Biochimica 1

Biochimica

Introduzione

La biochimica è la chimica dei sistemi biologici, ossia la chimica della vita; gli esseri viventi sono composti da molecole senza vita. Nel metabolismo c'è una logica che rispecchia la struttura delle molecole facenti parte del metabolismo e delle reazioni che possono dare; quindi, la biochimica, è la logica dei fenomeni che avvengono all'interno delle cellule. Gli organismi viventi si evolvono nel tempo e il biochimico studia le molecole della vita e il loro rapporto struttura-funzione.

Le proteine sono le componenti funzionali di tutte le cellule. Le proteine possono per esempio essere strutturali, quindi costituire lo scheletro della cellula; possono essere degli enzimi e avere un ruolo catalitico all'interno della cellula; possono essere ormoni e inviare segnalazioni. Ogni diversa funzione che una proteina può avere è associata alla sua struttura tridimensionale.

La biochimica la suddividiamo in 3 grandi settori:

• Vie di informazione
• Struttura e funzione
• Bioenergetica (metabolismo) - gli organismi viventi hanno bisogno di energia per le loro funzioni vitali.

Atomi, energia e distanza di legame

Non tutti gli elementi nella tavola periodica sono usati negli organismi viventi. Quelli più presenti sono carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo. La percentuale in cui gli elementi sono presenti negli organismi viventi non è uguale alla percentuale degli stessi elementi presenti nella crosta terrestre. Questi elementi sono molto più presenti negli organismi viventi rispetto alla loro abbondanza nella crosta terrestre.

Quali sono le proprietà comuni a H, O, C e N che rendono questi atomi così appropriati per la chimica della vita? È la capacità di formare legami covalenti (condivisione di coppie di elettroni tra 2 atomi): legame che si forma per sovrapposizione di 2 orbitali che giacciono sullo stesso piano e che congiungono i 2 nuclei.

Il covalente si può dividere in covalente puro (entrambi gli atomi hanno la stessa elettronegatività, quindi gli elettroni sono equamente distribuiti) e covalente polare. Gli atomi di carbonio possono formare 4 legami covalenti quindi le molecole che si possono formare sono molte e varie. La catena può essere lineare o ciclica. I legami lineari sono più forti dei legami obliqui o angolati.

Forza di legame covalente energia di legame molto alta: O-H (460 kJ/mol); C-H (414 kJ/mol); C-C (348 kJ/mol). Le energie dei legami non covalenti sono molto più basse.

Le forze di van der Waals sono forze molto deboli, ma permettono al geco di camminare sui muri: la zampa del geco è formata da lamelle ognuna delle quali è formata da setole che sono formate da spatole che terminano con una parte un po’ più piatta che è in grado di formare interazioni con il soffitto. Quindi, basta cambiare poco l’angolo di legame delle spatole con il muro e cambia l’interazione e in questo modo i gechi possono muoversi velocemente sui muri. Le spatole sono tante e quindi anche le forze e bastano per mantenere il geco sul muro.

Le interazioni deboli permettono alle molecole di essere flessibili, quindi bastano piccole variazioni di distanza per far muovere la struttura. Riconoscimento tra biomolecole: se i legami fossero covalenti tra le biomolecole, queste non potrebbero più dissociarsi. Le forze deboli costringono gli organismi in uno stretto range di condizioni ambientali, perché le interazioni deboli sono molto sensibili alle condizioni ambientali (ad esempio, un aumento di temperatura, fa aumentare la velocità degli atomi e interagisce soprattutto con le forze deboli. Anche il pH può modificare lo stato di ionizzazione della molecola).

Proprietà distintive degli organismi viventi

• Organismi sono complicati e molto organizzati
• Strutture biologiche servono per scopi funzionali
• Sistemi viventi sono attivamente implicati nei meccanismi di trasformazione dell’energia
• I sistemi viventi hanno la capacità di auto-regolazione

I 7 pilastri fondamentali della vita

• Programma: informazione che servono per definire l’organismo vivente: queste informazioni stanno nel DNA.
• Improvvisazione: capacità di modificare il programma in risposta all’ambiente
• Compartimentalizzazione: tutti gli organismi sono confinati in un volume ristretto. Questo è importante perché l’energia di reazione (quindi la velocità di reazione) dipende dalla concentrazione e quindi mantenere le sostanze confinate mi permette di creare la giusta concentrazione. Inoltre, la compartimentalizzazione mi serve per tenere separate le varie strutture
• Energia: fornire costantemente energia alle cellule
• Rigenerazione: l’enzima deve trasformare il substrato nel prodotto, ma dopo l’enzima (come una macchina) non viene buttato via, ma viene riutilizzato e non sono modificati dalla reazione.
• Adattabilità: risposta immediata a uno stimolo esterno; è qualcosa di rapido (tolgo subito la mano se la metto sul fuoco).
• Esclusione: le vie metaboliche sono unidirezionali, non tornano indietro perché costruiremmo qualcosa per poi distruggerla.

