Biochimica completa

Idrofiliche e idrofobiche

Idrofiliche: molecole solubili in H₂O. Le molecole polari amano l'acqua, grazie a una discreta differenza di elettronegatività.

Idrofobiche: molecole non solubili in H₂O. Anche se ci sono molecole che non si solubilizzano nell’acqua, nel nostro organismo non ci devono essere divisioni di fase, quindi interverranno delle molecole accessorie. Il metabolismo di queste sostanze sarà più complicato.

Elettro-negatività e polarità

L'acqua è un solvente polare. Per sapere se una molecola è polare o meno, devo guardare i legami e ricordarmi dell’elettro-negatività. Essa è la tendenza dei vari atomi ad attirare su di sé gli elettroni di legame. Esempi: carbonio-idrogeno = legame non polare; carbonio-ossigeno = discreta differenza di elettronegatività.

Avere una carica negativa netta favorisce la solubilizzazione e quindi un'alta polarità. Le code idrocarburiche "odiano" l’H₂O.

Concetto acido-base e pH

Una piccola parte di molecole di H₂O si dissociano nell’acqua pura. H⁺ e OH^- sono uguali, pH = 7 neutro. Se aggiungo acido, aumenta H⁺ e scende il valore OH^-; pH < 7 soluzione acida. Se aggiungo una base, aumenta OH^- e scende il valore H⁺; pH > 7 soluzione basica.

Il pH fisiologico del sangue è 7.4, il pH fisiologico cambia da dove siamo e non deve cambiare. Si accettano variazioni di +/- 0.1; se > di 0.4 si arriva alla morte. Il pH ha il compito di tenere sotto controllo i batteri; il pH acido inibisce la crescita dei batteri (es. pelle 5.5).

Omeostasi e soluzioni tampone

Per mantenere l’omeostasi non devo far cambiare il pH e quindi uso la soluzione tampone. Aumento di pH = alcalosi, diminuzione pH = acidosi.

I tamponi del sangue sono:

• Anidride carbonica/bicarbonato: la CO₂ diventa ione bicarbonato. La CO₂ reagisce con H₂O e diventa acido carbonico dissociandosi in H⁺ e HCO₃^-. Nel sangue c’è ione bicarbonato in equilibrio con acido carbonico. Acido carbonico si trasforma in bicarbonato, facilmente regolato dai polmoni es. con l’iperventilazione alcalinizzando, si può andare in alcalosi.
• Fosfati: diidrogeno/idrogeno fosfato, diidrogeno in equilibrio con l’idrogeno fosfato. Per regolare il pH interviene il rene che può assorbire i sali del sangue.

I nostri sistemi tampone sono più pronti a reagire all’aggiunta di acidi, infatti tutte le cellule vive producono H⁺ e quindi acidificano.

Fonti principali di H⁺ sono:

• Metabolismo degli zuccheri
• Corpi chetonici (prodotti dal fegato)
• Urato
• Perdita anioni nel rene

Pressione osmotica

La membrana delle cellule è una membrana semipermeabile, è un movimento di H₂O in cui essa viaggia dalla zona in cui l’H₂O è più concentrata verso le soluzioni. Da soluzioni più diluite a soluzioni più concentrate.

Le nostre cellule vivono in ambiente isotonico, 0.9% di sale in 100 ml di H₂O: isotonica, ipotonica, ipertonica.

Energia e ATP

Serve energia per mantenere la composizione del nostro corpo diversa dall’ambiente che ci circonda. Il metabolismo genera energia! Gli elettroni negli elementi si combinano con l’ossigeno e vengono ossidati = portati via elettroni; ossidazione = produzione e riduzione = acquisto e. Un accettore di elettroni è l’ossigeno che si trasforma in H₂O e di conseguenza produce ATP (adenosina trifosfato).

Le più importanti riserve di energia sono zuccheri (glucidi) sotto forma di glicogeno e grassi (lipidi) sotto forma di trigliceridi (triacilgliceroli). Anche le proteine potrebbero servire come riserva energetica ma solo in caso di malfunzionamento.

Zuccheri

Gli zuccheri possono essere di due gruppi: aldosi e chetosi, in forma D. Gli zuccheri possono esistere in forme diverse e forma L. Il nostro organismo utilizza quello di forma D.

Glucosio = aldoso a 6 atomi di carbonio. Galattosio = aldoso a 6 atomi di carbonio. Ribosio = aldoso a 5 atomi di carbonio. Fruttosio = chetosio a 6 atomi di carbonio con gruppo cO.

Disaccaridi

• Lattosio= glucosio + galattosio
• Maltosio= glucosio + glucosio
• Saccarosio= glucosio + fruttosio

Tutti gli zuccheri possono stare in forma chiusa = forma ciclica. L’aldeide è la forma lineare e può cambiare problemi, non ciclicizza.

