Biochimica I

Biochimica

“I sistemi viventi sono composti da molecole (biomolecole) inanimate” (Albert Lehninger). Le biomolecole seguono le leggi della chimica e della fisica che regolano il comportamento della materia inanimata. Lo studio della biochimica mostra come tutte le molecole, di per sé prive di vita, che costituiscono gli organismi viventi, interagiscano tra loro per mantenere e perpetuare la vita utilizzando soltanto quelle leggi fisiche e chimiche che governano l’universo non vivente. La biochimica, quindi, descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici comuni a tutti gli organismi.

Introduzione alle biomolecole

Gli organismi viventi possiedono biomolecole con funzioni molto importanti, che fanno distinguere un organismo vivente da uno inanimato:

• Le biomolecole possono formare strutture altamente complesse, molto ordinate e con un alto grado di organizzazione interna; infatti, nella loro disposizione non c’è nulla di casuale (caratteristica invariabile di tutti gli organismi). Data questa caratteristica, gli organismi viventi, più o meno piccoli, non possono essere scomposti in organismi più semplici.
• Ogni struttura viene costruita per svolgere una funzione ben determinata. Infatti, c’è una precisa correlazione tra la struttura e la sua funzione.
• Possiedono la capacità di estrarre energia dall’ambiente (ciò è valido per qualsiasi organismo, ma non per i virus). L’energia serve in generale per crescere e questa parola significa “sintetizzare nuove molecole”. Più nello specifico l’energia viene usata per il movimento, per ordinare le strutture delle molecole, per il lavoro osmotico ecc.

Le fonti da cui gli organismi prelevano l’energia dipendono dal tipo di organismo. Più nello specifico gli organismi vengono divisi per prima cosa in base all’habitat in cui vivono (aerobici o anaerobici), e poi secondo all’energia e agli atomi di carbonio necessari per sintetizzare il materiale cellulare:

• Fototrofi (fotosintetici) assorbono e usano la luce solare. A loro volta essi possono essere divisi in autotrofi se traggono tutto il carbonio di cui hanno bisogno dalla CO₂ o eterotrofi se richiedono nutrienti organici.
• Chemiotrofi (Chemiosintetici) traggono la loro energia dall’ossidazione dei combustibili chimici (si distinguono i litotrofi che ossidano combustibili inorganici), usando altre parole si procurano l’energia dalla rottura dei legami chimici delle molecole che ingeriscono.

Per quanto riguarda questi ultimi organismi, l’energia non viene usata subito quando viene estratta; di solito, infatti, essa viene convertita in alcune molecole che fanno da depositi di energia temporanei (ATP = adenosintrifosfato, NADPH). La biosfera è il sistema attraverso il quale scorre l’energia. Nella piramide alimentare, gli organismi fotosintetici si trovano alla base perché essi catturano l’energia luminosa, e poi diventano il cibo degli erbivori (consumatori primari), che a loro volta poi vengono cacciati dai consumatori secondari, ovvero i carnivori.

• Possiedono la capacità di replicarsi autonomamente, la quale deriva dalla funzione delle biomolecole. Questa caratteristica infatti risiede nel DNA, il quale ha la capacità di replicarsi in modo perfetto e replicandosi riesce a dare vita ad un organismo intero. Questa replicazione avviene con un certo rimescolamento genetico, così da aiutare la variabilità nella specie e con essa la sua sopravvivenza.

Meno di 30 dei più di 90 elementi chimici che si trovano in natura sono essenziali per gli organismi viventi. Oltre a queste caratteristiche, le biomolecole sono composte principalmente da H, C, O, N e per questo motivo si può concludere che esse hanno una composizione molto diversa rispetto alla materia inanimata, la quale è formata principalmente da Si, Fe, Al. Gli elementi delle biomolecole hanno numeri atomici molto piccoli e per questo sono elementi “leggeri”, ed è proprio per questo motivo che essi formano legami molto forti (legami covalenti). Infatti, maggiore è il numero atomico, minore è la forza di legame tra atomi e viceversa.

Gli elementi principali di cui sono fatte le biomolecole provengono essenzialmente dall’atmosfera, sotto forma di H₂, CH₄, NH₃ e H₂O. Inoltre, come si può vedere dall’immagine, se da un organismo venisse tolta tutta l’acqua, quasi il 50% del suo peso secco sarebbe dato da carbonio, seguito da quantità minori di azoto, fosforo e zolfo...

