Biochimica strutturale

​BIOCHIMICA E BIOCHIMICA​

​MEDICA​

​Prof.s Fanzani e Mitola​

​

L

a​ ​biochimica​ ​studia​​e​​descrive,​​il​​metabolismo​​ovvero​​tutte​​le​​reazioni​​biologiche​​e​

​chimiche che avvengono all’interno degli organismi viventi.​

​

E

QUAZIONE DELLA VITA​

​Reazione​ ​costituita​ ​da​ ​due​ ​reazioni,​ ​l’una​ ​l’inverso​ ​dell’altra,​ ​che​ ​rappresentano​ ​un​

​insieme​ ​di​ ​processi​ ​che​ ​avvengono​ ​sia​ ​nel​ ​mondo​ ​animale,​ ​la​ ​respirazione​

​cellulare​

​, che in quello vegetale, la​​fotosintesi​

​.​

​

N

el​ ​mondo​ ​animale​ ​viene​ ​ossidato​​il​​glucosio,​​in​​modo​​da​​produrre​​energia​​tramite​

​l’ossidazione​ ​dei​ ​legami​ ​covalenti​ ​(reazione​ ​esotermica),​ ​anidride​ ​carbonica​ ​(forma​

​ossidata​ ​del​ ​carbonio)​ ​e​ ​acqua,​ ​perché​ ​le​ ​reazioni​ ​di​ ​ossidazione​ ​comportano​ ​la​

​produzione​ ​di​ ​molecole​ ​ossidate​ ​e​ ​quindi​ ​l’ossigeno​ ​è​ ​la​ ​sostanza​ ​che​ ​si​ ​riduce​

​trasformandosi in acqua.​

​

N

el​ ​mondo​ ​vegetale​ ​invece​ ​l’anidride​ ​carbonica​ ​viene​ ​utilizzata​ ​per​ ​produrre​

​molecole​​di​​glucosio​​e​​ossigeno.​​Questa​​è​​una​​reazione​​endotermica,​​perché​​necessita​

​di​ ​energia​ ​per​ ​la​ ​produzione​ ​di​ ​glucosio​ ​partendo​ ​da​ ​anidride​ ​carbonica​ ​e​ ​acqua.​

​L’energia​ ​viene​ ​recuperata​ ​dalla​ ​luce​ ​solare​ ​tramite​ ​specifici​ ​pigmenti,​ ​come​ ​la​

​clorofilla.​

​

N

ell’essere​ ​umano​ ​le​ ​principali​ ​reazioni​ ​di​ ​ossidazione​ ​dei​ ​composti​ ​carboniosi​

​avvengono nei mitocondri, dove l’ossigeno è maggiormente concentrato.​

​Caratteristiche degli organismi viventi​​:​

​-​ ​alto grado di complessità chimica e di organizzazione a livello microscopico​

​-​ ​sistemi capaci di estrarre, trasformare e utilizzare l’energia​

​componenti​ ​cellulari​ ​con​ ​funzione​ ​specifica​ ​e​ ​in​ ​grado​ ​di​ ​interagire​ ​in​ ​modo​

​-​ ​controllato​

​-​ ​meccanismi per percepire e rispondere ad alterazioni ambientali​

​-​ ​capacità di autoriprodursi​

​-​ ​capacità di evolversi e adattarsi tramite evoluzione graduale​

​

G

li​ ​enzimi​ ​preposti​ ​alla​ ​scissione​ ​dei​ ​legami​ ​glicosidici​ ​sono​ ​di​ ​tipo​ ​alfa​ ​nell’uomo​

​per cui si possono scindere solo i polimeri di tipo alfa, a differenza dei vegetali.​ ​1​

​

B

IOMOLECOLE​

​Sono​ ​composti​ ​del​ ​carbonio​ ​con​ ​vari​ ​gruppi​ ​funzionali.​ ​La​ ​chimica​ ​degli​​organismi​

​viventi​ ​è​ ​organizzata​ ​intorno​ ​al​ ​carbonio​ ​che​ ​corrisponde​ ​a​ ​più​ ​della​​metà​​del​​peso​

​secco​​della​​cellula,​​può​​formare​​legami​​singoli​​con​​atomi​​di​​idrogeno​​e​​legami​​singoli​

