Biochimica, modulo 1 - riassunto completo

Introduzione, acqua e legami idrofobici

Biochimica e chimica a confronto

La biochimica è la scienza che studia i meccanismi in cui gli esseri viventi riescono ad interconvertire le varie forme di energia. Centrale è il concetto di energia chimica, ossia l’energia associata alla formazione o rottura di un tipo di legame. La capacità di trasformare energia luminosa in energia chimica è detto processo endoergonico. La capacità di prendere energia da altre reazioni chimiche (in assenza di luce ad esempio) è detta chemiotrofia.

Un sistema vivente è un sistema in grado di interconvertire l’energia chimica in altre forme di energia, ad esempio energia meccanica o energia informazionale. In un sistema all’equilibrio la K di equilibrio ha valore uguale a 1. Il sistema termodinamico è energeticamente morto. Un sistema lontano dall’equilibrio è energeticamente vivo, ossia c’è produzione o consumo di energia.

Potenziale elettrico

Gli esseri viventi usano l’energia chimica proveniente dal metabolismo o da altre reazioni per stabilire una differenza di potenziale (es. pompa sodio-potassio). Quando nei sistemi cellulari, ad esempio, si concentrano ioni da una parte della barriera cellulare (es. potassio) si viene a formare un gradiente di concentrazione che disequilibra il sistema. Il sistema cercherà di ristabilire l’equilibrio riportando lo ione dalla parte opposta della barriera. Se il gradiente di concentrazione è anche carico è anche gradiente elettrico. Questa differenza di cariche dall’esterno della barriera cellulare e l’interno crea una differenza di potenziale elettrico (l’interno delle cellule è solitamente più elettronegativo dell’ambiente esterno).

Peculiarità termodinamiche dei sistemi viventi

• Selezione a livello atomico: gli elementi nella cellula sono in una forma diversa da quella che hanno normalmente.
• Selettività nell’utilizzo di specie con simile reattività: ad esempio il corpo usa sodio e potassio per il potenziale di membrana, mentre magnesio e calcio per la contrazione muscolare.
• Presenza di macromolecole informazionali: le molecole individuali hanno un ordine preciso dettato da sequenza. Ogni struttura ha una funzione e in particolare strutture complesse controllano determinate funzioni (mitocondri, ribosomi…)

Concetto di equilibrio chimico

∆G=∆H−T∗∆S

Questa equazione ci dice la variazione di energia libera in funzione della variazione di entalpia meno la temperatura assoluta per la variazione di ordine del sistema (lo stato più entropico è il “preferito” dai sistemi inevitabilmente). Se la variazione di energia libera è negativa la reazione è spontanea, se è positiva la reazione non è spontanea. Nei quasi totalità dei sistemi biologici le reazioni non sono spontanee e per fare avvenire queste reazioni termodinamicamente impossibili devo metterci energia. Questo trucco è chiamato utilizzo delle reazioni accoppiate: la cellula accoppia due reazioni.

Un sistema vivente è un sistema lontano dall’equilibrio se le concentrazioni dei singoli composti sono determinate dalle costanti di equilibrio delle singole reazioni e dalla velocità con cui le singole reazioni avvengono.

Compartimentalizzazione

La compartimentalizzazione dei sistemi biologici è indispensabile poiché certi di trasferimento energetico non potrebbero esserci (se non ci fosse una pompa che pompa potassio fuori dalla cellula non potremmo sfruttare il rientro dei protoni e non avremmo quindi energia). Molte zone del citoplasma inoltre lavorano a pH differenti e svolgono funzioni differenti. Tutti gli organelli grazie alla compartimentalizzazione mantengono la loro forma, posizione e struttura (grazie anche al citoscheletro e ai vari filamenti proteici che permettono il trasporto e il movimento di molte molecole, complessi ed organuli) e svolgono le loro attività anche a pH diversi, in maniera però coordinata e collaborativa. I compartimenti sono: intracellulari, cellulari, tissutali.

