Biochimica

Introduzione alla biochimica

Dal punto di vista letterale la biochimica è lo studio della chimica della vita. Infatti studia l’essere umano, i suoi tessuti/organi, la composizione cellulare di questi tessuti, le cellule singole e le loro attività biologiche, superamolecole, e tutti gli scambi e reazioni chimiche che permettono la vita. Quindi descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici condivisi dagli organismi viventi e fornisce i principi che sottostanno alla complessità della vita in tutte le sue forme. È importante notare che ci sono molti aspetti biochimici che accomunano tutti gli esseri viventi.

• La composizione chimica (elementare e molecolare).
• La struttura cellulare.
• Il ruolo centrale dell’ATP nell’energetica cellulare.
• La catalisi enzimatica.
• La replicazione.

La materia vivente ha un numero piccolo di atomi che compongono e molecole e sono: C, H, O, N, P e S. Gli altri bioelementi sono disciolti come ioni (K+, Na+, Cl-) oppure fanno parte di macromolecole dove svolgono funzioni particolari (Fe²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺). Gli atomi che compongono le biomolecole sono organizzati in gruppi funzionali che, insieme ai legami che compongono, possono svolgere ruoli diversi nelle reazioni biologiche. I principali gruppi funzionali sono: le semplici molecole organiche si possono combinare in molecole più complesse, quindi con maggior numero di gruppi funzionali, oppure si combinano polimerizzando in unità ripetute. Queste funzioni determinano la versatilità della molecola. Molecole specifiche possono avere un accoppiamento specifico e complementare grazie alle particolari strutture fisiologiche. Tale complementarità fa sì che una molecola possa replicarsi. Importante notare che la natura ha selezionato anche molecole chirali per le attività biologiche.

Struttura delle cellule

Le cellule sono le unità di vita più piccole. Le cellule si dividono in eucarioti, cellule che possiedono un nucleo composto da una membrana che protegge il DNA, e cellule procarioti che sono prive di nucleo, hanno strutture semplici e sono unicellulari. I virus sono entità ancora più semplici ma non sono classificati organismi viventi perché sono privi dell’apparato metabolico necessario per riprodursi fuori dalla cellula ospite. Le cellule presentano una membrana proteolipidica che le protegge al cui interno troviamo il citoplasma.

Il citoplasma contiene tutti gli organuli cellulari e il nucleo o DNA in base al tipo di cellula immersi in una soluzione chiamata citosol, dove troviamo gli enzimi per la catalisi metabolica, diverse molecole biorganiche e l’insieme degli ioni inorganici. Gli organismi viventi sono sistemi aperti (scambiano materia ed energia con l’ambiente per mantenere uno stato di disequilibrio). Sono sistemi aperti in stato stazionario. Le leggi della termodinamica valgono anche in questo caso. Per descrivere meglio i processi di energia della cellula è utile usare l’energia libera di Gibbs.

Energia libera di Gibbs

Per una data reazione: abbiamo che l’energia libera di Gibbs è: se tale valore è < di 0 allora il processo è esoergonico e quindi spontaneo, mentre se il valore è > di 0 il processo è endoergonico quindi non spontaneo; prevede un rifornimento di energia libera. Nei processi all’equilibrio, tale valore è =0. Il valore di ∆G comunque, non influenza la velocità di reazione, perché la velocità dipende solo dal meccanismo. È importante definire anche come ∆G dipenda dalle concentrazioni: come abbiamo detto i valori di ∆G non influenzano la velocità di reazione, quindi le cellule, o meglio, i processi biochimici sono catalizzati da enzimi, catalizzatori di natura proteica, che integrano fisicamente i reagenti coi prodotti per fornire una via favorevole alla trasformazione degli uni negli altri.

Organizzazione degli organismi viventi

A questo punto si può affermare che per compiere lavoro gli organismi viventi devono essere entità altamente organizzate e ordinate, con strutture non casuali, ricche di informazione (povere di entropia). L’energia libera comunque è immagazzinata in legami chimici di una particolare molecola chiamata ATP, molecola che sta alla base per compiere lavoro biochimico. Principali tipologie di lavoro: biosintetico, trasporto attivo attraverso le membrane, meccanico (contrazione muscolare) e bioluminescente, fenomeno per cui organismi viventi emettono luce attraverso particolari reazioni chimiche, nel corso delle quali l'energia chimica viene convertita in energia luminosa.

