Biochimica 1

BIOCHIMICA I - LEZIONE 1

Professore: Rosario Ammendola –

Dipartimento di Medicina molecolare e Biotecnologie mediche - via S. Pansini, 5 Edificio 19° - 3°

piano. Ricevimento: tutti i giorni previo appuntamento per e-mail.

Telefono: 0817463145 e 0817462036

E-mail: rosario.ammendola@unina.it

Corso: Biochimica Generale e Applicata 1

Esame: scritto (in sede) composto da 30 domande a risposte multiple e orale.

La biochimica studia la chimica applicata alla biologia, ovvero la chimica degli organismi viventi. La

biochimica studia le basi molecolari della vita e il perché esiste la vita, mediante la chimica, la fisica,

la matematica. Andremo a comprendere l'organizzazione strutturale e delle macromolecole; definire

le tappe delle vie metaboliche principali e i meccanismi che regolano e coordinano tali vie, ovvero

come queste macromolecole verranno utilizzate dalle nostre cellule e metabolizzate per produrre

energia; acquisire le metodiche attuali per la preparazione e l'analisi dei sistemi biologici.

Le macromolecole rappresentano la benzina per l’organismo umano, la fonte energetica per lo

sviluppo e la formazione dei meccanismi cellulari che avvengono in noi ogni giorno. Tutti gli

organismi viventi son dei complessi organismi cellulari, per tanto tutto questo sistema è necessario

per garantire le informazioni per il nostro sviluppo. Queste macromolecole e di conseguenza il loro

utilizzo sono altamente regolate, niente avviene per caso nella cellula, tutto deve essere regolato e

noi dobbiamo fare proprio questo come regolare tali processi e il metabolismo. Noi ci riproduciamo

e alimentiamo a spese di macromolecole che provengono dall'esterno e rilasciamo nell'ambiente

esterno prodotti di degradazione, contribuiamo ad aumentare l'entropia dell'universo rispettando il

secondo principio della termodinamica. Come siamo in grado di creare degradazione di

macromolecole siamo anche capaci di sintetizzarle, la cellula ha tutte le capacità per svolgere tali

attività e la possiamo considerare di un vero e proprio laboratorio.

Gli organismi viventi hanno una propria organizzazione, e in questa esistono specifiche funzioni a

seconda del sistema o parte di esso, e la loro diversità è dovuta al fatto che ogni organo, ogni

tessuto, ha una propria serie di reazioni che per ogni organo che le conferisce la diversità di

funzionamento di ognuno di essi. Se tutti gli organi facessero le stesse reazioni sarebbe un inutile

ammasso di reazioni e non avrebbe senso.

Abbiamo detto che siamo in grado di creare, trasformare e assumere energia dall'esterno e lo faccio

creando molecole di ATP che rappresentano un’alta potenzialità energetica. Noi siamo lo sviluppo

di un’evoluzione di organismi più semplici, (molte reazioni che avvengono nei batteri si sono

conservate e replicate nella specie animale) per tanto da un batterio è facile studiare la sua struttura

e metabolismo però la complessità la ritroviamo nel meccanismo che si svilupperà nell'organismo.

Dobbiamo quindi sottolineare che i processi più importanti e complessi si sono conservati

nell’evoluzione e lo vedremo nel corso dello studio di questa materia. Ogni essere vivente è formato

un seti di macromolecole diverse che diversifica ogni specie

In tutti gli organismi viventi è valido il principio di economia molecolare:, la cellula non butta mai nulla

recupera sempre tutto e quello che eliminiamo sono piccole molecole che verranno rilasciate di cui

non ne abbiamo bisogno come ad esempio come acqua, co2, ammoniaca etc. Noi a spese

dell'ambiente creiamo e manteniamo il nostro ordine ma allo stesso tempo l'ambiente esterno

l’entropia.

diventa sempre più disordinato, aumentando

La cellula batterica è diversa quella animale, in quest'ultima il DNA è contenuto in una membrana

nucleare nell'altra il DNA è disperso nel citoplasma; gli organelli nell'animale sono spesso

caratterizzati da membrana a differenza della batterica che non la ha, si trovano tutti insieme; i batteri

inoltre presentano una parete cellulare che invece questa volta la cellula animale non ha. Da

ricordare è che sia batteri che uomo derivano da un progenitore comune che ha generato complessi

più diversi e questo è il motivo del perché molte reazioni assomigliano tra di loro tra specie umana

e batterica. Sappiamo benissimo che, come fonte energetica, sia alcuni batteri che piante si servono

della luce solare, ci ricordiamo la fotosintesi, dove si creano molecole organiche che vengono

utilizzate come fonte di energia. Questo per la specie batterica ma per l'uomo è diverso perché

l’uomo L’uomo

si avvale di composti organici per la vita. e tutti gli animali sono chemiotropi, utilizzano

fonti di carbonio per nutrirsi, che verranno metabolizzati fino a ottenere delle piccole molecole.

