Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lehninger

Le molecole della vita

Zuccheri

Gli zuccheri possono essere aldosi o chetosi. Contengono un carbonile e molti ossidrili, perciò avviene la reazione tipica tra alcol e aldeide per formare un emiacetale ciclico: se l'anello possiede 6 atomi si parla di strutture piranosidiche, mentre se ne possiede 5 si parla di strutture furanosidiche. Spesso i C degli zuccheri sono asimmetrici e costituiscono perciò dei centri chirali. Con la ciclizzazione si viene ad avere un nuovo C asimmetrico, perciò da ogni zucchero lineare si possono formare due diverse molecole chiuse, dette anomeri α e β: quest'ultimo risulta più stabile perché dà meno ingombro sterico. In acqua, gli zuccheri si trovano in forma aperta solo per lo 0,001%.

Gli emiacetali possono ulteriormente reagire per formare acetali: tutti i disaccaridi e i polisaccaridi hanno questa natura. In particolare, l'ossidrile emiacetalico reagisce con un altro ossidrile di un altro zucchero, e possono così formarsi lunghe catene, come la cellulosa, che è un polimero di β -glucosio, amido e glicogeno, che sono polimeri di α -glucosio, più o meno ramificati tramite legami α 1→6.

Per la rappresentazione degli zuccheri in forma aperta si usano le proiezioni di Fischer. Le due tipologie sono discriminate con la nomenclatura D/L, che però non indica se la molecola è destrogira o levogira, ma deriva da tale indicazione sulla gliceraldeide, dalla quale sono ottenuti virtualmente, per aggiunta di C, tutti gli altri zuccheri. Esiste però anche una nomenclarura assoluta.

Amminoacidi

Anche gli amminoacidi sono molecole otticamente attive; essi si legano tra loro tramite legami peptidici con l'eliminazione, formalmente, di una molecola d'acqua. In una catena polipeptidica, gli amminoacidi sono ordinati dall'N-terminale al C-terminale. Molti di essi vanno incontro a dissociazione acido-base. Si ricordi che il pKa corrisponde al pH al quale la specie è dissociata al 50%, infatti:

- + - +pK = -log K = -log([A ][H ]/[AH]) e se [AH] = [A ] → K = [H ] → pH = pKa

Il pH e le molecole biologiche

Il pH ha una grande importanza biologica: infatti, ad esempio, uno degli effettori dell'emoglobina è la concentrazione di H⁺, che influisce sulla sua affinità per O₂.

H₂O pK_a = 15,7; alcoli pK_a = 15≈16; acidi carbossilici pK_a = 4≈5 perché delocalizzano la carica negativa.

Gli altri sostituenti su una molecola ne influenzano il pH per effetto induttivo:

• H-COOH pK_a = 3,75
• H₃C-COOH pK_a = 4,75
• ClH₂C-COOH pK_a = 2,92
• Cl₂HC-COOH pK_a = 1,3 (elettronattrattori)
• Cl₃C-COOH pK_a = 0,63

Effetto mesomerico = presenza di forme di risonanza.

I ponti a idrogeno sono legami deboli che possono stabilizzare le molecole: la strategia delle molecole biologiche è usare numerosi legami a idrogeno, che consentono interazioni stabili ma reversibili e cambiamenti di conformazione.

Si noti che gruppi diversi possono influenzarsi a vicenda anche se non sono legati direttamente al gruppo funzionale principale. Si consideri ad esempio l'acido ossalico, in cui i due carbossili sono identici, ma la loro dissociazione non è contemporanea: se si immagina il processo inverso, la molecola dovrebbe incontrare contemporaneamente due H⁺, nello stesso istante e con la direzione giusta per riformare il legame, è una reazione a tre ed è estremamente improbabile. Perciò avviene prima una dissociazione e poi l'altra perché il secondo H⁺ ha meno tendenza a dissociarsi da una molecola già carica negativamente. Man mano che, nei derivati dell'acido ossalico per aggiunta di C, i carbossili si allontanano, il rapporto pK₂/pK₁ diminuisce perché essi tendono sempre più a dissociare in maniera indipendente e in particolare pK₂/pK₁ tende a 1, ma non arriva al valore 1 perché una molecola più lunga può piegarsi, facendo riavvicinare i carbossili e facendo in modo che l'effetto induttivo agisca anche a distanza. L'orientamento dei gruppi è, perciò, importante per la loro funzionalità. Ad esempio, se un -NH₃⁺ si trova vicino ad un -COO^-, è più difficile che -NH₃ si dissoci. Se una proteina subisce un cambiamento di conformazione, i gruppi che si vengono a trovare vicini vedono cambiare le loro proprietà acido-base.

