Biochimica della nutrizione

Biochimica della nutrizione

Prof. Bertoldi

Indice degli argomenti

• Introduzione alla biochimica ________________________________________________pag.3;
• Gli aminoacidi _____________________________________________________________pag.9;
• Livelli di organizzazione delle proteine ______________________________________pag.14;
• Gli enzimi ________________________________________________________________pag.30;
• I lipidi e le membrane _____________________________________________________pag.42;
• I carboidrati e la loro digestione ____________________________________________pag.50;
• Bioenergetica ____________________________________________________________pag.60;
• Digestione dei lipidi e catabolismo _________________________________________pag.64;
• Il ciclo di Krebs, respirazione cellulare e catena respiratoria __________________pag.66;
• La glicolisi _______________________________________________________________pag.73;
• La gluconeogenesi _______________________________________________________pag.78;
• Il ciclo di Cori ____________________________________________________________pag.80;
• La via dei pentoso-fosfati __________________________________________________pag.81;
• Il metabolismo del glicogeno ______________________________________________pag.82;
• I composti azotati ________________________________________________________pag.85;
• Il ciclo dell’urea __________________________________________________________pag.89;
• I nucleotidi ______________________________________________________________pag.96;

Introduzione alla biochimica

Per biochimica si intende quella scienza che si occupa delle basi chimiche della vita. Poggia le sue fondamenta sulla chimica organica.

Studia le macromolecole biologiche, che derivano dalle macromolecole, che sono patrimonio sia della chimica organica che della biochimica iniziale.

Le macromolecole biologiche

Le macromolecole biologiche sono gli zuccheri, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici.

Zuccheri, grassi e proteine insieme rappresentano i nutrienti, cioè quei gruppi di cui il nostro organismo necessita, deve procurarsi dall’esterno (siamo organismi eterotrofi, dobbiamo procurarci dall’esterno ciò di cui abbiamo bisogno, non siamo in grado di sintetizzarle). Per noi è importante nutrirsi perché demolendo i nutrienti otteniamo l’energia necessaria per i nostri processi vitali (mantenere l’omeostasi).

L’altro gruppo di organismi esistente, gli autotrofi, invece sono quegli organismi che sono in grado di autocostruirsi le macromolecole biologiche che poi vengono utilizzate, rotte per ottenere energia e per tutti quei processi vitali (i vegetali e i batteri).

Quindi, riassumendo:

• Gli zuccheri più complessi derivano da zuccheri più semplici, detti monosaccaridi;
• I lipidi derivano da molecole più semplici e piccole dette acidi grassi;
• Le proteine presentano come unità base gli aminoacidi;
• Gli acidi nucleici presentano come unità base i nucleotidi;

Ma quindi, di cosa si occupa la biochimica?

Lo scopo di questa scienza è descrivere attraverso una terminologia molecolare come avviene un processo biologico o chimico.

Caratteristiche che identificano la materia vivente

Quando si parla di materia vivente, si parla di sistemi molto complessi e organizzati (integrati, cioè che dipendono l’uno dall’altro), e una delle parole chiave per i sistemi viventi e chimici è la relazione tra struttura e funzione, cioè se un qualcosa fa una certa funzione o si comporta in una certa maniera è perché ha una certa struttura.

La materia quindi di cui si occupa la biochimica, per trasformare un cosa in un’altra lo fa tramite delle reazioni, e ogni volta che queste entrano in gioco entra in gioco anche dell’energia. Gli organismi hanno quindi la capacità di estrarre, trasformare ed usare l’energia presente nell’ambiente sia sottoforma di nutrienti sia sottoforma di energia solare.

In questa immagine affianco vediamo la differenza tra le nostre cellule eterotrofe e quelle autotrofe.

Le nostre cellule usano i nutrienti e l’ossigeno. L’ossigeno entra nei nostri polmoni con la respirazione, e poi questo grazie all’emoglobina viene trasportato a tutti i nostri tessuti periferici, dove viene ossidato. Quando invece i nutrienti (glucosio) arrivano a livello delle nostre cellule, dove incontrano l’ossigeno che è stato trasportato dall’emoglobina, l’atomo di carbonio viene completamente ossidato.

Quindi i viventi che utilizzano l’ossigeno lo usano consumandolo, lo utilizzano per ossidare gli atomi di carbonio dei nutrienti e nel contempo consentire la rottura della molecola organica e da quei legami viene ricavata energia.

