Biochimica - Principi di biochimica

Biochimica

Introduzione

Il corso è diviso in tre parti:

Principali molecole che costituiscono le cellule

• Carboidrati, semplici e complessi, che sono i monosaccaridi, i disaccaridi, gli oligosaccaridi e i polisaccaridi di crescente complessità strutturale. Maggiore è la complessità strutturale, maggiore è la complessità funzionale (questo vale per tutte le biomolecole). Sono idrosolubili.
• Lipidi, che sono acidi grassi, trigliceridi, glicolipidi, glicosfingolipidi, fosfolipidi (di natura non stereoidea), colesterolo e derivati (di natura stereoidea).
• Proteine, costituite dagli amminoacidi e che presentano 4 livelli di organizzazione: la struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria di complessità crescente. Possono essere di due tipi: globulari (emoglobina) e fibrose (collagene). Le proteine possono essere costituite non solo da amminoacidi, ma anche da questi insieme ad altre molecole, formando un gruppo di molecole particolari, le proteine coniugate, di cui fanno parte le lipoproteine (amminoacidi + lipidi) e glicoproteine (amminoacidi + zuccheri).
• Basi azotate e i loro principali derivati, i nucleotidi e di conseguenza gli acidi nucleici.
• Vitamine, composti idrosolubili e liposolubili, che formano i coenzimi, composti particolari che coadiuvano l’azione degli enzimi.

Enzimi e catalasi enzimatica

• Natura;
• Nomenclatura e classificazione;
• Cinetica delle reazioni enzimatiche (calcolo della velocità);
• Inibizione degli enzimi;
• Regolatori allosterici;
• Effetto cooperativo;
• Controllo dell’attività enzimatica;
• Specificità del substrato;
• Meccanismo che inibiscono la velocità delle reazioni enzimatiche, la natura dei siti attivi.

Introduzione al metabolismo

• Bioenergetica;
• Termodinamica e redox;
• Derivati fosforici ad alta energia;
• Aspetti generali del metabolismo.

Metabolismo

Glucidico

• Glicolisi (rottura del glucosio);
• Gliconeogenesi (formazione del glucosio);
• Ciclo di Krebs;
• Fosforilazione ossidativa;
• Sintesi di NADPH (composto fondamentale per i viventi) e dei pentosi fosfati (necessari per gli acidi nucleici soprattutto degli organismi in crescita o per riparare, perché generano i nucleotidi);
• Metabolismo del glicogeno (importante fonte di energia).

Lipidico

• Ossidazione e sintesi degli acidi grassi (importanti per i fosfolipidi, presenti nelle membrane biologiche);
• Sintesi del colesterolo e la chetogenesi (una via di recupero che si attua quando nella sintesi del colesterolo non funziona qualcosa).

Amminoacidico

(amminoacidi essenziali = amminoacidi che l’uomo deve introdurre con l’alimentazione, perché non in grado di biosintetizzarli)

• Transaminazione;
• Deaminazione;
• Ciclo dell’urea (costoso, ma molto importante perché permette di eliminare una sostanza tossica per l’organismo, soprattutto per il sistema nervoso centrale, l’ammoniaca);
• Decarbossilazione degli amminoacidi (genera i derivati amminoacidici, gli amminobiogene).

Metabolismo delle basi azotate

• Catabolismo e biosintesi delle basi pirimidiniche;
• Catabolismo delle basi puriniche.

Gruppi chimici di interesse biologico e formazione di legami molecolari e macromolecolari

Metile

Il metile è un gruppo semplice, debolmente idrofobico, non polare e non ionico, quindi non presenta un addensamento di carica e non dissocia. Può essere però facilmente ossidato a ossidrile, diventando idrossimetile, processo che comporta il trasferimento di due elettroni, con conseguente cambiamento delle proprietà. È poco reattivo nella formazione dei legami covalenti ed è presente negli acidi grassi e in alcuni amminoacidi definiti idrofobici.

Idrossimetile

È fortemente polare ma non ionico, anche se in alcuni casi può dissociare in CO^-, comportandosi quindi da acido. Può essere rapidamente ridotto a metile e ossidato a carbonile con il trasferimento di due elettroni. È altamente reattivo, capace di generare legami covalenti e non, in particolare il legame etere e il legame estereo. Il legame etere è un legame tra due gruppi alcolici, con l’eliminazione di una molecola d’acqua, in cui l’ossigeno è a ponte tra i due carboni. Per romperlo, gli enzimi utilizzano l’acqua, per questo si chiamano idrolasi. È fondamentale per gli zuccheri, non a caso un esempio di legame etere è il legame glicosidico.

