Biochimica

Biochimica: un ponte tra materia inerte e animata

La biochimica è un ponte tra la chimica, materia inerte, e la biologia, materia animata. Il suo scopo è quello di comprendere la "vita" in termini molecolari. La biochimica ha l’obiettivo di svelare il funzionamento degli esseri viventi; è collegata strettamente alla medicina dal momento che rivela piccole imperfezioni a livello biologico che possono essere utilizzate dalla medicina.

Divisioni della biochimica

Comprende due parti:

• Chimica strutturale dei componenti della materia vivente e la relazione tra struttura e funzione
• Metabolismo: cioè l’insieme delle reazioni che hanno luogo nella "materia" vivente (dobbiamo sapere come gli esseri viventi producono energia, come l’energia viene utilizzata dalle cellule e in che modo può essere utile agli esseri viventi).

Caratteristiche degli organismi viventi

Caratteristiche che distinguono organismo vivente da materia animata: entrambi rispondono alle stesse leggi chimiche e fisiche; tuttavia il mondo vivente ha la possibilità di produrre energia, conservarla e degradare molecole per consumare energia, ha la possibilità di replicarsi, ossia ottenere copie identiche in maniera autonoma. A differenza del mondo inanimato, la materia vivente è costituita da relativamente pochi elementi (C, O, N, P), sebbene molti altri elementi ("elementi traccia") svolgano funzioni altrettanto essenziali.

Evoluzione chimica

Origine delle prime forme di vita

La prima comparsa di vita, associata a un fossile di cellule batteriche filamentose ritrovato nell’Australia occidentale, risale a circa 3,4 miliardi di anni fa. Negli anni ’20, in maniera separata l’uno dall’altro, ipotizzarono che l’atmosfera primordiale fosse costituita da composti che, sottoposti a scariche elettriche (es. fulmini), possono aver generato le prime molecole organiche. Ciò venne riprodotto in laboratorio: esperimento di Miller e Urey. Quest’ultimi simularono l’atmosfera primordiale, bombardata da scariche elettriche. Poi raccolsero i gas in soluzione acquosa, somigliante al brodo primordiale, trovando la presenza di molecole organiche come amminoacidi. La conclusione è che i mattoni chimici della vita possano essersi generati nell’atmosfera primordiale. Ciò è solo un’ipotesi, altri scienziati sostengono che le molecole organiche furono create sul fondo del mare, a temperature molto elevate, al buio.

Le prime molecole che si formavano potevano essere date dalla reazione di condensazione. Poi, via via che vengono prodotte molecole, queste vengono classificate secondo composizione chimica, legami, gruppi funzionali. Il principio secondo cui si formano i polimeri è "l’insieme supera la somma delle parti". La combinazione di monomeri differenti e dei loro diversi gruppi funzionali in una molecola di maggiori dimensioni determina un aumento della versatilità chimica della molecola.

Infatti carboidrati (polisaccaridi, formati da monosaccaridi o carboidrati semplici), proteine (polipeptidi formati da 20 amminoacidi essenziali) e acidi nucleici (formati da nucleotidi) formano polimeri, formati dunque da monomeri. L’unica classe che non forma polimeri sono i lipidi. Evento fondamentale dell’evoluzione chimica: passaggio da sistemi di molecole generate casualmente ad altri in cui le molecole erano replicate in maniera specifica.

Le molecole, dunque, si organizzano con una logica, in modo da ottenere, ad esempio, molecole identiche (processo di replicazione). Il passaggio in cui il materiale organico viene inglobato in una cellula vivente, e dunque a forma di vita, non viene spiegato dagli scienziati, esistono solo molte teorie al riguardo. Indubbiamente, il materiale organico venne racchiuso in una sorta di sacca, in modo che non si disperdesse nell’ambiente, ma non si sa come e quando.

La cellula

Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi. Tutti i tipi di cellule hanno alcune caratteristiche strutturali comuni. Le cellule possono essere divise in due grandi gruppi: procarioti (pròtos + kàrion = prima del nucleo, ossia privi di nucleo) ed eucarioti.

