Lezione del 18/09 di Biochimica avanzata

Lezione 2: biochimica avanzata

La biochimica

La biochimica è la disciplina che studia la chimica della natura vivente con un approccio non descrittivo, ma molecolare. La conoscenza della chimica, in particolare dei gruppi chimici reattivi presenti a livello delle biomolecole, risulta essere di fondamentale importanza.

Tante discipline, mediche e no, affondano le proprie basi su studi biochimici con un approccio di tipo molecolare.

Affronteremo quindi questa disciplina inizialmente dal punto di vista prettamente chimico-strutturale, per poi associare alla struttura una funzione biologica.

Le tre macroaree principali della biochimica sono:

• La biochimica strutturale;
• La biochimica del metabolismo: quindi è importante in questo caso comprendere le principali vie metaboliche che sono fondamentali per garantire la sopravvivenza cellulare a livello dei tessuti, a livello degli organi e dell'organismo in toto;
• La biochimica della trasmissione dei segnali e dell’informazione genetica: la “trasduzione del segnale” comprende una serie di meccanismi chimici dove sono coinvolte delle molecole chimiche atte a trasferire un'informazione dalla perturbazione a livello dell'ambiente esterno, fino ad una modifica chimica che avviene dentro la cellula e che si ripercuote su una funzione biologica. Tutto questo processo che va dalla percezione del cambiamento delle condizioni ambientali esterne della cellula fino ad arrivare alla funzione biologica, che cambia da parte della cellula, prende il nome di “trasduzione del segnale” perché è una vera e propria traduzione, cioè, cambia il linguaggio chimico passando da una perturbazione dell'ambiente extracellulare a una perturbazione dei comportamenti cellulari. Tutto si basa sempre su meccanismi molecolari, quindi su cambiamenti chimici a carico delle molecole.

Le biomolecole

Quali sono le classi delle biomolecole presenti in natura?

Ci sono 4 classi di biomolecole:

• Tre classi di biomolecole possono dare origine alle macromolecole, cioè, composti polimerici;
• Una classe è invece costituita dai lipidi che non sono macromolecole perché non sono molecole polimeriche.

1) Lipidi

Tra i lipidi ci sono quelli più semplici, come gli acidi grassi, e quelli più complessi che possono essere anche derivati di acidi grassi come, ad esempio, i trigliceridi e i fosfolipidi costituiti da catene isopreniche caratterizzate dalla presenza di un gruppo funzionale chimico di tipo acido, un acido organico di tipo carbossilico.

I gruppi funzionali degli acidi grassi sono gruppi carbossilici terminali presenti a livello di catene idrocarburiche che:

• A pH neutro, cioè a pH fisiologico, conferiscono una carica negativa alla molecola: sono deprotonati e presentano quindi una carica negativa terminale.

Tutta la restante parte della molecola è di tipo idrofobico.

Quindi le biomolecole assumeranno delle caratteristiche diverse sulla base della loro diversa capacità di stare in un ambiente acquoso; in questo caso i lipidi, essendo molecole idrofobiche, formeranno aggregati dati dalla capacità di interagire mediante legami deboli di tipo idrofobico.

Trigliceridi e fosfolipidi

La classe dei lipidi è costituita da molecole fortemente eterogenee, non danno macromolecole e sono molto diverse dal punto di vista chimico; sono accomunate dalla caratteristica fisica di essere idrofobiche, cioè non affini all’acqua, o avere comunque un elevato grado di idrofobicità.

Gli stessi acidi grassi sono anfipatici perché presentano il gruppo carbossilico che è deprotonato e quindi non è una funzione di tipo idrofobico. Tuttavia, gran parte della molecola, essendo una catena idrocarburica, ha un elevato grado di idrofobicità.

Sono rappresentati alcuni trigliceridi e un fosfolipide a confronto.

Il trigliceride è un lipide neutro costituito da una catena di glicerolo dove le funzioni alcoliche sono esterificate. È importante parlare non solo di gruppi funzionali ma anche di legami chimici che si formano fra i gruppi funzionali. Quando si parla di esteri, in chimica si parla di legami dati dalla condensazione di gruppi alcolici con gruppi carbossilici, acidi.

