Non è diverso da quello che succede per esempio nelle nostre case e nelle nostre aule: ci sono le luci accese. Chi gliel’ha portata l’energia alla lampadina per accendersi? Si schiaccia l’interruttore. Schiacciando l’interruttore si va a chiudere il circuito, ma questo circuito di cosa è fatto? È fatto di rame. Si schiaccia l’interruttore, si chiude il circuito e il filo di rame si riattacca e porta energia attraverso elettroni. Noi facciamo passare elettroni da dove parte la fonte di energia, e attraverso un flusso di elettroni arriva fino alla lampadina che si accende. Nei sistemi viventi succede esattamente la stessa cosa, solo che non abbiamo i fili di rame che portano gli elettroni, abbiamo delle molecole.

Reazioni di ossido-riduzione

Quando mangiamo queste molecole si degradano e noi estraiamo elettroni da queste molecole che vengono trasportate in un percorso (che poi vedremo nel tempo), fino a un sistema che poi produce ATP. Chi sono i trasportatori di elettroni? Sono NAD e FAD, attraverso delle reazioni di ossido-riduzione. Le reazioni di ossido-riduzione non sono altro che reazioni in cui avviene un trasferimento di elettroni. Cioè le sostanze (S) che noi assumiamo, contengono un certo numero di elettroni, di solito elettroni dell’atomo di idrogeno, per questo le ossidoriduzioni si chiamano anche deidrogenazioni. Queste sostanze perdono degli elettroni. Quando una sostanza perde elettroni si dice che si ossida. Chi prende questo elettrone da una molecola che si è ossidata è una molecola che lo accetta, che si riduce. Tutte le sostanze che introduciamo con la nostra alimentazione si ossidano. Solo due nel metabolismo di tutti gli esseri viventi accettano elettroni. Queste due si chiamano NAD (nicotinamide adenin dinucleotide) e FAD (flavin adenin dinucleotide). Le reazioni di ossido-riduzione servono a trasferire gli elettroni per far passare l’energia dagli alimenti al sistema di generazione dell’ATP attraverso l’ATP-sintasi. Questi elettroni vengono trasferiti da una molecola all’altra attraverso queste reazioni di ossido-riduzione. Una sostanza perde elettroni e si ossida, un’altra sostanza accetta elettroni e si riduce. Ricordiamo che le reazioni di ossido-riduzione si chiamano anche deidrogenazioni perché si parla sempre del trasferimento di atomi di idrogeno. Un atomo di idrogeno è fatto da 1 protone e 1 elettrone. Quando si trasferiscono due atomi di idrogeno, trasferiamo 2 elettroni e 1 protone e 1 altro protone rimane nel mezzo, nell’acqua. Infatti il NAD diventa NAD⁺ (perché ha una carica positiva), la sostanza perde elettroni, che vanno sul NAD che diventa NADH più H⁺. Quindi il NAD è l’accettore di elettroni.

Vitamine e trasportatori di elettroni

È importantissimo perché non siamo in grado di farcelo per conto nostro, o meglio in parte sì, possiamo modificare l’amminoacido triptofano e sintetizzare un po’ di NAD, ma principalmente dobbiamo assumere dei precursori per poter fare il NAD. Questi precursori si assumono sotto forma di vitamine, in particolare la vitamina B3, detta anche acido nicotinico o niacina. È importante perché l’avitaminosi, ovvero l’assenza di questa vitamina, la carenza di questa vitamina fa emergere una malattia gravissima che si chiama pellagra. È una malattia che provoca dermatite, diarrea, demenza. Il FAD è l’altro trasportatore di elettroni. Anche il FAD è un binucleotide (uno dell’adenina e l’altro della riboflavina), lo dobbiamo assumere attraverso la dieta.

Lezione 2 - 15/11/22

Reazioni di ossido-riduzione

Le reazioni di ossido-riduzione abbiamo detto che sono reazioni in cui avviene il trasferimento di elettroni, da una molecola che perde elettroni e quindi si ossida, a una molecola che accetta gli elettroni e quindi si riduce. Quando noi mangiamo, la degradazione delle molecole avviene attraverso l’estrazione di elettroni da arte di sostanze S. questi elettroni estratti dalla sostanza S vengono semplicemente ceduti a dei trasportatori di elettroni: NAD e FAD, esattamente come succede nei fili di rame che portano energia alle nostre lampadine. Nel nostro organismo per far funzionare l’enzima che sintetizza ATP c’è bisogno di un percorso, una corrente di elettroni, che invece che passare dentro i fili di rame, passa attraverso questi trasportatori di elettroni che sono FAD e NAD. Quando parliamo di trasferimento di elettroni si parla di deidrogenazione per il fatto che gli elettroni vengono trasferiti sotto forma di atomi di idrogeno.

Pellagra e vitamine

Ricordate che la pellagra è una malattia che deriva dal deficit di vitamina B3, che è il precursore della nicotinamide che va a formare il NAD. La nicotinamide è appunto dove vengono trasferiti gli elettroni nel trasferimento di elettroni. Il precursore di questo pezzetto chimico è questa niacina, o vitamina B3, o vitamina PP, la cui mancanza porta una malattia gravissima detta delle 3 D (dermatite, diarrea, demenza), che si chiama pellagra. Nel mondo occidentale è una malattia sconosciuta da molto tempo, perché questa niacina si trova un po’ da tutte le parti ma soprattutto è concentrata nella carne. Il FAD è l’altro trasportatore di elettroni. I suoi precursori sono anche qui delle vitamine, la vitamina B2, ma non esiste un’avitaminosi da vitamina B2 per il semplice motivo che mangiamo molta frutta, verdura, carne, pesce.

Produzione di ATP

Abbiamo detto che l’ATP è la forma di energia metabolica che fa funzionare tutte le nostre cellule e che tutte le reazioni chimiche che hanno bisogno di energia la prendono dall’ATP, rompendo quel legame che libera una certa quantità di energia e ci serve per fare tutte le reazioni di sintesi, per fare il nostro DNA, per far muovere i nostri muscoli, per farci pensare, per far funzionare il nostro sistema immunitario etc. L’ATP si fa in 2 modi principali:

• Fosforilazione a livello del substrato. C’è una molecola fosforilata, qualsiasi molecola fosforilata, che tende facilmente a perdere il suo gruppo fosforico. Quando perde il suo gruppo fosforico, questo gruppo fosforico che si è staccato dal fosfopiruvato si attacca a una molecola di ADP (adenosindifosfato), diventando a sua volta adenosintrifosfato. Questo tipo di reazione è una reazione che avviene soprattutto in assenza di ossigeno. Con questo tipo di fosforilazione facciamo una certa quantità...