Il legame estereo avviene tra un gruppo acido (carbossilico, fosfato etc.) e un gruppo alcolico, cioè due gruppi estremamente reattivi, sempre con l’eliminazione di una molecola d’acqua. È presente in diversi intermedi metabolici.

Carbonile

Caratterizza due tipi di composti: le aldeidi (che presentano come sostituente sul C carbonile un H) e i chetoni (in cui i sostituenti sul C carbonile non sono un H). È debolmente polare e non ionico. Le aldeidi sono più reattive dei chetoni, quindi la loro piccola differenza strutturale corrisponde a una grande differenza funzionale. Viene rapidamente ridotto a un ossidrile e ossidato a carbossile, con il trasferimento di due elettroni. Forma un importante legame covalente, la base di Shiff, che interviene nella transaminazione. È una reazione tra un carbonile cheto gruppo con uno amminico, con l’eliminazione di una molecola d’acqua. Questo gruppo è presente nei carboidrati e negli intermedi metabolici, gli alfa chetoacidi e i beta chetoacidi, grazie alla sua capacità di formare i carbocationi, che presentano un addensamento di carica negativa sull’O e positiva sul C e che possono formare legami covalenti con il carboanione.

Carbossile

Deriva dall’ossidazione del carbonile e non può essere ulteriormente ossidato, quindi è l’ultimo livello di ossidazione del C. È fortemente reattivo e polare, può dare legami covalenti e non: esterei e anidridi. Il legame anidridico avviene tra due gruppi acidi (carbossilici o fosforici) con l’eliminazione di una molecola d’acqua e con l’ossigeno a ponte. Genera anidridi di vario tipo ed è presente in diversi intermedi metabolici ad alto contenuto energetico, quindi in molecole che, una volta idrolizzate, producono energia. Il gruppo carbossile è fortemente ionico, quindi può dissociare facilmente in COO^- e ha un pKa inferiore a 5. È presente negli amminoacidi, negli acidi grassi, acidi organici ed è molto importante per la sua reattività. Può essere ridotto a carbonile.

Amminico

È costituito da un azoto legato a 2 H e a un altro sostituente. È fortemente polare, genera legami polari ed è cationico, cioè si protona e forma NH₃⁺, che è una base molto forte. È presente in alcuni fosfolipidi. È estremamente reattivo e forma 2 tipi di legami covalenti: la base di Shiff (reagendo con un carbonile) e il legame carbamidico. Quest’ultimo è presente negli amminoacidi e in diverse vitamine e consiste nella reazione tra un gruppo amminico e un gruppo carbossilico, che porta alla formazione di ammidi con l’eliminazione di una molecola d’acqua. È presente nel metabolismo amminoacidico di alcuni amminoacidici. Può essere rotto dalle proteasi, che appartengono al gruppo delle idrolasi.

Fosfato

Il gruppo fosfato è fortemente polare, anionico e si comporta come acido forte, quindi può dissociare ed è in grado di formare diversi legami. Tra i legami covalenti ci sono:

• Legame fosfodiesterico, cioè tra un gruppo alcolico e un fosfato (acido), tiene unite per esempio le basi azotate negli acidi nucleici.
• Legame fosfoanidridico, avviene tra il fosfato e un acido.

Il fosfato è presente in numerosi intermedi metabolici e presenta diverse funzioni:

• Può formare legami ad alto contenuto energetico, quindi svolge un ruolo importante in bioenergetica;
• È presente in diversi enzimi e coenzimi, quindi lega la proteina nel sito attivo, quindi è il sito di riconoscimento;
• Controlla l’attività di alcuni enzimi, cioè cambia la struttura di alcune proteine enzimatiche, quindi ne controlla l’attività.

Tiolo o sulfidrile

Ricorda l’ossidrile e si comporta in maniera simile: è debolmente polare e raramente si comporta da acido debole. Presenta un addensamento di carica positiva sul H e di carica negativa sullo zolfo. Può essere rapidamente ossidato e ciò porta nelle proteine a perdere l’attività biologica. Un solo amminoacido porta un tiolo, la cisteina, presente nelle proteine, dove stabilizza la struttura e l’attività. Lo si trova anche nel coenzima A, che ha un ruolo importante nel metabolismo, perché coadiuva l’attività di molti enzimi, in questo coenzima il tiolo è il sito attivo. Forma due tipi di legami covalenti:

• Il legame tioestereo, cioè il legame tra un gruppo acido (di solito carbossilico) e un tiolo, con l’eliminazione di una molecola d’acqua ed è ad alto contenuto energetico.
• Ponte disolfuro, cioè il legame tra due gruppi tiolici, con l’eliminazione di due atomi di H, è relativamente debole rispetto a altri legami covalenti, per questo è vantaggioso, in quanto si può rompere e riformare più facilmente.