Proprietà chimiche comuni negli organismi viventi

• Membrana plasmatica: caratterizzata da fosfolipidi organizzati in un doppio strato (porzione idrofila verso l’esterno e testa idrofila verso l’interno) e da proteine. La membrana è selettiva, semipermeabile a soluti, ioni ecc. che vengono fatti entrare all’interno della cellula grazie a carrier, trasportatori, fori poiché nutrimento per la cellula.
• Citoplasma: soluzione all’interno della cellula. Il citosol invece è la soluzione acquosa in cui vengono escludi gli organelli subcellulari.
• Ribosomi: formate da subunità costituite da RNA (ribosomiale, transfer, messaggero).
• Molti ioni inorganici, piccole molecole organiche e macromolecole.
• Sistemi che collegano l’interno con l’ambiente extracellulare.
• Capacità di estrarre, trasformare e utilizzare l’energia proveniente dall’ambiente.
• Processi metabolici fondamentali comuni (ad esempio la glicolisi).
• Stesso codice genetico: corrispondenza di DNA e amminoacidi in una proteina, ossi una determinata tripletta di nucleotidi definisce/codifica una sequenza degli amminoacidi nella proteina.
• Unico progenitore ancestrale.

È stato stimato che le specie viventi nel nostro pianeta siano almeno 10 milioni, forse 100 milioni. Gli organismi viventi possono essere raggruppati in 3 distinti domini: l’albero filogenetico presenta ramificazioni che indicano i punti di divergenza da un progenitore comune. I batteri sono organismi procarioti; gli archea sono procarioti ma hanno caratteristiche particolari, ossia comprendono microorganismi che sono in grado di sopravvivere a condizioni ambientali estreme ("estremofili") e microorganismi quali metanobatteri (producono gas metano) e alofili (resistono a concentrazioni elevate di sale).

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da singole cellule, delimitate da una membrana lipidica esterna. Le cellule possono contenere una grande varietà di strutture intracellulari. La membrana nucleare ha un doppio strato, vi è del liquido tra le due capsule. Questa, all’interno, continua con il reticolo endoplasmatico rugoso. Tra nucleo e citoplasma vi sono pori che permettono in passaggio di RNA messaggero che serve per codificare (sintesi) le proteine. La vera e propria sintesi avviene nei ribosomi che sono nel RER (la sua funzione è quella di sintetizzare proteine), poi queste proteine possono assumere modificazioni post-sintetiche (ad esempio vi possono aggiungere dei gruppi) in modo che la proteina sia biologicamente attiva. I mitocondri sono luogo della maggior parte delle vie metaboliche. Presentano creste tra cui vi è spazio intermembrana. Nella membrana interna vi è la matrice, di composizione diversa rispetto a quella dello spazio intermembrana. Sono ricchi di enzimi, motivo per cui sono sede delle vie metaboliche.

Funzionamento subcellulare di un tessuto

Il fegato viene trattato (triturato) in modo da rompere anche la membrana cellulare. Poi il tessuto viene omogenato, scomposto nelle varie componenti cellulari e viene apportata una tecnica di centrifugazione differenziale: ciò separa gli organelli in base alla dimensione a alla densità. Un’altra tecnica è la centrifugazione su gradiente di densità tramite una unica centrifugata. Proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici sono i quattro tipi di molecole (biomolecole) che caratterizzano i viventi.

Caratteristiche delle biomolecole

• Elevata massa molecolare (alcuni acidi nucleici arrivano a miliardi di dalton).
• Contengono sempre atomi di C (composti organici).
• Gli atomi sono tenuti insieme da legami covalenti e stabiliscono all’interno della stessa molecola anche legami non covalenti → Stabilità strutturale → Conformazioni tridimensionali specifiche.

Proteine

Le proteine sono molecole biologiche che hanno funzioni molto diverse tra loro, ma tutte fondamentali per la cellula. Sono polimeri composti da amminoacidi.

Funzioni delle proteine

• Strutturale: cheratina (componente principale di squame, capelli), collagene.
• Ormoni: insulina, glucagone.
• Anticorpi.
• Trasporto: l’emoglobina è fondamentale per il trasporto dell’ossigeno nel sangue.
• Recettiva.
• Contrattili: miosina e actina che intervengono nella contrazione muscolare.
• Enzimi: principali catalizzatori biologici nelle cellule.

Amminoacidi

L’amminoacido è l’unità fondamentale delle proteine. I principali sono 20; dalla combinazione di questi 20 amminoacidi possiamo ottenere un numero infinito di proteine. Questo numero infinito viene ristretto dall’efficienza della sintesi proteica (proteine molto grandi sono difficili da sintetizzare) e dalla struttura (proteine biologicamente attive devono ripiegarsi in un modo particolare). Gli aa che compongono le proteine sono 20; tuttavia ne esistono molti di più. I 20 aa fondamentali vengono chiamati "standard" o "comuni" e per ognuno di loro esiste almeno un codone presenti nel codice genetico. Gli amminoacidi meno comuni, invece, si formano o per modificazione enzimatica di uno degli aa comuni dopo la sua incorporazione in una proteina oppure sono semplicemente presenti nell’organismo, ma non fanno parte delle proteine.

