Biochimica

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Libri consigliati

• Introduzione alla biochimica di Lehninger, Zanichelli 2019.
• Conoscere la biochimica, Zanichelli 2019.

Il metabolismo

Il metabolismo può essere di due tipi:

• Degradativo: catabolismo
• Sintesi: anabolismo

Grazie alla degradazione, che avviene in stomaco e intestino, le proteine sono scisse in aminoacidi, gli zuccheri in monosaccaridi e i grassi in acidi grassi e glicerolo. Le pareti del nostro intestino assorbono queste molecole piuttosto che le molecole intere. Inizia poi il catabolismo degradativo nelle cellule. La glicolisi vera e propria è la conversione del glucosio a piruvato.

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Il glucosio non è l’unico monosaccaride, ma anche il galattosio e fruttosio, che sono catalizzati come il glucosio. Si produce ATP. Il piruvato accede ai mitocondri, venendo convertito in Acetil-CoA e da qui inizia il ciclo di Krebs (o ciclo TCA: ciclo degli acidi tricarbossilici). Poi avviene la fosforilazione ossidativa. Tutto l’Acetil-CoA viene degradato a CO₂ e quando convertito, il catabolismo è completo, non si va oltre. Il contrario è l’anabolismo, dove si ha la costruzione delle molecole complesse. La degradazione del catabolismo serve per ricavare energia. Tutte le reazioni del catabolismo sono esoergoniche (ΔG < 0, che non viene perso come calore ma convertita in energia chimica sotto forma di ATP). Il grosso dell’ATP è prodotto dalla fosforilazione ossidativa. L’anabolismo è un processo costruttivo (sono reazioni endoergoniche) ed è necessario ATP.

Le vie metaboliche

È un insieme di reazioni dove un composto A è convertito in B, B in C e così via. Può avere un numero variabile di reazioni. Alcune sono cicliche. La glicolisi è una via metabolica, così come il ciclo di Krebs. Una via metabolica è composta da una serie di tappe enzimatiche in cui A, B, C, D, E ed F rappresentano le molecole prodotte da ciascuna reazione chimica. Spesso sono cicliche, si parte da A e alla fine si ritorna ad A. Il ciclo di Krebs è un esempio. Altre vie metaboliche non sono cicliche, come la glicolisi. Composta da tante reazioni e ciascuna di queste reazioni è lenta, non potrebbe avvenire su una scala di tempi utili per il nostro metabolismo e quindi sono necessari enzimi (il 99% delle reazioni necessita di enzimi). Questi enzimi sono proteine e sono catalizzatori biologici. Hanno come unica funzione quella di catalizzare una reazione di una via metabolica. Se le vie sono n, ci sono n enzimi. Ciascuna reazione della via metabolica è catalizzata da un enzima diverso. La regolazione di una via metabolica ottiene il massimo equilibrio e la minima dispersione di energia. Spesso le vie metaboliche sono regolate da fattori. Un esempio è la via da treonina a isoleucina.

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C’è un enzima che catalizza la reazione, l’isoleucina è anche un inibitore dell’enzima 1, che vi si lega e lo inibisce. Spesso il prodotto finale fa da inibitore di alcuni enzimi della via metabolica, in particolare del primo enzima. Questa reazione ha uno scopo. Questa inibizione permette alla cellula di interrompere la produzione di isoleucina perché magari ce n’è troppa. Non sempre il prodotto finale inibisce il primo enzima, alle volte vengono inibiti il secondo, il terzo e via. Spesso avvengono regolazioni diverse.

Gruppi carboniosi

Gruppo metilico

Il gruppo metilico è un C legato a 3 idrogeni (R – CH₃). È il pezzo di una molecola più complessa.

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Gruppo etilico

Il gruppo etilico è un gruppo alifatico con 2 atomi di C che contiene vari H. R – CH₃ – CH₂. Gruppo propilico, butilico e così via. In tutti questi gruppi il C è saturo, sempre ibridato sp³ e forma sempre 4 legami.

Gruppo fenilico

Il gruppo fenilico è un anello benzenico gruppo che ha elettroni formato da due legami π delocalizzati.

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Gruppo alcolico degli zuccheri

La funzione alcolica (o idrossilica), che è un gruppo OH legato al gruppo R (R – OH). Non solo gli zuccheri hanno questa componente, ma anche l’alcol etilico. L’alcol etilico è un alcol vero e proprio con un solo gruppo OH. Questo gruppo alcolico presente negli zuccheri semplici è idrofilo.

