Appunti di Biochimica generale - modulo 1

Biochimica e chimica a confronto

Quando si parla di biochimica e chimica le caratteristiche di reattività di elementi e di legami rimangono immutate, perciò dal punto di vista meccanicistico non c'è differenza tra le due. Le differenze riguardano:

• Aspetti chimici
• Aspetti fisici
• Aspetti termodinamici

Aspetti chimici

Selezione a livello atomico
Gli elementi delle cellule, ossia quelli che entrano in gioco nella vita, sono diversi da quelli utili nel pianeta. Fe, Al, Ni, Si → elementi più abbondanti nel pianeta; C, H, N, P → elementi fondamentali per la vita. Questi ultimi elementi sono stati scelti dall’evoluzione poiché sono più reattivi, formano più facilmente i legami.

Selettività nell’utilizzo di atomi con simile reattività
I legami formati da questi atomi (quelli fondamentali per la vita) sono più facili da rompere e riformare. Gli organismi viventi hanno meccanismi di selezione per decidere chi deve o non deve entrare nella cellula. Per esempio, il calcio è molto presente nel corpo umano e poco nella cellula, il contrario avviene per il magnesio. Quando entra troppo calcio nella cellula, essa si contrae e si blocca.

La troponina è una macromolecola che lega il calcio, cambia la sua struttura e avvia la contrazione muscolare. La miosina è una macromolecola che lega il magnesio, idrolizza una molecola di ATP, e muove le fibre muscolari. I fondamenti della selettività a livello atomico sono dovuti sia alla presenza di macromolecole che alla “speciazione” di ioni e di molecole semplici.

Presenza di macromolecole informazionali (nelle cellule biologiche)
È la capacità di trasferire un’informazione e le macromolecole informazionali sono degli eteropolimeri, ossia formati da molecole diverse, in cui l’ordine impartisce loro un significato, la sequenza varia. Es. RMAO ROMA AMOR MORA tre entità con significato, l’ordine in cui sono disposte porta ad avere un’informazione.

Queste sequenze ordinate di concetti si possono disporre in strutture di ordine superiore per rispondere a una certa funzione, adempiere a un certo compito: lo svolgimento di funzioni complesse. In questo modo semplici reazioni chimiche vengono trasformate in forme di energie fruibili: l’organismo trasforma l’energia in qualcosa di utile alla sua funzionalità. Inoltre, è molto importante anche il controllo dell’informazione: è essenziale avere degli strumenti. Quindi le molecole si organizzano secondo una sequenza, e poi vengono organizzate secondo livelli superiori che differenziano le varie funzioni. In altre parole i diversi livelli di organizzazione conferiscono a una struttura la sua funzione.

Aspetti fisici

Tra gli aspetti fisici si trovano:

• La compartimentalizzazione: nei sistemi biologici si hanno infinità di compartimenti, ovvero si ha una suddivisione in tanti reparti; questa divisione può essere: intracellulare (dentro la stessa cellula, organelli), cellulare (cellule diverse nello stesso tessuto, es. muscolare ci sono cellule diverse con funzioni diverse e reazioni chimiche diverse e sangue globuli rossi per ossigeno e globuli bianchi per difesa) e tissutale (in tessuti diversi, organi, stabilimenti diversi).
• Il trasporto di materiali, il quale può avvenire tra i vari comparti, cellule e tessuti.
• Signaling = trasporto di informazione che può avvenire per via chimica o elettrica consumando molta energia, tra comparti, cellule e tessuti, creando una rete di comunicazioni.

Aspetti termodinamici

La termodinamica ci dice quali probabilità ha una reazione di avvenire nel verso in cui l’abbiamo scritta, ma non ci dà nessuna informazione sulla rapidità con cui essa davvero si svolge. Il controllo della velocità è fondamentale in tutti gli eventi biologici, e consente di mantenere le reazioni - in un sistema aperto - lontano dall’equilibrio, assicurando il flusso e l’interconversione dell’energia.

