Biochimica strutturale - intero corso

Lezione 1 – 09/03/2020

Biochimica strutturale – Prof. Roberto Bresciani

Introduzione al corso di biochimica

Docenti e organizzazione del corso:

• Professore Eugenio Monti (eugenio.monti@unibs.it): coordinatore del corso integrato di biochimica e biologia molecolare. Tratterà la bioenergetica, ossia tutto ciò che riguarda il metabolismo mitocondriale.
• Professore Roberto Bresciani (roberto.bresciani@unibs.it): biochimica strutturale.
• Professoressa Marta Manzoni (marta.manzoni@unibs.it): biochimica metabolica, in particolare ciò che concerne il metabolismo degli zuccheri e dei grassi.
• Professore Dario Finazzi (dario.finazzi@unibs.it): biologia molecolare.

Moduli del corso

• Modulo di Biochimica: 8 CFU. La prima parte del corso, la biochimica strutturale, sarà tenuta dal professor Bresciani e conterrà dei richiami di chimica generale e organica.
• Modulo di Biologia Molecolare: 2 CFU.

Modalità d'esame

Gli esami vengono solitamente svolti in maniera separata: gli esami di biochimica e di biologia molecolare possono essere sostenuti insieme nello stesso appello, ma anche in appelli diversi. Si ha tempo un anno per chiudere tutto il percorso. Il voto finale sarà la media ponderata dei due moduli. Per poter sostenere l’esame è necessario aver precedentemente superato l’esame di chimica.

Per quanto riguarda la biochimica, l’esame è orale, tuttavia verrà chiesto di scrivere la struttura delle molecole e di saper dimostrare un percorso metabolico. L’esame inizierà con un metabolismo a piacere (es. ossidazione degli acidi grassi, ciclo dell’urea, glicolisi ecc.) anche se poi essendo la biochimica ricca di collegamenti ne saranno chiesti altri. L’esame avrà una durata media di 40 minuti.

Principali libri di testo consigliati

• “Biochimica” di Bassi R., Boffi A. De Curtis, et al. Edi-ermes, 2019
• “Principi di biochimica di Lehninger”, David L. Nelson, Michael M. Cox, et al., Zanichelli, 2018
• “Biochimica. Molecole e metabolismo” di Appling, Anthony-Caill, Mathews, Pearson-Italia, 2017
• “Fondamenti di biochimica” di Voet e Pratt, Zanichelli, 2017
• “Biochimica”, di Mathews, Piccin Editore, 2014
• “Biochimica” di Garrett, Grisham, Piccin Editore, 2014
• “Biochimica medica – strutturale, metabolica e funzionale”, di Siliprandi, Piccin Editore, 2018
• “Marks Biochimica medica” di Merks e Lieberman, Zanichelli, 2010
• “Biochimica con aspetti clinico farmaceutici” di Devlin, EDISES, 2012
• “Biochimica” di Campbell e Farrel, EDISES, 2012

Nota: molti di questi libri sono reperibili in inglese a costi inferiori oppure in biblioteca o si trovano usati. Anche le edizioni precedenti a quelle riportate nell’elenco sono utilizzabili per preparare l’esame. Le slides viste durante le lezioni possono essere usate come supporto nello studio e saranno caricate sul portale.

Il metabolismo

Il metabolismo consiste in una serie di reazioni biochimiche, ovvero trasformazioni chimiche di molecole operate in un ambiente biologico da sistemi biologici ed è suddivisibile in due vie: via catabolica e via anabolica.