​o doppi con ossigeno e azoto.​

​

C

ARBONIO​

​Il​ ​carbonio​ ​è​ ​in​ ​grado​ ​di​ ​fare​ ​4​ ​legami,​ ​i​ ​quali​ ​sono​ ​i​ ​vertici​ ​del​​tetraedro,​​capacità​

​fondamentale​ ​nella​ ​formazione​ ​delle​ ​biomolecole.​ ​Il​ ​legame​ ​semplice​​C-C​​permette​

​la​ ​mutua​ ​rotazione​ ​attorno​ ​al​ ​singolo​ ​legame​ ​dei​ ​sostituenti​ ​di​ ​un​ ​carbonio​

​rispetto​ ​all’altro.​ ​Questo​ ​non​ ​è​ ​permesso​ ​quando​

​tra​ ​i​ ​due​ ​carboni​ ​c’è​ ​un​ ​doppio​ ​legame,​

​determinando​​così​​una​​struttura​​bidimensionale​​e​

​planare.​ ​Nel​ ​piano​ ​della​ ​molecola​ ​planare​

​giacciono​ ​al​ ​centro​ ​i​ ​due​ ​carboni​ ​legati​ ​al​ ​doppio​

​legame​ ​e​ ​i​ ​vertici​ ​sono​ ​occupati​ ​dagli​ ​elementi​

​sostitutivi​ ​di​ ​un​ ​carbonio​ ​e​ ​dell’altro.​ ​Perciò,​

​quando​ ​tra​ ​due​ ​elementi​ ​si​ ​instaura​ ​un​ ​doppio​

​legame​ ​o​ ​un​ ​legame​ ​semplice​ ​più​ ​forte​ ​del​ ​solito,​

​la​ ​geometria​ ​della​ ​molecola​ ​varia​ ​da​

​tridimensionale a bidimensionale.​

​Scala di ossidazione dei carboni​​:​

​1.​ ​alcani→più ridotti​

​alcoli→se​ ​l’alcol​ ​è​ ​terminale​ ​si​ ​ossida​ ​a​ ​gruppo​ ​aldeidico,​ ​se​ ​è​ ​intracatena​ ​si​

​2.​ ​ossida a chetone​

​3.​ ​gruppo carbossilico acido→dall'ossidazione di un’aldeide​

​4.​ ​CO2​

​

C

HIRALITÀ​

​Il​​carbonio​​viene​​definito​​chirale​​quando​​questo​​porta​​4​​sostituenti​​diversi,​​mentre​​se​

​almeno due sostituenti sono uguali il carbonio non è più chirale.​

​Nei sistemi biologici le molecole non chirali vengono trasformate in chirali.​

​

G

RUPPI FUNZIONALI​

​La​ ​maggior​ ​parte​ ​delle​ ​biomolecole​ ​sono​ ​derivate​​dagli​​idrocarburi,​​in​​cui​​gli​​atomi​

​di​ ​idrogeno​ ​sono​ ​sostituiti​ ​da​ ​una​ ​serie​ ​di​ ​gruppi​ ​funzionali​ ​che​ ​conferiscono​

​specifiche proprietà chimiche.​

​Caratteristiche​​:​

​-​ ​reattività​

​-​ ​polarità​ ​2​

-

​ ​ s

​ olubilità​

​-​ ​dimensione​

​-​ ​forma​

​

L

e​ ​caratteristiche​ ​dei​ ​gruppi​ ​funzionali​ ​consentono​ ​di​ ​prevedere​ ​il​ ​comportamento​

​del​​composto​​che​​lo​​contiene.​​L’attività​​biologica​​delle​​molecole​​dipende​​fortemente​

​dalla​ ​loro​ ​struttura​ ​tridimensionale.​ ​Esiste​ ​infatti​ ​una​ ​stretta​ ​relazione​ ​tra​

​forma-funzione:​ ​piccole​ ​variazioni​ ​strutturali​ ​possono​ ​modificare​ ​profondamente​

​l’attività biologica di una molecola.​

​

L

’insieme​ ​di​ ​tutte​ ​le​ ​piccole​ ​molecole​ ​presenti​ ​in​ ​una​ ​cellula​ ​in​ ​determinate​

​condizioni​ ​fisiologiche​ ​è​ ​definito​ ​metaboloma​

​.​ ​La​ ​metabolomica​ ​è​ ​lo​ ​studio​

​sistematico​ ​del​ ​metaboloma​ ​e​ ​consiste​ ​nella​ ​identificazione​ ​e​ ​quantificazione​ ​dei​

