Biochimica - parte cinetica e metabolismo

Biochimica: molecole, gruppi funzionali e reazioni

P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti Carboidrati P.V. monosaccaridi di appunti P.V. di appunti Disaccaridi P.V. di appunti Polisaccaridi Lipidi P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti Basi azotate P.V. di appunti Nucleosidi trifosfati P.V. di appunti Intermedi metabolici Cofattori P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti Coenzima A Vitamine P.V. di appunti Amminoacidi P.V. di appunti AA non comuni P.V. di appunti P.V. di appunti Metabolismo Glicolisi P.V. di appunti P.V. di appunti Fermentazione Gluconeogenesi P.V. di appunti Via dei pentosi fosfati Fase ox P.V. di appunti Fase non ox P.V. di appunti Ciclo di Krebs P.V. di appunti P.V. di appunti Fosforilazione ossidativa P.V. di appunti Acidi grassi P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti Amminoacidi P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti

N.B.: β-mercapto-etanolo → + cisteina β-mercapto-cisteina → P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti P.V. di appunti

1. Le molecole della vita

Le molecole della vita, ossia i monomeri di base, sono:

• Amminoacidi, che formano le proteine, componenti delle membrane plasmatiche;
• Glucidi, che formano gli zuccheri (o carboidrati) sempre più complessi (monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi), come la cellulosa, che costituisce la parete vegetale delle cellule delle piante;
• Lipidi, che costituiscono le membrane cellulari (doppio strato di fosfolipidi); nucleici, ossia RNA e DNA; quest’ultimo
• Nucleotidi, che formano gli acidi costituisce i cromosomi.

Proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici sono definiti macro-molecole: essi formano complessi sovra-molecolari, che costituiscono i vari componenti delle cellule.

I monomeri, a loro volta, sono formati a partire da precursori ambientali (PM = 18-44 g/mol), quali O2, CO2, H2O, NH3, N2, H3PO4 (acido fosforico).

➔ Peso molecolare: PM = massa in g/n. di moli

Dai precursori ambientali si formano anche gli intermedi metabolici (PM = 50-250 g/mol), P.V. come acido piruvico, acido citrico, gliceraldeide-3-P…

Il livello successivo è rappresentato dalle bio-molecole di base (PM = 100-1.000 g/mol), di nucleotidi, aa, monosaccaridi, acidi grassi, glicerolo, ATP… quali appunti si arriva quindi alle macro-molecole (PM = 10³-10⁹ g/mol) e poi alle strutture sovramolecolari (PM = 10⁶-10⁹ g/mol), ossia ribosomi, membrane, microtubuli…

Infine, il livello di organizzazione più alto è rappresentato dagli organuli cellulari, quali nucleo, mitocondri, cloroplasti…

La geometria delle molecole è molto importante, perché ne determina la reattività, quindi influenza le reazioni. In ciò svolge un ruolo molto importante anche l’acqua, che può agire sia da acido sia da base.

➔ Teoria di Brønsted-Lowry: acido = dona H+ (protoni); base = accetta H+

Le proteine, ad esempio, interagiscono bene con l’acqua, perché come essa presentano H e regioni polari (carica parziale): quindi, l’acqua regola la forma e la struttura delle proteine. Inoltre, essa può essere presa come modello per spiegare i legami a idrogeno.

➔ Legami a H: legami non covalenti che si formano tra un H e un atomo a elevata elettronegatività (O, N e F), che indica la capacità di un atomo di attrarre gli elettroni (e-) dei legami covalenti in cui è coinvolto. In particolare, l’N mostra un’elevata reattività per la presenza di un doppietto elettronico libero.

Esempi di reazioni importanti

Esempi di reazioni importanti sono:

1. Acqua + ammoniaca ⇌ ammoniaca (NH3) + ione ossidrile
2. Acqua + anidride carbonica ⥄ acido carbonilico → ione bicarbonato + H+
3. Ossidazione del gruppo alcolico (-OH)

➔ Gli alcoli sono distinti in 1°, 2° e 3° in base al numero di gruppi alchilici (-R) legati al C a cui è legato il gruppo alcolico.

➔ Numero di ossidazione: differenza tra il numero di e- di valenza dell’atomo e il numero di e- che gli rimangono dopo aver assegnato tutti gli e- all’atomo più elettronegativo (E): +1 se il C centrale è legato a un atomo +E; -1 se è legato a un atomo -E; 0 se è legato a un atomo con la stessa E.