Polisaccaridi

Si formano da un monosaccaride + reazione di sintesi + condensazione. Quando condensiamo monomeri come sottoprodotto abbiamo una molecola di acqua. Idrolisi: reazione opposta alla condensazione.

Polimeri di glucosio (funzione metaboliche). L'amido contiene il glutine che non ha alto valore nutrizionale, povero di aminoacidi essenziali. Il glicogeno è una molecola contenuta nella cellula animale, è un polimero del glucosio con legami alfa. Ha un’estremità riducente e tantissime estremità non riducenti dove gli enzimi andranno ad agire, quindi è maggiore l’efficienza nella degradazione o sintetizzazione di questa molecola.

È presente in ogni cellula ma il fegato utilizza il glicogeno per regolare la glicemia del sangue. Le altre cellule mettono da parte glicogeno che poi degradano in glucosio e lo tengono da parte nella loro cellula per produrre energia. Glicogeno ha solo legami alfa (riserva di energia). Se presenta legami beta allora è cellulosa.

Polisaccaridi strutturali (funzioni strutturali). Zuccheri al di fuori delle cellule. Matrice: sostegno, permette gli scambi di materiale nutriente, permette l’eliminazione dei prodotti di scarto, serve per modulare la proliferazione delle cellule e la migrazione. È formata da proteine contenenti zuccheri i proteoglicani, che contengono speciali zuccheri chiamati glicosaminoglicani (GAG). Queste molecole richiamano acqua e acido ialuronico che favorisce la cicatrizzazione e favorisce la proliferazione delle ferite.

Se si frammenta acido ialuronico allora è pro-infiammatorio, va usato quello ad alto peso molecolare. Eparina non è una proteina, è uno zucchero, è un anticoagulante usato per curare trombosi ed embolie o prima delle operazioni. Non dissolve i trombi, evita solo che si formino! Inibisce la trombina. Per disgregare i trombi si usa il TPA, l’inibitore del plasminogeno.

Lipidi

Molecole idrofobiche, non hanno affinità per l’acqua, nel nostro organismo necessitano di particolari meccanismi per poterli rendere solubili nei nostri fluidi corporei.

Funzioni dei lipidi

• Funzione di riserva energetica: il grasso è il carburante che va ossidato (il mitocondrio è legato al metabolismo dell’ossigeno) per poter ricavare energia dai grassi serve ossigeno. I grassi hanno bisogno di ossigeno per essere metabolizzati (zucchero invece è metabolizzato con o senza presenza di ossigeno).
• Funzioni strutturali
• Funzione isolante
• Funzioni specifiche es. molecole di segnalazione

I trigliceridi sono formati da glicerolo + 3 acidi grassi, comunemente definiti grassi. Stanno nel tessuto adiposo: ci sono due tipi di tessuto adiposo:

• Bianco o uniloculare (adulti): deposito di trigliceridi derivanti dalla dieta
• Bruno o multiloculare (neonati): è ricco di lipidi, si convertirà in bianco, ha la funzione di termoregolazione, verranno bruciati i grassi per produrre calore

Gli obesi non hanno tessuto bruno, hanno solo tessuto bianco. Il tessuto adiposo nei maschi si accumula sull’addome, mentre nelle donne si accumula sulle cosce. Il tessuto adiposo viscerale si comporta come tessuto endocrino cioè come una ghiandola, rilascia adipocine che regolano l’appetito e controllano l’infiammazione (tutte le malattie croniche hanno una base infiammatoria).

Le persone obese possono essere prone a certe malattie perché queste adipocine possono portare a uno stato di infiammazione più alto del normale. Le adipocine che si comportano come ghiandole sono: leptina e adiponectina.

• La leptina dà il senso di sazietà; se non c’è leptina, non si ha il senso di sazietà.
• L’adiponectina è secreta dal tessuto adiposo e favorisce il consumo di grassi e energia. Gli obesi ne hanno poca. È ipoglicemizzante, abbassa i livelli di glucosio nel sangue ed è quindi protettiva nei confronti del diabete. È in grado di modulare l’infiammazione aumentando i livelli di interluchina 10.

Interluchina 10: molecola antiinfiammatoria.

Perché trigliceridi e non glicogeno?

Perché l’organismo umano preferisce accumulare trigliceridi e non glicogeno come scorta energetica fondamentale? Due motivi: gli atomi di carbonio nei trigliceridi sono più ridotti, quindi hanno più elettroni disponibili e quindi rendono di più; il glucosio rende meno. Il glucosio si porta dietro acqua, quindi se avessi solo atomi di glucosio peseremmo tantissimo, i trigliceridi pesano meno, quindi la stessa quantità di energia la posso avere in un peso minore.

Perché gli acidi grassi consentono una resa energetica maggiore rispetto al glucosio? I loro atomi di C sono più ridotti, possono essere immagazzinati in modo “anidro” con un enorme risparmio di peso.

