Fisioterapia e professioni sanitarie - Appunti di biochimica

Lezione 1 introduzione al corso

Il corso di biochimica rientra nella materia SPREBU ed ha una valenza di 2 CFU.

L’importanza di questo corso sta però nella propedeuticità a molte altre discipline che si studieranno nel corso del percorso di studi quali fisiologia, patologia e farmacologia.

Gli obiettivi principali sono:

• Imparare i fondamenti necessari per la comprensione della materia vivente e della funzione di alcune rilevanti molecole o macromolecole;
• Conoscere i meccanismi molecolari alla base dei processi vitali e delle varie attività metaboliche.

Importante per un corretto studio della disciplina è fare uso, oltre che del libro e degli appunti, anche delle slide, che verranno caricate con puntualità sul portale Ariel. Su Ariel sono già presenti tutte le presentazioni delle lezioni tenute lo scorso anno, utili per portarsi avanti con un primo studio degli argomenti, ma il lavoro vero e proprio dovrà essere svolto su quelle aggiornate, che verranno caricate al termine di ogni lezione.

Per affrontare al meglio questa disciplina è utile avere una conoscenza pregressa dei seguenti argomenti:

• Elementi di chimica;
• Reazioni chimiche;
• Elementi di biologia;
• Elementi di matematica, in particolare esponenziali e logaritmi.

Il corso sarà di 10 lezioni e con il fine ultimo di porre le basi per le materie del corso di laurea più “specifiche”.

Non ci saranno verifiche intermedie ma un esame finale con struttura a scelta multipla che si terrà in aula informatica. Ci saranno due appelli a febbraio, due a giugno/luglio e due a settembre.

Il programma di esame verrà caricato sul sito più avanti. Si riporta di seguito un riassunto degli argomenti che verranno trattati nelle varie lezioni, utilissimo per organizzare lo studio, il ripasso o per prepararsi alle lezioni:

Biochimica

La biochimica, come dice il nome stesso, può essere intesa come la chimica della vita. Costituisce il ponte fra la biologia e la chimica vera e propria.

La biochimica può essere divisa in:

• Biochimica strutturale: studio delle macromolecole;
• Biochimica metabolica: studio dei processi chimici che avvengono all’interno delle cellule.

La biochimica e la medicina sono discipline intimamente correlate (rapporto bidirezionale), presentano aree di studio ormai quasi completamente sovrapponibili.

Lo studio delle malattie ha rivelato aspetti della biochimica insospettati, mentre dall’altro lato gli approcci biochimici si sono rivelati fondamentali per chiarire le cause delle malattie e progettare terapie appropriate.

La biochimica è un mezzo, non un fine: le vecchie barriere tra le scienze della vita stanno abbattendosi, e la biochimica sta emergendo come linguaggio comune.

Lo stato di salute dipende da un bilancio armonico delle varie reazioni biochimiche, mentre lo stato di malattia riflette sempre anormalità di molecole, reazioni e processi biochimici.

La biochimica ha oggi un tale impatto sulla nutrizione e sulla medicina, che si può affermare che tutte le malattie hanno una base biochimica.

Vediamo ora qualche esempio su come la biochimica influenza, o contrae legami, con le altre discipline:

• La Genetica utilizza la conoscenza degli acidi nucleici;
• La Nutrizione sfrutta la conoscenza delle vie metaboliche;
• La Fisiologia utilizza quasi esclusivamente le conoscenze biochimiche;
• L’Immunologia impiega numerose tecniche biochimiche e molti approcci immunologici sono estensivamente utilizzati dai biochimici;
• La Farmacologia si basa sulle conoscenze acquisite dalla biochimica e dalla fisiologia;
• La Tossicologia utilizza nozioni biochimiche perché i veleni agiscono su reazioni o processi biochimici;
• La Patologia sfrutta gli approcci biochimici a malattie come infiammazione, danno cellulare e cancro;
• La Microbiologia, la Zoologia e la Botanica impiegano quasi esclusivamente approcci biochimici.

Macromolecole (o polimeri)

Le macromolecole sono costituite da una successione ordinata di piccole molecole dette monomeri.

Pur essendo i polimeri estremamente lunghi e variabili sono composti da un set limitato di monomeri. Quest’ultimi possono essere paragonati a dei mattoncini che, assemblati in maniere differenti possono dare vita a un grandissimo numero di costruzioni differenti.