Durane queste sintesi vedremo la presenza di molte reazioni di ossidazione, dove verranno prodotti

molti elettroni che arriveranno a degli accettori, nella quale molta energia verrà prodotta. Ovviamente

sarà energia che sarà distribuita in maniera diverso, di fatto ricordiamo che per i carboidrati avremo

bisogno di energia non molto come per gli acidi.

Il processo di trasferimento di questi elettroni e produzione di energia avviene in specifici organelli

chiamati mitocondri, (dove avviene il processo di respirazione cellulare) e il trasferimento della nostra

energia a degli accettori finali rappresentati dall’ossigeno molecolari che andrà a liberare molecole

d’acqua utilizzando i prodotti utilizzati dal catabolismo. Il mitocondrio ha una membrana

mitocondriale esterna e interna, quest'ultima è molto invaginata, definiamo matrice mitocondriale

quella presente all'interno del mitocondrio; mentre la cresta è quella dovuta alle invaginazioni. il

mitocondrio ha un proprio DNA, quindi si replica autonomamente rispetto alla cellula, ed è coinvolto

All’interno della cellula c’è una differenziazione, molte delle reazioni

nei processi prima descritti.

avvengono del mitocondrio, altre nel citoplasma, altre in altri organelli. Questo ci permette di

affermare che non solo abbiamo una differenziazione tissutali bensì anche all’interno della cellula.

La cellula ha deciso che nel mitocondrio avvengono le reazioni di degradazione delle

macromolecole, nel citoplasma avviene la biosintesi di esse. Ma all’interno di questa classifica,

andando nel profondo, possiamo notare che c’è un ulteriore divisione, di fatto ci sono meccanismi

che avvengono sulla cresta mitocondriale; altri nella matrice e così via. Quando parliamo di

degradazione parleremo del catabolismo mentre nelle sintesi anabolismo l'insieme delle reazioni è

rappresentato dal metabolismo.

Il carbonio presenta una certa versatilità nel formare legame. Essendo tutte le biomolecole dei

composti organici possiamo palare di doppi e singoli legame mai tripli, e vedremo che molto spesso

questa dovranno rompere i loro legami per necessità, rimembrando all'economia molecolare questo

avverrà solo in caso necessario per via del dispendio energetico. Durante il metabolismo degli

zuccheri o degli acidi grassi, generalmente queste molecole grandi verranno degradate ad acetil

coenzima A. quindi questa è la molecola che convoglia gli zuccheri e gli acidi grassi. Questa

molecola convoglia tutto il metabolismo cellulare. Esistono interazioni non covalenti tra queste

molecole, come ad esempio legami a idrogeno, ionico, idrofobiche etc. e durante queste interazioni

interverranno queste sostanze che permettono di far avvenire le reazioni in microsecondi, grazie

appunto l’utilizzo di catalizzatori. I catalizzatori, spesso gli enzimi, vanno a modificare la cinetica di

una reazione, in modo diverso da come agiscono in laboratorio i comuni catalizzatori. Vedremo

ancora nel corso la presenza di isomeri geometrici, che spesso presenteranno dei cicli diversi.

Nella cellula, in genere, avvengono cinque tipi di trasformazione chimica:

• ossido riduzione;

• scissione e formazione di legami carbonio carbonio;

• riarrangiamenti interni;

• trasferimento di gruppi;

• reazione di condensazione;

Nelle reazioni ossido riduzione si hanno grazie un trasferimento di elettrone, uno che accetta

l’altro

elettroni e che li cede. In mole ossidazioni biologiche un composto cede 2 elettroni e 2 ioni di

idrogeno.

