Biochimica e analisi biochimica degli alimenti

Introduzione alla biochimica

La biochimica è la chimica dei sistemi biologici e serve per capire come funzionano le reazioni chimiche e i processi metabolici che permettono di dare la vita. Dal punto di vista chimico, gli organismi viventi sono sistemi confinati. La composizione, il contenuto di molecole, di ioni e di elementi in un organismo vivente è differente rispetto all'ambiente che lo circonda. Per esempio, se si pensa all'universo nel suo insieme, questo è fatto da idrogeno, elio e tracce di ossigeno, carbonio e azoto. Considerando l'organismo vivente, l'idrogeno è sempre il composto più presente, ma ossigeno, carbonio e azoto sono presenti in concentrazioni molto più alte rispetto all'universo che circonda un organismo vivente.

Peculiarità della biochimica

Una peculiarità fondamentale dello studio della biochimica è che tutti gli organismi viventi (monocellulari, pluricellulari, animali e vegetali) sono costituiti praticamente dallo stesso tipo di unità monomeriche. Per esempio, le proteine, in ogni organismo si stima siano presenti circa 3000 tipi di proteine diverse. Nell'essere umano ci sono migliaia di proteine, e queste sono fatte soltanto da 20 amminoacidi, che sono uguali nell'uomo o nell'animale. Un altro esempio è quello del DNA in cui ci sono solo 4 nucleotidi che consentono di scrivere tutta l'informativa genetica.

Stato stazionario dinamico

Le molecole degli esseri viventi vengono costantemente cambiate. Guardando dall'esterno la composizione può sembrare costante nel tempo, ma non è costante perché le molecole che ci sono restano, ma perché le molecole che ci sono vengono continuamente rinnovate, e la velocità con cui vengono costituite è uguale alla velocità con cui vengono demolite [per esempio i globuli rossi che contengono l'emoglobina, hanno una vita di 30 giorni, e quindi quelli che sono in circolo vengono costantemente rinnovati]. La composizione di un organismo che sembra stazionaria è il risultato di uno stato stazionario dinamico.

Aspetti energetici

I sistemi viventi sono sistemi ordinati lontani dall'equilibrio con l'ambiente circostante [un sistema è in equilibrio se in assenza di perturbazioni rimane tale, quindi il sistema non si modifica spontaneamente a meno che non ci sia una forza esterna]. I sistemi viventi sono sistemi molto ordinati, molto organizzati e in natura in equilibrio. L'organismo vivente tende a raggiungere l'equilibrio costante quando muore. Mantenere questo stato di non equilibrio costa ai sistemi viventi energia, i sistemi viventi devono ricavare energia dall'ambiente in cui si trovano per poter mantenere la loro struttura complessa ordinata e anche per dar luogo a tutti quei processi e alle reazioni che servono per mantenere la vita stessa. I sistemi viventi sono sistemi combinati, ma sono anche sistemi aperti, che scambiano continuamente materia ed energia con l'ambiente circostante.

Reazioni di ossidoriduzione

Nei sistemi viventi l'energia viene introdotta sfruttando le reazioni di ossidoriduzione. Un'ossidoriduzione normalmente, nell'ambiente in cui viviamo, le reazioni sono di ossidazione spontanee a carico di organismi. Gli esseri viventi utilizzano le reazione di ossidazione per produrre energia. L'anidride carbonica che viene espirata arriva dagli alimenti che l'uomo introduce. Gli alimenti sono formati da molecole organiche (carboidrati, grassi, proteine), che nell'organismo vengono ossidati e i singoli atomi di carbonio presenti in queste molecole organiche diventano CO₂ che poi viene espirata. Questa ossidazione è spontanea e libera energia, la quale viene utilizzata dall'uomo per vivere.

Gli organismi eterotrofi ricavano energia dalle molecole organiche che ossina in CO₂; gli autotrofi utilizzano la fotosintesi, con la quale prendono la CO₂ e la trasformano in molecole ridotte. Questo passaggio costa energia. Quindi gli organismi viventi sanno accoppiare le reazioni chimiche spontanee con altri processi per compiere il proprio lavoro. Inoltre, gli organismi viventi sono in grado di interconvertire tra di loro le diverse forme di energia, [energia chimica, energia elettrica, energia termica, energia meccanica per il movimento, energia luminosa per la fotosintesi, energia informazionale per mantenere estremamente ordinato un organismo vivente].

