Biochima

Daniela Garstea biochimica

La chimica della vita

La biochimica è la parte che studia la chimica della vita. Si occupa di:

• Composizione chimica della materia vivente: come è fatta, quali sono le molecole
• Trasformazioni chimiche: le interazioni tra le molecole che producono energia per costruire molecole

Tutte le reazioni devono essere perfette e perfettamente controllate affinché l'organismo sia in buona salute. È importante conoscere l'etio patogenesi di una patologia.

Perché è importante la chimica?

Tutti gli esseri viventi obbediscono a tre leggi della chimica:

1. Termodinamica: Gli organismi viventi sono sistemi aperti; scambiano energia e materia con l'ambiente.
   a. In termodinamica, i sistemi che subiscono reazioni possono essere aperti, chiusi, o isolati. Il sistema e l'ambiente scambiano energia e materia. Anche la cellula può essere considerata un sistema aperto.
2. Cinetica: Reazioni veloci grazie alla presenza di enzimi
3. Equilibrio: Reazioni non all'equilibrio che rendono disponibili elevate quantità di energia

Le cellule funzionano perché hanno dentro di loro un "programma di funzionamento", con le istruzioni su cosa deve fare la cellula stessa. Il funzionamento del nostro organismo è molto complesso, ma noi siamo fatti prevalentemente da quattro elementi:

• Carbonio
• Azoto
• Ossigeno
• Idrogeno

La materia vivente è composta prevalentemente da questi elementi. Dalla combinazione di questi elementi si ha una varietà di composti. Questi elementi sono preponderanti perché sono vicini nella tavola periodica, ciò vuol dire che hanno un'affinità elettronica e un'energia di ionizzazione simile, quindi hanno qualità simili. Solo i gas nobili sono stabili per conto proprio. Gli altri elementi devono reagire con altri elementi per arrivare a essere stabili.

Legami chimici

Essere vicini nella tavola periodica vuol dire avere affinità elettroniche simili. Questi elementi hanno:

• Elettronegatività comparabile
• Volume comparabile

Questi atomi hanno dimensioni molto simili. Quindi, avvicinandosi, formano nuvole elettroniche "semplici". Questi quattro elementi hanno gli atomi più piccoli, i quali, unendosi, raggiungono una configurazione stabile condividendo 1, 2, 3 o 4 elettroni. Essi formano tra di loro legami covalenti forti, che sono stabili e possono formare legami multipli forti.

Legame intramolecolare

Un legame intramolecolare è una situazione in cui due atomi, avvicinandosi, mettono in condivisione, acquistano o cedono elettroni. Un legame chimico è formato da due elettroni.

Condividere: quando due elettroni fanno parte di entrambi gli atomi. Quando due atomi si avvicinano tra loro, si crea un nuovo spazio dentro al quale si muovono gli elettroni. Nella condivisione, gli elettroni si muovono intorno ai due nuclei.

Legame covalente

È un legame forte che, per romperlo, richiede energia. Può essere di due tipi:

• Puro: quando è generato a partire da due atomi di uno stesso elemento (es. O₂), la nuvola elettronica che si forma è equamente distribuita
• Polare: gli elettroni condivisi sono spostati verso l'elemento più elettronegativo

Esempio HCl: Il cloro ha 7 elettroni esterni, l'idrogeno 1. Per raggiungere la stabilità, il cloro deve formare un legame con un altro elettrone per arrivare a 8 elettroni (in questo caso, quello dell'idrogeno). Quindi, la nube elettronica che si forma sarà spostata verso il cloro in quanto quest'ultimo è molto più elettronegativo dell'idrogeno.

Legame ionico

Se la differenza di elettronegatività è molto grande, il legame diventa ionico. L'atomo più elettronegativo strappa l'elettrone all'altro elemento e si formano:

• Un catione: ha carica positiva ed è l'atomo che perde l'elettrone
• Un anione: ha carica negativa, quindi è l'atomo che ha strappato l'elettrone

Nel legame ionico, i due atomi sono tenuti insieme perché si forma una carica elettrica; c'è una forza di Coulomb che li tiene insieme.

