Biochimica - Bergamini

Proprietà distintive degli esseri viventi

Gli organismi sono complicati e altamente organizzati, la loro caratteristica principale è l’organizzazione e il trasporto di informazioni. Le strutture biologiche servono per scopi funzionali, qualsiasi cosa che ha una funzione ha anche una struttura. I sistemi viventi sono attivamente implicati nei meccanismi di trasformazione dell'energia. I sistemi viventi hanno la capacità di auto-replicazione.

• Fatti da microrganismi con una determinata struttura e una funzione fondamentale

Il carbonio e le biomolecole

Il carbonio è l'elemento essenziale di base delle biomolecole.

• La struttura delle macromolecole è spesso composta dal carbonio
• Tutte le biomolecole contengono carbonio
• La valenza del carbonio è 4, la sua capacità di creare legami è elevata
• Forma legami covalenti con se stesso e con altri atomi

Energia dei legami covalenti

Da un punto di vista biochimico, noi ci siamo evoluti, il carbonio è preferito per un’energia di legame. Il silicio non sarebbe in grado di fare molecole complesse.

• Il valore dell’energia tra gli atomi di silicio è minore dei valori dei possibili legami con altri elementi

Ciascun atomo di carbonio può formare un legame con altri quattro atomi. Il legame carbonio-carbonio è di tipo covalente ed è stabile, consente la formazione di catene di carbonio molto resistenti.

• Una struttura grande permette di conservare informazioni, quindi un processo evolutivo

La gerarchia delle biomolecole

Queste molecole partono da piccole unità singole, tutto quello che va a costruire i complessi sovramolecolari va a formare macromolecole e forma poi una cellula o miliardi di cellule per creare un organismo.

Le biomolecole

Le biomolecole sono composti organici che dipendono per la loro organizzazione a seconda degli altri. Le biomolecole sono composti organici formati da catene idrocarburiche unite a gruppi funzionali, funzioni e comportamento chimico dipendono dalla composizione, dalla forma e dalle relazioni con gli altri componenti dell’organismo.

I gruppi funzionali sono combinazioni specifiche di atomi che conferiscono alle molecole proprietà caratteristiche.

• Caratterizzate e suddivise a seconda dei loro gruppi funzionali, studiando un enzima ne possiamo capire un altro

E. Coli: Ha circa 3000 proteine, è un batterio composto dal:

• 70% di acqua (come l’uomo)
• 15% proteine
• Zuccheri
• Lipidi
• Oli

Le macromolecole

I carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici sono delle molecole di grosse dimensioni: polimeri. Sono formate da subunità molecolari unite tra loro. Il DNA è un polimero ovvero formato da sequenze di monomeri.

• Proteine: Il passaggio dal monomero a polimero molto spesso è per la reazione di condensazione, nel 99% dei casi, per condensazione si intende che viene eliminata una molecola di acqua.
• Acidi nucleici: Il polimero va a concludere la propria struttura e quindi raggiunge la propria funzione.
• Lipidi: Gli acidi grassi sono fatti da lunghe catene carboniose, con una testa polare. Una volta rotti scaturiamo energia. Gli acidi grassi sono legati con legame idrofobico, un legame debole.
• Zuccheri: La prima via metabolica è la glicolisi. Sono importanti perché sono le prime vie che si attivano: vie glicolisi.

Forma delle molecole

Importante non solo la struttura ma anche la sua forma nello spazio. La forma tridimensionale di una biomolecola è importante per la sua funzione e condiziona le interazioni con le altre molecole presenti nella cellula.

Isomeri

Gli isomeri sono molecole organiche che hanno identica formula molecolare, sono formate cioè dallo stesso numero di atomi, ma che differiscono per il modo in cui gli atomi o i gruppi funzionali sono disposti. Nelle reazioni chimiche gli isomeri si comportano in modo diverso.

• Isomeri geometrici: Nella retina l’energia della luce assorbita converte il cis-retinale in trans retinale inducendo variazioni elettriche nelle cellule che generano l’impulso nervoso.
• Cis: Molecola in parte chiusa
• Trans: Molecola completamente estesa
• Centro chirale: All’atomo di carbonio sono legati sostituenti diversi

Molecola chirale: Specchiando l’immagine la molecola non può essere sovrapposta (speculare/mani)

Molecola achirale: Specchiando la molecola può essere sovrapposta

Steroisomeri ed attività ottica

Esperimento col vino, si ha attività ottica con l’acido tartarico del vino perché è composto da enzimi. L’acido tartarico di sintesi o chimico non l’ha, le reazioni non hanno controllo su una sintesi.