​metaboliti​​cellulari​​per​​comprendere​​lo​​stato​​metabolico​​di​​una​​cellula,​​di​​un​​tessuto​

​o di un organismo in specifiche condizioni fisiologiche o patologiche.​

​

Q

uando​ ​una​ ​molecola​ ​possiede​ ​un​ ​centro​ ​chirale,,​ ​possono​ ​esistere​ ​due​

​configurazioni​ ​speculari​ ​chiamate​ ​enantiomeri​

​.​ ​Questi​ ​hanno​ ​la​ ​stessa​ ​formula​

​chimica,​ ​la​ ​stessa​ ​connettività​ ​degli​ ​atomi​ ​e​ ​sono​ ​immagini​ ​speculari​ ​non​

​sovrapponibili​​.​ ​Nella​ ​maggior​ ​parte​ ​delle​ ​biomolecole​ ​presenti​ ​negli​ ​organismi​

​viventi, gli amminoacidi delle proteine sono enantiomeri di tipo L.​

​Classificazione in base alla rotazione della luce polarizzata​​:​

​-​ ​+​​(destrogiro)→rotazione oraria verso destra​

​-​ ​-​​(levogiro)→rotazione antioraria verso sinistra​

​

G

RUPPO METILE​

​Il​ ​carbonio​ ​legato​ ​a​ ​qualsiasi​ ​altro​ ​elemento​ ​ha​ ​come​ ​sostituenti​ ​3​ ​idrogeni,​

​l’elettronegatività​​di​​C​​e​​H​​è​​praticamente​​uguale,​​di​​conseguenza​​non​​c’è​​una​

​preferenza​ ​di​ ​stazionamento​ ​di​ ​elettroni​ ​condivisi​​su​​un​​atomo​​piuttosto​​che​

​su un altro.​

I

​ l​ ​metano​​(CH4)​​è​​un​​tetraedro​​in​​cui​​i​​4​​idrogeni​​sono​​ai​​vertici​​della​​molecola​​e​​la​

​differenza​ ​di​ ​elettronegatività​ ​non​ ​è​ ​significativa.​ ​Nel​ ​metano,​​dato​​che​​gli​​idrogeni​

​hanno​ ​numero​ ​di​ ​ossidazione​ ​+1,​ ​il​ ​carbonio​ ​avrà​ ​numero​ ​di​ ​ossidazione​ ​-4.​ ​La​

​forma​ ​ottenuta​ ​sarà​ ​quindi​ ​la​ ​forma​ ​più​ ​ridotta​ ​del​ ​carbonio​ ​ovvero​ ​la​ ​forma​ ​che​

​possiede più elettroni.​

​

L

’anidride​​carbonica​​(CO2)​​invece​​è​​la​​forma​​più​​ossidata​​del​​carbonio,​​in​​cui​​il​​C​​ha​

​numero​ ​di​ ​ossidazione​ ​+4,​ ​perché​ ​gli​ ​ossigeni​ ​hanno​ ​numero​ ​di​ ​ossidazione​ ​-2,​

​quindi il C è povero di elettroni.​ ​3​

​

G

RUPPO OSSIDRILE​

​Costituito​ ​da​ ​un​ ​carbonio​ ​legato​ ​con​ ​un​ ​legame​ ​semplice​ ​a​ ​un​ ​gruppo​

​ossidrile​ ​-OH​ ​il​ ​cui​ ​ossigeno​ ​fa​ ​da​ ​ponte.​ ​Questo​ ​gruppo​ ​è​ ​caratteristico​

​degli​​alcoli​​, il cui suffisso è -olo.​

​

L

’alcol​​è​​la​​prima​​ossidazione​​di​​un​​carbonio​​totalmente​​ridotto.​​Nel​​gruppo​​alcolico​

​si​ ​ha​ ​una​ ​forte​ ​differenza​ ​di​ ​elettronegatività​ ​tra​ ​idrogeno​ ​e​ ​ossigeno​ ​perciò​ ​gli​

​elettroni​ ​del​ ​legame​ ​tra​ ​questi​ ​due​ ​atomi​ ​avranno​ ​la​ ​tendenza​ ​a​ ​stazionare​ ​per​ ​più​

