Biochimica, Fondamenti Biomolecolari

Biochimica: le cellule

Le cellule rappresentano l'elemento che accomuna tutti gli organismi viventi. Grazie all'uso di microscopi sempre più potenti, si è potuto constatare che ne esistono di due tipi fondamentali: eucariotiche e procariotiche.

Le cellule eucarioti

Le cellule eucarioti posseggono un nucleo delimitato e definito e altri organelli sub-cellulari, come mitocondri e lisosomi. Alcuni eucarioti sono unicellulari come ad esempio il lievito, altri come animali e piante, sono pluricellulari.

Le cellule procarioti

Nelle cellule procarioti il nucleo non è ben definito e mancano molte delle diverse compartimentazioni che ritroviamo nella cellula eucariote. I procarioti, a loro volta, possono essere suddivisi in due grandi categorie: i batteri e gli archea; i primi vivono in condizioni normali, i secondi (archea) sono batteri che vivono in condizioni estreme, come alte temperature, alto grado di salinità, basse profondità oceaniche e valori estremi di pH.

L'acqua

Quale componente essenziale per la vita, l'acqua è il composto più abbondante delle cellule. Tutto ciò che accade all'interno delle cellule, anche a livello enzimatico, è influenzato dalla chimica dell'acqua. La sua molecola si presenta con una forma simile a una V, con un angolo di legame H-O-H di 104.3° e una diversa distribuzione degli elettroni tra l'atomo di ossigeno e i due di idrogeno. Questa diversa ridistribuzione delle nubi elettroniche fa sì che tra le molecole di acqua si venga a stabilire un legame a idrogeno, cioè un legame tra un atomo di H di una molecola e un atomo di O di quella vicinale. H₂O è un solvente, ottimo per sostanze cariche e polari.

Soluzioni

Una soluzione è una miscela omogenea di più sostanze pure, possono formarsi sciogliendo gas, solidi o altri liquidi in un liquido chiamato solvente. È composta da soluto e solvente: il soluto è il componente presente in quantità minore, il solvente è il componente presente in quantità maggiore. La concentrazione di una soluzione è data dalla quantità di soluto disciolta in una certa quantità di soluzione o di solvente puro.

• Massa percentuale: grammi di soluto contenuti in 100g di soluzione [(P / PSoluto) x 100].
• Massa-volume percentuale: grammi di soluto in 100mL di soluzione [(m / VSoluto) x 100].
• Volume percentuale: mL di soluto in 100mL di soluzione [(V / V ) xSoluto Solvente100].
• Numero di moli: [m / PM_(g) (g/mol)].
• Molarità: numero di moli di un soluto contenuto in un litro di soluzione [n/V].

Il volume di una soluzione dipende dalla temperatura, di conseguenza anche la molarità dipende dalla temperatura. Diluizione: mescolamento di due o più soluzioni. Quando una soluzione viene diluita si aggiunge del solvente. Se aggiungiamo ad una soluzione di molarità nota del solvente in più, noi NON modifichiamo il numero di moli, ma modifichiamo il volume: M₁V₁ = M₂V₂

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_w = 10^-14 (costante del prodotto ionico dell'acqua).

• Se [H₃O⁺] > 10^-7 M l'ambiente è acido
• Se [H₃O⁺] = 10^-7 M l'ambiente è neutro
• Se [H₃O⁺] < 10^-7 M l'ambiente è basico

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 H₂PO₄^- / HPO₄^2- è il principale tampone delle cellule, ma nel 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 (H₂CO₃).

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 due soluzioni (elettrosmosi), o da differenze di temperatura (termosmosi).

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 α-carbossilico dell'amminoacido che precede, con il gruppo α-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