Reazioni spontaneità e velocità

Per capire se una reazione è spontanea o non è spontanea, si guarda la variazione dell'energia libera di Gibbs. Questa variazione è rappresentata con ΔG, che è la differenza tra il livello energetico dello stato finale meno quello dello stato iniziale. Quando la differenza del ΔG è negativa, il processo è spontaneo, perché vuol dire che lo stato finale ha un livello energetico più basso di quello iniziale (i sistemi tendono sempre al loro minimo energetico). Quando ΔG è maggiore a zero, il processo della reazione non è spontaneo, perché il livello energetico finale è più alto di quello iniziale.

Applicare il ΔG alle reazioni chimiche

A+B ↔ C + D

Ogni reazione ha una K che rappresenta lo stato finale della reazione:

Keq = ([C]_eq [D]_eq) / ([A]_eq [B]_eq)

Se si mettono composti in una proporzione diversa da quella dell'equilibrio, si rappresenta lo stato iniziale della reazione:

Ki = ([C]_i [D]_i) / ([A]_i [B]_i)

Si scrive il prodotto tra i prodotti iniziali diviso il prodotto dei reagenti iniziali. Questa reazione che allo stato iniziale non è in equilibrio, procede a destra o a sinistra in base alla concentrazione alla fase iniziale. Se nello stato iniziale c'è un eccesso di reagenti, la reazione va verso sinistra → il sistema fa trasformare un po' dei reagenti in prodotti finché non si raggiunge lo stato di equilibrio. Se invece in eccesso sono i prodotti, la reazione va da destra a sinistra → un po' dei prodotti tornano ad essere reagenti fino a che la quantità di equilibrio viene rispettata. Se il valore della K_eq è elevato significa che la reazione tende a procedere fino a quando i reagenti sono quasi completamente trasformati in prodotti.

Gibbs dimostrò che il valore di ΔG (variazione di energia libera) per ogni reazione chimica è in funzione della variazione di energia libera standard ΔG°, che è una costante caratteristica di ogni specifica reazione dipendente anche dalle concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti. Il ΔG associato ad una reazione è uguale a:

ΔG = ΔG° + RT · ln(K_i)

dove la K_i è allo stato iniziale del sistema, e il ΔG invece è lo stato finale del sistema perché è correlato alla costante di equilibrio.

K_i = ([C]_i [D]_i) / ([A]_i [B]_i)

Le trasformazioni costano energia: più un sistema è ordinato, più l'entropia è bassa. Un sistema ordinato, però, non è stabile nel tempo, infatti se non ci sono continue ristrutturazioni, il sistema si disordina. La termodinamica dice se un processo è spontaneo o no, ma non dice se un processo può avvenire velocemente o no. La velocità di un processo viene descritta dalla cinetica. Il fatto che una reazione sia spontanea non significa anche che sia veloce. [Glucosio viene ingerito e trasformato in CO₂: questa reazione è spontanea e libera energia. Se però si mette su un tavolo un mucchietto di glucosio, non si trasforma velocemente: processo spontaneo, ma molto lento].

In biochimica, quindi nei sistemi viventi non è possibile agire sulla variabile temperatura per velocizzare una reazione. Negli organismi viventi le reazioni chimiche sono accelerate dagli enzimi, che sono delle proteine che hanno la funzione di catalizzatori; un catalizzatore serve per rendere la reazione più veloce, senza però partecipare alla reazione (non reagisce nella reazione), quindi alla fine si ritrova tale e quale a come era all'inizio.

Vie metaboliche

Negli organismi viventi le reazioni chimiche sono anche organizzate in vere e proprie vie metaboliche, cioè in una sequenza di reazioni dove ogni singolo passaggio è catalizzato da un enzima dedicato. Molti enzimi vengono regolati, cioè ci sono dei meccanismi che permettono di accelerare o rallentare l'attività dell'enzima e quindi permettono di accelerare o rallentare una reazione chimica e quindi la via metabolica. Lo stato termodinamico non potrebbe essere mantenuto in assenza di queste regolazioni [la regolazione climatica è essenziale per il metabolismo].

