Appunti di biochimica

Obiettivi di apprendimento per il corso di chimica biologica

Corso di laurea in medicina e chirurgia - Polo didattico centrale

Email: alessandro.prinetti@unimi.it | Codice: 50330376

Obiettivi generali

Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di:

• Descrivere le trasformazioni chimiche che avvengono nell'organismo umano a livello cellulare, tissutale ed integrato.
• Conoscere e spiegare il meccanismo biochimico dei fenomeni biologici normali e le basi chimiche e molecolari dell'omeostasi dell'organismo umano.

Obiettivi specifici

Proteine

• Mettere in relazione proprietà strutturali e funzionali di proteine fibrose e globulari (collagene, immunoglobuline, miosina, emoglobina, mioglobina).
• Analizzare le modalità d’interazione delle proteine con altre molecole.

Enzimi e catalisi biologica

• Descrivere le caratteristiche e la natura della catalisi enzimatica.
• Descrivere ed applicare i fondamenti della cinetica enzimatica.
• Spiegare le differenti modalità di regolazione della attività enzimatica.
• Descrivere sommariamente i principi su cui si basano le tecniche di dosaggio dell'attività enzimatica.
• Conoscere i criteri di classificazione internazionale degli enzimi.

Energetica e funzioni mitocondriali

• Dimostrare come l’energia liberata nelle ossidoriduzioni biologiche possa essere utilizzata per la formazione di legami ad alto contenuto energetico.
• Illustrare la funzione dei mitocondri e i principali meccanismi del suo controllo.
• Spiegare come l’ossidazione di zuccheri, grassi e proteine produca energia metabolica e riconoscere il ruolo conclusivo del ciclo di Krebs nell’intero processo.

Metabolismo dei carboidrati

• Illustrare il metabolismo energetico del glucosio in condizioni aerobiche ed anaerobiche.
• Illustrare le principali vie di utilizzazione del glucosio e spiegare il significato della formazione delle riserve glucidiche e dello shunt dei pentosi.
• Conoscere le vie di utilizzazione di galattosio, fruttosio, ac. glucuronico e amminozuccheri.
• Conoscere i meccanismi attraverso i quali i vari processi metabolici dei glicidi sono regolati.
• Mettere in relazione le proprietà strutturali di proteoglicani, glicoproteine e glicolipidi con il loro ruolo metabolico.

Metabolismo dei lipidi

• Correlare le caratteristiche strutturali dei diversi lipidi alle loro funzioni.
• Illustrare le principali vie di sintesi e di degradazione degli acidi grassi, dei trigliceridi e dei principali lipidi complessi.
• Conoscere le modalità di accumulo e utilizzo dei trigliceridi.
• Illustrare il metabolismo del colesterolo e la sua regolazione.
• Spiegare i meccanismi tramite i quali i lipidi sono veicolati nei diversi distretti dell’organismo.

Metabolismo degli amminoacidi

• Conoscere le diverse possibilità metaboliche degli amminoacidi.
• Conoscere le modalità attraverso le quali il nostro organismo è in grado di utilizzare ed eliminare il gruppo amminico come urea.
• Dimostrare come lo scheletro carbonioso degli amminoacidi possa essere usato a scopo energetico o per la sintesi di glucidi o di acidi grassi.
• Illustrare il processo di incorporazione degli amminoacidi nelle proteine e la sua regolazione.
• Descrivere il metabolismo e la funzione di lipidi biologicamente attivi.

Metabolismo dei nucleotidi

• Conoscere sommariamente le vie di biosintesi e degradazione degli acidi desossi- e ribonucleici.
• Descrivere le vie di biosintesi dei nucleotidi e di degradazione dei nucleotidi purinici e pirimidinici.
• Spiegare le cause biochimiche dell'accumulo di acido urico.

Membrane biologiche

• Descrivere la composizione e le proprietà delle membrane biologiche.
• Spiegare il ruolo delle membrane biologiche nel definire la compartimentazione cellulare.
• Conoscere le basi molecolari dei processi di trasporto attraverso le membrane.
• Illustrare i principali metodi di studio delle membrane biologiche, inclusi i sistemi di membrane modello.