Polimeri biologici

Le proteine sono dei polimeri che hanno come unità di base gli amminoacidi; gli acidi nucleici sono polimeri che hanno come unità di base i nucleotidi e i polisaccaridi sono polimeri formati da monosaccaridi. L’informazione contenuta nel DNA serve a costruire una macromolecola, caratterizzata da una determinata struttura (che serve per esplicare una determinata funzione). Le macromolecole stesse contengono informazioni: la funzione di una proteina è determinata da una sequenza amminoacidica. Per poter polimerizzare una molecola deve avere almeno 2 gruppi funzionali (come le proteine). La proteina ha un verso dall’N-terminale al carbossi-terminale. Gli acidi nucleici sono orientati da 5’ a 3’. Le macromolecole hanno un verso così le possiamo leggere (come le parole che le leggiamo da sinistra verso destra).

Le biomolecole hanno una caratteristica architettura tridimensionale. Le forze deboli mantengono le strutture biologiche e determinano le interazioni biomolecolari. Il carbonio 1 è l’estremità riducente nel glucosio, mentre il carbonio 4 non lo è. La catena polisaccaridica può anche essere ramificata perché i gruppi ossidrili del glucosio sono reattivi e possono reagire anche non linearmente.

Amminoacidi

Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 e sono degli α amminoacidi. La differenza tra i vari amminoacidi è la catena laterale in cui ci possono essere gruppi funzionali che possono reagire con altri composti. Il gruppo amminico e il gruppo carbossilico sono base e acido, ma anche i gruppi funzionali delle catene laterali hanno un pK. L’atomo di carbonio α è legato a 4 gruppi diversi e quindi è un centro di asimmetria e può dare origine a 2 isomeri ottici. Gli amminoacidi possono essere identificati con 3 o 1 lettera: alanina (Ala, A); cisteina (Cys, C).

Classificazione amminoacidi:

• Catene laterali non polari: amminoacido idrofobico
• Catene laterali polari, non cariche: amminoacidi polari non carichi (funzione alcolica)
• Catene laterali polari, cariche: amminoacidi polari carichi

Le catene laterali polari cariche si suddividono in:

• Catene laterali acide
• Catene laterali basiche

Il gruppo carbossilico degli amminoacidi è più acido del gruppo carbossilico degli acidi organici. Questo perché legato al carbonio α c’è un NH3+.

Possono esserci anche amminoacidi idrofobici aromatici come fenilalanina o il triptofano. La metionina contiene un atomo diverso che è lo zolfo legato tra 2 atomi di carbonio. Nella cisteina lo zolfo è terminale ed è sotto forma di SH. La prolina è particolare perché è un α-imminoacido, perché la catena laterale forma un anello con il gruppo α-amminico: questa struttura infatti è rigida.

Amminoacidi polari non carichi

Sono possibili ponti a idrogeno con l’acqua.

• Serina: alcol primario
• Treonina
• Asparagina e glutammina
• Tirosina: amminoacido aromatico e ha un OH che lo rende un po’ più idrofilico perché può formare ponti a idrogeno
• Cisteina: altro amminoacido che può ionizzarsi perché il gruppo SH si può ionizzare perché le dimensioni dello zolfo sono minori di quelle dell’ossigeno. Con 2 cisteine vicine insieme a un ossigeno danno origine a una reazione di ossidazione originando un ponte disolfuro che è un legame covalente (unico legame covalente, oltre al legame peptidico, che possiamo trovare nelle proteine).

