Chimica biologica

Chimica biologica

Davide Prosperi - 8 CFU, 64 h, 32 lezioni, diviso in due moduli. Il primo riguarda le proteine, il secondo invece tratta il metabolismo. Prevede due parziali in corrispondenza del termine dei due moduli di cui è costituito il corso. L'esame è scritto + orale, ma in realtà lo scritto è costituito da due parziali. Il prof mette a disposizione una dispensa in formato pdf, presente sul sito unibakeka ed e-learning. Testi suggeriti: biochimica di van Holde, principi di biochimica di Nelson, biochimica di Campbell o biochimica di Zocchi. Il primo modulo solitamente termina a metà novembre. Ogni parziale è costituito da 17 domande a crocette e dura 1:30 h.

Che cos'è la vita?

La cellula è il sistema vivente più semplice. Un sistema vivente è un sistema squilibrato, in grado di generare o riprodursi, evolversi e svilupparsi. Non esiste un’unica definizione di vita. Da un punto di vista scientifico, perché un fenomeno possa essere definito in tutti i suoi aspetti, deve essere riproducibile; l’origine della vita non è mai stata riprodotta sperimentalmente. Perché la vita sia possibile servono particolari condizioni e grazie a queste la vita è comparsa sulla terra e si è evoluta fino all’uomo. Tanti eventi catastrofici sono stati fondamentali per la vita.

I primi esempi di comparsa di vita sono i fossili che risalgono a 3,8 miliardi di anni fa e la terra ha un’esistenza di 4,6 miliardi di anni. Non abbiamo una definizione di vita ma ha delle caratteristiche:

• Unicità chimica: le stesse tipologie di reazioni avvengono in tutti i sistemi viventi. Le leggi della fisica a cui le reazioni chimiche sottostanno, sono le stesse in tutto l’universo, non solo nei sistemi viventi.
• Complessità e organizzazione gerarchica: più un organismo è complesso, perché il suo funzionamento sia garantito, è necessaria una struttura gerarchica. Es: cellule, organi, organismo...
• Metabolismo: il sistema per mantenersi lo necessita per trasformare e interagire con l’ambiente in modo da trasformare il materiale che deriva dall’ambiente e che poi nell’ambiente viene reimmesso. Il metabolismo è la capacità di trasformare le sostanze in modo da ricavarne nutrienti (per mantenimento e sviluppo) ed energia. Il metabolismo ha una capacità di interagire con l’ambiente, infatti, un sistema vivente non è isolato ma in continua interazione con l’ambiente circostante.
• Sviluppo: non rimane mai lo stesso per tutta la durata della vita, passa da embrione a morte. Esiste un programma genetico, un contenuto informativo che racchiude in sé tutto il programma di costruzione e sviluppo del sistema. Non è casuale, non sono reazioni casuali ma seguono un preciso percorso di sviluppo e crescita racchiuso in un’informazione che è l’info genetica (un codice).
• Riproduzione: i sistemi viventi possono riprodursi generando sistemi della stessa natura del sistema vivente genitore.

Queste caratteristiche non sono le uniche ma sono quelle fondamentali comuni a ogni sistema vivente.

Proprietà dei sistemi biologici

• Funzione: un sistema biologico svolge una precisa funzione, non ne esistono che non svolgono una funzione specifica, quindi, sono identificati da struttura e funzione, le quali sono strettamente correlate. Un sistema biologico, anche quello più semplice come un atomo, si trova all’interno di un sistema più complesso (organismo) e svolge sempre al suo interno una specifica funzione. A una certa struttura corrispondono una o più funzioni. Come ad esempio immagazzinamento, trasmissione dell’informazione genetica, omeostasi (mantenimento di equilibrio tra le componenti) chimica, termica e osmotica.
• Interazioni: i sistemi biologici hanno la capacità di interagire garantendo un livello di complessità che può dare origine ad un sistema vivente. Le interazioni possono essere tra molecole o tra gruppi di molecole, organi o organismi interi. A livello molecolare ci sono reazioni che non hanno un carattere covalente, non si formano nuovi legami chimici. L’organizzazione dei sistemi viventi richiede la possibilità di effettuare trasformazioni che siano reversibili in modo tale che un oggetto può attaccarsi e staccarsi. Una determinata funzione è assicurata dalle interazioni tra più molecole, organuli, cellule o organi, che agiscono in modo coordinato in vista dell’attuazione di una determinata funzione.
• Unità: non si intende che le reazioni dei sistemi biologici sono uniche ma si intende che in tutti i sistemi biologici il tipo di reazioni e fenomeni che avvengono presentano le stesse caratteristiche. I fenomeni chiave che consentono la vita e la riproduzione degli organismi viventi presentano caratteristiche simili o identiche in tutti gli organismi (ad esempio tutte le proteine hanno gli stessi 20 aminoacidi legati tra loro con legame peptidico, gli amminoacidi poi possono seguirsi in ordini diversi ma sono sempre quelli che le formano).
• Gerarchizzazione: esistono livelli organizzativi di complessità crescente. Atomi, molecole, macromolecole, organuli, cellule, tessuti, organi, organismi.

