Biochimica 1

Biochimica I - Lezione 1

Informazioni generali

Professore: Rosario Ammendola – Dipartimento di Medicina molecolare e Biotecnologie mediche - via S. Pansini, 5 Edificio 19^° - 3^° piano. Ricevimento: tutti i giorni previo appuntamento per e-mail.

Telefono: 0817463145 e 0817462036

E-mail: rosario.ammendola@unina.it

Corso: Biochimica Generale e Applicata 1

Esame: scritto (in sede) composto da 30 domande a risposte multiple e orale.

Introduzione alla biochimica

La biochimica studia la chimica applicata alla biologia, ovvero la chimica degli organismi viventi. Studia le basi molecolari della vita e il perché esiste la vita, mediante la chimica, la fisica e la matematica. Andremo a comprendere l'organizzazione strutturale e delle macromolecole; definire le tappe delle vie metaboliche principali e i meccanismi che regolano e coordinano tali vie, ovvero come queste macromolecole verranno utilizzate dalle nostre cellule e metabolizzate per produrre energia; acquisire le metodiche attuali per la preparazione e l'analisi dei sistemi biologici.

Importanza delle macromolecole

Le macromolecole rappresentano la benzina per l’organismo umano, la fonte energetica per lo sviluppo e la formazione dei meccanismi cellulari che avvengono in noi ogni giorno. Tutti gli organismi viventi sono complessi organismi cellulari, per tanto tutto questo sistema è necessario per garantire le informazioni per il nostro sviluppo. Queste macromolecole e di conseguenza il loro utilizzo sono altamente regolate, niente avviene per caso nella cellula, tutto deve essere regolato e noi dobbiamo fare proprio questo: regolare tali processi e il metabolismo.

Processi cellulari e termodinamica

Noi ci riproduciamo e alimentiamo a spese di macromolecole che provengono dall'esterno e rilasciamo nell'ambiente esterno prodotti di degradazione, contribuiamo ad aumentare l'entropia dell'universo rispettando il secondo principio della termodinamica. Come siamo in grado di creare degradazione di macromolecole siamo anche capaci di sintetizzarle, la cellula ha tutte le capacità per svolgere tali attività e la possiamo considerare un vero e proprio laboratorio.

Organizzazione e funzioni specifiche

Gli organismi viventi hanno una propria organizzazione, e in questa esistono specifiche funzioni a seconda del sistema o parte di esso, e la loro diversità è dovuta al fatto che ogni organo, ogni tessuto, ha una propria serie di reazioni che per ogni organo conferisce la diversità di funzionamento di ognuno di essi. Se tutti gli organi facessero le stesse reazioni sarebbe un inutile ammasso di reazioni e non avrebbe senso.

Evoluzione e conservazione di processi

Abbiamo detto che siamo in grado di creare, trasformare e assumere energia dall'esterno e lo facciamo creando molecole di ATP che rappresentano un’alta potenzialità energetica. Noi siamo lo sviluppo di un’evoluzione di organismi più semplici, molte reazioni che avvengono nei batteri si sono conservate e replicate nella specie animale; per tanto da un batterio è facile studiare la sua struttura e metabolismo, però la complessità la ritroviamo nel meccanismo che si svilupperà nell'organismo.

Principio di economia molecolare

In tutti gli organismi viventi è valido il principio di economia molecolare; la cellula non butta mai nulla, recupera sempre tutto e quello che eliminiamo sono piccole molecole che verranno rilasciate di cui non abbiamo bisogno come ad esempio acqua, CO₂, ammoniaca, ecc. Noi a spese dell'ambiente creiamo e manteniamo il nostro ordine, ma allo stesso tempo l'ambiente esterno diventa sempre più disordinato, aumentando l’entropia.

Differenze tra cellule batteriche e animali

La cellula batterica è diversa da quella animale: in quest'ultima il DNA è contenuto in una membrana nucleare, mentre nell'altra il DNA è disperso nel citoplasma. Gli organelli nell'animale sono spesso caratterizzati da membrana a differenza della batterica che non la ha, si trovano tutti insieme; i batteri inoltre presentano una parete cellulare che invece questa volta la cellula animale non ha. Da ricordare è che sia batteri che uomini derivano da un progenitore comune che ha generato complessi più diversi e questo è il motivo del perché molte reazioni assomigliano tra di loro tra specie umana e batterica.

Fonti energetiche e metabolismo

Sappiamo benissimo che, come fonte energetica, sia alcuni batteri che piante si servono della luce solare, ricordiamoci la fotosintesi, dove si creano molecole organiche che vengono utilizzate come fonte di energia. Questo per la specie batterica, ma per l'uomo è diverso perché l' si avvale di composti organici per la vita e tutti gli animali sono chemiotropi, utilizzano fonti di carbonio per nutrirsi, che verranno metabolizzati fino a ottenere delle piccole molecole.