​tempo sull’ossigeno rispetto al tempo che trascorrono sull’idrogeno.​

​

G

RUPPO CARBONILE​

​Posizione di OH​​:​

​-​ ​terminale→la​ ​successiva​ ​ossidazione​ ​del​ ​carbonio​ ​alcolico​

​porta​ ​alla​ ​formazione​ ​di​ ​un​ ​gruppo​ ​carbonilico​ ​detto​

​aldeidico​ ​(O​ ​è​ ​legato​ ​con​ ​doppio​ ​legame​ ​al​ ​C​ ​anziché​ ​con​

​un​ ​legame​ ​semplice).​ ​Esso​ ​viene​ ​chiamato​ ​“aldeidico”​ ​in​

​quanto​ ​deriva​ ​da​ ​un​ ​gruppo​ ​alcolico​ ​terminale​ ​della​ ​catena​

​carboniosa​

​interno→ossidando​ ​il​​gruppo​​OH​​alcolico​​si​​ottiene​​un​​altro​

​-​ ​gruppo​ ​carbonilico​ ​intracatena​ ​che​ ​renderà​ ​il​ ​composto​ ​un​

​chetone​

​

N

el​ ​chetone​ ​il​ ​numero​ ​di​ ​ossidazione​ ​del​ ​carbonio​ ​sarà​ ​uguale​​a​​quello​​dell’aldeide​

​(lo​ ​stato​ ​di​ ​ossidazione​ ​di​ ​aldeide​ ​è​ ​uguale​ ​a​ ​quello​ ​del​ ​chetone,​​infatti​​entrambi​​si​

​chiamano gruppi carbonilici).​

​

G

RUPPO CARBOSSILICO​

​I​ ​chetoni​ ​non​ ​possono​ ​più​ ​essere​ ​ossidati,​ ​a​ ​differenza​ ​del​ ​gruppo​

​aldeidico.​ ​In​ ​questo​ ​gruppo​ ​il​ ​carbonio​ ​legato​ ​con​ ​un​ ​doppio​ ​legame​

​all’ossigeno​ ​e​ ​all’idrogeno​ ​viene​ ​ulteriormente​ ​ossidato:​ ​permane​ ​il​ ​doppio​ ​legame​

​con​​l’ossigeno​​e​​si​​aggiunge​​un​​altro​​ossigeno​​che​​fa​​da​​ponte​​tra​​carbonio​​e​​idrogeno​

​Si crea in questo modo il gruppo carbossilico tipico degli​​acidi​​carbossilici​

​.​

I

​ n​ ​biochimica​ ​il​ ​gruppo​ ​carbossilico​ ​non​ ​viene​ ​rappresentato​ ​come​ ​COOH.​ ​Questo​

​perché​ ​tutte​ ​le​ ​reazioni​ ​biochimiche​ ​avvengono​ ​in​ ​ambiente​ ​acquoso,​ ​in​ ​tale​

​ambiente​ ​una​ ​molecola​ ​con​ ​un​ ​gruppo​​carbossilico​​tende​​a​​deprotonarsi,​​ovvero​​ha​

​la​​tendenza​​a​​cedere​​il​​proprio​​protone​​(H+)​​all’ambiente​​acquoso​​per​​aumentarne​​la​

​concentrazione​​di​​protoni​​abbassando​​così​​il​​pH.​​Il​​gruppo​​carbossilico​​in​​biochimica​

​viene quindi rappresentato come COO-.​

​

G

RUPPO FENILE​

​Ha​ ​una​ ​struttura​ ​rigida​ ​planare​ ​ed​ ​è​ ​composto​ ​da​ ​sei​ ​carboni​

​che formano un anello in cui i doppi legami sono alternati.​ ​4​

​

Q

uesti​ ​doppi​ ​legami​ ​rimbalzano​ ​uno​ ​rispetto​ ​all’altro,​ ​si​ ​ha​ ​infatti​ ​un​ ​continuo​

​muoversi​ ​di​ ​elettroni,​ ​che​ ​al​ ​di​ ​sopra​ ​e​ ​al​ ​di​ ​sotto​ ​dell’anello​ ​creano​ ​una​ ​nube​

