Biochimica e chimica organica

Biochimica

Prima lezione: Fondamenti di biochimica

Biochimica è la scienza che studia la struttura, la funzione e l'organizzazione della materia vivente a livello molecolare.

Biochimica strutturale

• Studia la struttura delle molecole che costituiscono gli organismi viventi; classificate in gruppi con caratteristiche comuni (proteine, carboidrati, ...).
• Studia le relazioni fra struttura e funzione delle molecole biologiche.

Biochimica metabolica

• Studia le reazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi.
• Catabolismi: degradano i composti (+ produzione di energia).
• Anabolismi: formano i composti (+ consumo di energia).

L'insieme di queste reazioni dà vita ai metabolismi. Gli organismi viventi sono caratterizzati da un'elevata organizzazione strutturale. Ogni cellula possiede una membrana che definisce i confini, il citoplasma (composto da citosol, particelle e metaboliti), il nucleo dove risiede il DNA e altri organelli.

Gli esseri viventi possono essere classificati in base al loro DNA in: batteri, archeobatteri, eucarioti ma anche in base alla fonte di energia che può essere chimica o luce. Le cellule vegetali si differenziano dalle cellule animali per specifici organuli citoplasmatici e parete cellulare rigida.

Le macromolecole biologiche sono strutture grandi e complesse. Spesso sono dei polimeri di unità chimiche più piccole: i monomeri; sono legati tra loro con un legame forte e la loro costituzione è data da pochi elementi chimici quali C, H, N, O. Si allungano all'aggiunta di monomeri eliminando H₂O, sono versatili ma allo stesso tempo specifiche!

La struttura nativa è caratteristica per ogni funzione, ha una determinata forma 3D e dà alla molecola la propria funzione.

• AA → proteine, ormoni peptidici, neurotrasmettitori
• Adenine → acidi nucleici, ATP, coenzimi
• Acido palmitico → membrane lipidiche, cere, grassi
• Glucosio → cellulosa, amido, fruttosio, lattosio

Seconda lezione: Carboidrati

I carboidrati costituiscono la maggior parte della materia organica esistente sulla Terra, hanno ruolo nell'alimentazione e funzione strutturale (cellulosa, peptidoglicani e chitina). Si trovano negli acidi nucleici sotto forma di ribosio e deossiribosio con 5C.

I carboidrati più complessi sono uniti in modo covalente con proteine o lipidi formando molecole sofisticate (anticorpi). Vengono chiamati carboidrati (idrati del carbonio), glucidi o saccaridi, la loro formula bruta è (CH₂O)_n oppure C_n(H₂O)_n, oltre che a contenere C, H, O possono avere altri elementi come N, S, P nei gruppi amminici (-NH₂), solforici (-SO₃^-), fosforici (-PO₃^2-).

Sono suddivisi in tre classi di composti principali:

• Monosaccaridi: zuccheri semplici di un'unica unità di poliidrossi aldeide o di polidrossi chetone. Sono derivati aldeidici o chetonici di un alcool polivalente, hanno una catena con un numero variabile di C (3-7) legati a -H o -OH. A seconda del numero di C si chiamano tri-, tetr-, pent-, es-, ept-; si distinguono in base alla funzione carbonilica. Tutti i monosaccaridi hanno dei centri asimmetrici detti 'C chirali' ovvero atomi legati a quattro gruppi diversi, possono esistere in due forme isomeriche che sono una l'immagine speculare dell'altra e sono chiamati enantiomeri D (-OH a destra, unici nelle cellule) e L (negli AA) e si riferisce al C asimmetrico più lontano dal gruppo -COOH. Quando due monosaccaridi differiscono per un solo C asimmetrico si dicono epimeri, generalmente i monosaccaridi sono in forma lineare ma quando sono in acqua si trovano in forma ciclica (legame covalente tra -OH e -COOH). Nella reazione tra gruppo carbonilico (aldeidico e chetonico) e gruppo alcolico (OH) dello stesso monosaccaride si origina un nuovo carbonio asimmetrico. Esistono pertanto due possibili isomeri (detti anomeri) delle forme cicliche dei monosaccaridi che differiscono per la configurazione di questo nuovo carbonio asimmetrico detti α (ALFA) e β (BETA). Sono modificati il deossiribosio e il ribosio, sono aldopentosi.
• Oligosaccaridi/Disaccaridi: due monosaccaridi possono legarsi con legame covalente per reazione del C anomerico di un monosaccaride o con un gruppo OH di un altro monosaccaride tramite legame O-glicosidico. Con questo tipo di legame la molecola è resistente all'ossidazione e viene detta non riducente, quando invece il C anomerico è libero è detta riducente.
• Polisaccaridi: sono zuccheri complessi, polimeri che contengono un alto numero di monosaccaridi (20+) legati con legame glicosidico, possono essere lineari come la cellulosa o ramificati come il glicogeno. Sono chiamati anche 'glicani' e sono la maggior parte dei carboidrati presenti in natura. Si suddividono in omopolisaccaridi ovvero polimeri che consistono in un solo tipo di mono e in eteropolisaccaridi (più di un tipo). Gli omopolisaccaridi possono essere di riserva o strutturali. – Glicogeno RIS: catena ramificata α-D-glucosio con legami O-glicosidici α(1,4) tra le unità, ogni 8-12 si presenta una ramificazione. Si trova in muscoli e fegato degli animali ed è accumulato in granuli. – Amido RIS: è la principale fonte di carbs ed è composto da Amilosio 20% (non ramificato con α1-4) e Amilopectina 80% (ramificato con α1-4 nella catena principale e α1-6 nelle ramificazioni), sono due polisaccaridi sintetizzati dalle cellule vegetali. – Cellulosa STR: è il principale componente nelle parti legnose e nelle fibre delle piante, le unità sono legate con legami β(1,4) ed è un omopolisaccaride del β-D-glucosio. Questa non è assimilabile. – Chitina: è la componente strutturale dell'esoscheletro degli artropodi, composta da N-acetilglucosamina legate con legami β(1,4). Gli eteropolisaccaridi hanno sempre funzione strutturale: – Peptidoglicani/agar: danno resistenza alle pareti – Glicosamminoglicani: lineari di disaccaridi ripetuti presenti solo in batteri e piante, conferiscono l'elasticità.

