Appunti completi Biochimica generale - Barbiroli

Aspetti chimici

Gli organismi viventi sono sistemi confinanti: il contenuto di molecole e ioni differisce per natura chimica e concentrazione da quelli presenti nell’ambiente che lo circonda. Tutti gli organismi viventi hanno gli stessi tipi di unità monomeriche: vi sono modelli comuni nelle macromolecole biologiche. Le molecole presenti in un organismo vengono continuamente “rinnovate”: la costanza della composizione di un organismo vivente è il risultato di uno stato stazionario dinamico.

Aspetti energetici

I sistemi viventi sono sistemi ordinati lontani dall’equilibrio con l’ambiente circostante. Gli organismi viventi sono sistemi aperti che scambiano materia ed energia con l’ambiente circostante. Gli organismi viventi creano e conservano la loro struttura complessa a spese dell’energia derivata dall’ambiente esterno. La produzione di energia avviene tramite reazione REDOX. I sistemi viventi accoppiano reazione chimiche o fotochimiche spontanee (processo che avviene senza l’intervento di energia dall’esterno) a processi non spontanei attraverso intermedi chimici, che servono ad incanalare l’energia libera verso la produzione di lavoro. I sistemi viventi sono in grado di interconvertire le diverse forme di energia:

• Chimica: catabolismo e anabolismo
• Elettrica: trasmissione nervosa
• Termica: omeostasi termica

Tutte le cellule hanno bisogno di energia per diversi scopi: gli organismi fotosintetici, come il Sole, catturano l'energia luminosa e la usano per le reazioni che richiedono energia (CO₂ e H₂O in carboidrati): riduzione. Gli organismi non fotosintetici consumano questi carboidrati e li utilizzano come fonte di energia: ossidazione. La termodinamica è la scienza che studia se ogni processo sia energeticamente favorito o meno (i processi che liberano energia sono favoriti). La variazione di energia dipende solo dallo stato delle molecole iniziali e finali del processo. La variazione di energia libera di Gibbs è un criterio utile per stabilire la spontaneità di una reazione.

Spontaneità nelle reazioni biochimiche

Si possono misurare solo le variazioni di energia che si verificano durante il processo:

• ΔG: variazione energetica di un sistema chiuso nel passaggio dallo stato iniziale allo stato finale

• ΔG < 0 processo spontaneo, esoergonico: libera energia
• ΔG = 0 condizione di equilibrio
• ΔG > 0 processo non spontaneo, endoergonico: richiede energia

Prima legge della termodinamica

L’energia si conserva.

Seconda legge della termodinamica

Convertire l’energia da una forma all’altra con un’efficienza del 100% è impossibile: ΔG = ΔH – TΔS; dove H è l’entalpia (calore della reazione a pressione costante) e S è l’entropia (grado di dispersione delle molecole nel sistema, esprime il disordine dei componenti di un sistema chimico).

Aspetti cinetici

Il fatto che una reazione sia spontanea non significa che sia veloce. Le cellule sono motori chimici che operano a temperatura e pressione costante. Negli organismi viventi le reazioni chimiche vengono catalizzate da enzimi per rendere le reazioni più veloci. Le reazioni chimiche sono organizzate in reazioni consecutive chiamate vie metaboliche. Gli enzimi chiave di ogni via metabolica sono regolati. Lo stato stazionario dinamico non potrebbe essere mantenuto in assenza di regolazione (senza regolare gli enzimi).

Acqua e polarità

L’acqua è il componente principale della maggior parte delle cellule.

Elettronegatività

Tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé gli elettroni in un legame chimico.

Cos’è la polarità?

Quando due atomi con la stessa elettronegatività formano un legame, gli elettroni sono condivisi equamente tra i due atomi. Se atomi di diversa elettronegatività formano un legame, gli elettroni non sono equamente condivisi e la carica negativa si trova più vicino ad uno dei due atomi.

• Legami polari: atomo tanto elettronegativo si lega con un atomo meno elettronegativo. La differenza di elettronegatività forma parziali cariche positive e negative. Gli elettroni sono più vicini all’atomo con maggior elettronegatività.
• Legami apolari: differenza di elettronegatività molto piccola. Condivisione degli elettroni di legame è approssimativamente equa.
• Legame idrogeno: si forma tra dipoli elettrici, tra un atomo elettronegativo (O o N con una coppia di elettroni non condivisi) e un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un altro atomo elettronegativo. È un legame debole avente un’energia molto bassa e quindi si può rompere facilmente.

