Biochimica generale - Appunti

Biochimica CTF, secondo anno - Cremasco Floriana

La biochimica studia le molecole contenute nelle cellule e anche le reazioni chimiche cui vanno incontro per dare origine alla vita. I composti cellulari derivano dalla dieta grazie all'assunzione del cibo, che permette l'introduzione nel nostro organismo di carboidrati, grassi, proteine, vitamine, sali minerali ed acqua. I processi del metabolismo portano alla demolizione delle varie molecole introdotte, e queste, una volta demolite, possono essere assorbite a livello intestinale, e poi trasportate a livello sanguigno.

Destini delle molecole introdotte

• Utilizzate per produrre energia: nella cellula, infatti, possono essere attivate diverse reazioni chimiche che portano alla produzione di energia.
• Utilizzate come riserva: quando le molecole derivanti dalla dieta sono in eccesso, si attivano delle vie metaboliche che ne permettono il deposito e saranno poi usate quando viene meno l'apporto dietetico.
• Utilizzate per la biosintesi di componenti strutturali della cellula.

Tutte queste vie metaboliche producono materiali di scarto che devono perciò essere eliminati grazie a delle vie di smaltimento. Nella dieta ci possono essere delle sostanze dette xenobiotici, ovvero sostanze tossiche per l'organismo che non le può utilizzare e vengono eliminate grazie alla detossificazione.

In linea teorica, tutte le cellule potrebbero compiere qualsiasi via metabolica poiché tutte le cellule hanno lo stesso genoma, e perciò possiedono le stesse informazioni genetiche necessarie per la sintesi di enzimi e di altre molecole, ma le varie cellule sono andate incontro a una differenziazione che ha fatto in modo che le cellule possano presentare così determinati geni. Le varie vie metaboliche, oltre ad essere espresse solo in determinate cellule, saranno anche regolate in modo diverso a seconda della cellula considerata.

Un medesimo composto può essere utilizzato da vie metaboliche diverse, ed è grazie a vie di regolazione specifiche che un composto può essere indirizzato verso un determinato tipo di via metabolica. Il nostro organismo è costituito da tessuti ed organi e, per essere in salute, organi e tessuti devono lavorare in sinergia fra loro, ovvero devono essere coordinati fra loro.

Condizioni fisiologiche

Individuo correttamente alimentato.

Elementi essenziali per la vita

Notiamo le differenze che ci sono tra i componenti della crosta terrestre e quelli invece degli organismi viventi:

• Crosta terrestre:
  • Ossigeno: 47%
  • Silicio: 28%
  • Alluminio: 7.9%
  • Ferro: 4.5%
• Esseri viventi:
  • Idrogeno: 63%
  • Ossigeno: 25.5%
  • Carbonio: 9.5%
  • Azoto: 1.4%

Si deve notare come H, O, C ed N costituiscano il 99% degli atomi del nostro organismo. Oltre a questi macroelementi, il nostro organismo è caratterizzato dalla presenza di microelementi (Mg, Cr, Mn, Fe), i quali fungono da cofattori enzimatici e sono necessari per la funzionalità degli enzimi e quindi anche delle vie metaboliche. Questi sono presenti in minori quantità perché sono elementi secondari.

Importanza del carbonio

Perché H, C, O e N sono così importanti per la costituzione delle molecole? Questi elementi sono caratterizzati dalla capacità di poter formare legami covalenti fra loro. Di fondamentale importanza è il carbonio, che risulta essere l'atomo più versatile nel formare i legami, sia rispetto agli atomi che può legare, sia rispetto ai legami che può formare poiché ne può fare di singoli, doppi o tripli. Il C, infatti, può formare fino a 4 legami (poiché ha 4 elettroni di valenza) e in questo modo tenderà a formare delle molecole tetraedriche (vedi regole VSEPR).

Qualora formi dei legami doppi (sigma+pi), si perde la capacità della libera rotazione attorno al legame sigma, poiché il pi fossilizza gli atomi impedendone la libera rotazione attorno all'asse di legame. È proprio grazie alla propria versatilità che il carbonio può formare delle molecole lineari, cicliche oppure ramificate, e queste saranno poi divise in gruppi a seconda dei gruppi funzionali che le caratterizzano.

Se andiamo ad osservare gli intermedi metabolici che si possono formare durante le varie reazioni, si osserva come spesso si formino delle immine N sostituite, le quali possono presentare diversi gruppi tra cui il gruppo imidazolo, che è eterociclico, il gruppo guanidinio, che invece è lineare e si ha la presenza di un doppio legame C=N.

