biochimica

Biochimica

La biochimica o chimica biologica è lo studio della chimica della vita, un ponte fra la biologia della vita e la chimica che studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita: oggetto di studio sono la struttura e le trasformazioni dei componenti delle cellule, come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici e altre biomolecole (vitamine).

È importante per capire i processi complessi che possono avvenire nelle cellule sia in condizioni fisiologiche che in condizioni patologiche.

Fondamenti di biologia cellulare

• Proprietà fondamentali comuni a tutte le cellule
• Cellule: unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi: al di sotto di questo livello organizzativo non si può parlare di essere vivente
• Organismi viventi possono essere unicellulari o pluricellulari
• Alcuni organismi si sviluppano in un habitat di tipo:
  • Aerobici: ossigeno come accettore di elettroni da molecole combustibili. Ricavano l’energia del trasferimento di elettroni da molecole combustibili all’ossigeno
  • Anaerobici: nitrato, solfato e anidride carbonica come accettore di elettroni con ottenimento di N₂, H₂S e CH₄

Fondamenti di chimica

• La biochimica è organizzata sul carbonio
• Corrisponde a circa metà del peso della cellula
• Esso può formare:
  • Legami singoli con H, N, O e C per un massimo di 4 legami
  • Legami doppi con O, N, C
  • Legami tripli con C
• A seconda del tipo di legame formato la molecola avrà proprietà caratteristiche
• Catene lineari o ramificate e strutture cicliche, quindi questo tipo di atomo che è alla base della biochimica può formare una varietà enorme di macromolecole diverse per:
  • Grandezza
  • Forma
  • Composizione
• Macromolecole: molecole biologiche formate da monomeri (oligomeri o polimeri), i principali costituenti cellulari che si formano a partire da semplici precursori sono:
  • Proteine: polimeri di amminoacidi, molecole con funzioni legate alla loro struttura, hanno funzioni strutturali, di trasporto e recettoriali. L’insieme delle proteine si chiama proteoma
  • Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi. L’insieme degli acidi nucleici si chiama genoma (DNA + RNA), hanno quindi ruoli informazionali (DNA) e strutturale/catalitico (RNA)
  • Polisaccaridi: polimeri di zuccheri semplici. L’insieme dei polisaccaridi si chiama glicoma, polimeri costituiti da zuccheri semplici con funzione di riserva, energia e riconoscimento da cellula a cellula
  • Lipidi: polimeri di idrocarburi insolubili. L’insieme dei lipidi si chiama lipidoma, che sono derivati idrocarburici insolubili che hanno una funzione strutturale (costituenti principali delle membrane), energetica, di segnali intracellulari
• La configurazione di una specie chimica corrisponde alla geometria permanente che risulta dalla disposizione spaziale dei legami chimici intramolecolari della specie chimica in questione. La capacità di un gruppo di atomi di assumere differenti configurazioni per formare specie chimiche di natura differente è detta stereoisomeria o isomeria configurazionale. Ciascuna specie chimica ottenuta modificando la configurazione è detta stereoisomero (non si può passare da uno stereoisomero all’altro senza rompere i doppi legami)
• Per passare da una configurazione ad un'altra è necessario rompere legami e creare nuovi legami
• Struttura 3D: descritta da configurazione e conformazione
• La conformazione si riferisce alla possibilità che alcune parti della molecola si muovano attraverso la semplice rotazione di legami singoli, senza che tali legami si spezzino o se ne formino di nuovi

Fondamenti di fisica

• Le cellule e organismi viventi devono compiere lavoro per mantenersi vive e riprodursi
• Accoppiamento dei processi in cui si consuma energia (anabolici), e quelli in cui la si ottiene (catabolici)
• La popolazione di molecole di un sistema non è statica ma si trova in uno stato stazionario e dinamico: le molecole vengono continuamente sintetizzate e demolite in reazioni che richiedono un flusso costante di energia. Quindi i processi avvengono tutti contemporaneamente, e non si stoppano mai
• Entropia: misura del disordine dei componenti di un sistema. I sistemi spontaneamente tendono ad aumentarla. Per aumentare l'ordine devono quindi fornire energia
• Variazione del disordine: ΔS positivo se aumenta, negativo se diminuisce.
• Gibbs sviluppò una teoria sulle variazioni energetiche che avvengono durante le trasformazioni chimiche
• G = H - TS
  • H entalpia (numero e tipo di legami)
  • T temperatura costante
  • S entropia
• Se ΔG è negativo il processo è spontaneo, cioè rilascia energia libera
• Quasi tutti i processi hanno ΔG positivo e richiedono energia: le cellule accoppiano processi endoergonici a quelli esoergonici in modo tale che l'intero processo sia esoergonico e che la somma dei ΔG sia negativo