4. Reazione tra un gruppo alcolico e un gruppo carbonilico (-C=O), con P.V. formazione di emiacetali e acetali.
5. Reazione tra un gruppo carbonilico e un’ammina (-NH2), con formazione di una immina.

Di appunti

3. Reazioni bio-chimiche comuni

Un legame covalente consiste in una coppia di elettroni (e-) condivisi tra due atomi.

Molte reazioni chimiche coinvolgono interazioni tra nucleofili, ossia gruppi funzionali ricchi di e- e capaci di donarli, ed elettrofili, ossia gruppi funzionali poveri di e-, che quindi li attirano: dunque, i nucleofili reagiscono con gli elettrofili, a cui cedono gli e-.

Un atomo di C, per esempio, può agire da nucleofilo o da elettrofilo a seconda degli atomi o dei gruppi che lo circondano.

Le reazioni bio-chimiche più comuni sono:

1. Formazione/scissione di un legame C-C;
2. Riarrangiamenti interni, isomerizzazioni ed eliminazioni;
3. Trasferimento di gruppi;
4. Ossido-riduzioni.

1) Reazioni di formazione/scissione di un legame C-C

La scissione di un legame C-C produce un carbanione, ossia un C carico negativamente, e un carbocatione, ossia un C carico positivamente, entrambi composti instabili e reattivi.

In questo contesto, i gruppi carbonilici (C=O) sono particolarmente importanti, dal momento che il C del gruppo carbonilico presenta una parziale carica P.V. positiva (δ+), dovuta alla presenza dell’ossigeno, che tende ad attrarre gli e-, essendo più elettronegativo: perciò, tale C è elettrofilo e tende facilmente a formare un carbocatione.

Di appunti Anche un gruppo imminico (NH3) può svolgere una funzione simile.

La reazione più comune con cui si forma un legame C-C è la condensazione, mentre la reazione più comune con cui tale legame si rompe è la decarbossilazione, che consiste nella perdita di CO2.

2) Riarrangiamenti interni, isomerizzazioni ed eliminazioni

I riarrangiamenti intra-molecolari, come anche le isomerizzazioni e le eliminazioni, sono reazioni in cui si verifica una ridistribuzione degli e- senza che si verifichino variazioni nello stato di ossidazione della molecola.

Ne sono degli esempi l’isomerizzazione cis-trans e l’eliminazione di una molecola di H2O da un alcol, con formazione di un doppio legame C=C.

3) Reazioni di trasferimento di gruppi

Nelle cellule il trasferimento di gruppi acilici e fosforilici da un nucleofilo a un altro è un processo molto comune.

In particolare, il trasferimento di un gruppo acilico (Y), di solito, coinvolge l’attacco di un nucleofilo all’atomo di C carbonilico di un gruppo acilico, con formazione di un intermedio tetraedrico. Ne è un esempio la reazione della chimotripsina.

Invece, i numerosi enzimi catalizzano il trasferimento di un gruppo fosforico (Pi) fornito dall’ATP vengono chiamati chinasi: per esempio, l’esochinasi è l’enzima che rimuove il Pi dall’ATP per inserirlo sul glucosio.

4) Reazioni di ossido-riduzione

Nel corso di molte ossidazioni biologiche un composto perde 2 e- e 1 H+ (= 1 atomo di H): tali reazioni sono anche chiamate deidrogenazioni e gli enzimi che le catalizzano sono detti deidrogenasi.

In alcune ossidazioni biologiche, un atomo di C si lega covalentemente a un atomo di O: se l’atomo di O deriva dall’O2, gli enzimi che catalizzano tali reazioni sono detti ossidasi o ossigenasi.

Ogni ossidazione è accompagnata da una riduzione, nella quale un accettore di e- acquista gli e- rimossi dall’ossidazione.

4 Di solito, le reazioni di ossidazione rilasciano energia, infatti la maggior parte delle cellule ottiene l’energia necessaria per svolgere il lavoro cellulare dall’ossidazione dei combustibili metabolici, ossia carboidrati e acidi grassi.

Dunque, le vie cataboliche sono sequenze di reazioni ossidative, che determinano il trasporto degli e- dai combustibili, attraverso una serie di trasportatori di e-, fino all’O2: infatti, l’elevata affinità dell’O2 per gli e- rende il processo di trasferimento degli e- esoergonico e fornisce l’energia necessaria per la sintesi dell’ATP, fine ultimo del catabolismo.

