Biochimica

La biochimica

La biochimica è lo studio della chimica dei viventi: composizione e trasformazioni chimiche. Tutti gli esseri viventi obbediscono alle leggi della chimica:

• Gli organismi viventi sono sistemi aperti, ossia scambiano energia e materia con l'ambiente (termodinamica).
• Reazioni veloci grazie alla presenza di enzimi (ognuno ha la sua velocità, catalizzatori).
• Reazioni non all'equilibrio in modo da rendere disponibili elevate quantità di energia.

Ogni cellula possiede in sé il programma per il suo funzionamento. Ogni elemento ha un suo peso: C= 61,7% del nostro organismo è fatto di carbonio. N (azoto)= 11,0 O= 9,3 H= 5,7 Ca= 5,0 P= 3,3 K=1,3 S=1,0 Cl=0,7 Na= 0,7 Mg= 0,3. I quattro elementi sottolineati sono atomi più piccoli che possono raggiungere una configurazione stabile. Formano tra di loro dei legami covalenti forti, cioè diventano stabili. O, N, C sono i soli elementi a formare legami multipli forti.

Legami covalenti

Il legame covalente è formato da due elettroni. È un legame forte e per romperlo serve energia. Questo legame può essere di due tipi: covalente puro (atomi identici), covalente polare.

I gas nobili hanno stabilità, gli altri elementi devono trovarli. Le molecole sono costituite da materia vivente:

• 20 amminoacidi: proteine, ormoni, porfirine, substrati energetici.
• 5 basi azotate: DNA, RNA, coenzimi, trasportatori di energia.
• Meno di dieci tipi di zuccheri: substrati energetici e elementi di riconoscimento.
• Lipidi: costituenti delle membrane, substrati energetici.

Acqua

L'acqua rappresenta il 70% del composto; la maggior parte delle reazioni avvengono in soluzione acquosa. Le molecole di acqua sono polari e possono formare legami di idrogeno.

Energia

L'energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro e di far avvenire una trasformazione: energia cinetica, potenziale, termica, chimica, luminosa. Le cellule utilizzano il calore come fonte di energia e di trasformazione. Tuttavia, le cellule non sono in grado di utilizzare il calore come fonte di energia e devono trasformare l'energia contenuta negli alimenti in una forma da loro utilizzabile.

Proprietà chimiche degli elementi

Le proprietà chimiche di un elemento dipendono dagli elettroni presenti nell'orbitale elettronico. Ibridazione sp: Ibridazione sp³: deriva dal mescolamento di un orbitale s e di tre orbitali p. Si formano quattro orbitali atomici ibridi sp³ isoenergetici. Otteniamo quattro orbitali di cui l'energia deriva dall'orbitale s e p. Questi orbitali occupano un elettrone (carbonio forma legami semplici). Tetraedo: i quattro orbitali ibridi sono diretti lungo i vertici di un tetraedo.

Carbonio

L'atomo di carbonio è diverso dagli altri, perché ha la possibilità di formare legami covalenti con un gran numero di elementi e inoltre può formare altri atomi di C generando catene di varia lunghezza, lineare o ramificate, aperte o chiuse. Il C può formare quattro legami covalenti e si presenta su quattro orbitali semioccupati. Si lega con H, O, N. Può formare legami semplici. Ci sono due formule per rappresentare gli atomi: formula molecolare, ad esempio H₂O, per rappresentare quanti e quali atomi ci sono; formula di struttura, ad esempio in che modo sono disposti gli atomi nello spazio (Isomeri= stessa formula molecolare ma non strutturale).

Idrocarburi

Idrocarburi: formato da carbonio e idrogeni. Si dividono in alifatici (saturi e insaturi); aromatici, cioè composti ciclici saturi con particolare struttura elettronica come il benzene che è il capostipite di questa famiglia. Gli atomi di carbonio possono formare tra loro legami semplici, doppi o tripli dando origine a catene lineari, ramificate o chiuse ad anello, indicate come catene o scheletri carboniosi che rappresentano la struttura portante dei composti biologici. Le proprietà chimiche delle biomolecole dipendono dalla presenza di piccoli gruppi di atomi particolarmente reattivi chiamati gruppi funzionali.