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti

Se io ho una quantità di reagenti pari a 300 e la reazione A B C non viene consentita, io all’equilibrio mi aspetterò una equa distribuzione di reagenti e prodotto, ovvero 100 100 100, mentre invece avrò 300 tutto in A oppure 150 e 150 in A e B. Quindi, in un sistema biologico aperto (costanti di equilibrio unitarie) le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce o le consuma. Le concentrazioni delle sostanze che si trovano all’equilibrio possono essere modificate agendo su tre parametri: temperatura, pressione e concentrazione di reagenti o prodotti.

Questo perché se un agente esterno provoca una perturbazione su un sistema chimico all’equilibrio, il sistema reagisce tendendo ad annullare gli effetti della perturbazione e a ristabilire l’equilibrio.

Controllo cinetico di possibili reazioni diverse

La conversione del composto A in B o in C, e le concentrazioni di questi ultimi dipendono dalla combinazione di aspetti termodinamici (altezze dei recipienti e del liquido all’interno) e aspetti cinetici (diametro dei tubi e la portata).

Energia informazionale

Tutto ciò che serve (progetto ed esecuzione) per trasformare una struttura abbastanza disordinata in una struttura molto ordinata. Ossia è l’energia necessaria alla formazione di molecole. Nella cellula ad esempio, il 30-40% dell’energia fornita dall’alimentazione viene spesa per trasmettere informazioni e usarle per ricostruire cellule nuove e uguali, mantenendo l’organizzazione originale del sistema. Il tumore è una patologia derivata dalla disfunzione del controllo di queste energie da parte delle cellule. (L’entropia è una misura della mancanza di informazione dettagliata relativamente a un sistema fisico: più grande è l’informazione, più piccola sarà l’entropia. L’informazione rappresenta un termine negativo nell’entropia di un sistema, sicché si può definire l’informazione come entropia negativa.)

La reazione spontanea porterebbe ad avere come prodotto una struttura nuovamente disordinata.

Acqua

L’acqua ha tre funzioni principali nella chimica:

• È un mezzo di reazione: partecipa alle reazioni.
• Funge da solvente.
• È anche un agente strutturante: contribuisce alla strutturazione del materiale biologico.

La molecola di acqua ha una struttura con una forte asimmetria: i due atomi di H non sono allineati. Il che comporta una distribuzione disuguale di cariche. L’ossigeno, atomo elettronegativo (tiene stretti i suoi elettroni e attrae quelli degli altri), attrae l’elettrone dell’H di un altro atomo. Questo sistema ha un momento dipolare: l’atomo di O è sede di cariche negative, l’atomo di H è sede di cariche positive. Questo bipolarismo è essenziale per le soluzioni solvente e conferisce all’acqua la capacità di interagire con altri sistemi in cui ci sono eccessi di elettroni. Il legame idrogeno dell’acqua è un legame debole (>100 KJ/mol) e come tutti i legami deboli (interazioni elettrostatiche e altre interazioni non covalenti) consente una elevata elasticità strutturale alla specie interessata.

Molto spesso i legami deboli si formano in modo cooperativo: la presenza di un legame favorisce la formazione del successivo e in questo modo l’energia richiesta per la rottura dei legami aumenta considerevolmente (calore latente). Max densità a 4°C (ottimizzato il reticolo di interazione dei legami H). Le interazioni tra molecole determinano le caratteristiche geometriche di un sistema (es. le variazioni di densità dell’acqua in funzione di T). Numerose altre molecole formano legami H tra loro e con l’acqua e su questa capacità si basa la loro solubilità o miscibilità.

• Se prevalgono le interazioni tra molecole allora la molecola è insolubile.
• Se prevalgono le interazioni con l’acqua allora la molecola sarà solubile. Ne sono esempi gli zuccheri semplici che sono solubili a freddo e a caldo e quelli complessi, che lo sono solo a caldo.

Proprietà solventi dell’acqua: ioni

L’acqua esercita la sua azione solvente grazie alla dipolarità della sua struttura: il dipolo acqua si orienta in modo diverso a seconda che interagisca con anioni (-) o cationi (+). Allontanando le cariche di segno opposto l’acqua previene la formazione di legami ionici o elettrostatici tra ioni, o tra porzioni di molecole con cariche di segno opposto. Nel caso di soluti non ionici si vengono a formare legami ionici dal momento che la funzione ossidrilica di una molecola (di un alcol, del glicerolo, di un acido carbossilico, ammina…) si comporta come un R-OH (dove R può andare dal metanolo al propanolo perché oltre non si scioglie più nulla in acqua).

