Appunti Biochimica generale e dello sport

Appunti biochimica generale e dello sport

Logica molecolare

Gli organismi viventi sono composti da molecole inanimate (A. Lehninger). Le macromolecole biologiche seguono le leggi della fisica e della chimica che regolano il comportamento della materia inanimata. Esse sono strutture complesse, organizzate e adempiono a specifici ruoli funzionali. Se cambio struttura cambio automaticamente anche la funzione della macromolecola ma ciò porta alla malattia.

Lo scopo della biochimica sta nel cercare di capire come dall'interazione di molecole inanimate si genera la vita. Riconosciamo due tipi di biochimica:

• Biochimica descrittiva che si occupa dello studio della composizione della materia vivente.
• Biochimica dinamica che tratta lo studio del metabolismo. I metabolismi degli atleti sono allenabili.

Materia: possiede massa ed occupa spazio

Elemento: porzione omogenea di materia formata da atomi della stessa specie. Non si possono decomporre in particelle più piccole.

Composto: combinazione atomi di 20 o più elementi; è una miscela di elementi e quando si decompone libera elementi.

Disegno-schema materia

Esistono 109 elementi ed essi vengono indicati con un simbolo, di cui le iniziali vengono dal nome latino dell'elemento stesso. 25 elementi si trovano nel corpo umano e questi vengono considerati essenziali per la vita. Di questi 25 elementi essenziali 4 (carbonio, ossigeno, idrogeno ed azoto) costituiscono il 96% del corpo umano. Gli altri sono comunque molto importanti. Esempio: il selenio, facente parte degli elementi traccia è presente per meno dello 0,01% ma senza di esso no ci sarebbe vita.

L'ossigeno è legato all'ATP e serve per produrre energia (senza morte cellulare). L'asfissia è una morte bioenergetica.

Acqua

L'acqua risulta il composto più abbondante nel corpo rappresentando circa il 75% del peso della maggior parte degli organismi. Tutte le molecole biologiche assumono la forma (quindi la loro funzione) in risposta alle proprietà chimico fisiche dell'acqua. L'acqua consente la struttura delle nostre macromolecole ed è il solvente dove hanno luogo la maggior parte delle reazioni. Si tratta di una molecola polare in quanto l'ossigeno è caricato negativamente mentre l'idrogeno positivamente.

Il legame ad idrogeno

Il legame ad idrogeno non è prerogativa esclusiva dell'acqua, sono presenti tuttavia anche per esempio tra il gruppo ossidrilico di un alcol e l'acqua. Si tratta di un legame debole in quanto richiede poca energia per separarlo. Attenzione però perché nella molecola d'acqua avviene tanta interazione tra tante molecole e diventa una maglia molto forte ma flessibile.

Idrofilo: interazione con l'acqua. Proteine, acidi nucleici e glucidi agiscono con l'acqua formando legami ad idrogeno. I lipidi sono al contrario idrofobici (paura dell'acqua).

La forma di un lipide dipende dalla sua interazione con l'acqua. Micella: insieme di acidi grassi

Soluzione

Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze. La sostanza presente in maggior quantità prende il nome di solvente quella presente in minor quantità si chiama invece soluto. Una soluzione può essere gassosa (aria), solida (leghe come per esempio l'ottone) o liquida (acqua di mare).

Proprietà delle biomolecole

Le biomolecole sono composti del carbonio, la prevalenza è giustificata dalla sua versatilità nel formare legami covalenti stabili, attraverso la condivisione degli elettroni (con se stesso, l'ossigeno, l'idrogeno e l'azoto). Si tratta comunque di quattro atomi che comunemente formano legami covalenti. Gli atomi di carbonio effettuano legami singoli, legami doppi e legami tripli (rari).

Il carbonio possiede 4 elettroni nell'orbitale più esterno, e deve perciò trovarne altri 4 per poter effettuare il legame con l'idrogeno, per via della regola dell'ottetto.

I composti più semplici del carbonio sono gli idrocarburi, costituiti da carbonio e da idrogeno, ma sono poco importanti dal punto di vista biochimico. Più importanti sono altre molecole organiche nelle quali avvengono uno o più legami tra carbonio ed idrogeno.

Gruppi funzionali:

• Gruppo ossidrile (carbonio con ossigeno e idrogeno): alcol
• Gruppo carbonile: doppio legame tra carbonio ed ossigeno, presente negli zuccheri e proteine
• Gruppo carbossile: legame tra carbonio e carbonio, 2 molecole di ossigeno ed una molecola di idrogeno
• Gruppo ammonico: presente negli amminoacidi

Gli alcoli contengono gruppi ossidrilici. I composti che contengono gruppi carbonilici si chiamano aldeidi se il gruppo è legato ad un carbonio terminale o chetoni se il gruppo è legato ad un carbonio interno della catena. Gli zuccheri si distinguono in aldeidi e chetoni.

