Biochimica generale

BIOCHIMICA GENERALE

Prof. Angela Maria Rizzo

OMS salute stato di completo benessere fisico, mentale e sociale di

definisce la come “lo

un individuo e non semplicemente lo stato con assenza di malattia e infermità”.

La biochimica è una materia fondante per tutte le materie della scienza della salute:

- Fisiologia: ogni funzione di un organo dipendono dalle reazioni biochimiche che

avvengono all’interno

- Genetica: branca della biochimica poiché si può parlare della biochimica del

codice genetico

- Patologia: patologie possono essere strettamente correlate a mutazioni o

modificazioni di processi biochimici

- Chimica farmaceutica: materia che cerca di sviluppare biomolecole che vengono

metabolizzate all’interno dell’organismo, cioè farmaci che possono andare a

ristabilizzare processi biochimici

- Farmacologia

- Immunologia

- Tossicologia della vita e della salute”

la biochimica è un linguaggio comune tra tutte e “scienze

à

Ma cosa è la biochimica?

La biochimica è la scienza che studia le biomolecole contenute nelle cellule e le reazioni

chimiche cui queste vanno incontro rispettando una serie di principi chimici, fisici e

termodinamici che, sebbene comuni anche alle modifiche che subisce il mondo

inanimato, costituiscono nell’essere vivente la logica molecolare che è alla base della vita.

Letteralmente bio-chimica significa chimica della vita.

Riassumendo, la biochimica è quindi: materia

• Una scienza che descrive struttura, organizzazione e funzione della

vivente sia in termini molecolari sia in termini chimici

biomolecole

• La materia vivente è costituita da che presentano diversi gruppi

funzionali che grazie ad essi sono in grado di interagire tra di loro. L’interazione tra

diverse biomolecole avviene secondo una serie di principi noti come “logica

molecolare” dello stato vivente ed è proprio grazie ad essi che siamo in grado di

svilupparci e vivere

• La vita consiste in una serie di reazioni chimiche raggruppato sotto il nome di

metabolismo

MAPPA METABOLICA

La mappa metabolica descrive le reazioni fondanti del metabolismo energetico che

avviene all’interno della maggior parte delle cellule viventi. L’insieme di tutte le reazioni

chimiche che ha luogo in un essere vivente prende il nome di “metabolismo”.

All’interno della mappa metabolica si hanno una serie di molecole che vengono

trasformate da una sequenza di reazioni, le quali sono indicate con le frecce che possono

essere unidirezionali, cioè la reazione è irreversibile e procede solo in un senso, oppure

bidirezionali, cioè la reazione è reversibile. 1

Quindi, attraverso una serie di reazioni che prende il nome di via metabolica, un substrato

come per esempio il glucosio 6-fosfato della glicolisi, viene trasformato nel suo prodotto

finale che, in questo caso è il piruvato. Questo processo porta alla formazione di altre

intermedi metabolici

molecole chiamate che si formano proprio durante la via

metabolica. Gli intermedi metabolici possono essere utilizzati dalla cellula per altre vie

metaboliche, per questo sono comunque essenziali.

Esempio: un intermedio metabolico della glicolisi a 3 atomi di C può essere trasformato in

glicerolo che è la base dei glicerofosfolipidi.

l’insieme delle reazioni chimiche che consentono la trasformazione chimica

à

GRADUALE, in diversi e sequenziali passaggi, del precursore nel prodotto finale

via metabolica

costituisce una

Non sempre le vie metaboliche sono lineare, alcune volte

circolari

possono essere e in questo caso il prodotto finale

della via metabolica risulta essere uno dei substrati iniziali

della via metabolica stessa. Tuttavia, è da sottolineare che

tutte le vie metaboliche sono tra di loro correlate.

Il metabolismo serve a trasformare elementi che prendiamo

dall’ambiente, come gli alimenti che contengono nutrienti, in

composti più semplici attraverso i processi di digestione e

assorbimento. I composti più semplici possono essere

macromolecole

utilizzati per costruire le necessarie al nostro

ossidate

organismo, oppure vengono per ottener energia.

