Basi chimiche della vita

Biochimica 1

Basi chimiche della vita

La biochimica studia il funzionamento delle strutture che sono negli esseri viventi (non in

particolare degli esseri umani) a livello delle molecole. L’Unità di misura è Amstrong (10-10

m). Cerca di descrivere la funzione, i meccanismi, la struttura al

fine di comprendere la funzione degli organelli, delle cellule, degli

organi e quindi degli esseri viventi.

Nonostante la biodiversità degli esseri viventi, tutti derivano da

un'unica cellula iniziale. In comune abbiamo anche gli elementi

più importanti utilizzati: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto. Il

fosforo e lo zolfo sono anch’essi importanti perché appartenenti a

delle macromolecole, dna e proteine.

Versatilità del carbonio

Forma innumerevoli molecole e può assumere uno spettro di stati di ossidazione. Ha 6

protoni, massa molecolare uguale a 12. 1s 2s 2px 2py, in base a questa considerazione il

carbonio dovrebbe formare due legami (ci sono in realtà composti ma che non troviamo in

natura) ma è soggetto a ibridazione. L’orbitale s viene promosso a p, producendo orbitali sp.

Quindi alla fine abbiamo 4 orbitali uguali sp3 e si dispongono ai vertici di un tetraedro

regolare, quindi forma 4 legami semplici regolari tra loro. Abbiamo anche l’ibridazione sp2(1

legame sigma e 1 legame pigreco), dove troviamo solo 3 orbitali ibridi (uno rimane p) e

abbiamo un doppio legame. Sono due legami differenti, uno è su un piano e l’altro è

perpendicolare, qua abbiamo la geometria planare. Abbiamo anche il carbonio sp che forma

un triplo legame, un legame sigma e due pigreco, legame che non si trova mai nelle

molecole naturali che sono tutte sp3 o sp2.

Polimeri biologici (macromolecole)

La maggior parte delle molecole che trovo in una cellula sono proteine, poi lipidi, zuccheri e

acidi nucleici. Il resto sono piccoli metaboliti e ioni inorganici. Questi polimeri derivano da

unità monomeriche: amminoacidi, nucleotidi, monosaccaridi.

La vita non si è originata da zero ma a partire da molecole già più complesse che

inizialmente hanno avuto un’origine chimica e non biologia. C’è stata un’evoluzione

prebiotica/ abiotica dove non esistevano esseri viventi ma c’erano delle condizioni alla quale

potevano formarsi. Ci sono diverse teorie: il brodo primordiale (alcune molecole si sono

formate vicini alla superficie degli oceani usando la luce), supportata da un famoso

esperimento (Miller-Urey) e la teoria delle sorgenti idrotermali, l’energia per catalizzare le

reazione veniva dall’alte temperature delle sorgenti. Entrambe vere. Prima di queste si dice

che siano avvenuti due passaggi: reazione di condensazione (si elimina una molecola

d’acqua) unendo due molecole o più in polimeri. La reazione è reversibile che è l’idrolisi.

Attraverso questa reazione possono essersi formate delle macromolecole con funzionalità

maggiori delle piccole molecole. Per esempio riconoscere altre molecole, attraverso legami

deboli o regioni di complementarietà. Così abbiamo un riconoscimento molecolare, un

legame supermolecolare che sono legami deboli e non covalenti. Possono facilmente

formarsi e rilasciati, cosentino i processi dinamici. Si può creare un sistema di replicazione,

ritenuto come l’antenato del sistema che usano le cellule tuttora per replicarsi. 2

Cellula procariotica ed eucariotica

Possiedono una membrana che permette di mantenere separato l’ambiente intracellulare da

quello extracellulare. Non c’è compartizione, un nucleo, diversamente dalla cellula

eucariotica che possiede un sistema di membrane e compartimenti. Tutti gli esseri viventi

hanno un unica origine: si sa dal codice genetico e perché hanno un unico flusso universale

dell’informazione (dogma centrale). Si parte dal dna che forma il rna e le proteine. Anche i

macchinari molecolari che effettuano questo meccanismo hanno delle somiglianze. Con una

struttura ad albero (l’albero dell vita) possono evidenziare tutte le strutture e le relazioni di

parentela di tutti gli esseri viventi esseri viventi. Dal punto di vista molecolari dividiamo la vita

in 3 domini e non in due.

Evoluzione molecolare

L’evoluzione è governata da 4 forza: mutazioni, ricombinazioni che avvengono a livello

individuale e selezione naturale e deriva genetica che portano a ibridazioni genetiche

nell’ambito della popolazione. L’evoluzione non tende al miglioramento. È sia un processo

storico sia un processo in atto. La storia evolutiva può essere ricostruita attraverso il

confronto di dna e proteine da diversi organismi.

