Biochimica generale

Biochimica generale

La complessità di un composto è legata al suo ordine, ma non solo (sennò moriremmo perché a seconda della situazione in cui ci troviamo dobbiamo avere metabolismi diversi, ad esempio: in stato di digiuno/dopo aver mangiato, se facciamo sport oppure siamo a riposo), è legata anche alla capacità di adattamento, alla dinamicità. Le reazioni chimiche → trasformazione di reagenti in prodotti, una freccia se la trasformazione è totale, se da prodotto torna a reagente due frecce. La trasformazione è dovuta alla rottura di legami e alla formazione di nuovi legami. Vengono interessati gli elettroni più esterni dell'elemento.

Esistono molecole capaci di accelerare questo processo (giocano sulla velocità). Nelle cellule il metabolismo è una sequenza di reazioni che avvengono in presenza di enzimi (se l'enzima non c'è, la reazione non avviene perché se non ci fosse l'enzima il tempo con cui avverrebbero non sarebbe compatibile con la vita). Gli enzimi sono proteine (tranne qualche RNA → riboenzimi). Gli enzimi si formano grazie alla seconda dell'espressione di un gene trascrizione del DNA, se non viene espresso un gene non avrò l'enzima (importante l'epigenetica). I segnali ormonali servono per l'integrazione delle informazioni tra le varie cellule di tessuti diversi.

Bioenergetica e tipi di reazioni biochimiche

Una cellula per vivere ha bisogno di energia → serve per mantenere l'ordine (è un sistema coordinato), per fare le reazioni chimiche di sintesi (per l'anabolismo), per la trascrizione… La cellula usa energia chimica, ricava energia dalle reazioni di ossidoriduzione → quando un composto si ossida si libera energia (es. trasformazione di lattato in piruvato ad opera della lattato deidrogenasi. L'enzima lavora in entrambe le direzioni, la direzione è data dalla presenza del composto iniziale). Il composto che si ossida in genere è il glucosio.

Il numero di ossidazione (riarrangiamento degli elettroni a livello del nucleo → causano energia0, nell'anidride carbonica, CO₂, il carbonio ha numero di ossidazione pari a +4 → è più ossidato. Questa ossidazione rilascia molta energia, è una reazione immediata. Nel metano il numero di ossidazione del carbonio è -4. Le piante sono gli unici esseri viventi in grado di portare la CO₂ a glucosio sfruttando l'energia del sole. L'ossidazione del glucosio negli organismi avviene in varie fasi (altrimenti libererebbe troppa energia, non come la legna che brucia → fase unica), l'accettore finale di elettroni è l'ossigeno.

Per produrre energia dobbiamo mangiare carboidrati (legame glucidico, vengono idratati), acidi grassi (danno la maggior quantità di energia, non li assorbiamo → non vengono solubilizzati in acqua al contrario dei carboidrati. Quando accumuliamo trigliceridi immagazziniamo energia nel tessuto adiposo. Un fosfolipide è (terza catena → acido fosforico con legato CH₂-CH₂-NH₂ → legame estereo, legame covalente)) e proteine (sono tutti e tre composti ridotti), tramite le vie metaboliche (catabolismo) formiamo prodotti finali poveri di energia → CO₂, H₂O e ammoniaca.

ADP si trasforma in ATP legandosi con una molecola di fosfato (molecola energetica, accumula energia) + si riducono dei coenzimi NAD⁺ che diventa NADH (nicotinammide adenin-dinucleotide), il FAD che diventa FADH₂ (flavin adenin-dinucleotide) nel metabolismo. Mentre questi si riducono i composti organici si ossidano.

Durante il catabolismo si sviluppa energia. ADP + HPO₄^2- → questa reazione sfrutta l'energia ricavata dalle reazioni di ossidazione dei composti ridotti introdotti dall'esterno, i nutrienti (si riduce il NAD⁺ o il FAD che diventano NADH e FADH₂). L'ATP è la molecola che immagazzina l'energia ricavate dalle reazioni redox e la rilascia quando è necessaria, durante le reazioni dell'anabolismo→ si passa da composti semplici a macromolecole cellulari. Quando si libera un fosfato si libera energia. La molecola di ATP può essere stabilizzata dal magnesio.

