Biochimica

Che cos’è la biochimica? La biochimica è una branca della biologia, una scienza nata tardi rispetto ad altre,

ed è figlia sia della fisiologia sia della chimica, e cerca di studiare quelli che sono i fenomeni alle base della

fisiologia e quelli associati alla chimica che avviene nel bios, ovvero correlata alla vita.

Che cosa sono le biomolecole? Le biomolecole sono composti a base di carbonio e acqua e ad essi possono

essere associati altri atomi, altri elementi come l’azoto, l’ossigeno, il fosforo e lo zolfo e queste

biomolecole possono essere sia i monomeri ma possono formare anche delle catene ovvero dei polimeri,

che vanno a costituire delle molecole più complesse come i carboidrati, gli acidi nucleici, le proteine e i

lipidi. Le biomolecole figurano fra le componenti principali nella costituzione delle nostre cellule; tuttavia,

per il 70% le cellule sono costituiti dall’acqua, per meno del 30% dalle macromolecole e una piccola parte,

invece, è costituita da vitamine, piccole molecole e ioni inorganici. Tra le macromolecole le proteine sono

le più rappresentate, in secondo luogo gli acidi nucleici, ovvero il DNA e l’RNA di vario tipo, in terzo luogo

dai carboidrati e infine i lipidi.

Perché le biomolecole sono importanti? Le biomolecole sono importanti perché vanno ad organizzare tutte

quelle che sono le strutture microscopiche cellulari e condizionano la specializzazione di questi diversi

compartimenti subcellulari (per esempio i mitocondri, i cloroplasti e il reticolo endoplasmatico), ma sono

coinvolte anche nell’utilizzo dell’energia da parte dell’ambiente che serve al mantenimento di queste

strutture che vengono via via degradate e ricostruite; le biomolecole servono, inoltre, a rispondere agli

stimoli dell’ambiente, poiché l’ambiente cambia e da’ nuovi stimoli e sono importantissime anche per

poter perpetuare la specie, per trasmettere tutte queste informazioni e tutti questi cambiamenti adattativi

acquisiti dalla cellula alle generazioni future di cellule, organismi e i microorganismi.

L’acqua nelle origini della vita:

Ci sono tanti aspetti che determinano e che condizionano che la vita si sia sviluppata nell’acqua e questo

dipende soprattutto da due sue proprietà ovvero la struttura della molecola d’acqua e i legami molecolari

che essa può fare e la sua proprietà di solvente; altre proprietà che fanno dell’acqua l’elemento più

importante sono: le proprietà colligative, cioè delle caratteristiche chimico-fisiche che determinano alcuni

aspetti, la ionizzazione e la conducibilità di corrente, il prodotto ionico il cui studio è stato fondamentale

per la comprensione del pH e infine le reazioni chimiche in cui l’acqua è coinvolta.

Inizialmente gli studiosi hanno cercato di pensare a quali potessero

essere i solventi alternativi all’acqua e al perché questa proprietà

non poteva svilupparsi in un alcol, nell’acido cloridrico o

nell’ammoniaca liquida e prendendo in considerazione questi

liquidi a certe temperature compatibili con la vita tra questi, oltre

all’acqua, l’ammoniaca liquida era l’unica che poteva

rappresentare un solvente alternativo; il problema dell’ammoniaca

liquida era che quando la nostra atmosfera e quando la terra era

ricca di ammoniaca vi era anche una grande percentuale d’acqua

quindi l’ammoniaca tendeva a formare delle miscele e una volta

formate, avendo un punto di evaporazione molto diverso

dall’acqua queste miscele si mostravano instabili, ovvero che con gli sbalzi di temperatura l’ammoniaca

evaporava rapidamente da queste miscele facendo diventare l’ambiente fortemente instabile e la vita per

svilupparsi aveva bisogno di un ambiente con una certa stabilità, quindi l’ammoniaca liquida, anche se

poteva essere appetibile come alternativa all’acqua, proprio per le sue caratteristiche di instabilità non

poteva essere un buon solvente.

L’acqua è un buon solvente perché ha delle proprietà particolari, che dipendono proprio dal fatto che le

molecole d’acqua possono attrarsi tra di loro e hanno la capacità di creare legami particolari tra di loro;

queste forze attrattive, a loro volta, condizionano il punto di fusione, il punto di ebollizione e

l’evaporazione; confrontando questi parametri con altri come quelli del butanolo, del metanolo o

dell’acetone, quelli dell’acqua sono i più alti fra quelli conosciuti e ciò garantisce una certa stabilità in

determinate condizioni ambientali.