Gruppo carbonilico

Il gruppo carbonilico è di due tipi:

• Aldeidi: C ibridato sp² con doppio legame a O e H. R C = O - OH
• Chetoni: C ha un solo doppio legame con l’O. R – C = O – R

Queste sono funzioni carboniliche.

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Gruppo carbossilico

Carbossile: R – COOH. Il C è legato sp² con doppio legame all’O. Quando ionizzato a pH neutro, si dissocia in una porzione negativa e in un protone.

Gruppo esterico

Esteri: sono condensazioni di un acido carbossilico con un alcol R – COO – R.

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Gruppo fosforico

Presente un fosfato legato a un O e a un gruppo R. Deriva dalla condensazione di un acido fosforico e di un alcol. R – O – P – OH = O – OH. Estremamente ionizzato a pH neutro. Ha funzione energetica e come segnalazione cellulare. L’ossigeno che rimane fuori è quello dell’alcol, così come la catena R. L’ossigeno fa da ponte. Mentre l’estere è la condensazione di un acido con un alcol, questo è acido fosforico con l’alcol.

Gruppo sulfidrico

Gruppo solfidrile (tiolo o funzione tiolica), è un gruppo SH legato alla catena carboniosa (R – SH). Questo è molto simile all’idrossile (o alcol).

Gruppo tioesterico (o tioestere)

Legame tioestere (R – C = O – S – R). Il tioestere ha l’ossigeno al contrario del sulfidrile che ha l’H. Questo deriva dalla condensazione di un gruppo solfidrile con acido carbossilico.

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Gruppo disulfidrico

Disulfide: detto anche ponte disolfuro, deriva da due tioli con eliminazione dei loro H. R – S – S – R. Non viene eliminata una molecola di acqua, qui sono eliminati due atomi di H.

Gruppo amminico

Gruppo amminico: R – NH₂. Ha l’azoto con 2 H attaccati e il gruppo R. Questa è una ammina primaria perché presente solo un gruppo R. Si chiama secondaria se ha due gruppi R, terziaria con 3 gruppi R, non ha più H. A pH neutro di dissocia, normalmente, accettando un protone, ha significato basico.

Una reazione di ossidoriduzione

Avviene l’ossidazione degli atomi di C. Negli idrocarburi è quello più ridotto (o meno ossidato), ibridato sp³ dove lega H e altri atomi di C. In tutti questi casi, un C idrocarburico, ibridato sp³ che lega idrogeni o gruppi R, è il carbonio più ridotto, meno ossidato. Se ossidato, si ossida a gruppo alcolico. Questo carbonio è più ossidato, meno ridotto. Il passaggio da carbonio alifatico a carbonio alcolico prevede una ossidazione. Se ossidato, si ossida ad aldeide.

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Una ulteriore ossidazione porta alla formazione di un gruppo carbossilico. Se ancora ossidato, diventa CO₂, il punto di arrivo. L’ossidazione del catabolismo procede in questo modo, con ossidazione progressiva degli atomi di C. Nel catabolismo si ossida, nell’anabolismo si riduce.

Il metabolismo dei carboidrati

I polisaccaridi

Amido: si digerisce. Amilosio e amilopectina (vegetale). Non è a calorie 0 perché viene degradato dagli enzimi. Sono le piante a produrre amido. Cellulosa: non si digerisce. Di origine vegetale. Glicogeno: si digerisce. Di origine animale. Anche questo viene catabolizzato dagli enzimi. Polisaccaride animale. Muscoli e fegato sono pieni di glicogeno.

Carboidrati legati a proteine

• Glicoproteine: basso contenuto di zuccheri
• Mucopolisaccaridi: alto contenuto di zuccheri

I capostipiti dei monosaccaridi sono loro due:

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Sono composti a 3 atomi di C. Il primo è la gliceraldeide, il secondo è il diidrossiacetone. La gliceraldeide è un aldotrioso. Aldo: funzione aldeidica; Trioso: tre atomi di C. Il diidrossiacetone è un chetotrioso. Cheto: gruppo chetoso. Trioso: tre atomi di C. Sono i monosaccaridi più semplici in natura. Non esistono monosaccaridi con 1 o 2 atomi di C. Esistono i tetrosi, i pentosi, i esosi. Gli esosi sono i più importanti. Quelli più famosi sono il glucosio e il fruttosio, perché i monosaccaridi che provengono dalla dieta sono per lo più esosi.

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Il catabolismo degli zuccheri parte sempre da qui. Si hanno:

• D-Glucosio: aldoesoso
• D-Fruttosio: chetoesoso

D perché l’ultimo OH è rivolto verso destra (non quello del sesto C perché non c’entra nulla). Vediamo un solo gruppo carbonilico. Gli altri C legano funzioni alcoliche. Ne è pieno. Ci sono poi i pentosi, meno importanti ma parte del metabolismo. Provengono dalla dieta.