Tipi di organismi in base alla fonte di energia

Definiamo ora gli organismi chemiorganotrofi, chemiolitotrofi e fototrofi. Gli organismi chemiorganotrofi sono organismi che traggono energia da molecole organiche. I chemiolitotrofi traggono energia da molecole inorganiche. Un grande numero di organismi, chiamati appunto fototrofi, è in grado di effettuare la fotosintesi utilizzando energia luminosa. Tutti e 3 i processi portano alla formazione di ATP.

Metabolismo

La strategia di base del metabolismo è quella di formare ATP (riserva di energia), precursori essenziali per la biosintesi. Il metabolismo è l’insieme dei processi con cui gli esseri viventi ricavano e utilizzano energia libera per svolgere le loro funzioni. Si divide in due parti: catabolismo e anabolismo. Il catabolismo prevede la degradazione dei nutrienti cellulari per riutilizzare i componenti o produrre energia. L’anabolismo è il processo di biosintesi.

Attraverso i processi metabolici le sostanze nutrienti vengono trasformate in molecole molto semplici producendo contemporaneamente ATP. L’ATP viene utilizzato poi nella sintesi di macromolecole cellulari a partire da precursori più semplici come amminoacidi, zuccheri, ecc. Per poter svolgere tutte le attività cellulari prioritario per la cellula è mantenere un elevato rapporto ATP/ADP. Per riassumere nel processo catabolico di produce ATP che va a fornire energia ai processi endoergonici di biosintesi.

Il metabolismo è comunque un insieme di reazioni chimiche ognuna catalizzata da un enzima specifico, che avvengono nelle cellule viventi. È organizzato in percorsi ordinati detti vie metaboliche. Le vie metaboliche sono una serie concatenata di reazioni enzimatiche. Dove S = substrato (reagente) della reazione, P = prodotto.

Continuità genetica

La continuità genetica: il DNA contiene l’informazione genetica, richiesta per svolgere le funzioni vitali, è codificata nella sequenza lineare di quattro tipi di nucleotidi. Che si legano solo nel seguente ordine: A con T e G con C. Le informazioni sono contenute in molecole di DNA a doppio filamento. Le cellule (e gli organismi viventi) si riproducono con elevata fedeltà per trasferire le informazioni biologiche alle cellule figlie. L’informazione è prima trascritta in un messaggio RNA che viene inviato per essere tradotto (ad es. in una proteina). Al posto della timina nell’RNA troviamo l’uracile.

Il ruolo centrale dell'acqua

Gli organismi viventi sono composti per la maggior parte d’acqua. Ai fini biochimici, l’acqua ha un ruolo centrale perché: quasi tutte le molecole biochimiche assumono forma che è loro peculiare in presenza di acqua, come risposta alle sue proprietà chimico-fisiche. L’acqua è il mezzo con cui la maggio parte delle reazioni chimiche avviene. Esempio è la fotosintesi oppure la respirazione cellulare che rilascia acqua. Partecipa anche alle reazioni biochimiche quando è sotto forma ionica, la reattività di molti gruppi funzionali è in funzione alla concentrazione di H⁺ o OH^-.

Proprietà fisiche dell'acqua

Una molecola d’acqua è costituita da 2 atomi di H e uno di O. Gli atomi di idrogeno sono disposti ai vertici di un ipotetico tetraedro a base triangolare e gli elettroni di non legame sono posti agli altri 2 vertici, perché l’ossigeno ha 4 orbitali ibridati sp³. Per questa sua geometria l’acqua ha carattere polare. L’atomo di ossigeno con i suoi elettroni non condivisi genera un dipolo negativo, mentre le parti dove sono porti gli idrogeni generano un dipolo positivo. Questo fa sì che la molecola possa applicare delle forze elettrostatiche per attrarre a se altre molecole polari o ioni addirittura col principio – attrae +. Questi legami elettrostatici prendono il nome di legame idrogeno.

Ogni molecola è in grado di partecipare a 4 legami idrogeno. Un esempio di 4 legami idrogeno con l’acqua l’abbiamo nel ghiaccio. Una molecola d’acqua si orienta in modo da formare dei reticoli aperti, in questo modo diminuisce la densità e aumenta il volume. Anche allo stato liquido l’acqua forma legami idrogeno, ma questi legami non sono regolari come nel ghiaccio, ma non tutti sono legati e questi legami si sfarldano e si ricompongono con un’elevata frequenza.

