Riassunto esame biochimica

Biochimica

Sommario

• Ripasso di chimica ......................................................................................2
• Amminoacidi, peptidi e proteine ...............................................................6
• Struttura tridimensionale delle proteine ................................................ 15
• La funzione delle proteine ...................................................................... 16
• Gli enzimi ........................................................................................... 25
• I glucidi ..................................................................................................... 38
• Nucleotidi e acidi nucleici ....................................................................... 43
• La glicolisi ........................................................................................... 46
• I lipidi ........................................................................................................ 48
• Fosforilazione ossidativa ..................................................................... 55
• Biosegnalazione ....................................................................................... 60
• Catabolismo degli acidi grassi .................................................................. 68
• Biosintesi dei lipidi ................................................................................... 76

Ripasso di chimica

Nelle cellule eucariotiche (siano esse vegetali o animali) il contenuto di determinate molecole e le reazioni chimiche cui esse vanno incontro possono essere considerati universali, ovvero presenti in ogni cellula.

Nel nostro corso:

• Biochimica 1: si occupa di descrivere le varie molecole, costruendole nella loro complessità a partire dai monomeri che le costituiscono. L’analisi delle biomolecole interesserà la loro forma monomerica, dimerica, polimerica, la forma complessa e infine l’associazione delle forme complesse nelle strutture che si ritrovano all’interno della cellula.
• Biochimica 2: si occupa di analizzare in che modo le molecole reagiscono tra di loro e quindi tratta la parte “dinamica” della biochimica.

Biochimica: chimica che si interessa degli esseri viventi, di tutto ciò che è vivo e di tutte le reazioni chimiche che avvengono tra le molecole e che sono quindi alla base della vita stessa.

La biochimica si compone di:

• Biochimica descrittiva: descrive in maniera molto precisa, dal punto di vista prettamente chimico, la composizione delle molecole.
• Biochimica dinamica: metabolica, funzionamento delle reazioni chimiche che interessano le varie molecole.
• Biologia molecolare: rappresenta il punto di passaggio tra quella che una volta era la genetica che si interessava soltanto della struttura del gene ma che adesso è diventata parte integrante della biochimica in quanto si interessa di DNA e RNA e del loro ruolo all’interno della cellula.

Queste tre branchie sono affiancate dalla metodologia biochimica ovvero l’uso di tecniche e strumentazioni che possono essere semplici (come ad esempio la separazione di amminoacidi o proteine) o sempre più complesse, che riguardano quindi l’uso di mezzi e tecniche sofisticati.

La maggior parte degli esseri viventi sono formati da 4 elementi chimici che sono carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto i quali sono vicini nella tavola periodica e sono caratterizzati dalla capacità di formare facilmente tra di loro legami covalenti stabili.

Nella formazione delle molecole biologiche e nei legami tra le molecole stesse sono però, parimenti importanti i legami deboli che si instaurano tra queste molecole. Il più importante di questi è il legame idrogeno.

Contenuto cellulare

È rappresentato da sostanze semplici che possono essere di natura monomerica, come ad esempio:

• Acidi carbossilici: catene idrocarburiche che terminano con il gruppo funzionale –COOH;
• Aldeidi e chetoni;
• Amminoacidi e Monosaccaridi: non sono solo molecole organiche semplici ma molto spesso sono intermedi metabolici che quindi derivano dalla degradazione di molecole complesse e poi vengono riutilizzate dall’organismo per andare a formare molecole complesse ovvero macromolecole (unione di più forme monomeriche).

Macromolecole

Proteine: formate da più amminoacidi legati insieme dal legame peptidico;

Polisaccaridi: risultano unione di più monosaccaridi ovvero zuccheri che possono essere uguali tra loro (omo-polisaccaridi) o diversi (etero-polisaccaridi);

Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi associati con le proteine. Un nucleotide è formato da base azotata legata allo zucchero che è il ribosio (RNA) o il desossiribosio (DNA) legato a una molecola di acido fosforico.

Lipidi: unione di acidi grassi con glicerolo nel caso dei trigliceridi o con glicerolo e acido fosforico per formare i fosfolipidi.

