Biochimica - riassunto

Biochimica

La biochimica descrive strutture, meccanismi e processi chimici dell'organismo. Gli atomi si combinano tra loro con legame chimico, cioè l'insieme delle forze che li uniscono e rendono stabili, in cui l'atomo cede, acquista o condivide elettroni, per avere nel suo livello più esterno 8 elettroni, cioè un ottetto. Il legame chimico può essere ionico e covalente. Il legame ionico è una forza elettrostatica che si instaura tra due ioni di carica opposta, cioè cationi (-) ed anioni (+). Il legame covalente si instaura quando la differenza di elettronegatività tra due atomi non è tanto grande da permettere il trasferimento di elettroni da un atomo all'altro; se gli atomi sono uguali è puro, se sono diversi è polarizzato; il legame covalente può essere semplice, doppio o triplo, a seconda delle coppie di elettroni condivise tra gli atomi.

Le interazioni deboli, quindi non covalenti, sono legami a H, interazioni tra gruppi carichi, interazioni dipolo-dipolo, forze di van der Waals e interazioni idrofobiche. Esse singolarmente sono poco rilevanti ma insieme danno flessibilità e stabilità alle biomolecole. Il legame a H si instaura quando un atomo di H legato covalentemente ad un piccolo atomo elettronegativo è a una certa distanza da un altro atomo uguale. Esso può essere accettore o donatore ed è responsabile dello stato fisico dell'acqua. Allo stato solido ogni molecola d'acqua forma 4 legami a H, mentre allo stato liquido il numero di legami a H è minore. L'H₂O è il solvente universale dei sistemi biologici ed è un composto covalente ad elevata costante dielettrica. Essa forma legami a H con gruppi ossidrilici, chetonici, carbossilici e amminici, di cui sono ricche le biomolecole.

Soluzioni

Le soluzioni sono miscele di due o più sostanze pure, una delle quali presente in maggiore quantità, detta solvente, mentre quella in minore quantità è detta soluto. Si formano in seguito a interazioni tra soluto e solvente e in esse si può trovare un solo solvente, ma più soluti. Si possono avere soluzioni di gas in gas, liquidi in liquidi, solidi in solidi, gas in liquidi, solidi in liquidi. La concentrazione di una soluzione si esprime come percento (%), molarità (M), frazione molare (X), molalità (m) e normalità (N).

Gli acidi sono donatori di protoni, mentre le basi sono accettori. Un acido e una base formano una coppia coniugata. Ogni acido perde il suo protone e più è forte, maggiore è la tendenza a perdere il protone: la capacità di un acido di perdere un protone e formare la sua base coniugata dipende dalla Keq della reazione reversibile. I sistemi tampone sono soluzioni che mantengono invariato il valore di pH dopo aggiunta di acidi o basi forti. Sono costituiti da un acido debole e una base coniugata o da una base debole e un acido coniugato.

Reazioni chimiche

Una reazione è la trasformazione della materia dopo rottura di legami chimici nelle molecole di partenza, dette reagenti, con formazione di nuovi legami nelle molecole che si formano, dette prodotti. Le reazioni si distinguono in: neutralizzazione, in cui reagiscono un acido con una base; sintesi, in cui si forma un composto da elementi semplici e l'inverso è detto decomposizione; sostituzione, in cui due composti si scambiano parte della loro struttura; ossidoriduzione, in cui tra i reagenti c'è chi acquista elettroni, detto agente ossidante, che si riduce, e chi perde elettroni, detto agente riducente, che si ossida.

Le reazioni organiche sono quelle in cui si ha rottura e formazione di legami chimici nei composti organici e si distinguono in: addizione, in cui due composti diversi si sommano in un unico composto (A + B → AB); sostituzione, in cui una pozione di un composto è sostituita da un altro, e quindi da due molecole diverse se ne ottengono altrettante diverse (AB + C → A + BC); eliminazione, in cui da un composto si elimina una porzione, e quindi da una molecola se ne ottengono due diverse (AB → A + B); riarrangiamento, in cui i gruppi funzionali si spostano nella molecola considerata (ABC → ACB).

La rottura di un legame covalente può essere omolitica, in cui ognuno dei due atomi porta con sé un elettrone, con formazione di due specie reattive dette radicali; eterolítica, in cui uno degli atomi riceve entrambi gli elettroni, ottenendo un anione e un catione. In una reazione organica vi sono nucleofili ed elettrofili: i nucleofili sono atomi con eccesso di elettroni, ceduti ad altri atomi che ne sono carenti, cioè gli elettrofili. Anioni e basi sono nucleofili, cationi e acidi sono elettrofili.