La solubilità dipende dalle capacità di un solvente di interagire col soluto. L’acqua viene detta solvente universale per il suo carattere polare, che la rende un ottimo solvente per molecole polari o ioniche. Queste molecole si chiamano idrofile, sostanze che non si sciolgono in acqua si chiamano idrofobe. Queste sostanze non polari comunque si sciolgono in solventi apolari per la regola di simile scioglie simile. I solventi polari come l’acqua indeboliscono l’attrazione ionica e tenendole distanziate. Lo ione viene attratto dalle cariche opposte del dipolo dell’acqua e circondato da uno o più strati. Questa situazione si chiama solvatazione o idratazione.

Quando parliamo di molecole biochimiche molto spesso parliamo di molecole che hanno anch’esse carattere polare, un esempio il glucosio. Anche in questo caso le molecole d’acqua si comportando da solvete sciogliendo queste biomolecole. Tra le molecole idrofobiche troviamo gli acidi grassi, che possono essere saturi o insaturi. Le molecole idrofobiche sono apolari e quando vengono immerse in un solvente polare come l’acqua non si discioglie ma piuttosto si raggruppa e ne viene esclusa. Questo comportamento è dovuto alla tendenza dell’acqua a rendere minimi i contatti con sostanze non polari e si chiama effetto idrofobico.

Quando inseriamo una molecola apolare nell’acqua questa molecola inizialmente rompe i legami polari dell’acqua e successivamente queste molecole si riorganizzano in un reticolo che circonda la molecola di grasso in tal modo l’aggregazione dei gruppi non polari riduce al massimo l’area superficiale della cavità, rendendo massima l’entropia all’interno del sistema. Esistono però molecole anfifiliche, cioè presentano parti polari e parti non polari, come gli acidi grassi. Per queste molecole l’acqua solvata la parte polare escludendo quella apolare, come conseguenza abbiamo il raggruppamento in micelle. Un altro modo di disposizione di queste molecole è la disposizione a doppio strato tipica della barriera cellulare che consiste nell’orientare le molecole con la parte idrofila a contatto con l’acqua e la parte idrofobica nascosta all’interno di due pareti di parte idrofile.

L’acqua ha un’elevata costante dielettrica (ε). Un’elevata costante dielettrica permette di schermare le cariche indebolendo le attrazioni elettrostatiche. L’elevata capacità termica è una sorta di tampone termico: previene innalzamenti significativi della temperatura in conseguenza delle attività metaboliche. Un’altra proprietà importante dell’acqua considerata una proprietà colligativa è l’osmosi.

All’interno e all’esterno di una cellula troviamo molte sostanze, le concentrazioni di tali soluti influenzano le proprietà colligative. Quando una soluzione è separata da una membrana semipermeabile dall’acqua pura, il solvente tende ad entrare nella soluzione per uniformare la sua concentrazione con l’esterno, questo fenomeno prende il nome di osmosi, cioè il passaggio di solvente da una zona più concentrata ad una zona meno concentrata. Si definisce invece pressione osmotica la pressione che serve a impedire questo processo. La pressione osmotica è proporzionale alla concentrazione di soluto e per una concentrazione 1M, la pressione osmotica è 22,4 atm.

Quando una soluzione è separata per mezzo di una membrana semipermeabile ai soluti e al solvente, questi ultimi diffondono nella regione a meno concentrazione per diffusione casuale e si stabilisce un equilibrio. L'osmolarità è la pressione osmotica generata dai soluti presenti in 1 L di soluzione. L'osmolarità è una grandezza fisica che misura la concentrazione delle soluzioni usata in chimica, e in particolare è il numero totale di molecole e ioni presenti in un litro di solvente. È definita come il numero di osmoliti per litro di soluzione, dove l'osmole è l'unità di misura del numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica della soluzione.

In chimica è possibile indicare la pressione osmotica di una data soluzione in termini quantitativi, conoscendone la molarità e la temperatura, oppure in relazione alla pressione osmotica di un'altra soluzione, presa come riferimento. In quest'ultimo caso la soluzione può avere una pressione osmotica inferiore, uguale o maggiore a quella con cui la si paragona. Si dice allora che la soluzione è, rispettivamente, ipotonica, isotonica o ipertonica rispetto a quella a cui la si paragona, a seconda del grado di tonicità tra le due soluzioni. In particolare, indipendentemente dalla natura del soluto, soluzioni aventi la stessa concentrazione hanno medesima pressione osmotica e si dicono isotoniche; le soluzioni ipertoniche si presentano invece quando la pressione interna è maggiore di quella esterna mentre le soluzioni ipotoniche viceversa.