Acqua: struttura e proprietà

In biochimica l'acqua è estremamente importante perché:

• È la sostanza più abbondante in tutti gli esseri viventi infatti rappresenta il 70% del peso delle cellule
• È il mezzo nel quale avvengono le reazioni metaboliche catalizzate da enzimi, le proprietà dell’acqua vanno quindi ad influenzare le attività metaboliche della cellula
• Essa e i suoi prodotti di ionizzazione influenzano le proprietà di molti componenti cellulari
• La struttura e funzione delle molecole biologiche dipendono dalle proprietà chimiche e fisiche dell’acqua da cui sono circondate
• La reattività di molti gruppi funzionali di molte molecole biologiche dipende dalla concentrazione relativa degli ioni H⁺ e OH^-, e quindi del pH
• L’acqua è il mezzo in cui avviene il trasferimento dell’energia chimica
• È l’ambiente dove avvengono le reazioni fisiologiche, è necessaria al trasporto delle sostanze nutritive, alla termoregolazione (ha alta entalpia di evaporazione) e a tutte le funzioni vitali
• La struttura e i processi biologici possono essere compresi solo conoscendo le proprietà chimiche e fisiche dell’acqua

Proprietà fisiche

• Struttura: l’acqua ha 2 atomi di H e un atomo di O, con struttura planare
  • Osservando la distribuzione elettronica della molecola di acqua si nota che ogni atomo di idrogeno condivide una coppia di elettroni con l’atomo di ossigeno. L’ossigeno che è molto più elettronegativo dell’idrogeno attrae in modo molto più forte gli elettroni, abbiamo così la formazione di dipoli elettrici. L’angolo che si forma è di 104,5°, quindi non è un tetraedro perfetto
• Interazioni non covalenti: legami idrogeno, interazioni deboli tra molecole di acqua, che appartengono a legami differenti, generalmente deboli. Ogni molecola di acqua avvicinata ad un'altra porta alla formazione di una struttura cristallina (4 molecole d’acqua formano il ghiaccio)
  • I legami idrogeno si formano tra molecole che hanno un atomo elettronegativo ed uno elettropositivo, e sono più forti se hanno orientamento a linea retta, questo fa sì che l’acqua determini la formazione di strutture tridimensionali precise in proteine e acidi nucleici
• L’acqua come solvente polare: dissolve facilmente biomolecole cariche o polari. Può sostituire interazioni favorevoli acqua con interazioni ancora più favorevoli acqua-solvente
  • Scioglie i sali stabilizzando ioni che li costituiscono indebolendo le loro interazioni elettrostatiche e opponendosi alla loro tendenza di associarsi in struttura con un aumento spontaneo del disordine
• Anfipatico: Contengono nella loro molecola regioni polari (cariche) e regioni apolari
  • Quando un complesso anfipatico viene mescolato all’acqua, la regione idrofilica interagisce e tende a dissolversi, quella non polare evita il contatto diretto con l’acqua. In questo caso si formano le micelle e il doppio strato fosfolipidico

Proprietà chimiche

• Ionizzazione: l’acqua pura è poco ionizzata a 25°C, solo due molecole ogni 10⁹ sono ionizzate
  • H₂O <-> H⁺ + OH^- di questa reazione possiamo scrivere la costante di equilibrio
• Acidi e basi
  • L’acqua come reagente

Proteine

• Mediano tutti i processi cellulari e sono presenti in tutte le strutture cellulari, per via delle loro diverse funzioni
• Tantissime funzioni
• Macromolecole più abbondanti
• Strumenti molecolari attraverso cui si esprime l’informazione genetica, vanno infatti a formare DNA
• Le proteine costituiscono il 15% della cellula
• Nel genoma di una cellula ci sono sequenze codificanti e sequenze non codificanti, le sequenze codificanti sono dette geni. Nell’Escherichia coli che è un batterio semplice, ci sono circa 3000 geni, ovvero codici che danno la sequenza di amminoacidi che formano una proteina
• Il codice genetico si esprime attraverso la sintesi di proteine, ovvero sintetizza le informazioni genetiche necessarie alla formazione di una proteina