Monomeri e macromolecole

Con questi quattro atomi e dalla loro combinazione possiamo avere:

• Monomeri: associandosi, formano le macromolecole
  • 20 aminoacidi: proteine, ormoni, porfirine, substrati energetici
• 5 basi nucleotidiche/azotate
  • DNA, RNA, coenzimi, trasportatori di energia
• Meno di dieci tipi di zuccheri
  • Substrati energetici, elementi di riconoscimento cellulare
• Lipidi
  • Costituenti delle membrane, principale fonte di energia delle cellule

Acqua

L'acqua è il composto dal quale non possiamo prescindere perché:

• È la componente principale di un organismo vivente (70% dell'uomo). È il composto più abbondante.
• È il solvente in cui avvengono la maggior parte delle reazioni chimiche.
• Forma due legami covalenti polari: la nube elettronica è spostata verso l'O₂ in quanto è più elettronegativo dei due atomi di H. Quindi l'H₂O è una molecola polare e ciò condiziona tutte le reazioni chimiche.

Energia

L'energia è la capacità di compiere un lavoro o una trasformazione chimica. Ci sono reazioni che, per avvenire:

• Richiedono energia: endoergoniche
• Cedono energia: esoergoniche

Ci sono molti tipi di energia e le cellule sono dei trasduttori di energia, cioè, trasformano i vari tipi di energia da una forma all'altra. Si può utilizzare il calore come fonte di energia primaria. Per ricavare energia vengono rotti i legami.

Esempio di ATP

ATP è formata da:

• Una base azotata, l'adenina
• Uno zucchero, il ribosio
• Tre gruppi fosforici

Un organismo medio di 70 kg produce 40 kg di ATP, che ovviamente viene anche consumata. ATP, quindi, è la molecola di scambio energetico.

Tavola periodica

La tavola periodica è divisa in:

• Periodi: orizzontalmente
• Gruppi: verticalmente

Il carbonio nella tavola periodica

Si trova nel quarto gruppo e nel secondo periodo. Dal periodo ricavo la configurazione esterna e il livello energetico degli elettroni esterni. Gli elettroni esterni sono quelli che danno la reattività. Nel secondo periodo ho: 1 orbitale s e 3 orbitali p, i 4 elettroni esterni del carbonio, quindi, sono disposti a 1s² 2s² 2p².

Carbonio: Z=6, nel carbonio ci sono 6 protoni, essendo un atomo neutro ci sono anche 6 elettroni. La configurazione elettronica distribuisce gli elettroni di un atomo seguendo determinate regole:

• Gli elettroni devono occupare livelli di energia crescenti.
• In un orbitale stanno al massimo 2 elettroni con spin opposto.

La configurazione elettronica esterna del carbonio permette al carbonio stesso di reagire. A livello sperimentale, l'atomo di carbonio può formare 4 legami semplici. Il carbonio può formare 4 legami covalenti perché nel suo stato eccitato presenta 4 orbitali semioccupati. Il carbonio forma sempre 4 legami che possono essere 4 legami semplici, doppi o tripli. Tuttavia, sperimentalmente non si riesce a vedere una cosa: non riesco a vedere che potrebbe esserci un legame diverso. Dalla configurazione elettronica non si vede la lunghezza del legame. Sperimentalmente, vedo che i legami della molecola sono uguali.

Ibridazione

Per spiegare questo, è stato introdotto il fenomeno dell'ibridazione. C'è il passaggio di un elettrone dall'orbitale 2s² al 2p², c'è il salto dell'elettrone che porta allo stato fondamentale. L'ibridazione avviene quando si combinano due orbitali per ottenere due orbitali ibridi.

Ibridare significa prendere gli orbitali e mescolarli tra loro per ottenere lo stesso numero di orbitali di partenza e ottenere, rispetto agli orbitali di partenza:

• Una forma intermedia
• Energia intermedia

Combinare vuol dire che le caratteristiche dell'orbitale ibrido sono una via di mezzo.

Ibridazione del metano

Sperimentalmente, il carbonio forma con l'idrogeno legami identici (con la stessa energia e distanza). L'ibridazione sp³ è l'ibridazione del metano. Deriva dal mescolamento di un orbitale s e di 3 orbitali p. Si formano quindi 4 orbitali atomici ibridi sp³.

N.B. Non sto creando orbitali, ma li sto ricombinando. Gli orbitali ibridi, quindi, hanno energia intermedia maggiore dell'orbitale 2s e minore dell'orbitale 2p, ma hanno tra loro la stessa energia. Gli orbitali sono, quindi, degenere o isoenergetici.