Oltre a queste molecole organiche, nella cellula sono anche presenti delle sostanze inorganiche come ad esempio zolfo, fosforo, calcio, magnesio, sodio, potassio, cloro e altri elementi presenti in tracce tra cui ferro, manganese, zolfo e cobalto che hanno molte funzioni anche strutturali come calcio e fosfato nella composizione delle ossa; sodio e potassio sono invece importanti per le pompe; ferro è l’elemento fondamentale per il trasporto dell’ossigeno insieme al gruppo eme nell’emoglobina; manganese, zinco e cobalto molto spesso sono fondamentali nell’aiutare la catalasi enzimatica.

Non meno importante è il contenuto in acqua la quale rappresenta il 70% in peso di tutte le cellule. Solo 4 degli elementi della tavola periodica elementi detti primari ovvero ossigeno idrogeno carbonio e azoto rappresentano il 99% di tutte le componenti presenti all’interno della cellula. Essi rientrano nei 28 elementi che sono rappresentati negli organismi viventi, di cui i restanti sono detti elementi secondari e rappresentano delle piccole percentuali tuttavia non meno importanti.

Sostanze essenziali: non si trovano facilmente nel nostro organismo né esso è in grado di sintetizzare per cui devono essere introdotte con l’alimentazione (aa essenziali, acidi grassi essenziali ecc).

Tutta la chimica degli esseri viventi è basata sul carbonio il quale si lega con legami covalenti forti sia ad idrogeno e ossigeno (legami eteropolari) che ad altri atomi di carbonio stesso (legami omopolari) formando così dei polimeri catene lineari ramificati o strutture cicliche.

Essendo bassa la differenza di elettronegatività tra atomi di carbonio e di ossigeno i legami tra queste molecole non danno la possibilità alle molecole che formano di reagire tra loro. Alcani alcheni e alchini sono sostanze dette sostanze paraffine (assenza di affinità) ovvero incapaci di legarsi tra loro.

Si parla di legame covalente semplice quando viene messa in compartecipazione una sola coppia di elettroni, doppio equivale a due coppie di elettroni, triplo tre coppie. In particolare si trova un legame covalente omopolare C—C negli Alcani, un doppio legame negli alcheni, e un triplo legame negli alchini (quest’ultima classe non si trova però nei composti biochimici).

Il carbonio è in grado di formare 4 legami covalenti semplici negli alcani, i quattro legami sono posti a una distanza di 109.5° e il legame C—C dà la possibilità alla molecola di ruotare attorno all’asse di legame. Al contrario nel caso degli alcheni gli atomi di carbonio non sono in grado di ruotare attorno all’asse di legame: il doppio legame è infatti più corto e più stabile di un legame semplice.

Gruppi funzionali

Le molecole biologiche sono formate dalla concatenazione di atomi di carbonio e sono strutture che possono essere considerate derivate dagli idrocarburi (i quali non hanno affinità) con sostituzione di un atomo di C con un gruppo funzionale; questi ultimi sono appunto responsabili delle interazioni tra le varie catene.

• Gruppo alcolico o ossidrile –OH;
• Gruppo carbonile: gruppo aldeidico o gruppo chetonico. I gruppi carbonilici sono di notevole importanza nei carboidrati in quanto identificano due diverse classi: gli aldosi e i chetosi a seconda del gruppo funzionale presente all’interno della catena. La coesistenza di entrambi i gruppi insieme a gruppi alcolici permette la formazione delle forme cicliche e quindi influenza la reattività della molecola.
• Gruppi carbossilico: caratterizza le molecole degli acidi grassi in quanto il gruppo funzionale è legato a una lunga catena idrocarburica alifatica idrofobica.
• Gruppo aminico: caratterizza insieme al gruppo carbossilico gli amminoacidi;
• Gruppo amidico;
• Gruppo imidazolico;
• Gruppo guanidinico;
• Gruppo tiolico o sulfidrilico –SH responsabile dei ponti disolfuro tra gli aminoacidi che servono a stabilizzare la struttura delle proteine;
• Gruppo fosforile o fosforico importante nei fosfolipidi.

Reazioni tra gruppi funzionali

• Legame etere: si forma tra due gruppi –OH;
• Legame estere: gruppo alcolico più gruppo carbossilico dell’acido;
• Legame tioestere: gruppo tiolico più gruppo carbossilico dell’acido;
• Legame anidridico: formato da due molecole di acidi carbossilici che reagiscono per eliminazione di una molecola di acqua;
• Anidride mista formata da un gruppo carbossilico e una molecola di acido fosforico;
• Fosfo-anidride: due molecole di acido fosforico più acido carbossilico.