Il legame estere non va confuso con il legame etere; i legami etere sono dati dalla condensazione di due gruppi ossidrilici legati ai rispettivi atomi di carbonio. C’è sempre l’eliminazione di una molecola di acqua, ma nel caso dei legami etere la condensazione avviene tra due gruppi OH legati ai rispettivi atomi di carbonio, mentre nel caso dei legami estere la condensazione avviene tra il gruppo carbossilico e il gruppo ossidrilico legati ai rispetti atomi di carbonio.

Il gruppo ossidrilico proviene dal glicerolo, il gruppo carbossilico proviene da una catena di un acido grasso.

Nel caso dei trigliceridi abbiamo tre acidi grassi che condensano con tutte e tre le funzioni alcoliche del glicerolo formando un lipide neutro. Perché lipidi neutri? Perché in questi lipidi non ritroviamo più le caratteristiche di anfipaticità che avevamo nelle molecole di partenza. Il glicerolo presenta 3 gruppi OH, quindi è una molecola polare. L’acido grasso presenta un gruppo carbossilico, anch’esso ha una funzione chimica di tipo polare, addirittura carica. Questo tipo di funzione, sia l’OH che il gruppo carbossilico, quando si forma il legame estere viene meno.

Quindi non si tratta più di molecole anfipatiche, ma sono molecole completamente neutre, quindi completamente idrofobiche. È importante sottolinearlo perché i trigliceridi li ritroviamo abbondanti nel tessuto adiposo in ambienti completamente segregati dall’ambiente acquoso citosolico e quindi depositati in una forma non solvata, non osmoticamente attiva, che consente dal punto di vista evolutivo di funzionare come molecole di riserva energetica, non solo perché hanno una enorme potenzialità di tipo ossidativo, in grado di dare tante molecole di ATP a seguito di β-ossidazione, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa, ma anche perché vengono depositati in una forma non solvata, cioè che non rappresenta una forma idratata, quindi non abbiamo bisogno dell’acqua di idratazione per poterli depositare all’interno della cellula, e più osmoticamente inattivi in un ambiente segregato dall’ambiente citosolico acquoso, che consente quindi di mantenere in piccoli spazi, in maniera osmoticamente inattiva, un’enorme quantità potenziale di energia.

Ed è per questo che si sono evoluti come molecole di deposito energetico i lipidi piuttosto che altre tipologie di biomolecole.

I lipidi neutri, quindi, hanno una funzione di deposito di energia.

Fosfatidilcolina

Questo è un lipide molto simile a un trigliceride perché presenta sia la catena di glicerolo, sia due delle tre funzioni dove troviamo legami estere con i gruppi alcolici del glicerolo, fra acidi grassi e glicerolo. In terza posizione invece ritroviamo un legame fosfodiestere con una catena di tipo polare, in questo caso si tratta della colina.

I fosfolipidi li ritroviamo genericamente molto abbondanti nelle membrane cellulari, essendo molecole di tipo anfipatico assolvono una funzione completamente diversa rispetto ai trigliceridi: i fosfolipidi hanno una funzione di tipo strutturale.

I fosfolipidi hanno funzione strutturale poiché costituiscono quelle molecole che fanno da barriera a livello delle nostre cellule, a livello della membrana plasmatica, ma anche a livello delle membrane endocellulari.

In particolare, questo tipo di fosfolipide presenta una testa polare carica che è costituita da una colina. La colina presenta un gruppo ammidico carico positivamente, infatti è una ammina quaternaria perché lega tre gruppi metilici e l’altro presente a livello della catena deriva dalla etanolammina per metilazione del gruppo amminico, la vedremo quando parleremo dei fosfolipidi di membrana come fonte di secondi messaggeri, perché i fosfolipidi di membrana rappresentati a livello della membrana non sono solo di per sé molecole che funzionano da barriera, in quanto formano degli aggregati all’interno delle nostre membrane, ma sono anche in alcuni casi la base di partenza per la sintesi di secondi messaggeri. Questo è il ruolo che hanno molti lipidi all’interno del mondo vivente, quello di funzionare da secondi messaggeri.

