Biochimica, Fondamenti Biomolecolari

M V = M V

modifichiamo il volume: 1 1 2 2

Ionizzazione dell’acqua

L’acqua è in grado di accettare e cedere protoni, ed esiste un equilibrio; il

grado di ionizzazione dell’acqua all’equilibrio è molto basso K = 10 (costante

-14

w

del prodotto ionico dell’acqua).

Se [H O ] > 10 M l'ambiente è acido

+ -7

o 3

Se [H O ] = 10 M l'ambiente è neutro

+ -7

o 3

Se [H O ] < 10 M l'ambiente è basico

+ -7

o 3

pH, acidi e basi

Una molecola d’acqua può subire una blanda ionizzazione scindendosi in H e

+

OH . La concentrazione del protone in una soluzione viene misurata col pH,

-

definito come il logaritmo decimale negativo della concentrazione molare di H :

+

pH = -log[H ]

+

In base al valore della scala pH, una sostanza viene classificata acida o basica.

Il termine acido è riservato a quei composti che quando vengono disciolti in

acqua rilasciano il protone, mentre invece vengono definite basi quando,

disciolte in acqua, accettano il protone. Sia gli acidi che le basi possono essere

forti o deboli in una scala da 0 a 14.

I sistemi tampone

Una soluzione si dice tampone quando resiste a cambiamenti di pH rilasciando

H (nel caso di acidi deboli) oppure OH (nel caso di basi deboli) per

+ -

compensare gli uni o gli altri che hanno reagito con la base forte o acido forte

rispettivamente.

Un classico sistema tampone consiste in una soluzione nella quale è presente

una coppia coniugata, ovvero una coppia di composti che si differenziano solo

per un protone e che di norma sono rappresentati da un acido debole e dalla

sua base coniugata.

Tamponi fisiologici

I sistemi tampone rivestono un ruolo molto più importante negli organismi

viventi. La coppia H PO / HPO è il principale tampone delle cellule, ma nel

4- 24-

2

sangue le concentrazioni di tali specie non sono molto adeguate a svolgere il

loro effetto, pertanto nel sangue un maggior contributo al mantenimento del

valore di pH 7,4 viene offerto dalla dissociazione dell’acido carbonico (H CO ).

2 3

Osmosi

Fenomeno per cui si ha un flusso di solvente (in genere acqua) tra due soluzioni

separate da una membrana semipermeabile; Il fenomeno è generalmente

dovuto a differenze di concentrazione, e in tal caso il solvente fluisce dalla

soluzione meno concentrata a quella più concentrata, ma può anche essere

determinato da differenze di potenziale elettrico tra due elettrodi immersi nelle

(termosmosi).

due soluzioni (elettrosmosi), o da differenze di temperatura

Proteine

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti presenti nelle cellule, e

svolgono molteplici compiti in base alla loro struttura chimica. Le unità

fondamentali delle proteine sono gli amminoacidi, ovvero le macromolecole

che presentano la più varia collezione di proprietà chimiche. I 20 amminoacidi

più importanti sono:

- Acido aspartico

- Acido glutammico

- Alanina

- Arginina

- Asparagina

- Cisteina

- Fenilalanina

- Glicina

- Glutammina

- Isoleucina

- Istidina

- Leucina

- Lisina

- Metionina

- Prolina

- Serina

- Tirosina

- Treonina

- Triptofano

- Valina

Sebbene tutti gli amminoacidi risultino solubili in acqua, l’interazione della loro

catena laterale con l’acqua differisce significativamente. Ciò è molto

importante in quanto la diversità fra gli amminoacidi risiede a livello della

catena laterale. Di conseguenza, guardando alla catena laterale, possiamo

suddividere i 20 amminoacidi che troviamo nelle proteine in:

- Apolari, non polari o idrofobici (Leucina, alanina, prolina, valina,

glicina, metionina, isoleucina, cisteina, fenilalanina, triptofano)

- Polari senza carica (serina, asparagina, glutammina, treonina, tirosina)

- Aromatici (triptofano, fenilalanina, tirosina)

- Basici o carichi positivamente (istidina, lisina, arginina)

- Acidi o carichi negativamente (acido aspartico, acido glutammico)

I singoli amminoacidi possono legarsi tra loro mettendo a reagire il gruppo -

carbossilico dell’amminoacido che precede, con il gruppo -amminico

dell’amminoacido che segue. Nel processo viene eliminata una molecola

d’acqua e un legame così formato è detto legame peptidico e ciò porta a una

importante semplificazione riguardo alla struttura delle proteine, infatti nel

determinare la struttura è sufficiente considerare la posizione del gruppo R

rispetto al legame peptidico.

In base al numero di residui degli amminoacidi possiamo avere:

- Oligopeptidi: polimeri di pochi amminoacidi, fino a 20

- Polipeptidi: polimeri costituiti da più di 20 amminoacidi

Le strutture delle proteine

Nelle proteine sono riconoscibili diversi livelli di struttura: primaria, secondaria,

terziaria e quaternaria.

Struttura primaria

La struttura primaria delle proteine, rappresenta la più semplice delle quattro.

Essa è bidimensionale, a differenza delle altre che, formando ripiegamenti,

adottano una struttura tridimensionale. Questa struttura è semplicemente una

catena di amminoacidi legati tra loro mediante legame peptidico (tra il

carbonio carbossilico di un amminoacido e l’atomo di azoto del gruppo

amminico dell’amminoacido successivo).