L’acqua è un dipolo elettrico (molecola con una parziale carica positiva e negativa), con maggior probabilità di trovare gli elettroni di legame in prossimità dell’ossigeno piuttosto che dell’idrogeno.

Interazione tra molecole d’acqua

A temperatura ambiente e pressione atmosferica le molecole d’acqua sono in continuo movimento e in uno stato disordinato. Ogni molecola d’acqua forma in media 3-4 legami idrogeno e grazie a questo l’acqua è liquida a temperatura ambiente (perché le molecole tendono a stare attaccate grazie al legame idrogeno).

Proprietà dell’acqua

Perché alcuni composti si sciolgono in acqua e altri no? La natura polare dell’acqua determina le sue proprietà di solvente. I composti ionici e composti polari tendono a sciogliersi in acqua, per l’attrazione elettrostatica tra cariche opposte. Queste sostanze sono definite idrofiliche. Esempio acqua e sale: le cariche dell’acqua vanno a legarsi con la carica positiva del sodio. L’acqua si distribuisce attorno allo ione sodio in modo ordinato e si crea una sfera di solvatazione, che permette di sciogliere i legami H.

Gli idrocarburi sono non polari, per cui tendono a non sciogliersi in acqua. Il dipolo permanente della molecola d’acqua può indurre un temporaneo dipolo nelle molecole non polari distorcendo la disposizione degli elettroni di legame. Le molecole non polari sono dette idrofobiche e tendono ad isolarsi da un ambiente acquoso. Esempio una goccia d’olio in acqua: l’olio non fa legame idrogeno con l’acqua, l’acqua in superficie è più ordinata e l’olio costringe l’acqua a ordinarsi e fa aumentare l’entropia del sistema. Il sistema tende a rendere più piccola possibile la superficie di separazione tra sostanza idrofobica e idrofila.

Una molecola può avere sia regioni idrofiliche che idrofobiche. Queste sostanze sono dette anfipatiche. Un esempio sono gli acidi grassi a catena lunga che hanno un gruppo carbossilico polare e una lunga porzione idrocarburi apolare (la testa polare verso l’acqua e la coda non polare lontana). L’acqua non è solo un solvente ma anche uno strutturante, vuol dire che obbliga altre molecole messe in essa a strutturarsi in un certo modo.

Acidi, basi e pH

Acido: molecola che agisce come donatore di protoni. Base: molecola che agisce come accettore di protoni.

• Forte: si dissocia completamente
• Debole: si dissocia parzialmente

La forza di un acido si misura numericamente come la quantità di ioni idrogeno rilasciati quando una certa quantità di un acido si scioglie in acqua. Costante di dissociazione acida Ka misura la forza di un acido. Questo valore è maggiore per gli acidi che si dissociano completamente: maggiore è la Ka, più forte è l’acido.

Cos’è il pH?

Unità di misura che serve ad esprimere l’ampio intervallo di concentrazioni possibili di ione idrogeno e ione idrossido in soluzione acquosa nel modo più conveniente. Il pH ci indica che in soluzione la quantità di acido dissociato dipende dal pH dell’acqua e dal pH dell’acido dissociato. pH= -log[H⁺] quindi pKa= -logKa; più piccolo è Ka più forte è l’acido.

Equazione di Henderson-Hasselbach

Esprime la curva di titolazione di tutti gli acidi deboli. Questa equazione ci permette di calcolare il valore di pKa, conoscendo il pH e il rapporto molare tra il donatore di protoni e l’accettore di protoni.

Curve di titolazione

Titolazione: esperimento in cui quantità note di una base sono aggiunte ad una quantità nota di un acido. Titolare vuol dire prendere l’acido debole non dissociato ed aggiungere in soluzione una base forte per vedere come cambia il pH. Quello che ci interessa è vedere come varia il pH in funzione delle aggiunte di NaOH. Il punto della titolazione in cui l’acido viene neutralizzato è chiamato punto di equivalenza (punto isoelettrico).

• pH<pKa: H⁺ legato, forma protonata
• pH>pKa: H⁺ dissociato, forma deprotonata

È un sistema tampone? Nella regione centrale il sistema è effettivamente un sistema tampone (resiste ai cambiamenti), nelle altre regioni non si comporta da sistema tampone. Un acido debole è un sistema tampone quando ha valore simile al pKa dell’acido stesso. L’acido acetico è un acido monoprotico, ha un solo singolo H⁺ da dissociare ma esistono anche acidi poliprotici, dove ho più H⁺ da dissociare e quindi avrò una singola curva per ogni H⁺ da dissociare (ad esempio acido fosforico ha 3 punti di flesso e 3 pKa per ogni H⁺).