Una reazione chimica può essere: esotermica, in cui la formazione di prodotti produce calore (∆H) e il contenuto energetico o entalpia (H) dei prodotti è inferiore a quello dei reagenti (∆H < 0); endotermica, in cui la formazione di prodotti assorbe calore e l'entalpia dei prodotti è superiore a quella dei reagenti (∆H > 0); spontanea, in cui la formazione di prodotti diminuisce l'energia libera (∆G < 0); non spontanea, in cui la formazione di prodotti aumenta l'energia libera (∆G > 0). L'entropia (∆S), invece, è indice del disordine del sistema.

Secondo la legge di azione di massa, a temperatura costante, in un sistema chimico all'equilibrio, c'è un rapporto costante dipendente dalla temperatura, detto costante di equilibrio (Keq), fra il prodotto dei prodotti e quello dei reagenti. Secondo il principio di Le Chatelier o dell'equilibrio mobile, dato un sistema di equilibrio, se si cambia un fattore che interviene in esso, questo si sposta neutralizzando il cambiamento.

Propedeutica biochimica

Secondo la teoria degli orbitali la configurazione elettronica del C allo stato fondamentale ha due elettroni in due orbitali p, due nell'orbitale 2s e in quello 1s e un orbitale 2p vuoto: in questo modo l'atomo di C ha 2 legami covalenti; ma il C ha 4 legami covalenti. La tetravalenza del C si può spiegare se un elettrone dell'orbitale 2s passa a quello 2p, con nuova configurazione, detta eccitata, con 4 elettroni spaiati. Per spostare l'elettrone dall'orbitale 2s a quello 2p vuoto, si formano due legami covalenti supplementari, con maggiore energia.

Nella formazione di legami covalenti tra C e H, si formano due tipi di orbitali: uno per sovrapposizione degli orbitali 1s dell'H e 2s del C, e tre identici per sovrapposizione degli orbitali 2p del C e i tre 1s dell'H. Quindi si formano tre legami covalenti identici e uno diverso. In realtà, però, i quattro legami covalenti tra C e H sono indistinguibili: questo perché, prima della formazione del legame, gli orbitali del C 2s e i 3 orbitali 2p si mescolano, generando 4 orbitali ibridi sp³ identici, che hanno energia intermedia tra quella dei due orbitali. L'ibridazione del C può anche essere parziale, cioè sp² in cui il C impegna l'orbitale 2s ma solo 2 dei 3 orbitali 2p. Infine il C può assumere anche ibridazione sp, in cui impegna l'orbitale 2s e solo uno dei 3 orbitali 2p. Il C forma un'infinità di composti in cui si possono riscontrare tutte e tre le ibridazioni. Quando in una formula ci sono più formule di struttura diverse e composti con proprietà diverse si parla di isomeria.

Idrocarburi

Gli idrocarburi sono composti di C e H distinti in alifatici e aromatici. Gli alifatici possono essere saturi e insaturi: dei primi fanno parte gli alcani, che hanno solo catene lineari o ramificate dai cicloalcani; tra i secondi troviamo gli alcheni, in cui vi è doppio legame tra due C ibridati sp², e gli alchini con triplo legame tra due C ibridati sp. Gli aromatici hanno molti doppi legami alternati a legami semplici e il composto di riferimento è il benzene (C₆H₆), in cui tutti gli atomi di C sono ibridati sp², ha tre doppi legami coniugati, per cui le due formule sono identiche e risonanti.

Gruppi funzionali

I gruppi funzionali sono atomi o raggruppamenti di atomi che danno proprietà funzionali o strutturali ai composti che li contengono. Si identificano con suffisso, in caso di massima priorità, o prefisso, se c'è un gruppo funzionale a più alta priorità. Si distinguono in:

• Ossidrilici (alcoli e fenoli)
• Eteri ed esteri
• Carbonilici (aldeidi e chetoni)
• Carbossilici (acidi carbossilici)
• Amminici (ammine)
• Ammidici (ammidi)
• Sulfidrilici (tioalcoli)

Alcoli e fenoli hanno un gruppo ossidrilico (-OH) legato a un atomo di C, che può appartenere a un gruppo alchilico, per gli alcoli, o arilico, per i fenoli. Il nome si ricava cambiando la desinenza in –olo dell'alcano della catena più lunga di atomi di C a cui è legato -OH. Gli alcoli sono composti polari con legame covalente C-O, formano legami a H intermolecolari e sono liquidi. Gli eteri hanno un atomo di O legato a due radicali (R₁ e R₂), che possono essere alchilici o arilici. Il nome si ricava precedendo alla parola etere l'elencazione alfabetica del radicale legato all'O. Hanno legame polare C-O, interazioni dipolo-dipolo, sono più volatili degli alcoli per assenza di legami a H intermolecolari.