Colesterolo

I colesteroli nel mondo animale sono rappresentati dal colesterolo.

Il colesterolo è la base di partenza per la sintesi di tutti gli ormoni steroidei, è importante quindi sapere la struttura chimica, ossia tutte le biomolecole che derivano dal colesterolo.

Anche la vitamina D è derivata dal colesterolo.

Com’è fatto il colesterolo?

Il colesterolo è una molecola piuttosto complessa che assolve negli organismi viventi diverse tipologie di funzioni. In particolare, è rappresentata a livello delle membrane biologiche dove svolge una funzione di tampone di fluidità perché si inserisce a livello degli aggregati di fosfolipidi regolando la fluidità.

In particolare, si parla di tampone di fluidità perché è in grado di aumentare la stabilità delle membrane biologiche alle alte temperature, rendendole invece più fluide alle basse temperature. Quindi funziona da regolatore della stabilità a seconda della temperatura.

Stabilizza le membrane alle elevate temperature quando la membrana rischia di diventare troppo fluida, mentre interferisce con la stabilità conferendo una maggiore fluidità alle basse temperature.

Il colesterolo si inserisce, ed è fondamentale, a livello dei foglietti di questo strato fosfolipidico che ritroviamo a livello delle membrane. Quindi il pool di colesterolo che ritroviamo a livello della membrana è un pool di colesterolo completamente diverso rispetto a quello che funziona da precursore degli ormoni steroidei.

In questo caso, infatti, la cellula non intaccherà mai il pool di colesterolo presente a livello della membrana con finalità biosintetiche, ma avrà un pool di colesterolo citosolico che sarà prontamente mobilizzato quando c’è la regolazione della biosintesi degli ormoni steroidei.

Quindi abbiamo due pool separati perché abbiamo due funzioni completamente diverse:

• Funzione di tampone di fluidità della membrana;
• Funzione di precursore nella sintesi degli ormoni steroidei.

Anche i pool fisicamente sono completamente separati all’interno della cellula.

Questo lo vedremo quando parleremo della regolazione della biosintesi degli ormoni steroidei: essendo due funzioni completamente diverse ed essendo la cellula molto sensibile alle variazioni di colesterolo a livello della membrana, non può utilizzare quel pool con finalità biosintetiche.

Struttura del colesterolo

Il colesterolo è costituito da:

• Anello A: primo anello esatomico;
• Anello B: secondo anello esatomico;
• Anello C: terzo anello esatomico;
• Anello D: anello pentatomico legato ad una catena alifatica, che è quella laterale alchilica, e che viene rimossa durante il primo step della sintesi degli ormoni steroidei. Infatti, il colesterolo ha 27 atomi di carbonio mentre gli ormoni steroidei hanno da 21 atomi di carbonio in giù, fino ad arrivare agli ormoni estrogeni e androgeni che hanno 19 e 18.

2) Macromolecole: zuccheri, proteine, acidi nucleici

Le altre tre classi di biomolecole possono dare macromolecole, cioè, possono essere presenti in forma monomerica o in forma polimerica.

Tra queste macromolecole abbiamo: gli zuccheri, le proteine e gli acidi nucleici.

Zuccheri

Gli zuccheri sono catene di carboni che si susseguono e presentano in tutti i casi gruppi ossidrilici eccetto una posizione che è più ossidata, ovvero quella del carbonio anomerico, che presenta un carbonio di tipo carbonilico che può essere:

• Un carbonio aldeidico: se presente ad un’estremità;
• Un carbonio chetonico: se presente invece non all'estremità.

Quindi distinguiamo due classi di zuccheri: gli “aldo-zuccheri” e i “cheto-zuccheri”:

• Aldosi: sono gli zuccheri rappresentati a livello del DNA, in particolare aldopentosi, dove la differenza fra ribosio e desossiribosio è semplicemente a livello della posizione 2 della catena degli atomi di carbonio. In più è presente un gruppo fosfato che si trova “a ponte”, a livello delle catene di acidi nucleici, ed è in grado di formare legami fosfodiestere fra la posizione 3’ e la posizione 5’ dei nucleotidi, uno di seguito all'altro. Questo è ciò che caratterizza proprio i legami fosfodiestere presenti a livello delle catene degli acidi nucleici. Quindi nel caso degli acidi nucleici abbiamo dei monomeri di nucleotidi che sono diversi, ovviamente, dal punto di vista chimico rispetto ai monomeri che ritroviamo a livello delle proteine.

