Biochimica applicata ai beni culturali - carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici, sintesi proteica, enzimi

Esame biochimica

Introduzione

Il concetto di biochimica ha una complessità crescente: dai semplici atomi si passa poi a strutture più complesse. Negli organismi viventi vi è un progenitore comune che negli anni (processo durato milioni di anni) ha dato origine a tutti gli organismi viventi attuali: funghi, batteri, animali, eubatteri, etc.

Procarioti ed eucarioti

Inizialmente gli organismi erano batteri e archeobatteri; l’utilizzo dell’O ha portato poi all’evoluzione della cellula a piante (caratteristiche autotrofe), funghi, animali (ricavano energia dall’esterno), protisti (unicellulari – es. lievito), cromisti.

Elementi costitutivi degli organismi

Per costruire un organismo ho bisogno di: H, C, N, O, P, S. Questi costituiscono il 98% di qualsiasi organismo vivente. Il restante 2% è costituito da elementi in tracce: Na, Mg, Si, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn.

Organismo vivente

Un organismo vivente è una struttura organizzata, complessa, ordinata. Si tratta di esseri altamente integrati, le cui cellule non sono disposte casualmente.

Es. il batterio è composto da circa 7000 sostanze chimiche differenti, ognuna delle quali ha una funzione biologica ben precisa. Es. l’uomo è composto da decine di migliaia di sostanze chimiche diverse, distribuite in strutture microscopiche (organuli cellulari); organismo pluricellulare.

Caratteristiche degli organismi viventi

Caratteristiche che distinguono un vivente da un non-vivente:

• Organizzazione, che risiede nelle cellule che vanno da un minimo di 1 a un massimo di n°.
• Cellularietà: unità strutturali e funzionali elementari che costituiscono i viventi. Esse nascono, si nutrono, crescono, si riproducono e muoiono. Gli organismi più semplici sono gli unicellulari: batteri, alghe e lieviti. Gli organismi pluricellulari (piante, animali, etc.) sono costituiti da n° cellule che sono in comunicazione chimica tra loro.
• Energia e metabolismo: i viventi acquistano e utilizzano energia per svolgere un’ampia gamma di reazioni chimiche controllate per poi metabolizzare. Il metabolismo è un complesso di reazioni chimiche che usufruiscono dell’energia per modificare l’organismo, comportando una continua trasformazione di numerose molecole.
• Ereditarietà: che attraverso un programma genetico impone i loro caratteri. Si tratta del mantenimento e trasmissione di determinate caratteristiche. Queste caratteristiche sono codificate nel materiale genetico che ci costituisce e dove troviamo il DNA, che costituisce i geni. Il gene è un tratto del DNA che contiene delle informazioni, che di volta in volta possono essere modulate e coordinate con quelle di altri geni.
• Riproduzione: propria di ogni organismo vivente. I modi e i tempi variano da specie a specie e non sempre si generano organismi simili a sé stessi. Nel caso di organismi unicellulari, essi duplicano il proprio DNA, dividendosi in due cellule figlie che erediteranno una delle due copie del DNA. Nel caso di organismi pluricellulari la riproduzione avviene dalla fusione di due cellule (gameti) da due individui di sesso opposto. Il risultato della fusione è uno zigote il cui DNA è metà proveniente dal padre e metà dalla madre.
• Crescita e sviluppo: i viventi si accrescono in dimensioni cambiando aspetto e capacità. La crescita è una caratteristica propria degli organismi viventi. Anche i batteri s’ingrandiscono dopo una divisione riproduttiva. Negli organismi a riproduzione sessuata, lo zigote si divide più volte fino a formare miliardi di cellule. L’accrescimento può essere accompagnato dalla comparsa di nuovi tipi cellulari che può portare ad una metamorfosi.
• Adattamento ed evoluzione: gli organismi rispondono alle variazioni ambientali; possono cambiare nel tempo la propria anatomia e fisiologia, adattandosi all’ambiente. Più l’organismo si adatta poi si riproduce portando all’evoluzione, poiché il materiale ereditario viene trasmesso lievemente alterato rispetto a quello originale, portando a caratteristiche assai diverse. Le diverse evoluzioni possono variare a seconda dei climi e delle aree geografiche.
• Omeostasi: capacità degli organismi viventi di mantenere un ambiente interno relativamente costante. Es. la T del corpo umano che ha un range costante, generalmente intorno al 36° ca. L’omeostasi porta a variazioni chimiche e fisiche il più costanti possibile.