La CO₂ quindi deriva dagli atomi di carbonio del gruppo iniziale, mentre l’acqua deriva dall’ossigeno che si è ridotto ad acqua: prende elettroni e quindi si riduce ad acqua.

Per quanto riguarda le cellule fotosintetiche, cioè che fanno la fotosintesi clorofilliana, avviene la sintesi di ossigeno a partire dall’acqua grazie ad un apparato molto complesso, in cui l’energia per andare contro la spontaneità (acqua —> ossigeno) viene ricavata dall’energia solare.

Gli organismi scambiano energia e materia attraverso il lavoro cellulare, la crescita, il movimento e il trasporto. Non tutta l’energia che però viene ricavata va in lavoro, ma una parte viene dissipata sottoforma di calore: tutte le volte che si utilizza energia in realtà la resa è del 40%, la restante viene dissipata. Quindi gli organismi mantengono la struttura complessa ed ordinata a spese dell’energia libera dell’ambiente cui restituiscono una forma di energia meno utilizzabile.

I viventi hanno inoltre la capacità di autoreplicarsi.

Aspetti generali che accomunano tutti i viventi

1. Ipotesi genetica: l’informa necessaria per la crescita di un organismo e la sua riproduzione è contenuta nel DNA dell’organismo stesso. L’informazione biologica è espressa come comportamento proteico della cellula ed è trasmessa per auto replicazione del DNA quando la cellula si divide (flusso da DNA —> RNA —> proteine);
2. Dogma centrale: l’informazione biologica fluisce dal DNA, che è il vettore dell’informazione genetica, all’RNA, e quindi alla proteina;
3. Ipotesi enzimatica: quasi tutte le reazioni chimiche cellulari sono regolate da catalizzatori proteici, gli enzimi. È stato recentemente scoperto che alcune reazioni biochimiche che interessano l’RNA possono essere catalizzate dalle molecole stesse di RNA;
4. Ipotesi energetica: l’ATP è il “quanto” biochimico di energia. La degradazione (catabolismo) degli alimenti si associa alla produzione di ATP, mentre la biosintesi (anabolismo) di tutti i componenti cellulari si associa all’idrolisi di ATP;
5. L’ipotesi dell’auto assemblaggio spontaneo: alcuni complessi di macromolecole, come i ribosomi, si uniscono assieme spontaneamente;

Gerarchia strutturale dell’organizzazione molecolare della cellula

Osserviamo questa immagine affianco:

Nel primo livello troviamo le biomolecole (nucleotidi, aminoacidi, zuccheri semplici, grassi). Queste si associano a formare le macromolecole (DNA, proteine, cellulosa). A loro volta queste macromolecole si organizzano in complessi sovramolecolari (cromosomi, membrana plasmatica, parete cellulare). Infine, questi complessi si evolvono nella cellula e i suoi organelli.

La caratteristica tipica di una macromolecola è di essere una successione di biomolecole.

Se come biomolecola ho solo il glucosio, la stessa molecola ripetuta da luogo ad una macromolecola che è una ripetizione di se stessa: la cellulosa (qui sopra), l’amido e il glicogeno sono fatte da molecole di glucosio legate le une alle altre: sono dette omopolisaccaridi.

Invece il DNA è dato da 4 nucleotidi differenti, e ciò che cambia in ogni nucleotide è la base azotata:

Il numero delle possibili combinazioni dei quattro nucleotidi è senza limiti, come il numero di melodie che si possono comporre con poche note. Un polimero con un solo tipo di subunità invece è monotono e povero di informazioni.

Per quanto riguarda le proteine invece contengono 20 tipi diversi di biomolecole, gli aminoacidi, e quindi aumenta in maniera considerevole il numero delle possibili combinazioni diverse.

Quindi la variabilità in natura delle macromolecole biologiche è correlata al numero possibile di combinazioni di macromolecole che si possono generare a partire da poche biomolecole.

L’unità fondamentale della vita: la cellula

In questa tabella affianco vediamo riassunti nella colonna in mezzo la quantità, nell’ultima colonna la variabilità. Osserviamola prestando attenzione alle macromolecole biologiche: le proteine costituiscono il 15% del peso della cellula, e sono più di 3000. In peso quindi costituiscono una quantità più piccola, ma in varietà ne costituiscono un’ampissima varietà.

Questa cosa vale anche per gli acidi nucleici: il DNA genomico è ovviamente uno, ma gli RNA sono di diversa tipologia, e hanno una variabilità che è molto ampia.