Concetti base

La logica molecolare della vita: una cellula è un sistema isotermo (temperatura costante) che contiene molecole (alcune organiche altre no), in grado di auto assemblarsi e autoperpetuarsi, che estrae energia libera e materiali grezzi dal suo ambiente. Una cellula per tutto il suo ciclo vitale mantiene le stesse caratteristiche che sono determinate dalla capacità di auto assemblarsi ad esempio, una membrana biologica è formata da molecole che stanno insieme pur non essendo legate covalentemente. La cellula deve prendere energia dall’esterno, la sottrae all’esterno; nella cellula avvengono reazioni chimiche regolate da catalizzatori che essa stessa produce. Queste reazioni non avvengono a caso ma sono accuratamente controllate ad opera di attori che le catalizzano. La maggior parte delle reazioni avverrebbero molto lentamente se non venissero catalizzate e quindi velocizzate. La cellula mantiene il suo stato stazionario di non equilibrio rispetto all’ambiente attraverso il massimo risparmio energetico.

Una cellula mantiene il suo stato stazionario di non equilibrio, non è un vero e proprio equilibrio perché l’equilibrio all’interno dei sistemi viventi significa morte, ma è uno stato stazionario cioè che cerca di mantenere il più possibile le stesse condizioni rispetto all’ambiente. Per fare questo dovrà necessariamente scambiare energia: il criterio che usa per promuovere questi processi è quello di garantire il massimo risparmio energetico o la minima spesa energetica. L’auto replicazione è consentita da un sistema che contiene l’informazione codificata in modo lineare ed in grado di ripararsi. L’informazione lineare è sufficiente a definire una struttura tridimensionale che determina la funzione biologica. La struttura tridimensionale delle biomolecole e dei complessi sopramolecolari è stabilizzata dalla sinergia di interazioni non covalenti che agiscono in modo cooperativo.

Tutto il sistema di avvolgimenti, superavvolgimenti, aggregati tra molecole diverse che si organizzano, è dato da interazioni non covalenti che agiscono in modo cooperativo. Come fanno a garantire la riproducibilità? Come fa una proteina che ha una struttura tridimensionale a costruire la sua struttura tridimensionale sempre uguale a sé stessa, cioè ogni molecola di emoglobina è uguale a tutte le altre molecole di emoglobina? Lo fa attraverso delle singole interazioni ma attraverso interazioni multiple cioè attraverso interazioni cooperative. La cooperatività è un processo per cui la somma delle singole interazioni non porta alla somma delle energie di legame ma molto di più, ad esempio 1+1+1 non fa 3 ma 1000 in termini energetici. Due interazioni che avvengono simultaneamente generano un’energia di legame che è diversi ordini di grandezza superiore alla somma delle singole interazioni individuali. Se si forma un’interazione non covalente, l’energia di legame è molto più debole rispetto al legame covalente, allora per aumentare l’affinità e la selettività di riconoscimento normalmente i sistemi biologici utilizzano delle interazioni che, dovendo essere reversibili (non covalenti perché per rompere un legame covalente serve molta energia), utilizzano l’effetto cooperativo, cioè l’energia di legame di due interazioni non covalenti individuali ha un certo valore (di solito due ordini di grandezza minore dei legami covalenti) che aumenta instaurando più di una. Così facendo, l’energia complessiva del legame non è la somma dei contributi di ogni singola interazione individuale ma molto di più.