• Alcani (ibridazione sp³): sono idrocarburi saturi, non hanno doppi legami e formano catene semplici o ramificate. Proprietà fisiche: molecole apolari, insolubili, forze di Van der Waals che aumentano le dimensioni della molecola. C₁ a C₄ sono gas a temperatura ambiente; C₅ a C₁₇ sono liquidi e solidi.
• Cicloalcani: sono alcani i cui atomi formano almeno un anello (cicloesano, ciclopropano).
• Alcheni: idrocarburi insaturi con almeno un doppio legame (ibridazione sp²), i tre orbitali su sp² sono disposti sullo stesso piano con legame di 120° e formano due legami di H ed uno di C. Gli elettroni del doppio legame (legame rigido) sono responsabili della reattività.
• Alchini: idrocarburi insaturi, presentano almeno un triplo legame e sono denominati utilizzando il suffisso -ino, ad esempio etino. Le proprietà chimiche delle biomolecole dipendono dalla presenza di piccoli gruppi di atomi particolarmente reattivi chiamati gruppi funzionali.

Alcoli e ammine

Alcoli: R-OH. Gruppi ossidrilici come il glicerolo, zuccheri, colesterolo. Es. CH₃-CH₂-OH. Formano legami con H. Il legame idrogeno (un atomo di idrogeno che si pone da ponte tra due atomi elettronegativi, O, N, F) pur non avendo la forza di un legame covalente è relativamente forte (2-10 Kcal/mol). La sua forza è dovuta alle piccole dimensioni di H. È un legame direzionale perché gli atomi che formano il legame devono essere allineati. Un atomo di H forma al massimo un legame. Si può instaurare anche all'interno di una macromolecola. È un legame fondamentale nelle strutture biologiche come proteine e DNA. Gli alcoli sono acidi deboli (reazione acido-base).

Ammine: Composti organici derivati formalmente dall'ammoniaca per sostituzione di uno, due o tre idrogeni con gruppi organici. Gli orbitali dell'atomo di azoto delle ammine sono ibridati sp³, con geometria quasi tetraedrica. Tre degli orbitali ibridati sono impegnati in legami con gruppi alchilici o con l'idrogeno mentre il quarto ha un doppietto elettronico disponibile. Composti da RNH₂ + H₂O (frecce inverse) RNH₃⁺ + HO^-

Stato di ossidazione dei composti ossigenati

Numero di ossidazione: rappresenta la carica formale che si può attribuire a un elemento in un composto, supponendo che i legami siano di tipo ionico, in modo da assegnare gli elettroni di legame all'elemento più elettronegativo. Dall'ossidazione dei composti ossigenati l'organismo ricava la maggior parte dell'energia.

Ossidazione: perdita di elettroni (rimozione atomi di idrogeno negli organici ossigenati). Riduzione: acquisto di elettroni (addizione di H o rimozione di eteroatomi). La specie che si ossida viene definita riducente; quella che si riduce ossidante. Una reazione di ossido-riduzione è formata da due semireazioni che avvengono contemporaneamente (ossidazione e riduzione). Nell'ossidazione una specie chimica cede elettroni (aumenta il suo n.o.) e si ossida; nella reazione di riduzione un'altra specie acquista elettroni (diminuisce il suo n.o.) e si riduce.

Sequenza ossidativa: (Idrocarburo) -- Alcol I – Aldeide – Acido Carbossilico – CO₂

Sequenza ossidativa: (Idrocarburo) -- Alcol II – Chetone – Acido Carbossilico – CO₂

Aldeide e chetone hanno circa lo stesso stato di ossidazione. Numero di ossidazione: rappresenta la carica formale di un elemento quando si associano gli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo. È la carica che un atomo di una molecola o di uno ione poliatomico assumerebbe se, attraverso un processo immaginario, si spezzassero tutti i legami covalenti e si attribuissero gli elettroni all'atomo più elettronegativo.

