Biochimica

Biochimica

Tutti gli organismi della Terra devono avere un progenitore comune. Ogni tipo di vita necessita di acqua e la maggior parte delle molecole presenti nei sistemi viventi è costituita principalmente da carbonio. La stabilità dei legami C-C consente di costituire gli scheletri delle macromolecole. La rottura dei legami C-C in seguito alla combustione rilascia più energia di quella che si può ottenere dal silicio quando reagisce con l'ossigeno. Dopo la combustione, il biossido di carbonio è facilmente solubile in acqua e può esistere anche sotto forma di gas, così può essere usato da un altro tessuto o organismo. Altri elementi che hanno ruoli essenziali negli organismi viventi sono azoto, fosforo e zolfo.

Esistono quattro classi principali di biomolecole

Esistono quattro classi principali di biomolecole:

Proteine

Le proteine vengono costruite utilizzando 20 precursori, gli amminoacidi, uniti da legami peptidici in lunghi polimeri. I polimeri si ripiegano poi in strutture tridimensionali e possono comportarsi da molecole di segnale e recettori, ma hanno anche ruoli strutturali, consentendo la mobilità e fornendo difese contro i pericoli esterni. Le proteine con funzione di catalizzatore sono dette enzimi.

Acidi nucleici

La funzione degli acidi nucleici è quella di conservare e trasferire l'informazione. Essi contengono le istruzioni per tutte le funzioni e interazioni cellulari. Gli acidi nucleici sono lunghe molecole lineari costituite a partire da solo quattro precursori, i nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il deossiribosio oppure il ribosio, unito a un anello eterociclico, la base, e ad almeno un gruppo fosforico. Esistono due tipi di acidi nucleici: l'acido deossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA).

• DNA: costituito da deossiribonucleotidi che differiscono solo dal tipo di struttura ad anello della base, che può essere Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Timina (T). L'informazione del DNA è localizzata nella sua sequenza di nucleotidi uniti da legami fosfodiestere ed esiste sotto forma di doppia elica dove le basi interagiscono tra loro, A con T e C con G.
• RNA: ha una forma a singola elica ed è la copia del DNA. L'RNA funge da stampo per la sintesi delle proteine; la base timina è sostituita dalla base Uracile (U) e lo zucchero contenuto nei ribonucleotidi contiene un gruppo ossidrile (-OH) in più.

Lipidi

I lipidi sono molecole molto piccole e hanno una doppia natura: una parte della molecola è idrofilica, mentre l'altra parte è idrofobica, permettendo la formazione di una barriera che delimita la cellula. I lipidi possono anche essere utilizzati come molecole di segnale e rappresentano un'importante riserva di energia; la componente idrofobica può essere soggetta a combustione.

Carboidrati

I carboidrati rappresentano la basilare fonte di energia e il più comune è il glucosio. Il glucosio viene immagazzinato sotto forma di glicogeno, costituito da molte molecole di glucosio unite alle estremità. Migliaia di differenti carboidrati possono associarsi tra loro e formare catene polisaccaridiche che possono essere ramificate. Molto componenti esteri della membrana sono associati a carboidrati e possono fungere da siti di interazione cellula-cellula.

Trasferimento dell'informazione biologica

Il sistema alla base del processo di trattamento dell'informazione a livello dell'espressione genica fu proposto da Crick nel 1958 che postulò il dogma centrale: l'informazione scorre dal DNA all'RNA e quindi alle proteine. Il DNA può essere replicato e costituisce l'informazione ereditaria, il genoma che è impacchettato in unità discrete, i geni. Il DNA viene replicato in un processo detto replicazione da un gruppo di enzimi chiamati DNA polimerasi. Il processo di trascrizione veicola invece la trascrizione dell'RNA ed è veicolato dall'enzima RNA polimerasi. Quando l'informazione dell'RNA viene decifrata per formare le proteine, il processo è detto traduzione. Il processo di traduzione ha luogo su grandi complessi macromolecolari detti ribosomi, costituiti da RNA e proteine.

La cellula

La cellula è l'unità fondamentale della vita e può crescere, duplicarsi e interagire con il suo ambiente. Ogni cellula è delimitata da una membrana costituita da due strati lipidici organizzati in modo che le loro catene idrofobiche interagiscano tra loro e le teste idrofiliche restino in contatto con l'ambiente.