Questa è una reazione che vedremo spesso. Durante il catabolismo del glucosio, quando ingeriamo

il glucosio, cioè da una molecola a sei atomi di carbonio attraverso il processo di glicolisi si passerà

a piruvato, un composto a 3 atomi di carbonio, quindi il glucosio verrà ridotto a due metà. Questo è

un processo altamente regolato sia da un punto di vista energetico che da un punto di vista ormonale

(glucagone e insulina). il piruvato è un alfachetoacido, infatti il carbonio in alfa una funzione

chetonica e ha un carbonio carbossilico. Il piruvato una volta formato può subire una serie di destini:

può trasformarsi in acetilCoA, quando si trova in condizione anaerobiche, prive di ossigeno, può

trasformarsi in lattato a seguito di una riduzione della funzione carbonilica in funzione alcolica. La

reazione è reversibile, cedendo e donando elettroni, convertendosi in piruvato. Questa è un

processo che non avviene da solo bensì si avvale di un catalizzatore rappresentato dall’enzima

lattatodeidorgenasi (deidrogenasi significa che avviene una redox). Questo enzima infatti molto

espressa nel muscolo, ed è un enzima, così come un reazione molto importante che deve per forza

avvenire. Esiste una lattatodeidrogenasi specifica del cuore, che catalizza la stessa reazione, ma

presenta una diversità regolatoria rispetto a quella che troviamo nel muscolo. In ogni tessuto, o

cellula, esistono degli isoenzimi, ovvero enzimi che catalizzano la stessa reazione ma che la

regolano in maniera diversa. Quella nel cuore assume un importante valore diagnostico, in quanto

il primo valore irregolare che analizziamo quando abbiamo un infarto è proprio la lattatodeidrogenasi.

La scissione e formazione di un legame cc può essere omolitica, quando gli elettroni sono

ugualmente distribuiti, oppure eterolitica quando la separazione avviene in modo disuguale

formando carbocationi e carboanioni e vedremo che molto spesso ci ritroveremo dinanzi questa

situazione.

Gli riarrangiamenti interni sono dovuti al trasferimento di elettroni all'interno di una molecola che

può essere: un’isomerizzazione,

produce un riarrangiamento molecolare. Questo riarrangiamento

una trasposizione; un riarrangiamento cis e trans dei doppi legami. un esempio e che facendo

riferimento al glucosio, quando entrerà nelle nostre cellule (con una elevata difficoltà), attraverso

l’insulina (ricordiamoci e sottolineiamo la sua importanza) la prima reazione di glucosio all'interno

del nostro corpo è una fosforilazione in posizione 6. Nella reazione successiva interviene

un’isomerasi, il carbonio 1 che presenta una funzione aldeidica viene trasformata in alcolica, ch20h,

e verrà ossidata in un chetone. L’enzima è un’isomerasi, in particolare una fosfoisomerasi del

glucosio, trasformando lo zucchero in fruttosio.

Trasferimento di gruppi, generalmente con un gruppo fosfato attraverso una molecola di ATP,

facendo sempre riferimento al primo processo della glicolisi. Infatti, una molecola di glucosio può

L’ATP è

attaccare una molecola di atp, che porta il trasferimento del gruppo fosfato in posizione 6.

il principale attore in tutto questo, che ci serve per vivere, muoverci e svolgere tutte le attività.

La reazione di condensazione avviene per la perdita di una molecola d'acqua. A partire da precursori

semplici noi siamo in grado di sintetizzare complessi difficili, grazie alle reazioni che avvengono nei

ribosomi, come gli aa. ma questi ultimi sono anche dei precursori di alcuni ormoni peptidici, di

neurotrasmettitori, gli acidi grassi anche possono rappresentare dei precursori come vediamo nella

membrana plasmatica, così come anche gli zuccheri e acidi nucleici sempre attraverso un

metabolismo organizzato dal nostro organismo.

BIOCHIMICA I - LEZIONE 2

Le proteine sono tra le molecole principalmente rappresentate nella nostra vita, di fatto li troviamo

nel sangue negli animali come insetti o parti di animali. Le proteine si sintetizzano a partire da un

gene, che codifica lacune informazioni attraverso il processo di trascrizione, che avviene nel nucleo

dove si forma un RNA messaggero; che dal nucleo va nel citoplasma e incontra i ribosomi che sono

impiegati nella traduzione, processo in cui avviene la sintesi di una specifica proteina a partire dl

gene di partenza. I ribosomi non fanno altro che catalizzare la formazione di un legame peptidico

che vedremo stesso oggi.

Le nostre cellule sintetizzano continuamente proteine e come le sintetizzano così le degradano. Le

proteine hanno una proprio emivita, infatti noi siamo in grado di fare riserve di grassi ma non di

proteine, che vengono sintetizzate e degradate continuamente. Le proteine sono costitute da

amminoacidi, una molecola che contiene un carbonio chirale alla quale sono legati:

1. un gruppo carbossilico;

2. un gruppo amminico;

3. un atomo di idrogeno;

4. un gruppo R; l’elemento

Il gruppo R rappresenta identificativo per ogni aa. Il centro chiralico è otticamente attivo

e un carbonio in posizione alfa; e i quattro sostituenti possono orientarsi in due modi diversi formando

degli enantiomeri. La nomenclatura prevede che il carbonio chiralico indicato con il numero 2 è il

α,

carbonio il carbonio carbossilico invece è il carbonio 1 e tutti gli altri carboni hanno numeri

crescenti 3, 4, 5, 6 che sono i carboni del gruppo R a cui è legato il carbonio chiralico, questi carboni

β, γ, δ, ε

son detti anche e così via.

