Biochimica, dietistica (Signorelli)

Biochimica

Pastorelli Giada Corso di laurea in dietistica

Biochimica

La biochimica è lo studio della chimica della vita e fa da ponte tra la chimica e la biologia

Acqua all’interno della biochimica riveste un’importanza fondamentale in quanto le reazioni biochimiche

avvengono tutte in ambiente acquoso. Nel nostro organismo abbiamo un 50-60% di componente fluida,

costituita in particolare dal sangue e dalla linfa, che va diminuendo con l’età. Per il suo grande rilievo essa è

sempre stata, ed è ancora oggi, oggetto di numerosi studi: nel 1976 L. Stillinger e Rahman riuscirono a simulare il

moto di 216 molecole d’acqua per 5 picosecondi e ciò permise di misurare la velocità di diffusione e il calore di

evaporazione di questa molecola. Essa è formata da ossigeno e idrogeno legati tra loro con legami covalenti

eteropolari. L’acqua è, inoltre, un elettrolita, ciò significa che si dissocia in ioni H e OH , la concentrazione di

+ -

questi ioni è all’equilibrio 10 . Essa è anche il liquido più coeso conosciuto, ha un elevata temperatura di fusione

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e evaporazione dovute ai deboli, ma numerosi legami idrogeno (in media 4,5) che le tengono unite. Sciogliere

qualcosa in acqua significa porre al suo interno un soluto polare, ad esempio uno zucchero oppure un sale, che

viene solvatato. Una sostanza lipidica, apolare per la sua presenza di carbonio e idrogeno aventi simile

elettronegatività, in acqua non si dissocia. La polarità delle molecole dipende dalla differenza di elettronegatività

fra gli atomi e dalla geometria di esse. Le sostanze polari sciolgono bene molecole polari mentre le sostanze

apolari sciolgono bene le molecole apolari. Esempi di molecole apolari sono le catene alifatiche e i gruppi

aromatici. Le molecole aventi una porzione polare ad una apolare, come i fosfolipidi e i detergenti, sono dette

anfipatiche e se poste in acqua formano micelle, strutture circolari aventi porzioni idrofobiche all’interno,

oppure vescicole, come le membrane cellulari, costituite da un doppio strato e vuote all’interno.

La concentrazione di soluto in una soluzione si può misurare in percentuale, in molarità, molalità, etc ( vedi

). La glicemia per esempio si misura in mg/100ml oppure in mM. L’energia chimica è l’energia potenziale

chimica

immagazzinata nei legami chimici che uniscono le particelle. Durante le reazioni avviene una variazione

dell’energia chimica del sistema. Anche la formazione di una soluzione è una reazione e provoca dunque una

variazione di energia. La soluzione acquista rispetto al solvente puro nuove proprietà, dette proprietà colligative

che dipendono esclusivamente dalla concentrazione di soluto. Esse sono:

• L’abbassamento di tensione di vapore 1

• L’innalzamento ebullioscopico

• L’abbassamento crioscopico

• La pressione osmotica.

Quest’ultima è la pressione esercitata dal soluto in opposizione alla pressione idrostatica sulle membrane

semipermeabili attraverso cui l’acqua può filtrare mentre i soluti no ( ). Tutte le membrane biologiche

vedi chimica

sono membrane semipermeabili e la pressione osmotica che si esercita su di esse deve rimanere costante ed è

fondamentale nei processi biologici, per esempio nella filtrazione dei gas e dei nutrienti attraverso i capillari. La

pressione osmotica nei liquidi biologici è dovuta principalmente alle proteine, a tal punto che la componente

della pressione osmotica dovuta ad esse ha un nome specifico pressione oncotica. La filtrazione nei capillari è

permessa dalla differenza variabile fra la pressione osmotica del sangue e la pressione idrodinamica dei liquidi

interstiziali. Se viene alterata la presenza di proteine plasmatiche si provocano scompensi osmotici con

conseguente formazione di edemi diffusi.

Biochimica come la chimica del carbonio

La biochimica è detta chimica del carbonio in quanto lo scheletro di tutti composti organici è composto da catene

carboniose. Il carbonio ha un elettronegatività media, è, dunque in grado di legarsi sia a ed elementi molto

elettronegativi che ad elementi con una bassissima elettronegatività. Esso ibridizzandosi è in grado di formare

lunghe e stabili catene. Le catene formate esclusivamente da carbonio e idrogeno sono dette idrocarburiche che

possono essere sature, insature, lineari, cicliche, aromatiche, etc. Sostituendo atomi di idrogeno con gruppi

funzionali possiamo ottenere altre classi di composti.