Gli aspetti termodinamici sono più importanti:

• I sistemi viventi sono sistemi lontani dall’equilibrio; un sistema in equilibrio termodinamico è sostanzialmente morto. Es. due vasi comunicanti: sistema perfettamente in equilibrio, stessa altezza, non produce energia e non la consuma. Ma se l’acqua fluisce in un recipiente dove il livello è minore, si ha un ΔG negativo e si ottiene un’energia da alto verso basso. È un sistema lontano dall’equilibrio, si ha un flusso di energia. I sistemi viventi possono consumare energia per muovere l’acqua da basso ad alto ΔG positivo. Dove c’è flusso di energia c’è vita.
• I sistemi biologici sono sistemi aperti, lontani dall’equilibrio, caratterizzati da flusso di materiale.
• Il flusso di materiali è sottoposto a un controllo cinetico: se A→B non è consentita, non si ha B→C; solo se si innesta la prima reazione si attivano le altre. Dopo C si è arrivati all’equilibrio, ma dopo di esso le reazioni continuano (nei sistemi biologici) il livello dell’acqua non dipende solo dall’altezza ma dalla velocità con cui l’acqua passa da un recipiente all’altro. Si ha così effetto cinetico sul decorso delle reazioni chimiche. In un sistema biologico “aperto” le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce e dalla velocità delle reazioni che le consuma. La concentrazione dipende quindi da due fattori: il fattore termodinamico (da alto verso basso); il fattore cinetico. In un sistema biologico aperto, le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità di reazione che le produce o le consuma. L’esito di una reazione è dovuto ad aspetti termodinamici e cinetici.
• I sistemi biologici possiedono la capacità di interconvertire le diverse forme di energia; l’energia dei legami chimici può essere trasformata in diverse forme di energia spendibili per le varie funzioni. Ad esempio, l’energia chimica può essere convertita in energia elettrica: gli stimoli chimici vengono convertiti in stimoli elettrici che attivano la conversione di energia chimica per il movimento (meccanica). Inoltre, tutti gli organismi bruciano nutrienti per mantenere costante la temperatura (energia chimica in termica). Alcuni organismi convertono l’energia luminosa in energia chimica (piante). Infine, l’energia chimica può essere convertita in energia informazionale, ovvero si ha la conversione di una struttura abbastanza disordinata in una struttura ordinata grazie a un lavoro e a un progetto. La reazione spontanea è però quella che tende al maggiore grado possibile di disordine; l’energia informazionale è quindi quella che serve per impartire e mantenere l’ordine nelle macromolecole informazionali.
• L’interconversione tra le diverse forme di energia nei viventi richiede sempre la realizzazione di strutture complesse, in cui sono associate:
• Macchine (molecolari) con funzioni specifiche
• Sistemi di captazione dell’energia
• Sistemi di rilascio dei «prodotti»
• Meccanismi di controllo del funzionamento

L’acqua

L’acqua è il primo componente dei sistemi biologici e anche il più abbondante; dal punto di vista strutturale è una molecola semplice, è quella che consente ai sistemi biologici di fare tutto, è il componente degli alimenti su cui più spesso interviene il tecnologo alimentare. L’acqua ha tre funzioni dal punto di vista chimico:

• È un reagente (dissociazione acido, degradazione alimenti);
• È un solvente dove avvengono il 95% delle reazioni di un essere vivente;
• È un agente strutturante nelle macromolecole, di conseguenza se disturbata la struttura varia.

Un’importante caratteristica dell’acqua è che è fortemente asimmetrica, sia per la disposizione dei suoi atomi (che non sono allineati, HOH), sia per la disposizione degli elettroni (+ - +). L’asimmetria è completata dal fatto che la presenza di cariche (positive in H e negative in O) conferisce polarità. Ne deriva che l’acqua è un dipolo asimmetrico e da questo fatto si generano le interazioni con le altre molecole (si stabiliscono le proprietà colligative).

Nei legami O-H dell’acqua, l’ossigeno è molto più elettronegativo dell’idrogeno, per cui c’è una probabilità più elevata che gli elettroni di legame siano più vicini all’ossigeno. La differenza di elettronegatività tra l’ossigeno e l’idrogeno dà luogo a parziali cariche positive e negative. Legami di questo tipo sono detti legami polari. Nelle situazioni in cui la differenza di elettronegatività è molto piccola il legame è detto legame non polare. La molecola d’acqua non è lineare presentando un angolo di legame di 104,3°.