Ossidazione e sintesi energetica

Durante queste sintesi vedremo la presenza di molte reazioni di ossidazione, dove verranno prodotti molti elettroni che arriveranno a degli accettori, nella quale molta energia verrà prodotta. Ovviamente sarà energia che sarà distribuita in maniera diversa, di fatto ricordiamo che per i carboidrati avremo bisogno di energia non molto come per gli acidi.

Mitocondri e produzione di energia

Il processo di trasferimento di questi elettroni e produzione di energia avviene in specifici organelli chiamati mitocondri, dove avviene il processo di respirazione cellulare e il trasferimento della nostra energia a degli accettori finali rappresentati dall’ossigeno molecolare che andrà a liberare molecole d’acqua utilizzando i prodotti utilizzati dal catabolismo. Il mitocondrio ha una membrana mitocondriale esterna e interna, quest'ultima è molto invaginata, definiamo matrice mitocondriale quella presente all'interno del mitocondrio; mentre la cresta è quella dovuta alle invaginazioni. Il mitocondrio ha un proprio DNA, quindi si replica autonomamente rispetto alla cellula, ed è coinvolto nei processi prima descritti.

Differenziazione cellulare

All’interno della cellula c’è una differenziazione, molte delle reazioni avvengono nel mitocondrio, altre nel citoplasma, altre in altri organelli. Questo ci permette di affermare che non solo abbiamo una differenziazione tissutale bensì anche all’interno della cellula. La cellula ha deciso che nel mitocondrio avvengono le reazioni di degradazione delle macromolecole, nel citoplasma avviene la biosintesi di esse. Ma all’interno di questa classifica, andando nel profondo, possiamo notare che c’è un'ulteriore divisione, di fatto ci sono meccanismi che avvengono sulla cresta mitocondriale; altri nella matrice e così via.

Metabolismo: catabolismo e anabolismo

Quando parliamo di degradazione parleremo del catabolismo mentre nelle sintesi anabolismo; l'insieme delle reazioni è rappresentato dal metabolismo. Il carbonio presenta una certa versatilità nel formare legame. Essendo tutte le biomolecole dei composti organici possiamo parlare di doppi e singoli legami ma mai tripli, e vedremo che molto spesso questi dovranno rompere i loro legami per necessità, rimembrando all'economia molecolare questo avverrà solo in caso necessario per via del dispendio energetico.

Acetil coenzima A e interazioni molecolari

Durante il metabolismo degli zuccheri o degli acidi grassi, generalmente queste molecole grandi verranno degradate ad acetil coenzima A. Quindi questa è la molecola che convoglia gli zuccheri e gli acidi grassi. Questa molecola convoglia tutto il metabolismo cellulare.

Reazioni e catalizzatori

Esistono interazioni non covalenti tra queste molecole, come ad esempio legami a idrogeno, ionici, idrofobici, etc. Durante queste interazioni interverranno queste sostanze che permettono di far avvenire le reazioni in microsecondi, grazie appunto all’utilizzo di catalizzatori. I catalizzatori, spesso gli enzimi, vanno a modificare la cinetica di una reazione, in modo diverso da come agiscono in laboratorio i comuni catalizzatori.

Isomeri e trasformazioni chimiche

Vedremo ancora nel corso la presenza di isomeri geometrici, che spesso presenteranno dei cicli diversi. Nella cellula, in genere, avvengono cinque tipi di trasformazione chimica:

• Ossido riduzione
• Scissione e formazione di legami carbonio-carbonio
• Riarrangiamenti interni
• Trasferimento di gruppi
• Reazione di condensazione

Reazioni ossido-riduzione

Nelle reazioni ossido-riduzione si hanno grazie a un trasferimento di elettroni, uno che accetta l’altro elettroni e che li cede. In molte ossidazioni biologiche un composto cede 2 elettroni e 2 ioni di idrogeno. Questa è una reazione che vedremo spesso.

Catabolismo del glucosio

Durante il catabolismo del glucosio, quando ingeriamo il glucosio, cioè da una molecola a sei atomi di carbonio attraverso il processo di glicolisi si passerà a piruvato, un composto a 3 atomi di carbonio, quindi il glucosio verrà ridotto a due metà. Questo è un processo altamente regolato sia da un punto di vista energetico che da un punto di vista ormonale (glucagone e insulina).

Piruvato e processi di riduzione

Il piruvato è un alfachetoacido, infatti il carbonio in alfa presenta una funzione chetonica e ha un carbonio carbossilico. Il piruvato una volta formato può subire una serie di destini: può trasformarsi in acetilCoA, quando si trova in condizioni anaerobiche, prive di ossigeno, può trasformarsi in lattato a seguito di una riduzione della funzione carbonilica in funzione alcolica. La reazione è reversibile, cedendo e donando elettroni, convertendosi in piruvato.