Struttura secondaria

Per struttura secondaria si intende una parte di catena polipeptidica, circa una

decina di amminoacidi, che nello spazio assume, un certo ordinamento come l’

e i

-elica -foglietti.

L’ è il risultato dei legami a idrogeno che si stabiliscono tra un C=O di

-elica

un amminoacido e un N-H del quarto, successivo amminoacido.

I sono considerati come le strutture secondarie più semplici, con

-foglietti,

uno scheletro bidimensionale che si ripiega a formare una struttura ripetitiva a

zig-zag.

Struttura terziaria

Diversamente dalla struttura secondaria che risulta essere stabilizzata da

interazioni tra amminoacidi vicinali, la struttura terziaria è stabilizzata da

interazioni tra amminoacidi che, rispetto alla struttura primaria, non sono molto

distinti tra loro. Affinché ciò possa accadere è necessario che la catena

polipeptidica subisca un avvolgimento su se stessa, generando le cosiddette

proteine globulari, le più abbondanti dal punto di vista qualitativo.

L’avvolgimento è il risultato di più ripiegamenti tra le regioni ad o

-elica -

foglietti e ciò avviene in quanto esiste una incompatibilità, da parte di alcuni

amminoacidi, di far parte di queste strutture secondarie.

È a livello della struttura terziaria che possiamo riscontrare la disposizione degli

amminoacidi idrofobici e idrofilici.

Struttura quaternaria

L’ultimo livello di struttura delle proteine è la struttura quaternaria, presente

solo nelle proteine costituite da due o più sub-unità poiché tale struttura

riguarda la disposizione spaziale, l’una rispetto alle altre, delle singole sub-

unità. Un esempio ci viene offerto dall’emoglobina, la proteina del nostro

sangue destinata al trasporto di ossigeno nell’organismo; la forma adulta (HbA)

è formata da due sub-unità di tipo e due sub-unità di tipo tutte e quattro

 ,

associate in maniera tale da formare un tetrametro globulare dal diametro

medio pari a circa 5,5 nm. Al contrario, la proteina in grado di immagazzinare

ossigeno, la mioglobina, è costituita da una singola sub-unità e di conseguenza

non presenta struttura quaternaria.

La denaturazione

La denaturazione è un fenomeno chimico che consiste nel cambiamento della

struttura proteica nativa con conseguente perdita della funzione originaria

della molecola. La denaturazione è un processo che porta alla perdita di ordine

e quindi a un aumento di entropia. Dopo che una proteina ha cominciato a

denaturarsi diviene sempre più sensibile al processo, quindi la denaturazione è

un processo cooperativo. Non vengono compromessi i legami peptidici, ma solo

i legami non covalenti. La struttura primaria non viene modificata.

La rinaturazione

La rinaturazione è un processo attraverso il quale una proteina che ha perso la

propria struttura terziaria, ritorna al proprio stato nativo. Per alcune proteine è

addirittura possibile ripristinare la loro struttura terziaria, riportando le

condizioni allo stato originario.

I carboidrati

I carboidrati sono generalmente costituiti da zuccheri o derivati zuccherini,

svolgono molte funzioni importanti a livello, per esempio, dell’integrità

cellulare, del riconoscimento cellulare e come riserve energetiche.

Monosaccaridi

Gli zuccheri semplici, noti come monosaccaridi, generalmente possono essere

scritti come C (H O) , con n minimo o uguale a 3 e, di norma massimo uguale a

n 2 n

7. Per convenzione, la desinenza -osio oppure -oso designa questo tipo di

biomolecole, così possiamo avere il glucosio, il galattosio e via dicendo. Per

indicare il numero di atomi di carbonio, vengono utilizzati prefissi quali:

- Tri- = 3 atomi di carbonio

- Tetr- = 4 atomi di carbonio

- Pent- = 5 atomi di carbonio

- Es- = 6 atomi di carbonio

- Ept- = 7 atomi di carbonio

I monosaccaridi si dividono in aldosi e chetosi. Gli aldosi hanno un gruppo

aldeidico ad una stremità, mentre i chetosi hanno un gruppo chetonico

generalmente in posizione C2.

La presenza di gruppi ossidrili permette ai carboidrati di interagire con

l’ambiente acquoso e di partecipare ai legami H. Gli zuccheri si definiscono D e

L in base alla configurazione dell’unico C asimmetrico nella gliceraldeide. D e L

sono immagini speculari l’uno dell’altro.

Disaccaridi

Maltosio -> prodotto di degradazione dell’amido, disaccaride formato da due

unità di glucosio. L’enzima che rompe i legami è la maltasi.

Lattosio -> zucchero contenuto nel latte dei mammiferi, formato da galattosio

e glucosio, legame galattosidico. L’enzima che rompe i legami è la lattasi

(enzima induttivo, i livelli vengono aumentati a seguito dell’assunzione di latte)

Saccarosio -> zucchero da cucina, formato da glucosio e fruttosio, enzima che

rompe i legami: invertasi (o saccarasi).

Cellobiosio -> prodotto di degradazione della cellulosa, formato da due unità

di glucosio. L’enzima che rompe i legami è la cellulasi.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono costituiti da un elevato numero di residui monosaccaridici;

se questi ultimi sono di un solo tipo, avremo gli omopolisaccaridi, se sono

diversi gli eteropolisaccaridi. Le loro funzioni sono molto varie e

sostanzialmente funzionano come riserva energetica e