I lipidi e gli zuccheri pesano e sono relativamente pochi.

In una cellula quindi le proteine costituiscono la percentuale più alta in peso e in variabilità, mentre carboidrati e grassi ne costituiscono una piccola frazione.

Di questa tabella importante è ricordare l’acqua (punto di fusione, ed ebollizione). Questi sono causati della sua caratteristica chimica (capacità di formare molti legami ad idrogeno) di formare una rete intricata tra molecole di acqua.

Ricordare inoltre l’equazione del pH di una soluzione:

Importante è ricordarla perché la maggior parte dei nostri metaboliti sono acidi deboli.

pH

Dal punto di vista biologico abbiamo il pH fisiologico, cioè quello del sangue che è 7,4. Mentre il pH intracellulare è intorno a 7.

I sistemi tampone che regolano il pH del sangue e intracellulare

All’interno della cellula quindi il pH è intorno a 7, mentre il sangue ha pH 7,4.

Il pH intracellulare

Osserviamo l’acido fosforico: H₃PO₄, un acido debole. Avendo 3 protoni presenta 3 equilibri di dissociazione.

Prendiamo in considerazione questo equilibrio di dissociazione (secondo equilibrio di dissociazione dell’acido fosforico): H₂PO₄^- + H₂O —> HPO₄^2- + H₃O⁺. Il pK dovrebbe essere 7,2 (che si discosta dal valore sperimentale a causa delle interazioni elettrostatiche che avvengono). Questo pK pone il tampone come quello ideale per tamponare il pH intracellulare (lo so perché un tampone tanto è più efficace quanto il suo pK è vicino al valore di pH).

Importante è evidenziare e scrivere le cariche perché devo piazzare gli equilibri ad un certo valore di pH; dobbiamo scrivere le molecole nel loro stato di protonazione o deprotonazione a pH 7-7,5.

Nelle cellule il pH intracellulare è assicurato dal tampone fosfato, che sarebbe l’equilibrio tra l’acido fosforico nel suo stato monobasico (ha una carica negativa) in equilibrio con la base coniugata che è HPO₄^2-.

Il pH del sangue

Il pH del sangue è invece leggermente più basico (7,4), ed è il così detto pH fisiologico.

Questo si deve a 3 equilibri (importante per esame!!!!).

Nella foto qui sopra vediamo rappresentati 3 equilibri: la CO₂ gassosa è in equilibrio con la CO₂ dissolta: la CO₂ gassosa è quella che arriva ai nostri alveoli polmonari, mentre la CO₂ dissolta dobbiamo immaginarla come una CO₂ imbrigliata in una rete di molecole d’acqua. La CO₂ dissolta viene poi sommata con l’H₂O a dare acido carbonico, e infine l’ultimo equilibrio è quello di dissociazione dell’acido carbonico in acqua, il quale da lo ione bicarbonato + H⁺.

Il pH del sangue è mantenuto da questi 3 equilibri: l’ultimo equilibrio ha un pK pari a 6,4, quindi nota l’equazione allora

Questo significa che il bicarbonato è circa 5-6 mila volte più concentrato dell’acido carbonico, cioè c’è molto più bicarbonato dell’acido carbonico, quindi questo è un tampone che si piazzerebbe ai limiti dell’efficacia tamponante. Però questo sistema non opera come un unico meccanismo (o equilibrio), ma opera insieme agli altri due: alterando quindi il ritmo respiratorio e alterando il ritmo di escrezione renale, insieme i 3 equilibri concorrono, e quindi in caso di acidosi va benissimo avere una quantità di bicarbonato in eccesso rispetto all’acido carbonico, in caso di un alcalosi il ritmo respiratorio e di escrezione renale vengono alterati in modo da spingere re gli equilibri verso la sintesi di acido carbonico.

Quindi, il pH del sangue è mantenuto da tutti e 3 questi equilibri, che costituiscono il sistema tampone bicarbonato.

H₂O e sistemi biologici

Per questo argomento tratteremo le interazioni molecolari, o di Van der Waals, cioè quando c’è uno ione (carica + o -) che orienta le molecole d’acqua: quando c’è la carica negativa sono gli idrogeni dell’acqua che sono prospicienti alla carica negativa, mentre quando c’è una carica positiva le molecole dell’acqua che fanno da guscio di solvatazione sono disposte in maniera differente rispetto a quando fanno il guscio alle cariche negative; questo perché tutte le interazioni sono guidate da forze di attrazione o repulsione elettrostatiche.