Pressione esercitata dalla fase di vapore in equilibrio con il liquido

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Gli idrocarburi a catena corta sono volatili, insolubili e ciclizzano più difficilmente rispetto a idrocarburi a catena

più lunga. Gli idrocarburi saturi (alcani) contengono solo legami singoli, gli idrocarburi insaturi contengono

doppi e/o tripli legami (rispettivamente alcheni e alchini). Gli idrocarburi sono in grado di bruciare in presenza

di ossigeno trasformandosi in anidride carbonica e acqua con liberazione di energia. I lipidi sono molecole aventi

uno scheletro idrocarburico e per questo sono bruciati nel nostro organismo per produrre energia. Gli

idrocarburi aromatici policiclici si ottengono da frammenti idrocarburici per mezzo di una combustione lunga,

continuativa e incompleta. Essi sono estremamente tossici sia per l’uomo che per l’ambiente poiché non possono

essere in alcun modo intaccati. Gli idrocarburi aromatici policiclici derivano da diverse fonti: la combustione dei

combustibili e della legna, l'urbanizzazione, lo smaltimento dei rifiuti, il tabagismo, la cottura alla brace,

affumicatura, etc.

I gruppi funzionali sono sostituenti che danno particolari caratteristiche alla catena carboniosa cui fanno parte.

Esempi di sostituenti sono il gruppo ossidrile –OH che caratterizza i composti detti alcoli, il gruppo carbonilico –

COH caratteristico di aldeidi e chetoni, il gruppo carbossilico –COOH caratteristico degli acidi carbossilici. In

acqua gli acidi carbossilici hanno comportamento acido, perdono infatti il protone H e si stabilizzano per

+

risonanza. Facendo reagine due molecole di alcoli si forma un etere, facendo reagire un alcol con un acido

carbossilico si forma un estere, facendo reagire due acidi carbossilici si formano le anidridi. Esempi di esteri

naturali ad alto peso molecolare sono le cere, i grassi e gli oli. Un’ammina, infine, è una molecola derivante

dall’ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con catene carboniose. Esse possono reagire con

gli acidi carbossilici dando come prodotto le ammidi, composti organici con gruppo funzionale –CONH .

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PROTEINE

Le proteine, come già noto dalla chimica, possiedono una struttura primaria, che consiste nella sequenza dei suoi

amminoacidi, una struttura secondaria, dovuta ai legami idrogeno fra gruppi amminici e carbossilici, una

struttura terziaria, dovuta ai legami fra i gruppi R, particolarmente stabile in specifiche condizioni di pH,

temperatura, concentrazione salina, etc. Alcune proteine hanno anche una struttura quaternaria la quale è

costituita dalla disposizione reciproca delle subunità che la costituiscono, cioè da come esse sono aggregate fra

loro a formare la proteina. La struttura terziaria è quella che determina maggiormente la funzionalità della

proteina. Ad esempio, una proteina canale possiede una struttura tale che le permette di affacciare all’interno del

lume i residui R idrofilici atti a legare il substrato, spesso polare, e disporre i residui R idrofobici verso l’interno

lipidico della membrana aderendo a questa. Una proteina di trasporto, invece, disporrà i residui R idrofobici

verso l’interno rendendo la molecola compatta e solubile.

Le proteine si dividono in insolubili in ambiente acquoso come le proteine fibrose, strutturali e le proteine di

membrana (ex. recettori e pompe ioniche) e solubili in ambiente acquoso come le proteine di deposito,

trasporto, protezione, i trasmettitori ed i catalizzatori. La solubilità di una proteine dipende dal rapporto fra i

gruppi polari e non polari dei residui degli amminoacidi che la costituiscono.

In quanto anfoteri, cioè dotati di un gruppo acido (carbossilico) e di un gruppo basico (amminico), gli

amminoacidi possono associare o dissociare protoni a seconda del pH della soluzione. A pH basso (<pK ), ossia

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in una soluzione ricca di protoni, gli amminoacidi sono in forma cationica, protonata; a pH elevato (>pK ), cioè in

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una soluzione povera di protoni, gli amminoacidi sono in forma anionica, deprotonata. Il pH, in corrispondenza

del quale l’amminoacido si trova in forma dipolare (anfoionica) ed è dunque elettricamente neutro, viene

definito punto isoelettrico (pI). Le proteine sono dotate di un numero variabile di cariche elettriche, localizzate

in corrispondenza dei residui ionizzabili e dei gruppi amminici e carbossilici terminali. Il numero e la natura di

queste cariche dipende dal pH del mezzo. Si definisce punto isoelettrico di una proteina il valore del pH in

pK e pK rappresentano i valori di pH a cui il gruppo, rispettivamente carbossilico e amminico, di un