Successivamente si ha l'anabolismo → per gli organismi animali parte da molecole precursori (solo le piante partono da CO₂), aa per le proteine, zuccheri per i carboidrati, acidi grassi per i lipidi e basi azotate (nucleotidi) per gli acidi nucleici. L'adenina è la base azotata, l'adenosina è quando è legata al ribosio che ha legato in posizione 5' il fosfato (mono, di o tri fosfato). Il legame tra il ribosio (zucchero con un gruppo alcolico) e l'acido fosforico è un legame estereo. Il legame tra due acidi (tra i due fosfati) invece è un legame anidridico. Il magnesio si lega all'ATP, compensa le cariche negative dei gruppi fosfato.

Il NAD è il coenzima che viene ossidato o ridotto, in questo caso ridotto durante il metabolismo. In posizione 9 dell'adenina è legato il ribosio (legato all'anello a 5 termini). In posizione 5' del ribosio è legato il fosfato che è legato con un legame anidridico ad un altro fosfato che a sua volta è legato ad un altro ribosio in posizione 5' (uguale all'altro). Questo ribosio è però legato alla nicotinammide, non compare nel DNA (nel nucleotide dell'RNA c'è un solo fosfato). La nicotinammide è in grado di ridursi e dare NADH.

La funzione degli aa è più strutturale che per produrre energia → componenti di membrane e strutture varie. In una dieta iperproteica anche le proteine finiscono per fornire energia (nell'anoressia non introducendo glucosio/alimenti si vanno ad ossidare le proteine del cuore → per questo si muore di patologie cardiache. Non si possono fare flebo per curare la patologia perché le vene sono troppo deboli e si romperebbero).

Cellula batterica → procariote, non sono presenti le membrane (diverso dalla cellula eucariotica → posso usare farmaci selettivi). Fonte di energia per gli animali → chimica, il carbonio subisce una redox. Nell'uomo l'ossigeno è l'accettore finale degli elettroni (si riduce e diventa acqua → dal glucosio si producono 6 molecole di acqua). I composti organici ridotti sono forniti dalle piante che riescono a produrre composti come il glucosio a partire da CO₂ e luce.

L'apparato di Golgi è costituito da membrane formate da lipidi e proteine + in piccola parte colesterolo (come tutte le membrane). L'elemento si unisce insieme a formare un composto (es. H₂O, legame forte tra gli elementi), le molecole che determinano lo stato fisico del composto. L'acqua allo stato puro è liquida, le molecole non sfuggono le une alle altre perché gli elettroni più spostati sull'ossigeno creano delle cariche parziali che si attraggono tra di loro in due molecole diverse (δ- O e H). Abbassando la temperatura i legami diventano più forti e si forma il ghiaccio, se aumento la temperatura invece diventa gas, le molecole si staccano. A seconda delle interazioni tra molecola ho stati fisici diversi. La molecola ha la necessità di mantenere una certa temperatura e pressione (la vita c'è solo allo stato liquido). Le molecole del soluto si sciolgono in acqua (vengono circondate da molecole di acqua, si separano gli ioni se il composto è solubile). Il glucosio lo assumiamo allo stato liquido e non solido → deve essere sciolto in acqua (anche per i sali). Solo gli acidi grassi non si sciolgono in acqua (struttura idrofobica).

I gas si sciolgono in un solvente acquoso → la solubilità a temperatura costante dipende dalla pressione. CO₂ reagisce con l'acqua (si forma il bicarbonato), l'ossigeno no. L'ossigeno si scioglie nel sangue e viene trasportato dall'Hb.

La via metabolica è una serie di reazioni chimiche che avvengono perché gli enzimi intervengono abbassando l'energia di attivazione così che possano avvenire con una velocità compatibile con la vita. I composti alifatici (es. idrocarburi, o catena acidi grassi) sono insolubili in acqua, si aggregano tra di loro → ci sono delle lipoproteine che trasportano gli acidi grassi con la porzione lipofila, e ci sono delle aggregazioni anche nelle membrane (fosfolipidi), o nelle strutture dette micelle.

Osmosi → Le cellule per rimanere intatte devono essere disciolte in soluzioni con uguale osmolarità (stessa concentrazione di sali). Se le metto in una soluzione ipotonica la cellula scoppia, se le metto in una soluzione ipertonica raggrinzisce. La soluzione più concentrata richiama acqua. Le cellule devono stare in una soluzione a pH neutro (7,4 pH fisiologico).