Le macromolecole si formano attraverso reazioni di condensazione, in cui due molecole si uniscono espellendo una molecola d’acqua, e si rompono attraverso reazioni di idrolisi, in cui l’acqua diventa il reagente e provoca la rottura del polimero.

Logica della vita (e dei sistemi viventi)

Le proprietà della materia vivente non derivano semplicemente dalla somma delle proprietà degli elementi che la costituiscono ma sono qualcosa di più. Le strutture della materia vivente sono altamente organizzate e per mantenere l’ordine devono impiegare energia a spese del disordine dell’ambiente (in accordo col secondo principio della termodinamica e col concetto di “entropia”).

Utilizzano energia con un’alta resa di conversione, circa del 35-40% (per fare un confronto i motori ne usano soltanto circa il 12%). Il resto dell’energia è disperso in calore, che risulta utile per mantenere la temperatura corporea entro valori ottimali.

In accordo con quanto detto precedentemente, gli animali a sangue freddo possono avere una resa di conversione dell’energia leggermente superiore perché non hanno bisogno di mantenere alta la temperatura.

L’omeostasi è intesa come la capacità dell’organismo di mantenere la sua struttura e le sue caratteristiche anche in presenza di varie condizioni e stimoli ambientali.

Le cellule sono in grado di accumulare al loro interno gli elementi utili e di espellere, o non assorbire, quelli inutili.

Vediamo ora come varia la concentrazione dei principali ioni nell’ambiente intra/extra cellulare:

• Na⁺ è molto più concentrato nell’ambiente extra-cellulare.
• K⁺ è molto più concentrato nell’ambiente intra-cellulare.
• Ca²⁺ ha una concentrazione pressoché simile nei due ambienti.
• Mg²⁺ è più concentrato nell’ambiente intra-cellulare.
• Cl^- è molto più concentrato nell’ambiente extra-cellulare.
• HCO₃^- ha una concentrazione leggermente superiore nell’ambiente extra-cellulare.
• Fosfati sono più concentrati nell’ambiente intra-cellulare.
• SO₄^2- ha una concentrazione pressoché simile nei due ambienti.
• Proteine sono più concentrate nell’ambiente intra-cellulare.

La cellula

Pur utilizzando il materiale esterno, le cellule si autoriproducono precisamente sfruttando l’informazione contenuta al loro interno: l’acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA trasporta l’informazione con straordinaria fedeltà. Le infedeltà sono responsabili, fra le altre cose, dell’evoluzione della specie: i sistemi viventi sono anche capaci di evoluzione e si possono adattare all’ambiente.

Le cellule animali sono incapaci di utilizzare il calore come fonte di energia e necessitano di trasformare l’energia potenziale contenuta negli alimenti in energia chimica:

• Adenosintrifosfato (ATP), principale trasportatore di energia chimica;
• Le modalità di trasformazione in energia avvengono in molti stadi;
• Gli enzimi coinvolti funzionano in maniera concertata lungo le vie metaboliche;
• Le vie metaboliche sono autoregolate tramite sistemi di controllo o feed-back inhibition massimizzando efficienza e economia.

La cellula eucariote

La cellula eucariote è l’unità strutturale di tutti i sistemi viventi. La sua organizzazione consente di:

• Sopravvivere in ambienti ostili;
• Estrarre dall’ambiente i principi di cui la cellula ha bisogno;
• Riprodursi;
• Svolgere funzioni specifiche;
• Eliminare i prodotti di scarto;
• Autoeliminarsi per dare opportunità a nuove cellule di rimpiazzare quelle vecchie o non funzionanti.

Le cellule eucariote si sono evolute in modo da vivere in simbiosi con l’ambiente.

Importante per studiare in maniera efficace, è tenere a mente che la biochimica non permette un approccio lineare. In altre parole, non può essere intesa come un insieme di argomenti in cascata in quanto quasi tutte le reazioni che la caratterizzano sono intercorrelate fra loro.

Lezione 2 acqua

L’acqua rappresenta l’ambiente in cui si svolgono tutte le funzioni cellulari.

• È una molecola piccolissima, con un peso molecolare di 18 u.m.a. e per questa sua caratteristica riesce a “riempire tutti i buchi” dell’organismo.
• Possiede il più elevato valore di concentrazione molare (o molarità) fra le molecole dell’organismo, pari a 55,6 M. Questo valore non è raggiunto, in un organismo vivente, da nessun’altra molecola.