Polimeri

Per la sintesi di un polimero, la cellula usa una reazione di condensazione in cui viene liberata una molecola d’acqua. La reazione avviene grazie all’intervento degli enzimi, che mettono a contatto diretto i monomeri.

• Polimerizzazione: Servono i due monomeri ed energia.

La reazione opposta è la demolizione di un polimero. Durante questo processo, una molecola d’acqua viene usata per rompere i legami tra i due monomeri. Il termine idrolisi significa infatti «spezzare con l’acqua».

• Idrolisi: Provoca la rottura di un legame.

I carboidrati

I carboidrati sono usati dagli organismi come fonti di energia immediata e come componenti strutturali. I carboidrati sono formati da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O), con un rapporto di 1 : 2 : 1.

I carboidrati semplici, o zuccheri, possono essere:

• Monosaccaridi (una singola molecola di zucchero)
• Disaccaridi (due monosaccaridi)

I polisaccaridi sono i polimeri dei monosaccaridi. Sono carboidrati complessi con funzioni strutturali di riserva.

• Polisaccaridi: Zuccheri polimerici costituiti da lunghissime catene

Monosaccaridi

I carboidrati semplici forniscono energia a pronto rilascio. Il glucosio è un monosaccaride ed è la principale fonte di energia dei viventi. Il ribosio e desossiribosio sono monosaccaridi importanti in quanto molecole costituenti degli acidi nucleici RNA e DNA.

Importanza dei monosaccaridi:

• Fonte di energia
• Unità monomeriche usate per la sintesi di
• Dimeri (disaccaridi)
• Polimeri (polisaccaridi)

Disaccaridi

Il saccarosio è formato da due monosaccaridi (glucosio e fruttosio) che si uniscono grazie a una reazione di condensazione. Il lattosio è un disaccaride che si trova nel latte; esso deriva dall’unione di una molecola di glucosio e una di galattosio (un isomero del glucosio).

Importanza dei disaccaridi:

• Fonte di energia
• Trasporto di energia, i carboidrati sono trasportati nelle piante sotto forma di saccarosio
• Riserva di energia

Polisaccaridi

Lunghe molecole di monosaccaridi sono carboidrati complessi con funzioni strutturali e di riserva. L’amido e il glicogeno sono polimeri del glucosio, facilmente idrolizzabili e utilizzabili come riserva di energia a rilascio lento.

Polisaccaridi strutturali

• La cellulosa è un polisaccaride del glucosio prodotto nelle piante.
• La chitina è un polisaccaride della N-acetilglucosamina presente nell’esoscheletro di insetti e crostacei.

Lipidi

I trigliceridi hanno testa polare e 3 code alchiliche. Per testa polare si intende molecola polare ha una testa di carica. I fosfolipidi hanno testa polare e quindi carica, idrofila e code idrofobiche.

I composti organici classificati come lipidi sono molto diversificati. La maggior parte dei lipidi è insolubile in acqua a causa delle catene di idrocarburi non polari.

• I trigliceridi contengono una molecola di glicerolo unita per condensazione a tre acidi grassi saturi o insaturi. Sono ottime riserve energetiche a lungo termine e isolanti termici.
• I fosfolipidi hanno una testa idrofila che contiene un gruppo fosfato e due lunghe code idrofobiche. In acqua formano spontaneamente un doppio strato con le teste polari rivolte verso l’acqua e le code a contatto tra loro. I fosfolipidi sono componenti della membrana plasmatica. Come i grassi, i fosfolipidi contengono glicerolo e tre gruppi ad esso legati. Nei fosfolipidi soltanto due di questi gruppi sono però degli acidi grassi mentre il terzo è un gruppo fosfato polare.

Colesterolo e steroidi

Gli steridi hanno una struttura costituita da 4 anelli uniti tra loro. Il colesterolo si trova nelle membrane delle cellule animali ed è usato per costruire gli ormoni steroidei importanti per la crescita e lo sviluppo sessuale.

Gli oli e i grassi sono eccellenti molecole di riserva. Gli acidi grassi possono essere:

• Saturi ovvero non presentano doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena idrocarburica
• Insaturi hanno invece uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena

Gli steroidi possono avere la funzione di stabilizzare la membrana esterna delle cellule oppure funzioni ormonali. Le cere formano uno strato protettivo soprattutto nelle piante che riduce la perdita d’acqua, in molti animali servono a proteggere e mantenere in salute la pelle e il pelo.