Altre molecole che possono essere presenti sono i fosfoesteri, i quali si ottengono partendo da acido fosforico fatto reagire con un alcol. Molecole contenenti gruppi sulfidrici oppure tiolici presentano il gruppo SH. Molecole contenenti disolfuri, invece, presentano S-S derivante dalla condensazione di due gruppi tiolici. I tioesteri derivano dalla reazione di un acido carbossilico con un tioestere (che ha la stessa reattività degli alcoli, che, quando reagiscono con un acido carbossilico, generano un estere).

Si deve notare come una molecola possa presentare un solo gruppo funzionale oppure più di uno. Per esempio, l'acetilcoA presenta più di un gruppo funzionale. L'acetilcoA è di fondamentale importanza poiché permette l'attivazione del metabolismo degli acidi grassi. Per la sua sintesi servono diverse molecole: ATP, acido pantotenico, tiolammina (ha un gruppo tiolico terminale che reagisce con il gruppo carbossilico e genera così il gruppo tioestere).

La personalità chimica dipende poi dalla presenza di doppi legami e anche dalla loro configurazione cis-trans. Nella configurazione cis, i gruppi funzionali più importanti si trovano dalla stessa parte rispetto al doppio legame. La stereochimica dei gruppi funzionali è di fondamentale importanza perché in base alla loro disposizione nello spazio possono avere così diverse reazioni con gli enzimi, i quali sono infatti selettivi per un determinato tipo di stereochimica.

Esempio: 11 cis retinale se colpito dalla luce da 11 trans (tutto trans retinale) che permette in questo modo la visione.

Centri chirali e stereoisomeri

Definizione di centro chirale: è un C che è legato a 4 gruppi sostituenti diversi tra loro e non è perciò sovrapponibile alla propria immagine speculare. Il numero di enantiomeri possibili è pari a 2 elevato alla n, dove n è il numero di centri chirali presenti nella molecola. Si definisce invece diasteroisomero una molecola che non è speculare ad un'altra, sebbene si abbiano gli stessi sostituenti presenti.

A livello di nomenclatura si utilizza la nomenclatura D/L per molecole con un solo centro chirale, mentre la nomenclatura R/S viene utilizzata per molecole che presentano più di un centro chirale.

NB: nel nostro organismo gli zuccheri normalmente presenti sono D mentre gli amminoacidi (aa) sono normalmente L; in alcuni cibi avariati si possono ritrovare degli aa con configurazione D derivante dalla fermentazione batterica.

Personalità chimica di una molecola

La personalità chimica di una molecola perciò dipende da:

• Gruppi funzionali presenti e loro disposizione nello spazio;
• Presenza di doppi legami e configurazione cis/trans;
• Presenza di carboni chirali e loro configurazione.

Si deve stare ben attenti a non confondere la configurazione con la conformazione. La conformazione, infatti, altro non è che la disposizione degli atomi attorno ai vari legami e questa può essere modificata tramite una semplice rotazione attorno ai legami sigma. Si può passare così da conformazioni eclissate a sfalsate, le quali avranno dei livelli energetici diversi e perciò una maggiore o minore stabilità. La conformazione sfalsata è normalmente la più stabile, dovuta al fatto che si ha una maggiore distanza tra i gruppi a maggiore ingombro sterico. Si deve notare che per quanto riguarda la sfalsata i gruppi a maggiore ingombro possono essere fra loro in anti, oppure in gauche.

La configurazione invece necessita di una rottura dei legami per permettere una modificazione della disposizione spaziale.

Caratteristiche della materia vivente

Le biomolecole sono di per sé inerti, ovvero non hanno vita. Come può perciò una molecola essere utilizzata per dare vita? Ci sono alcune caratteristiche che permettono di distinguere la materia inanimata da quella animata:

• Organizzazione in strutture specifiche: si hanno cellule all'interno delle quali si trovano compartimenti subcellulari nei quali le biomolecole si organizzano e distribuiscono in modo organizzato. Per esempio, le membrane plasmatiche regolano gli scambi tra l'interno della cellula e l'esterno della cellula.
• Compartimentizzazione: permette la regolazione delle varie funzioni cellulari poiché ogni compartimento compie in questo modo un determinato tipo di reazione chimica.
• Estrazione, trasformazione e uso dell'energia: il sistema vivente è in grado di estrarre, trasformare e usare l'energia dell'ambiente. Tutte le reazioni chimiche infatti comportano una modificazione della energia, e possono essere classificate in esoergoniche (liberano energia) ed endoergoniche (richiedono energia). La cellula poi è in grado di trasformare l'energia. Per esempio, dell'energia chimica può essere trasformata in energia meccanica, in calore o altro.
• Autoreplicazione: gli organismi viventi sono in grado di autoreplicarsi.
• Interazione con l'ambiente: possono percepire e rispondere ad alterazioni dell'ambiente circostante e perciò interagire con esso e in questo modo adattarsi a delle sue modificazioni.

Componenti principali degli organismi

I componenti principali degli organismi sono acqua, molecole organiche e molecole inorganiche.

Molecole organiche

Le molecole organiche sono:

• Carboidrati: zuccheri o glucidi che si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.
• Lipidi: acidi grassi, trigliceridi, eterolipidi (fosfolipidi: molecole di acidi grassi caratterizzati dalla presenza di una molecola di fosfato), lipidi di natura steroidea (colesterolo ed ormoni).
• Composti azotati: aa e nucleotidi.

Queste molecole organiche andranno poi a costituire le varie macromolecole del nostro organismo (DNA, RNA, membrane cellulari, proteine). Tutte queste macromolecole si organizzano perciò in modo da formare una struttura ben organizzata in cui il materiale ha una determinata organizzazione e perciò non è presente in modo amorfo.

Molecole inorganiche

Le molecole inorganiche vengono definite come componenti minori poiché sono presenti in concentrazioni minori rispetto all'acqua e alle componenti organiche. Queste sono ioni che possono essere sia di carica positiva che negativa. Nonostante siano presenti in concentrazioni minori, la loro funzione è fondamentale per il corretto funzionamento del nostro organismo. Esse infatti costituiscono e mantengono il gradiente elettrochimico necessario per la trasmissione degli impulsi nervosi, per il trasporto attraverso le membrane cellulari e partecipano alle reazioni chimiche poiché stabilizzano i substrati, stabilizzano gli intermedi di reazione.

Acqua

Acqua è la componente principale dell'organismo umano. Costituisce infatti circa il 50-60% del peso corporeo. Un uomo di circa 70 chili ha 40L di acqua. La quantità di acqua, oltre a variare con il peso, dipende anche dallo stato fisico e dalla quantità grassa presente. Un obeso, per esempio, ha una massa grassa molto sviluppata che contiene perciò meno acqua. L'acqua si trova nei fluidi intracellulari (ICF) e rispetto al totale è poco meno del 2/3 e il resto dell'acqua si trova invece nei liquidi extracellulari (ECF). Nel sangue si trova circa 1/3 dell'acqua extracellulare e il resto si trova invece negli spazi interstiziali. L'acqua è il solvente della vita e la sua quantità deve rimanere costante per far sì che si possa avere l'omeostasi dei liquidi corporei.

Per mantenere la quantità costante è necessario avere un apporto adeguato di acqua, e deve essere uguale alla quantità di acqua che viene persa. Si devono bere giornalmente circa 1.5 L di acqua al giorno e anche il cibo solido può essere fonte di acqua, oppure il metabolismo che ne fornisce circa 400ml (apporto endogeno). Qualora non si abbia l'apporto di cibo, non si ha nemmeno lo stimolo della sete e si può andare incontro a uno stato comatoso e non si deglutisce. L'anoressia porta alla disidratazione. L'acqua deve essere costante nelle proprie quantità perché solo così si possono svolgere funzioni fondamentali:

• Idrata le cellule;
• Mezzo di trasporto per le molecole;
• Movimento delle molecole nelle cellule da un compartimento all'altro;
• Separazione delle cariche;
• Reagente di reazioni chimiche;
• Regolazione della temperatura: effetto termogenico poiché ha una elevata conduzione del calore.

Le cellule si sono adattate alle caratteristiche dell'acqua. Le molecole di acqua sono delle molecole dipolari che si attraggono tra loro tramite dei legami idrogeno e sono delle molecole che hanno scarsa tendenza a ionizzarsi. I legami idrogeno che si vengono a formare sono delle interazioni tra cariche parziali di segni opposti e la lunghezza del legame è minore rispetto alla lunghezza del legame O-H che è invece covalente e perciò anche più forte. Più molecole di acqua interagiscono fra loro portando così alla formazione di strutture che possono essere molto stabili; esempio di massima stabilizzazione è il ghiaccio. Questi legami, se nel complesso originano strutture molto stabili, presi singolarmente sono molto deboli e si rompono e riformano in continuazione.