Struttura degli amminoacidi

I 20 aa standard condividono una struttura comune, ma differiscono a livello della loro catena laterale. Tutti gli aa (tranne la glicina) hanno l’atomo di Cα legato a quattro gruppi diversi: il Cα (asimmetrico) è quindi un centro chirale. La glicina ha un gruppo R che è un atomo di H; per questo motivo è l’aa più semplice di tutti. La struttura è chimicamente corretta, tuttavia in ambiente fisiologico (pH 7) non troviamo questa struttura ma troviamo zwitterioni, nel quale è carico sia il gruppo amminico (pH 9) sia il gruppo carbossilico (pH 2). Il gruppo amminico e il gruppo carbossilico sono coinvolti nel legame peptidico, per cui la carica della proteina è data dai gruppi R. Solo gli L-aa entrano a far parte delle proteine dei mammiferi; le proteine infatti sono composte principalmente da L-aa. Il motivo non è ben preciso.

Proprietà degli amminoacidi

L’indice idropatico fornisce una misura della idrofobicità del gruppo R. Se il valore è elevato significa che l’aa è molto idrofobico, ossia si trova nel core proteico, all’interno della proteina. Il valore di pKa è diverso a seconda che l’aa si trovi all’interno o all’esterno della proteina.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi differiscono per il gruppo R; vengono infatti classificati in base al gruppo R. Questa classificazione, tuttavia, non è sempre la stessa poiché non ne esiste una universale. Il gruppo R differisce per:

• Struttura
• Dimensioni
• Carica
• Capacità di formare legami H: i legami H stabilizzano la struttura secondaria delle proteine
• Idrofobicità: si ripiega la proteina; la parte idrofobica è rivolta verso l’interno e stabilizza la proteina (si forma infatti un "core proteico")
• Reattività chimica

Ancora più importante è la sequenza degli aa, ovvero come sono organizzati, poiché grazie a questa si avrà una specifica struttura dimensionale e di conseguenza specifiche caratteristiche. Tutti e tre i domini dell’albero fisiologico (batteri, archeobatteri e eucarioti) sono costituiti dagli stessi 20 aa: c’è quindi un progenitore comune.

Suddivisione degli amminoacidi

• 9 aa apolari e idrofobici
• 6 aa polari non carichi
• 5 aa carichi (3 positivamente, 2 negativamente)

La polarità indica la tendenza a interagire con l’acqua a pH fisiologico (pH 7).

Amminoacidi idrofobici

• Glicina (Gli): È il più semplice di tutti gli aa. Non contiene un C asimmetrico.
• Alanina (Ala): Come gruppo R c’è un CH₃.
• Prolina (Pro): Ha un anello pirrolidinico ciclico. Il gruppo R è legato al carbonio ma anche al gruppo amminico (in questo caso quindi è secondario). Influenza fortemente la struttura delle proteine di cui fa parte poiché l’anello conferisce rigidità alla proteina. Questo perché l’anello ha maggiori restrizioni conformazionali rispetto ad altri gruppi R. Si trova sulla superficie delle proteine, nonostante sia idrofobico, poiché conferisce un cambiamento di direzione della proteina. Lo troviamo spesso nei cosiddetti "turn", ossia quando la proteina cambia la propria direzione. È presente in abbondanza nel collagene, proteina strutturale.
• Valina (Val)
• Leucina (Leu)
• Isoleucina (Ile)
• Metionina (Met): È uno dei due aa che contiene S, gruppo sulfidrilico terminale. Presenta una catena laterale contenente il legame tioetere. È un aa idrofobico.
• Triptofano (Trp): È formato da un doppio anello costituito da due anelli fusi. La presenza di S nel gruppo R lo rende meno idrofobico rispetto alla fenilalanina poiché si possono formare legami H.
• Fenilalanina (Fe): È un aa idrofobico a causa del gruppo benzilico. Al posto dell’H c’è un fenile.