L’acqua come solvente biologico

Determina la forma delle macromolecole biologiche in essa contenute, che avrebbero

un’altra forma in un altro solvente.

Mezzo in cui sono disciolti e trasportati i reagenti e i prodotti delle reazioni biochimiche.

Partecipa attivamente alle reazioni biochimiche, anche attraverso le sue componenti ioniche:

H+ e OH-.

L’acqua è polare, presenta una parziale carica positiva, nell’idrogeno e negativa

sull'ossigeno. Le molecole d’acqua formano legami a idrogeno: l’idrogeno è legato

covalentemente a un atomo più elettronegativo (come l’ossigeno). Non si ha una

sovrapposizione completa ma parziale degli orbitali. Legame più debole di quello covalente,

circa 20 kj mol. Importante nelle proprietà delle molecole biologiche ed è un legame 3

direzionale, crea un allineamento tra le molecole (le orienta). Il ghiaccio forma una struttura

regolare di legami a idrogeno, struttura cristallina, in cui le plmolecole occupano una

posizione fissa e formano interazioni con altre molecole a formare legami a idrogeno. In

totale per ogni molecola forma 4 legami a idrogeno (2 come donatore e 2 come accettore). Il

ghiaccio ha una densità inferiore dell’acqua per questo galleggia. Mentre la struttura

dell’acqua allo stato liquido, sebbene formata da legami a idrogeno, ha una struttura

irregolare. Abbiamo una continua formazione e rottura di legami a idrogeno. Inoltre l’acqua

liquida possiede una tensione superficiale.

Le sostanze idrofiliche sono solubili in acqua, molecole che sono cariche o polari ( per

esempio il sale dove si formano interazioni con gli ioni che con l’acqua). Gli ioni vengono

solvatati dall’acqua quindi reagiscono sia con la carica positiva sia con la carica negativa.

Queste molecole d’acqua intorno allo ione continuano a muoversi. Poi le molecole polari

formano legami a idrogeno con l’acqua (alcoli, ammine, acidi carbossilici, carbonile). Le

molecole che non si sciolgono e che non interagiscono con l’acqua sono le molecole

idrofobiche. Un lipide per esempio non si scioglie ma piuttosto interagisce con altre gocce

lipidiche, questo fenomeno viene detto effetto idrofobico. L’interazione con l’acqua è

sfavorevole perché abbiamo una diminuzione di entropia delle molecole, così questo fa sì

che si avvantaggi la minimizzazione della superficie rispetto al volume.

Le molecole che hanno sia una caratteristica idrofila e idrofobica sono dette anfipatiche(

hanno una parte polare, l’acido carbossilico, e idrofobica, catena). Come per esempio gli

acidi grassi. Importanti perché formano le strutture utilizzate dagli esseri viventi: le micelle

(espongono all’acqua la parte idrofila e viceversa) oppure i doppi strati, particolare struttura

a due code, dove le teste polari si espongono all’acqua e all’interno dello strato abbiamo una

parte idrofobica.

Pressione osmotica

È una forza che si genera quando esiste una membrana e c’è una differenza di

concentrazione tra due compartimenti. La forza è determinata dal movimento del solvente

da una regione dove è meno concentrata a una regione dove il soluto è più concentrati.

Importante per gli esseri viventi: una cellula mantiene lo stesso volume se immersa in una

soluzione isotonica.

Dialisi

Se abbiamo una membrana selettivamente permeabile ad alcune molecole, ci sarà un

equilibrio. Noi possiamo concentrare maggiormente le molecole che non passano. Questa

tecnica è chiamata dialisi e serve per tonificare le sostanze. 4

Legame a idrogeno

Legame debole ma modifica le caratteristiche delle molecole.

L’etanolo è un liquido e ha una temperatura di ebollizione minore di quello dell’acqua. Il

legame C—H non forma legami a idrogeno.

L’atomo donatore/accettore del legame idrogeno deve essere fortemente elettronegativo più

dell’idrogeno ( N, O). Abbiamo tutta una serie di interazioni legami idrogeno: molto impor n

tanti per le strutture di proteine e acidi nucleici. Interazione tra azoto e l’ossigeno carbonilico

come accettore. Anche lo zolfo può formare legami idrogeno però più deboli (hanno una

distanza maggiore).

