Biochimica - Programma completo

Introduzione biochimica

Parte della scienza che studia il metabolismo cellulare degli organismi viventi, ossia l’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono all'interno di una cellula. Le reazioni chimiche che avvengono sono tra loro concatenate, per questo si parla di vie metaboliche. Ogni via metabolica è condizionata da un’altra in quanto sono concatenate. La patologia è dovuta ad uno squilibrio di un processo biochimico.

I carboidrati, le proteine e i lipidi sono molecole chimiche che costituiscono le cellule e di conseguenza l’organismo umano. Sono anche dette macromolecole in quanto sono molto grandi e hanno un elevato peso molecolare. Sono le molecole che svolgono un ruolo strutturale e funzionale nella cellula. Queste molecole sono:

• Proteine
• Carboidrati: che possono essere chiamati anche zuccheri, glucidi e saccaridi.
• Lipidi: anche chiamati grassi.
• DNA e RNA: sono macromolecole metaboliche molto importanti ma che non vengono studiate dalla biochimica.

Insieme a queste categorie di macromolecole ci sono delle molecole con peso molecolare più basso che assistono le macromolecole a svolgere le loro funzioni. Queste sono le vitamine di cui le cellule necessitano come necessitano delle macromolecole, e i coenzimi che svolgono un ruolo molto simile alle vitamine.

Le proteine

Sono le macromolecole più abbondanti del nostro corpo. Hanno una struttura molto semplice, perché sono costituite da solo amminoacidi, ma sono molto versatili, molto di più delle altre macromolecole. Svolgono un ruolo di:

• Catalizzatori: in tutte le vie metaboliche intervengono le proteine come catalizzatori. Lo studio della biochimica si concentra sugli enzimi. L’enzima è un catalizzatore, cioè una specie chimica che aumenta la velocità di una reazione chimica. La velocità di reazione chimica equivale alla quantità di substrato che si trasforma nell’unità di tempo. Gli enzimi sono importanti perché le reazioni chimiche in generale sono molto lente e questo è problematico per la sopravvivenza dell’organismo. Per questo ogni reazione chimica che avviene all’interno del corpo presenta un enzima, ossia ogni passaggio della via metabolica viene catalizzata da un enzima specifico.
• Strutturale: come per esempio nei tessuti connettivi e nella matrice extracellulare.
• Trasporto: proteine che hanno il compito di trasportare da dentro a fuori e da fuori a dentro alla cellula.
• Deposito: come la ferritina, che forma una tasca dove viene immagazzinato il ferro che serve al trasporto dell’ossigeno nel sangue.
• Contrattile: come actina e miosina.
• Ormoni: molte proteine sono ormoni, sono importanti. Sono sostanze che vengono rilasciate nel sangue in piccole quantità e vengono prodotte da tessuti endocrini. Hanno funzione di coordinare le attività metaboliche di organi diversi. Hanno funzione di regolare la risposta di organi anche molto lontani in funzione di uno specifico stato metabolico.
• Protezione: proteine sono anticorpi.
• Regolatori dell’espressione genica: come i fattori di trascrizione, agenti che consentono l’espressione di solamente alcuni geni.
• Trasduzione del segnale: trasduzione intracellulare del segnale è la catena di reazioni che, ricevendo segnali da molecole messaggere (es. ormoni) tramite recettori proteici della superficie cellulare, interagisce con bersagli molecolari intracellulari di vario tipo per attivare o disattivare l'espressione genica di fattori di trascrizione, i quali sono essenziali per la regolazione dell'espressione genica di altri geni.

Le proteine sono polimeri, ossia macromolecole molto diffuse, che sono costituite da un certo numero di gruppi molecolari detti unità o monomeri del polimero. Questi gruppi molecolari sono uguali tra loro o molto simili, sono legati da stesso tipo di legame chimico detto covalente. Il legame covalente si stabilisce tra due atomi che formano un orbitale molecolare per condivisione di elettroni ed è un legame forte. I legami non covalenti sono detti deboli perché si formano tra molecole che non condividono elettroni, ma sono unite tramite forze elettrostatiche.

Le proteine sono polimeri lineari non ramificati, ossia le singole unità monomeriche sono collegate a catena testa-coda senza ramificazioni laterali. L’unità chimica che si ripete sono gli amminoacidi, e tutte le proteine sono formate da una combinazione lineare di 20 tipi diversi di amminoacidi. La struttura generale di un amminoacido è: un carbonio legato a un gruppo carbossilico e un gruppo amminico.