Amminoacidi e proteine

Le proteine sono macromolecole di peso molecolare compreso fra 5000 e 1.000.000 dalton costituite da unità monomeriche dette aminoacidi legate fra loro in modo covalente in sequenze lineari caratteristiche.

• Le proteine differiscono le une dalle altre per la sequenza con cui gli amminoacidi si succedono nella catena polipeptidica (struttura primaria).
• Ogni proteina ha una sequenza unica.
• La lunghezza della catena può variare notevolmente: da due soli amminoacidi (dipeptide) a molti più di 1000 (anche se è spesso < 2000).

Gli amminoacidi presenti nelle proteine appartengono tutti allo stesso gruppo di 20 amminoacidi, detti amminoacidi proteici o primari. Occasionalmente si possono incontrare alcuni amminoacidi modificati (idrossiprolina, fosfoserina, acido γ-carbossiglutammico, etc.); le modifiche sono tuttavia sempre successive alla biosintesi del peptide (post-traduzionali).

Gli amminoacidi: composti che hanno almeno un gruppo carbossilico (-COOH) ed un gruppo amminico (-NH₂). Le funzioni carbossilica (-COOH) e amminica (-NH₂) sono legate allo stesso atomo di carbonio che, in base alla convenzione usata per numerare la catena di un acido carbossilico, si definisce appunto alfa. Sono ammine in a di acidi carbossilici. Gli amminoacidi hanno una struttura tetraedica. Gli amminoacidi con catene laterali (struttura/dimensione/carica) cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie delle proteine. I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all'interno delle proteine, protetti dal contatto con l'acqua. Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche. I gruppi -OH della catena laterale di alcuni amminoacidi (tirosina, serina) ed NH₂ possono formare legami a idrogeno.

Molecola chirale: presenta un centro di asimmetria. Una molecola che contiene un carbonio chirale esiste in due forme diverse (stereoisomeri) che sono immagini speculari una dell'altra ma non sovrapponibili e vengono chiamate enantiomeri (proprietà ottiche diverse; hanno capacità opposta di ruotare il piano della luce polarizzata; reattività in alcuni casi diversa). In soluzione acquosa gli amminoacidi sono presenti come zwitterioni, molecole neutre, che tuttavia presentano sia carica positiva che negativa (sono ioni dipolari). Sono acidi e basi deboli.

Più amminoacidi si legano tra loro mediante i legami ammidici (gli amminoacidi si legano attraverso la condensazione, cioè legame peptidico “doppio legame”) per formare strutture più complesse dette proteine. Le proteine: livelli di organizzazione di una proteina.

Livelli di struttura delle proteine

• Struttura primaria: sequenza amminoacidica della proteina a partire dall'estremità N-terminale; è determinata dal codice genetico e si basa sul legame covalente fra gli aminoacidi. Condiziona assolutamente la conformazione spaziale tridimensionale che le proteine assumono sia in ambiente acquoso che in quello lipidico (proteine di membrana). È di tipo aa.
• Struttura secondaria: (struttura a elica) descrive la conformazione dello scheletro carbonioso della catena polipeptidica. Quindi si riferisce a particolari organizzazioni di brevi sequenze di aa.
• Struttura terziaria: disposizione nello spazio dell'intera catena polipeptidica e si avvale di interazioni fra aminoacidi che si trovano in posizioni lontane nella sequenza amminoacidica. È strettamente dipendente dai gruppi R e in particolare dalla loro polarità. Struttura terziaria è stabilizzata da 4 tipi di interazioni: Interazioni idrofobiche: gli amminoacidi con catene laterali non polari tendono a localizzarsi all'interno della molecola dove si associano con altri residui idrofobici. Interazioni ioniche: i gruppi con carica negativa (-COO^-) possono interagire con gruppi carichi positivamente (-NH₃⁺); Legami a idrogeno; Legami disolfuro.
• Struttura quaternaria: è propria delle proteine costituite da più catene polipeptidiche. Più subunità proteiche infatti possono associarsi a formare dimeri, trimeri, tetrameri.. es. emoglobina.