Esistono due tipi di cellule: eucariotiche e procariotiche, esse si distinguono dall'esistenza di compartimenti racchiusi da membrane negli eucarioti e dall'assenza di tali compartimenti nei procarioti. Negli eucarioti il nucleo è il compartimento cellulare delimitato da membrana che contiene la maggior parte del DNA della cellula ed esistono anche compartimenti chiamati organuli.

Gli organuli eucariotici

• Nucleo: è l'organulo più grande ed è circondato da una doppia membrana cosparsa di pori che consentono il passaggio di materiale. Dentro il nucleo ha sede il genoma.
• Membrana plasmatica: separa la parte interna della cellula dall'ambiente esterno ed è impermeabile alla maggior parte delle sostanze. La membrana deve essere resa semipermeabile ma in modo molto selettivo; questa semipermeabilità è ottenuta con il lavoro di proteine inserite o associate alla membrana plasmatica. Nelle piante è essa stessa circondata da un'altra membrana costituita essenzialmente da cellulosa.
• Citoplasma: è il materiale di base intracellulare ed è la sede di processi biochimici. Contiene il citoscheletro, una rete costituita da tre generi di fibre proteiche: i filamenti di actina, i filamenti intermedi e i microtubuli, che stabilizzano la struttura cellulare e servono come strade molecolari.
• Mitocondrio: possiede due membrane, una membrana mitocondriale esterna e una interna che delimita lo spazio interno, la matrice. La regione compresa tra le due membrane è detta spazio intermembrana. Le molecole combustibili vanno incontro a ossidazione (combustione) nel mitocondrio trasformandosi in biossido di carbonio e acqua, con la contemporanea generazione di energia cellulare sotto forma di adenosina trifosfato (ATP).
• Cloroplasto: è fornito di membrana doppia ed è presente solo nelle cellule vegetali. In essi ha luogo la conversione della luce solare in energia chimica mediante un processo chiamato fotosintesi.
• Reticolo endoplasmatico: è costituito da una serie di sacchi membranosi e il loro interno è detto lume. Il RE è diviso in due tipi: il Reticolo Endoplasmatico Liscio (SER) e il reticolo endoplasmatico ruvido (RER). Il liscio svolge ruoli di modificazione delle sostanze chimiche esogene. Il reticolo endoplasmatico ruvido sembra ruvido in quanto sul lato citoplasmatico vi si trovano i ribosomi. Quando i ribosomi sono liberi nel citoplasma sintetizzano proteine citoplasmatiche, quando sono ancorati al RE sintetizzano proteine per la membrana cellulare o per l'esterno cellulare. Le proteine sintetizzate nel RE, una volta raggiunta la perfetta struttura tridimensionale, vengono estroflesse formando le vescicole di trasporto.
• Complesso del Golgi: è una serie di membrane impilate con la quale si fondono le vescicole di trasporto provenienti dal RER. Nel complesso del Golgi le proteine subiscono un ulteriore processo di modificazione.
• Granulo di secrezione: o granulo zimogeno, si forma quando una vescicola si estroflette e si stacca dal complesso del Golgi e si dirige verso la membrana cellulare. Lì si fonde con la membrana plasmatica e svuota il contenuto nell'ambiente extracellulare in un processo detto esocitosi.
• Endosoma: si forma quando la membrana plasmatica si invagina e si richiude per introdurre del materiale esterno. Questo processo è detto endocitosi. Le cellule possono internare materiale anche attraverso un processo detto fagocitosi.
• Lisosoma: è un organulo che contiene una quantità molto varia di enzimi digestivi. I lisosomi si formano in modo del tutto analogo ai granuli di secrezione, ma si fondono poi con gli endosomi invece che con la membrana cellulare. Gli enzimi lisosomiali digeriscono il materiale contenuto nell'endosoma e non degradano solo il materiale extracellulare, ma anche organuli intracellulari danneggiati.
• Vacuoli delle piante: sono organuli presenti solo nelle cellule vegetali, sono provvisti di membrana singola e contengono acqua, ioni e nutrienti.