Questo tipo di dizione, anche se puramente indicativa, è utile quando le due soluzioni sono separate da una membrana semipermeabile, perché permette di dedurre un eventuale fenomeno di osmosi, ed è ricorrente in biologia dove fenomeni di osmosi fra membrane hanno conseguenze rilevanti per la fisiologia delle cellule.

Lisi cellulare

La lisi è la demolizione e dissoluzione di una cellula, causata dalla rottura della membrana cellulare; il suo contenuto che così ne fuoriesce prende il nome di lisato. La rottura può essere indotta da agenti chimici, fisici e biologici. La cellula può rompersi anche per eccessiva pressione osmotica. Questo accade quando la cellula è posta in ambiente ipotonico: per osmosi l'acqua tende ad entrare nella cellula determinando prima rigonfiamento e poi, quando la pressione è troppa, la lisi. Il fenomeno prende il nome di citolisi.

Proprietà chimiche dell'acqua

L’acqua comunque rimane una molecola neutra e ha una tendenza molto bassa a dissociare 1x10^-7. In realtà lo ione H⁺ non esiste, esso si dissocia formando lo ione idronio dato dal fatto che il legame polare HO riesce a portare via un H formando lo ione H₃O⁺ e lo ione ossidrile OH^-. I salti protonici sono salti che compiono i protoni poiché sono liberi di saltare da una molecola d’acqua ad un’altra. Questi salti spiegano perché la velocità di reazione acido-base è più veloce di altre reazioni che avvengono in ambiente acquoso.

Ogni enzima ha un valore di pH ottimale in cui riesce ad esplicare al meglio le sue funzioni: ogni variazione di pH ne influenza notevolmente l’attività in quanto provoca una alterazione della struttura sia dell’enzima che del substrato. Al valore ottimale di pH diverso da enzima ad enzima, quest’ultimo rende la reazione più veloce rispetto a qualsiasi altro valore di pH. Quindi l’acqua può abbassare il valore di pH in modo da rendere ottimale la catalisi enzimatica.

La maggior parte delle reazioni fisiologiche hanno concentrazioni di idrogeno che si avvicinano alla neutralità, quindi definiamo acidi o basi deboli quelle sostanze con bassa capacità di trasferire un protone. Importante è anche mantenere il pH a valore costante, poiché una variazione significativa di pH potrebbe portare a modificazioni drastiche di struttura molecolare.

Costruiamo le curve di titolazioni per acido acetico, H₂PO₄^-, NH₄⁺ in seguito all’aggiunta di ossidrile. Le curve hanno andamento simile ma sono spostate in senso verticale nei valori di pH. Il pH nel punto intermedio ha valore equivalente al pKa dell’acido e la pendenza in ogni suo punto medio è minore alle pendenze degli estremi, ciò indica che quando il valore di HA è circa uguale al valore di A^-, il pH di una soluzione è all’incirca insensibile all’aggiunta di una base o acido forte.

Nucleotidi e acidi nucleici

I nucleotidi sono in quasi tutti gli aspetti della vita cellulare, partecipano a reazioni di ossidazione, al trasferimento di energia, alle vie di segnalazione intracellulare e a reazioni di biosintesi. Gli acidi nucleici sono i polimeri dei nucleotidi e sono DNA e RNA, sono direttamente coinvolti in processi di immagazzinamento e decodificazione delle informazioni genetiche. Entrambi svolgono anche funzioni strutturali e di catalisi nelle cellule.

Struttura dei nucleotidi

Sono 8 i tipi più comuni di nucleotidi, ciascuno composto da una base azotata unita ad uno zucchero al quale è legato almeno un gruppo fosforico. Le basi dei nucleotidi sono molecole aromatiche, planari, eterocicliche e sono derivati strutturali della purina e della pirimidina. Le purine compongono l’adenina (A) e la guanina (G), mentre la pirimidina compone citosina (C), timina (T) nel DNA e uracile (U) nell’RNA. Le purine formano legami con uno...