In questa foto affianco vediamo due molecole organiche: gli alcoli e i chetoni che si orientano in acqua —> principio di soluzione: una soluzione è una miscela omogenea uguale in tutte le sue parti e che avvengono perché il solvente mima le interazioni tra le molecole di soluzione.

L’acqua quindi è un solvente perfetto per il nostro organismo perché molte delle nostre molecole o sostanze sono polari; quelle non polari invece si organizzano in maniera differente in acqua.

Legami intermolecolari

Esistono in chimica legami tra gli atomi (covalente e ionico) e tra molecole (dipolo-dipolo, ione-dipolo….)

• Legame dipolo – dipolo: avviene tra due molecole cariche (due dipoli, quindi presenta una porzione negativa e una positiva), che si attraggano tra di loro secondo principi di carica parziale opposta; sono dette interazioni elettrostatiche;
• Legame H: è dato da un H legato ad un atomo fortemente elettronegativo. Il doppietto elettronico sarà dislocato verso l’atomo più elettronegativo, quindi l’H avrà una carica parziale positiva che lo rende instabile, per cui andrà a cercare un atomo ugualmente elettronegativo. È la più forte delle interazioni deboli;
• Interazioni di Van der Waals: sotto questo nome sono compresi i legami ione-dipolo, ione-dipolo indotto (molecola che non ha una separazione di carica, ma se le viene messa vicino fa una separazione di carica), ione-dipolo momentaneo (molecola non polare che vicino ad una polare può delocalizzare per un momento i suoi elettroni);
• Forze di dispersione di London: sono quelle dipolo momentaneo – dipolo momentaneo, cioè tra due molecole non polari che tra di loro si attraggono perché ad ogni istante si rimescolano, cambia l’orientamento della nuvola elettronica, tale per cui (per una separazione momentanea di carica) tendono a legarsi tra loro). In chimica sono chiamate interazioni idrofobiche

A livello biologico le interazioni deboli sono così importanti perché:

1. Stabilizzano le macromolecole biologiche, perché sono tantissimi;
2. Dato che i legami deboli sono facili da rompere e riformare, assicura il funzionamento delle macromolecole biologiche, cioè assicura la plasticità;

Differenza tra i componenti nel plasma e in un fluido extracellulare tipico

Nel sangue notiamo che ci sono molti ioni sodio e cloruro, una minore quantità di bicarbonato, potassio e magnesio.

Se guardo invece la composizione del fluido intracellulare noto che è presente molto bicarbonato e carbonato in quanto controllano il pH, molto meno bicarbonato, cloruro e sodio, mentre c’è molto potassio (pompa sodio-potassio, che spinge questi due cationi contro i rispettivi gradienti di concentrazione).

Quindi noi siamo costituiti da fluidi; il fluido prevalente è l’acqua, che presenta ioni e varie macromolecole.

Nelle nostre cellule il fluido intracellulare ha una certa composizione e il suo pH è regolato dal tampone fosfato, mentre il sangue ha una composizione diversa e il pH è regolato dal tampone bicarbonato-carbonato.

Per esame vedi bene sistemi tampon e legami deboli

Osmosi

L’osmosi è una delle proprietà colligative delle soluzioni, ed è data da una formula che dice che una soluzione esercita una certa pressione osmotica (direttamente proporzionale alla concentrazione della soluzione in certe condizioni di temperatura e dal numero di particelle in cui il soluto può dissociarsi).

Quando si parla di un soluto in un fluido bisogna tener conto dell’osmolarità, cioè quando a denominatore ho 1L di soluzione, e dell’osmolalità cioè quando a denominatore ho 1Kg di solvente. Quando si ha una cellula, questa viene considerata come una struttura circondata da una membrana semipermeabile (può passare l’acqua ma non soluti), dove l’acqua tende a spostarsi dal compartimento dove la concentrazione di soluto è maggiore a quella dove la concentrazione di soluto è minore.

Dimostrare che 0,9% peso\volume corrisponde a 290 mOsm\Kg o \L.

Essendo però l’NaCl formato da due particellle osmoticamente attive: 145 x 2 = 290 mOsmolare. Se invece di metterci 1L metto 1Kg di acqua lo chiamerò 290 mOsmolale.

Questo per dire che i nostri fluidi intracellulari non sono mai solo acqua, ma acqua mista a ioni, hanno una certa pressione osmotica e gli sca