Al contrario, le vie anaboliche consistono in una serie di reazioni di riduzione, che sono endoergoniche, cioè consumano ATP.

ATP e trasferimento di gruppi fosforici

Dunque, le cellule ottengono energia libera mediante il catabolismo delle sostanze nutrienti e usano questa energia per produrre l’ATP a partire da ADP e Pi:

⇌ ADP + Pi ATP

L’ATP dona poi una parte della sua energia libera ai processi endoergonici, come la sintesi di intermedi metabolici, la sintesi di macromolecole da precursori semplici e il trasporto di sostanze attraverso le membrane contro gradiente di concentrazione.

P.V. Durante tale donazione di energia, l’ATP viene nuovamente convertito in ADP e Pi.

La scissione idrolitica (con uso di H2O) del legame fosfo-anidridico che lega il gruppo Di Pi terminale all’ATP determina l’allontanamento di questo gruppo Pi carico negativamente e quindi rimuove dalla molecola alcune delle repulsioni elettrostatiche.

Appunti Inoltre, il gruppo Pi rilasciato è stabilizzato da alcune forme di risonanza, che non sono possibili quando esso è legato alla molecola di ATP.

Ciò spiega l’elevata variazione di energia libera della reazione di idrolisi dell’ATP, ossia G’° = -30,5 kJ/mol.

Nei momenti di intensa richiesta di ATP, la [ADP] tende a diminuire, mentre aumenta la [ATP], grazie all’azione dell’enzima adenilato chinasi, che con l’ausilio di uno ione Mg2+ catalizza la seguente reazione, che presenta un G’° ≃ 0 ed è quindi reversibile:

⇌ 2 ADP ATP + AMP

In particolare, l’attacco nucleofilo in posizione α sulla molecola di ATP rimuove il pirofosfato (PPi) e trasferisce l’adenilato (5’-AMP) come gruppo adenilico: infatti, tale reazione è un’adenilazione.

A sua volta, il PPi viene idrolizzato a 2 Pi dall’enzima ubiquitario pirofosfatasi inorganica, rilasciando 19 kJ/mol e fornendo quindi un’enorme spinta energetica a favore della reazione di adenilazione.

Oltre all’ATP, anche altri composti fosforilati presenti negli organismi viventi possono donare i loro gruppi Pi.

Di solito, tali composti sono distinti in due categorie:

• Composti ad alta energia: G’° di idrolisi < -25 kJ/mol;
• Composti a bassa energia: G’° di idrolisi > -25 kJ/mol.

Poiché i G’° delle reazioni sequenziali si possono sommare, la sintesi di un composto fosforilato può avvenire mediante il suo accoppiamento con la rottura di un altro composto fosforilato, che possiede un G’° di idrolisi minore.

La maggior parte del catabolismo è indirizzata verso la formazione di composti fosforilati ad alta energia, dal momento che il trasferimento di gruppi fosforici è un sistema di attivazione di una grande varietà di composti, che possono poi subire altre trasformazioni. Tuttavia, per esempio, il trasferimento di gruppi fosforici dall’ATP è possibile solo grazie all’intervento di specifici enzimi, in grado di abbassare l’energia di attivazione della reazione.

5 P.V. di appunti 6 P.V. di appunti 7 P.V. di appunti 8 P.V. di appunti 9 P.V. di appunti 10 P.V. di appunti 11 P.V. di appunti 12 P.V. di appunti 13 P.V. di appunti 14 P.V. di appunti 15 P.V. di appunti 16 P.V. di appunti 17 P.V. di appunti 18 P.V. di appunti 19 P.V. di appunti 20 P.V. di appunti 21 P.V. di appunti 22 P.V. di appunti 23

I principali gruppi funzionali

Carboidrati

I carboidrati sono le molecole più abbondanti sulla Terra e l’ossidazione dei carboidrati è la via principale di produzione di energia nella maggioranza delle cellule non fotosintetiche.

Queste macromolecole sono poli-idrossi aldeidi o poli-idrossi chetoni e possono essere suddivise in 3 classi:

• Monosaccaridi;
• Oligosaccaridi;
• Polisaccaridi.

I monosaccaridi, o zuccheri semplici, sono costituiti da una sola unità di poli-idrossi aldeide o poli-idrossi chetone e il monosaccaride più abbondante in natura è uno zucchero a 6 atomi di C, ossia il D-glucosio.