Riassumendo, grazie a reazioni redox si può partire dal metile, che è il livello più basso di ossidazione, per arrivare al carbossile. Essendo il livello più basso, i composti che contengono il metile, sono in grado di generare maggiore energia. Ossidando il metile, si ottiene un alcol primario con il trasferimento di due elettroni (se il trasferimento è di un solo elettrone si forma un radicale libero, che è un elemento dannoso). Se si ossida un alcol si ottiene un aldeide, che è presente in derivati ridotti degli zuccheri. Si arriva poi all’ossidazione massima che si può raggiungere negli esseri viventi, che è l’acido carbossilico. Il processo può avvenire in direzione inversa tramite la riduzione. Se si ossida un alcol secondario, si ottiene un gruppo chetonico che è meno reattivo, ciò è importante a livello della glicolisi.

Legami

Tutti i gruppi di interesse biologico formano legami o interazioni. Il legame chimico è la forza che mantiene uniti gli atomi nella formazione di molecole e macromolecole. In biochimica sono molto importanti i legami deboli. Esistono infatti diversi legami:

• Covalente, ottenuto dalla condivisione di una o più coppie di elettroni. Nelle molecole biologiche sono presenti legami covalenti deboli, come zolfo – zolfo oppure S – H, che presentano poco più della metà rispetto a C – H. Generano gli scheletri delle molecole biologiche. Affinché le molecole possono svolgere le funzioni biologiche, c’è bisogno di una serie di legami deboli, perché possono essere rotti e riformati in altro modo, permettendo l’interazione tra i gruppi.
• Ionico: attrazione tra ioni di carica opposta. Esistono dei composti in grado di creare degli ioni. La formazione degli ioni avviene in ambiente acquoso, in cui le cariche possono interagire con l’acqua.
• Forze di Van Der Waals: interazioni elettrostatiche tra addensamenti di cariche opposte dovuti alla differenza di elettronegatività degli atomi coinvolti nel legame covalente delle molecole coinvolte nell’interazione. Può essere tra una carica e un dipolo (ione – molecola con addensamento), tra due dipoli oppure tra carica e dipolo indotto (apolare, in cui si forma un addensamento per la vicinanza della carica).
• Legame a H: gran parte delle reazioni biologiche avviene in ambiente acquoso. È un interazione di tipo Van der Waals, che mette in compartecipazione tra le due molecole un idrogeno, queste due molecole sono un donatore e un accettore di una coppia di elettroni. È molto importante perché per esempio tiene unita la doppia elica degli acidi nucleici.

L’energia richiesta per formare questi legami è molto diversa. I legami covalenti sono estremamente energetici, quindi serve molta energia per romperlo e per riformarlo, i legami a H ce ne vuole meno. I più deboli sono le forza di Van der Waals.

• Interazioni idrofobiche: avvengono tra gruppi apolari, cioè gruppi chimici che non sono idrofilici, cioè non sono capaci di interazioni con l’ambiente acquoso, sono in genere catene alifatiche e gruppi aromatici. Si forma quando sono immerse in ambiente acquoso, in cui non solvatano, non si forma un guscio d’acqua, ma interagiscono tra di loro. Nel nostro corredo molecolare ci sono molte molecole antipatiche, cioè che all’interno delle loro strutture hanno due caratteristiche chimiche diverse: una porzione idrofobica che è importante, in genere una catena e una porzione idrofilia. Un esempio sono i fosfolipidi. Quando vengono messe le molecole anfipatiche in ambiente acquoso, si formano delle micelle, cioè strutture sferiche, costituite da una serie di molecole antipatiche, le cui porzioni idrofobiche interagiscono tra loro mentre quelle idrofili che sono rivolte verso l’ambiente, oppure si formano delle vescicole a doppio strato, costituite da due serie di molecole antipatiche, unite tramite le porzioni idrofobiche e con le porzioni idrofili che rivolte verso un ambiente esterno da una parte e un ambiente interno dall’altra. Ciò ha permesso la formazione delle cellule.