Le cellule sono distinte in eucarioti e procarioti, può esserci il nucleo o no, una parete esterna alla membrana cellulare che può avere natura non peptidica o lipidica ma polisaccaridica. La parete cellulare di natura saccaridica è costituita da una macromolecola di natura saccaridica, come la cellulosa, la quale ha come unità monomeriche, dei monosaccaridi, cioè glucosio. La membrana è costituita per lo più da lipidi (idrofobici) che si auto assemblano spontaneamente con una coda e una testa. Nella membrana come nel citoplasma, sono presenti anche proteine (macromolecole) che hanno come unità monomeriche gli amminoacidi. Nel nucleo è contenuto il genoma che ha come macromolecola fondamentale il DNA e l’RNA, in questo caso le unità monomeriche sono i nucleotidi che sono già molecole complesse perché hanno una componente saccaridica, una azotata (base azotata purinica o pirimidinica) e un gruppo fosfato.

La maggior parte dei sistemi biologici hanno dimensioni nell’ordine dei nanometri, variano dal legame molecolare che è nell’ordine dell’Angstrom (10^-10 m); la maggior parte degli oggetti fondamentali di interesse biologico ha dimensioni nanometriche da 1 a 999 nm (10^-9 m); le cellule variano da alcuni micron (10^-6 m) fino a decine di micrometri. Esempi: la membrana cellulare ha uno spessore di 6 nm, l’emoglobina ha un diametro di 6 nm, un ribosoma è grande circa 25 nm.

Le interazioni necessarie per produrre i sistemi biologici, anche quelli più complessi, coinvolgono molecole organiche quindi i gruppi funzionali. Il gruppo fosfato e il tiolo non contengono il C ma è un gruppo funzionale che è inorganico ma sono componenti che molto spesso si trovano nelle molecole organiche e in particolare nei sistemi viventi svolgono un ruolo fondamentale. La fosforilazione o la defosforilazione sono processi vitali che si incontrano molto spesso per il mantenimento, la cessione o l’acquisizione di energia di cui la cellula ha bisogno.

I principi della termodinamica

1° - L’energia totale dell’universo è sempre costante; l’entalpia è la differenza tra l’energia finale e l’energia iniziale. Q è il calore scambiato durante il processo e L è il lavoro che è stato necessario compiere per poter permettere il processo.

2° - Riguarda l’entropia che non è un’energia, infatti, non ha le unità di misura dell’energia, non si misura in J o cal. L’entropia descrive lo stato di disordine ad un certo tempo ad una certa temperatura del sistema d’interesse. Ci sono altri modi di intenderla ad esempio a livello della fisica delle particelle è la probabilità che collidano in un certo modo. La seconda legge dice che l’entropia totale dell’universo è sempre in aumento, ∆S è sempre maggiore di 0. Per questo un processo favorito entropicamente è un processo in cui ∆S (entropia finale – entropia iniziale), sia positivo. Possono avvenire processi con ∆S negativo ma devono essere compensati da altri processi con un’entropia più positiva di quanto sia negativa quella di quel processo che è accoppiato agli altri processi oppure bisogna ricorrere al terzo principio della termodinamica.

3° - L’entropia e l’entalpia sono due contributi individuali all’energia totale del sistema, l’energia libera del sistema. La variazione di energia libera (energia libera di Gibbs, ∆G), è data dalla variazione dell’entalpia (∆H) del sistema meno il prodotto di temperatura e la variazione di entropia del sistema (∆S). Il terzo principio della termodinamica guiderà la maggior parte delle riflessioni. Un processo che è entropicamente sfavorito può avvenire lo stesso, essere comunque spontaneo se abbiamo un contributo entalpico (guadagno energetico) tale da compensare la perdita di disordine molecolare e viceversa un processo che non avrebbe l’energia sufficiente da un punto di vista entalpico può comunque avvenire se si ha un guadagno in termini di aumento del disordine del sistema (dell’entropia).

Non solo la termodinamica è importante nei processi biologici e in particolare nelle reazioni chimiche che avvengono all’interno dei sistemi biologici ma anche la cinetica del processo: mentre la termodinamica definisce lo stato energetico dei reagenti e dei prodotti.