L'acqua è un solvente di diversi tipi di molecole:

• Molecole polari: sono molecole che si sono adattate all'ambiente acquoso, e poiché contengono spesso degli atomi molto elettronegativi (O,N) formano dei legami H con l'acqua e perciò possono solubilizzarsi in essa.
• Sali inorganici: l'acqua può disporsi attorno agli ioni dei sali inorganici formando così dei gusci di idratazione. Questo tipo di interazione è di natura elettrostatica e si nota però che la soluzione che si ottiene non è una soluzione statica, anzi, si ha un continuo movimento di molecole. Il solvente è perciò una struttura dinamica e perciò permette il movimento dei vari soluti; l'acqua promuove perciò sia la dissoluzione che il movimento delle varie molecole (soluti).
• Molecole apolari: sono molecole che risultano essere insolubili in acqua (colesterolo, trigliceridi) e queste risultano essere trasportate grazie a una serie di sistemi di trasporto specifici. Per esempio, l'emoglobina trasporta l'ossigeno, l'anidride carbonica viene invece convertita ad H⁺ ed HCO₃^-, i trigliceridi invece sono trasportati grazie alle lipoproteine.
• Sostanze anfipatiche: sono delle biomolecole in cui si riconoscono due componenti: si ha una porzione che è apolare, mentre il resto della molecola è polare. Un esempio sono gli acidi grassi che sono costituiti dalla catena carboniosa (porzione apolare) e dalla testa polare che è invece di natura carbossilica ed è la porzione che può interagire con l'acqua.

Le molecole anfipatiche in soluzione acquosa hanno un comportamento particolare. Inizialmente tendono a disperdersi per avere in questo modo la loro porzione polare a contatto con l'acqua, mentre la porzione apolare tende a non interagire con l'acqua e per evitare tale interazione le varie porzioni apolari si associano fra loro tramite un raggruppamento detto clusterizzazione, che è spontaneo e presenta delta S>0 rispetto a quello dell'acqua che perciò entra in questo modo in uno stato di maggiore disordine, dovuto al fatto che le molecole di acqua non possono più interagire tra loro in modo ordinato, ma risultano essere ostacolate e perciò maggiormente disordinate, da parte di tali molecole apolari.

Se in una soluzione acquosa si hanno tante molecole anfipatiche, queste tendono a reagire fra loro in modo spontaneo originando in questo modo delle strutture conosciute come micelle. Tali strutture hanno sulla superficie a contatto con l'acqua la loro porzione polare, mentre all'interno si ha la porzione apolare. La struttura micellare è però solo una delle tante possibili forme di aggregazione alle quali possono andare incontro le molecole anfipatiche.

Esempio: acidi grassi. Sono delle molecole nelle quali la porzione apolare supera la porzione polare e formano delle micelle che possono incorporare lipidi completamente idrofobici e che normalmente risulterebbero essere insolubili, mentre in questo modo possono essere solubilizzati. Tali micelle che permettono la solubilizzazione di tali lipidi vengono dette micelle miste e oltre alla solubilizzazione permettono anche il trasporto di tali lipidi. Quando la molecola anfipatica risulta essere caratterizzata dalla presenza di una componente idrofilica minore rispetto alla componente idrofobica, si vengono a formare dei doppi strati lipidici che vengono detti vescicole lipidiche, che possono ospitare al loro interno delle componenti completamente idrofobiche, oppure le loro porzioni sia polari che apolari possono interagire con delle proteine creando in questo modo lipoproteine.

Le molecole anfipatiche perciò seguono questo processo:

• Dispersione
• Clusterizzazione
• Formazione di micelle che possono essere miste oppure si formano vescicole lipidiche.

Nei fluidi ECF ed ICF si ha la presenza di soluti disciolti nella soluzione acquosa, e questi non si dispongono in concentrazioni equivalenti, ma secondo delle concentrazioni che fanno in modo tale che si possa avere così un mantenimento delle funzionalità cellulari.

Concentrazioni di soluti

I soluti influenzano la pressione osmotica, il punto di ebollizione ed il punto di fusione di una soluzione, e vengono definite proprietà colligative, le quali variano.