Importanza biochimica dell’acqua

Rappresenta il 70% del contenuto citosolico e la sua influenza è notevole nel determinare la forma e la ionizzazione delle macromolecole e nel determinare anche il modo in cui si associano i lipidi all’interno delle cellule. Questo grazie a due fondamentali proprietà della molecola dell’acqua che sono:

• La polarità;
• La coesività.

Ha una struttura molto semplice, formata unicamente da due atomi di H e da uno di O, tuttavia ha un punto di ebollizione e un punto di fusione diverso da quello delle molecole che sono formate dagli stessi atomi in quanto la particolare struttura dell’acqua ne influenza le proprietà:

L'ossigeno è legato mediante legame covalente eteropolare a un atomo di H da una parte e a un altro atomo di H dall’altra. Questa struttura caratterizzata da un angolo di 104.5° e in cui l'elettronegatività nell’O è molto più alta di quella dell’H per cui in prossimità dell’O si forma un addensamento di carica notevole e questo porta alla formazione del dipolo. La struttura dipolare dell’acqua influenza il suo comportamento sia all’interno del liquido stesso dove si formano da 3 a 4 legami idrogeno (pur non trattandosi di legami fissi) sia allo stato solido (ghiaccio) dove invece tra due molecole di H₂O sono sempre presenti 4 legami idrogeno in modo tale che le molecole si trovano rigide all’interno del reticolo cristallino. Queste interazioni fra le molecole di acqua sono rappresentate di legami a idrogeno di importanza fondamentale; tuttavia i legami idrogeno sono molto più deboli dei legami covalenti, l’energia necessaria per rompere un legame H è infatti all’incirca 1/10 di quella necessaria a rompere un legame covalente tra H e O.

Si è dunque visto come la polarità della molecola di H₂O influenza la coesione delle molecole stesse. La polarità e il legame H assumono notevole importanza anche in relazione alle molecole biologiche: il legame H si forma infatti tra atomi di H che sono legati covalentemente ad atomi di O, N (e F anche se questo è assente nelle biomolecole) e atomi di O e N di altre molecole.

Esempi di legame idrogeno

• Tra una molecola di H₂O e una molecola con un gruppo –OH;
• O di gruppo carbonilico di un chetone e H₂O;
• Esempio di legame H molto importante: si viene a formare tra due catene polipeptidiche in particolare tra gruppo carbonilico del legame peptidico di una catena e l’H del gruppo aminico del legame peptidico della catena opposta si viene a formare un legame H;
• Legami idrogeno tra le basi azotate all’interno del DNA: tra timina e adenina 2 legami idrogeno; guanina e citosina 3 legami idrogeno. Dalla rottura di questi legami idrogeno si ha l’apertura della molecola di DNA.

Strutture polari e apolari

Strutture polari: tutte quelle strutture che sono in grado, a contatto con H₂O di formare legami H. Presentano dipoli. Es: glucosio; glicina; acido aspartico e acido lattico.

Strutture apolari: non hanno la capacità di disciogliersi in acqua. Non presentano dipoli. Es: cera.

Struttura anfipatica: presenta in alcuni punti strutture polari o idrofile e in altri punti struttura apolari o idrofobiche. Es: aa fenilalanina; fosfolipidi (teste polari: acido fosforico legato alla base azotata; e code apolari: due molecole di acidi grassi legate al glicerolo).

Il comportamento delle molecole in acqua

NaCl: il dipolo negativo dell’O della molecola d’acqua va a circondare lo ione Na⁺, mentre il dipolo positivo caratteristico dell’H circonda lo ione Cl^-: l’acqua permette così il dissolvimento di degli ioni all’interno del citosol della cellula.

Lipidi: lunghe code idrofobiche che terminano con il gruppo carbossilico idrofilo (da considerarsi perciò anfipatiche); il gruppo carbossilico è circondato dalle molecole di H₂O. le code idrofobiche reagiscono tra di loro avvicinandosi mentre le teste polari reagiscono con l’acqua: si formano così le micelle ovvero strutture che tendono a escludere l’acqua al proprio interno relegandola all’esterno di esse dove entra a contatto con le teste polari. (Es. “azione del sapone”: le molecole di grasso sono circondate dalle code apolari, le teste polari collocate invece all’esterno reagiscono con l’acqua).