• Catabolismo: serie di reazioni biochimiche che permettono l’utilizzo di macromolecole organiche (carboidrati, lipidi, proteine) per ottenere energia chimica (la cui forma più importante è l’ATP). Questo è possibile tramite reazioni di ossidazione dei carboni di queste molecole. Gli elettroni sono strappati dai carboni dei carboidrati, dei lipidi e delle proteine che vengono ossidati completamente a CO₂. Gli elettroni sono poi trasferiti su molecole dette coenzimi, in particolare sul NAD⁺ e sul FAD. Questi coenzimi si riducono e passano alle forme ridotte NADH e FADH₂. Questi sono poi in grado di trasferire gli elettroni verso l’ossigeno e quindi attraverso la fosforilazione ossidativa con l’energia associata a protoni e elettroni la cellula è in grado di produrre energia (ATP) a partire da ADP e fosfato. L’ATP è la molecola energetica universale usata da tutti i sistemi biologici e servirà alle cellule per fare lavoro di tipo meccanico (es. contrazione muscolare) oppure come energia chimica per la sintesi di nuovi composti.
• Anabolismo: processo che permette di costruire macromolecole (proteine, lipidi, polisaccaridi, acidi nucleici) a partire da molecole semplici (amminoacidi, monosaccaridi, acidi grassi e basi azotate) investendo energia, ossia ATP. Nei processi anabolici è necessario potere riducente con una logica opposta al catabolismo, per questo esiste il coenzima NADPH che riduce le molecole precursori, riducendosi a NADP⁺, permettendo la costruzione di nuove macromolecole per la cellula.

Richiami di chimica generale

L'atomo di carbonio

L’atomo di carbonio può fare 4 legami che sono ai 4 vertici a formare un tetraedro. Un carbonio può fare un legame semplice con un altro carbonio di tipo covalente, cioè con dell’energia messa in compartecipazione fra i carboni. Attorno all’asse del legame semplice è possibile la rotazione reciproca, ossia la mutua-rotazione dei sostituenti dei singoli carboni. In questo tipo di legame i due sostituenti possono essere uno di fronte all’altro oppure sfasati, queste due conformazioni hanno un potenziale di energia diverso. Quando sono uno di fronte all’altro ci sarà un disturbo delle nuvole elettroniche dei sostituenti che renderà la molecola con un maggior contenuto energetico rispetto alla stessa molecola con i sostituenti sfasati che non si disturbano.

La presenza di un doppio legame tra due carboni (maggiore energia, minor distanza tra i due carboni) impedisce la mutua-rotazione dei sostituenti, non abbiamo quindi più una struttura tridimensionale ma bidimensionale.

I sostituenti del carbonio presenti nelle macromolecole

Si ricorda che l’elettronegatività di C e H è simile perciò gli elettroni di compartecipazione in un loro legame stazionano per lo stesso tempo su entrambi gli atomi. In un legame fra C e O invece a causa della differenza di elettronegatività gli elettroni stazioneranno per maggior tempo attorno all’atomo di ossigeno causando una parziale carica negativa e una positiva sul carbonio.

• Gruppo metile (-CH₃): carbonio legato alla macromolecola R e a tre atomi di idrogeno. Il gruppo metile è la forma più ridotta dei sostituenti delle macromolecole. Il numero di ossidazione nel metano del carbonio è –4.
• Gruppo idrossile: al C è legato il gruppo -OH che identifica gli alcoli (suffisso -olo). Il gruppo idrossile legato al carbonio contiene un ossigeno rispetto al - e quindi è più ossidato rispetto al gruppo metile, il numero di ossidazione del C legato a O è infatti –2. Di conseguenza il gruppo metile è più ridotto rispetto all'idrossile. Per ossidazione il gruppo alcolico terminale può passare a gruppo aldeidico, se invece si trova in mezzo alla catena è ossidato a chetone.
• Gruppo carbonile: identifica aldeidi e chetoni. C'è un ossigeno legato con doppio legame al carbonio: l'ossigeno è saldamente legato al carbonio. Il gruppo carbonile è più ossidato rispetto al gruppo idrossile. Quando il gruppo carbonile è all'estremità di una molecola si parla di aldeide, altrimenti di chetone.
• Gruppo carbossilici o acido: identifica gli acidi carbossilici e può derivare da ossidazione di aldeidi (i chetoni non possono essere ossidati). Consiste in un carbonio legato con doppio legame all’ossigeno e con legame semplice a un ossidrile. Le molecole biologiche sono quasi sempre presenti in un contesto acquoso, gli acidi libereranno quindi il proprio protone e presenteranno gruppo COO^- andando ad abbassare il pH. In termini di ossidazione il passaggio successivo nelle vie metaboliche è la decarbossilazione e quindi la liberazione di CO₂ dal carbonio iniziale; il carbonio viene quindi completamente ossidato.
• Gruppo fenile: struttura esagonale (6 carboni) dove i doppi legami cambiano posizione. È un anello rigido altamente idrofobico.
• Gruppo estere: deriva dalla condensazione, ovvero rimozione di una molecola di acqua, da un gruppo carbossilico più un gruppo alcolico. Si forma un legame covalente fra il carbonio del gruppo carbossilico e l’ossigeno del gruppo idrossilico.
• Gruppo anidridico: deriva dalla condensazione di due gruppi carbossilici.