Lattato e isoenzimi

Questa è un processo che non avviene da solo bensì si avvale di un catalizzatore rappresentato dall’enzima lattatodeidrogenasi (deidrogenasi significa che avviene una redox). Questo enzima è infatti molto espresso nel muscolo, ed è un enzima così come una reazione molto importante che deve per forza avvenire. Esiste una lattatodeidrogenasi specifica del cuore, che catalizza la stessa reazione, ma presenta una diversità regolatoria rispetto a quella che troviamo nel muscolo. In ogni tessuto, o cellula, esistono degli isoenzimi, ovvero enzimi che catalizzano la stessa reazione ma che la regolano in maniera diversa. Quella nel cuore assume un importante valore diagnostico, in quanto il primo valore irregolare che analizziamo quando abbiamo un infarto è proprio la lattatodeidrogenasi.

Scissione e formazione di legami carbonio-carbonio

La scissione e formazione di un legame C-C può essere omolitica, quando gli elettroni sono ugualmente distribuiti, oppure eterolitica quando la separazione avviene in modo disuguale formando carbocationi e carboanioni e vedremo che molto spesso ci ritroveremo dinanzi a questa situazione.

Riarrangiamenti interni

I riarrangiamenti interni sono dovuti al trasferimento di elettroni all'interno di una molecola che può essere un’isomerizzazione, producendo un riarrangiamento molecolare. Questo riarrangiamento può essere una trasposizione; un riarrangiamento cis e trans dei doppi legami. Un esempio è che facendo riferimento al glucosio, quando entrerà nelle nostre cellule (con una elevata difficoltà), attraverso l’insulina (ricordiamoci e sottolineiamo la sua importanza) la prima reazione di glucosio all'interno del nostro corpo è una fosforilazione in posizione 6. Nella reazione successiva interviene un’isomerasi, il carbonio 1 che presenta una funzione aldeidica viene trasformata in alcolica, CH₂OH, e verrà ossidata in un chetone. L’enzima è un’isomerasi, in particolare una fosfoisomerasi del glucosio, trasformando lo zucchero in fruttosio.

Trasferimento di gruppi

Trasferimento di gruppi, generalmente con un gruppo fosfato attraverso una molecola di ATP, facendo sempre riferimento al primo processo della glicolisi. Infatti, una molecola di glucosio può attaccare una molecola di ATP, che porta il trasferimento del gruppo fosfato in posizione 6. L’ATP è il principale attore in tutto questo, che ci serve per vivere, muoverci e svolgere tutte le attività.

Reazione di condensazione

La reazione di condensazione avviene per la perdita di una molecola d'acqua. A partire da precursori semplici noi siamo in grado di sintetizzare complessi difficili, grazie alle reazioni che avvengono nei ribosomi, come gli amminoacidi. Ma questi ultimi sono anche dei precursori di alcuni ormoni peptidici, di neurotrasmettitori, gli acidi grassi anche possono rappresentare dei precursori come vediamo nella membrana plasmatica, così come anche gli zuccheri e acidi nucleici sempre attraverso un metabolismo organizzato dal nostro organismo.

Biochimica I - Lezione 2

Le proteine

Le proteine sono tra le molecole principalmente rappresentate nella nostra vita, di fatto le troviamo nel sangue negli animali come insetti o parti di animali. Le proteine si sintetizzano a partire da un gene, che codifica alcune informazioni attraverso il processo di trascrizione, che avviene nel nucleo dove si forma un RNA messaggero; che dal nucleo va nel citoplasma e incontra i ribosomi che sono impiegati nella traduzione, processo in cui avviene la sintesi di una specifica proteina a partire dal gene di partenza. I ribosomi non fanno altro che catalizzare la formazione di un legame peptidico che vedremo stesso oggi.

Sintesi e degradazione delle proteine

Le nostre cellule sintetizzano continuamente proteine e come le sintetizzano così le degradano. Le proteine hanno una propria emivita, infatti noi siamo in grado di fare riserve di grassi ma non di proteine, che vengono sintetizzate e degradate continuamente.

Struttura degli amminoacidi

Le proteine sono costituite da amminoacidi, una molecola che contiene un carbonio chirale al quale sono legati:

• Un gruppo carbossilico
• Un gruppo amminico
• Un atomo di idrogeno
• Un gruppo R; l’elemento identificativo per ogni amminoacido

Il centro chiralico è otticamente attivo e un carbonio in posizione alfa; e i quattro sostituenti possono orientarsi in due modi diversi formando degli enantiomeri. La nomenclatura prevede che il carbonio chiralico indicato con il numero 2 è il carbonio alfa, il carbonio carbossilico invece è il carbonio 1 e tutti gli altri carboni hanno numeri crescenti 3, 4, 5, 6 che sono i carboni del gruppo R a cui è legato il carbonio chiralico, questi carboni son detti anche beta, gamma, delta, epsilon e così via.