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Abbiamo:

• D-Ribosio
• 2-Deossi-D-Ribosio: molto importante perché non ha la funzione alcolica in posizione 2, ha un O in meno e lega 2 atomi di H.

Questi sono entrambi aldopentosi. Questi due pentosi, dove in realtà solo il primo è un pentoso, il secondo è più un derivato, sono importanti negli acidi nucleici DNA e RNA. Il D-Ribosio si trova nell’RNA, nel DNA si trova il 2-Deossi-D-Ribosio.

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Forma semiacetalica o emiacetalica

Negli zuccheri può avvenire una condensazione tra un’aldeide e un alcol. Internamente, il gruppo aldeidico si può legare al gruppo alcolico della stessa molecola, formando l’emiacetale. Cosa è successo. L’H si è trasferito ad un O. Può avvenire anche nei chetoni. Queste due reazioni sono reazioni interne. Questa reazione è interna ad un esoso, infatti, vediamo in alto il D-glucosio, aldoesoso. La reazione vista sopra, avviene tra il gruppo aldeidico (rosa) e la funzione alcolica (in rosa). Si ripiega su sé stessa, l’OH legato al C₅ reagisce con il C₁ e si forma l’emiacetale, dove abbiamo OH e H. L’O che era legato al C₅ e quello sopra C₁, l’H si trova invece nel gruppo OH. L’altro H si trova sempre attaccato al C, è quello originale. Questo C₁, prima dell’acilizzazione, non era chirale, lo diventa dopo. Ora, il C₁ è chirale. Quindi sono 2 gli emiacetalici che si formano. Se l’OH si attacca dall’alto, si forma il beta-glucopiranosio, se si attacca dal basso è il beta-glucopiranosio.

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Alfa e beta si distinguono per la chiralità del C₁ e del gruppo OH. Se in basso, alfa. Se in alto, beta. Può esserci conversione diretta tra alfa e beta. La rotazione è detta mutarotazione. Spesso si usano questi nomi perché il ciclo formato ricorda la molecola del pirano, che non è un monosaccaride però, dato che ha lo scheletro simile, si dà il nome di piranosio. Il fruttosio è un chetoso, si forma un ciclo a 5 atomi di C che prende il nome di fruttofuranosio. Furanosio perché lo scheletro ricorda quello del furano.

I disaccaridi

Ci sono anche i disaccaridi formati da due monosaccaridi. Il più comune è il maltosio, che si forma tra due glucosi (alfa + beta). L’OH legato al C₁ e l’H legato al C₄ di un altro glucosio. Si elimina una molecola di acqua, gli atomi eliminati sono in rosa e rimane l’ossigeno a ponte. Questa molecola è il maltosio, due molecole di glucosio condensate. La reazione è detta condensazione. Si ha anche reazione inversa, che è detta idrolisi. Il disaccaride assume acqua riformando le due molecole di glucosio.

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Altri disaccaridi che si formano sono:

• Lattosio: formato da condensazione di un glucosio e di un galattosio, che è simile al glucosio ma l’OH del C₄ è in alto. Il legame è lo stesso. Anche in questo caso accade una condensazione. Se si idrolizza, si riformano galattosio e glucosio.
• Saccarosio: condensazione tra un glucosio alfa e un fruttosio beta. Stavolta reagisce il C₂ del fruttosio che reagisce con il C₁ del glucosio. La reazione è la condensazione. Quella inversa è l’idrolisi.

Questi sono i principali disaccaridi perché la nostra dieta ne è ricca. Il maltosio si trova nel malto, il lattosio nel latte, il saccarosio si trova nello zucchero da cucina, che è saccarosio puro. Quando ingeriamo questi tre disaccaridi, avviene l’idrolisi causata da enzimi nell’intestino, che si chiamano: maltasi, saccarasi e lattasi. La maltasi idrolizza il maltosio, la lattasi idrolizza il lattosio, la saccarasi idrolizza il saccarosio. L’intestino, quindi, assorbe gli zuccheri monosaccaridi, non disaccaridi.

I polisaccaridi

Formati da tante unità saccaridiche, sono catene molto lunghe. Possono essere lineari oppure ramificate. Possono essere formati dalla stessa unità monosaccaridica (detti omopolisaccaridi). Anche gli omopolisaccaridi ramificati sono formati dalla stessa unità monosaccaridica. Gli eteropolisaccaridi sono formati da diverse unità carboniose e possono essere anche loro lineari o ramificati. Ci sono due polisaccaridi: amido e glicogeno. Come sono fatti? L’amido e il glicogeno sono omopolisaccaridi (solo glucosio).