Amminoacidi polari carichi

• Amminoacidi acidi: acido aspartico (risente molto meno della stabilizzazione della carica positiva e si avvicina di più al pKa degli acidi carbossilici) e acido glutammico (stabilizzato dalla carica positiva e quindi è più stabile come anione).
• Amminoacidi basici: lisina, arginina e istidina. Le pKa delle basi organiche sono maggiori delle pKa dei gruppi α-amminici, per la vicinanza del gruppo carbossilico. I pH delle catene laterali sono simili a quelli delle basi organiche. L’istidina è particolare perché ha un pKa=6,04 e, quindi, ha potere tamponante nell’intervallo di pH= 6.04±1, cioè tra 5.04 e 7.04 (a pH fisiologico) ed è l’unico amminoacido con queste proprietà.

Zwitterione

In un ambiente diverso da quello acquoso non valgono più le regole del pKa (questo accade nelle cellule in cui il sito attivo dell’enzima non è acquoso). Gli acidi e le basi deboli sono protonati o deprotonati a seconda del pH a cui si trovano. Un acido a pH acido è protonato, quando il pH raggiunge il valore della pKa abbiamo la metà dell’acido protonata, mentre quando si supera il valore della pKa, la quantità dell’acido deprotonato aumenta.

A pH fisiologico, normalmente, un amminoacido non polare si trova in forma zwitterionica:

• A pH=0 il gruppo α-carbossilico è protonato, mentre il gruppo amminico è protonato. Quindi l’amminoacido è nella forma di ione positivo.
• A pH=7 il gruppo carbossilico è deprotonato completamente, mentre il gruppo amminico è ancora protonato (zwitterione, ossia la forma di doppio ione).
• A pH=11 il gruppo carbossilico rimane deprotonato, mentre anche il gruppo amminico si deprotona (e quindi non è carico). Quindi l’amminoacido è nella forma di ione negativo.

Le molecole cariche messe in un campo elettrico si spostano verso il polo di carica opposta alla loro carica. Un amminoacido a pH 0, essendo carico positivamente, tenderà a muoversi verso il polo negativo. Allo stesso modo, un amminoacido a pH 11 (basico), essendo carico negativamente, tenderà a muoversi verso il polo positivo. A pH=7 l’amminoacido in un campo elettrico non si sposta perché ha carica netta uguale a zero (punto isoelettrico: valore di pH al quale l’amminoacido ha carica netta uguale a zero). Il punto isoelettrico per tutti gli amminoacidi non polari è intorno a 7. Le cose cambiano per gli amminoacidi polari.

Per quanto riguarda gli amminoacidi non polari, per il calcolo del punto isoelettrico è necessario sapere i valori delle pKa del gruppo carbossilico e del gruppo amminico. A questo punto è possibile conoscere il valore del Punto Isoelettrico calcolando la media delle due pKa. Nel caso dell’alanina il Punto Isoelettrico è a pH=6.02.

La situazione cambia quando si è in presenza di un amminoacido acido o basico. Nell’acido aspartico, ad esempio, si ha che la pKa del gruppo α-amminico è circa 9, la pKa del gruppo α-carbossilico è circa 2 e la pKa del gruppo carbossilico della catena laterale è circa 4. Se si prende in considerazione un valore di pH di circa 3, il gruppo α-carbossilico è deprotonato poiché la sua pKa è pari a 2, mentre il gruppo α-carbossilico è invece protonato. Siamo quindi di fronte a uno Zwitterione, poiché il gruppo carbossilico della catena laterale resta protonato, avendo pKa pari a 4. In questo caso, quindi, il Punto Isoelettrico si trova calcolando la media delle due pKa dei gruppi carbossilici, quello α e quello della catena laterale.

Per quanto riguarda gli amminoacidi basici, la regola è la medesima ma la media riguarda le pKa dei due gruppi amminici e ci si sposta verso pH più basici.

La conoscenza del punto isoelettrico di un amminoacido può essere importante perché sulla base di esso avviene la separazione attraverso elettroforesi, ma nel momento in cui gli amminoacidi vanno ad unirsi tramite legame peptidico, il gruppo α-amminico e il gruppo α-carbossilico sono impegnati nel legame e quindi non più ionizzabili.

