Biochimica Prima Parte (prof. Bonomi)

Comparazione tra biochimica e chimica

Quando si parla di biochimica e chimica, le caratteristiche di reattività di elementi e di legami rimangono immutate; la differenza tra vivente e non vivente è a tre livelli: chimica, fisica, termodinamica.

Gli aspetti chimici

• Selezione a livello atomico come la distinzione tra gli elementi della cellula e quelli sulla terra (es. il ferro è l’elemento più abbondante sul pianeta, a cui seguono nichel, alluminio, silicio e carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno; tutti questi elementi sono presenti nel nostro organismo, ma quelli più abbondanti sono C H Z O in quanto è più facile fare e disfare).
• Selettività nell’utilizzo di specie con simile reattività: i composti sono presenti in genere in soluzione acquosa; le caratteristiche degli elementi presenti quindi variano. Es. differenza Na e K: il potassio in soluzione passa nella membrana più facilmente rispetto al sodio anche se il suo peso è più elevato.
• Presenza di molecole informazionali, ovvero molecole in cui l’ordine impartisce loro un significato, la sequenza varia. Es. RMAO ROMA AMOR MORA tre entità con significato, l’ordine in cui sono disposte porta ad avere un’informazione. Esistono poi livelli superiori di struttura che determinano la funzione. Non esistono sistemi non biologici che siano in grado di associare informazioni a semplici matrici polimeriche.

Queste sequenze ordinate di concetti si possono disporre in strutture di ordine superiore per rispondere a una certa funzione, adempiere a un certo compito: lo svolgimento di funzioni complesse. In questo modo semplici reazioni chimiche vengono trasformate in forme di energie fruibili: l’organismo trasforma l’energia in qualcosa di utile alla sua funzionalità. Inoltre, è molto importante anche il controllo dell’informazione: è essenziale avere degli strumenti.

Gli aspetti fisici

• La compartimentalizzazione: nei sistemi biologici si hanno infinità di compartimenti, ovvero si ha una suddivisione in tanti reparti; questa divisione può essere: intracellulare (dentro la stessa cellula, organelli), cellulare (cellule diverse nello stesso tessuto, es muscolare ci sono cellule diverse con funzioni diverse e reazioni chimiche diverse es sangue globuli rossi per ossigeno e globuli bianchi per difesa) e tissutale (in tessuti diversi, organi, stabilimenti diversi).
• Il trasporto di materiali, il quale può avvenire tra i vari comparti, cellule e tessuti.
• Signaling = trasporto di informazione che può avvenire per via chimica o elettrica consumando molta energia, tra comparti/cellule e tessuti.

Gli aspetti termodinamici

Gli aspetti termodinamici sono più importanti:

• I sistemi viventi sono sistemi lontani dall’equilibrio; un sistema in equilibrio termodinamico è sostanzialmente morto. Es. due vasi comunicanti: sistema perfettamente in equilibrio, stessa altezza, non produce energia e non la consuma. Ma se l’acqua fluisce in un recipiente dove il livello è minore, si ha un ΔG negativo e si ottiene un’energia da alto verso basso. È un sistema lontano dall’equilibrio, si ha un flusso di energia. I sistemi viventi possono consumare energia per muovere l’acqua da basso ad alto ΔG positivo. Dove c’è flusso di energia c’è vita.
• Il flusso di materiali è sottoposto a un controllo cinetico: se A→B non è consentita, non si ha B→C; solo se si innesta la prima reazione si attivano le altre. Dopo C si è arrivati all’equilibrio, ma dopo esso le reazioni continuano (nei sistemi biologici) il livello dell’acqua non dipende solo dall’altezza ma dalla velocità con cui l’acqua passa da un recipiente all’altro. Si ha così effetto cinetico sul decorso delle reazioni chimiche.
• In un sistema biologico "aperto" le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce e dalla velocità delle reazioni che le consuma. La concentrazione dipende quindi da due fattori: il fattore termodinamico (da alto verso basso); il fattore cinetico.
• I sistemi biologici possiedono la capacità di introvertire le diverse forme di energia; l’energia dei legami chimici può essere trasformata in diverse forme di energia spendibili per le varie funzioni. Ad esempio, l’energia chimica può essere convertita in energia elettrica: gli stimoli chimici vengono convertiti in stimoli elettrici che attivano la conversione di energia chimica per il movimento (meccanica). Inoltre, tutti gli organismi bruciano nutrienti per mantenere costante la temperatura (energia chimica in termica). Alcuni organismi convertono l’energia luminosa in energia chimica (piante). Infine, l’energia chimica può essere convertita in energia informazionale, ovvero si ha la conversione di una struttura abbastanza disordinata in una struttura ordinata grazie a un lavoro e a un progetto. La reazione spontanea è però quella che tende al maggiore grado possibile di disordine; l’energia informazionale è quindi quella che serve per impartire e mantenere l’ordine nelle macromolecole informazionali.