!"""#- = 55,6 Numero di moli di acqua in un litro (o Kg): !!$ "#$%%%,' )*+,- = 55,6 Molarità: ! --

• Gode inoltre di un’altissima capacità termica, caratteristica che consente a questa sostanza di prevenire la dissipazione del calore all’interno del nostro corpo. La caloria, in fisica, è definita proprio come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo d'acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C, alla pressione atmosferica normale.
• L’acqua è un solvente altamente compatto e denso, che scioglie bene le molecole polari (idratazione).

Nell'acqua, il legame che unisce l'atomo di ossigeno a ciascuno dei due atomi di idrogeno è un legame covalente, ma l'ossigeno, essendo più elettronegativo dell'idrogeno, attira maggiormente gli elettroni che partecipano al legame. L'atomo di ossigeno presenta perciò una parziale carica elettrica negativa, mentre gli atomi di idrogeno presentano una parziale carica elettrica positiva.

La molecola pertanto presenta un polo positivo in corrispondenza degli atomi di idrogeno e un polo negativo in corrispondenza dell'atomo di ossigeno: si dice che tra l'idrogeno e l'ossigeno esiste un legame covalente polare. Per questo si afferma che l'acqua è una molecola "polare", in quanto possiede poli di elettricità opposta, cioè costituisce un dipolo elettrico. Per tale caratteristica l'acqua è in grado di sciogliere le numerose altre sostanze che hanno molecole polari ed è pertanto il solvente più diffuso.

Si ricorda che in chimica si definisce come polarità la proprietà per cui una molecola (detta appunto polare) presenta da un lato una carica parziale positiva e dall’altro una carica parziale negativa. Le molecole che non presentano il fenomeno della polarità sono dette apolari o non polari.

Nell’acqua, l’idrogeno di una molecola reagisce con l’ossigeno di un’altra molecola vicina formando un legame a idrogeno. La forza del legame si esprime in kcal/mole ed indica quanta energia dobbiamo fornire per rompere il legame. Un legame a idrogeno possiede molta meno energia rispetto a un legame covalente, ma rappresenta comunque uno dei legami intermolecolari più forti. La “compattezza” dell’acqua e la distribuzione delle sue molecole è dovuta proprio a tali legami.

Un’altra caratteristica fondamentale dell’acqua è che ha una minore densità allo stato solido rispetto allo stato liquido. Questo perché, quando questa sostanza congela, i legami a idrogeno “fissano” l’H₂O in una struttura cristallina rigida in cui ogni molecola forma legami a idrogeno con le quattro molecole circostanti. È per questo motivo che il ghiaccio galleggia sull’acqua, fungendo da isolante termico nei laghi e negli stagni e permettendo la vita sottostante.

Rilevante è anche sapere che nel vapore acqueo non si formano legami a idrogeno, per la grande distanza fra le molecole e per la loro agitazione termica.

La solvatazione è un processo chimico che consiste nella formazione di complessi tra solvente e soluto. Nel processo di solvatazione le molecole del soluto vengono circondate e portate in soluzione dalle molecole del solvente. Un caso particolare di solvatazione è l'idratazione: essa prevede l'utilizzo di acqua come solvente.

Quindi nel caso in cui il solvente sia l'acqua la solvatazione prende il nome di idratazione. Nel processo di idratazione le particelle del soluto (anioni e cationi) sono circondate e portate in soluzione dalle molecole dell'acqua formando ioni idrati. In base a questo processo le sostanze si dividono in due tipologie:

• Idrofiliche (sostanze polari): si sciolgono in acqua grazie alla formazione di legami a idrogeno e/o interazioni dipolo-dipolo con le molecole di questa sostanza;
• Idrofobiche (sostanze apolari): non possono sciogliersi in acqua ma bensì in solventi idrofobici, o apolari. Tali sostanze non sono infatti in grado di formare legami a idrogeno o di stabilire interazioni dipolo-dipolo e, se vengono immesse in una soluzione acquosa, si formano fasi diverse.

Per ricordare quali sono le sostanze che si sciolgono in acqua basta tenere a mente la regoletta “il simile scioglie il simile”.