I 4 orbitali ibridi sp³, per essere stabili, devono disporsi a una certa distanza. Essi hanno disposizione tetraedrica e sono a 109,5° uno dall'altro.

Ibridazione sp²

Deriva dal mescolamento di un orbitale s e due orbitali p. I 3 orbitali che si formano, per essere stabili, sono disposti a 120° l'uno dall'altro. L'orbitale p che non si è ibridato sta perpendicolare al piano. L'ibridazione sp² è presente quando l'atomo di carbonio forma un doppio legame (l'esempio più semplice è l'etene).

Nella formazione del doppio legame abbiamo:

• Un legame sigma: è un legame semplice
• Un legame pigreco: è un legame meno energetico che si rompe più facilmente di un legame semplice

Ibridazione sp

Si origina dal mescolamento di un orbitale s e un orbitale p. Gli orbitali sp, per rendere stabile la molecola, si dispongono a 180° l'uno dall'altro. Gli orbitali che non si ibridano, si distribuiscono perpendicolari uno rispetto all'altro.

Nell'ibridazione sp abbiamo 1 legame sigma e due legami.

Altri legami chimici

Solo l'atomo di carbonio può dare ibridazioni e formare questi legami? No. Il carbonio forma:

• Legami semplici con: Idrogeno
• Legami doppi con: Ossigeno, Azoto
• Legami semplici con: azoto

Chimica organica

Per disegnare o scrivere la formula di una molecola posso usare:

• Formula di struttura: indica quanti e quali atomi ci sono nella molecola più dà informazioni sui legami e sulla disposizione spaziale
• Formula molecolare: rappresenta la costituzione atomica di una molecola in lettere (per indicare gli elementi) e cifre (per indicare il numero di atomi dello stesso elemento nella molecola), ad esempio CH₄

Isomeria

Le molecole che hanno la stessa formula molecolare, ma diversa formula di struttura, possono differire per la concatenazione degli atomi o per la disposizione di questi nello spazio. Il glucosio è un buon esempio di isomero.

Famiglie organiche

Idrocarburi

Composti formati solamente da carbonio e idrogeno. Essi si dividono in:

1. Idrocarburi alifatici
   • Saturi: NON hanno doppi legami. Hanno solo legami semplici
   • Insaturi: HANNO doppi legami
2. Idrocarburi aromatici
   • Sono ciclici
   • Contengono un numero preciso di elettroni che permette la loro delocalizzazione lungo la nuvola elettronica
   • Hanno una particolare reattività
   • Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene. Hanno un aroma

Alcani

Idrocarburi alifatici saturi ibridati sp³. Non hanno doppi legami; formano catene semplici o ramificate; sono molecole apolari, non solubili in acqua. Le forze che si generano tra loro sono forze di Van der Waals, che aumentano all'aumentare delle dimensioni delle molecole.

• Gli alcani da C₁ a C₄ sono gas a temperatura ambiente. Da C₅ a C₁₇ sono liquidi. Il resto sono solidi.

Alcheni

Idrocarburi alifatici insaturi ibridati sp². Presentano almeno un doppio legame; gli elettroni del doppio legame sono responsabili della reattività; il legame semplice permette la rotazione degli atomi. La presenza del doppio legame rende il legame rigido, quindi non può ruotare.

Alchini

Idrocarburi alifatici insaturi ibridati sp. Presentano almeno un triplo legame. Sono denominati usando il suffisso "ino".

Composti aromatici

Benzene: C₆H₆ è il capostipite dei composti aromatici. Kekulé ha proposto la struttura in cui ogni atomo di carbonio nel benzene ha sempre 3 legami semplici e 1 doppio. La struttura è planare. Il modo in cui viene rappresentato il benzene viene detto ibrido di risonanza. L'orbitale p non ibrido rimane perpendicolare al piano. La lunghezza di legame del benzene è intermedia tra un singolo e un doppio; questo rende la molecola molto reattiva.

Alcoli

Si chiamano composti ossigenati. Hanno un gruppo OH; la loro forma è R-OH, dove:

• R è un radicale generico (scheletro di carboni)
• OH è il gruppo ossidrile

Il gruppo ossidrile è il gruppo reattivo. È reattivo perché l’ossigeno ha un doppietto elettronico disponibile. Nelle molecole biologiche è molto presente il gruppo ossidrile.