All’interno di una molecola chimica ci sono dei gruppi di atomi legati tra loro che hanno una particolare reattività chimica, ossia che sono in grado di reagire con altri gruppi di atomi a formare dei legami chimici ben specifici. Questi sono detti gruppi funzionali, in quanto definiscono la reattività chimica della molecola.

• Gruppo carbossilico: gruppo chimico con carbonio legato al gruppo OH detto ossidrilico e legato con un doppio legame all’ossigeno.
• Gruppo amminico: azoto legato a due atomi di idrogeno. Azoto forma sempre tre legami covalenti. Questo gruppo si trova nelle proteine ma anche in altre molecole biologiche come le basi azotate e gli zuccheri.

Gli amminoacidi si differenziano tra loro grazie ad un gruppo R (radicale) caratteristico di quell’amminoacido, importante perché ne determina le caratteristiche. Quando una proteina viene sintetizzata, avviene una reazione chimica tra gli amminoacidi che la compongono, ossia il gruppo amminico di un amminoacido agisce con il gruppo carbossilico di un altro. In questa reazione chimica si ha la perdita di una molecola d’acqua e la formazione di un legame tra l’azoto del gruppo amminico e il carbonio del gruppo carbossilico. Questo legame è detto amminico, ma nel caso delle proteine è detto peptidico. Nella sintesi di una proteina, si formano diversi legami tra più amminoacidi. In questo modo gli amminoacidi all’interno della catena non presentano un gruppo carbossilico e uno amminico perché sono impegnati nel legame. Si avrà quindi ad un’estremità il gruppo amminico libero del primo amminoacido, e all’altra il gruppo dell’ultimo amminoacido. Si parla quindi di estremità N terminali e C terminali.

In alcune proteine esistono amminoacidi che si differenziano per poco dai 20 amminoacidi classificati, ossia per l’aggiunta di un gruppo chimico nella catena laterale. Sono detti amminoacidi modificati, hanno subito una modifica post-trasduzionale. La proteina una volta sintetizzata subisce, attraverso dei specifici processi metabolici, una modifica di alcuni amminoacidi. Questi amminoacidi modificati servono a dare una particolare reattività chimica alla proteina o una particolare struttura alla proteina.

Struttura delle proteine

Una semplice catena lineare di amminoacidi non può essere chiamata proteina finché non raggiunge la sua struttura funzionale. Una catena lineare di amminoacidi si dice polipeptide. Nel caso di catene brevi si chiamano peptidi o oligopeptidi, mentre nelle proteine le catene sono molto lunghe. Per proteina si intende un polimero funzionale, ossia una catena polipeptidica che ha raggiunto una sua configurazione specifica.

La maggior parte (>50%) delle proteine sono formate da associazione di più catene polipeptidiche.

Cosa rende una proteina funzionale?

L’assunzione di una caratteristica conformazione. Ogni proteina è in grado di svolgere le sue funzioni solo quando ha raggiunto una specifica struttura tridimensionale a seguito del ripiegamento della catena polipeptidica. Questa struttura tridimensionale è detta conformazione della proteina. Se è formata da una sola catena polipeptidica allora la proteina assume una conformazione che coinvolge solo la singola catena. Se è invece formata da più catene polipeptidiche, ogni catena assumerà la sua specifica conformazione.

La funzione della proteina è strettamente legata alla sua conformazione, infatti se viene persa la sua conformazione, essa non è più in grado di svolgere la sua funzione. Quando una proteina si denatura si rompe la struttura 3D della proteina e quindi essa non è più funzionale. Anche piccole modificazioni della conformazione della proteina possono causare delle patologie. Si hanno però delle modifiche strutturali della proteina che sono messe in atto dalla cellula per controllare l’attività delle sue proteine e i suoi enzimi. Questo avviene quando si hanno delle modifiche reversibili nella struttura di un enzima, volte ad attivarlo o disattivarlo all’occorrenza.

Per stabilizzare la configurazione della proteina ci sono al suo interno dei legami deboli che si vanno a formare tra le catene laterali di suoi specifici amminoacidi. Questi legami deboli sono di tipo elettrostatico e si possono rompere, come legame a idrogeno, interazione elettrostatiche e forze di Van der Walls. Permettono alla proteina di mantenere il loop e assumere la sua conformazione stabile. Anche una singola sostituzione di un amminoacido con altro porta alla perdita di parte della sua conformazione, poiché non c’è la possibilità di stabilire quel legame che permette la formazione di quel loop.