Correlazioni metaboliche e biochimica dei tessuti

• Descrivere la struttura, la biosintesi e la secrezione degli ormoni e mediatori inter- e intracellulari e il loro ruolo a livello cellulare e molecolare.
• Conoscere l’organizzazione del metabolismo nelle fasi di alimentazione e digiuno (regolazione della glicolisi e del metabolismo del glicogeno, della gluconeogenesi e della chetogenesi).
• Spiegare su base biochimica l’omeostasi della glicemia.
• Conoscere le modalità di trasporto ed eliminazione dei cataboliti terminali.
• Conoscere le caratteristiche molecolari e metaboliche di diversi tessuti come fegato, tessuto adiposo, sangue, tessuto connettivo, tessuto muscolare striato, liscio e cardiaco, tessuto osseo, rene, tessuto nervoso.

Biochimica della nutrizione

• Individuare i principi nutritivi, distinguendo fra energetici, plastici, essenziali.
• Conoscere i processi biochimici coinvolti nella digestione e nell’assorbimento dei diversi principi nutritivi.
• Acquisire il concetto di valore calorico di un alimento.
• Valutare le richieste energetiche nelle diverse situazioni fisiologiche (metabolismo basale e funzionale).
• Indicare le caratteristiche di una dieta appropriata e analizzare il suo ruolo nel mantenimento dell’omeostasi.
• Spiegare il ruolo biologico delle vitamine idro- e liposolubili.

Chimica biologica

La chimica biologica è la chimica degli organismi viventi. Studia la struttura delle molecole in un organismo e le reazioni che avvengono a carico di queste. Il corpo, per funzionare, deve scambiare materia ed energia con l’esterno: il cibo influenza la chimica del corpo. La chimica dei sistemi viventi si basa sulle stesse leggi dei sistemi non viventi. La differenza è il livello di complessità e di organizzazione.

È una chimica in evoluzione: un organismo vivente è un sistema molto lontano dall’equilibrio. La situazione rende possibile un notevole dinamismo, un’evoluzione, uno spostamento continuo in una direzione o nell’altra. Un sistema vivente è un sistema aperto, che scambia con l’ambiente. Gli scambi rendono molto difficile il raggiungimento dell’equilibrio.

Con l’ambiente scambiamo:

• Energia
• Materia

Introducendo materia dal mondo esterno sotto forma di cibo, una certa quantità viene usata per ricavare energia. L’energia serve per lo scambio con il mondo esterno, per mantenere l’organizzazione complessa di un sistema aperto. Il mantenimento dell’ordine non è un processo spontaneo; per mantenerlo bisogna usare energia, compiere un lavoro.

In ambienti dove non esiste acqua in forma liquida non può esistere la vita. Molte molecole in grado di ionizzarsi in soluzione sono elettroliti ma anche acidi o basi (solitamente deboli, es: acido purifico → piruvato). L’acqua è un dipolo: una parte ha una parziale carica negativa e una positiva, è una molecola molto polare che può dare interazioni forti nell’ambito di una soluzione acquosa. Inoltre può fornire legami idrogeno. I legami idrogeno hanno un’emivita di 1-2 microsecondi.

Una serie di interazioni nelle soluzioni acquose sono deboli, hanno durata molto breve e la velocità con cui avvengono certe reazioni è fondamentale. Se le interazioni molecolari fossero estremamente stabili, termodinamicamente sarebbe difficile avere energie sufficienti da consentire una cinetica di reazione veloce. Un singolo legame idrogeno è molto debole. Una molecola di acqua può dare un legame idrogeno con entalpia di legame di 5 kcal/mol. Un legame covalente medio C—O è 100 kcal/mol. Le molecole di acqua sono però molto numerose e possono dare molti legami H con molte molecole che possono ricevere molti legami H.

Ci sono molecole piccole e macromolecole, spesso polimeri di molecole più piccole. Molte catene laterali degli amminoacidi possono contenere accettori di legami H. Nell’insieme si ha una struttura dinamica, che si può cambiare senza distruggerla (modificando la struttura tridimensionale della molecola). Per ogni proteina le funzioni sono strettamente legate alla struttura. Gli ambienti di reazione nell’organismo sono acquosi.

Ci sono anche molecole non del tutto solubili in acqua (lipidi anfipatici → fosfolipidi) che in acqua formano aggregati:

• Micelle
• Doppio strato lipidico (membrana): delimita compartimenti diversi e favorisce l’organizzazione del sistema rispetto all’ambiente esterno.