Acido

L'acido è una sostanza che in ambiente acquoso tende a liberare un protone. Il gruppo carbossilico tende a liberare uno ione di idrogeno caricato positivamente, comportandosi come un acido. Molecole che presentano uno o più gruppi carbossilici si chiamano acidi carbossilici o acidi organici (esempio: acido acetico).

Base

La base è un gruppo o una sostanza che acquista il protone. I gruppi amminici tendono ad accettare la molecola d'idrogeno caricata positivamente formando un gruppo ammonico NH₃⁺. Le ammine sono classificate come basi. Le molecole con più gruppi ammoniaci si chiamano ammine.

Macromolecole biologiche

• Glucidi
• Lipidi
• Proteine
• Acidi nucleici
• Vitamine (composti essenziali, non possono essere sintetizzate dal nostro corpo e quindi siamo costretti ad assumerli)

Glucidi

Classificare significa identificare una struttura, quindi capire la sua funzione. La classificazione dei glucidi avviene in base al numero delle unità monomeriche (unità che non possono essere scisse in unità funzionali vale a dire più piccole) che contengono. Glucidi contenenti una singola unità monomerica prendono il nome di monosaccaridi, glucidi contenenti da due a venti unità monomeriche si chiamano oligosaccaridi ed infine glucidi contenenti oltre venti unità monomeriche vengono definiti polisaccaridi.

Monosaccaride

I monosaccaridi vengono definiti zuccheri semplici e distinti in base al numero di atomi di carbonio contenenti un C che va da 3 a 7. I monosaccaridi vengono definiti aldosi o chetosi in base al fatto che la molecola contenga un gruppo aldeidico o chetonico. I monosaccaridi non possono essere idrolizzati.

Monosaccaridi con 3 atomi di carbonio: triosi, monosaccaridi con 4 atomi di carbonio: tetrosi, monosaccaridi con 5 atomi di carbonio: pentosi, monosaccaridi con 6 atomi di carbonio: esosi, monosaccaridi con 7 atomi di carbonio: eptosi. Il glucosio è il principale zucchero del corpo umano ed è un esoso, 5 gruppi alcolici, gruppo aldeidico. Il numero dei gruppi ossidrilici (OH) è uguale al numero degli atomi di carbonio meno uno.

Epimeri

Si parla di epimeri quando due zuccheri differiscono nella configurazione intorno ad un atomo di carbonio. All'interno della cellula prevale la forma ciclica non lineare, con i gruppi alcolici che possono essere sopra o sotto l'anello e ciò è molto importante per i gruppi che si formeranno. Se il gruppo alcolico è sotto l'anello il gruppo si chiama α-glucosio, se invece il gruppo alcolico rimane sopra l'anello il gruppo è nominato β-glucosio.

Disaccaridi

I disaccaridi sono costituiti da due monosaccaridi uniti da un forte legame glicosidico. Per rompere tale legame ho bisogno di energia. Il maltosio, il saccarosio ed il lattosio sono disaccaridi di interesse biomedico. Il lattosio è tossico alla nascita, e se non viene trasformato in glucosio risulta mortale. Tutti i monosaccaridi diversi dal glucosio devono essere trasformati dal fegato in glucosio, anche se non sono tossici come il galattosio. L'unione di due monosaccaridi crea un legame glicosidico ottenibile tramite condensazione. La separazione di un disaccaride in due monosaccaridi avviene per idrolisi.

Omopolisaccaridi

Gli omopolisaccaridi sono polimeri costituiti da un solo tipo di monosaccaride. Il prefisso omo indica il fatto che il polimero è fatto da uno stesso ed unico monosaccaride. Alcuni sono presenti all'interno delle cellule ed utilizzati come una riserva energetica (amido nei vegetali e glicogeno negli animali). Altri sono invece costituenti strutturali delle pareti cellulari (come la cellulosa) e dell'esoscheletro degli animali (come la chitina), aventi prettamente una funzione di protezione.

Eteropolisaccaridi

Gli eteropolisaccaridi sono formati da due o più tipi diversi di monosaccaridi. Diversi tipi di eteropolisaccaridi nella matrice extracellulare.