Interazione dipolo-dipolo

Non abbiamo l’idrogeno coinvolto nel legame. Ci sono più casi:

●​ Dipoli permanente: sono due carbonili

●​ Dipolo- dipolo indotto: il carbonile avvicinandosi a una molecola può indurre un dipolo

anche nell’altra molecola.

●​ Forze di dispersione di London: avvengono tra dipoli indotti. Si può creare una

situazione temporanea di dipolo che normalmente non formano dipoli. Abbiamo

un’attrazione elettrostatica molto debole.

Queste interazioni deboli sono fondamentali nei sistemi biologici (complesso tra due proteine

diverse). Anche l’effetto idrofobico è un’interazione. Nonostante siano deboli, abbiamo

comunque un’interazione robusta lerche si uniscono questi legami. Inoltre abbiamo molta

specificità: 5

Amminoacidi e proteine

Le proteine sono formate da alpha-amminoacidi e sono formati

Il valore normale di un pka per un gruppo carbossilico è di circa 4,8, mentre la repulsione tra

il gruppo amminico e il protone che sta uscendo abbassa il valore di pka del gruppo

carbossilico. Gruppi con cariche opposte abbassano il valore di pka stabilizzando lo

zwitterione.

Gli amminoacidi si uniscono a formare polimeri (peptidi e proteine). Tramite legami amminico

e peptidico.

Amminoacidi essenziali

Chiralità

Due molecole identiche come formula ma sono immagini speculari e quindi vengono

chimamati enantiomeri. Gli amminoacidi esisteranno in due forme diverse, una l’immagine

speculare dell’altra. Non si riescono a sovrapporre le molecole con qualsiasi rotazione.

Due enantiomeri sono difficilmente distinguibili e hanno tutte le proprietà uguali ma dal punto

di vista biochimico sono completamente diversi. Esiste un riconoscimento di forma e quindi

la cellula è capace di capire i due enantiomeri. Per esempio l’ibuprofene dove un

enantiomeri è attivo mentre l’altro no. Oppure la talidomide dove un enantiomero ha un

effetto sedativo e l’altro è molto pericoloso per malformazioni fetali. Quindi la chiralità è

importantissima. In chimica incede c’è una sola proprietà che distingue gli enantiomeri,

scoperta dal biochimico Pasteur con un esperimento in cui ha individuato due cristalli

dell’acido racemico. Erano l’immagine speculare dell’altro grano andando dal microscopio.

Sciogliendolo in soluzione ognuno dei due cristalli, le due forme ruotano in maniera opposta

alla luce polarizzata. Il polarimetro riesce a distinguere gli enantiomeri. La miscela di acido

tartarico che lui studiava proviene dalla ramificazione dell’acido racemico.

Ci sono due convenzioni per esprimere gli enantiomeri: per gli amminoacidi usiamo la

convenzione di Fischer. Lo socie triato Fischer uso la gliceraldeide e usó chiamare

D-gliceraldeide dove l’OH è a destra, mentre se è a sinistra viene chiamato L-gliceraldeide.

Non esistono enantiomeri nella Glicina. Nelle proteine si usano solamente gli L-amminoacidi.

Esiste un’altra convenzione per esprimere i centri chirali: la convenzione RS. Devono

seguire le propetira dei gruppi a seconda del numero atomico (il più grande), se giro in

senso antiorario avrò la convezione S, viceversa avrò la convezione R. Tutti sono S tranne

la Glicina.

In alcuni organismi e in alcune proteine esistono altri due amminoacidi. Sono codificati in

maniera particolare a livello del dna. Abbiamo la selenocisteina che al posto dello zolfo ha il

selenio, si trova anche nel eucarioti (incluso l’uomo). Importante nelle reazioni redox. Là

pirrolisina la triviamo in pochi batteri.

Nelle proteine possiamo ricordare degli amminoacidi modificati e vengono chiamate delle

modificazioni posttraduzionali. 6

proteine: struttura primaria

É la successione degli amminoacidi legati dal legame peptidico che li unisce in modo

lineare. Detta anche sequenza definita di amminoacidi. A seguito la proteina si organizza a

strutture tridimensionali assumendo la sua funzione. La struttura primaria degli aminoacidi è

indispensabile perché dipende poi la struttura tridimensionale delle proteine.

Punti chiave

●​ Le proteine sono costituite da una successione lineare di amminoacidi (sequenza).

●​ Gli aa delle proteine sono legati covalentemente attraverso il legame peptidico.

●​ La sequenza di aa in una proteina è determinata geneticamente

●​ Il numero di combinazioni di aa nelle sequenze è potenzialmente infinito e per

ricavare si dice 20 alla n. maggiore n maggiore è la combinazione. è impossibile

avere una proteina fatta da un solo aminoacido.