Composti eterociclici

I composti eterociclici sono sostanze organiche cicliche, che possono essere alifatiche o aromatiche, in cui l’anello contiene uno o più eteroatomo, cioè un atomo o un gruppo di atomi diversi dal carbonio, che conferisce le proprietà ai composti eterociclici.

Carboidrati

I carboidrati sono un’importante fonte di energia, ma hanno altre funzioni, legate alla complessità dei vari zuccheri. Possono essere semplici e complessi. Gli zuccheri non liberano solo energia in seguito a processi ossidativi, anche se sono più idonei i lipidi a questa funzione. Sono ampiamente distribuiti in natura, per esempio il glucosio prodotto dalla fotosintesi o il saccarosio estratto dalla canna da zucchero. Gli zuccheri che costituiscono le membrane biologiche intervengono nel riconoscimento intercellulare, quindi sono macromolecole essenziali, che costituiscono un codice di riconoscimento. Sono importanti nel riconoscimento intercellulare, per la costituzione delle matrici extracellulare. Dei derivati di zuccheri si trovano nelle molecole biologiche fra cui i coenzimi e acidi nucleici, quindi hanno un ruolo funzionale importante.

I polisaccaridi svolgono una grande varietà di funzione di natura strutturale, costituiscono le parete cellulari e i rivestimenti protettivi di molti organismi. Vengono utilizzati soprattutto i polisaccaridi vegetali e batterici. Ci sono poi dei polisaccaridi complessi che svolgono tanti ruoli funzionali. I carboidrati sono costituiti da C, H, O a cui si legano altri atomi come N, S e P negli zuccheri complessi. La formula generica (CH₂O)_n. Si suddividono in:

• Monosaccaridi;
• Disaccaridi;
• Oligosaccaridi;
• Polisaccaridi;

Con un progressivo aumento della complessità della struttura che comporta funzioni sempre più evolute.

Monosaccaridi

Possono essere classificati in base al numero di C, che costituiscono lo scheletro carbonioso: triosi (3C), tetrosi (4C), pentosi (5C), esosi (6C), eptosi (7C) e in base alla natura del carbonio carbonilico, che può essere aldeidico, che si chiamano aldosi oppure chetonico, che si chiamano chetosi. Avranno caratteristiche diverse, perché aldeidi e chetoni hanno proprietà simili ma non uguali.

Il nome è dato da:

• Suffisso –oso comune per tutti i monosaccaridi;
• Prefisso aldo-, cioè il carbonile è aldeidico;
• Prefisso cheto-, cioè il carbonile è chetonico.

Il glucosio è un aldoesoso, quindi ha 6 C e un gruppo aldeidico, il fruttosio è un chetoesoso ha 6 C e un gruppo chetonico, il ribosio è un aldopentoso, quindi ha 5 C e un gruppo aldeidico e il sedueptolosio è un chetoeptoso, quindi ha 7C e un gruppo chetonico.

I triosi sono zuccheri più piccoli presenti in natura. Sono due in natura: il gliceraldeide (aldeide, capostipite degli aldosi) e il didrossiacetone (chetone, capostipite dei chetosi). Hanno la stessa composizione atomica, sono isomeri strutturali che differiscono per la localizzazione degli atomi di H dei doppi legami. Possono interconvertirsi tra loro.

Il didrossiacetone non è altro che il glicerolo in cui la seconda funzione è chetonica. La gliceraldeide ha come prima funzione l’aldeide e come seconda il glicerolo. Presenta due possibili strutture, a seconda della posizione del glicerolo:

• D – gliceraldeide, che presenta un OH a destra;
• L – gliceraldeide, che presenta un OH a sinistra.

Sono isomeri strutturali, chiamati enantiomeri, e possono intencorventirsi tra loro. In natura a partire dagli eucarioti unicellulari è presente la forma D, questo è vantaggioso, perché se così non fosse, si dovrebbe avere un patrimonio enzimatico doppio, ciò quindi comporta un risparmio di enzimi e di energia e un ordine nelle vie metaboliche. Nei batteri sono presenti entrambe le forme. Questa suddivisione vale anche per tutte le altre categorie di molecole organiche.

I monosaccaridi con più di tre C possono avere uno o più centri chirali. Si possono avere quindi due tipi di enantiomeri e diastereoisomeri. Partendo dalla gliceraldeide, aggiungendo un C, si ottengono due tetrosi. Se si aggiunge un ulteriore C si avranno 4 pentosi, poi 8 esosi, che sono tra loro diastereoisomeri. Gli enantiomeri si indicano D e L, che rappresentano l’orientamento del C chirale più lontano dal gruppo carbonilico, quindi del penultimo.