I glicoconiugati trasmettono informazioni tra le cellule e l'ambiente, si dividono in proteoglicani, glicoproteine e glicosfingolipidi.

Terza lezione: Acidi nucleici e nucleotidi

I nucleotidi forniscono energia chimica alla cellula, fungono da segnali chimici e compongono i cofattori enzimatici; mentre gli acidi nucleici sono molecole che conservano e trasmettono informazioni genetiche (DNA - RNA).

Acidi nucleici

Il DNA è composto da segmenti detti geni che contengono le informazioni per la sintesi dell'RNA, ne esistono di tre tipi:

• Ribosomiale-rRNA: compone i ribosomi dove avviene la sintesi proteica.
• Messaggero-mRNA: portano il messaggio del gene al ribosoma dove avverrà effettivamente la sintesi proteica.
• Transfer-tRNA: molecole coinvolte nella traduzione del gene in catena polipeptidica con il trasferimento di AA.

Nucleotidi

Che siano DNA o RNA essi sono composti da una base azotata, uno zucchero pentoso e un gruppo fosfato. Le basi azotate contengono tanti atomi di N e sono basiche, si dividono in PURINE (A-G) e PIRIMIDINE (C-U-T), tra A-T/U ci sono due legami H mentre tra A-C ce ne sono tre. Lo zucchero in questione è il (deossi-)ribosio ed è un aldopentoso presente in entrambi gli acidi, lo zucchero si lega alla base in C1. I nucleosidi sono composti formati solamente da base e zucchero legati con un legame β-glicosidico; β-D-ribosio per i ribonucleosidi e β-D-deossiribosio per i deossiribonucleosidi (no grp -OH). Il gruppo fosfato è composto da acido fosforico (H₃PO₄) ed dà acidità alla molecola, si lega allo zucchero con un legame fosfo-estereo.

Gli acidi nucleici sono polimeri di unità nucleotidi che unendosi formano un polinucleotide, sono uniti grazie al legame covalente fosfo-diesterico e vennero individuati per la prima volta nel nucleo. La direzionalità di una molecola di DNA o RNA è 5’→3’. Ci sono tre diverse strutture degli acidi nucleici:

• La struttura primaria riguarda semplicemente l’ordine in cui i nucleotidi sono legati; c’è una parte sempre comune (zucchero e fosfato) e una parte variabile (basi). Il fosfato è colui che dà una direzionalità alla molecola e che fa da ponte tra gli zuccheri successivi.
• La struttura secondaria riguarda il doppio filamento appaiato in modo stabile, la terziaria invece le formazioni compatte di DNA ovvero la doppia elica destrorsa con esterno idrofilico e interno idrofilo. Le due catene sono complementari e antiparallele.