Gas che si trovano nei liquidi biologici: O₂ e CO₂. Come fanno a essere trasportate all’interno del citosol?

Ossigeno: gas apolare riesce ad essere trasportato solo legato all’atomo di Fe all’interno della molecola di emoglobina;

Anidride carbonica: reagisce con l’acqua formando acido carbonico il quale si dissocia in H⁺ e HCO₃^- (ione bicarbonato solubile).

Legame idrogeno favorisce il contatto tra le molecole anche ad esempio nel caso di un enzima che reagisce ovvero si lega al substrato enzimatico. Altre forze che permettono la interazione tra le varie molecole: interazioni ioniche; elettrostatiche; idrofobiche; forze di Van der Waals.

Amminoacidi, peptidi e proteine

Aminoacidi

Sono i monomeri delle proteine uniti tra loro attraverso legami covalenti (legame peptidico). Gli aminoacidi presenti nelle proteine sono 20, e sono tutti α-aminoacidi.

Hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati allo stesso atomo di carbonio (centro chirale), e differiscono per la catena laterale/gruppo R [esistono altri amminoacidi, presenti nel nostro organismo, ma non fanno parte delle proteine].

A causa della distribuzione tetraedrica degli orbitali di legame, i 4 gruppi differenti (la glicina è l’unico aminoacido ad avere due gruppi uguali) possono disporsi nello spazio in due modi diversi, quindi per ogni aminoacido ci sono due stereoisomeri. Essendo immagini speculari l’una dall’altra non sovrapponibili, le due forme rappresentano una classe di stereoisomeri detti enantiomeri.

Esiste una configurazione assoluta di zuccheri e amminoacidi semplici stabilita con il sistema D, L, basato sulla configurazione della gliceraldeide proposta da Emil Fischer nel 1891 (gli aminoacidi proteici sono tutti stereoisomeri L: le cellule sono in grado di sintetizzare solo questo tipo di configurazione).

Gli amminoacidi possono essere classificati in base al loro gruppo R: questi hanno una polarità molto variabile, da quelli non polari e idrofobici (insolubili in acqua) fino a quelli altamente polari e idrofilici (solubili in acqua).

Un amminoacido neutro ovvero in cui la cui catena laterale non partecipa alla dissociazione:

• A pH 7 è definito ione dipolare o zwitterione. In questa condizione il gruppo carbossilico è sotto forma di COO^- e il gruppo amminico NH₃⁺. Quindi un amminoacido neutro a pH 7 è in forma zwitterionica e le cariche negative sono uguagliate dallo stesso numero di cariche positive.
• A pH 1 quindi elevata concentrazione di ioni H⁺ l’amminoacido tende ad accettare i protoni H⁺ sul gruppo carbossilico che non sarà più sotto forma COO^- ma COOH mentre il gruppo amminico rimane sotto forma di NH₃⁺. In questa condizione l’amminoacido si trova in forma cationica. Quindi quando vi è prevalenza di cariche positive l’amminoacido si trova in ambiente acido.
• A pH 13 quindi elevata concentrazione di ioni OH^- sia il gruppo carbossilico sia quello amminico cedono un protone H⁺ e si trovano sotto forma NH₂ e COO^-. In questo caso l’amminoacido è in forma anionica.

Gruppi R alifatici non polari

Le catene laterali di alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine, tramite interazioni idrofobiche. Troviamo anche la glicina, la metionina e la prolina che ha una catena laterale alifatica con una caratteristica struttura ciclica.

Gruppi R aromatici

Fenilalanina, tirosina e triptofano, con le loro catene laterali aromatiche, sono relativamente non polari.

Gruppi R polari, non carichi

Sono molto più solubili in acqua, o più idrofilici, di quelli degli amminoacidi non polari perché contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l’acqua; la serina, la treonina, la cisteina, l’asparagina e la glutammina. La polarità della serina e della treonina è dovuta al loro gruppo ossidrilico, quella della cisteina al gruppo solfidrico che è un acido debole per cui può formare legami idrogeno deboli con l’ossigeno e con l’azoto, e quella dell’asparagina e della glutammina ai loro gruppi ammidici. La cisteina è facilmente ossidabile e forma, mediante un legame covalente.