Per formare strutture complesse, le biomolecole hanno bisogno di formare legami covalenti stabili tra atomi e purtroppo i legami N-N non soddisfano questo criterio, dato che sono poco stabili perché l’energia di legame è bassa. Quindi tra tutti gli elementi, il carbonio è l'unico a formare legami covalenti stabili. Esso può formare un numero molto grande di legami e quindi di strutture → la chimica di organismo viene definita “organica” perché è basata su molecole costituite principalmente da carbonio, o comunque le biomolecole possono essere considerate derivate dagli idrocarburi e di tutte le combinazioni tra di essi.

Lo scheletro degli idrocarburi è molto stabile ed è formato da atomi di carbonio principalmente, mentre gli atomi di H possono essere sostituiti da una varietà di gruppi funzionali con proprietà autonome presenti in molecole diverse. Questi gruppi funzionali determinano la reattività e la funzione della catena carboniosa. Ovviamente ogni gruppo funzionale ha delle caratteristiche chimiche ben definite. Come detto in precedenza, le biomolecole non sono veri e propri idrocarburi con gruppi funzionali, però questi ultimi vengono ritrovati spesso nelle biomolecole e per questo si dice che esse si possono considerare derivate dagli idrocarburi.

Una biomolecola può contenere due o più gruppi funzionali tutti insieme, così da poter svolgere più funzioni contemporaneamente (biomolecola polifunzionale).

Le dimensioni delle biomolecole e loro misurazione

Le dimensioni delle biomolecole sono molto varie. La loro massa viene misurata in Dalton (Da), che corrisponde all’unità di massa atomica (u.m.a.), la quale è a sua volta uguale a 1/12 della massa dell’atomo/isotopo ¹²C.

• 1 uma ≈ 1,67 x 10^-24 g.
• 1 kDa = 1000 Da (il kDa viene molto usato per le macromolecole).

La massa molecolare può essere calcolata come la somma di tutte le masse atomiche degli elementi costituenti la molecola. Per riferirsi alle dimensioni, i biologi utilizzano i nanometri o l’Armstrong come unità di misura:

• 1 nm = 10^-9 m = 10 Å
• 1 Å = 1/10 nm

Molecole e biomolecole in un organismo

Le molecole e biomolecole che si trovano in un organismo non sono tutte uguali, sia di dimensione che di grado di complessità:

1. Piccole molecole inorganiche (CO₂, NH₃…), con un peso minore dei 70 Da.
2. Piccole molecole organiche (metaboliti…), con un peso tra i 50 e i 250 Da.
3. Unità costitutive le macromolecole (amminoacidi, monosaccaridi e nucleotidi), con pesi molecolari dai 100 ai 350 Da. [In realtà il secondo e terzo punto potrebbero essere un’unica categoria].
4. Macromolecole complesse, con pesi che vanno da 10 a 10³ kDa. Le macromolecole sono polimeriche si formano a partire da precursori relativamente semplici.
5. Complessi sopra molecolari costituiti da combinazioni di più macromolecole (ribosomi…), con peso da 10³ fino a 10⁶ kDa.
6. Organelli (mitocondri…), con un peso di circa 1,5 pg.
7. Cellula, il quale può essere considerato un organismo vivente a tutti gli effetti, con un peso che varia dai 2 pg ai 10 ng.
8. Organismo più complesso di una cellula, come un essere umano.

Organizzazione e struttura delle cellule

Premessa: le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi. Tutti i tipi di cellule hanno alcune caratteristiche comuni: membrana plasmatica, citoplasma, ribosomi, nucleo, vari organelli…Le cellule animali e vegetali hanno di norma un diametro compreso tra 5 e 100 µm. Il limite inferiore è probabilmente dovuto al numero minimo di ciascun tipo di biomolecola necessaria alla cellula, mentre il limite superiore è probabilmente legato alla velocità di diffusione delle molecole di soluto nei sistemi acquosi, come l’interno della cellula (la cellula è piccola, ma il rapporto tra la sua area superficiale e il suo volume è grande, aiutando così la veloce diffusione del soluto al suo interno).