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amminoacido sono dissociati al 50%, ossia hanno perso la metà dei propri protoni. 2

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corrispondenza del quale la somma delle cariche positive è uguale a quella delle cariche negative, dunque, al

quale la proteina è elettricamente neutra e meno solubile. Poiché esso dipende dalla natura dei residui degli

amminoacidi che la compongono il pI di una proteina è determinato dalla sua struttura primaria. Per la loro

capacità di cedere e acquistare protoni, le proteine costituiscono uno dei più importanti sistemi tampone

dell’organismo insieme ai carbonati e ai fosfati.

Denaturazione e allosterismo

Per denaturazione di una proteina si intende ogni perturbazione della sua conformazione nativa tale da indurre

la perdita della funzione biologica della proteina stessa. La denaturazione genericamente implica una

modificazione della struttura terziaria, per rottura dei legami che la stabilizzano, dovuta a vari agenti e può

essere reversibili o irreversibile.

Le proteine presentano, inoltre, allosterismo, ossia possono alterare lievemente e reversibilmente la propria

struttura a causa dell’interazione con altre molecole e con l’ambiente. Quando l’interazione termina la proteina

torna alla struttura originaria più stabile. Il fenomeno dell’allosterismo è ciò che rende le proteine differenti dalle

altre biomolecole ed è fondamentale nella funzionalità dei recettori di membrana, delle proteine canale, degli

enzimi. Per esempio la grande efficienza di un enzima è dovuta ai legami che esso forma un complesso con il

substrato “inglobandolo” nella propria struttura, terminata la reazione la conformazione del substrato risulta

modificata e l’enzima non è più in grado di formare legami con esso.

ESEMPI DI PROTEINE

Collagene

Il collagene è la proteina più abbondante nell’organismo, costituisce il 6% del peso corporeo e le sue fibre, del

diametro di 10-300nm, si organizzano in fasci a formare un reticolo piuttosto resistente. Esso è presente in

numerosi tessuti: nel tessuto connettivo dove è prodotto dai fibroblasti, nel tessuto osseo dove è prodotto dagli

osteoblasti, nel tessuto cartilagineo dove è prodotto dai condroblasti e nei denti dove è prodotto dagli

odontoblasti. La sua struttura primaria comprende un amminoacido glicina ed uno di prolina separati da un altro

amminoacido che frequentemente è l’alanina o la lisina (Gly-AA-Pro).

La prolina, così come la lisina, possono essere presenti come tali o in forma idrossilata: gli enzimi che catalizzano

l’idrossilazione di tali amminoacidi sono la prolil-idrossilasi e la lisil-idrossilaasi i quali necessitano della

vitamina C come coenzima. Quest’ultima ha la funzione di fornire elettroni per mantenere il ferro in forma

ridotta, il quale viene ossidato dall’enzima per catalizzare la reazione. L’idrossilazione avviene grazie ad una

molecola di O di cui un atomo di ossigeno si lega alla lisina/prolina e l’altro ad una molecola di

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alfachetoglutarato il quale elimina una molecola di CO diventando succinato. La presenza di numerosi gruppi OH

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fa sì che si formino numerosi ponti idrogeno, caratteristici della struttura tridimensionale del collagene.

Il collagene non ha una struttura né una struttura ad α-elica né a β-foglietto in quanto i residui della glicina,

alanina e lisina sono di piccole dimensioni, mentre la prolina forma nella struttura un piega obbligata. In

corrispondenza di ogni glicina si avvicinano due filamenti di collegane, formando complessivamente sorta di

treccia, detta tropocollagene avente ponti idrogeno fra i gruppi OH delle lisine e proline idrossilate. Le trecce di

tropocollagene si assemblano con legami crociati in corrispondenza degli amminoacidi lisina in una struttura

fibrosa più complessa avente spazi vuoti sfalsati che le conferiscono una certa flessibilità. Il legame crociato

avviene nel seguente modo: la lisina viene ossidata, rimuovendo il gruppo amminico, a residuo aldeidico allisina

il quale viene legato o ad un gruppo amminico non ossidato di una lisina attraverso una base di Schiff, oppure ad

una seconda molecola di allisina con eliminazione di una molecola d’acqua. Questa reazione necessita della

vitamina B6, piridossal fosfato (PLP) che, avendo un gruppo carbossilico forma un primo legame base di Schiff

con il gruppo NH da rimuovere e, “staccandosi”, porta con sé quest’ultimo.