Gli acidi ribonucleici (mRNA, rRNA e tRNA) sono molecole a filamento singolo che impilate compongono molecole a forma d’elica destrorsa. I nucleotidi hanno altre funzioni e possono inoltre fungere da trasportatori di energia, costituenti di cofattori enzimatici e da molecole regolatrici! I derivati fosforilati dei nucleosidi possono essere nucleosidi mono-, di- e tri- fosfato; i 3 gruppi fosforici vengono indicati con le lettere greche α, β, γ e l’idrolisi dei nucleosidi trifosfato fornisce l’energia chimica necessaria a favorire un gran numero di reazioni cellulari.

Replicazione, trascrizione e traduzione

• Replicazione: il DNA impartisce gli ordini per la duplicazione di se stesso.
• Trascrizione: le istruzioni codificate nel DNA sono riportate in una molecola intermedia, l’RNA messaggero, che passa nel citoplasma e porta le informazioni del DNA nei ribosomi.
• Traduzione: le informazioni del DNA sono trasformate in proteine usando rRNA contenuto nei ribosomi, sede dell’effettiva sintesi, e tRNA, che trasporta gli amminoacidi ai ribosomi.

Quarta lezione: Lipidi

Sono molecole organiche insolubili in acqua che hanno diverse funzioni:

• Sono fonte di energia.
• Compongono tutte le membrane cellulari.
• Sono precursori di sostanze regolatrici (ormoni).
• Compongono le vitamine liposolubili ADEK, i cofattori enzimatici, messaggeri, cere e pigmenti.

Lipidi semplici e complessi

Si suddividono in lipidi semplici ovvero di riserva e neutre (C, H, O) ad es. triacilgliceroli e cere; ma possono essere strutturali anche complessi di tipo e polari (C, H, O, P, N) es. glicerolfosfolipidi e sfingolipidi. Sono derivati degli acidi grassi che sono composti da:

• Una catena di 4-36C che conferisce la natura idrofobica.
• Un gruppo carbossilico -COOH all’estremità che li rende acidi.

Questo tipo di molecole sono anfipatiche (idrofiliche-fobiche), la loro formula generale è CH₃-(CH₂)_n-COOH oppure CH₃-(CH₂)_n-COO-. Possono essere saturi ovvero senza doppi legami e senza ramificazioni, oppure insaturi con uno o più doppi legami; questa presenza cambia l’evoluzione nello spazio della molecola e la sua isomeria può essere CIS (ripiegamento 30°) o TRANS (lineare).

Gli acidi grassi insaturi di origine naturale hanno generalmente doppi legami in configurazione CIS, mentre i TRANS si possono trovare come margarina o nel grasso bovino. I grassi a temperatura ambiente sono solidi poiché ricchi di acidi grassi saturi mentre gli oli sono liquidi poiché contengono insaturi. I saturi hanno prevalentemente un significato energetico mentre i poliinsaturi hanno ruolo strutturale e metabolico, questi ultimi sono detti PUFA ovvero quei composti che hanno il primo doppio legame in posizione ω-3 e quelli che l’hanno in ω-6. Sono gli acidi grassi essenziali e i più conosciuti sono lo stearico, oleico, linoleico, linolenico e arachidonico.

Lipidi di riserva e strutturali

• I lipidi di riserva sono neutri, tra questi ci sono triacilgliceroli con una molecola di glicerolo (che ha 3 OH) che ha legati tre molecole di acido grasso. Sono molecole non polari, idrofobiche e insolubili in acqua e vengono considerate come riserva energetica e isolante. Possono essere saturi o insaturi, semplici quando gli acidi grassi sono dello stesso tipo e misti quando sono tutti diversi tra loro. Sono depositati in gocce oleose dette adipociti, possono essere idrolizzati dall’enzima lipasi che separano il glicerolo dall’acido. Gli insaturi se esposti all’O₂ possono irrancidire per la formazione del idroperossido -OOH, tendono a frammentarsi in piccole molecole volatili.
• Le cere sono acidi grassi a lunga catena esterificati con alcoli a lunga catena: costituiscono riserva energetica, hanno carattere idrorepellente e una funzione di lubrificazione.
• I lipidi strutturali delle membrane invece possiedono una testa polare e una coda apolare, in generale sono molecole polari. Tra i fosfolipidi troviamo i glicerofosfolipidi ovvero i più comuni nelle membrane, al glicerolo è legato un gruppo polare con un legame fosfodiestere e due acidi grassi legati tramite un legame estere, si differenziano per il tipo di piccola molecola legata al fosfato e tipo di acidi grassi presenti. Tra i glicolipidi possiamo invece trovare i galattolipidi, sono presenti nelle membrane delle cellule vegetali, dei tilacoidi e dei cloroplasti; al glicerolo sono legati due acidi grassi e uno o due residui di galattosio. Gli sfingolipidi sono derivati della sfingosina e sono composti da una testa polare che ne definisce la natura (Fosfolipide o Glicolipide) e due code non polari tra cui sfingosina e acido grasso.
• Infine gli steroli, il colesterolo è un importante costituente delle membrane biologiche e ne regola la fluidità e la permeabilità. Ha natura anfipatica ed è precursore di molti ormoni; anche lui possiede una testa polare (-OH) e una coda apolare ovvero il gruppo steroideo. I vegetali e microrganismi non contengono colesterolo!