Esempio: il C organico contenuto negli alimenti viene

trasformato in CO e H O e viene eliminato come prodotto di

2 2

scarto, mentre l’energia viene utilizzata per fare un lavoro

cellulare. Si può avere anche la possibilità di depositare

l’energia nell’organismo e i più importanti depositi di energia

glicogeno.

sono i trigliceridi e il

Attraverso lo stesso metabolismo si può metabolizzare molecole che NON servono alla vita

xenobiotici,

dell’organismo e chiamiamo possono essere tossici e possono essere

farmaci, ed essi seguono le stesse vie metaboliche che seguono le biomolecole presenti

all’interno dell’organismo.

gli xenobiotici sono fondamentali e capire la via metabolica che seguono serve a capire

à

il destino chimico un farmaco che è stato progettato per avere una determinata

azione/risposta LE CELLULE

CELLULA PROCARIOTICA

Sono cellule semplici, non possiedono un vero e proprio nucleo e sono quasi assenti gli

organelli citoplasmatici. Sono però dotati di una parete cellulare fondamentale per

l’omeostasi salina e ionica, anche in ambienti estremi, e che ricopre la membrana

cellulare. Queste sono le cellule ancestrali da cui derivano le cellule eucariotiche

2

CELLULE EUCARIOTICHE animali vegetali

Le cellule eucariote possono essere o e hanno molte cose in comune

come il nucleo e il nucleolo. Il nucleo è di fondamentale importanza, proprio per questo è

protetto e circondato da una membrana nucleare che presenta pori da cui passa DNA,

RNA e proteine. Attorno alla membrana nucleare si hanno dei “serbatoi” del RER sopra al

quale sono presenti i ribosomi che sintetizzano le proteine che finiscono al suo interno. Si

hanno poi i sistemi più periferici come REL e l’apparato del Golgi.

Inoltre, vi sono i mitocondri formati da una doppia membrana che presenta molte

invaginazioni date della membrana mitocondriale esterna verso l’interno. Vi sono poi, in

modo più o meno numeroso, una serie di organelli subcellulari all’interno dei quali

avvengono una serie di reazioni specifiche.

Tuttavia, la cellula vegetale si differenzia da quella animale poiché presenta anche una

parete cellulare, oltre alla membrana plasmatica, che è molto simile alla parete dei batteri.

Inoltre, la cellula vegetale contiene al suo interno grossi vacuoli all’interno dei quali

vengono immagazzinati trigliceridi o carboidrati e cloroplasti all’interno dei quali è svolta

la sintesi clorofilliana.

EVOLUZIONE delle CELLULE: dall’antica cellula procariotica a singolo filamento di DNA

ancorato alla membrana plasmatica, si è passati a una cellula in cui la membrana

plasmatica si è invaginata portando il DNA all’interno della cellula stessa per poi arrivare

un’antica cellula eucariotica

ad che presenta il nucleo circondato dal reticolo

endoplasmatico. Questa antica cellula eucariotica NON è in grado di utilizzare l’ossigeno.

Ad un certo punto questa cellula eucariotica

un batterio di

ancestrale ha incorporato

tipo ossidativo aerobico (ricava energia

dall’ossidazione delle biomolecole), il quale

si è invaginato all’interno della cellula stessa

circondandosi così di due membrane, una

quella originale del batterio e una derivante

dall’invaginazione della membrana

plasmatica della cellula ancestrale. Alcuni

geni batterici si sono poi spostati nel nucleo

e l’inclusione del batterio con la cellula ancestrale ha trasformato il batterio in mitocondri.

batterio fotosintetico

Invece, se il è di tipo

(ottiene energia dalla luce e sintetizza

biomolecole a partire da CO ) esso si

2

invagina all’interno della cellula eucarotica

ancestrale e si moltiplica. Alcuni geni

batterici si sono poi spostati nel nucleo e

tale inclusione batterica ha trasformato il

batterio in cloroplasti

Le cellule eucariotiche sono alla base del nostro organismo, ma queste sono formate da

atomi molecole

che, con legami covalenti, formano sia inorganiche, la più importante è

l’acqua, sia molecole organiche che, a loro volta, possono polimerizzare a dare

macromolecole, come gli amminoacidi che si sono polimerizzati a proteine. Le

organelli

macromolecole, a loro volta, formano gli presenti nella cellule e le cellule 3

differenziano secondo della loro funzione sia nell’espressione delle proteine, sia nella

tessuto

struttura, sia nelle dimensione ecc.. Le cellule vanno poi a costituire un nel quale

le cellule comunicano grazie alla matrice extracellulare, il tessuto va poi a formare

sistema.

