Biochimica strutturale

BIOCHIMICA E BIOCHIMICA

MEDICA

Prof. Fanzani

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

chimiche che avvengono all’interno degli organismi viventi.

EQUAZIONE 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.

Nel 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.

Nel 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.

Nell’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

Gli 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

BIOMOLECOLE

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.

CARBONIO

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

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

ossida a chetone

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

4.​ CO2

CHIRALITÀ

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.

GRUPPI 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

-​ solubilità

-​ dimensione

-​ forma

Le 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.

Quando 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

GRUPPO 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.

Il 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

GRUPPO 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.

GRUPPO 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

Nel 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).

GRUPPO 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.

In 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-.

GRUPPO FENILE 4

Ha una struttura rigida planare ed è composto da sei carboni che formano un anello

in cui i doppi legami sono alternati.

Questi 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.

ESTERE

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.

ANIDRIDE

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.

GRUPPI 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.

Gruppo 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

intuisce che si tratta di un gruppo funzionale basico che in ambiente acquoso si

protona. 5

Legame ammidico

Legame tra carbonio e azoto che deriva dalla condensazione tra un carbonio

carbossilico e un azoto amminico. È un legame covalente, quindi vengono

messi in compartecipazione degli elettroni tra i due gruppi.

Imidazolo

È un anello di 5 vertici di cui 3 sono atomi di carbonio e 2 atomi di azoto. Si

trova negli amminoacidi e nella sintesi delle basi azotate.

GRUPPI FUNZIONALI CONTENENTI ZOLFO

Lo zolfo può fare due legami.

Gruppo sulfidrilico e disolfuri

Il gruppo sulfidrilico viene rappresentato con -SH, è riducente.

Tale gruppo trova grande rilevanza, ad esempio, negli

amminoacidi e nel glutatione, molto importante per il globulo rosso. Questo gruppo

si trova in molecole molto utili come antiossidanti nelle cellule. Le cellule, infatti,

utilizzano l’ossigeno per formare energia, lo riducono da ossigeno molecolare a

molecola di acqua. In queste trasformazioni però possono esserci delle ossidazioni

inopportune che possono essere tamponate o evitate proprio grazie a molecole

riducenti (antiossidanti).

Due gruppi sulfidrilici riducenti inoltre possono ossidarsi a vicenda formando il

legame covalente disolfuro. Tale legame deriva quindi

dall’ossidazione di due gruppi sulfidrilici.

Legame tioestere

“Tio”, normalmente, è il prefisso utilizzato quando è presente lo zolfo. Il

legame tioestere è il legame tra carbonio e zolfo. Questo si instaura grazie

alla condensazione tra un carbonio carbossilico e uno zolfo sulfidrilico.

Nel caso del legame tioestere al posto dell’ossigeno è presente un atomo

di zolfo legato all’idrogeno che forma il gruppo sulfidrilico.

GRUPPI FUNZIONALI CONTENENTI IL FOSFORO

Il fosforo può fare 5 legami e lo si trova come fosfato.

Gruppo fosfato

È un gruppo acido e in figura è legato a una molecola R. La

rappresentazione riportata nella figura accanto però non si utilizza in

biochimica perché il gruppo fosfato è acido e quindi in ambiente acquoso

tenderà a cedere gli idrogeni sotto forma di protoni (gli elettroni dell’H, 6

che usciranno come H+, vengono trattenuti dall’O). Nelle biomolecole questo verrà

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quindi rappresentato come PO , questa scrittura permette di capire che si tratta di

un gruppo fosfato di una molecola in ambiente acquoso la cui spontaneità è quella di

cedere protoni diventando carica negativamente.

Anidride mista

Legando covalentemente un gruppo carbossilico e un gruppo acido

fosfato, si ottiene un’anidride mista.

Legame fosfoanidridico

Legame covalente tra due gruppi fosfato, è altamente energetico.

Questo legame consente alla molecola di ATP di essere la molecola

energetica per eccellenza per tutte le trasformazioni biologiche,

consente quindi agli organismi di compiere lavoro di qualsiasi tipo

(chimico, meccanico, osmotico, di biosintesi).