Nel caso di soluti ionici l’acqua crea una sfera di solvatazione intorno agli ioni dissociati (interazione elettrostatica), che crea un legame molto forte per la sfera immediatamente attaccata allo ione. Conseguente a questo tipo di legame si distingue l’acqua libera (lontana dallo ione), l’acqua debolmente legata e l’acqua legata. Le molecole di acqua che circondano un’altra molecola hanno diversa mobilità e reattività a seconda della natura dell’interazione e della distanza della molecola. Queste specie solvatate sono quelle che partecipano alle reazioni o vengono trasportate da e per le cellule.

Nell’azione del trasporto bisogna tenere conto che, dal rapporto massa/carica, più piccola è la massa per unità di carica e più forte è la capacità di coordinare acqua per lo ione. Per questo motivo Na è più grosso di K quando è solvatato e per questo non passa dagli stessi spazi sulla membrana cellulare da cui passa K solvatato.

Il legame idrofobico

Sono interazioni di tipo entropico che minimizzano la superficie di contatto su scala molecolare tra molecole idrofobiche e acqua. Questo perché l’aumento di ordine del sistema (ossia la diminuzione dell’entropia) è ∆G=∆H−T∗∆S termodinamicamente svantaggioso: Clatrato (struttura dell’acqua che ingabbia molecole non solubili). Le interazioni dell’acqua con molecola apolari sono di tipo entropico, ossia la formazione di queste interazioni determina un aumento di ordine del sistema poiché l’acqua si organizza sulla superficie di queste molecole in strutture organizzate.

I legami idrofobici al lavoro

Le strutture derivanti dai legami idrofobici possono essere utilizzate a determinati scopi (possono compiere un lavoro). Ne sono esempio gli acidi grassi e il loro Sali (saponi) che sono molecole anfifiliche ossia hanno una parte polare che interagisce con il solvente e una apolare che sfugge al solvente. Micelle, vescicole e membrane sono strutture formate da molecole anfifiliche e stabilizzate da interazioni idrofobiche tra le regioni non polari.

Legame idrofobico e amminoacidi

Gli amminoacidi

• Isomeri L: sono presenti normalmente nelle proteine e sono utilizzati nel metabolismo.
• Isomeri D: presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi (antibiotici, alcuni ormoni) e nelle pareti batteriche.

Gli amminoacidi sono molecole anfoteriche, ossia in grado di assumere simultaneamente sia cariche positive che negative.

• AA neutri idrofobici: Alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, triptofano, glicina, metionina, cisteina, metionina.
• AA polari: Serina, treonina, tirosina, asparagina, glutammina.

• AA carichi: Lisina, arginina, istidina, acido glutammico, acido aspartico.

Valina, leucina e isoleucina sono idrofobici alifatici (catene laterali non compatibili con l’acqua, che tendono a stare assieme). Fenil-alanina, tirosina, triptofano sono ancora più idrofobici (catena laterale con strutture aromatiche, ossia anelli benzenici). Metionina è idrofobica (contiene una funzione bioetere, ossia un S messo a ponte tra due C). È lei che inizia le catene polipeptidiche.

La cisteina contiene una funzione tiolica (-CH₂-SH) ed è importante perché connette catene diverse o più punti della stessa catena. Forma anche legami con altre cisteine attraverso un processo di ossidazione (legame disolfuro). La prolina ha l’amminogruppo inglobato nella struttura e per questo la sua presenza in una proteina determina una facilità digestiva poiché impedisce la rotazione della catena sul C-alfa, rendendo la catena più elastica e meno compatta e rigida.

La treonina è polare neutra con una funzione alcolica secondaria OH come catena laterale. Asparagina e glutammina sono polari neutri con una funzione ammidica H₂N come catena laterale.

Segno e numero delle cariche possedute da molti soluti possono cambiare in funzione del pH del mezzo. Gli equilibri sono governati dalla relazione di Henderson-Hasselbach:

\([A^-] = 10^{(\text{pH-pK})}\) con \([HA] = \text{1 [A]}\)

Quindi specie chimiche poliprotiche possono avere più di un valore di pK_a.