Questi permettono anche di avere compartimenti idrofobici, quindi alcune reazioni possono avvenire anche non in ambiente acquoso. Una proteina pesa mediamente 64 kDa. Ve ne sono anche alcune che pesano milioni di Da. Certi GAG pesano anche decine di milioni di Da.

Per mantenere l’omeostasi serve continuamente uno scambio di materia e/o energia con il mondo esterno. Un sistema aperto scambia spontaneamente energia (es: calore, si scambia spontaneamente con il mondo esterno). Le macromolecole sono fatte per lavorare in maniera ottimale ad una certa temperatura, al di fuori della quale non lavorano bene. Tutte le molecole del corpo sono soggette a modificazioni per cui dopo un po’ vanno sostituite → turnover. Questo perché sono esposte ad un ambiente estremamente reattivo che favorisce non solo le reazioni desiderate. Ad esempio in acqua avviene idrolisi, rottura dei legami covalenti.

Inoltre c’è l’ossigeno, senza cui posso sopravvivere per secondi. Senza respirare l’ossigeno nel corpo viene usato (si sopravvive per minuti). Il cervello senza ossigeno muore nel giro di frazioni di secondo. L’ossigeno è un composto estremamente reattivo. L’alta reattività implica un turnover continuo, quindi è necessario uno scambio massiccio di materia e energia.

Il metabolismo: insieme delle reazioni chimiche che avvengono in un organismo. Per mantenere l’omeostasi serve un metabolismo che consenta di avere a disposizione nuova materia, perché ogni molecola che ci costituisce è soggetta a turnover. Dal cibo si può importare materia, molecole che contengono precursori di quelle che servono. La digestione del cibo è una fase preliminare all’assorbimento.

Bisogna mangiare una varietà di molecole diverse oppure essere in grado di trasformarle in altre molecole. Si possono anche sintetizzare amminoacidi da altre molecole che si mangiano. Il cibo fornisce o direttamente le molecole o dei precursori da trasformare. Devono avvenire reazioni di biosintesi. Il corpo non può sintetizzare almeno 9 amminoacidi, che quindi vanno assunti con il cibo. Un nutriente che serve ma che non sono in grado di sintetizzare è un nutriente essenziale. Es: la lisina è un amminoacido essenziale, si ha un fabbisogno di questo nutriente che influenza lo stato del corpo. Gli amminoacidi devono essere uniti con legami peptidici, che devono essere fatti: la reazione di condensazione è una reazione non spontanea, quindi serve dell’energia.

La materia si procura mangiando, l’energia che serve per compiere lavoro biosintetico deriva da un meccanismo. Il lavoro nell’organismo può essere non solo biosintetico. L’energia che serve viene presa dal cibo. La reazione di combustione è un’ossidoriduzione che permette di ricavare energia dalla materia.

CH₄ + O₂ (ossidante) → CO₂ + H₂O + Energia

L’ossidazione di molecole con formazione di anidride carbonica e acqua libera energia utilizzabile per compiere un lavoro. Uno zucchero può essere bruciato come il metano:

C₆H₁₂O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O

Nell’organismo però non bisogna disperdere l’energia sotto forma di calore, ma serve per fare reazioni. Metabolismo ossidativo: bruciare sostanze per far avvenire reazioni, trasforma molecole grosse e complicate in molecole piccole e semplici → Catabolismo. Sono reazioni cataboliche che producono energia per compiere un lavoro. Metabolismo biosintetico: tutte le reazioni che costruiscono molecole complicate da molecole più semplici sono reazioni di tipo anabolico. → Anabolismo. Uno degli scopi è produrre energia grazie a reazioni di ossidazione.

Una grossa quota mette a disposizione del corpo energia non per scaldare (calore), ma per le vie biosintetiche. Il metabolismo ossidativo e la biosintesi sono fatte a partire da molecole importate con il cibo. I nutrienti che vengono modificati per produrre materia sono plastici, altri possono essere bruciati per fornire energia: energetici. Gli amminoacidi sono sia plastici sia energetici in base alla disponibilità.

3 grosse categorie di nutrienti che possono essere bruciati:

• Carboidrati
• Aminoacidi derivanti dalla proteine
• Grassi di vario tipi: possiamo bruciare ottimamente i trigliceridi

L’organismo umano si è evoluto quando l’apporto nutrizionale era molto più discontinuo dell’attuale, ma la necessità di mantenere l’omeostasi è continua. Oltre a vie di produzione di energia c’è bisogno di vie che consentono di avere scorte di materie che fungano da substrato energetico.