Ciò che quindi ha condizionato e determinato tutto è proprio la sua struttura chimica che è costituita da un

atomo di ossigeno e due di idrogeno; l’orbitale più

esterno condividendo gli elettroni dell’atomo di

idrogeno forma il legame e la molecola d’acqua

quindi si trova a poter legare questi due protoni;

nell’orbitale più esterno rimangono liberi degli

elettroni che possono legare con altre molecole.

Questa molecola si dispone nello spazio con un

certo orientamento e questa struttura a livello

tridimensionale si dispone seguendo i lati di un

tetraedro, questo tipo di struttura è generata da

orbitali di tipo sp3 dove in due di questi ci sono i

doppietti elettronici; i doppietti elettronici però,

avendo carica negativa tenderanno a respingersi

quindi il tetraedro non sarà perfetto e l’angolo tra le due molecole di idrogeno sarà ristretto rispetto a i

soliti 109,5 gradi a 104.5 gradi.

Inoltre la molecola d’acqua forma un dipolo, poiché avendo un nucleo fortemente carico positivamente,

esso attira a se più facilmente gli elettroni in compartecipazione con l’idrogeno, quindi gli elettroni

tenderanno a ruotare più facilmente attorno all’atomo di ossigeno e ciò causa una nube elettronica con

una parziale carica negativa attorno a quest’atomo e di conseguenza avremo una carica positiva attorno

agli atomi di idrogeno venendosi a creare un momento dipolare, una forza in grado di creare una molecola

che presenta una parziale carica positiva e una parziale carica negativa; questi dipoli permanenti possono

quindi interagire con tutte le altre molecole e possono creare delle interazioni sia di tipo elettrostatico ma

anche un particolare tipo di legame, ovvero il legame a idrogeno, che è estremamente importante (quando

due molecole d’acqua si avvicinano l’ossigeno con una parziale carica negativa attorno, può interagire con

un atomo di idrogeno che è parzialmente carico positivo creando il legame).

La lunghezza del legame a idrogeno è maggiore rispetto a un legame covalente ossigeno-idrogeno e ha

un’energia di dissociazione pari a 23 KJ/mole rispetto ai legami deboli. Nella molecola d’acqua allo stato

liquido vi sono molte molecole che interagiscono tra di loro creando una serie di ammassi molecolari

all’interno del liquido e in questi ammassi le molecole essendo dotati di energia cinetica un po’ si

muovono, alcuni si rompono, altri vengono a ricrearsi quindi la vita media di questo legame a idrogeno

all’interno di questa molecola d’acqua può durare anche 20 picosecondi; questi ammassi comunque danno

una certa compattezza allo stato liquido, ma man mano che il liquido viene sottoposto ad un

abbassamento di temperatura l’energia cinetica delle molecole viene ridotta e quindi le molecole tendono

a stare più ferme, a non muoversi dalle posizioni e a rimanere disposte lungo gli assi del tetraedro.

Il legame idrogeno può formarsi in due modi, cioè i due ossigeni possono essere allineati formando un

angolo di 180 gradi (legame più forte), ma possono essere anche disallineati (legame più debole).

Nel ghiaccio l’energia cinetica diminuisce e le molecole vengono bloccate nello spazio, quindi le molecole

essendo disposte lungo gli assi del tetraedro, vi è molto spazio tra le molecole d’acqua e questo è uno dei

motivi per il quale il ghiaccio aumenta di volume quando viene a formarsi; in questi legami tutti gli atomi di

ossigeno sono disposti lungo un asse formando angoli di 180 gradi, e questa struttura tiene in se la

maggiore energia potenziale e quindi questi legami saranno più difficili da rompere e questo spiega l’alto

punto di fusione della molecola d’acqua.

Dunque , l’acqua è tenuta in sé attraverso legami molto

stabili (legami a idrogeno) che danno al solido una certa

stabilità e bisogna dare calore per far evaporare il liquido,

quindi sono interazioni endotermiche perché serve energia

alle molecole, tuttavia si può vedere che questi processi

avvengono spontaneamente nell’ambiente e ciò che spinge la

spontaneità di queste reazioni è il caos molecolare che viene

a crearsi quando le molecole ordinate nel reticolo vanno

incontro a distruzione parziale creando un liquido, e ancora

quando questi legami vengono totalmente rotti l’acqua si

trasformano in vapore acqueo in cui le molecole raggiungono

il massimo della disorganizzazione; in questo caso la

variazione di energia libera (DG) è minore di zero perché

anche se serve calore per rompere il legame il fattore entropico, cioè il caos molecolare che viene a crearsi

con la distruzione di questi tipi di legami, è in grado di attivare le reazioni dal punto di vista energetico.