La conformazione tridimensionale di una proteina dipende dalla sequenza degli amminoacidi e dalla concentrazione degli ioni e dal pH. In ambiente acquoso la proteina assume una conformazione tale da disporre tutti i gruppi R idrofilici verso l'esterno e quelli idrofobici all'interno. In ambiente idrofobico sequenza da 15 amminoacidi non polari.

Tipi di proteine

• Fibrose: sono disposte in modo lineare, struttura primaria e secondaria, sono insolubili in H₂O e sono adatte a ruoli strutturali es. collagene (funzione di sostegno) che è composto da idrossiprolina che si forma dopo la sintesi proteica grazie alla presenza di acido ascorbico. Es. cheratina che è lo strato più esterno della pelle ed ha una resistenza di tensione e flessione.
• Globulari: sono più catene che si avvolgono formando una struttura più compatta, contengono più di una struttura secondaria e hanno diverse funzioni in base alla struttura. Es. mioglobina ed emoglobina che sono proteine che legano l'O₂. (non solubili in H₂O e trasportano O₂). Es. mioglobina, proteina che lega l'O₂, presente in tutti i mammiferi, catena da 153 amminoacidi ed ha la funzione di conservare l'ossigeno. La capacità di legare O₂ non è influenzata dal pH, CO₂ e 2-3 BPG. Es. emoglobina è formata da quattro catene polipeptiche e trasporta l'O₂ ed è deputata al trasporto di CO₂. La capacità di legare O₂ varia con il pH, CO₂ e 2-3 BPG.

La velocità di reazione

È una misura sperimentale. La velocità di una reazione rappresenta la variazione di concentrazione dei reagenti, o dei prodotti, nell'unità di tempo. A+B → C+D V=k(A)(B). La costante k (costante di velocità) dipende dal tipo di reazione (altezza di energia e dalla temperatura), quindi sull'energia di attivazione. Per modificare la velocità di una reazione si usano i catalizzatori, che non consumano l'energia. Innescano un meccanismo in cui abbassa l'energia di attivazione.

Catalizzatori biologici

I catalizzatori biologici sono gli enzimi e possiedono caratteristiche: (maggior parte sono proteine)

• Non fanno avvenire reazioni che non siano termodinamicamente possibili
• Non alterano l'equilibrio delle reazioni
• Si ritrovano inalterati alla fine del processo di catalisi

I catalizzatori si distinguono per molti aspetti:

• Sono efficienti: alcuni sono più veloci della corrispondente reazione catalizzata chimicamente
• Sono spesso altamente specifici: gli enzimi sono altamente specifici nel riconoscimento di substrato e prodotti, alcuni sono stereospecifici
• Sono modulabili: l'attività catalitica può essere regolata in maniera selettiva
• Condizioni di reazioni meno drastiche: le reazioni catalizzate dagli enzimi avvengono in condizioni relativamente moderate

Gli enzimi abbassano l'energia di attivazione della reazione generando vie di stadi alternativi ciascun caratterizzato da energie di attivazione molto inferiori rispetto all'energia di attivazione globale della reazione non catalizzata. E+S → ES → E+P. La velocità delle reazioni enzimatiche dipende dalla concentrazione di substrato nella fase iniziale. V= V_max (S)/ K_m + (S). K_m: costante di Michaelis-Menten indica la quantità di substrato con la quale si ottiene la metà della velocità massima. K_m piccola (alta affinità substrato) K_m grande (bassa affinità). V_max: velocità max della reazione catalizzata da un enzima.

Come funziona un enzima?

È presente un sito attivo in una cavità dell'enzima (formato da amminoacidi) che riconosce il substrato. Nel sito attivo sono presenti amminoacidi responsabili del riconoscimento del substrato e responsabili della rottura e formazione di legami. Sito attivo e catalisi enzimatica: - sito attivo costituito da una tasca tridimensionale, occupa una parte relativa di volume di un enzima, sono dei microambienti unici, si legano a...