Acqua

L’acqua è il primo componente dei sistemi biologici; dal punto di vista strutturale è una molecola semplice, è quella che consente ai sistemi biologici di fare tutto, è il componente degli alimenti su cui più spesso interviene il tecnologo alimentare.

Funzioni chimiche dell'acqua

• È un reagente (dissociazione acido, degradazione alimenti);
• È un solvente dove avvengono il 95% delle reazioni di un essere vivente;
• È un agente strutturante nelle macromolecole, di conseguenza se disturbata la struttura varia.

Non è una molecola simmetrica HOH, è un dipolo elettrico +- +. Le molecole di H possono interagire con gli ioni negativi: si forma il legame a idrogeno che richiede l’allineamento perfetto di atomo elettronegativo – uno positivo – e uno negativo. Se il legame non è lineare, lo si indebolisce: la perfezione geometrica è assolutamente necessaria.

I legami a idrogeno non coinvolgono una sola molecola d’acqua ma possono coinvolgere più molecole, le quali reagiscono tra di loro formando reticoli diffusi di legami a idrogeno tra le varie molecole. Se la temperatura aumenta, i legami si rompono e si ha il passaggio da liquido a gas.

La molecola di H₂O è simile a H₂S: lo zolfo è più pesante rispetto all’ossigeno (doppio), tuttavia hanno temperature di ebollizione molto differenti: 100 °C per l’acqua e -21°C per H₂S; questo perché le molecole d’acqua formano un sistema fortemente colligativo, molto elettronegativo; lo zolfo è molto meno elettronegativo rispetto a O, quindi la possibilità di formazione di legami a idrogeno è molto minore, le molecole non interagiscono tra di loro, sono separate facilmente.

Per staccare le singole molecole d’acqua è necessario somministrare molto calore e superare una certa soglia di energia: l’effetto colligativo fa sì che rompere i legami richieda molta energia. Per l’evaporazione è poi necessaria un’ulteriore energia (calore latente di evaporazione).

La struttura dell’acqua è peculiare per la sua transizione di fase da stato liquido a solido; l’acqua ha massima densità alla temperatura di 4,1°C, è più stabile in quanto i legami con le molecole adiacenti assumono una disposizione regolare in un certo volume massimo di atomo possibili; se si abbassa la temperatura a 0°C l’acqua gela e i piani sono perfettamente allineati tra di loro e non più sfalsati. Il volume occupato è aumentato, è meno denso rispetto acqua liquida alla stessa temperatura.

Proprietà chimiche dell'acqua

Molto importanti sono anche le proprietà chimiche dell’acqua: un qualunque composto è solubile in acqua se riesce a formare dei legami a H con essa. Sulla capacità delle molecole di formare legami H si basa la loro solubilità/miscibilità. Se una molecola ha la possibilità di formare legami H ma prevalgono le interazioni tra le catene della molecola stessa, allora è insolubile in acqua. La solubilità dipende dalle relazioni che una molecola stabilisce con l’acqua: se prevale il legame solvente-soluto allora la molecola si scioglie; se prevale il legame molecola-molecola non si scioglie. La solubilità può cambiare a seconda della temperatura: ad esempio, gli zuccheri complessi sono insolubili a freddo ma solubili a caldo.

L’acqua è un solvente anche nei confronti di specie chimiche tenute insieme da legami ionici es. NaCl disposizione regolare cubica; se si aggiunge acqua essendo un dipolo elettrico, va a interagire con gli ioni con O rivolto verso positivi (Na) e H verso Cl (negativi): questo orientamento coinvolge tantissime molecole d’acqua. Una carica negativa è generalmente circondata da due diverse sfere di solvatazione: gli idrogeni dell’acqua si rivolgono verso la carica negativa; man mano che ci si allontana dalla carica l’effetto del campo elettrico diminuisce con l’aumentare della distanza e dopo una certa soglia (che dipende dalla densità di carica) c’è acqua libera. Si parla così di solvatazione di una specie chimica.