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Il glicogeno è quello più semplice. Corrisponde all’omopolisaccaride ramificato (quello giallo a destra). Le ramificazioni sono molto numerose e fitte. Diverso è l’amido che si distingue in due tipi:

• Amilosio: polimero lineare, non ci sono ramificazioni.
• Amilopectina: polimero ramificato, come il glicogeno, ma, c’è una differenza. Non è simile al glicogeno. Le ramificazioni sono poco frequenti in questo caso, al contrario del glicogeno.

I due granuli sono quelli di amido.

Questa è la foto di una cellula epatica. Il glicogeno si trova nel fegato e nel muscolo e hanno funzione di riserva. Sono i puntini neri. Il glicogeno con cui ci alimentiamo viene da animali, in parte dalla dieta quindi.

Legami nei polisaccaridi

Sono tutti legami alfa 1,4 glicosidici, il C₁ è legato al C₄. Questo legame si chiama legame 1,4 glicosidico. Come quelli del maltosio. Nelle catene lineari, il legame è sempre così. Anche nelle forme ramificate prevale questo tipo di legami. Questo nelle catene principali. L’unico legame diverso che si trova nelle ramificazioni è quello che forma la ramificazione, il primo della ramificazione, questo perché i C₁ e C₄ sono già impegnati nella catena principale. Allora, quello che si forma è questo: La ramificazione è formata dal CH₂OH del C₆. È lui che si lega al C₁, che è il primo glucosio della ramificazione. Questo legame è detto quindi alfa 1→6 glicosidico. Formata la ramificazione, questa continua con il legame alfa 1-4. L’amilosio è blu, l’amilopectina è fuxia. Ci sono catene lineari e secondarie a formare ramificazioni.

Nella digestione interviene l’alfa amilasi sia nello stomaco che nell’intestino. Questi degradano i legami glicosidici. C’è quella specifica per i legami 1-4 e quella specifica per i legami 1-6. Quando si mangiano polimeri del glucosio, l’alfa amilasi idrolizza i legami. Inizialmente a caso e quindi si trasformano in oligosaccaridi, poi intervengono le destrinasi che spezzano le oligosaccaridi e infine le saccarasi, maltasi, che portano alla formazione dei monosaccaridi.

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La cellulosa ha legami beta 1,4 glicosidici. Questi non possono essere idrolizzati dal nostro organismo perché possediamo l’alfa amilasi e non la beta amilasi. La beta amilasi la hanno solo alcuni microrganismi e i ruminanti. Attenzione, gli erbivori non hanno la beta amilasi, ma la usano i microrganismi con cui sono in simbiosi.

ATP: Adenosintrifosfato

È una riserva di energia. È una molecola molto complessa, ma si riconoscono gruppi ben precisi. C’è una base azotata, in particolare adenina. C’è un ribosio, uno zucchero pentoso, il D-Ribosio. Questo in posizione 5 ha un OH legato al fosfato, chiamato fosforile. Poi un fosfato legato al fosfato e un altro fosfato legato al fosfato.

• Adenina
• D-Ribosio
• 3 gruppi fosfato, di cui il primo legato col legame fosforilico, gli altri due sono fosfoanidridici

Si chiama ATP perché è l’acronimo di adenosina trifosfato.

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L’adenosina è l’unione di adenina + ribosio. Questa molecola è la benzina dell’organismo. Noi, per tutti i processi per cui si necessita energia, si sfrutta questa molecola. Questo perché il legame tra il fosforo 3 e 2 è altamente esoergonico e libera 7,3 kcal/mol quando accade l’idrolisi. Quando questo legame fosfoanidridico è idrolizzato, il fosfato viene liberato e rimane l’ADP.

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Può accadere che anche l’ADP si rompa e quindi si viene a formare AMP. Il legame fosfoestere non viene mai idrolizzato.

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La glicolisi

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Il ciclo di Krebs produce molta energia e richiede ossigeno. In condizioni normali la via è quella verticale. Solo in condizioni povere di ossigeno si ha produzione di lattato (come uno sforzo rapido e intenso dove è necessaria molta energia in breve tempo).

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La glicolisi consta di 10 tappe che parte da una molecola di glucosio per ottenere 2 molecole di piruvato. Sono tutte catalizzate da un enzima.

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Prima tappa

Vediamo la forma ciclica dell’alfa D-glucopiranosio. Vediamo una aggiunta d