La conformazione di una proteina è determinata dalla sua sequenza amminoacidica in quanto la vicinanza o meno di due amminoacidi permette la formazione di un legame elettrostatico o no. Quando proteina viene sintetizzata assume spontaneamente la sua conformazione, ci sono perfino alcune proteine che cominciano ad assumere la loro conformazione già in fase di sintesi. Questo è dovuto al fatto che la proteina assumendo la sua struttura specifica diventa stabile.

Gerarchie di struttura

• Struttura quaternaria: quando la proteina è formata da più catene polipeptidiche. Non tutte le proteine hanno una struttura quaternaria, ma la maggior parte si.
• Struttura terziaria: regioni della proteina che sono organizzate ad alfa elica o beta foglietto. Si possono trovare quindi all’interno di una proteina diverse regioni con diverso tipo di ripiegamento. Alcuni sono ripiegamenti regolari, altri sono ripiegamenti che apparentemente non hanno una regola di disposizione ma sono caratteristici di un tipo di proteina. La maggior parte delle proteine sono costituite dalla catena polipeptidica a cui sono legati tramite dei legami chimici covalenti dei gruppi chimici non di natura proteica. Questi sono legati a specifici amminoacidi della catena e sono chiamati gruppi prostetici della proteina. Il gruppo prostetico forma, assieme alla proteina, l’unità funzionale. In tutte le proteine di membrana il gruppo prostetico è un carboidrato, e le proteine si dicono glicosilate. La modifica della proteina mediante l’aggiunta di gruppi prostetici avviene dopo la sintesi della proteina, durante l’assunzione della sua conformazione o a seguito di essa. Questi gruppi possono essere anche molto pesanti e di diversa natura, ma costituiscono una parte fondamentale della proteina. Es nell’emoglobina non è la proteina che lega l’ossigeno ma è il suo gruppo prostetico (gruppo eme) che permette questo legame.
• Struttura secondaria: si distinguono le regioni ad alfa elica e beta foglietto.
  • Alfa elica: la catena polipeptidica è avvolta attorno ad un asse a formare una singola elica. Questa struttura è stabilizzata da legami idrogeno, che si formano tra idrogeno legato ad un atomo di azoto o ossigeno e un altro atomo di azoto o ossigeno di una molecola vicina. Il legame idrogeno è molto importante in tutte le molecole biologiche.
  • Beta foglietto: si forma una struttura planare in cui la catena si ripiega a formare delle regioni che hanno un andamento parallelo. Anche in questo caso la struttura è stabilizzata da un legame a idrogeno.
• Struttura primaria: catena di amminoacidi. La sua conformazione della proteina dipende dalla struttura primaria in quanto dipende dagli amminoacidi legati delle catene. Per questo motivo anche una piccola modificazione della sequenza di amminoacidi nella catena porta alla disfunzione di quella proteina.

Anemia falciforme: tipico esempio di modifica di una proteina. È una malattia genetica in cui si ha una singola mutazione in un gene che codifica per una subunità della proteina (mutazione puntiforme). La modificazione di un singolo amminoacido porta alla sintesi di emoglobina che non trasporta efficacemente l’ossigeno. Detta falciforme perché il globulo rosso assume un aspetto a falce.

Le modifiche conformazionali fisiologiche (attivo - disattivo enzima) non coinvolgono la sostituzione di amminoacidi, sono modifiche chimiche a carico di alcuni amminoacidi che sono reversibili. Si ha quindi una via metabolica che permette la modificazione della proteina e un’altra che consente di ritornare alla configurazione iniziale.

I lipidi

Sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, che possono essere molto diversi chimicamente tra loro, ma hanno una caratteristica chimico-fisica comune. Sono insolubili in acqua e solventi polari, mentre sono solubili nei solventi apolari. Nel nostro corpo troviamo:

• Acidi grassi
• Trigliceridi
• Colesterolo
• Fosfolipidi
• Vitamine liposolubili: A, D, E, K. Vitamine che accumuliamo nel nostro organismo perché le conserviamo nel tessuto adiposo.