Il legame idrogeno è molto importante nelle molecole biologiche, presente per esempio nei polipeptidi,

poiché da’ stabilità ad esse; questo tipo di legame viene detto cooperativo, poiché la formazione di un

ponte idrogeno favorisce la formazione del successivo e nello stesso modo la distruzione di questo legame

favorisce la distruzione di quello successivo, quindi è relativamente facile innescare una catena di legame a

idrogeno (ed è abbastanza facile creare e distruggere questi legami, perché non sono così forti come quelli

covalenti).

E’ necessario notare l’importanza di questo tipo di legame nella costruzione della doppia elica di DNA,

poiché tiene insieme le basi azotate (l’adenina con la timina, la guanina con la citosina) all’interno del

nostro DNA quindi è un legame molto stabile, ma rompendone uno è facilitata l’apertura dell’elica; questo

è alla base della vita, perché la vita per tramandarsi ha dunque bisogno di aprire e chiudere continuamente

le eliche del DNA durante la divisione cellulare, ma anche durante l’espressione genica. Oltre Watson e

Crick è importante ricordare Rosalind

Franklin, che ha dato dei contributi importanti per lo sviluppo della scienza, anche se purtroppo non ha

avuto lo stesso riconoscimento di altri poiché fu esclusa dalla vincita del Premio Nobel per la Medicina nel

1962, nonostante lei abbia svolto degli studi che sono stati fondamentali per la scoperta della doppia elica;

lei si era soprattutto occupata di cristallografia e furono proprio le sue immagini del DNA, che furono

mostrate a Watson ad illuminarlo, facendogli capire che era una doppia elica.

(R. Franklin morì a 37 anni con un carcinoma ovarico).

L’acqua è importante come solvente, anche perché proprio nell’acqua molte

molecole sono in grado di interagire e quindi di solubilizzare; fra le molecole in

grado di solubilizzare vi sono gli alcoli, per esempio il metanolo che in acqua

può interagire proprio grazie al suo gruppo ossidrilico e creare dei legami

idrogeno e la sua solubilità dipende proprio da questi tipi di interazioni col la

molecola d’acqua e sono interazioni che vengono a istaurarsi tra l’acqua e il suo

soluto.

Altre molecole che possono entrare in soluzione sono i sali: i sali allo stato solido sono costituiti da ioni

dunque sono tenuti insieme da legami ionici; il legame ionico è un legame molto forte infatti, per esempio,

l’attrazione tra il sodio e il cloro nel cloruro di sodio è determinata proprio da esso; questi legami ionici

proprio perché presentano una forte distribuzione di carica non sono in grado di interagire con l’acqua, che

essendo un dipolo permanente ha delle parziali cariche attorno alla sua molecola, quindi la molecola

d’acqua può solvatare (idratare) le molecole del soluto in base alla carica del soluto e durante questa

idratazione l’ossigeno andrà a formare dei legami che potranno essere elettrostatici oppure possono

essere anche legami a idrogeno dipende dal soluto in questione, di fatto va a circondare le molecole del

soluto; il soluto una volta circondato da queste molecole d’acqua perde la capacità di interagire (cioè gli

ioni che costituiscono il sale, nell’acqua diminuiscono la loro capacità di interazione) perché viene solvatato

(quindi il Cl- è solvatato e la forza di legame che ha lui in soluzione quando viene idratato è minore perché

vengono circondati da queste molecole d’acqua). La formula della forza del legame polarizzata dal soluto

dipende dalla carica delle due molecole, ma anche dalla costanza dielettrica, ciò comporta che in acqua gli

ioni che vengono solvatati hanno una bassissima capacita di interagire tra loro perché la costante di

elettrica dell’acqua è estremamente alta. (un esempio: il benzene ha una costante dielettrica uguale a 4.6

in questo modo si formeranno molti legami con le molecole d’acqua, ma gli ioni tra loro avranno una bassa

capacità di attrarsi e respingersi, la loro forza può essere esplicata solo quando sono molto vicini in uno

spazio di poche decine di nanometri)

Le molecole che vengono in questo modo solvatate, gli ioni, rispetto a quando sono nello stato solido, in

quello liquido sono in grado di muoversi e ciò causa disordine quindi la soluzione di molecole di questo tipo

di soluti è molto facile proprio perché anche in questo caso seppur sia necessario un’energia o un calore

per rompere i legami nelle molecole del reticolo cristallino del soluto, l’entropia (la dispersione

molecolare) trascina i fenomeni e quindi la soluzione in acqua diventa favorita, oltre a ciò queste molecole

sono in grado di condurre corrente perché mantengono una carica.