Energia negli organismi viventi

In ogni variazione chimica o fisica, la quantità totale di energia nell’universo resta costante anche se la forma di energia può variare. Gli organismi viventi estraggono energia dall’ambiente. Una parte di questa viene convertita in energia potenziale, utile per produrre lavoro, mentre una parte viene ritrasferita all’ambiente sotto forma di calore, insieme a molecole più semplici rispetto ai nutrienti iniziali. Questa energia se non ben orientata porta ad un sistema disorganizzato.

ATP è la molecola dove viene accantonata l’energia potenziale. È l’intermedio nei processi anabolici e catabolici. L’ATP viene speso nei processi endoergonici e guadagnato in quelli esoergonici. L’assenza di ATP non permette la sopravvivenza. Deriva dalla molecola dell’ADP.

Classificazione degli esseri viventi

La classificazione degli esseri viventi può essere per: regno, di tipo tassonomico o sistematico (branche della biologia che si occupano di questa classificazione); divisione, classe, ordine, famiglia, genere e specie. Carlo Linneo, medico, botanico, naturalista e accademico svedese, è considerato il padre della moderna classificazione scientifica degli organismi viventi. Egli usa la classificazione morfologia, es. Homo (genere) sapiens (specie).

Acqua e carbonio

Importanza dell'acqua

L’acqua ha un ruolo determinante ed è indispensabile nel nostro pianeta. La molecola dell’acqua è squilibrata dal punto di vista chimico poiché H⁺ e O^- sono molto differenti. I legami a idrogeno sono estremamente labili e si generano grazie alle differenze di elettronegatività dell’H e dell’O (O= ha massa atomica 16 e 6 e- di valenza; H ha 1 protone nel nucleo e 1 di valenza). La carica elettrostatica è quindi debole ma non abbastanza da evitare questo legame. L’unione di più molecole di acqua va a formare una sorta di reticolo.

Capacità dell'acqua

• Adesione: es. bicchiere pieno fino all’orlo che non sborda subito;
• Coesione: es. risalita capillare attraverso i vasi dell’albero;
• Alta tensione superficiale;
• Espansione di volume in seguito a congelamento: di circa il 15%. Diventa più leggero dell’acqua in forma liquida;
• Ottimo solvente: es. per molecole idrofile;
• Alto calore specifico: serve molta energia per scaldare l’acqua. Aumentando la T dell’acqua si aumenta l’energia cinetica;
• Alto calore di vaporizzazione: serve tanta energia per far evaporare l’acqua.

pH e proprietà chimiche dell'acqua

pH è il cologaritmo, base 10, della concentrazione molare di ioni H⁺ nella soluzione. Una percentuale di molecole di acqua è dissociata, dando ioni H⁺ e ioni OH^- (ione idrossido), con un processo dinamico. Se l’acqua è pura il suo pH sarà 7 (sangue umano); essa diventa acida aggiungendo una concentrazione di ioni H⁺ (pH < 7); viceversa diventerà alcalina (basica) aggiungendo NaOH (idrossido di sodio) (pH > 7).

Il carbonio

La molecola di carbonio si distingue perché è tetralegante. Esso ha numero atomico 6; una valenza pari a 4. È un atomo molto equilibrato. Si tratta del sesto elemento più abbondante nell’universo. Ha due stati allotropici: diamante e grafite. Si trova in depositi naturali (0.1% della litosfera) e può essere prodotto da combustione di composti organici con insufficiente quantità di O. L’isotopo C-14 viene utilizzato nella radiodatazione dei reperti archeologici.

Capacità del carbonio

• Forma legami stabili con altri atomici di C;
• Può formare legami doppi o tripli;
• Possono formarsi lunghe catene carboniose;
• Si lega con molti altri elementi;
• Può dar luogo ad una grande varietà di composti;

Ibridazione del carbonio

L’atomo di C ha n. atomico 6 e una configurazione elettronica 1s² 2s² 2p². Avendo due soli orbitali p semipieni, il C dovrebbe essere bivalente e dare due legami covalenti. In realtà è prevalentemente tetravelente, presupponendo così una promozione di un e- dall’orbitale 2s, all’orbitale 2p_z.

L’atomo di C eccitato ha 4 orbitali semiliberi e può quindi dare forma a 4 legami covalenti, che in teoria non dovrebbero essere tutti uguale visto che l’orbitale s ha un’energia inferiore. Tuttavia, come nel caso del metano, vi sono 4 legami identici. Da ciò si è pertanto ipotizzato un mescolamento dell’orbitale s con gli orbitali p, che può avvenire secondo tre diverse modalità: ibridazione sp³, sp² o sp.