●​ Alle volte abbiamo invece delle ripetizioni ma tipicamente sono un assortimento di

tutti i 20 amminoacidi. Le proteine hanno intervalli tipici di lunghezze e frequenza di

amminoacidi. Le proteine sono lunghe alcune 100 di amminoacidi.

●​ Le proteine possono essere costituite da una o più catene.

●​ Le proteine possono essere isolate ( purificata rispetto al contenuto della cellula) e

può pure funzionare in forma isolata. Non sempre succede perché il funzionamento

dipende anche dall’associazione di altre proteine.

●​ Oltre 200 milioni di proteine diverse sono presenti nelle banche dati di sequenze.

●​ Esiste un numero finito di famiglie di proteine legate da parentele evolut

Legame peptidico

Il legame peptidico avviene tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido e il gruppo

amminico del secondo, formando un dipeptide. In questo modo troveremo nella parte iniziale

il gruppo amminico del primo e alla coda ci sarà il gruppo carbossilico. Così avrò il legame

peptidico, una reazione di condensazione quindi viene eliminata una molecola d’acqua.

Il gruppo amminico ha caratteristiche particolari: è un gruppo polare privo di carica, inoltre

L’azoto non tende a protonarsi perché ha il doppietto occupato a fare il doppio legame con il

carbonio. La reazione di condensazione ha un

deltaG positiva quindi richiede energia e

viceversa per la reazione di idrolisi. Dal punto

di vista termodinamico è possibile rompere

questo legame con enzimi ma in assenza

questo è un legame abbastanza stabile senza

il rischio di idrolizzazione. 7

La sequenza di una proteine è geneticamente determinata

La successione di amminoacidi è determinata dalla successione di codoni dei geni scritti nel

dna. Questo è il dogma centrale della biologia. Per sapere la sequenza di una proteina mi

serve sapere la sequenza di codoni, anche il punto di inizio e fine, e inoltre la tabella

corrispondente al codice genetico. La sequenza di una proteina può essere rappresentata

con il metodo FASTA oppure con solo le sigle.

Composizione di proteine

Ogni proteina la possiamo caratterizzare con un nome. -asi è un enzima.

Le proteine con pochi amminoacidi sono rare.

~40 aa piccole.

> 1000 aa grandi.

La sintesi proteica diventa un processo molto lungo e complicato con proteine lunghe per

l’organismo quindi è più conveniente avere proteine medie lunghezze. La lunghezza media

delle proteine è circa 100-300 aa.

Le proteine sono formate appunto da amminoacidi, ma alcuni sono più comuni di altri. Gli

amminoacidi alifatici (leucina, alanina, glicina, valina) sono quelli più comuni e sono usati per

garantire la struttura delle proteine. Invece alcuni sono usati con parsimonia come la

cisteina, triptofano, perché appunto molto dispendiosi nella loro sintesi.

Alcune proteine possono essere usate da fonti naturali, la prima fu la mioglobina di

capodoglio. L'avvento della tecnica del dna ricombinante ha rivoluzionato il metodo di studio

delle proteine. Attraverso un sistema di sovraespressione sfruttando delle cellule che 8

producono proteine. Viene inserito un dna che contiene la sequenza genica della proteina

che voglio studiare più un sistema di trascrizione in grado di riprodurre la proteina. Queste

sono tecniche di clonaggio molecolare.

Fattori critici per la purificazione delle proteine

Le proteine sono molecole delicate e occorre prestare attenzione a fattori che possono

disturbare il suo funzionamento. Per esempio il ph, troppo acidi/basici sono pericolosi, quindi

utilizziamo delle soluzioni tampone. La temperatura modifica le proteine, le denatura, quindi

inibendo la loro funzione. Le purificazioni infatti vengono fatte in camere fredde. Le proteasi

sono inibitori. Ci sono proteine che sono molto deperibili con l’invecchiamento quindi è molto

importante il mantenimento della proteina con il congelamento in azoto liquidò o con la

deidratazione dove viene ridotta a polvere.

Procedure di purificazione

●​ salting out: tecnica che separa le proteine in base alla solubilità. Usa un sale che

fa un’interazione con l’acqua sottraendola alle proteine. Così che ad un certo punto

poi precipitano. È possibile poi allontanare il sale e ottenere la miscela in forma

solubile. il precipitato si chiama anche pellet invece la miscela prende il nome di

superstante.

●​ cromatografia su colonna: abbiamo una fase solida e una fase di movimento. Poi

abbiamo una matrice bianca che