Il legame idrofobico (capacità di organizzare strutture) descrive la capacità dell’acqua di interagire con le altre molecole d’acqua e con le specie con cui non può stabilire interazioni. Si parla così delle specie apolari, specie idrofobiche. In questo caso l’acqua si organizza a formare intorno alle molecole apolari una sorta di gabbia clatrati e isola la molecola estranea dalle altre molecole d’acqua. Si parla quindi di acqua organizzata e questo porta a un aumento dello stato d’ordine del sistema: l’aumento di disordine è una reazione favorita ΔG = ΔH – T ΔS, se si aumenta l’entropia, il ΔG è negativo; se invece si diminuisce il disordine, allora il ΔG diventa positivo.

L’acqua con le strutture idrofobiche tende a diminuire la superficie di contatto con il sistema apolare, mette quindi in evidenza la sua funzione strutturante per cercare di minimizzare la superficie di contatto tra le sue molecole e quella della specie apolare. Si ha una spinta entropica a diminuire la superficie di contatto che viene definita forza idrofobica, ovvero il legame idrofobico dove l’acqua spinge porzioni idrofobiche di molecole a interagire le une con le altre. Un esempio è il comportamento dell’acqua con i saponi: essi posseggono una testa polare e una coda apolare, sono molecole anfifibiche; in ambiente acquoso l’acqua costringe le molecole a organizzarsi in modo da minimizzare la superficie di contatto con la parte idrofobica: si formano così le micelle, le quali sono caratterizzate dalla presenza delle teste polari rivolte verso l’esterno e le code verso l’interno.

Le proteine

Le proteine sono polimeri lineari informazionali costituiti da un allineamento di amminoacidi in ordine indefinito che si ripiegano per originare strutture di maggiore complessità; questi sistemi possono acquisire diversi livelli di struttura: primaria, secondaria, terziaria, quaternaria. La struttura primaria è l’ordine in cui sono disposti gli amminoacidi. Queste catene di monomeri (amminoacidi) si organizzano poi nello spazio a dare strutture di maggior complessità per poi dare strutture ancora più complesse (terziarie). La struttura quaternaria è data dalla composizione di più elementi della struttura terziaria.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono l’elemento fondamentale costituente delle proteine, sono i loro monomeri; la maggior parte degli amminoacidi sono alfa-amminoacidi; l’atomo di C centrale è sempre legato a un H, un gruppo R generico, gruppo carbossile COOH e un gruppo amminico NH₂; si hanno quindi quattro sostituenti diversi sullo stesso C che sono originari di isomeri. Nelle proteine sono presenti solo L-amminoacidi; l’altro stereoisomero (D) non è in grado di venire inserito nelle proteine (si negli antibiotici e in alcune strutture delle pareti batteriche) e per questo la presenza di D-amminoacidi negli alimenti viene visto come un indice di contaminazione.

Un amminoacido è una molecola anfoterica: può assumere cariche diverse in ragione del pH dell’ambiente in cui si trova; ci sono due gruppi in grado di ricevere/assorbire protoni: il gruppo amminico può riceverli e il gruppo carbossilico può perderli; la volontà di perdere il protone dalla parte amminica NH₃⁺ NH₂ e di assorbirlo dalla parte carbossilica COOH COO^- è misurata esprimendo la costante di dissociazione acida dei due gruppi; per NH₃ il pKa è circa 9 e per COOH il pKa è circa 2. A pH 9 metà e metà per NH₃; tra pH 9 e pH 2 l’amminoacido esiste nella forma con COO^- e NH₃⁺, ovvero nella forma zwitterionica dell’amminoacido con sia la carica positiva e quella negativa. Questo rende gli amminoacidi delle molecole anfoteriche, ossia che hanno la capacità di adattare la carica in base al pH.

Ciò che determina le proprietà degli amminoacidi è il gruppo R e la sua natura; per comodità si distinguono le catene laterali in una serie di famiglie in base all’affinità che queste hanno con l’acqua: si hanno così amminoacidi idrofobici (apolari), polari, neutri e carichi.