Acidi grassi: lipidi più comuni nell’organismo e corrispondono al 90% dei grassi assunti con la dieta. Hanno funzione energetica importante ed è per questo che i nutrienti assunti in eccesso nel nostro organismo vengono trasformati in acidi grassi che vengono poi conservati nel tessuto adiposo. Svolgono una funzione di protezione meccanica di alcuni organi particolarmente importanti per l’organismo come cuore, fegato, milza e reni. Questi organi sono circondati da un pannicolo adiposo che funge da cuscinetto protettivo. Gli acidi grassi sono inoltre componenti dei fosfolipidi di membrana. Chimicamente sono molto semplici poiché contengono solo C, H e O. Sono formati da una catena di atomi di carbonio. La lunghezza della catena varia a seconda del tipo di acido grasso: acidi grassi a catena corta sono prodotti dal nostro organismo, acidi grassi a lunga catena (più di 10 atomi di C) sono acidi grassi che sono introdotti con la dieta. La maggior parte degli acidi grassi presenti nell’organismo sono a lunga catena.

Gli acidi grassi sono lipidi che presentano un gruppo funzionale caratteristico: il gruppo carbossilico. Questo gruppo è l’unica porzione reattiva dell’acido grasso. Si distingue tra acidi grassi:

• Saturi: acidi grassi dove il carbonio ha tutti legami covalenti singoli. A temperatura ambiente si trovano in forma solida. (Es. acidi grassi animali come il burro)
• Insaturi: quando vi sono nella catena uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio. A temperatura ambiente sono in forma liquida. (Es acidi grassi vegetali come olio).

I grassi insaturi e saturi generano risposte metaboliche diverse nell’organismo proprio a causa dei doppi legami.

Trigliceridi

Strettamente connessi agli acidi grassi. Quando noi assumiamo e accumuliamo acidi grassi, li depositiamo sotto forma di trigliceridi. Nel sangue gli acidi grassi sono trasportati associati a strutture molecolari complesse dette lipoproteine. Sono strutture che nascono dall’associazione di proteine, trigliceridi, colesterolo e fosfolipidi. Sono costruzioni sovramolecolari in quanto nascono dall’unione non covalente di questi composti. Formati da una molecola di glicerolo, che contiene il gruppo alcolico che è particolarmente reattivo con i gruppi carbossilici. Reagiscono tra loro formando un legame estere che genera una molecola d’acqua e lega un gruppo alcolico della molecola di glicerolo con una molecola di acido grasso. Questo composto è detto trigliceride, ossia un estere degli acidi grassi. In questa forma gli acidi grassi sono immagazzinati nel nostro organismo. Quando un acido grasso deve essere degradato, si rompe il legame estere, liberando la molecola. Gli acidi grassi che formano il trigliceride non sono necessariamente tutti uguali tra loro.

Fosfolipidi

Struttura simile ai trigliceridi. Formati da una molecola di glicerolo, due acidi grassi che formano un legame estere solo con due gruppi alcolici del glicerolo e un gruppo fosfato legato mediante legame estere con il terzo gruppo alcolico. Da questo deriva il nome fosfolipidi. Al gruppo fosfato può essere legata una catena o gruppo che determina la tipologia di fosfolipide. Una caratteristica dei fosfolipidi è quella di avere una testa idrofilica (che consiste nella porzione costituita dal gruppo fosfato e il gruppo R) e una porzione idrofobica (costituita da acidi grassi).

Colesterolo

Ha struttura chimica molto differente rispetto alla struttura degli acidi grassi o glicerolo. Componente fondamentale della membrana plasmatica di tutte le cellule insieme ai fosfolipidi di membrana. Ha la funzione di regolare la fluidità della membrana plasmatica. Dal colesterolo tramite vie metaboliche vengono sintetizzati gli acidi o sali biliari che sono molto importanti a livello digestivo. Inoltre a partire dal colesterolo vengono sintetizzati gli ormoni steroidei e la vitamina D. Essa è fondamentale per la fissazione del calcio nelle ossa, e la maggior parte di quella che è presente nel nostro organismo viene sintetizzata a livello dell’epidermide in presenza di radiazioni UV a partire dal colesterolo. Il colesterolo nel nostro organismo per la maggior parte è sintetizzato dal nostro corpo a livello del fegato. Poiché parte del colesterolo viene assunto con la dieta, ci sono dei meccanismi di regolazione della produzione del colesterolo per mantenere un livello controllato.