• Il ponte idrogeno si potrà formare tra un atomo di idrogeno ad inizio catena e un atomo di azoto alla fine di una catena. Il ponte idrogeno dà la forma alle proteine e garantisce la solubilità delle molecole simili.
• Molte molecole biologiche contengono il gruppo ossidrile. Alcuni esempi sono:
  • Glicerolo: è un tri alcol e conserva gli acidi grassi
  • Zuccheri (come il Glucosio): ha molte funzioni alcoliche dalla cui ossidazione si ricaverà energia
  • Colesterolo: è una molecola planare. Il colesterolo contiene una funzione alcolica che serve per distinguere tra:
    • Colesterolo buono
    • Colesterolo cattivo

Le caratteristiche chimico-fisiche degli alcoli sono dovute per la maggior parte alla possibilità della funzione alcolica di formare legami a idrogeno.

Legame a idrogeno

È il legame che si instaura tra l’idrogeno di una molecola e un elemento fortemente elettronegativo; il legame è covalente. Quindi l’idrogeno funge da ponte tra due atomi elettronegativi, collegando due molecole. C’è un’interazione intermolecolare e intramolecolare. Il legame ad idrogeno è simile ad un legame elettrostatico.

Solo l’idrogeno può fare questo tipo di legame? Si. L’idrogeno è l’atomo più piccolo in assoluto, quindi, la carica disponibile è localizzata su un atomo piccolissimo. La carica parziale positiva dell’idrogeno è così forte da attirare la carica parziale negativa di una molecola vicina. La quantità di carica disponibile è la densità. La carica, quindi, è così forte da poter attirare verso di sé e creare un ponte idrogeno con una molecola di idrogeno. La parziale carica positiva è molto forte perché l’atomo di idrogeno è veramente piccolo.

• È un legame debole, ma ha una forza discreta; la forza è dovuta alle piccole dimensioni dell’idrogeno
• È un legame direzionale; gli atomi che formano il legame devono essere allineati
• Un atomo di idrogeno può formare al massimo un legame
• Può formarsi all’interno delle molecole

È un legame fondamentale nelle strutture biologiche come proteine e DNA.

Caratteristiche chimico-fisiche

Le caratteristiche chimico-fisiche sono dovute per la maggior parte alla possibilità di formare legami idrogeno. Il legame OH è fortemente polarizzato e l’H ha una parziale carica positiva che gli consente di stabilire l’interazione “legami idrogeno” con molecole vicine. I ponti H garantiscono la solubilità delle molecole simili. Gli alcoli più piccoli si sciolgono più facilmente in acqua.

Tioli

R-SH: l’OH è sostituito dal gruppo SH. Sono molto simili agli alcoli. SH è il gruppo solfidrilico. Si trova nelle proteine, per esempio nella cisteina; si trova anche nel coenzima A.

Aldeidi e chetoni

Hanno il gruppo funzionale carbonilico C=O.

Aldeidi

• Il gruppo funzionale carbonilico è sempre legato ad un idrogeno e ad un radicale.
• Desinenza “ale”; lo troviamo, per esempio, nel glucosio.

Chetoni

• Il gruppo carbonilico è legato sempre a due radicali R.
• Desinenza “one”; lo troviamo nel fruttosio.

Caratteristiche del gruppo funzionale:

• Il gruppo è molto reattivo
• Si trova nel glucosio e nel fruttosio
• Il carbonio è sp quindi la geometria è trigonale planare
• I doppi legami sono covalenti polarizzati verso l’ossigeno
• Il legame pigreco si può rompere più facilmente

Non esiste, però, solo questa forma del gruppo carbonilico.

Formula di risonanza

Posso isolare più strutture/formule e queste esistono contemporaneamente. Si chiamano formule di risonanza perché una struttura risuona tra più strutture. Se il carbonio perde un elettrone, diventa positivo. Se l’ossigeno acquista un elettrone, diventa negativo. Il legame carbonio-ossigeno, quindi, è un intermedio. Il gruppo carbonile esiste con due forme di risonanza. Le due formule esistono entrambe e la situazione reale è una situazione intermedia tra le due. Più formule di risonanza si possono scrivere, più la molecola è stabile. Per esempio:

• Il gruppo carbossile ha 3 formule di risonanza, quindi è più stabile del gruppo carbonile.

Acidi carbossilici

RCOOH

• Hanno come gruppo funzionale il gruppo carbossilico. L’ibridazione è sp. La geometria è planare.
• Si possono scrivere 3 formule di risonanza.