Negli organismi viventi una reazione esoergonica può essere accoppiata ad una reazione endoergonica, in modo da portare avanti reazioni altrimenti sfavorite. Praticamente ogni reazione chimica in una cellula avviene ad una velocità significativa solo in presenza di enzimi, biocatalizzatori che aumentano la velocità di specifiche reazioni chimiche senza essere consumati nel processo. Le vie di conversione del reagente in prodotto quasi invariabilmente coinvolge una barriera energetica chiamata energia di attivazione, che deve essere superata affinché la reazione possa procedere. La rottura di legami esistenti e la formazione di nuovi richiede la distorsione dei legami e la creazione di uno stato di transizione con un'energia libera più elevata rispetto ai reagenti e ai prodotti. Il punto più alto nel grafico dell'energia libera di Gibbs rappresenta lo stato di transizione, e la differenza tra l'energia del reagente nel suo stato basale e nello stato di transizione è l'energia di attivazione.

Il legame dell'enzima allo stato di transizione è esoergonico, e l'energia rilasciata da questo legame riduce l'energia di attivazione della reazione e aumenta di molto la velocità della reazione. Le reazioni catalizzate da enzimi procedono ad una velocità di 10¹² volte superiore rispetto alle reazioni non catalizzate. L'insieme di tutte le reazioni catalizzate da enzimi nelle cellule sono organizzate in molte sequenze di reazioni consecutive chiamate vie metaboliche, in cui il prodotto di una reazione diventa il reagente di quella successiva → catabolismo se l'insieme di reazioni è degradativa. Anabolismo se l'insieme di reazioni è di sintesi (costruzione). L'insieme di catabolismo ed anabolismo dà origine al metabolismo.

Il metabolismo è regolato per mantenere bilanciati gli intermedi e ottenere la massima economia. Le cellule sintetizzano carboidrati, proteine e acidi nucleici, inoltre lo fanno anche nelle quantità corrispondenti alle esigenze della cellula. Le cellule regolano anche la sintesi dei catalizzatori, gli enzimi che esse producono in risposta ad un aumento o a una diminuzione di richiesta di un prodotto del metabolismo.

Le proteine

Le proteine sono il principale prodotto della traduzione dell'informazione genetica; vengono prodotte su stampo del DNA. Le proteine sono definite macromolecole informazionali proprio perché derivano dal DNA e dall'informazione genetica. Le proteine sono macromolecole e i monomeri costituivi sono gli amminoacidi. Tutti gli amminoacidi hanno una struttura comune. Tutti gli amminoacidi hanno un C centrale. A sinistra legato al carbonio centrale si trova un gruppo α-amminico e sulla destra un gruppo carbossilico. Il carbonio centrale fa 4 legami, quindi i due legami che mancano li fa con un idrogeno e un gruppo laterale -R. Il gruppo laterale R è quello che poi differenzia i diversi amminoacidi. Il nome amminoacidi ricorda la struttura → c'è un gruppo amminico e uno acido carbossilico legati nella stessa molecola.

Carbonio centrale e stereoisomeria

Il carbonio centrale è chiamato C_α perché gli amminoacidi sono spesso chiamati anche α-amminoacidi, proprio perché il gruppo amminico è legato al gruppo α. Questo α deriva da uno dei tanti modi in cui si possono numerare gli atomi di una molecola organica. Quando si usa la numerazione con l'alfabeto greco, il carbonio α è quello che si trova vicino o legato al carbonio più ossidato, e poi si va in sequenza (continuando con la catena più lunga). Il carbonio centrale è chiamato carbonio α perché si trova in posizione α rispetto al carbossile.

I 4 sostituenti del C_α (ibridato sp³), sono messi ai vertici di un tetraedro. Il carbonio inoltre è chirale, cioè legato a 4 sostituenti. [I carboni chirali ruotano in modo diverso la luce polarizzata]. Tutte le volte che un carbonio è chirale, la molecola può esistere in due configurazioni diverse, che sono speculari e non sovrapponibili: le due configurazioni sono definite enantiomeri o stereoisomeri. Dato che il C_α è chirale, ogni singolo amminoacido può esistere in due configurazioni. Per gli α-amminoacidi, i due possibili enantiomeri sono chiamati forma D o forma L: ci sono quindi i D-amminoacidi (destro-amminoacidi) e gli L-amminoacidi (levo-amminoacidi). Tutti gli amminoacidi utilizzati per la sintesi proteica sono i levo-L-amminoacidi. Gli amminoacidi in forma D non si trovano nella sintesi proteica, ma si trovano in altre molecole come nella parete batterica o in alcuni antibiotici.

