Biochimica - Macromolecole + esercizi pH ed enzimi

La biochimica è lo studio delle molecole e delle reazioni chimiche, da un punto di vista chimico.

Gli organismi viventi sono sistemi chimici molto complessi, ma non contraddicono la leggi della fisica e della chimica. Sono sistemi termodinamici aperti, cioè scambiano materia ed energia con l'ambiente, si trovano in uno stato staziona rio dinamico, per mantenere l'equilibrio serve una regolazione in entrata e in uscita e richiede l'apporto di molta energia. Gli organismi viventi sono basati sulla chimica organica: composti del carbonio, e governati da macromoleco le polimeriche acidi nucleici, proteine, carboidrati.

L'informazione è codificata negli acidi nucleici. Il funzionamento, metabolismo degli organismi viventi è basato su reazioni che avvengono in ambiente acquoso e a temperature discrete grazie ai catalizzatori inorganici: gli

• in particolare le proteine hanno diverse funzioni. Le proteine hanno anche molte altre funzioni: strutturale (collagene), informazionale (ormoni, insulina), trasporto (emoglobina, canali di membrana); carboidrati, e i lipidi; hanno funzioni energetiche (glucosio, amido, glicogeno, trigliceridi) e strutturali (cellulosa, membrana plasmatica).

Gli organismi viventi sono soggetti a numerosi controlli, data la loro complessità da parte degli enzimi.

La composizione chimica degli organismi viventi è differente da quella dell'universo e della crosta terrestre:

• Universo -> H 36.6%
• Crosta Terrestre -> O 44%
• Organismi -> O 65%
• He 60.4%
• Si 28%
• C 18%
• Ne 1.0%
• Al 8%
• H 10%
• Na 0.7%
• Fe 5%
• N 3%
• C 0.3%
• Ca 4%
• Ca 1.5%
• Altro 1.0%
• Na 3%
• P 1.2%
• Ag 2%
• K 1%
• Mg 2.7%
• S 0.6%

Gli esseri viventi sono costituiti principalmente da 4 elementi chimici (O-H-C terzarie; O-H-C-N quaternarie) che compongono i composti organici e l'acqua (70%), costituiscono circa il 96.2% degli organismi. L'ordine di grandezza delle molecole di cui si occupa la biochimica va da 5 nm a circa 700 nm (virus). Le molecole caratteristiche degli organismi viventi: Acidi nucleici = polimeri di nucleotidi, composti da zuccheri, base azotate, fosfato, Proteine = polimeri di amminoacidi (peptidi).

• Carboidrati - polimeri di monosaccaridi; sono solubili (mono-, di-saccaridi) e insolubili (polisaccaridi).
• Lipidi - Trigliceridi; acidi grassi + glicerolo.
• Molecole ad alta energia - ATP: nucleotide + 2 fosfati.

Le biomolecole svolgono funzioni complesse quindi: si organizzano in complessi;

per esempio il complesso della Piruvato Deidrogenasi che catalizza la decarbossilazione ossidativa del piruvato, sono 5 reazioni consecutive e sono necessarie 3 enzimi e 5 coenzimi.

energie di interazione proporzionali pari rispettivamente a 1/r⁶ e 1/r⁵.

Anche due molecole che non possiedono né una carica netta né un momento dipolare permanente possono attrarsi tra loro se abbastanza vicine. La distribuzione della carica elettronica in una molecola non è mai statica, ma oscilla. Quando due molecole si avvicinano molto, le fluttuazioni di carica tendono a localizzare un'area con parziale carica positiva su una molecola opposta a un'area di parziale carica negativa sulla molecola vicina, producendosi una forza attrattiva netta. Tali forze intermolecolari, che possono essere immaginate come un mutuo induzione dipolo, sono chiamate interazioni di Van Der Waals, o forze di dispersione. La legge con cui variano è conforme a ~1/r⁶: di conseguenza sono significative solo a cortissimo raggio. Possono diventare molto forti quando due molecole planari si appoggiano una all'altra.

Le interazioni di Van Der Waals sono individualmente deboli, ma creano collettivamente contributi significativi alla stabilità delle biomolecole.

Le forze di Van der Waals non hanno confini netti tra loro: sono così vicine che con certi calcoli possono risultare indistinguibili; si uniscono con le forze dipolari (che possiamo sentirle come permanenti o indotte) e le forze di legame idrogeno. Tale energia media può essere approssimata come proporzionale a 1/r.

Si definisce raggio di Van der Waals R_v, il raggio che definisce la distanza minima di contatto per una coppia di molecole sferiche identiche, r_v = 2R; per molecole con raggi di Van der Waals R₁ e R₂, r = R₁ + R₂.

Maggior numero di elettroni → maggiori forze di Van der Waals.

Maggiori forze di Van der Waals → punti di ebollizione più alti.

Legami a idrogeno

Un legame idrogeno è un'interazione tra un atomo di idrogeno considerevolmente legato a un altro atomo e un doppietto elettronico libero appartenente a un altro atomo. L'atomo cui l'idrogeno è legato considerevolmente viene definito donatore di legame idrogeno, e l'atomo con la coppia di elettroni liberi è chiamato accettore di legame idrogeno. La rappresentazione tipica è una linea tratteggiata.

Acidi e Basi in soluzione acquosa

La maggior parte delle reazioni biochimiche avviene in ambiente acquoso. Il comportamento di tutte le molecole nei processi biochimici dipende fortemente dal loro stato di ionizzazione.

Definizione di acidi e basi, nei sistemi acquosi di Brønsted-Lowry: gli acidi sono donatori di protoni (H⁺) mentre le basi sono accettori di protoni (H⁺).

Un acido forte si dissocia quasi completamente a dare un protone e una base coniugata debole. Analogamente, una base forte si ionizza rilasciando OH^- e dando una base coniugata.

La maggior parte delle sostanze acide e basiche che si possono incontrare in biochimica sono acidi deboli o basi deboli, che si dissociano solo parzialmente. In una soluzione acquosa di un acido debole, si osserva il raggiungimento di un equilibrio misurabile tra l'acido e la sua base coniugata. Una base che accetta H⁺ è la sostanza che può accettare un protone: le reazioni acido-base coinvolgono necessariamente questa specie, om, che ne aumentano la concentrazione, ricavando un protone dalla molecola d'acqua.

La tendenza di un acido a liberare un protone è indicata dall'intervallo di valori di K_a o pK_a. Più forte è l'acido, più è debole la sua base coniugata. Cioè, maggiore è la tendenza di un acido a donare un protone, minore è la tendenza della sua base coniugata ad accettare un protone.

Anche se l'acqua è essenzialmente una molecola neutra, è caratterizzata da una tendenza a ionizzarsi; infatti, può agire sia da acido molto debole sia da base molto debole.

Una molecola d'acqua può trasferire un protone ad un'altra producendo uno ione idronio (H₃O⁺) e uno ione idrossido (OH^-), così che l'acqua può svolgere sia il ruolo di donatore di protoni sia quello di accettore di protoni:

H₂O ⇌ H⁺ + OH^-      H⁺ = H₃O⁺

I protoni (H⁺) non sono mai liberi in soluzione ma sempre associati a una o più molecole di acqua. In acqua pura per ogni H₃O⁺ (H⁺) è presente un OH^-. La costante di dissociazione dell'acqua è:

K_d = [H⁺] × [OH^-] / [H₂O]

Ma la concentrazione d'acqua, dissociandosi solo una piccola parte, è costante:

[H₂O] a 25° = 55.5 l/l      ⇒      K_d × 55.5 l/l = [H⁺] × [OH^-] = 1.96 × 10^-16 l