Amminoacidi, peptidi e proteine

L'aa è il costituente base, è costituito da un gruppo amminico (NH₂) e uno carbossilico (COOH). La differenza tra peptide e proteina sta nel numero di amminoacidi di cui sono composti (pochi → peptide, tanti → proteina). A seconda dei gruppi che costituiscono la catena R avrò strutture secondarie/terziarie/quaternarie diverse → a seconda delle caratteristiche avrò interazioni diverse, più o meno forti.

• pK₁ → tendenza a cedere H⁺ a pH molto bassi,
• pK₂ → tendenza a cederli a pH alti,
• pK_R → catena R.

Gli aa aromatici sono essenziali, non riusciamo a sintetizzarli. Gli aa danno anche energia e sintesi di glucosio (non tutti) oltre che formare proteine, inoltre alcuni sono precursori di neurotrasmettitori e ormoni (fenilalanina e tirosina sono precursori di adrenalina, noradrenalina e dopamina, il triptofano è il precursore della serotonina). La prolina è un immino-amminoacido → è un composto ciclico. L'idrogeno libero sull'NH₂ è impegnato nel legame col carbonio. Questo ha delle conseguenze nella struttura secondaria. In ambiente acido ho NH₃⁺, in ambiente basico ho COO^-, al punto isoelettrico ho entrambe le cariche (sia la forma neutra sia quella con + e - → al punto isoelettrico l'aa non si sposta, non migra nel campo elettrico. Il punto isoelettrico si calcola facendo il rapporto tra la somma della pK₁ e della pK₂, diviso 2). Nelle fasi intermedie si forma la soluzione tampone e ho due specie presenti in soluzione (COOH/COO^- nella prima parte e COO^-/COO^2- nella seconda parte (vado da pH acido a basico)).

Esistono dei ponti tra le cisteine, diventano cistine, ponti di solfuro (S-S, legame covalente all'interno della proteina, viene bloccata in quella posizione → la struttura tridimensionale della proteina dipende dagli aa da cui è costituita). La proteina assume una conformazione nello spazio → ci sono delle interazioni tra gli aa. Dipende dalle costrizioni sul legame peptidico e dalla presenza di determinati aa (es. due con gruppi acidi si respingono) che possono interagire tra di loro con interazioni deboli (tutti tranne il legame peptidico e il legame tra due cisteine che sono legami polari, più forti). Si può ripiegare nella struttura secondaria, una ripetizione (alfa elica o beta foglietto) → sono solitamente proteine strutturali → le ripetizioni garantiscono struttura (es. la cheratina dei capelli → i legami tra cisteine determinano i ricci, la struttura arricciata (legami S-S). I legami SH-SH blandi determinano invece la piega liscia. Permanente (da lisci a ricci) vengono ossidati i legami della cisteina, contropermanente (da ricci a lisci) vengono ridotti i legami S-S), o nella struttura terziaria o quaternaria. Se ci sono ispessimenti di catene di cheratina arrivo ad avere le unghie o negli animali le corna. La struttura terziaria è una struttura più raggomitolata (proteine funzionali), la quaternaria è dovuta all'unione di più catene.

Le limitazioni sono date dal legame peptidico → legame formato da un carbonio col doppio legame con l'ossigeno e un legame con l'azoto (elettroni parzialmente condivisi anche con l'azoto oltre che tra carbonio e ossigeno → struttura costretta, tutto sul piano). Il piano è dato dal carbonio alfa sul vertice (con la catena R), il terzo vertice è occupato dal carbonio e azoto all'interno del piano, l'ossigeno si trova su un altro vertice, l'altro carbonio alfa, l'ultimo vertice è occupato dall'idrogeno legato all'azoto. Così i carboni in alfa hanno libertà di rotazione nelle due direzioni, quelli nel piano invece non sono liberi di muoversi → non possono assumere qualsiasi tipo di conformazione.

Esistono delle strutture privilegiate per le proteine → conformazione ad alfa elica (asse immaginario su cui gli aa si avvolgono), a beta foglietto. Si determina una stabilizzazione partendo dal primo aa nell'alfa elica → il 4 si trova in corrispondenza di un ossigeno con idrogeni, si stabiliscono dei legami deboli a idrogeno (intracatena) fra gli amminoacidi (1-4, 2-5, 3-6 ecc.) Ci sono lunghe catene longitudinali che danno stabilità alla struttura. Gli impedimenti sono gruppi R grandi che allontanano, e la presenza di proline perché non hanno sul gruppo N l'idrogeno libero per fare il legame a idrogeno e fare la struttura ad alfa elica (se è presente quell'aa non si forma la struttura ad alfa-elica). I gruppi R sono tutti proiettati all'esterno dell'alfa elica (devono essere gruppi piccoli sennò non riesco a tenerli al di fuori della struttura ad alfa elica). A pH 7 ho entrambe le cariche su NH₂ e COOH e se ho un gruppo alla catena R che può essere caricato anche quello lo sarà.

