Principi di biochimica

Vitamina C

Detta acido ascorbico perché previene lo scorbuto. Chimicamente ricorda la struttura degli esosi con un gruppo enediolo (C2 e C3), che gli dà forte potere riducente ossidandolo a deidroascorbico. Le due forme in equilibrio hanno entrambe attività vitaminica. È un forte riducente stabile in forma secca, ma facilmente ossidato a deidroascorbato in soluzione. In soluzione neutra o alcalina l’apertura dell’anello induce perdita irreversibile dell’attività vitaminica. L’ossidazione è influenzata dal pH, dalla temperatura e dall’ossigeno.

Sintetizzato da piante e animali a partire dal glucosio, è essenziale per poche specie tra cui l’uomo a cui manca l’enzima che catalizza l’ultima reazione della via metabolica. È presente in verdure fresche, frutta (agrumi) e in misura minore in fegato, rene, latte. La cottura ne impoverisce gli alimenti. Le verdure a crescita rapida contengono maggiori quantità di ascorbato. Le concentrazioni variano per varietà, grado di maturazione e tempi e modi di stoccaggio in post-raccolta.

La conservazione e la cottura ossidano rapidamente l’ascorbato. La cottura a vapore è migliore della bollitura. Si ha un aumento di perdita di vitamina C quando si ha un riscaldamento prolungato, un ambiente alcalino e si fa uso di Cu e Fe. L’assorbimento avviene secondo due meccanismi:

• Diffusione passiva (grandi quantità nel lume intestinale)
• Trasporto attivo (Na dipendente)

Circola liberamente o è legata all’albumina nel sangue, si distribuisce nei tessuti e si ritrova nel fegato, ipofisi, rene e cuore. Fabbisogno 45 mg/giorno nell’adulto. È coinvolto come sistema redox in molte attività dell’organismo:

• Metabolismo del collagene, ferro, tirosina
• Metabolismo e liberazione di neurotrasmettitori
• Sintesi di ormoni corticosurrenalici, acidi biliari, carnitina
• Sintesi e/o liberazione prostaglandine
• Catabolismo dell’istamina

Inoltre potenzia e modula la risposta immunitaria, ha un’azione disintossicante verso sostanze esogene e farmaci, protegge dai radicali liberi. Per le sue proprietà antiossidanti è usato come additivo alimentare. Protegge contro il cancro allo stomaco inibendo la formazione delle nitrosamine a partire dai nitriti, più in generale proteggendo le strutture cellulari da ossidazioni e rafforzando le difese immunitarie.

Resistenza vitamine

• Vitamina A: sensibile al calore, alla luce, all'aria e all'acidità.
• Vitamina B12: sensibile alla luce.
• Vitamina C: sensibile al calore (si degrada subito a una temperatura di 40°C e dopo due giorni a temperatura ambiente), alla luce, all'aria e all'alcalinità.
• Vitamina D: sensibile all'aria e all'acidità.
• Vitamina E: sensibile al calore, alla luce e all'aria.
• Vitamina K: sensibile alla luce e all'alcalinità.
• Vitamina B1: sensibile al calore, all'aria e alcalinità.
• Vitamina B2: sensibile al calore, alla luce e all'alcalinità.
• Vitamina B3 o PP: resistente in tutte le condizioni.
• Vitamina B5: sensibile al calore.
• Vitamina B6: sensibile alla luce.
• Vitamina B9: sensibile al calore, alla luce, all'aria e all'acidità.

Bioenergetica

La bioenergetica si occupa dell’energia coinvolta nella formazione (energia da dare) e nella rottura (energia che si libera) dei legami nelle molecole di organismi biologici. Riguarda, cioè, il trasferimento e l’utilizzazione dell’energia nei sistemi biologici. I sistemi biologici sono diversi da qualunque sistema chimico. I sistemi biologici lavorano ad un pH neutro.

Le condizioni standard sono 1 atmosfera di pressione, 25°C e concentrazione 1 M, quindi pH = 0 (in quanto il pH = -log [H⁺] ). Nei sistemi biologici, queste condizioni non possono essere contemplate, perché i sistemi biologici devono lavorare a un pH neutro.

Sistemi biologici e termodinamica

La bioenergetica è la branca della biochimica che si occupa di trasferimento e utilizzazione di energia. Si applicano le leggi della termodinamica. Negli organismi viventi, l’ordine interno viene conservato prelevando energia libera dall’ambiente circostante sotto forma di sostanze nutrienti o luce solare e restituendo all’ambiente una quantità uguale di energia sotto forma di calore e di entropia. Gli organismi hanno una serie di complicatissime reazioni che li tengono in vita. Tanta energia gli organismi prendono dall’ambiente, tanta energia devono liberare. Tutta l’energia che il sistema utilizza, la deve poi rendere. Il primo principio della termodinamica è alla base di tutto ciò che avviene in natura.

Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia per favorire tre processi biologici:

• Produzione di lavoro meccanico durante la contrazione muscolare e i movimenti cellulari
• Il trasporto attivo di molecole e ioni
• La sintesi di macromolecole e di altre biomolecole a partire da precursori più semplici (per esempio dagli amminoacidi proteine)

Quindi noi abbiamo bisogno di un continuo apporto di energia. L’energia serve per la vita. L’energia libera utilizzata in questi processi viene ricavata dall’ambiente circostante, perché gli organismi viventi non sono né un sistema isolato né un sistema chiuso: sono un sistema aperto.