Lipidi

I lipidi comprendono tre classi principali: fosfolipidi, che presentano due code idrofobiche e una testa polare; trigliceridi, che presentano una testa di glicerina (glicerolo) e tre code di acidi grassi legati da un legame di tipo estere; e gli steroidi, che presentano più cicli condensati.

I trigliceridi o triacilgliceridi sono lipidi di riserva; gli acidi grassi sono detti saturi se presentano solo legami singoli, monoinsaturi, diinsaturi o poliinsaturi se presentano doppi legami, che causano il ripiegamento della struttura.

I fosfolipidi sono formati da glicerolo esterificato con due acidi grassi e un gruppo fosfato o un gruppo idrofilico carico, come ad esempio la fosfocolina. I detergenti sono strutturalmente simili ai fosfolipidi, infatti possiedono una testa polare e una coda apolare e tendono a formare micelle in soluzione acquosa. I fosfolipidi però possiedono due code idrofobiche, perciò tendono a formare foglietti membranosi, più che superfici sferiche, e sono alla base delle membrane biologiche. Le teste idrofiliche possono essere costituite da fosfato, colina, etanolammina, serina, inositolo e fosfatidilglicerolo.

Il colesterolo ha un OH idrofilico e tutto il resto della molecola è idrofobico, si pone nelle membrane e le rende più rigide, perciò un eccesso di colesterolo rende eccessivamente rigide le membrane, che non riescono ad assolvere bene alle loro funzioni. Il colesterolo è inoltre il precursore degli steroidi, tra cui vi sono gli ormoni sessuali.

Basi azotate

Le basi azotate sono eterocicli di tipo purinico (adenina e guanina) e pirimidinico (citosina, timina, uracile) che fanno parte degli acidi nucleici ma anche delle molecole metaboliche dette nucleotidi trifosfato, che sono ATP, GTP, UDP, CTP e TTP. Il desossiribosio possiede un OH in meno in posizione 2' rispetto al ribosio: la presenza dell'OH destabilizza l'avvicinamento delle basi, perciò l'RNA ha minore tendenza a formare doppie eliche rispetto al DNA.

Nei nucleotidi trifosfato, il legame tra il C5' del ribosio e il fosfato α è di tipo estere, mentre il legame tra i fosfati α e β e quello tra β e γ è del tipo di un'anidride fosforica: le anidridi sono molecole ad alta energia, ovvero che tendono a scindersi con elevato rilascio di energia. L'ATP è carico negativamente e agli elevati livelli di energia rilasciati dalla sua idrolisi contribuisce anche la repulsione tra le cariche negative. Ci sono ioni positivi come Mg⁺⁺ che possono coordinarsi con le cariche negative e stabilizzarle.

ATP→ADP+energia ADP+energia→ATP

Tutto il metabolismo del cibo serve per rigenerare ATP: l'ATP viene infatti usata per l'anabolismo, il trasporto attivo e le altre attività cellulari e viene rigenerata con il catabolismo e la respirazione cellulare. Si parla di energia formale di idrolisi dell'ATP perché spesso in realtà non avviene una vera e propria idrolisi: se avvenisse, infatti, l'energia di legame si libererebbe sotto forma di calore, mentre per far avvenire i processi anabolici l'energia deve essere imbrigliata e sfruttata gradualmente, perciò nel metabolismo viene evitata l'idrolisi diretta.

L'ATP viene a far parte di un meccanismo che ha come sottoprodotto della sua idrolisi formale una molecola che altrimenti non si formerebbe, ovvero la cui sintesi ha ΔG>0: le reazioni non spontanee vengono fatte avvenire accoppiandole con reazioni spontanee. Tale accoppiamento avviene sugli enzimi, che catalizzano le reazioni.

Ad esempio, nel caso del glutammato che reagisce con ammonio per dare glutammina, l'enzima glutammina sintetasi possiede un sito per l'ATP e uno per l'acido glutammico, a una distanza e orientazione tali da consentire loro di interagire. Da glutammato e un gruppo fosfato si forma un'anidride mista, un intermedio ad alta energia che è il punto di partenza per la sintesi. Sull'enzima c'è anche un residuo in grado di deprotonare NH₄⁺, che per poter reagire deve avere un doppietto libero ed essere quindi :NH₃, che è in grado di attaccare il carbonio carbossilico dell'intermedio, far staccare il fosfato e far avvenire la reazione voluta. Si noti che H₂O non interviene, ma comunque alla fine si ha ADP+P.