Proteine amiloidi → hanno la struttura secondaria ripiegata a beta-foglietto. È misfolded e dà malattie definite amilosi come l'Alzheimer (malattie neurodegenerative). Nell'Alzheimer ci sono delle degenerazioni a livello neuronale dovute alla produzione di proteine misfolded (diagnosi dovuta alla quantificazione di queste proteine a livello del liquido cerebrospinale, amiloide, tau e alfa-sinteina). Esistono proteine intrinsecamente disordinate → possono dare interazioni con altre proteine, si hanno alterazioni e posso perdere la funzione (es. p53). Il recettore internalizza il ligando vuol dire che lo porta all'interno della cellula con un'invaginazione. Usando un farmaco che va su quel recettore l'effetto diminuirà allo stesso dosaggio perché il recettore viene internalizzato → ha meno target su cui legarsi. Alcuni tornano sulla superficie esterna e quindi con lo stesso dosaggio posso avere anche un effetto maggiore rispetto alla volta precedente. Esistono anche farmaci biotecnologici che sono proteine. Le proteine possono denaturarsi → perdere la struttura della molecola (non si rompono i legami peptidici covalenti che sono fortissimi, ci vuole ad esempio HCl 6N in un bagno a olio a 250° per tutta la notte per romperli. Si rompono i legami deboli che garantiscono la conformazione tridimensionale della proteina (ad esempio l'alfa elica o il beta foglietto)) e di conseguenza perdere anche la sua funzione.

Nella conformazione ad alfa elica ci sono dei legami longitudinali. Nella conformazione a beta foglietto ho le catene R che sono esterne rispetto al foglietto, si creano legami a idrogeno tra parti della catena diverse (la catena si rigira e si appaia grazie ai legami deboli che si formano). Si ha un appaiamento o antiparallelo (se vanno in direzione opposta) o parallelo (se vanno nella stessa direzione). Il legame è fra l'ossigeno del gruppo peptidico e l'idrogeno dell'NH₂. Anche in questo caso le catene R devono essere piccole → i più presenti sono alanina e glicina. Ad esempio, nei capelli abbiamo l'alfa cheratina, una lunga catena ripiegata ad alfa elica. Ci sono due catene ad alfa elica che sono appaiate, c'è un ispessimento dove le due catene sono più rappresentate e da un protofilamento di due catene appaiate si forma una protofibrilla dove ci sono 4 catene appaiate. Le proteine sono strutture piccole che si organizzano ad essere visibili. Ci sono anche ponti di solfuro (spiegato prima).

Proteina collagene → non ha una struttura né ad alfa elica né a beta foglietto, ma ha una struttura secondaria in cui si ripetono dei residui amminoacidi per giro (3 aa per giro), questi aa sono glicina, prolina e idrossiprolina. Si trova solo in questo tipo di struttura perché la struttura così rigida non è compatibile con la conformazione ad alfa elica. È presente l'idrossiprolina perché si possono realizzare delle modificazioni post-traduzionali a livello degli aa dopo che è stata sintetizzata la catena della proteina (NON si lega l'idrossiprolina con il tRNA!). L'enzima che permette l'idrossilazione sulla prolina (idrossilasi) ha bisogno di un coenzima che è l'acido ascorbico (vitamina C) → se manca la vitamina C c'è poca idrossilazione e il collagene diventa poco a tenuta, non riesce a fare i legami a idrogeno che donano stabilità alla struttura, si formano delle falle (scorbuto che causa perdita di denti e desquamazione della pelle). I coenzimi sono quasi tutti vitamina, ecco perché è importante il loro fabbisogno (non siamo in grado di sintetizzarle). Quella del collageno è una catena sinistrorsa. La glicina, di piccole dimensioni, serve per dare compattezza alla struttura (si aggregano a 3 i filamenti di collagene). È la proteina più abbondante (1/4 di tutte le proteine del nostro corpo). Serve a rinforzare i tendini, gli elastici che contengono la pelle e gli organi interni, le ossa e i denti (costituiti da collagene + cristalli di metalli), da struttura al corpo.