Gli oligosaccaridi sono formati da una catena di unità monosaccaridiche unite tra di loro da caratteristici legami, P.V. detti glicosidici.

I più abbondanti sono i disaccaridi, formati da Di 2 unità monosaccaridiche e di cui il più comune è il appunti saccarosio, formato da due zuccheri a 6 atomi di C, ossia il D-glucosio e il D-fruttosio.

Infine, i polisaccaridi sono polimeri di zuccheri che contengono più di 20 unità monosaccaridiche: alcuni ne contengono addirittura centinaia o migliaia.

I polisaccaridi come la cellulosa sono catene lineari, mentre altri come il glicogeno sono ramificati: cellulosa e glicogeno sono costituiti esclusivamente da unità di D-glucosio e differiscono per il tipo di legame glicosidico (β1→4 nella cellulosa, α1→4 e α1→6 nel glicogeno); di conseguenza, hanno proprietà e ruoli biologici diversi.

Monosaccaridi e disaccaridi

I monosaccaridi, cioè i carboidrati più semplici, presentano più gruppi funzionali (alcolici, carbossilici…) e possono essere suddivisi in aldosi e chetosi.

Hanno due o più gruppi ossidrilici (OH), molti dei quali sono legati a carboni chirali (C legati a 4 atomi/gruppi di atomi diversi), che generano quindi molti stereo-isomeri: negli zuccheri la stereo-isomeria ha una grande importanza biologica, in quanto gli enzimi che agiscono sugli zuccheri sono stereo-specifici.

In natura, essi sono tutti della serie D, ossia con il gruppo -OH più vicino al gruppo -CH2OH a destra (capostipite: D-gliceraldeide), e si trovano nella forma chiusa ad anello, formando un emiacetale ciclico, di cui esistono due anomeri:

• α = se -OH è dalla parte opposta a -CH2OH;
• β = se -OH è dalla stessa parte di -CH2OH.

Per esempio, il β-D-glucopiranosio (aldoso) è più stabile dell’anomero α per il minor ingombro sterico.

24 ➔ Anomeri: stereoisomeri = atomi legati nello stesso modo, ma con una diversa disposizione spaziale.

➔ Ingombro sterico: repulsione elettrostatica dovuta all’eccessiva sovrapposizione delle nubi elettrostatiche degli atomi di una molecola.

Inoltre, i monosaccaridi sono molecole chirali.

➔ Chiralità: una molecola è chirale se possiede un atomo di C centrale legato a 4 atomi o gruppi di atomi diversi, disposti nello spazio in modo tale che la molecola non è sovrapponibile con la sua immagine speculare.

Gli acetali, invece, si trovano nei P.V. disaccaridi (maltosio, lattosio, sucralosio…) e nei polisaccaridi, le cui Di unità sono legate da legami glicosidici: ad esempio, nella cellulosa tali legami appunti sono del tipo β1→4, mentre nel glicogeno sono α1→4 e α1→6; questo è il motivo per cui la cellulosa non viene digerita da molti organismi, ossia perché si compatta meglio, non avendo ramificazioni, mentre nel glicogeno gli enzimi “mangiano” prima le ramificazioni, così da ricavare il glucosio.

Lo scheletro dei monosaccaridi è costituito da una catena non ramificata di atomi di C uniti solo da legami singoli.

Nella forma aperta, uno degli atomi di C è legato con un doppio legame a un atomo di O, formando un gruppo carbonilico (C=O):

• Se il gruppo carbonilico si trova a una delle estremità della catena carboniosa, il monosaccaridi viene detto aldosio;
• Se il gruppo carbonilico è in qualunque altra posizione della catena carboniosa, il monosaccaride viene detto chetosio.

I monosaccaridi più semplici sono due zuccheri a 3 atomi di C, detti triosi: la gliceraldeide (aldosio) e il di-idrossi-acetone (chetosio).

Per esempio, il D-glucosio è un aldosio, mentre il D-fruttosio è un chetosio e sono entrambi zuccheri a 6 atomi di C.

Invece, il D-ribosio e il 2-deossi-D-ribosio sono 2 zuccheri a 5 atomi di C, sono aldosi e sono componenti dei nucleotidi e degli acidi nucleici.

Tutti i monosaccaridi, eccetto il di-idrossi-acetone, contengono uno o più atomi di C chirali (o asimmetrici), quindi in natura sono presenti forme isomeriche otticamente attive: tali isomeri s