L'organizzazione delle cellule può essere principalmente di due tipi:

• Procariote → ce l’hanno i batteri ed è un’organizzazione semplificata, perché all’interno della cellula non sono presenti organelli separati da membrane e l’unica membrana presente è quella plasmatica, inoltre non vi è un nucleo che racchiude l’informazione genetica, seppure esiste un materiale genetico che è formato da DNA e proteine. Come dimensioni siamo nell’ordine di 1-2 micron.
• Eucariote → la cellula ha dimensioni maggiori (10³-10⁴ volte maggiori rispetto alla cellula procariote) e di conseguenza anche la sua organizzazione interna è più complicata. La cellula viene suddivisa in organuli separati da membrane, ognuno con la sua funzione svolta dalle biomolecole che si trovano all’interno. In questo tipo di cellula esiste un nucleo separato dal resto da membrane (principale differenza con la cellula procariote). I principali organelli che si trovano all’interno della cellula sono: Mitocondri (centrale elettrica della cellula), Nucleo (informazione genetica contenuta nel DNA), Reticolo Endoplasmatico Liscio e Ruvido (sintesi, modifica ed indirizzamento delle proteine ai vari organuli/ distretti della cellula), Lisosomi (stazioni di riciclo del materiale, il quale viene degradato e poi recuperato dalla cellula).

Dato che, secondo il terzo principio della termodinamica, l’universo tende sempre ad un massimo disordine, per mantenere ordine all’interno della cellula è necessario l’utilizzo di energia, per questo motivo, in cellule come quella eucariotica, ci devono essere continui scambi di energia tra interno ed esterno della cellula. Inoltre, in un organismo vivente pluricellulare, le varie cellule devono sincronizzarsi e lavorare insieme. La cellula quindi in generale deve essere vista come un insieme di molecole e macromolecole altamente specializzate e ognuna con la propria funzione, che all’interno degli organuli, sono separate tra loro da membrane.

Macromolecole

Le macromolecole sono formate da monomeri (unità più piccole) legati tra loro da legami covalenti. Le macromolecole sono principalmente tre: proteine (polipeptidi), polisaccaridi e polinucleotidi. Per “poli” si intende proprio questo processo di polimerizzazione di monomeri in polimeri.

Le proteine sono forse le biomolecole più versatili. L’insieme di tutte le proteine funzionanti in una cellula è detto proteoma. I polinucleotidi o acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. La loro funzione è quella di conservare e trasmettere l’informazione genetica (il genoma è l’intera sequenza di DNA). Per ultimo, i polisaccaridi svolgono tre funzioni principali: riserve di energia, componenti strutturali delle pareti cellulari oppure elementi extracellulari che si legano a proteine su altre cellule.

Questi polimeri legati insieme hanno in comune la direzionalità, ovvero le estremità lineari sono diverse tra loro da un punto di vista chimico (es. i polipeptidi presentano un’estremità con un gruppo amminico e l’altra con un gruppo carbossilico). I polimeri, quindi, presentano una polarità strutturale, causata appunto dalle due estremità chimicamente diverse. Ciò è importante perché ad esempio, un tratto di catena polisaccaridica, presenta un ordine in cui le unità monomeriche sono inserite/formano legami covalenti tra loro, ed è proprio questo ordine che contiene delle informazioni. Questa proprietà della sequenza dei monomeri, che riesce a specificare delle informazioni, è una caratteristica delle solo macromolecole biologiche (macromolecole informazionali).

Ad esempio, l’informazione contenuta nella catena di un polipeptide determina quale conformazione deve avere la proteina finale. Gli amminoacidi invece, i quali sono semplicemente monomeri, non specificano nessuna informazione se presi singolarmente. Il DNA invece è la macromolecola informativa per eccellenza; mentre la catena polisaccaridica, dato che molto spesso è composta da monomeri tutti uguali, fa fatica a specificare informazioni.

Però per comprendere il significato delle informazioni contenute nella catena polipeptidica è necessario un meccanismo di riconoscimento. La maggior parte delle volte, le informazioni contenute nella catena di una proteina, determinano la sua struttura, ma questa è una caratteristica più generale di tutte le biomolecole, ovvero esse possiedono un’architettura tridimensionale.