l’organo e l’insieme degli organi vanno a formare poi un

Uomo di riferimento sano: sesso maschile, adulto con peso di 70Kg. Un individuo di

queste caratteristiche è “formato” principalmente da muscolo scheletrico, tessuto

adiposo, scheletro e pelle. Quindi, gli organi metabolici più importanti (come cuore,

fegato, cervello e rene) costituiscono una percentuale molto minore del peso corporeo

totale. composizione atomica

Andando ad analizzare la si può notare come essa sia molto

differente tra la materia NON vivente e il copro umano. La crosta terrestre, infatti, è

composta principalmente:

- Silicio

- Ossigeno

- Alluminio e Ferro

Mentre nell’organismo umano gli elementi maggiormente presenti sono:

- Idrogeno ed ossigeno sono i più importanti perché vanno a costituire H O

2

- Carbonio: componente fondamentale di tutte le molecole organiche

- Azoto

Questi elementi che compongono il corpo umano rappresentano il 99% della massa del

corpo umano. microelementi

Selenio, zinco e manganese sono considerati perché sono presenti in

unità micromolare.

ELEMENTI ESSENZIALI

Gli atomi, soprattutto C, H, O, N, che sono gli elementi essenziali per la vita, sono

legami covalenti

associati a formare molecole grazie alla presenza di stabili e mantengono

legami labili o deboli.

la loro struttura grazie a

LEGAMI COVALENTI:

•

La chimica degli organismi viventi è organizzata intorno all’elemento del Carbonio che

rappresenta più della metà del peso secco.

Il C ha una versatilità chimica notevole, infatti ha la capacità, praticamente unica, di

formare un numero quasi infinito di composti mediante la sua possibilità di generare fino

a 4 legami covalenti (singoli, doppi o tripli) altamente stabili. I composti che contengono

una struttura carboniosa sono detti organici e la maggior parte delle biomolecole sono

composti organici.

la diversità molecolare della vita è basta sulle proprietà del carbonio.

à

Esempio: metano. Questo composto può essere rappresentarlo in diversi modi:

- Formula di struttura: C legato a 4H rappresenti con linee perpendicolari al C

stesso.

- Modello a sfere e bastoncini: vengono rappresentati anche i raggi atomici di C e H,

e si nota che questi formano un tetraedro e proprio ai vertici di questo si trovano gli

H. Il tetraedro ha angoli ben specifici.

- Modello a spazio pineo: da un’idea del volume e dei raggi di Van Der Waas dei

diversi atomi

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Come detto precedentemente esiste una grande varietà di molecole carboniose. Le

idrocarburi.

molecole organiche che presentano solo atomi di C e H sono detti Essi

possono essere a catene lineari o ramificate, oppure avere catene con doppi e tripli

legami. Le catene idrocarburiche possono anche ciclizzare a formare degli “anelli” che a

loro volta possono essere aromatici semplici, aromatici coniugati oppure aromatici

eterociclici quando è presente un atomo che non è un C.

Gli idrocarburi si distinguono in alcani, alcheni e alchini.

isomeri,

Alcuni composti del C sono detti cioè molecole con la stessa formula grezza, ma

diversa struttura e ogni isomero ha proprietà chimico-fisiche peculiari; gli isomeri sono

quindi molecole diverse e tale diversità è data anche dai gruppi funzionali.

gruppi funzionali

I sono gruppi di atomi che partecipano alle reazioni chimiche. Essi

danno alla molecola particolari proprietà di reattività chimica.

Alcuni esempi di gruppi funzionali importanti sono:

Gruppi alcolici o ossidrilici

- (O-H). L’ossigeno può essere I, II, III. Un esempio di

molecola che contiene un gruppo alcolico è l’etanolo. Gli alcoli si trovano anche

negli zuccheri.

Gruppi carbonilici:

- aldeidi (HC=O) e chetoni (CC=O). L’ossigeno è in forma più

ossidata rispetto all’ossigeno dei gruppi alcolici. I gruppi carbonilici vanno a

formare molecole molto importanti, infatti alcuni zuccheri sono aldeidi o chetoni

polidrossilici, ma si hanno anche altri aldeidi e chetoni come metaboliti intermedi o

come metaboliti terminali.

Un esempio sono i metaboliti che derivano dall’ossidazione degli acidi grassi, essi

corpi chetonici.

vengono chiamati

Gruppo carbossilico

- (HO-C=O) il gruppo chetonico-aldeidico può essere

ulteriormente ossidato ad acido carbossilico. Un esempio è l’acido acetico,

metabolita fondamentale che deriva dall’ossidazione di tutte le biomolecole.