Gli amminoacidi sono presenti come stereoisomeri, immagini non speculari e sovrapponibili tra di

loro, e li possiamo distinguere in classe D (destrogiro), quelli che presentano il gruppo amminico a

destra, oppure L (levogiro) che presentano il gruppo amminico a sinistra. Nelle nostre cellule

esistono solo amminoacidi della classe L, non esistono quelli della serie D, fatta eccezione per

qualche caso. Li distribuiamo in amminoacidi che contengono

un gruppo R alifatico non polare es. glicina,

l’isoleucina.

alanina, valina, leucina e Tutti

contengono un gruppo R alifatico non polare.

Alcuni di questi amminoacidi li incontreremo

spesso ed è bene ricordarne la struttura.

Altri amminoacidi (vi ricordo che sono 20 in

tutto) hanno un gruppo R non carico polare.

Questi sono la serina, la treonina, la cisteina,

la prolina, l’asparagina e la glutammina. Fra

l’unico

questi la cisteina è amminoacido tra i 20

a contenere un gruppo sulfidrilico e vedremo

che questo gruppo avrà un ruolo determinante

nella struttura delle proteine.

Infatti i gruppi sulfidrilici possono formare

attraverso una reazione un ponte di disolfuro

in una reazione di ossidoriduzione, per cui due

cisteine presenti in due catene polipeptidiche

diverse o nella stessa catena polipeptidica

possono andare incontro a questa reazione di

ossidoriduzione in cui vengono persi due

elettroni creando un ponte disolfuro. Questo

ponte disolfuro tra residui di cisteina stabilizza

la struttura di molte proteine (quindi gioca un

ruolo determinante). La reazione è reversibile

per cui i ponti disolfuro possono essere ridotti formando di nuovo due gruppi sulfidrilici SH.

Esistono amminoacidi con un gruppo R aromatico. Fenilalanina, tirosina e triptofano hanno il gruppo

aromatico. Molti di questi, come vi mostrerò nel corso delle lezioni, sono precursori di importanti

neurotrasmettitori, quindi giocano un ruolo fondamentale in alcune biosintesi cellulari.

l’arginina l’istidina.

Esistono amminoacidi con gruppo R carico positivamente: la lisina, e

Vi ricordo che stiamo analizzando i gruppi R. I gruppi R carichi negativamente sono aspartato e

glutammato. La carica conferita all’amminoacido è una carica netta negativa: un gruppo COO- del

dell’amminoacido, per cui

gruppo R e il gruppo carbossilico (COO-) la carica netta è una carica

negativa. Oltre i venti amminoacidi noti esistono altri amminoacidi che

definiamo non standard ed è il caso dell’idrossiprolina, che è l'aa

prolina alla quale è stato aggiunto un gruppo OH in posizione 4.

Questi aa giocano un ruolo decisamente rilevante. Altri aa non

standard, di fondamentale importanza sono l'ornitina e citrullina e li

incontreremo nella degradazione delle proteine. Durante la

degradazione l'evento più cruciale è l'eliminazione del gruppo

amminico come molecola ammoniaca, altamente tossica per le

nostre cellule. Per questo le nostre cellule provvedono a sviluppare

meccanismi per eliminare il gruppo amminico prima di smaltirla, e

tale processo è chiamato ciclo dell'urea, che fa parte del ciclo di

Krebs.

Esistono poi amminoacidi che si possono definire essenziali in

quanto non siamo in grado di sintetizzarli e quindi li dobbiamo

inserire attraverso la dieta. Un amminoacido in soluzione si

comporta come uno zwitterione e si comporta sia da acido che

basico a seconda anche del pH di soluzione in cui ci troviamo. La

presenza del gruppo R gli conferisce ancora la possibilità di

distinguersi in donatori o accettori di elettroni.

I peptidi sono delle

catene di aa formati anzi

legati da quelli che sono

dei legami peptidici

attraverso una reazione

di condensazione, che

avviene per una

molecola di OH che

reagisce con un idrogeno

del gruppo amminico

formando la fuoriuscita di

una molecola di acqua

ma allo stesso tempo

formare il legame

peptidico. Tutti gli

amminoacidi possono

formare n legami

peptidici questi si legano

all'estremità di destra,

per conven