Amido

Omopolisaccaride presente nelle cellule vegetali. Polimero del glucosio presente sotto forma di:

• Amilosio (omopolisaccaride lineare)
• Amilopectica (omopolisaccaride ramificato)

Glicogeno

Il glicogeno è un omopolisaccaride ramificato, polimero del glucosio. È la forma principale di deposito dei glucidi negli animali. Ha una struttura simile all'amilopectina, da cui si differenzia per numero delle ramificazioni. Il glicogeno si trova nel fegato (7-10% della massa del fegato) e nei muscoli (1-2% della massa del muscolo).

Il cervello è l'unico organo del corpo umano in grado di utilizzare glucidi a scopo energetico, quindi dobbiamo fornire al cervello una costante glicemia (livello glucosio nel sangue). Lo scopo è far funzionare il cervello con il glucosio, che viene preso dal sangue: glicemia. Chi mantiene la glicemia stabile è il fegato, che immagazzina glucosio per poi rifornire il cervello. Esempio: Dopo 25 km in una maratona il fegato supporta il muscolo.

Cellulosa

La cellulosa è un omopolisaccaride lineare, non ramificato, polimero del glucosio. I residui di glucosio sono legati da legami glucidici β₁→₄. La cellulosa non è idrolizzata dall'uomo poiché non possiede enzimi in grado di scindere questo legame. Glicogeno ed amido (legami glucidici α₁→₄) sono idrolizzati dalle α-amilasi.

Eteropolisaccaridi

Fanno parte degli eteropolisaccaridi l'eparina e l'acido ialuronico. L'eparina serve ad evitare all'interno dei vasi sanguigni la coagulazione del sangue.

Acido ialuronico

L'acido ialuronico è un eteropolisaccaride altamente idratato e partecipa alla composizione dei proteoglicani. I proteoglicani sono i principali costituenti del tessuto connettivo e ne determinano la resistenza meccanica. Le proprietà del tessuto cartilagineo di assorbire gli urti sono dovute al rilascio e all'assorbimento dell'acqua da parte di queste strutture.

Il ruolo biochimico dei glucidi

• I glucidi hanno un ruolo energetico. Bisogna però fare una chiara distinzione. Nel corpo umano l'energia deriva da glucidi (zuccheri) e lipidi (grassi). C'è una differenza nel tipo di energia che apportano. I glucidi apportano energia rapida che consente un metabolismo veloce. A parità di peso i glucidi danno la metà dell'energia dei lipidi, ma i glucidi offrono un'energia rapida. Dopo 24 ore di digiuno non ci sono più scorte di glicogeno. Maggiori sono le scorte endomuscolari, maggiore è la prestazione. Biochimicamente la riserva energetica è rappresentata dai lipidi. Reazione: impossibile trasformare i lipidi in zuccheri.
• Ruolo plastico: ruolo strutturale
• Ruolo idrodinamico: Ogni volta che uno zucchero si muove all'interno del corpo umano trascina con sé dell'acqua.

Lipidi

I lipidi (in greco lipos significa grasso) sono un gruppo eterogeneo di composti chimici, la cui proprietà comune è l'insolubilità in acqua. È inutile classificare i lipidi perché l'unica caratteristica comune è l'insolubilità in acqua. Non c'è logica molecolare nelle loro strutture. I lipidi non sono polimeri, diversamente dalle altre biomolecole. Presentano una grande varietà strutturale, molto più ampia delle altre classi di biomolecole.

Acidi grassi

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici costituiti da una lunga catena idrocarburica (coda apolare) ed un gruppo carbossilico terminale (testa polare). Si differenziano per:

• Lunghezza della catena idrocarburica
• Grado di insaturazione (presenza o meno di doppi legami) della catena (numero e posizione dei doppi legami)

Gli acidi grassi di importanza biologica sono costruiti da un numero pari di atomi di carbonio compreso tra 14 e 20 (lunghezza catena). In base al numero di doppi legami possiamo distinguere gli acidi grassi in:

• Saturi: assenza di doppi legami
• Monoinsaturi: 1 doppio legame
• Polinsaturi: 2 o più legami

Gli acidi grassi sono molto pericolosi per le malattie cardiovascolari. Fa parte di questa categoria l'acido oleico, il comune olio da cucina.

Acido palmitico: 16 atomi di carbonio, 0 doppi legami

Acido miristico: 14 atomi di carbonio, 0 doppi legami

Acido stearico: 18 atomi di carbonio, 0 doppi legami

Acido arachidico: 20 atomi di carbonio, 0 doppi legami

Acidi grassi monoinsaturi

Un alimentare ricco di acidi grassi monoinsaturi protegge contro malattie cardiovascolari. La struttura rigida, compatta e poco flessibile degli acidi grassi saturi non permette il passaggio dell'acqua.