Acidi carbossilici a catena lunga importanti sono gli acidi grassi che hanno

particolari proprietà.

Gruppo amminico

- (NH ): Oltre all’ossigeno si possono legare altri atomi come

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l’azoto, formando le ammine. Il gruppo amminico è il gruppo più importante per gli

amminoacidi. All’interno del nostro organismo ci sono moltissimi gruppi amminici

per questo il nostro organismo si è organizzato in modo tale da eliminare l’azoto in

modo efficiente. Infatti, esso viene eliminato dal nostro organismo mediante un

sistema di scarto, quello principale è la biosintesi che porta alla formazione

dell’urea. personalità chimica

ogni biomolecola ha una che viene definita dalla presenza di uno

à

o più gruppi funzionali

NOMENCLATURA:

I residui organici che vanno a comporre le biomolecole possono formare:

- Metile: etano legato al un altro C è detto metile

- Etano è detto etile

- Anello aromatico benzenico è detto fenile

carbonile, carbossile,

Gruppo aldeidico e chetonico sono detti gruppo acido è detto il

idrossile,

gruppo alcolico legato a un C saturo è detto mentre se il gruppo alcolico è

enolo.

legato a un C che presenta un doppio legame è detto 5

Gli alcoli tramite una reazione di condensazione

etere.

tra di loro formano un Se si condensa un

estere.

alcol con gruppo acido si forma un Se si

condensa un acido con un alcol e l’acido è

l’acido acetico, l’estere conterrà un residuo

acetilico. Se si condensano due acidi tra di loro,

che possono essere entrambi inorganici o anche

organici, si ottiene un legame che è anidritico.

Ogni biomolecole ha una determinata

à

reattività che vie definita da uno o più gruppi

funzionali

POLIFUNZIONALI,

Tuttavia, le biomolecole sono cioè contengono più gruppi funzionali

ciascuno con le proprie proprietà.

Esempio Acetil-Coenzima A: molecola è un trasportatore di gruppi acetii in alcune

reazioni enzimatiche e presenta più gruppi funzionali. Tale molecola termina con uno zolfo

organico e per questo fa un legame estero particolare, cioè un tioestereo; ha poi un

legame ammidico, un’anidride inorganica, un estere inorganico, una molecola eterociclica

che contiene un gruppo ammidico.

strutturalmente si ha un acetile legato a un braccio lungo e flessibile. L’acetil-

à

Coenzima A è un esempio di molecola presentate gruppi funzionali differenti. Parte della

molecola deriva da una vitamina che è l’acido pantotemico.

Le cellule sintetizzano un numero enorme di grosse molecole a partire da una rispetta

serie di molecole più piccole. Le quattro classi principali di molecole biologiche sono:

- Carboidrati

- Lipidi

- Proteine

- Acidi nucleici

Molte di queste molecole hanno dimensioni molto grandi, dal punto di vista molecolare, e

macromolecole.

per questo sono definite

L’atomo di C può condividere una o più coppie di elettroni, andando a formare legami

differenti:

Legame covalente singolo:

- condivisione di UNA coppia di elettroni con un altro

rotazione

atomo, che può essere un H, un O, un N o un altro C. Esso permette la

libera del C e questo porta a strutture tridimensionali molto eterogenee, chiamate

conformeri. Sono strutture che pososo esistere tutte, ma che hanno stabilità

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diversa. Il carbonio, in questi casi, è ibridato Sp con un angolo di 109,5° e una

geometria tetraedrica

Legame covalente doppio o triplo:

- condivisione di DUE o TRE coppie di elettroni

con un altor atomo. Tale legame è più corto, maggiore sono le coppie di elettroni

l’impossibilità di rotazione.

condivise e questo rende il legame rigido con Con

doppio o triplo legame, tutti gli atomi si trovano sullo stesso piano con angoli di

2

120° e l’ibridazione del C è Sp o Sp. L’impossibilità di rotazione libera porta alla

formazione di configurazione differenti.

6

Quindi, gli atomi nello spazio possono arrangiarsi in modo tridimensionale. Proprio per

questo esistono diversi metodi di rappresentazione:

Cunei e tratteggi:

- tramite cunei e tratteggi si evidenziano i legami tra gli atomi. I

cunei indicano che quel legame si “proietta” fuori dal foglio, mentre i tratteggi

indicano che il legame “si proietta” sotto il foglio

Modello a