Punto isoelettrico (pI)

Valore definito di pH per ciascuna specie anfoterica, per cui la carica netta posseduta complessivamente dalle specie in soluzione è pari a zero. Dalle catene formate nelle proteine degli amminoacidi sporgono le catene laterali, le quali ne condizionano le caratteristiche.

Scambio di disolfuri

La formazione o la rottura di un legame covalente tra gli atomi di zolfo di due catene laterali sono reazioni redox reversibili. Lo scambio di disolfuri può trasformare un legame covalente intra-molecolare in uno inter-molecolare. Diversi amminoacidi si trovano nelle proteine in forma modificata. Si tratta quasi sempre di modificazioni post-traduzionali e molte sono specie-specifiche o tessuto-specifiche (utili nello studio di patologie o per determinare l’origine dei materiali alimentari).

Altre importanti molecole bioattive si formano a partire da amminoacidi liberi, sia rimuovendo gruppi funzionali, sia modificandone la struttura. Tra i neurotrasmettitori: il triptofano è precursore della serotonina; la fenilalanina della dopamina e la glutammina del GABA. Tra gli ormoni ed altri regolatori: la tirosina è precursore della tetraiodotirossina, la fenilalanina dell’adrenalina e la metionina induce la metilazione di acidi nucleici.

L’azione delle ammine biogene derivate da amminoacidi (anche alimentari) varia da azione vasoregolatrice a neurostimolatoria (psilocibina, LSD…) a ormonale (melatonina).

Il pK è il valore del pH a cui il numero delle molecole presenti in forma dissociata senza protone è uguale al numero di molecole presenti con il protone attaccato.

• Per trovare il punto isoelettrico di un amminoacido semplice (con due gruppi e quindi due pK) il pH del punto isoelettrico è uguale alla media aritmetica tra i due valori di pK in cui la molecola è dissociata.
• Per amminoacidi con gruppi dissociabili anche nella catena laterale (con più di due gruppi dissociabili) il valore di pH del punto isoelettrico sarà sempre una media aritmetica, ma non dei due valori dove la molecola è dissociata, ma dei due valori dove la carica è quasi più vicina allo zero.

Se il pH è inferiore al suo punto isoelettrico, la molecola avrà carica positiva. Se il pH è maggiore del punto isoelettrico, la molecola avrà carica negativa.

Proteine e loro strutture

La struttura primaria

La struttura detta a piastrine snodate di una catena peptidica ha una precisa sequenza amminoacidica e uno specifico verso di lettura. È stabilizzata dal legame peptidico, che va dall’estremità N all’estremità C. grazie all’elettronegatività dell’ossigeno il legame peptidico ha caratteristiche di doppio legame e costringe nello stesso piano gli atomi che ad esso partecipano.

Grazie al legame peptidico la proteina assume la forma di una serie di piastrine, legate grazie allo snodo del C-alfa che funge da perno. Nel caso sia presente un residuo di prolina si verifica un impedimento fisico alla libera rotazione attorno al C-alfa, perché a causa della sua struttura ciclica la prolina impedisce la rotazione, causando la perdita dello snodo nella sequenza.

La sequenza di amminoacidi è caratterizzata da tre fattori:

• I tipi di amminoacidi presenti: il tipo di amminoacido presente nella catena condiziona le proprietà della stessa. Ad esempio le proteine dei semi dei cereali sono ricche di glutammina e non glutammato perché questa lega meno con l’acqua e contiene più azoto, indispensabile per la crescita della pianta.
• L’ordine in cui gli amminoacidi sono disposti: la sequenza di proteine ha un verso e va letta e scritta secondo modalità precise. Per convenzione si legge nel verso di sintesi della proteina. C’è sempre un’estremità ammino-terminale, dove la lettura inizia, e una carbossi-terminale, dove la lettura termina.
• Presenza di particolari sequenze nella catena principale: all’interno della finale sporgono le catene laterali che ne determinano le caratteristiche (carica, idrofobicità/idrofilicità, presenza di sostituenti). La presenza di specifiche sequenze (sito di riconoscimento) può determinare risposte negative o positive ad alimenti, o condizionare la trasformazione di materiali alimentari.