Sia nel caso degli acidi nucleici che nel caso delle proteine si tratta di due tipologie di macromolecole di tipo “informazionale”.

Perché parliamo di molecole informazionali? Perché codificate sulla base di un'istruzione che si trova, nel caso delle proteine, contenuta all'interno di sequenze di aminoacidi.

È importante ricordare che i lipidi, invece, non sono molecole informazionali perché non essendo macromolecole non possiamo identificare un susseguirsi di monomeri che vengono costruiti sulla base di istruzioni contenute all'interno del DNA. I lipidi verranno semplicemente modificati e sintetizzati sulla base della presenza di trasformazioni catalizzate dal punto di vista enzimatico, argomento che affronteremo quando parleremo, ad esempio, della sintesi di biomolecole con caratteristiche ormonali che sono derivate dai lipidi.

Gli zuccheri, invece, sono macromolecole perché dai monosaccaridi possiamo costruire delle catene oligo o polisaccaridiche date dal susseguirsi di questi monomeri.

Il monomero più semplice e più diffuso in natura è ovviamente l’α-D-glucosio o il β-D-glucosio a seconda della stereoisomeria che ritroviamo a livello del carbonio anomerico, cioè del carbonio C1 che nella forma aperta di questo eterociclo è il primo atomo di carbonio, ovvero quello che contiene il gruppo aldeidico. Questo carbonio reattivo in soluzione forma dei legami emiacetalici, cioè forma quindi questi eterocicli dove ritroviamo queste strutture eteroesameriche.

Perché il D-glucosio? Perché in natura ritroviamo prevalentemente questa forma isomerica. Nel corso dell’evoluzione sono avvenute una serie di trasformazioni a carico della materia vivente che hanno portato alla selezione di questo tipo di stereoisomero che viene sintetizzato utilizzando degli enzimi che sono essi stessi delle molecole stereoisomeriche che, quindi, sono in grado di catalizzare reazioni solo di alcuni stereoisomeri ma non di altri, quando parleremo di biosintesi vedremo che solo alcuni tipi di stereoisomeri vengono utilizzati come substrati di alcune reazioni, quindi solo alcuni tipi di stereoisomeri vengono prodotti da queste trasformazioni proprio perché gli enzimi stessi hanno una specificità stereoisomerica.

Quindi è importante anche conoscere gli stereoisomeri che sono rappresentati in natura: nel caso degli zuccheri ritroviamo isomeri della serie D, mentre nel caso degli aminoacidi ritroviamo isomeri della serie L.

Polisaccaridi

Fra i polisaccaridi, quello che studieremo più di tutti e ritroveremo durante questo corso è il glicogeno.

Il glicogeno è una forma polimerica di glucosio dato dalla formazione di legami α-1,4 glicosidici fra unità di glucosio. Quindi, dal punto di vista chimico, se andiamo a vedere la composizione, questa è uguale fra amido, cellulosa e glicogeno. Ma attenzione, la differenza sta, come al solito, nella struttura che è dettata dalla diversa presenza di legami glicosidici.

Nella cellulosa sono presenti legami β-1,4 glicosidici che tengono insieme la struttura, mentre nel glicogeno e nell’amido la catena principale è caratterizzata dalla presenza di legami α-1,4 glicosidici.

Che differenza c’è fra α e β? La presenza di una diversa posizione del gruppo ossidrilico legato al carbonio anomerico.

In questo caso la differenza consiste nell’acquisizione di una struttura fibrosa, che è quella tipica delle fibre di cellulosa, rispetto a quella granulare, che è quella tipica dei granuli di glicogeno o di amido. In particolare, nel glicogeno e nell’amido, oltre a esserci una catena principale fatta da legami α-1,4 gl