Se si cambia pH la curva di idratazione cambia per livelli ma la forma rimane sempre la stessa.

Tamponi

Un tampone è qualcosa che resiste ai cambiamenti. Una soluzione tampone resiste alle variazioni di pH dovute all’aggiunta di piccole e moderate quantità di acidi o basi forti. Essa consiste di una miscela di un acido debole e della sua base coniugata. Come funzionano i tamponi? Come si sceglie un tampone?

Macromolecole biologiche: proteine e amminoacidi

Amminoacidi

I monomeri che costituiscono le proteine vengono detti amminoacidi. Nelle proteine si trovano i 20 amminoacidi essenziali (tutti alfa-amminoacidi). La struttura di un amminoacido comprende un gruppo amminico (NH₂) e un gruppo carbossilico, legati entrambi al carbonio alfa. Esso è legato anche ad un atomo di idrogeno e al gruppo della catena laterale R, che determina l’identità dello specifico amminoacido. Alcuni amminoacidi, gli zwitterioni, nella catena laterale R potrebbero avere ioni che si potrebbero ionizzare. Una delle proprietà più importanti degli amminoacidi è la loro conformazione tridimensionale, o stereochimica.

Stereochimica degli amminoacidi

Le immagini speculari degli oggetti non possono essere sovrapposte le une alle altre, ma sono tra loro correlate. Esse prendono il nome di chirali. Un centro chirale molto frequente nelle biomolecole è un atomo di C con 4 gruppi differenti legati ad esso. Il carbonio alfa ha 4 gruppi diversi legati ad esso, che danno luogo a due immagini speculari non sovrapponibili, chiamate stereoisomeri. I due stereoisomeri possibili sono definiti amminoacidi L- e D-, la prima ha il gruppo carbossilico sul lato sinistro delle molecole mentre la seconda sul lato destro.

Proprietà e struttura

Gli amminoacidi che costituiscono le diverse migliaia di proteine sono soltanto venti; dieci di questi sono sintetizzati dal nostro organismo mentre gli altri dieci, gli amminoacidi essenziali, devono essere assimilati tramite la dieta. I 20 amminoacidi standard vengono classificati in base alla carica che si riferisce al gruppo laterale R.

Classificazione degli amminoacidi

Perché le catene laterali degli amminoacidi sono così importanti? I gruppi R sono classificati in base a vari criteri:

• Natura polare o non polare della catena laterale
• Presenza di un gruppo acido o basico nella catena laterale

Amminoacidi alifatici: la catena R contiene solo C e H. Sono 5: glicina (più semplice, piccolo e unico amminoacido chirale perché R ha delle ramificazioni), alanina, valina, isoleucina (questi ultimi 3 sono amminoacidi ramificati) e leucina.

Catena R contiene zolfo e gruppi ossidrilici. Sono 4: tra cui la serina, cisteina, treonina, metionina.

Amminoacido ciclico: prolina. Ha una catena laterale R che si richiude sul gruppo amminico e forma una struttura ciclica. La presenza di questa struttura ciclica la rende rigida.

Amminoacidi aromatici: in cui R contiene un gruppo aromatico. Sono 3: fenilalanina, tirosina (contiene un gruppo OH) e triptofano. Hanno la proprietà di assorbire la luce che ha una lunghezza d’onda dell’UV.

Amminoacidi basici: hanno una catena laterale R che contiene uno o più atomi di azoto che può protonarsi acquisendo carica positiva. Sono 3: lisina, arginina e istidina.

Amminoacidi acidi e i loro ammidi: acido aspartico, acido glutammico, asparagina e glutammina) che presentano un gruppo carbossilico o ammidico nelle catene laterali e sono cariche negativamente.

Classificazione per polarità

Amminoacidi con catene laterali polari: possono avere carica netta o parziale sul gruppo laterale R. Serina, treonina, tirosina, cisteina, glutammina e asparagina.