Prendiamo due forme diverse del C: il diamante che ha una struttura di legami covalenti tetraedrici e la grafite che ha una struttura multilamellare (interazioni deboli). Se si osserva il grafico e ci si basa esclusivamente sulla componente termodinamica la grafite ha un’energia libera termodinamicamente più bassa rispetto al diamante; dal punto di vista termodinamico la conversione diamante grafite è favorita. Invece il processo non avviene perché c’è un blocco a livello cinetico: per passare da diamante a grafite è necessario superare una barriera energetica cioè l’energia di attivazione. Questo è il motivo per cui il processo, pur essendo termodinamicamente favorito, non avviene spontaneamente.

Concetti essenziali dei principi della termodinamica

• L’energia totale dell’universo è sempre costante: l’entalpia che è data dall’energia finale di un processo meno l’energia iniziale è pari alla quantità di calore scambiato durante il processo meno il lavoro che è stato necessario compiere per permettere il processo.
• L’entropia totale dell’universo è sempre in aumento: l’entropia non è un’energia, infatti non ha le unità di misura dell’energia, non si misura in joule o kcal… ma in joule/T. L’entropia descrive lo stato di disordine di un sistema in un certo tempo a una certa temperatura. L’entropia totale dell’universo è sempre in aumento: ∆S > 0.
• L’entropia come l’entalpia sono due contributi individuali all’energia totale di un sistema chiamata energia libera del sistema. L’energia libera che viene rappresentata con ∆G è data da ∆H (variazione di entalpia del sistema) meno T x ∆S. Quindi ∆G = ∆H - T∆S.

Equilibrio chimico

In una reazione è dato da un quoziente definito dal rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti elevati al loro coefficiente stechiometrico e il prodotto della concentrazione dei reagenti elevati, in base all’ordine di reazione, al loro coefficiente stechiometrico. Come si correla l’equilibrio chimico con l’energia del sistema? È sufficiente sostituire nell’equazione derivante dal terzo principio della termodinamica il ∆G = ∆G° + RTlnQ dove Q è un valore costante e all’equilibrio è Keq. All’equilibrio il ∆G deve essere uguale a 0. Nella foto blu vedo l’equilibrio. all’equilibrio il ∆G deve essere uguale a 0 quindi si può porre tutta l’equazione = 0.

Proprietà fisico-chimiche delle soluzioni acquose

L’acqua è un componente essenziale per i sistemi viventi e biologici. Un sistema biologico può anche non essere un organismo vivente, ad esempio una proteina, ma un organismo vivente è sempre anche un sistema biologico. Ad esempio, una proteina non è un organismo vivente, ma la cellula è sia vivente che biologico. L’acqua è la componente principale perché ha certe proprietà che la rendono indispensabile per la sussistenza di un sistema biologico. Più un sistema è complesso, più la presenza di acqua diventa indispensabile.

Le caratteristiche chimico-fisiche delle cellule dipendono dalle proprietà chimico-fisiche dell’acqua. L’ossigeno ha numero atomico 8, nella molecola d’acqua viene ibridizzato e i due idrogeni vanno ad occupare due dei 4 orbitali ibridi e due rimangono liberi con i doppietti elettronici: questo fa sì che ha geometria tetraedrica ma non è un tetraedro perfetto perché non ha un angolo di legame di 109,5° ma 104, perché i due doppietti con carica negativa si respingono quindi costringono gli altri due orbitali a stringersi. Quindi si creano due regioni, una dove si addensa maggiormente la carica negativa e una dove si addensa quella positiva quindi l’acqua è un dipolo, presenta una separazione parziale di cariche al suo interno. L’elettronegatività è la tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé il doppietto elettronico di valenza, decresce lungo il gruppo e cresce lungo il periodo, quindi, è la capacità di attrarre a sé gli elettroni di legame quando un atomo di quell’elemento forma un legame con un atomo di un altro elemento. L’acqua è un dipolo e la tendenza a formare una separazione di carica e quindi avere un effetto che induce una separazione di carica in tutti gli oggetti carichi che si avvicinano, si chiama momento dipolare che è l’unità fisica che quantifica la polarità di una molecola. Il momento dipolare (μ) si calcola come prodotto di...