Slide 18: ¹9. Il 18 è il numero lunghezza degli atomi di carbonio mentre uno elevato alla nona significa che abbiamo un doppio legame in posizione nove. 18:1,w9: Dall'alto della catena inizio a contare fino ad arrivare al nove.

Acidi grassi insaturi

L'acido oleico ha un legame con gli idrogeni dallo stesso lato (cis). L'acido elaidico ha un legame con gli idrogeni opposti (trans). I doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi insaturi presenti in natura sono cis. Acidi grassi trans sono prodotti per fermentazione o idrogenazione. Continuando a far bollire un olio, la configurazione di esso passa da cis a trans. L'aumentato consumo alimentare di acidi grassi trans è strettamente correlato con l'aumentato rischio di malattie cardiovascolari.

Acidi grassi essenziali

Il corpo umano non è in grado di sintetizzare gli acidi grassi essenziali, quindi significa che li dobbiamo assumere attraverso la dieta. Fanno parte degli acidi grassi essenziali l'acido linoleico e l'acido γ (gamma) linoleico. Essi aiutano la formazione della membrana.

Trigliceridi

I trigliceridi sono composti da tre acidi grassi legati con legame estere (legame tra gruppo alcolico e gruppo carbossilico) ai gruppi (OH) di una molecola di glicerolo. I trigliceridi costituiscono la principale riserva energetica per l'uomo in quanto forniscono grande quantità di energia e occupano poco spazio essendo molecole praticamente prive di acqua (1g di polisaccaride: 2g di acqua). 1 grammo di glicogeno lega 2 grammi di acqua. Gli acidi grassi sono poco polari, non si spostano bene nel sangue quindi necessitano di un legame resistente e forte come il legame estere.

Glicerofosfolipidi

Sono i principali costituenti lipidici delle membrane biologiche. Svolgono un ruolo importante nella trasduzione del segnale.

Sfingolipidi

Gli sfingolipidi sono un'altra classe di lipidi di membrana e come i glicerofosfolipidi svolgono un ruolo importante nella trasduzione del segnale.

Steroli (classe di cui fa parte il colesterolo)

Dal punto di vista biochimico il colesterolo è una sostanza vitale poiché senza colesterolo le membrane biologiche non funzionerebbero e sarebbero destinate a morte cellulare. Dal colesterolo le ghiandole endocrine producono ormoni sessuali maschili e femminili. Senza il colesterolo non si potrebbero quindi sintetizzare gli ormoni sessuali. Il colesterolo è inoltre una componente dei sali biliari (sali contenuti nella bile: fegato) che servono alla digestione dei lipidi. Tuttavia, il colesterolo in presenze eccessive è considerato pericoloso per il miocardio e malattie vascolari. Importante è sottolineare che l'ipercolesterolomia è un fattore genetico e può essere ridotto "solo" del 20% tramite una corretta e genuina alimentazione o tramite dei farmaci (statine).

Il ruolo biochimico dei lipidi

• Ruolo energetico
• Ruolo plastico: sono l'elemento fondamentale per la costituzione delle membrane biologiche
• Ruolo ormonale: dal colesterolo si formano gli ormoni steroidei

Le proteine

Esempio introduttivo: Un lombrico ha gli stessi glucidi e lipidi di un essere umano. Le proteine invece sono diverse e queste strutture fanno la differenza. Le proteine (dal greco proteios che significa primario) sono le macromolecole biologiche più abbondanti e versatili presenti nelle cellule animali. In ogni cellula, vi sono migliaia di tipi diversi di proteine, ognuna codificata da un gene. Il DNA è una banca dati che contiene il progetto per la sintesi delle proteine. Dalla banca dati (genoma, costituito dal DNA) posso trovare il "file del progetto" di una proteina per appunto arrivare alla sintetizzazione di quest'ultima. I ribosomi sono quegli organuli che "leggono" il file e lo trasformano in proteina.

Le proteine sono polimeri di amminoacidi e sono costituite tutte dalla combinazione di 20 α-amminoacidi diversi. Il codice è un linguaggio che è scritto nel DNA. La sequenza amminoacidica di una proteina è codificata e stabilita nel DNA. Il DNA contenuto nel gene viene copiato. Da questo processo che si chiama trascrizione si forma l'RNA. Dal nucleo va ai ribosomi, che leggono cosa c'è scritto nell'RNA. Il ribosoma per codificare deve leggere tre basi azotate. Per una tripletta di basi azotate codifico un amminoacido. Questo è il codice genetico.

Amminoacidi-isomero

Se il gruppo amminico è a sinistra si chiama L-amminoacido se invece il gruppo amminico è a destra si chiama D-amminoacido.