Distribuzione dell’acqua nell’organismo

L’acqua è l’elemento più abbondante dell’organismo, presente in percentuali diverse soprattutto a seconda del grado di anzianità dell’individuo: si passa dal 75-95% nel feto, al 70-75% nel bambino, fino ad arrivare a meno del 60% nell’adulto e in età avanzata.

Il grasso contiene poca acqua rispetto al tessuto muscolare, per questo un individuo obeso avrà una minor percentuale di questa sostanza rispetto a un individuo normopeso. Sempre per lo stesso motivo individui di sesso femminile, con maggiori riserve di tessuto adiposo, hanno una percentuale di acqua inferiore rispetto a quelli di sesso maschile.

Vediamo ora, molto schematicamente, come è suddivisa l’acqua all’interno del nostro organismo:

• » 2 / sono racchiusi all’interno delle cellule (compartimento intracellulare, o LIC), in strutture separate dall’esterno tramite la membrana cellulare; 3
• » 1 / si trova all’esterno delle cellule 3 (compartimento extracellulare, o LEC). Questa quota di acqua è suddivisa come segue: » ½ costituisce il fluido interstiziale; il resto è per la maggior parte costituito dallo plasma ed in secondo luogo dalla linfa, mentre la piccola parte restante rientra nei cosiddetti fluidi transcellulari (cerebrospinale, sinoviale, fluidi delle sierose, …).

L’argomento è stato trattato molto più approfonditamente nel corso di fisiologia, ripassare pertanto tali appunti per una trattazione più dettagliata.

Per mantenere l’equilibrio dobbiamo introdurre un quantitativo di acqua esattamente uguale a quello che perdiamo durante la giornata.

INTAKE (» 2 L/giorno) PERDITA (» 2 L/giorno)

• Bevande 1,2 L; Urine 1,2 L
• Cibo 0,5 L; Respirazione 0,5 L
• Metabolismo 0,3 L; Sudore 0,2 L
• Feci 0,1 L

Interessante è notare come l’intestino scambi molta più acqua di quella che viene immessa/emessa in una giornata, circa 7 litri al giorno.

Alcune malattie possono provocare disidratazione, facendo espellere al corpo una quantità di liquidi eccessiva. L’esempio tipico è il colera, in cui si può arrivare a perdere addirittura un litro d’acqua ogni ora.

Legge dell’equilibrio chimico (o legge dell’azione di massa)

In una reazione chimica, in breve, i reagenti urtano fra di loro andando a formare i prodotti. Tuttavia, può avvenire anche il procedimento opposto, ovvero i prodotti possono collidere fra di loro andando a riformare i reagenti. In teoria, quindi, ogni trasformazione può avvenire in entrambi i sensi (reazione reversibile) e si parla di reazione diretta e di reazione inversa.

Quando avviene una reazione di questo tipo, ad un certo punto la velocità della reazione inversa eguaglia la velocità della reazione diretta. Si raggiunge così il cosiddetto equilibrio dinamico, ovvero i reagenti si trasformano in prodotti con la stessa velocità con cui i prodotti si trasformano in reagenti e le concentrazioni di questi non cambiano più.

La legge dell’equilibrio può essere enunciata come segue:

“In un sistema chimico all'equilibrio, a una data temperatura costante, il rapporto fra il prodotto delle concentrazioni molari dei prodotti, e il prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, ciascuna elevata a un esponente corrispondente al proprio coefficiente stechiometrico, è una costante.”

K_eq è detta costante di equilibrio; esprime il rapporto tra prodotti e reagenti all’equilibrio.

Indica dunque la direzione predominante nella reazione:

• K_eq >10: favoriti i prodotti;
• K_eq <0,1: favoriti i reagenti;
• 0,1<K_eq<10: reazione in cui sono presenti sia reagenti sia prodotti in concentrazioni analoghe.

La costante di equilibrio non ci dice però quanto tempo è necessario per raggiungere questo equilibrio, ci sono reazioni che lo ottengono in pochi millisecondi e reazioni che impiegano secoli per arrivarci.

È definito pK il cologaritmo in base 10 della costante di equilibrio di una reazione chimica reversibile:

pK = -log₁₀ K_eq

Si tratta semplicemente di un altro modo di esprimere la costante di equilibrio. La costante di equilibrio può infatti assumere un grandissimo numero di valori, ed esprimerli in scala logaritmica può risultare molto più comodo. Più la costante di equilibrio ha un valore e