A questo punto possiamo parlare del punto isoelettrico delle proteine (valore di pH al quale la carica totale della proteina è zero). Quindi, ciò che contribuisce alla carica della proteina sono le catene laterali e i gruppi funzionali terminali (amminico e carbossilico). Il punto isoelettrico delle proteine è importante perché se prendiamo l’alanina a un pH inferiore al punto isoelettrico, l’alanina si trova come ione positivo. Se in soluzione acquosa si scontrano 2 alanine sotto forma di ioni positivi, si respingono. Al punto isoelettrico 2 alanine sono neutre e quindi si respingono molto di meno e quindi sono molto meno solubili. La solubilità di una proteina è minima al punto isoelettrico e ha valori massimi per valori superiori o inferiori al punto isoelettrico. È quindi possibile variare il pH per far precipitare una proteina senza denaturarla.

Stereochimica

Tutti gli amminoacidi tranne la glicina hanno almeno un carbonio chirale che è il carbonio α e quindi possono esistere in 2 conformazioni (e non 2 configurazioni, per cui occorre rompere dei legami per interconvertire una forma nell’altra), ossia L e D. L’enantiomero L è quello che si trova di più nelle proteine (soprattutto in quelle animali), perché se proviamo a sintetizzare un amminoacido in laboratorio otteniamo un racemo, ma la sintesi è mediata dagli enzimi che favoriscono un determinato tipo di prodotto rispetto all’altro, ossia l’enantiomero L. Nel processo di invecchiamento degli organismi la forma L delle proteine si può trasformare nella forma D.

Curiosità: L’analisi delle conformazioni (D/L) degli amminoacidi viene utilizzata dalla NASA per valutare se i residui proteici rinvenuti, per esempio, in meteoriti, provengono dalla miscela del brodo primordiale (sintesi chimica) oppure da una vita precedente. In caso di sintesi chimica sono presenti entrambi gli enantiomeri, mentre se quei residui derivano da una vita precedente è presente solamente una configurazione, che risulta prevalente sull’altra.

Farmaci con isomeri ottici

Esistono diversi farmaci che possiedono isomeri ottici. Alcuni di questi hanno esattamente lo stesso effetto nella forma D e nella forma L, ma ne esistono invece alcuni per i quali una forma risulta attiva mentre l’altra risulta inattiva. Esiste però anche il caso in cui una forma è attiva e funzionante, mentre l’altra risulta addirittura dannosa per la salute. Un esempio di quest’ultimo caso è Prozac, un farmaco antidepressivo che possiede l’enantiomero R funzionante e l’enantiomero S considerato potenzialmente pericoloso. Ancora più famoso è l’esempio di Talidomide, un farmaco largamente utilizzato negli anni ’60 dalle madri in gravidanza, che si dimostrò pericolosissimo poiché uno dei due enantiomeri era estremamente dannoso per la salute del feto. Un altro esempio abbastanza particolare riguarda l’L-Triptofano. Negli anni 90 fu evidenziata la correlazione tra l’assunzione di questo farmaco e l’insorgenza di una rara malattia del sangue che prende il nome di “Sindrome Mialgica Eosinofila”. Non fu mai chiaro se la causa scatenante fosse l’L-Triptofano in sé o un contaminante presente nella preparazione nel farmaco stesso, ma in ogni caso iniziò ad essere prodotta una nuova versione del medicinale che non arrecò più alcun danno. Anche il Glutammato di monosodio (MSG), ottenuto dall’Acido Glutammico, può creare problemi. Viene comunemente utilizzato, soprattutto nella cucina cinese, come insaporitore degli alimenti e aromatizzante perché va a stimolare i recettori del sapore. Esiste una sindrome, causata proprio da un eccessivo consumo di questa sostanza, che si chiama “Sindrome da glutammato monosodico” e causa sintomi come emicrania, nausea e altri effetti collaterali più gravi.

Due enantiomeri hanno all’incirca le stesse caratteristiche chimico-fisiche ma sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e questo va a influire pesantemente sulla loro funzione. Nel caso dei farmaci, infatti, un enantiomero potrebbe andare ad agire su un enzima, che ha la caratteristica di possedere un sito attivo estremamente selettivo dal punto di vista enantiomerico.

Derivati degli amminoacidi

Gli amminoacidi nelle proteine possono essere modificati, cioè possono essere fosforilati (O-fosfoserina), carbossilati (carbossi-glutammato), idrossilati (idrossi-prolina), acetilati (acetil-lisina), metilati (metil-istidina). Questo può essere un modo per cambiare la struttura della proteina e di conseguenza la funzione della proteina: gli istoni sono proteine basiche (hanno un eccesso di amminoacidi basici) e questo permette una stretta associazione tra DNA (carico negativamente) e proteine.