Legami di interazione debole

Le strutture e funzioni delle cellule vengono stabilizzate dalle interazioni deboli che possiedono solo una piccola percentuale della forza dei legami covalenti. I legami deboli consentono interazioni dinamiche e permettono la trasmissione di energia e informazione in una cellula. Il moto browniano rappresenta l'energia vitale da cui si origina la vita. Il moto delle particelle osservato da Brown è dovuto alle fluttuazioni causali del contenuto energetico dell'ambiente circostante: una specie di rumore termico. Le particelle si muovono casualmente e a una velocità determinata solo dalla temperatura. Il moto browniano è responsabile dell'innesco di molte interazioni biochimiche; l'acqua è il lubrificante che facilita il moto browniano. Il movimento all'interno delle cellule non è però così semplice.

L'acqua è il solvente della vita e una generica cellula lo è circa il 70%. Le importanti proprietà dell'acqua derivano dal fatto che l'ossigeno è un atomo elettronegativo, si dice che l'acqua è una molecola polare. Gli atomi di idrogeno con cariche parziali positive in una molecola d'acqua possono interagire con le parziali cariche negative di atomi di ossigeno presenti su altre molecole d'acqua attraverso i legami a idrogeno. Le interazioni molecolari facilmente reversibili e non covalenti sono interazioni essenziali nelle trasformazioni dell'energia e nel trasferimento delle informazioni. I tre legami non covalenti fondamentali sono: legami ionici, legami a idrogeno e forze di van der Waals.

I legami ionici sono interazioni tra cariche elettriche diverse presenti sugli atomi e si instaurano tra atomi aventi una carica completa positiva o negativa. L'energia dell'interazione elettrostatica è data dalla legge di Coulomb: ¹/ ₂ E=kq q /Dr².

Alcune biomolecole non sono né polari né cariche, esse possono interagire con altre in maniera elettrostatica mediante le interazioni di van der Waals e dipende dal fatto che la distribuzione della carica elettronica intorno agli atomi può variare nel tempo. Questa asimmetria transitoria induce una asimmetria complementare degli atomi circostanti risultando in un'attrazione tra due atomi.

La caratteristica dei legami deboli è la loro reversibilità e il fatto che si possono rompere facilmente. I legami a idrogeno si instaurano tra le coppie di basi stabilizzando la doppia elica, ma, se l'informazione genetica deve essere letta, la doppia elica si può aprire.

Aggregati di molecole idrofobiche

L'introduzione di una molecola polare in acqua provoca una diminuzione dell'entropia del sistema acquoso, due molecole di benzene in acqua, quindi, si uniranno in uno spazio contiguo più grande organizzandosi e liberando molecole d'acqua dal loro intorno. Questo effetto è detto effetto idrofobico e si formano spontaneamente in quanto la loro formazione determina un aumento dell'entropia del sistema.

Le molecole come i fosfolipidi che hanno due diverse proprietà chimiche sono dette molecole anfipatiche. Nelle condizioni idonee queste molecole possono formare membrane, facendo raggiungere un ordine dall'aumento del disordine dell'acqua. L'effetto idrofobico favorisce la corretta struttura tridimensionale di una proteina grazie al fatto che alcuni amminoacidi di cui sono costituite le proteine hanno gruppi non polari, la tendenza ad associarsi tra loro all'interno delle proteine permette l'acquisizione delle strutture tridimensionali complesse delle proteine.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono le unità strutturali delle proteine. Un α-amminoacido è costituito da un carbonio centrale, chiamato carbonio α, legato a un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e una catena laterale, detta gruppo R. Gli α-amminoacidi sono molecole chirali presenti solo in forma di isomeri L, ma solo gli L-amminoacidi entrano a far parte delle proteine. A pH neutro esistono sotto forma di ioni dipolari detti anche zwitterioni, il gruppo amminico è protonato NH₃⁺ e il gruppo carbossilico è deprotonato COO^-. Lo stato di ionizzazione degli amminoacidi cambia col pH.

Nelle proteine sono presenti 20 tipi di catene laterali, ed esistono vari modi per classificare gli amminoacidi:

• Amminoacidi idrofobici, con gruppi R polari.
• Amminoacidi polari, con gruppi R neutri ma con carica non uniformemente distribuita.
• Amminoacidi carichi positivamente con gruppi R positivi.
• Amminoacidi carichi negativamente con gruppi R negativi.