Amminoacidi

• Monomeri delle proteine: le proteine sono polimeri di amminoacidi
  • Monomero: amminoacido
  • Polipeptide: proteina
• 20 amminoacidi costituiscono le proteine (numero diverso sequenza diversa), si differenziano l’una dall’altra attraverso la sequenza di amminoacidi che le compongono
• Ogni residuo amminoacido è legato al successivo da un legame covalente (legame peptidico)

Proprietà strutturali degli amminoacidi

• I 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono α-amminoacidi. Chiamati così perché nella loro struttura è presente il carbonio α, ovvero un carbonio chirale
• Al carbonio sono legati:
  • Gruppo carbossilico COO
  • NH₃⁺ (forma ionica) o NH₂
  • Gruppo R: diverso per struttura, dimensione e carica a seconda dell’amminoacido. Essi danno strutture e funzioni diverse all’amminoacido
  • Idrogeno
• Il carbonio α è il centro chirale, detto così perché i quattro gruppi differenti possono disporsi nello spazio in due modi differenti
• A livello della molecola per ogni amminoacido esistono due stereoisomeri: enantiomeri, immagini speculari non sovrapponibili
• Eccezione: Gly (R=H), glicina quindi il carbonio non è più centro chirale perché non ha più 4 sostituenti diversi, ma ne ha 3 perché 2 sostituenti sono gli idrogeni

Stereoisomeri

• A causa della disposizione tetraedrica, i quattro gruppi differenti possono disporsi nello spazio in 2 modi differenti
• Per ogni amminoacido sono possibili 2 stereoisomeri
• Enantiomeri: sono otticamente attivi e ruotano il piano della luce polarizzata
• Per convenzione la gliceraldeide viene usata per vedere come gli atomi di carbonio solo allineati in senso verticale, si può decidere se dare la lettera -D (ruotano il piano della luce polarizzata verso destra) o -L (ruotano il piano della luce polarizzata verso sinistra) in base alla posizione del gruppo amminico
• L stereoisomeri nelle proteine, quindi tutti gli amminoacidi della sintesi proteica hanno NH₃ a sinistra
• D stereoisomeri presenti solo in pochi peptidi molto piccoli (parete cellulare dei batteri o peptidi antibiotici)

Famiglie di amminoacidi

• Gli amminoacidi possono essere classificati in base al loro gruppo R
• Cinque classi:
  • Alifatici, non polari
  • Aromatici
  • Polari, non carichi
  • Polari, carichi positivamente
  • Polari, carichi negativamente

Gruppi R alifatici (non aromatici), non polari

• Gruppi R non polari: idrofobici
• Tendono a raggrupparsi all'interno delle proteine mediante interazioni idrofobiche
• Glicina, non contribuisce alle interazioni idrofobiche
• Metionina, gruppo tioetere non polare
• Prolina, catena alifatica con struttura ciclica
• Alifatici: catene lineari
• Glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina, metionina
• Struttura: carbonio centrale, gruppo amminico sempre a sinistra, gruppi R laterali (alifatici quindi senza anelli) e non polari
• La glicina è in questo gruppo di amminoacidi, ma avendo un idrogeno non contribuisce a nessun tipo di reazione idrofobica. Essa non forma neanche legami idrogeno perché non è legata a un ossigeno. Non corrisponde infatti alle caratteristiche dei non polari
• La metionina possiede un tioetere che non è polare
• La prolina ha il gruppo R con tre CH₂ che si legano direttamente con il gruppo amminico

Gruppi R aromatici

• Relativamente apolari
• Intervengono in interazioni idrofobiche
• Tirosina, il gruppo ossidrilico può dare legami H
• Tyr e Tpr sono più polari di Phe (OH e N)
• Assorbono la luce UV (λ 280 nm). Per determinare la concentrazione di una proteina in un campione, si va a vedere qual è la sobranza di questo fattore a 280 nm
• Il gruppo R possiede almeno un anello aromatico
• Fenilalanina, tirosina, triptofano
• Amminoacidi di tipo idrofobico, che non riescono a fare legami idrogeno (tranne la tirosina)