Si consideri, ad esempio, la formazione di un'ammide, il cui ΔG = +2 kcal/mol, perciò si tratta di una reazione termodinamicamente sfavorita. Un chimico, partendo dal substrato acido acetico, per renderlo più reattivo lo trasforma in un'anidride acetica, da cui, per reazione con un'ammina, si forma un'ammide, il prodotto di interesse, e si libera una grossa quantità di energia, ΔG = -18 kcal/mol, infatti la reazione è fortemente spostata verso la formazione dell'ammide. Le anidridi sono molecole la cui idrolisi è spontanea e libera ΔG = -20 kcal/mol: se l'idrolisi si fa avvenire separatamente dalla sintesi, l'energia si perde come calore, ma se si fornisce subito l'ammina si riesce a far avvenire la sintesi. In questa reazione, H₂O non compare, non avviene veramente idrolisi, ma l'idrolisi è un parametro che permette di quantificare l'energia racchiusa nei legami. La cellula deve trovare la maniera di fondere il chimismo di due processi, per fare in modo che l'energia venga trasferita dall'uno all'altro.

La peculiarità degli enzimi sta proprio nella capacità di coinvolgere in uno stesso processo più substrati, facendo avvenire reazioni che altrimenti non avverrebbero. I reagenti devono interagire con l'enzima, formando dei complessi.

Molecole ad "alta" e "bassa" energia

Gli esteri, come il glucosio-6-fosfato, si idrolizzano liberando ΔG =-4,5 kcal/mol, un'energia troppo bassa per far avvenire le reazioni endoergoniche necessarie alla cellula, perciò gli esteri sono considerati molecole a bassa energia. Dall'altra parte, vi sono molecole ad altissima energia, come le anidridi, per le quali -20 kcal/mol<ΔG<-12 kcal/mol, e il creatin fosfato, che ha ΔG =-10. Le fosfoanidridi, come l'ATP, sono invece caratterizzate da ΔG =-7,5 kcal/mol, un'energia di idrolisi paragonabile a quella di un tioestere.

Le cellule usano ATP e non molecole ad altissima energia perché queste ultime sono molto più difficili da risintetizzare, mentre l'ATP è una molecola ideale perché ha alta energia, ma non troppo, al punto da renderne facile la risintesi da ADP+fosfato. L'ATP può essere usato in una straordinaria varietà di reazioni e di situazioni e sui catalizzatori c'è sempre un sito di legame per l'ATP, infatti questi siti sono molto conservati evolutivamente.

Anche gli altri nucleotidi trifosfato vengono usati per far avvenire dei processi, come la sintesi di altre molecole. I catalizzatori devono riconoscere reagenti specifici tra altri con reattività simili: spesso ci sono reazioni che a prima vista possono sembrare inutili, ma servono per la sintesi specifica e successiva di altre molecole.

L'UDPG (uridina difosfato glucosio) è formata da uracile+ribosio+difosfato+α-glucosio. Questa molecola serve per far reagire il glucosio con il glicogeno, un polimero di riserva, da cui il glucosio può essere estratto quando necessario. L'UDPG si forma a partire da α-D-glucosio-1-fosfato che reagisce con UTP legandosi al P in α, con la liberazione di pirofosfato (PPi), quindi è come se il glucosio-fosfato si legasse virtualmente a UMP a formare UDPG. Questa reazione è fortemente spostata verso i reagenti. Il pirofosfato che si forma viene idrolizzato da pirofosfatasi e scisso in due molecole di acido ortofosforico, con liberazione di energia: questo spinge in avanti la reazione, perché un prodotto viene costantemente rimosso e quantitativamente trasformato, il che rende quantitativo anche il primo processo.

Il C1' del glucosio in UDPG viene legato al C4' del glicogeno, conformazione di un legame α1→4 (mentre nel caso della cellulosa si formano legami β1→4). Il glucosio-1-fosfato non può da solo trasferire glucosio al glicogeno, mentre l'UDPG costituisce un reagente che serve specificamente per la sintesi di glicogeno. L'UDP infatti non conferisce energia al glucosio, ma è un marchio di specificità, affinché l'enzima preposto lo riconosca: spesso molecole complesse hanno gruppi funzionali ridotti e il resto della molecola ha la funzione di conferire specificità, attraverso i gruppi laterali che intervengono nel riconoscimento della molecola da parte del catalizzatore.