Amminoacidi idrofobici

Il più semplice degli amminoacidi idrofobici è la glicina ed è l'unico amminoacido achirale. L'alanina contiene un gruppo metilico -CH₃, e altri amminoacidi sono la valina, la leucina e l'isoleucina. La metionina contiene un gruppo tioetere –S– e la prolina possiede una catena laterale alinfatica legata sia all'atomo di azoto sia all'atomo di carbonio α. La fenilalanina contiene un anello fenilico e il triptofano ha un gruppo indolico legato a un gruppo metilenico -CH₂-.

Amminoacidi polari con R neutri ma carica non uniforme

Gli amminoacidi complessivamente neutri ma polari grazie al loro gruppo R sono la serina, la treonina e la tirosina, che contengono un gruppo ossidrilico –OH, la cisteina, che contiene un gruppo solfidrilico –SH, e l'asparagina e la glutammina, che contengono un carbossammide terminale.

Amminoacidi carichi positivamente

La lisina e l'arginina hanno catene laterali lunghe, che terminano con due molecole cariche positivamente, rispettivamente un gruppo amminico primario e un gruppo guanidinico. L'istidina contiene un gruppo imidazolico.

Amminoacidi carichi negativamente

Fanno parte di questo gruppo due amminoacidi con una catena laterale acida: l'acido aspartico e l'acido glutammico. Quando a pH fisiologico si trovano nella forma anionica sono generalmente chiamati aspartato e glutammato.

Sette amminoacidi (tirosina, cisteina, arginina, lisina, istidina, acido aspartico e acido glutammico) hanno catene laterali ionizzabili e sono in grado di formare legami ionici e di cedere o accettare protoni. La capacità di donare o accettare protoni è detta catalisi acido-base ed è un'importante reazione chimica per molti enzimi.

Gli esseri umani ne possono fabbricare solo 11. Gli amminoacidi che non possono essere costruiti devono essere assunti con la dieta e vengono detti amminoacidi essenziali. La malattia conosciuta come kwashiorkor è una forma di malnutrizione che deriva da un insufficiente apporto proteico con la dieta. I segni più evidenti sono il ventre sporgente che è segno di edema, un gonfiore che deriva dall'accumulo di acqua nei tessuti.

Struttura tridimensionale delle proteine

Il DNA codifica le sequenze amminoacidiche delle proteine e la sequenza degli amminoacidi è detta struttura primaria. La struttura tridimensionale generata dall'instaurazione di legami a idrogeno tra i gruppi NH e CO e degli amminoacidi nella catena polipeptidica è detta invece struttura secondaria. Quando i gruppi R di amminoacidi interagiscono tra loro è detta struttura terziaria. Quando le proteine, poi, necessitano di più catene polipeptidiche, allora si parla di struttura quaternaria.

Struttura primaria

La struttura tridimensionale dipende dalla loro struttura primaria: polimeri lineari, formati dall'unione del gruppo α-carbossilico di un amminoacido e il gruppo α-amminico di un altro, tramite un tipo di legame detto legame peptidico (o legame carbamidico). La formazione di un dipeptide è accompagnata dalla perdita di una molecola di acqua, la biosintesi dei legami peptidici richiede un apporto di energia libera; in assenza di un catalizzatore l'emivita del legame peptidico in soluzione acquosa è di circa 1000 anni.

In ogni catena polipeptidica ogni unità amminoacidica è detta residuo. L'estremità amminica viene considerata l'inizio della catena e la sequenza degli amminoacidi viene scritta partendo dal residuo amminoacidico ammino-terminale. Due peptidi che hanno la stessa composizione di amminoacidi ma struttura primaria differente, avranno anche proprietà chimiche diverse. Una catena polipeptidica è caratterizzata da una serie di unità regolari ripetute detta catena principale o scheletro covalente, e da una porzione variabile che comprende le catene laterali degli amminoacidi. Peptidi composti da 50 a 2000 residui sono detti proteine, peptidi formati da un numero limitato di residui sono detti oligopeptidi o semplicemente peptidi.

Ciascun residuo contiene un gruppo carbonilico C=O che è un buon accettore e un gruppo N-H che è un buon donatore, questi gruppi interagiscono tra loro stabilizzando strutture particolari. In alcune proteine abbiamo dei legami trasversali detti ponti disolfuro che si formano per ossidazione della catena laterale di una coppia di residui di cisteina. L'unità generata dall'unione di due residui di cisteina è chiamata cistina.