Gli aminoacidi

La combinazione degli aminoacidi crea le proteine, le proteine derivano dalla combinazione di 20 amminoacidi. Ciascuno di essi contiene un atomo centrale di carbonio unito a un idrogeno, un gruppo carbossilico -COOH, un gruppo amminico -NH₂ e una parte variabile R che definisce le proprietà della molecola. Le catene polipeptidiche sono sequenze di amminoacidi che si uniscono mediante legami peptidici, ciascuno dei quali coinvolge un gruppo amminico e un gruppo carbossilico. Ogni catena polipeptidica ha una specifica sequenza lineare definita dal numero, dal tipo e dall’ordine degli amminoacidi che contiene. Le proteine si diversificano grazie alla combinazione dei 20 aminoacidi. Le particolarità del gruppo R differenziano tra loro gli amminoacidi.

Nucleotidi e acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. La ripetizione di questi lunghi polimeri ha la funzione di trasmettere informazione e funzione energetica. DNA e RNA sono polimeri formati da nucleotidi. Un nucleotidi contiene uno zucchero unito a un gruppo fosfato e una base azotata che può essere adenina, citosina, guanina, timina (nel DNA) o uracile (nell’RNA).

Il DNA è formato da due filamenti di nucleotidi uniti da legami idrogeno tra le basi azotate, che si appaiano secondo lo schema AT e GC. Contiene le informazioni necessarie poter sintetizzare le proteine dell’organismo. L’RNA trasporta le istruzioni per la sintesi proteica del DNA ai ribosomi, dove gli aminoacidi vengono assemblati a formare le proteine. Gli acidi nucleici DNA e RNA portano informazioni sotto forma di codici.

Un nucleotide è un complesso molecolare formato da:

• Un fosfato, l’acido fosforico
• Uno zucchero pentono
• Una base azotata, guanina, adenina, citosina, timina e uracile

Il DNA

Acido desossiribonucleico: Si trova all’interno del nucleo e contiene l’informazione genetica. Il DNA è un doppio filamento e ha una struttura a doppia elica. Lo zucchero pentono del DNA è il desossiribosio. Le basi azotate presenti nel DNA sono la guanina, adenina, citosina e timina.

L'RNA

Acido ribonucleico: L’RNA convoglia le informazioni codificate nei geni del DNA ai ribosomi per la sintesi proteica. I nucleotidi dell’RNA sono allineati lungo un unico filamento. Lo zucchero pentono dell’RNA è il ribosio. Le basi azotate presenti nell’RNA sono la guanina, adenina, citosina e uracile.

L'ATP è il trasportatore di energia nelle cellule. È un nucleotide composto da tre parti:

• Base adenina
• Zucchero pentono ribosio
• Tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti

Attraverso il cibo si assume e immagazzina dall’esterno energia che si trasforma in ATP attraverso l’organismo. L’ATP perde facilmente il terzo gruppo fosfato, poiché i prodotti della reazione di scissione sono più stabili della molecola di partenza. Si tratta di una reazione esoergonica ovvero che libera energia. La reazione opposta, di produzione dell’ATP a partire dall’ADP e un gruppo fosfato P è detta endoergonica e avviene soltanto con un rifornimento di energia.

Molecole con potenziale di trasferimento di Pi maggiore di ATP trasferiscono Pi ad ADP, quelle con potenziale di trasferimento minore ricevono Pi da ATP.

Le cellule procariote

Sono prive di organelli circondati da membrana e la superficie è rivestita da una sola parete cellulare.

Richiami di termodinamica

La termodinamica descrive le trasformazioni subite da un sistema fisico in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di massa ed energia. Studia i flussi e le trasformazioni dell’energia.

Bioenergetica: termodinamica applicata ai sistemi biologici. Studia le trasformazioni energetiche negli organismi viventi. Possiamo dire che la bioenergia è la stessa cosa per i sistemi biologici.

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle traduzioni energetiche che avvengono nelle cellule. Le reazioni chimiche che avvengono negli organismi sono associate a liberazione di energia in quanto il sistema passa da uno stato ad alta verso uno a bassa energia.