Legame a idrogeno

Le molecole di acqua si legano le une con le altre. Questo legame coinvolge un atomo elettronegativo e un protone (H). Non è un legame forte, quindi richiede e rilascia poca energia. I legami deboli hanno bassa energia e possono essere creati e distrutti con grande facilità. Per questo le specie che formano legami a idrogeno hanno una grande elasticità strutturale.

Le molecole di H possono interagire con gli ioni negativi: si forma il legame a idrogeno che richiede l’allineamento perfetto di atomo elettronegativo – uno positivo – e uno negativo. Il legame a idrogeno ha bisogno che gli atomi coinvolti siano perfettamente allineati (ogni molecola di H₂O forma al massimo 3 legami a H). Se aumento la temperatura le molecole si muovono e indeboliscono i legami a H.

I legami a idrogeno hanno un ruolo essenziale nello stabilizzare la struttura tridimensionale di molecole biologicamente importanti, come DNA, RNA e proteine.

Interazione tra molecole d’acqua

I legami a idrogeno non coinvolgono una sola molecola d’acqua ma possono coinvolgere più molecole, le quali reagiscono tra di loro formando reticoli diffusi di legami a idrogeno tra le varie molecole. Ogni molecola d’acqua partecipa a 4 legami a idrogeno, in 2 come donatore e in 2 come accettore. Nell’acqua allo stato liquido, i legami a idrogeno si rompono e si formano continuamente.

Se la temperatura aumenta i legami si rompono e si ha il passaggio da liquido a gas. Per staccare le singole molecole d’acqua, infatti, è necessario somministrare molto calore e superare una certa soglia di energia: l’effetto colligativo fa sì che rompere i legami richieda molta energia. Ad esempio per far bollire l’acqua devo portare a 100° e poi fornire molto calore per rompere i legami a idrogeno. Infatti per l’evaporazione è necessaria un’ulteriore energia (calore latente di evaporazione).

Molto spesso i legami deboli si formano in modo “cooperativo”: la presenza di 1 legame favorisce la formazione del successivo, e così via. L’acqua ha anche un elevato calore specifico, infatti devo scaldarla molto per far aumentare la sua temperatura.

Le interazioni tra molecole sono importanti anche nel determinare le caratteristiche geometriche di un sistema: le variazioni di densità dell’acqua con la temperatura (e nelle transizioni di fase) ne sono un esempio. La struttura dell’acqua è peculiare per la sua transizione di fase da stato liquido a solido; l’acqua ha massima densità alla temperatura di 4,1°C, è più stabile in quanto i legami con le molecole adiacenti assumono una disposizione regolare in un certo volume massimo di atomi possibili; se si abbassa la temperatura a 0°C l’acqua gela e i piani sono perfettamente allineati tra di loro e non più sfalsati. Il volume occupato è aumentato, è meno denso rispetto acqua liquida alla stessa temperatura.

Nell’acqua liquida i legami a idrogeno si rompono e si riformano continuamente: alcune molecole si dissociano ed altre si uniscono ad un insieme di altre molecole. In un cristallo di ghiaccio, invece, i legami idrogeno sono più o meno stabili. Il ghiaccio ha una densità più bassa rispetto all’acqua allo stato liquido perché in un cristallo di ghiaccio l’insieme delle molecole d’acqua è meno densamente impaccato che non nell’acqua. L’acqua liquida presenta in media meno legami idrogeno e perciò ha densità maggiore di quella del ghiaccio.

Solubilità e miscibilità

Numerose altre molecole hanno la capacità di formare legami idrogeno, tra di loro e con l’acqua. Su questa capacità si basano anche la loro solubilità e la loro miscibilità. Molto importanti sono anche le proprietà chimiche dell’acqua: un qualunque composto è solubile in acqua se riesce a formare dei legami a H con essa. Sulla capacità delle molecole di formare legami H si basa la loro solubilità/miscibilità.