Le proteine mediano praticamente tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono un numero enorme di funzioni. Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti, presenti in tutti i tipi di cellule e in tutte le frazioni subcellulari. La loro varietà è molto grande: in una singola cellula se ne possono trovare migliaia di tipi diversi. Unità monomeriche relativamente semplici sono alla base della struttura di tutte le proteine: tutte le proteine sono formate dalla stessa serie di venti amminoacidi. Per formare una particolare proteina, gli amminoacidi vengono legati covalentemente in una caratteristica sequenza lineare. Tra tutte le proteine, gli enzimi sono i composti più vari e specializzati.

Gruppo amminico e gruppo carbossilico

Il gruppo amminico e il gruppo carbossilico di un amminoacido sono gruppi che sono dissociabili.

• Il carbossile si può dissociare in COO^- + H⁺
• Il gruppo amminico si può protonare e diventa NH₃⁺
• Il gruppo amminico può esistere come neutro non protonato, o carico positivamente quando è protonato, oppure deprotonato (dissociato carico negativamente) NH₂

Il fatto che un gruppo amminico e carbossilico sia protonato o deprotonato dipende dal pH. Il pH della soluzione è la variabile che permette di protonare o deprotonare un gruppo ionizzabile. Ogni dissociazione, dal punto di vista numerico è caratterizzata da un valore di pK. La pK, dal punto di vista matematico, è il -log(K_a). [K_a → costante di dissociazione acida]

Relazione tra pH e pK

pH < pK
Quando il pH ha un valore numerico inferiore del pK il gruppo chimico interessato è prevalentemente in forma protonata. Per esempio COOH

pH > pK
Quando il pH ha un valore superiore al pK, il gruppo chimico è deprotonato (o dissociato). Per esempio COO^- + H⁺

Per esempio NH₂. Il valore pH definito neutro è 7. Il COOH ha una pK di circa 2. Il gruppo amminico ha una pK di circa 10. In conclusione, un amminoacido non è presente con le cariche, ma con le cariche e questa forma è chiamata forma zwitterionica. [Ione dipolare che non ha carica netta, più con meno si annullano a vicenda].

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi utilizzati per fare la sintesi proteica sono 20 e vengono chiamati amminoacidi standard. Quelli sono usati per la sintesi proteica perché sono i 20 amminoacidi codificati dal codice genetico. Nel metabolismo si trovano anche altri amminoacidi. I 20 vengono classificati in base alla natura della catena laterale -R, che dal punto di vista chimico è l'unica parte che li differenzia. È difficile classificarli perché alcuni li classificano in base alle caratteristiche chimiche del gruppo laterale -R, altri in base alle caratteristiche della carica (non carichi, polari o con carica netta).

Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono α-amminoacidi. Essi hanno un gruppo carbossilico e uno amminico legato allo stesso atomo di carbonio (il C_α), e differiscono l'uno dall'altro per la catena laterale (gruppo -R) che si differenzia per struttura, dimensioni e carica, e quindi differenzia anche la solubilità dell'amminoacido in acqua.

In tutti i comuni amminoacidi, a parte la glicina, il carbonio α è legato a quattro gruppi differenti: un gruppo carbossilico, un gruppo amminico, un idrogeno ed un gruppo -R (nella glicina il gruppo -R è un idrogeno). Il carbonio α è quindi un centro chirale. Per ogni amminoacido sono possibili due stereoisomeri, detti enantiomeri (non sovrapponibili) e vengono indicati con L o D in base a dove si trova il gruppo amminico (destra D, sinistra L). I residui degli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L; gli amminoacidi della serie D sono presenti solo in pochi peptidi.

Amminoacidi alifatici

• Glicina: ha come catena laterale R un idrogeno, quindi è l'amminoacido più semplice. Avendo l'idrogeno come gruppo -R è l'unico amminoacido il cui carbonio alfa non è chirale, perché non è legato a 4 sostituenti diversi.
• Alanina: ha come gruppo -R il gruppo CH₃.
• Valina, leucina e isoleucina: hanno la catena laterale -R che non è lineare, ma è ramificata.

Amminoacidi contenenti zolfo o ossidrile

Serina, cisteina, treonina e metionina contengono o un atomo di zolfo (S) o uno ossidrilico...