Stereoisomeri e classi di amminoacidi

Gli amminoacidi sono presenti come stereoisomeri, immagini non speculari e sovrapponibili tra di loro, e li possiamo distinguere in classe D (destrogiro), quelli che presentano il gruppo amminico a destra, oppure L (levogiro) che presentano il gruppo amminico a sinistra. Nelle nostre cellule esistono solo amminoacidi della classe L, non esistono quelli della serie D, fatta eccezione per qualche caso.

Gruppi R degli amminoacidi

Li distribuiamo in amminoacidi che contengono un gruppo R alifatico non polare come glicina, alanina, valina, leucina e isoleucina. Tutti contengono un gruppo R alifatico non polare. Alcuni di questi amminoacidi li incontreremo spesso ed è bene ricordarne la struttura. Altri amminoacidi (vi ricordo che sono 20 in tutto) hanno un gruppo R non carico polare. Questi sono la serina, la treonina, la cisteina, la prolina, l’asparagina e la glutammina. Fra questi la cisteina è l’unico amminoacido tra i 20 a contenere un gruppo sulfidrilico e vedremo che questo gruppo avrà un ruolo determinante nella struttura delle proteine.

Ponti disolfuro

Infatti i gruppi sulfidrilici possono formare attraverso una reazione un ponte di disolfuro in una reazione di ossidoriduzione, per cui due cisteine presenti in due catene polipeptidiche diverse o nella stessa catena polipeptidica possono andare incontro a questa reazione di ossidoriduzione in cui vengono persi due elettroni creando un ponte disolfuro. Questo ponte disolfuro tra residui di cisteina stabilizza la struttura di molte proteine quindi gioca un ruolo determinante. La reazione è reversibile per cui i ponti disolfuro possono essere ridotti formando di nuovo due gruppi sulfidrilici SH.

Amminoacidi con gruppo R aromatico

Esistono amminoacidi con un gruppo R aromatico. Fenilalanina, tirosina e triptofano hanno il gruppo aromatico. Molti di questi, come vi mostrerò nel corso delle lezioni, sono precursori di importanti neurotrasmettitori, quindi giocano un ruolo fondamentale in alcune biosintesi cellulari.

Amminoacidi con carica positiva e negativa

Esistono amminoacidi con gruppo R carico positivamente: la lisina, l’arginina e l’istidina. Vi ricordo che stiamo analizzando i gruppi R. I gruppi R carichi negativamente sono aspartato e glutammato. La carica conferita all’amminoacido è una carica netta negativa: un gruppo COO^- del gruppo R e il gruppo carbossilico (COO^-) dell’amminoacido, per cui la carica netta è una carica negativa.

Amminoacidi non standard

Oltre i venti amminoacidi noti esistono altri amminoacidi che definiamo non standard ed è il caso dell’idrossiprolina, che è l’amminoacido prolina alla quale è stato aggiunto un gruppo OH in posizione 4. Questi amminoacidi giocano un ruolo decisamente rilevante. Altri amminoacidi non standard, di fondamentale importanza, sono l'ornitina e la citrullina e li incontreremo nella degradazione delle proteine.

Degradazione delle proteine e ciclo dell'urea

Durante la degradazione l'evento più cruciale è l'eliminazione del gruppo amminico come molecola ammoniaca, altamente tossica per le nostre cellule. Per questo, le nostre cellule provvedono a sviluppare meccanismi per eliminare il gruppo amminico prima di smaltirla, e tale processo è chiamato ciclo dell'urea, che fa parte del ciclo di Krebs.

Amminoacidi essenziali

Esistono poi amminoacidi che si possono definire essenziali in quanto non siamo in grado di sintetizzarli e quindi li dobbiamo inserire attraverso la dieta. Un amminoacido in soluzione si comporta come uno zwitterione e si comporta sia da acido che basico a seconda anche del pH di soluzione in cui ci troviamo. La presenza del gruppo R gli conferisce ancora la possibilità di distinguersi in donatori o accettori di elettroni.

Peptidi e legami peptidici

I peptidi sono delle catene di amminoacidi formati anzilegati da quelli che sono dei legami peptidici attraverso una reazione di condensazione, che avviene per una molecola di OH che reagisce con un idrogeno del gruppo amminico formando la fuoriuscita di una molecola di acqua ma allo stesso tempo formando il legame peptidico. Tutti gli amminoacidi possono formare legami peptidici, questi si legano all'estremità di destra per convenzione.