1- Ibridazione sp³ – legame singolo

Prevede il mescolamento dell’orbitale 2s con i tre orbitali 2p. Come risultato si ottengono 4 nuovi orbitali identici tra loro. Questo fenomeno è detto ibridazione. I nuovi orbitali ibridi, chiamati sp³, che hanno per 1/4 le caratteristiche dell’orbitale s e per 3/4 quelle degli orbitali p. Il lobo di dimensioni maggiori è quello che viene usato nei legami. I 4 orbitali ibridi sp³ puntano verso i vertici di un tetraedro, disponendosi a 109,5° l’uno dall’altro.

2- Ibridazione sp² – legame doppio

Mescolamento di un orbitale s con due orbitali p. Si ottengono così tre ibridi sp². Essi si dispongono su un piano formando angoli di 120° l’uno dall’altro, mentre l’orbitale p non coinvolto nell’ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato dai tre orbitali ibridi. Gli atomi con questa ibridazione formano legami doppi: uno sigma tra i nuclei dei due atomi coinvolti e uno pi-greco tra i due orbitali p non coinvolti nell’ibridazione.

3- Ibridazione sp – legame triplo

Mescolamento di un orbitale s e uno p, che da origine a due orbitali ibridi sp. Questo avrà 50% di carattere s e 50% di carattere p. I due orbitali ibridi si dispongono a 180° l’uno rispetto all’altro, mentre gli orbitali p non coinvolti nell’ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro, e sono perpendicolari ai due orbitali ibridi sp: il C, legandosi ad un altro atomo (di C per gli alchini o azoto per i nitrili) forma un triplo legame: uno sigma e due pi-greco.

Legami del carbonio

• Carbonio tetralegante;
• Legami singoli C-C liberi di ruotare;
• Legami C=C che non ruotano;

I composti più comuni derivanti dal C sono gli idrocarburi, catene composte da legami C-H semplici, es. metano, etano, etc.

Forme allotropiche: molecole formate da unico elemento. Il carbonio a seconda del reticolo può formare diversi materiali es. diamante, grafite, fullerene.

Chiralità

Tetra leganza del carbonio - disponendo le molecole in maniera diversa posso ottenere una moltitudine di composti diversi. Se il C lega 4 molecole diverse è in grado di formare 2 molecole diverse che saranno 2 molecole chirali, e non sovrapponibili.

Cis o Trans -> carbonio tetralegante ma con doppio legame -> ho due alternative per poter legare i sostituenti. Cis quando i sostituenti si trovano dalla stessa parte; Trans quando i sostituenti si trovano in parti opposte.

Le principali macromolecole

Le macromolecole si dividono in 4 grandi gruppi principali:

• Glucidi: monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi;
• Lipidi: Trigliceridi, fosfolipidi, steroidi, cere;
• Proteine: ne esistono milioni, dagli anticorpi, all’emoglobina, etc.;
• Acidi nucleici: DNA, RNA, diretti responsabili del genoma.

Ciclo del carbonio

Gli organismi eterotrofi si cibano di molecole complesse per produrre energia potenziale. Acqua e C vengono captati dagli organismi autotrofi, che ricavano energia dal sole. Si auto-basterebbero ma si deve introdurre anche altre fonti di C, es. prodotto dalla combustione, organismi unicellulari che degradano materiale organico di scarto, etc. È un ciclo alterato nel tempo a causa dell’elemento antropico che rovina l’equilibrio provocando una massiccia produzione di CO₂.

Gruppi funzionali del carbonio

Idrocarburi

Molecole semplici C-H, ma possono diventare molto complesse perché capaci di legarsi. Il C è per forza tetralegante o può legarsi con un doppio legame a un altro C. Se il legame è singolo la molecola può muoversi, se è doppio il movimento è vincolato. Il metano CH₄ sotto pressione diventa liquido; più è lunga la catena di idrocarburo più da gassosa diventa liquida e di conseguenza idrofoba. Ciò avviene perché il legame è neutro, non vi è squilibrio di carica, quindi non si creano legami a idrogeno e non c’è idrofilia. Il C può legarsi con chiunque, è un atomo estremamente duttile. Dà luogo a strutture geometriche regolari, triangolari con angoli di 109,5°.

Stereoisomeria

Acido malico e acido fumarico hanno una struttura uguale ma cambia la posizione del gruppo funzionale, di conseguenza diventano due molecole distinte. Gli stereoisomeri hanno diversa orientazione degli atomi nello spazio e non possono essere interconvertiti per rotazione intorno ad un legame semplice. Le molecole chirali possono dare stereoisomeria. Se la molecola presenta un solo centro chirale, gli enantiomeri saranno uno R e uno S. Se la molecola ha due centri chirali avrò 4 stereoisomeri: due coppie di enantiomeri (che non sono immagini speculari), e prendono il nome di diastereoisomeri. Essi hanno proprietà fisiche differenti e quindi riesco a separarli. Il numero di stereoisomeri sarà: 2ⁿ dove n è il numero di centri chirali.