Una certa quantità di molecole ingerite vengono immagazzinate sotto diversa natura per sfruttarle in seguito. Un esempio è il grasso, fatto da trigliceridi. Le scorte si accumulano perché l’organismo fa lavoro biosintetico.

La chimica del corpo segue ritmi influenzati dalla disponibilità di cibo. Servono anche reazioni di smaltimento perché lo scambio continuo di materia ed energia introduce la presenza di prodotti di rifiuto. Non siamo in grado di utilizzare tutte le molecole ingerite e inoltre nelle vie di trasformazione creiamo prodotti di scarto, che possono essere anche dannosi per l’organismo (es: ammoniaca dagli amminoacidi).

Il metabolismo è fatto da:

• Vie metaboliche ossidative
• Vie biosintetiche
• Vie di gestione delle scorte
• Vie di detossificazione

Le caratteristiche dell’organismo vivente rendono necessario che importiamo nell’organismo materia che deve servire per vari scopi. Nutrienti per costruire strutture: nutrienti plastici. Nutrienti per energia, per compiere del lavoro:

• Lavoro biosintetico
• Lavoro meccanico (microscopico e macroscopico)
• L’attività del sistema nervoso, che è continua e avviene anche di notte, il battito cardiaco, molti eventi sono possibili perché esistono gradienti di ioni. I gradienti elettrochimici sono un modo per conservare energia e spendiamo molta energia per mantenerli. In certi tessuti più del 40% dell’energia a disposizione viene consumata per mantenere un gradiente elettrochimico.

Che cosa e quanto bisogna mangiare?

• Zuccheri
• Proteine: il problema degli aminoacidi è l’azoto, bisogna bruciare solo lo scheletro carbonioso dell’aminoacido per produrre energia. Vengono usati principalmente come nutriente plastico, ma se ne mangio una quantità molto maggiore di quella che serve per costruire le proteine l’eccesso può essere usato per l’energia
• Grassi → trigliceridi

L’energia fornita dai vari nutrienti per combustione è diversa: il potenziale calorico è diverso.

Nutrienti energetici

• Carboidrati → Glucosio → CO₂ + H₂O
• Acidi grassi
• Grassi → Combustione → Glicerolo
• Proteine → Aminoacidi → Energia

Kcal: quantità di energia necessaria per elevare la temperatura di 1 kg di H₂O da 14.5 °C a 15.5 °C.

KJoule: quantità di forza costante che impartisce l’accelerazione di 1 m/s² ad una massa di 1 kg per lo spostamento di 1 m.

1 Kcal = 4.186 KJ

1 KJ = 0.2388 Kcal

Per carboidrati e aminoacidi la resa energetica è circa 4 Kcal/g. Per i grassi la resa è circa 9 Kcal/g. Questo perché un acido grasso è una molecola molto più ridotta e quindi la sua ossidazione consente di liberare molta più energia.

Quanta energia serve per sopravvivere ogni giorno? Quella che si consuma tutti i giorni.

Equazione di Brouwer

CT(kJ) = 16,18 · V O₂ + 5,02 · V CO₂ - 5,99 · N

La quantità di energia consumata nelle 24h può essere misurata sperimentalmente misurando certi parametri: la velocità con cui un organismo consuma O₂, produce CO₂ ed elimina N. L’azoto è eliminato sotto forma di urea (può essere prodotta in laboratorio). Tramite le urine si può calcolare la quantità di azoto eliminato facilmente.

La velocità con cui si consuma ossigeno e produce anidride carbonica si può misurare nella gabbia metabolica. In generale bisogna tenere presente da che cosa è composta la spesa energetica qualitativamente: se la spesa energetica è X, ogni giorno bisogna introdurre con l’alimentazione nutrienti sufficienti a fornire X. Se si va in deficit ci sono scorte energetiche. Se si va in surplus, questo viene usato per creare scorte energetiche.

Substrati energetici e componenti della dieta

Metabolismo energetico: l’organismo ottiene energia principalmente da carboidrati, grassi e proteine presenti nella dieta. Durante un pasto, i composti energetici...