Se una molecola ha la possibilità di formare legami H ma prevalgono le interazioni tra le catene della molecola stessa, allora è insolubile in acqua. La solubilità dipende dalle relazioni che una molecola stabilisce con l’acqua: se prevale il legame solvente-soluto allora la molecola si scioglie; se prevale il legame molecola-molecola non si scioglie. Una molecola non si scioglie o non si mischia con l’acqua quando le interazioni molecola-molecola sono più forti delle interazioni molecola-acqua.

La solubilità può cambiare a seconda della temperatura: ad esempio a freddo gli zuccheri semplici, o mono-disaccaridi, sono solubili, mentre gli zuccheri complessi sono insolubili, ma solubili a caldo.

Proprietà solventi dell’acqua: ioni

Anche in questo caso una molecola è solubile se prevalgono le interazioni con l’acqua rispetto a quelle tra molecole o i suoi componenti (ioni). Un buon esempio è la molecola NaCl, la quale è formata da un reticolo regolare costituito da ioni Na⁺ e Cl^-.

L’acqua esercita la sua azione solvente grazie alla dipolarità della sua struttura: il dipolo “acqua” si orienta in modo diverso a seconda che interagisca con anioni (-) o cationi (+). Attorno ai singoli ioni si formano uno o più strati di «acqua di solvatazione».

Se immergo uno ione solubile in H₂O si dispongono attorno ai cationi e agli anioni in modo diverso. Formano una sfera di solvatazione. Sono interazioni elettrostatiche. Aumentando la distanza fra catione ed anione diminuisco l’intensità di attrazione. Uno ione coordina molta più acqua di qualunque altra specie chimica.

Se si aggiunge acqua, essendo un dipolo elettrico, va a interagire con gli ioni con O rivolto verso positivi (Na) e H verso Cl (negativi): questo orientamento coinvolge tantissime molecole d’acqua. Una carica negativa è generalmente circondata da due diverse sfere di solvatazione: gli idrogeni dell’acqua si rivolgono verso la carica negativa; man mano che ci si allontana dalla carica l’effetto del campo elettrico diminuisce con l’aumentare della distanza e dopo una certa soglia (che dipende dalla densità di carica) c’è acqua libera. Si parla così di solvatazione di una specie chimica.

I singoli ioni sono presenti in soluzione come specie chimiche circondate da uno strato più o meno spesso di molecole d’acqua: allontanando le cariche di segno opposto, l’acqua previene la formazione di “legami ionici” o “elettrostatici” tra ioni, o tra porzioni di molecole (anche enormi) che presentano cariche di segno opposto. Più uno ione è piccolo, più esso è carico e più attirerà acqua a se stesso, mentre più è grande e meno è carico.

Le sfere di solvatazione determinano le caratteristiche biologiche dell’acqua. Non tutti i sali si sciolgono in acqua: ad esempio il cloruro di argento no. Na è un atomo più piccolo rispetto a K, solo che in soluzione (solvato) è più grande. Di conseguenza non passa all’interno della cellula.

Le molecole d’acqua che circondano un’altra molecola (o una porzione di molecola) hanno diversa mobilità e reattività, a seconda della natura dell’interazione e della distanza dalla molecola. Le specie solvate sono quelle che effettivamente partecipano alle reazioni o vengono trasportate da e per le cellule. Non tutte le molecole sono cariche, dipende dal pH, esso infatti condiziona la capacità di trattenere l’acqua. Segno e numero delle cariche possedute da molti soluti ionizzabili possono cambiare in funzione del pH del mezzo.

pH e specie ionizzabili

-COOH e –COO^- si trovano entrambi presenti in soluzione, solo che la prevalenza di una delle due specie dipende dal pH. Considero una generica specie A che per aggiunta di una proteina diventa AH. Esiste un equilibro fra la specie protonata e quella non protonata e questo equilibro è definito dai valori della costante di equilibrio k.

• Se pH=pK_a c’è uguaglianza nelle proporzioni esistenti tra A e AH;
• Se pH<pK_a prevale la specie protonata;
• Se pH>pK_a prevale la specie non protonata;