Ad esempio, il Citocromo c è una piccola proteina che trasporta elettroni ad un’altra proteina ossidandosi o riducendosi a seconda dei casi. Ad ogni modo, la cosa importante è sapere che essa ha sempre la stessa struttura e che, anche il cambio di un solo amminoacido andrebbe ad apportare delle grosse modifiche sulla struttura. Un modo per rappresentare questa proteina è appunto quello di mettere in evidenza i vari atomi, segnandoli con il codice colori (grigio = carbonio, rosso = ossigeno, blu = azoto). La struttura tridimensionale di destra è abbastanza fedele alla reale struttura tridimensionale del Citocromo C, l’unica differenza è che in realtà essa non si presenta come una serie atomi legati tra loro con uno spazio in mezzo/cavi, bensì lo spazio interno tra di essi è occupato dalle nubi elettroniche dei vari atomi che la compongono.

Questa è un’altra rappresentazione della stessa proteina, solo che qui viene messo in luce il percorso della catena polipeptidica, ovvero l’unione dei singoli amminoacidi, legati insieme da legami covalenti. La sua struttura è determinata dalla composizione e dalla sequenza dei singoli amminoacidi appartenenti alla catena. Le eliche e i ripieghi che si possono notare in questa catena sono parti della proteina e sono causati dai legami/interazioni deboli che si instaurano tra i singoli gruppi funzionali degli amminoacidi.

Interazioni deboli

Le strutture delle biomolecole sono determinate dalle forze chimiche deboli che si instaurano tra i gruppi funzionali degli amminoacidi. Infatti, già solo 5-20 interazioni deboli conferiscono una stabilità molecolare nettamente superiore rispetto a quella che ci si aspetterebbe dalla semplice somma delle singole deboli energie di legame. Per le macromolecole la struttura più stabile è generalmente quella in cui il numero delle interazioni deboli è il più elevato. Sono definite “interazioni deboli” perché l’energia di dissociazione del legame (forza), ovvero l’energia necessaria per rompere il legame, è molto più piccola rispetto a quella necessaria per rompere i legami covalenti ad esempio. Queste interazioni deboli sono di tipo attrattivo.

La forza del legame tra i gruppi funzionali degli amminoacidi è da intendersi nel solvente acqua, questo perché le molecole biologiche sono disperse nell’acqua, sostanza di cui tutti i corpi umani sono fatti. L’acqua è polare e questa caratteristica influenza le interazioni deboli. Le interazioni deboli che si stringono tra biomolecole sono principalmente quattro:

• Interazioni di Van der Waals → Queste forze sono interazioni deboli di tipo elettrostatico tra molecole apolari, che però presentano un’istantanea distribuzione di carica interna non simmetrica, ovvero presentano una polarità transitoria. In realtà il nome corretto non è “carica” ma dipolo elettrico. Queste interazioni vengono anche chiamate “forze/interazioni dipolo-dipolo” e possono essere di vario tipo: queste interazioni sono forze di energia di interazione inferiore rispetto alle altre e inoltre sono interazioni direzionali e che dipendono dalla distanza. Queste interazioni danno luogo al concetto di ingombro sterico: gli atomi si attraggono attraverso forze non covalenti ma non possono compenetrarsi.

Il grafico mostra l’energia di interazione tra due atomi in funzione della loro distanza. Più nello specifico, questo grafico mostra l'entità delle forze di Van der Waals al variare della distanza intermolecolare. L’energia di legame viene descritta come negativa se è una forza attrattiva, mentre è positiva se la forza è repulsiva tra due atomi. I raggi di Van der Waals determinano la distanza massima alla quale possono avvicinarsi due atomi (oltre questa distanza l’energia repulsiva impedisce un ulteriore avvicinamento). Il punto dove l’energia attrattiva è massima è uguale alla somma dei raggi di Van der Waals. Le molecole quindi, per avere un’energia attrattiva massima, devono stare vicine, ma non troppo. Con altre parole, i raggi di van der Waals non sono altro che la misura di quanto un atomo permette ad un altro atomo di avvicinarsi. Quando gli atomi di una molecola sono tanti, come in una proteina, essi sono distanti tra loro come la somma dei raggi di Van der Waals.