I coenzimi piridinici quali co-reagenti nei processi ossidoriduttivi

L'ATP viene risintetizzato grazie ai processi ossidativi, come la respirazione. Le tappe di ossidazione devono essere discrete e facilmente controllabili. NAD⁺ e NADP⁺ sono cofattori endogeni nei processi ossidoriduttivi. Nel NAD⁺, il gruppo funzionale è la nicotinammide, mentre il resto della molecola serve per la specificità nel riconoscimento. La nicotinammide accetta :H^- e si riduce: NAD⁺ + :H^- → NADH

La molecola di NADP ha un fosfato legato al ribosio che lega l'adenina, il suo gruppo funzionale è comunque la nicotinammide. Questa molecola è indispensabile, perché svolge la funzione di riducente, infatti viene utilizzata come NADPH, che si ossida e cede :H^-. Non ci sono differenze tra i potenziali di riduzione di NADH e NADPH, ma gli enzimi che catalizzano ossidazioni riconoscono solo NAD⁺ e quelli che catalizzano riduzioni riconoscono solo NADPH, queste due molecole quindi servono a far svolgere processi opposti, perciò il rapporto tra NAD⁺ e NADH nella cellula è spostato verso il NAD⁺, che viene continuamente riottenuto da NADH sfruttando molecole in grado di strappare :H^-, come O₂. Ugualmente, è alto il rapporto NADPH/NADP⁺, perché il NADPH opera processi riduttivi, come la sintesi dei grassi, ma serve anche per proteggere la cellula dal potere ossidativo di O₂.

L'energia derivante dai processi ossidativi deve essere imbrigliata evitando che venga dispersa come calore, per sintetizzare molecole la cui sintesi è endoergonica. Perciò l'interazione tra NAD⁺ e NADPH con gli enzimi è molto forte e specifica, vi è tutta una rete di legami di riconoscimento con l'enzima: i cofattori piridinici hanno un'affinità estrema con i loro enzimi, tanto che nella cellula sono sempre legati.

Il NAD quale ossidante

Accoppiamento di ossidazione e fosforilazione a livello di substrato: Meccanismo di formazione della gliceraldeide-3-fosfato sull'enzima: si noti che la gliceraldeide viene bloccata come tioestere, una molecola ad alta energia.

Altri cofattori

Vi è una straordinaria varietà di molecole della vita che entrano in gioco nel metabolismo cellulare, come il FAD (flavina adenina dinucleotide), il cui gruppo funzionale è la flavina, e il Co-A (coenzima-A), il cui gruppo funzionale è SH, un tiolo che va a formare tioesteri.

La vitamina E è una molecola antiossidante e altamente idrofobica, perciò si localizza sulle membrane cellulari; il suo gruppo funzionale è OH, che può formare un radicale abbastanza stabile, che blocca i radicali liberi interagendo con essi prima che possano interagire con altre molecole e distruggerle.

La vitamina B₃ o acido niacinico o niacina è il precursore dei cofattori piridinici.

Proteine

Le proteine hanno un meccanismo di biosintesi molto articolato e molto curato dalla cellula. Esse svolgono numerose funzioni, da quelle strutturali a quelle metaboliche e alla segnalazione con altre cellule, ovvero nelle interazioni. Ricordiamo che quando si usano termini come “sentire” e “rispondere” in relazione alle cellule si intende riassumere le loro interazioni. La biosintesi delle proteine richiede un grande dispendio energetico, perché il prodotto finale deve essere “di qualità”, inoltre vi sono dei “controlli di qualità” successivi alla biosintesi e meccanismi molto articolati di degradazione delle proteine. Infatti, dato che c'è bisogno di proteine ad alta efficienza, esse vengono continuamente degradate: non è conveniente intervenire con riparazioni sulle proteine, che possono essere danneggiate da reazioni, ad esempio quelle con i radicali liberi. Ci sono dei meccanismi di riconoscimento delle proteine difettose che vengono poi degradate (turnover), affinché la cellula disponga sempre di proteine funzionanti.

Le proteine si formano a partire dagli amminoacidi, uniti l'uno all'altro tramite un legame ammidico detto in questo caso legame peptidico.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono molecole chirali, ovvero la loro struttura non è simmetrica e la loro immagine speculare non è loro sovrapponibile, infatti ricordiamo che un atomo di C con 4 sostituenti diversi dà vita a una molecola asimmetrica. Nella biosintesi naturale vengono usati solo gli L-amminoacidi. Ricordiamo che la dicitura D/L deriva dalla gliceraldeide.