Altre molecole che non hanno le caratteristiche delle molecole ioniche, ma possono comunque sciogliersi

in acqua sono gli zuccheri, che hanno molti gruppi OH; quest’ultimi possono formare dei legami idrogeno

con il solvente (acqua). La differenza negli zuccheri è che il legame con l’acqua non va a romper i legami

della molecola e questo tipo di soluzione non prevede la rottura dei legami intramolecolari, mentre quella

precedente prevedeva la rottura nel solido cristallino; questo tipo di molecole non generano ioni e non è in

grado di condurre corrente, infatti sono elettroliti

In acqua si possono sciogliere anche dei gas, ma solo quelli che sono caratterizzati da molecole che hanno

un parziale carica, come l’ammoniaca o l’ossido d’ammonio. Altri gas, come l’ossigeno, l’azoto e l’anidride

carbonica, sono molecole che non sono polarizzate infatti hanno una bassissima solubilità in acqua, ciò

perché i loro tipi di legami non prevedono una distribuzione parziale di carica.

Nell’anidride carbonica avviene però, i due dipoli sono nei versi opposti, quindi si annullano, causando una

bassa solubilità in acqua.

L’ammoniaca, invece, crea la distribuzione parziale di carica e quindi è più facilmente soggetta ad

interagire con l’acqua, dunque a sciogliersi, così come l’acido solfidrico.

Anche le biomolecole si sciolgono in acqua e anche ciò che determina ed imputa l’acqua come il migliore

ambiente per lo sviluppo della vita.

La glicina, che è un amminoacido, ha dei gruppi parzialmente carichi e proprio questi vanno ad interagire

con l’acqua e ne determinano la solubilità, cosi come il glucosio che ha più gruppi ossidrilici e il glicerolo

che ne ha tre.

Ci sono tuttavia dei composti che non sono polari, come i lipidi e le cere

e questi hanno dei comportamenti differenti, e tendono ad allontanarsi

dall’acqua.

Inoltre, ci sono composti che invece hanno delle porzioni affine

all’acqua sono detti anfipatici.

Le molecole idrofobiche, come il metano, non sono amanti dell’acqua,

ed esse quando sono messe in una soluzione acquosa determinano la

formazione di particolari strutture; le interazioni di tipo idrofobico condizionano le relazioni tra queste

molecole, che non sono solubili in acqua, ma inducono il solvente a disporsi attorno ad esse con particolari

strutture; quest’ultime sono altamente organizzate, sono strutture, per esempio i clatrati, di molecole

d’acqua intorno al metano, e l’entropia di questo sistema è molto ridotta, per questo viene favorita

dall’ambiente la disposizione di questa struttura. Sono comunque molto importanti questi tipi di

interazioni perché ad esempio le molecole anfipatiche, come gli acidi grassi, che costituiscono le

membrane biologiche, sono formate da una parte polare, ovvero le teste idrofiliche (che interagisce

appunto con l’acqua) mentre le loro code sono idrofobiche inducono e impongono alle molecole d’acqua

di disporsi attorno in modo da ridurre il più possibile le interazioni.

Da questo effetto idrofobico si può avere la formazione di strutture stabili come le micelle, in cui le teste

idrofiliche si dispongono tutte attorno e le code verso l’interno. Queste strutture sono alla base delle

membrane, come i doppi starti lipidici, ma anche le micelle citate precedentemente. Dunque l’acqua è

importante anche nell’interazione con molecole idrofobiche e ciò ha condizionato la formazione di

determinate strutture.

Le interazioni di tipo idrofobiche sono interazione di tipo elettrostatico debole vanno tutte sotto il nome di

Forze van der Waals e possono racchiudere diversi tipi di interazioni.

Tra le forze di Van der Waals vi sono:

le forze di Keesom che avvengono quando vi sono due