Aa ramificati: Valina, Leucina, Isoleucina. Sono aa essenziali (ossia necessari al nutrimento umano, devono essere assunti attraverso la nutrizione poiché il corpo non è in grado di sintetizzarli). Le proteine muscolari sono particolarmente ricche di questi amminoacidi. Aa aromatici: Triptófano, Tirosina. Assorbono nell’ultravioletto. Ciò è vantaggioso poiché possono essere dosati in un campione biologico. Con uno spettrofotomentro, infatti, si può osservare l’assorbanza e quindi la concentrazione. Esistono solo 2 amminoacidi con zolfo: Metionina (legame tioetere) e Cisteina (legame tiolico). Triptófano e Fenilalanina hanno gruppi R che iniziano ad essere voluminosi e ingombranti. Più gli aa diventano grandi, più diventano idrofobici. Gli aa con gruppi R idrofobici sono tipici delle cellule globulari poiché determinano il ripiegamento della proteina; il gruppo idrofobico rappresenta infatti il fattore principale per la stabilizzazione della struttura delle proteine. Nelle proteine solubili, gli aa apolari, idrofobici, si dispongono all’interno della superficie mentre quelli polari, carichi, si trovano sulla superficie. Nelle proteine di membrana, in particolare una proteina canale, dal momento che queste devono reagire con le proteine di membrana, sono gli aa apolari a disporsi sulla superficie. Questo perché gli aa apolari interagiscono con il bilayer lipidico. All’interno vi sono aa polari poiché devono permettere il passaggio di sostanze idrofiliche.

Amminoacidi polari non carichi

• Serina (Ser): La serina, rispetto all’alanina, ha un gruppo -OH al posto dell’H.
• Treonina (Tr): Ricorda la valina con, al posto del metile, un -OH.
• Tirosina (Tir): Ricorda la fenilalanina con un -OH nell’anello aromatico. Rispetto alla fenilalanina (molto idrofobico), il gruppo -OH conferisce polarità all’amminoacido.

Serina, treonina e tirosina hanno un gruppo -OH che conferisce polarità. Sono i tre aa che legano il gruppo fosfato. Il gruppo fosfato legato alle proteine è un importante meccanismo di regolazione. Ci sono molti enzimi che funzionano o non funzionano a seconda che abbiano o no legati gruppi fosfato. All’interno delle proteine ci sono siti che vengono quindi fosforilati, che contengono aa con gruppo -OH. Il meccanismo di fosforilazione è a carico di questi tre aa. Asparagina e Glutammina hanno un gruppo carbossi-ammidico terminale.

Il gruppo amminico dell’Asparagina e Glutammina permettono ai rispettivi amminoacidi di formare legami H. Dunque sia con l’acqua (solubilizzazione) che tra di loro (stabilizzazione); i legami H sono dunque utili per stabilizzare la struttura, in questo caso secondaria e terziaria, delle proteine.

• Asparagina (Asn)
• Glutammina (Gln)
• Cisteina (Cis): La Cisteina ha un gruppo SH terminale, è infatti l’altro aa a possedere S. È molto importante poiché due Cisteine possono reagire tra loro e creare un ponte disolfuro. Si forma dunque la Cistina. È importante poiché stabilizza la struttura tridimensionale delle proteine. Cisteine che si trovano molto lontane, dal momento in cui si forma il ponte, stabilizzano la struttura.

Esistono altre proteine formate da più subunità; l’insulina è composta da 51 aa (due catene: una A e una B, ossia una da 21 aa e l’altra da 30 aa) con 3 ponti disolfuro (due intercatena e uno intracatena per stabilizzare la struttura tridimensionale). A valori di pKa leggermente basici, perde il protone e forma lo ione tiolato S che è particolarmente reattivo.

Amminoacidi carichi positivamente

• Lisina (Lys): È un aa con catena laterale molto lunga. Ha gruppo amminico primario legato al Cε.
• Arginina (Arg): È presente nel ciclo dell’urea. Presenta un gruppo guanidinico terminale.
• Istidina (His): Ha un gruppo/anello imidazolico (R ciclico). Si trova nei siti catalici degli enzimi. Ha un gruppo R con pKa intorno a 6, il quale varia quando si trova dentro la proteina. Piccole variazioni di pH fanno sì che l’istidina sia protonata o deprotonata, ossia rilascia o prende protoni e interviene così nel processo di catalisi degli enzimi. In molte proteine enzimatiche un residuo di istidina facilita la reazione agendo da donatore o da accettore di protoni. A pH fisiologico, l’His è in grado di cedere o accettare protoni.

Amminoacidi carichi negativamente

Hanno un gruppo carbossilico nella catena laterale, terminale. Sono acidi. Hanno R idrofilici. Hanno carica netta negativa a pH 7 (fisiologico).

• Aspartato (Asp)
• Glutammato (Glu)

Asparagina