​elettronica di elettroni che continuano a girare.​

​

E

STERE​

​È​ ​un​ ​legame​ ​che​ ​si​ ​verifica​ ​quando​ ​un​ ​gruppo​ ​carbossilico,​ ​ovvero​ ​un​

​gruppo​ ​acido,​ ​condensa​ ​con​ ​un​ ​gruppo​ ​alcolico​ ​OH.​ ​Il​ ​legame​ ​estere​

​avviene​​quindi​​tra​​un​​carbonio​​del​​gruppo​​carbossilico​​e​​un​​ossigeno​​di​​un​

​gruppo ossidrile.​

​

A

NIDRIDE​

​L’anidride​ ​si​ ​instaura​ ​quando​ ​due​ ​gruppi​ ​carbossilici​ ​condensano,​

​ovvero​ ​perdono​ ​una​ ​molecola​ ​di​ ​H2O.​ ​Si​ ​ottiene​ ​quindi​ ​una​ ​catena​

​carboniosa​​a​​cui​​è​​legato​​un​​primo​​gruppo​​carbossilico​​(contenente​​un​​C​

​legato​ ​all’O​ ​con​ ​doppio​ ​legame),​ ​un​ ​legame​ ​con​ ​l’ossigeno​ ​e​ ​un​ ​legame​

​anidridico​ ​con​​l’altro​​gruppo​​carbossilico​​che​​è​​stato​​privato​​del​​gruppo​​OH.​​Questa​

​struttura​​spiega​​anche​​la​​perdita​​della​​molecola​​di​​H2O:​​se​​viene​​perso​​l’idrogeno​​sul​

​primo​​gruppo​​carbossilico​​e​​il​​gruppo​​OH​​sul​​secondo​​gruppo​​COOH,​​il​​risultato​​sarà​

​la perdita di una molecola di acqua.​

​

G

RUPPI FUNZIONALI CONTENENTI L’AZOTO​

​L’azoto​ ​ha​ ​struttura​ ​tridimensionale​ ​tetraedrica​ ​e​ ​può​ ​fare​ ​tre​ ​legami,​ ​infatti​ ​a​

​differenza​​del​​carbonio​​che​​fa​​4​​legami,​​nell’azoto​​dell’NH3​​sono​​presenti​​4​​vertici​​di​

​cui​​3​​rappresentati​​da​​legami​​con​​3​​atomi​​di​​H,​​mentre​​l’ultimo​​vertice​​è​​occupato​​da​

​un​ ​doppietto​ ​elettronico.​ ​Il​ ​doppietto​ ​elettronico​ ​disponibile​ ​associa​ ​e​ ​lega​ ​un​

​protone​ ​e​ ​da​ ​NH3,​ ​in​ ​ambiente​ ​acquoso,​ ​si​ ​tenderà​ ​ad​ ​avere​ ​NH4+.​ ​L’ammoniaca​

​quindi,​​in​​ambiente​​acquoso,​​strappa​​un​​primo​​protone​​all’acqua​​diventando​​NH3+,​

​strappa​ ​altri​ ​protoni​ ​all’H2O​ ​diventando​ ​NH4+​ ​e​ ​lasciando​ ​liberi​ ​in​ ​ambiente​ ​degl​

​OH-,​ ​la​ ​quale​ ​concentrazione​ ​aumenta​ ​rendendo​ ​l’ambiente​ ​basico,​ ​motivo​ ​per​ ​cui​

​l’ammoniaca è basica.​

​

G

ruppo amminico​

​Il​​gruppo​​amminico​​in​​biochimica​​non​​viene​​rappresentato​​come​​nella​​figura​

​a​ ​lato,​ ​questo​ ​perché​ ​se​ ​l’azoto​ ​può​ ​fare​ ​3​ ​legami,​ ​uno​ ​col​ ​C​ ​(legato​ ​al​​resto​

​della​​molecola)​​e​​due​​con​​gli​​H,​​avrà​​il​​doppietto​​elettronico​​ancora​​libero​​che​

​si​ ​protonerà​ ​richiamando​ ​il​ ​protone​ ​dall’acqua​ ​che​ ​diventerà​ ​più​ ​basica.​ ​Il​

​gruppo​ ​amminico​ ​in​ ​biochimica​ ​non​ ​sarà​ ​-NH2​ ​ma​ ​bensì​ ​-NH3+,​ ​da​ ​cui​ ​si​

​int