Gli amminoacidi idrofobici presentano catene voluminose e non in grado di interagire con l’acqua: triptofano, fenilalanina e tirosina sono strutture planari ricche in doppi legami e si identificano come amminoacidi aromatici; altri amminoacidi apolari con catene di tipo idrocarburico sono valina, leucina, isoleucina; vi è poi la metionina (essenziale), la quale contiene un tio-etere; la cisteina presenta invece un tiolo; l’alanina presenta il gruppo metile CH₃; infine la glicina ha un H come gruppo R.

Ci sono poi gli amminoacidi polari per la presenza di funzioni in grado di legare l’acqua: gli idrossi-amminoacidi presentano il gruppo OH, il quale è in grado di dare un legame con l’acqua e questi sono la serina e la treonina; ci sono poi quelli che presentano una parte carbossilica che può essere presente in due forme: ammidata (asparagina e glutammina) e non (acido glutammico e acido aspartico). Quando si ha il gruppo amminico non c’è nulla che si possa dissociare e quindi sono amminoacidi polari neutri, mentre con la forma non amminica si parla di amminoacidi polari carichi, con la carica negativa presente sul gruppo carbossilico.

È interessante notare che nei cereali la glutammina è cinque volte più abbondante dell’acido glutammico; questo perché: le proteine del grano hanno la funzione di aiutare la pianta a crescere, la quale necessita dell’azoto e quindi depositare le proteine con la glutammina significa avere a disposizione molto più azoto; inoltre, la struttura dell’acido glutammico è più disposta a legarsi con l’acqua (chicco grano più compatto senza acqua); infine, se è presente meno acqua, quando il chicco è messo nel terreno, l’assorbimento dell’acqua può essere progressivo e le proteine non si sciolgono e restano nel seme per poi far nascere la pianta.

Ci sono poi gli amminoacidi che presentano una catena laterale in grado di acquisire una carica positiva: è il caso della lisina, la quale è molto basica; l’arginina, anche essa molto basica; l’istidina, la quale è protonabile ma è più difficile in quanto è un amminoacido ciclico; infine la prolina, la quale è un amminoacido che deriva da ciclizzazione del glutammato.

pH

In molti amminoacidi lo stato di carica varia in funzione del pH; i valori che interessano vanno da un minimo di 1,8 (succo gastrico) fino a un valore massimo di 8,2 (bianco uovo). Al cambiare del pH una specie dissociabile ha un particolare comportamento: se il pH si alza si hanno meno protoni e quindi sarà più abbondantemente la specie non protonata; se il pH si abbassa si hanno più protoni e quindi prevale la specie protonata. Tutto questo è descritto dalla legge di Henderson-Hasselbach, la quale afferma che più ci si allontana dal valore di pk di un certo gruppo più questo sarà protonato: pH = pK + log (A)/AH).

Il valore di pK è dato dal suo intorno chimico: es. acido fosforico H₃PO₄ possiede tre gruppi OH; se gli tolgo un protone si ottiene H₂PO₄^- poi anche un secondo protone HPO₄^2- e terzo PO₄^3-. Si hanno quindi tre possibili dissociazioni e i valori di pK per ciascuna dissociazione sono differenti: della terza è 12, della seconda è 7 e della prima è 2. Questo perché l’ultima specie possiede tre cariche negative, è estremamente attraente per qualunque protone; la terza ha due cariche negative e quindi perché un protone vada su questa specie ci vuole più forza; infine, nella seconda forma c’è bisogno di tanti protoni per riuscire a protonare l’ultimo ossidrile. La voglia da parte della molecola di acquisire protoni varia in base al grado di dissociazione.

Quando il pH = pK il rapporto tra le due specie coinvolte vale 1: A/AH=1. Gli amminoacidi presentano due valori di pK a causa della dissociazione del gruppo amminico e quello del gruppo carbossilico; se il pH varia si può andare dalla specie carica positivamente a quella completamente carica negativamente. Per tutti gli amminoacidi e proteine è possibile definire un valore di pH a cui la carica netta della molecola è pari a 0 perché si ha un egual numero di specie cariche positivamente e negativamente. Questo valore di pH viene definito punto isoelettrico pI. Il punto isoelettrico si determina: COOH/COO^- pKa = 2,2 e NH₃^{+/NH₂ pKa = 9,2 pI = (pKa1 + pKa2)/2 = 11,4/2 = 5,7 si tratta quindi della media tra i due valori di pKa.}