STEREOISOMERI

Gli isomeri sono molecole che possiedono la stessa formula bruta, ma differiscono

per struttura o disposizione spaziale. Presentano proprietà chimiche e fisiche

differenti perché i legami tra gli elementi sono organizzati in modo diverso.

Isomeri:

-​ costituzionali/strutturali→hanno formula bruta identica ma diversa

connettività, per cui anche diverse proprietà fisiche e chimiche dovute ai

legami differenti degli elementi che compongono la molecola

-​ stereoisomeri→hanno formula bruta identica, stessa connettività ma

diversa orientazione spaziale degli atomi che li rende non sovrapponibili

Metabolismo dell’acido lattico

I batteri lattici fermentano il glucosio e tramite il processo anaerobico producono

piruvato che viene scartato sotto forma di acido lattico (L). Viene prodotto anche nei

muscoli, in caso di attività fisica, e nei globuli rossi, perché non hanno mitocondri

ma sono carrier. Il piruvato serve a fini energetici alla cellula solo in presenza di

mitocondri, dove entra nel metabolismo ossidativo. Il lattato prodotto nei tessuti

viene trasportato dal sangue al fegato, dove viene riconvertito in piruvato. Il piruvato

può poi essere trasformato in glucosio tramite gluconeogenesi, contribuendo al

mantenimento dell’omeostasi glicemica. Questo processo è noto come ciclo di Cori.

La gliceraldeide (idrossipropanale) è un’aldeide a tre atomi di carbonio ed è

idrossilata sul carbonio 2 che è un centro chirale.

ENZIMI E STEREOSPECIFICITÀ 7

Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche cellulari.

Ogni enzima possiede un sito attivo, cioè la regione della proteina in cui si lega il

substrato. Il riconoscimento del substrato avviene tramite stereocomplementarietà

strutturale, secondo il modello chiave-serratura (o più modernamente modello

dell’adattamento indotto).

Grazie a questa specificità strutturale, gli enzimi sono spesso stereospecifici, cioè

riconoscono e catalizzano la reazione solo di uno specifico enantiomero.

Talidomide→farmaco commercializzato negli anni ‘60 e ‘70 come anti-nausea

soprattutto per le donne gravide, ma causò la nascita di neonati con alterazioni

congenite dello sviluppo degli arti come amelia (assenza degli arti) e vari gradi di

focomelia (riduzione delle ossa lunghe degli arti). Questo era dovuto al fatto che

rilasciava un enantiomero tossico nell’uomo che portava a teratogenicità (effetto

off-target non prevedibile) perché interferiva con il processo di sviluppo degli arti

METABOLISMO

Insieme delle reazioni biochimiche che servono per trasformare i nutrienti (macro e

micro) in intermedi più piccoli, ovvero la trasformazione di molecole carboniose in

intermedi più piccoli fino all’ossidazione del loro atomo di carbonio.

Il prefisso “macro” nella parola macronutrienti indica che bisogna introdurne in

quantità elevate, ci sono anche i micronutrienti (vitamine e sali minerali) che sono le

molecole che necessitano di essere assunte in quantità irrisorie, dai mg anche ai

1

nanogrammi, ma sono tutti essenziali .

Il glucosio non è un composto essenziale, in quanto il corpo umano è in grado di

produrlo a partire dal fegato (e parzialmente anche dal rene) tramite la

gluconeogenesi in caso di deficit ed è presente come riserva sotto forma di glicogeno

nei muscoli (300/400 g) e nel fegato (80 g). Se un muscolo ha bisogno di sostenere

uno sforzo utilizza il glicogeno endogeno, per consentire la contrazione muscolare,

anche in presenza di ipoglicemia (in questo caso la scarsa presenza di glucosio

determina una competizione tra sistema muscolare e nervoso). Il muscolo è un

tessuto policarburante per cui può utilizzare anche i grassi come fonte di energia.

Tipi:

-​ catabolismo→trasforma i macronutrienti introdotti con la dieta in molecole

di scarto, grazie agli enzimi, rilasciando l’energia

-​ anabolismo→trasforma i singoli componenti in macronutrienti

L’essere umano necessita di