Le membrane biologiche sono costituite da un doppio strato lipidico, ci sono tre diversi tipi di aggregazione ovvero: micelle (sfere), doppio strato e vescicola (con spazio vuoto esterno). Le membrane biologiche hanno un mosaico fluido per permettere scambi.

Quinta lezione: Amminoacidi, peptidi e proteine

Le proteine sono molecole organiche che costituiscono buona parte della massa corporea e delle cellule, partecipano a tante funzioni. Sono tutte composte da 20 AA.

Gli amminoacidi sono provvisti di un gruppo aminico (-NH₂) e un gruppo carbossilico (-COOH); quelli presenti nelle proteine hanno entrambi i gruppi legati allo stesso Cα (che lega anche con H e un gruppo R). Ogni AA esiste in due forme dette enantiomeri, ovvero l’una l’immagine speculare dell’altra, in natura si possono trovare solo gli enantiomeri di serie L. In base alla natura del gruppo R si possono distinguere i diversi amminoacidi mentre secondo la struttura si possono classificare in:

• Gli AA con il gruppo R alifatico non sono polari, stabilizzano la struttura mediante le interazioni idrofobiche.
• Quelli con il gruppo R con anelli aromatici sono idrofobici.
• Quelli con il gruppo R polare non sono carichi, sono solubili e formano legami H.
• Quelli con il gruppo R con carica positiva (basici) sono idrofilici; quelli con carica negativa hanno un secondo gruppo carbossilico.
• Tra gli amminoacidi particolari troviamo la cisteina, i gruppi R possono formare tra loro un gruppo covalente eliminando 2H, è molto forte ed è chiamato ponte disolfuro.

Peptidi e proteine

I peptidi e le proteine sono polimeri di amminoacidi, esistono:

• Oligopeptidi: pochi AA
• Polipeptidi: tanti AA
• Proteine: migliaia di AA

Il legame peptidico è il legame che lega AA in peptidi e proteine, sono caratterizzate dalla specifica composizione in amminoacidi e dalla struttura primaria; questo legame si forma tra il gruppo α-carbossilico di un amminoacido ed il gruppo α-aminico di un altro per eliminazione di 1H₂O. Le catene laterali degli amminoacidi non partecipano mai al legame peptidico, sono composte dallo scheletro polipeptidico viola e i gruppi R laterali, ciò che conferisce la specificità a oligo- e poli-peptidi sono i gruppi laterali.

Ogni catena ha una direzionalità poiché ci sono due estremità diverse, quella a sinistra ha il gruppo α-aminico libero, mentre quella a destra è quella con il gruppo α-carbossilico libero. Gli AA sono numerati a partire dall’estremità ammino-terminale.

Le proteine sono polimeri di almeno 40 AA e sono le uniche biomolecole codificate geneticamente, costituiscono gran parte della massa corporea partecipando a molte funzioni corporee; la struttura varia dalla funzione.

Si possono classificare per:

• Morfologia: le globulari hanno forma sferica, sono solubili in acqua e hanno funzioni dinamiche; mentre le fibrose sono insolubili, allungate e statiche.
• Composizione: le semplici sono formate solo da AA, le coniugate sono legate a molecole non proteiche.
• Numero di subunità: monomeriche quando hanno una singola subunità e multimeriche se sono formate da più di una catena polipeptidica. Le proteine coniugate hanno legate dei gruppi prostetici!

Strutture proteiche

Le strutture proteiche sono quattro:

• La primaria è la sequenza con la quale gli AA si susseguono.
• La secondaria corrisponde a segmenti 3D ripetuti.
• Nella terziaria ci sono dei ripiegamenti globulari nello spazio dove si riscontrano dei domini.
• Infine la quaternaria è l’aggregazione di più catene polipeptidiche tra loro con uno specifico avvolgimento.

La struttura primaria determina la funzione delle proteine, questa successione è anche responsabile della funzionalità specifica di ciascuna proteina.