1) Gruppo ossidrilico (R-OH)

Tipico degli alcoli. Desinenza -olo = alcol. La presenza di un atomo di H legato all’O rende possibile la formazione di ponti a idrogeno intermolecolari. Solubilità alcoli: la parte della molecola R-OH ha affinità con l’acqua. Il gruppo OH è molto polare e forma legami a idrogeno:

• C1-C5 = molto solubile;
• C5-C7 = moderatamente solubile;
• C7 oltre = debolmente solubile;

Dal punto di vista della loro struttura chimica, vengono classificati in primari, secondari e terziari, in funzione del numero di gruppi alchilici R-OH legati all’atomo di C cui è legato il gruppo OH.

• Metanolo: CH₃OH, alcol metilico. Usato come solvente, per la fabbricazione di profumi. Ha proprietà simili all’alcol etilico ma non è igroscopico ed è leggermente meno volatile. Pericolo se ingerito (cecità, morte); incolore, inodore, liquido;
• Etanolo: CH₃CH₂OH, alcol etilico. Si ottiene dalla fermentazione di zuccheri. Usato come solvente, solubilizza totalmente mastice, resine chetoniche, colofonia, gomma lacca; solubilizza parzialmente dammar, Plexisol P550; Tossicità stupefacente, epatica, cardiaca, etc. Incolore, odore dolciastro, liquido.
• Isopropilico: Alcol secondario. Isopropanolo. Dissolve etilcellulosa, oli, gomme e resine. Non è solubile in soluzioni saline. Incolore, liquido con un forte odore.

Nelle macromolecole il gruppo OH viene riscontrato:

• Carboidrati: uno per ciascun C che non porta il gruppo funzionale aldeidico o chetonico; polialcoli.
• Proteine: Negli A.A: Thr (treonina), Ser (serina), Tyr (tirosina).
• Lipidi: sfingolipidi, steroidi, prostaglandine.
• Acidi nucleici: ribosio e desossiribosio.

2) Gruppo carbonilico (C=O)

Si trova nelle Aldeidi (1) e chetoni (2). Le molecole contenenti gruppo carbonilico sono in grado di formare legami a idrogeno con l’acqua. Lo si può quindi definire un gruppo polare.

Il gruppo carbonilico è presente in:

• Aldeidi: il gruppo C=O è terminale;
• Chetoni: gruppo C=O all’interno della catena;
• Acidi: C=O legato ad un gruppo ossidrilico;
• Ammidi: gruppo carbossilico legato ad un amminico;
• Esteri: C=O legato ad un OR’.

Reazioni delle aldeidi e chetoni: le aldeidi possono ossidarsi convertendosi in acidi carbossilici (C=O diventa COOH); dalla reazione di riduzione di un’aldeide otteniamo un alcol primario, dalla riduzione di un chetone otteniamo un alcol secondario.

Nelle macromolecole il gruppo carbonilico C=O viene riscontrato:

• Carboidrati: aldozuccheri (gruppo aldeidico) e chetozuccheri (gruppo chetonico);
• Proteine: negli A.A.: asparagina, Glutammina, Acido Aspartico e Acido glutammico;
• Lipidi: steroidi, prostaglandine;
• Acidi nucleici: guanina, timina, uracile.

3) Gruppo carbossilico (COOH)

È composto dal gruppo ossidrilico e carbonilico. Si genera dall’ossidazione di un’aldeide (alcol primario – aldeide – acido carbossilico), o anche da alcoli. È idrofilo poiché vi è uno sbilanciamento di carica; forma legami a idrogeno con l’acqua. Quelli a catena corta sono solubili in acqua.

È un acido quindi una molecola che in H₂O si dissocia dando ioni H⁺ e abbassando il pH.

Nelle macromolecole il gruppo carbossilico COOH viene riscontrato:

• Proteine: In tutti di A.A. e nell’acido aspartico e glutammico (due gruppi COOH);
• All’estremità del C terminale;
• Lipidi: Acidi grassi. Avremo una lunga catena alifatica che terminerà con un gruppo carbossilico, non utile ai fini della solubilità ma per reagire (porzione reattiva della molecola).

4) Gruppo amminico (NH₂)

Si comporta da base in quanto può accettare ioni H⁺. Lo troviamo nelle ammine, sostitute dell’ammoniaca. Si va dalle ammine primarie fino a quelle quaternarie.

Es. Fluoro amminico, riscontrato nel dentifricio Elmex poiché inibisce la crescita batterica e la produzione di acidi.