Le aldeidi hanno un gruppo carbonilico (C=O) a cui è legato un atomo di H. Il nome si ricava cambiando la desinenza in –ale dell'alcano della catena più lunga di atomi di C contenente C=O. Sono polari e più volatili degli alcoli. I chetoni hanno due radicali alchilici e arilici legati a C=O. Il nome si ricava cambiando la desinenza in –one dell'alcano della catena più lunga di atomi di C contenente C=O. Sono polari e più volatili degli alcoli. Entrambi reagiscono con gli alcol e, per addizione nucleofila dell'alcol su C=O, formano semiacetali o semichetali.

Gli acidi carbossilici hanno un atomo di C legato al gruppo carbossilico (-COOH). Il nome si ricava cambiando la desinenza in –oico dell'alcano della catena più lunga di atomi di C contenente -COOH e facendo precedere al nome del composto la parola acido. Sono polari, meno volatili degli alcoli poiché hanno forti legami a H intermolecolari. Essi si dissociano in acqua formando ioni H⁺ e ione carbossilato. Inoltre esterificano con una molecola di alcol per formare un estere e una molecola di H₂O. Gli esteri sono composti volatili, utilizzati per conservare energia.

Le ammine hanno un gruppo amminico (-NH₂) legato a un radicale alchilico o arilico. Derivano dall'ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di H. Sono primarie se vi è un solo radicale alchilico legato ad N, secondarie se vi sono due radicali alchilici, terziarie se vi sono tre radicali alchilici o arilici. Gli ammidi hanno –NH₂ legato a C=O. Sono polari e solubili in acqua poiché hanno forti legami a H intermolecolari. Il nome si ricava dall'acido carbossilico corrispondente eliminando la parola acido e sostituendo la desinenza –oico con –ammide.

Proteine

Le proteine sono il prodotto finale dell'informazione genica e hanno funzioni strutturali (cheratine e collageno), di trasporto (emoglobina e albumina), catalitiche (enzimi), specializzate (immunoglobine). Esse possono essere fibrose e globulari e sono costituite da amminoacidi tenuti insieme da legame peptidico, che si forma per reazione dei gruppi –COOH e -NH₂ di due diversi amminoacidi e la conseguente eliminazione di una molecola di H₂O: è un legame molto forte perché stabilizzato per risonanza. Gli atomi di C, N e O del legame peptidico sono ibridati sp². Non è possibile la rotazione intorno al legame C-N per il parziale carattere di doppio legame. Gli atomi del legame peptidico sono in configurazione trans, cioè i due C alfa si trovano da parti opposte.

Gli amminoacidi sono composti organici costituiti da un atomo di C centrale legato a un gruppo -COOH e uno -NH₂. Essi differiscono tra loro per la catena laterale o gruppo R, che differisce per struttura, dimensioni e carica, influenzando le proprietà dell'amminoacido; questa distinzione classifica gli amminoacidi in non polari, polari carichi e non carichi: i non polari sono glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina e prolina; i polari non carichi sono serina, treonina, cisteina, metionina, asparagina e glutammina; i polari carichi sono glutammato e aspartato; ci sono poi quelli aromatici che sono fenilalanina, tirosina e triptofano. Altra classificazione è quella tra amminoacidi essenziali e non essenziali, di cui i primi non sono sintetizzabili col metabolismo e sono introdotti con la dieta.

Le proteine hanno una struttura tridimensionale con quattro livelli di organizzazione, caratterizzati da legami diversi:

• La struttura primaria è caratterizzata da legame peptidico, gli amminoacidi sono in sequenza nella catena polipeptidica e i gruppi peptidici sono incernierati da legami N-Cα e Cα-C. Sono, inoltre, presenti un'estremità N-terminale e una C-terminale.
• La struttura secondaria è caratterizzata da legami a H tra gruppi –NH e –C=O di gruppi peptidici diversi, che ripiegano nello spazio la catena polipeptidica. Essa può essere ad alfa-elica, a foglietto beta, e a ripiegamenti inversi. La prima è la più comune ed è dovuta alla formazione di legami a H tra il –C=O di un gruppo peptidico e l'H di un –NH di un gruppo peptidico distante 3 residui; le catene laterali si trovano all'esterno dell'elica. La seconda è dovuta alla formazione di legami a H tra il –C=O di un gruppo peptidico e l'H di un –NH di un gruppo peptidico molto distante, con le catene polipeptidiche che si allineano. I ripiegamenti inversi o angoli β cambiano la catena polipeptidica, sono di due tipi, costituiti da 4 residui amminoacidici e stabilizzati da legame a H tra gruppi peptidici dei residui 1 e 4.
• La struttura terziaria descrive la posizione nello spazio di tutti i suoi atomi ed è caratteristica delle proteine globulari. Essa è stabilizzata da interazioni tra catene laterali di residui amminoacidici come ponti disolfuro, legami a H, interazioni ioniche, dipolo-dipolo, idrofobiche e di van der Waals. La struttura terziaria ripiega le strutture secondarie, se presenti e tali ripiegamenti sono detti motivi strutturali. I polipeptidi con più di 200 residui sono organizzati in unità indipendenti dette domini, che hanno funzioni strutturali, funzionali, catalitiche e regolatorie.
• La struttura quaternaria si osserva quando diverse catene polipeptidiche a struttura terziaria si associano. È stabilizzata dagli stessi legami della struttura terziaria, tranne i ponti disolfuro. Le catene sono dette subunità, possono essere identiche o diverse e si dispongono asimmetricamente.

Le proteine fibrose sono ricche di elementi con struttura secondaria e fungono da supporto fisico o di protezione. La struttura fibrosa si ottiene per formazione di un protofilamento, in cui si instaurano interazioni deboli tra le estremità C-terminale ed N-terminale di ogni dimero avvolto; i protofilamenti dimerizzano formando le protofibrille che, associate a quattro, formano le microfibrille. Le proteine fibrose sono cheratina e collageno: la prima compone strati epidermici esterni e appendici come pelle, capelli e unghie; il secondo, invece, compone tessuti connettivi, come ossa, denti, cartilagine e tendini. La cheratina può essere α e β. L'α-cheratina è molto resistente allo stress fisico, ha due alfa-eliche avvolte una intorno all'altra e tenute insieme da interazioni idrofobiche; la β-cheratina è più rigida, ha strutture β, con catene laterali di Gly, Ala e Ser. Il collageno ha fibre insolubili resistenti alla tensione, tre catene polipeptidiche si avvolgono una sull'altra generando una tripla elica stabilizzata da legami a H.

Mioglobina ed emoglobina

Le proteine che legano l'O sono Mb, che conserva l'O nei tessuti, ed Hb, che trasporta l'O dai polmoni ai tessuti periferici. L'O si lega reversibilmente a queste proteine, ma nessuna delle catene laterali dei loro amminoacidi può interagire con esso. Tale funzione è svolta da ioni di metalli di transizione, essenzialmente ferro. Mb ed Hb contengono oltre alla porzione polipeptidica un gruppo prostetico EME, localizzato in una tasca idrofobica e costituito da una struttura ad anello, la proto porfirina, a cui è legato un atomo di ferro in stato d'ossidazione ferroso a sei legami di coordinazione. L'O si lega all'atomo di ferro del gruppo EME.

La Mb è un polipeptide di 153 residui amminoacidici che lega l'O presente nei tessuti muscolari dei mammiferi e contiene una molecola di EME. La catena polipeptidica è ripiegata in otto segmenti ad α-elica collegati da ripiegamenti. La sua funzione dipende dalla sua capacità di legare l'O e di rilasciarlo quando necessario. L'O legato alla Mb aumenta in modo iperbolico all'aumentare dell'O totale, pertanto in condizioni fisiologiche oltre il 90% delle molecole di Mb sono ossigenate. La Mb conserva l'O, rilasciandolo quando è scarso nei tessuti e facilita il suo trasporto nel muscolo.

Quasi tutto l'O trasportato è legato all'Hb nei globuli rossi, che sono piccole cellule che originano da cellule staminali precursori dette ematoblasti. I globuli rossi trasportano l'Hb disciolta nel loro citosol a una concentrazione molto elevata. L'interazione dell'Hb col 2,3-bisfosfoglicerato è un esempio di regolazione allosterica. L'O legato all'Hb aumenta all'aumentare dell'O totale, ma la saturazione segue andamento sigmoidale: l'O è legato con affinità sempre più alta e in maniera cooperativa dalle diverse subunità. Alla pressione di O del sangue arterioso, Mb ed Hb sono quasi completamente sature; alla pressione di O del sangue venoso, Mb è completamente ...