Acidi grassi e omega

Gli acidi grassi di importanza per noi sono quelli a catena lunga e polinsaturi, fanno bene, sono essenziali e vanno assunti con la dieta (PUFA).

Omega 3/6: ci sono certi doppi legami a 6 atomi dalla fine della molecola, l’ultimo atomo di carbonio è detto omega. Negli omega 3, il doppio legame è a 3 atomi dalla fine della catena. Gli acidi grassi omega 3 non li possiamo creare, li dobbiamo assumere con la dieta e sono polinsaturi.

Omega 6 è pro-infiammatorio, omega 3 fanno bene, hanno effetti anti-infiammatori, fonti sono di origine vegetale.

Acido arachidonico e infiammazione

Perché omega-6 sono pro-infiammatori? Tutto parte dallo studio dell’acido arachidonico polinsaturo della famiglia omega-6. Questo acido sta nei fosfolipidi di membrana, se attaccato al glicerolo non ha funzione, se però si stacca dal glicerolo la cellula attiva l’enzima fosfolipasi A2, che separa glicerolo da acidi grassi. L’acido arachidonico libero nella membrana forma molecole eucasanoidi che sono suddivisi in:

• Prostaglandine: molecole pro-infiammatorie
• Trombosani: agiscono sulla coagulazione del sangue
• Leucotrieni: agiscono sul sistema immunitario

Il cortisone blocca la fosfolipasi A2. Il cortisolo aumenta il glucosio in circolo, metabolizza il calcio nelle ossa. Infiammazione: rumor, calor, tumor, dolor, funziolesa.

Enzima che metabolizza acido arachidonico è la ciclosigenasi: ci sono due forme di questo enzima:

• Coxs1: sempre espressa nei nostri tessuti, serve per fare un livello basale di prostaglandine che produrranno muco. È costitutiva (sempre espresso, essenziale a livello basale).
• Coxs2: viene accesa solo dopo insulti infiammatori, è inducibile e stimola infiammazione. È detto enzima inducibile.

Prostaglandine da omega-6: io produco qualcosa che fa male, aumenta l’infiammazione, aumenta la coagulazione del sangue, diminuisce il diametro dei vasi e aumenta la pressione, favorisce la crescita delle cellule e quindi anche dei tumori.

Prostaglandine da omega-3: azione anti-infiammatoria e protettiva.

Funzioni dei lipidi

• Trigliceridi: funzionano come deposito.
• Fosfolipidi: hanno natura strutturale, sono molecole anfipatiche, ovvero a doppia natura: amano e odiano l’acqua. La testa polare ha un gruppo fosfato, molto affine all'acqua, molto polare.

Lipidi strutturali

• Lipidi di riserva energetica: trigliceridi.
• Lipidi di natura strutturale: di membrana, polari, il glicerolo.
• Lipidi di membrana: con sfingosina al posto del glicerolo.
• Lipidi di membrana con sfingosina, come il glicerolo ma con un acido grasso in più, ha due code apolari, può legare fosfato e colina, è un sfingofosfolipide.

Quando abbiamo un glicolipide lo zucchero sta attaccato alla sfingosina, i glicolipidi non contengono fosfato, contengono zuccheri: con zuccheri semplici celebrosivi, oligosaccaridi quindi tanti zuccheri gangliosivi. I fosfolipidi contengono fosfato. I lipidi, fosfolipidi servono perché nell’ambiente acquoso formano strutture micellari. Gli acidi grassi invece creano strutture a doppio strato.

Liposomi: strutture a doppio strato in grado di trasportare farmaci e si fondono con le membrane. È un sistema per veicolare farmaci.

Le molecole idrofobiche non passano la membrana. L’interno della membrana odia l’acqua che isola l’interno della cellula dalle sostanze idrofiliche e impedisce il passaggio a queste molecole idrofiliche.

Isaturazione dei fosfolipidi e colesterolo

Perché abbiamo bisogno dell’insaturazione dei fosfolipidi? Generano un angolo nella catena idrocarburica, indica che il doppio legame in questa configurazione CIS cambia l’angolatura, è fondamentale perché non ci devono essere solo catene idrocarburiche sature, sennò le interazioni deboli tenderebbero a tenerle ben attaccate e la membrana non avrebbe più la fluidità. I doppi legami servono per modulare la fluidità.

Il colesterolo può attraversare la membrana e modulare la fluidità. È una molecola che produce ormoni steroidei. È una molecola fondamentale, oltre a produrre ormoni steroidei, è precursore della vitamina D (proteina che controlla omeostasi calcio), precursore degli acidi e sali biliari (infatti il fegato converte il colesterolo in acidi o sali biliari che poi serviranno per l’assorbimento intestinale dei lipidi). Il colesterolo inoltre permette il piegamento della membrana.