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I geni che codificano il collagene sono tre, in tal modo è possibile la sintesi di tre diversi filamenti detti α1, α2 e

α3. La diversa combinazione di tre diversi filamenti di collagene e la lunghezza variabile di questi permette di la

formazione di innumerevoli trecce di tropocollagene classificate in 5 categorie ( ).

vedi pagina 69

Patologie legate al collagene

• Osteogenesi imperfetta: è una mutazione puntiforme nel gene codificante per la glicina nel filamento di

collagene α1 il quale viene sostituito con una cisteina dall’ingombro più importante. Risulta così

impossibile la formazione della tripla elica spirale e ne risulta la formazione di un tropocollagne poco

resistene. Questa patologia provoca deformità delle ossa, fratture e frequenti emorragie.

• Scorbuto: è una patologia causata dalla carenza di vitamina C, un coenzima di fondamentale importanza

nella sintesi del collagene. Essa provoca uno scarso accrescimento delle ossa e delle cartilagini, fragilità

capillare, emorragie e scarsa cicatrizzazione.

• Sclerodermia: è una patologia di natura autoimmune dovuta all’eccessiva produzione di collagene da

parte dei fibroblasti. Essa provoca inspessimento e indurimento di tessuti, vasi, visceri, etc. con severe

complicazioni.

Elastina

L’elastina è una proteina di sostegno, codificata da un solo gene, formata dallo stesso tipo di amminoacidi, con la

stessa frequenza del collagene, ma non idrossilati e disposti con una successione casuale, senza alcuna

periodicità o regolarità. La subunità costitutiva, detta tropoelastina, si forma tramite legami pluricrociati detti

desmosina che coinvolgono sempre un amminoacido lisina e tre molecola di allisina appartenenti allo stesso

polipeptide o a polipeptidi diversi. Tali legami conferiscono al complesso la caratteristica elasticità e insolubilità,

inoltre poiché essi assorbono determinate frequenze della luce visibile al microscopio assumono una colorazione

giallastra.

Glicoproteine

Molte proteine con funzione strutturale sono in forma glicosilata; i gruppi glicidici possono essere legati a livello

del gruppo amminico oppure ossidrilico di un residuo R dell’amminoacido con legami rispettivamente N-

glicosidico o O-glicosidico. Il residuo glicidico che si lega all’amminoacido viene a sua volta glicosilato a formare

strutture ramificate più o meno complesse. Gli zuccheri non sono presenti nelle glicoproteine come tali, ma

vengono modificati: il glucosio è presente come acetilglucosammina, il galattosio come actetilgalattosammina, il

fucosio come acido sialico e il mannosio come acetilmannosammina. I primi cinque monosi legati sono comuni a

tutte le proteine. Glicoproteine piuttosto complesse sono le proteine recettoriali di cui la porzione glucidica

costituisce il recettore, il quale, per la sua ramificazione caratteristica si lega in modo specifico con il proprio

substrato. Un esempio di incastro di “alberelli glicidici” è l’infezione da parte del virus HIV o il riconoscimento

della cellula uovo da parte dello spermatozoo. Le porzioni glicidiche permettono anche alla proteine di

imprigionare acqua formando strutture di protezione: per esempio le mucine sono proteine altamente glicate le

quali possono inglobare molte molecole d’acqua formando una sostanza vischiosa detta muco. Anche i

proteoglicani, presenti nella matrice del tessuto connettivo, sono glicoproteine che differiscono dalle mucine in

quanto sono formati da una catena di acido ialuronico da cui si dipartono catene amminoacidiche piuttosto brevi

dalle quali, a loro volta, si dipartono catene lineari di zuccheri disaccaridi tra cui l’eparina, il dermatan solfato, lo

ialuronano, il controitin solfato e il cheratan solfato.

Patologie associate alle glicoproteine

• Congenital disorder of glycosylation (CDG): sono malattie metaboliche dovute alla mutazione di geni che

codificano per enzimi preposti alla glicosilazione di proteiche o lipidiche. Tali patologie comportano

severi disordini psicomotori, cognitivi, atrofia olivo-ponto-cerebellare, convulsioni, ictus, deficit visivi,

anomalie scheletriche e lipocutanee, e fibrosi epatica. 4

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• Mutazioni geniche di idrolasi lisosomiali: sono malatt