Trasferimento e utilizzo dell'energia

Come ci spieghiamo il trasferimento e l’utilizzazione dell’energia? Lo si spiega sulla base dei tre principi della termodinamica. Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la “zona di spazio” dove avviene il fenomeno da quello che la circonda. Quindi quando si studia un fenomeno, si isola il sistema dall’ambiente, perché le cose, inevitabilmente, si complicherebbero. Il sistema si trova nell’ambiente. Il sistema + l’ambiente costituiscono l’Universo.

Ci sono tre tipi di sistemi:

• Sistema isolato: è un sistema adiabatico, cioè un sistema che non scambia né materia né energia con l’ambiente
• Sistema chiuso: scambia energia ma non materia con l’ambiente
• Sistema aperto: scambia energia e materia con l’ambiente (Dal punto di vista termodinamico, il suolo è un sistema aperto, cioè un sistema che scambia materia ed energia con i comparti ambientali)

Qualsiasi processo che avviene in natura è regolato dalle leggi della termodinamica. Si chiamano principi perché non c’è una dimostrazione matematica della loro veridicità, ma possiamo continuare a chiamarle leggi perché non saranno mai confutate. Se qualcuno dichiarasse che queste leggi non siano veritiere, risolveremmo tutti i problemi del mondo a livello energetico, in quanto saremmo in grado di produrre energia da soli. Questo non può mai avvenire.

Principi della termodinamica

Prima legge della termodinamica (principio di conservazione dell’energia): in qualsiasi trasformazione chimica o fisica, la quantità totale di energia dell’universo resta costante; l’energia può cambiare forma (quindi la si può trasformare) o essere trasferita da una zona ad un’altra (dal sistema all’ambiente, e viceversa), ma non può essere né creata né distrutta. Il sistema può perdere energia che cede all’ambiente. Il sistema può prendere energia dall’ambiente. Ma il bilancio totale di energia (sistema + ambiente) che ci dice che nell’universo l’energia deve rimanere costante. Tanta energia viene prodotta, tanta energia deve essere restituita. Un altro modo di esprimere il primo principio della termodinamica: la variazione di energia interna di un sistema è pari alla somma algebrica degli scambi di calore e di lavoro effettuati ΔU = Q – L.

La prima legge della termodinamica permette di determinare i calori che accompagnano le trasformazioni chimiche, a V e a P cost, ma non indica se tali trasformazioni avvengono spontaneamente. La seconda legge della termodinamica, introduce il concetto di entropia.

Entropia e reazioni spontanee

Seconda legge della termodinamica: un processo può avvenire spontaneamente solo se la somma delle variazioni di entropia del sistema e dell’ambiente aumenta ΔSsistema + ΔSambiente > 0. In tutti i processi naturali, l’entropia tende ad aumentare. L’entropia misura il grado di disordine di un sistema. Supponiamo che il sistema sia l’acqua liquida che congela. Quando l’acqua congela, si ha una diminuzione di entropia, in quanto lo stato solido è molto più ordinato dello stato liquido. È un fenomeno che avviene spontaneamente perché noi raffreddiamo il sistema, e quindi l’ambiente prende il calore che il sistema cede. Quindi quando un processo avviene spontaneamente, stiamo parlando di un processo dove la variazione di entropia del sistema + la variazione di entropia dell’ambiente sia maggiore di 0. Un altro modo per esprimere il secondo principio della termodinamica è che l’entropia dell’universo è in continuo aumento. Questo è esattamente il contrario dell’ordine perfetto della tavola periodica, dell’ordine perfetto di tutte le reazioni che avvengono negli organismi viventi. Quindi da un lato l’universo va verso il disordine, dall’altro lato tutto ciò che esiste, esiste secondo un ordine perfetto. L’entropia del sistema può essere minore di 0. L’entropia dell’ambiente può essere minore di zero. Ma la loro somma deve essere maggiore di 0, quindi positiva.

Reazioni spontanee

Il metano brucia e sviluppa anidride carbonica, acqua e una grande quantità di energia (infatti a casa ci riscaldiamo col metano: l’acqua calda arriva col metano). La reazione inversa è che la CO₂, l’acqua e la stessa quantità energia liberata prima, riformino metano e ossigeno. Il primo principio della termodinamica ci dice che questa reazione sviluppa energia: CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂O + energia. E che questa reazione, per poter avvenire, deve utilizzare esattamente la stessa quantità di energia liberata nella prima reazione: CO₂ + 2H₂O + energia → CH₄ + O₂. Il primo principio dice che queste due reazioni possono avvenire alla stessa maniera purché si utilizzi la stessa quantità di energia. Di queste due reazioni, la seconda non può avvenire né spontaneamente né forzatamente. Se la seconda reazione fosse possibile, non si avrebbe nessun problema di energia. La prima reazione è una reazione irreversibile ma spontanea. Tutte le reazioni spontanee sono irreversibili. Dal punto di vista chimico, quando una reazione avviene spontaneamen te, è sempre irreversibile.