Il glucosio non passa la membrana, le molecole idrofiliche devono essere portate all‘interno tramite dei meccanismi. Il glucosio entra nella cellula sfruttando l’energia della pompa sodio-potassio.

Pompa sodio-potassio

Consuma energia, trasporta fuori dalla cellula 3 Na e fa entrare 2 K. Il metabolismo basale serve per mantenere la differenza di concentrazione tra sodio e potassio nelle cellule, al di fuori delle cellule vi sono molte cariche positive, all’interno ve ne sono poche.

Proprietà delle membrane biologiche

Proprietà fondamentali

• Conferiscono alla cellula la sua individualità.
• Permettono la suddivisione della cellula eucariotica in compartimenti interni.
• Sono dotate di permeabilità selettiva.
• Controllano il flusso di informazioni fra la cellula e l’ambiente.
• Contengono sistemi enzimatici complessi, come quelli che permettono i processi di conversione energetica.

Caratteristiche comuni

• Sono strutture simili a un foglio, spesse solo poche molecole.
• Sono costituite soprattutto da lipidi e proteine; i glucidi sono presenti solo sulla superficie esterna.
• I lipidi sono anfipatici e costituiscono la barriera con permeabilità selettiva.
• Le proteine sono responsabili delle funzioni “dinamiche”.
• Le membrane sono tenute assieme da legami non covalenti.
• Le membrane sono asimmetriche.

Proteine

Classe di molecole molto importanti, le proteine sono fatte da aminoacidi, essi sono formati da un gruppo amminico e un gruppo COH (acido) separati da un atomo di carbonio. Il gruppo R è la catena laterale degli aminoacidi. Gli aminoacidi hanno un gruppo amminico e uno carbossilico.

Ci sono 20 gruppi R diversi.

Carbonio asimmetrico

Il carbonio asimmetrico può esistere in due forme, una D e una L, a seconda di come sono disposti nello spazio i 4 sostituenti del carbonio asimmetrico. Gli enantiomeri L sono quelli all’interno delle proteine.

Polimerizzazione delle proteine

Le proteine sono una di più aminoacidi. Quando due amminoacidi si legano si crea una catena che avrà un gruppo N-terminale libero e dall’altra parte un gruppo carbossi-terminale libero. I legami che uniscono gli aminoacidi sono covalenti forti e si chiamano: peptidici CONH.

Il gruppo COH del primo amminoacido reagisce col gruppo NH₂ del secondo amminoacido. L’idrolisi delle proteine è favorita dagli enzimi peptidasi che distruggono i legami delle proteine.

Strutture delle proteine

• Sequenza primaria: è l’elenco degli amminoacidi partendo dalla parte ammino-terminale fino alla corbossi-terminale e di come si susseguono. Dice come la proteina si ripiega e che funzione avrà.
• Struttura secondaria: sono quelle strutture che localmente la catena assume nello spazio. Queste strutture sono di due tipi: alfa-eliche e foglietti-beta. Sono delle porzioni a elica e a foglietti a random, sono porzioni organizzate della struttura. I legami a idrogeno stabilizzano l’alfa-elica e foglietti-beta, si formano perché sono particolarmente stabili.
• Struttura terziaria: la vera struttura che hanno le proteine è la catena ripiegata, appallottolata, e questa è la struttura che hanno quando sono nel sangue, è la conformazione nativa. Le proteine si dividono in sferiche, globulari e fibrillari (filamenti come il collagene). Come mai le proteine si ripiegano nello spazio? Perché ripiegate sono più stabili, le forze che determinano il piegamento sono: legami a idrogeno, interazioni idrofobiche, ponti di solfuro. Le proteine si possono denaturare scaldandole o cambiando il pH. Certe zone delle proteine sono dette domini.
• Struttura quaternaria: certe proteine hanno struttura quaternaria, basta avere complessi multimerici.

La proteina più piccola è l’insulina. Una delle patologie più comuni è l’amiloidosi, legata all’accumulo di proteine non ripiegate correttamente che quindi precipitano. La più comune è quella a catena leggera. Malattie prioniche sono patologie legate a una proteina infetta che modifica la conformazione delle proteine wild type. Due tipi di proteine: un tipo globulare e un tipo fibrillare che non sono solubili nell’acqua e si depositano.

Modifiche post-traduzionali delle proteine

• Idrossilate: proteine con un gruppo OH in più, importanti nel collagene per stabilizzarlo
• Glicosilazioni: proteine con zuccheri attaccati, servono per il riconoscimento, es. i gruppi sanguinei
• Fosforilazioni: aggiunta di un gruppo fosfato, questa trasformazione è reversibile, media l’attività degli enzimi
• Taglio proteolitico: serve per attivare in maniera irreversibile gli enzimi