• Spesso l’energia è liberata sotto forma di calore
• In sistemi non biologici il calore può essere trasformato in energia meccanica o elettrica
• I sistemi biologici sono isothermi quindi l’energia termica non può essere usata per i processi vitali

L’energia è definita come la capacità di compiere un lavoro:

• Lavoro di sintesi
• Meccanico
• Concentrazione
• Elettrico
• Bioluminescenza (le lucciole trasformano ATP in energia, in fotoni e quindi emettono luce)

Prima legge della termodinamica

Principio di conservazione dell’energia: ΔU=Q−W. L’energia dell’universo non si crea né si distrugge, ma si trasforma passando da una forma a un’altra.

Seconda legge della termodinamica

L’entropia S dell’universo tende sempre ad aumentare.

• Un processo spontaneo è irreversibile se la somma delle entropie del sistema e dell’ambiente è maggiore di zero. Tutti i processi spontanei procedono verso l’equilibrio cioè verso un minimo di energia potenziale. L’energia viene dissipata e risulta in aumento di entropia.

Le cellule seguono la seconda legge della termodinamica?

• Una cellula è in uno stato di bassa entropia e di non equilibrio ed è caratterizzata da un alto livello di organizzazione.
• Per mantenere questo stato la cellula deve rilasciare parte dell’energia che ottiene dall’ambiente come calore, quindi aumentando l’entropia dell’ambiente.
• In questo modo la seconda legge della termodinamica non è violata.

L’entropia della Terra diminuisce intercettando una piccola parte del calore trasferito dal sole nello spazio. L’entropia dell’intero processo aumenta mentre la Terra diventa più strutturata (sistemi viventi ed energia accumulate sotto varie forme).

La radiazione che non viene assorbita si dissipa e quindi vi è sparsa nell’universo, l’altra parte viene usata dalla Terra per mantenere il proprio ordine.

Nel 1878 Gibbs combinò la prima e la seconda legge della termodinamica nell’equazione dell’energia libera: ΔG = ΔH – TΔS

• ΔG: Variazione energia libera
• ΔH: Variazione del contenuto termico del sistema (riflette il numero e il tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti)
• T: Temperatura assoluta in K
• ΔS: Variazione di entropia

L’entalpia (H) è il contenuto termico del sistema che sta reagendo e riflette il numero e il tipo dei legami chimici dei reagenti e dei prodotti.

• Se la reazione rilascia calore (esotermica) l’H dei prodotti è minore di H dei reagenti e il ΔH del sistema sarà negativo
• Se la reazione assume calore (endotermica) l’H dei prodotti è maggiore di H dei reagenti e il ΔH del sistema sarà positivo

Le reazioni accoppiate

In tutti gli organismi viventi le sostanze vengono prodotte in una serie di reazioni biochimiche rigorosamente coordinate. Le energie libere di reazioni in successione sono additive. L’energia prodotta da processi esoergonici fornisce la forza termodinamica per alimentare quelli endoergonici. Le reazioni biochimiche accoppiate sono catalizzate da enzimi.

L’idrolisi dell’ATP

Non tutte le reazioni biochimiche hanno un ΔG negativo, ma comunque si può fare la glicolisi. Se la reazione 1 si accoppia alla reazione 2 è sfavorita allora la somma è sempre negativa e può avvenire, però ha bisogno di una parte uguale. Il vincolo è che devono avere una molecola in comune.

L'acqua: proprietà e struttura

Tutte le reazioni avvengono in ambiente acquoso. Tendenzialmente le proprietà più importanti:

• Ha un punto di ebollizione 100°C
• Ha una struttura e forze coese, la coesione dell’acqua è forte
• Alto punto di ebollizione, punto di fusione, calore di vaporizzazione e tensione superficiale. Queste proprietà suggeriscono che le forze di attrazione tra molecole d’acqua sono alte.

La struttura ripiegata la rende polare. È un donatore e accettore di legami H. Può formare 4 legami-H per ogni molecola d’acqua. La molecola dell’acqua è piegata ha una forma di angolo 120°/130°, la sua caratteristica fondamentale è quella di accettare o rilasciare idrogeno.

Le interazioni non covalenti sono di importanza critica per la struttura, stabilità e funzione delle biomolecole. I legami covalenti non sono mai tanti, mentre i legami deboli sì, anche se hanno poca forza, essendo così tanti riescono a tenere in equilibrio la molecola.

Struttura dell'acqua

• Numero di legami idrogeno nell’acqua liquida N=3.4
• Vita media del legame 1-20 ps
• Energia di dissociazion