Gruppi R polari, non carichi

• Solubili in H₂O, idrofilici per presenza di gruppi funzionali che formano legami H con H₂O
• Polarità dovuta a:
  • Serina e Treonina: OH (ossidrilico)
  • Cisteina: SH (tiolico)
  • Asparagina e Glutammina: NH₂ (ammidico)
• Asparagina e Glutammina sono ammidi di altri due amminoacidi: aspartato e glutammato
  • La conversione può avvenire per idrolisi acida o basica
• La cisteina è facilmente ossidabile e forma mediante un legame covalente un diamero chiamato cisteina
  • Ponte disolfuro
  • Apolario Stabilizzano le strutture

Gruppi R polari, carichi positivamente (basici)

• Molto idrofilici poiché possiedono cariche nette
• A pH 7 possiedono carica positiva
• Il loro gruppo R contiene un gruppo amminico (NH) che può possedere cariche nette in soluzione neutra
  • Lys: gruppo amminico nella sua catena alifatica
  • Arg: gruppo guanidico nella sua catena alifatica
  • His: gruppo imidazolico nella sua catena alifatica

Gruppi R polari, carichi negativamente

• Molto idrofilici poiché possiedono cariche nette
• A pH 7 possiedono carica negativa
• Secondo gruppo carbossilico

Nomenclatura degli amminoacidi

• Codice a 3 lettere: tre iniziali in inglese dell’amminoacido
• Codice ad una lettera: iniziale dell’amminoacido

Amminoacidi non comuni

• 4-Hydroxypriline, forma la proteina collageno e miosina nonché la parete cellulare
• γ-carboxyglutammate, forma la protrombina e emorragia
• Desmosina: forma elastina grazie all’unione di quattro residui di lisina

Gli amminoacidi come acidi e basi

• Tutti gli amminoacidi contengono sempre almeno due gruppi ionizzabili legati al carbonio chirale
  • Gruppo carbossilico
  • Gruppo amminico
• Questi gruppi sono acidi e basi deboli, quindi non completamente ionizzati
• Per il fatto di possedere sia un gruppo acido che un gruppo basico gli amminoacidi sono definiti molecole anfotere, perché possono funzionare sia da acidi che da basi
• A seconda del pH a cui è presente una determinata proteina, essa sarà in grado di donare OH^- o di donare ioni H⁺
• Se non possiede un gruppo R ionizzabile, sciolti in H₂O a pH neutro, esiste in soluzione come zwitterione (ione ibrido)
  • Esso può comportarsi da acido o da base
• Secondo la teoria di Arrhenius:
  • Acido è una sostanza che dissociandosi in acqua libera ioni H⁺
  • Base è una sostanza che dissociandosi in acqua libera ioni OH^-
• Nella forma acida la forma zwitterionica non è presente
• La forma zwitterionica neutra è presente solo a pH neutri

Ruolo biologico degli amminoacidi

• Costituenti di proteine e peptidi
• Energetico: molto diverso a seconda del tipo di animale e stato metabolico
• Specifici ruoli degli AA liberi:
  • L-glutammato è neurotrasmettitore
  • Precursori di altri metaboliti: a partire da questi amminoacidi si formano altri metaboliti

Amminoacidi essenziali

• Non possono essere sintetizzati in vivo e devono quindi essere assunti con gli alimenti (proteine)
• Ogni amminoacido è un reagente limitante: quando uno di essi viene a mancare la sintesi di qualsiasi proteina viene interrotta anche se sono presenti quantità abbondanti di tutti gli altri amminoacidi
• Apporto giornaliero ottimale di proteine per un adulto: 1g di proteine per kg di peso corporeo

Peptidi

• Due amminoacidi possono unirsi tra loro mediante un legame peptidico (covalente)
• Questo tipo di legame avviene in base al numero di amminoacidi che compongono la proteina. La sequenza di amminoacidi è data dal codice genetico
• Il gruppo carbossilico del primo amminoacido si lega sempre con il gruppo amminico del secondo amminoacido
• La perdita di una molecola d’acqua è chiamata condensazione
• Il legame peptidico è:
  • Planare, gli atomi stanno tutti sullo stesso piano e non possono ruotare
  • Dipolare, esistono atomi più elettronegativi e più elettropositivi. Il dipolo elettrico permette alle proteine di essere solubili in acqua
• Peptidi: polimeri di amminoacidi con PM Inferiore a 5000 (non più di 40-50 aa - peso molecolare medio di un residuo amminoacidico = 110)
• Polipeptide: numero di amminoacidi alto (≤ 10000 residui)