• Nella serina e treonina il gruppo polare è un ossidrile OH- legato a gruppi idrocarburici alifatici
• Nella tirosina il gruppo ossidrile è legato a un gruppo idrocarburico aromatico, che può perdere un protone ad un pH più alto
• Nella cisteina la catena laterale polare consiste in un gruppo tiolico -SH che può reagire con i gruppi -SH di altre cisteine formando i ponti di solfuro (gruppo -SS) che danno stabilità proteica
• La glutammina e asparagina hanno nelle catene laterali gruppi ammidici, derivati da gruppi carbossilici. Si possono considerare derivati dell’acido glutammico e acido aspartico

Amminoacidi con catene laterali non polari: non hanno cariche nette né parziali sul gruppo laterale R. Glicina, valina, alanina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, triptofano e metionina.

• In alanina, valina, leucina, isoleucina la catena laterale è un gruppo idrocarburico alifatico
• La prolina ha una struttura ciclica alifatica e l’atomo di azoto è legato a due atomi di C e questa struttura ciclica la rende rigida
• Nella fenilalanina il gruppo idrocarburico è aromatico
• Nel triptofano la catena laterale contiene un anello indolico aromatico
• Nella metionina la catena laterale R contiene un atomo di zolfo

Gli amminoacidi possono comportarsi sia da acidi che da basi. In un amminoacido libero, il gruppo carbossilico e il gruppo amminico legati al carbonio alfa sono carichi a pH neutro.

Titolazione degli amminoacidi

Cosa succede quando si titola un amminoacido? La sua curva di titolazione indica la reazione di ogni gruppo funzionale con lo ione idrogeno. Per fare la sintesi vengono utilizzati gli amminoacidi standard. Alcuni amminoacidi possono subire modificazioni post-tradizionali, dopo la sintesi proteica. Gli amminoacidi non servono solo per fare proteine ma possono essere anche molecole di partenza da cui derivare alcune molecole biologicamente importanti.

Legame peptidico

Ha una parziale natura di doppio legame che gli conferisce le sue proprietà. I singoli amminoacidi possono essere legati tra loro da legami covalenti (reazione endoergonica, che richiede energia). Il legame si forma tra il gruppo alfa-carbossilico di un amminoacido e il gruppo alfa-amminico del successivo. Nella reazione si ha eliminazione di una molecola di acqua, dopo di che i due residui rimangono uniti. Questo tipo di legame è chiamato legame peptidico e il gruppo che si forma è chiamato gruppo peptidico. Il legame peptidico è un legame singolo, ma con un semplice spostamento della posizione di una coppia di elettroni, è possibile scrivere questo legame come doppio legame. Questo procedimento dà luogo a strutture di risonanza. Tutte queste strutture contribuiscono alla descrizione della situazione dei legami. Il legame peptidico può essere scritto come un ibrido di risonanza di due strutture, una con un legame singolo tra il carbonio e l’azoto e l’altra con un doppio legame tra il carbonio e l’azoto. Il risultato finale è che il gruppo peptidico che forma il legame tra i due amminoacidi è planare.

Gli amminoacidi come monomeri delle proteine

Proteine

Le proteine sono polimeri costituiti da amminoacidi uniti tra loro mediante legami peptidici covalenti. Hanno molte conformazioni, ma solo una ha attività biologica: la conformazione nativa. Sono stati individuati 4 livelli di struttura:

• Struttura primaria: ordine con il quale gli amminoacidi sono legati covalentemente tra loro
• Struttura secondaria: disposizione nello spazio degli atomi dello scheletro peptidico. Le interazioni sono tra l’N-H ammidico e i gruppi carbonilici dello scheletro peptidico, le catena laterali invece non sono coinvolte
• Struttura terziaria: disposizione nelle tre dimensioni dello spazio di tutti gli atomi della proteina, inclusi quelli delle catene laterali e dei gruppi prostetici
• Struttura quaternaria: disposizione delle singole subunità, legate tra loro attraverso legami idrogeno, attrazioni elettrostatiche, interazioni idrofobiche

Struttura primaria delle proteine

La sequenza di amminoacidi determina la struttura tridimensionale di una proteina e di conseguenza anche le sue proprietà. Perché è importante conoscere la struttura primaria? Esempio dell’anemia falciforme: i globuli rossi non riescono a legare l’ossigeno ed assumono una caratteristica a falce. Queste cellule tendono ad essere intrappolate nei piccoli vasi sanguigni, ostacolando la circolazione e causano danni agli organi. Questo deriva dalla variazione di un solo residuo amminoacidico nella sequenza della struttura primaria.