Altri gruppi

• Gruppo amminico (-NH₂): rappresenta una base perciò in ambiente acquoso tende ad essere protonato e ad essere presente come NH₄⁺. Può interagire con un gruppo carbossilico e formare un legame ammido o peptidico. Una proteina è fatta da una unione fisica di legami covalenti peptidici che si formano con la rimozione di acqua da un carbossilico e un amminico.
• Gruppo imidazolico: caratterizza uno dei 20 amminoacidi, l’azoto può protonarsi e svolgere funzione basica.
• Gruppo sulfidrilico (-SH): lo zolfo è legato a un carbonio terminale e lega l’idrogeno. È paragonabile al gruppo alcolico solo che al posto dell’ossigeno c’è lo zolfo. Questo gruppo interagisce con un altro gruppo -SH a formare un legame covalente detto ponte disolfuro; questo legame si instaura in condizioni particolari che dipendono dall’ambiente. In ambiente ossidante si può infatti formare il gruppo ponte disolfuro (-S-S-) che è facilmente reversibile in ambiente riducente. Il gruppo sulfidrilico può fare una condensazione insieme a un gruppo carbossilico (acido) e formare un legame covalente tioestere (dove tio- indica lo zolfo).
• Gruppo fosfato: all’interno di questa molecola il fosforo forma 5 legami. Possiamo trovarlo senza i due idrogeni che vengono liberati come protoni lasciando il loro elettrone sull’ossigeno corrispondente (viene indicato come PO₄^3-). Può fare i seguenti legami:
  1. Il gruppo fosfato può fare un legame con un alcol: il gruppo ossidrile lega il fosfato e forma un legame fosfo-estere.
  2. Il gruppo fosfato può legarsi a un gruppo carbossile e formare un’anidride mista.
  3. Due gruppi fosfato possono formare tra loro un legame fosfoanidridico che è il legame più alto dal punto di vista energetico.
  Dal punto di vista energetico subito dopo il legame fosfo-anidridico si trova il legame anidridico e poi il legame fosfo-estere. Questo concetto è molto importante per l'ATP: un’adenina legata al ribosio che ha tre gruppi fosfato. Il gruppo fosfato acido legato all' -OH del ribosio fa un legame fosfo-estere (poca energia); il primo fosfato con il secondo fosfato fa un legame fosfo-anidridico (tanta energia); il terzo fosfato legato al secondo è legato con legame fosfo-anidridico (tanta energia).

Molecole importanti dal punto di vista biologico con i loro gruppi funzionali

• Amminoacido istidina: possiede un gruppo amminico, uno carbossilico e imidazolico.
• Epinefrina o adrenalina: possiede un gruppo fenile, uno metilico e uno amminico modificato.
• Acetil-coenzima A: possiede un gruppo amminico, uno imidazolico, un legame fosfo-anidridico fra due gruppi fosfato, due gruppi metile, un gruppo ossidrilico, due legami amminici e un legame tioestere.

Chiralità

Altro elemento da considerare quando si parla di specificità delle molecole è la chiralità. Una molecola è chirale quando presenta isomeri che sono speculari ma non sovrapponibili. Questi composti sono chiamati enantiomeri che hanno caratteristiche chimiche e fisiche diverse. Nella chimica del carbonio una molecola chirale presenta un atomo di carbonio al quale sono legati quattro sostituenti differenti.

Un esempio fondamentale in biochimica è quello della gliceraldeide. Più precisamente la D-gliceraldeide è l’enantiomero utilizzato dall’uomo per la sintesi di tutti gli altri zuccheri aldosi a più atomi di carbonio. La lettera D, davanti al nome della molecola, identifica l’appartenenza alla serie “D”, ovvero la serie nella quale tutti gli zuccheri presentano al penultimo carbonio più lontano dal gruppo funzionale aldeidico un gruppo ossidrile posto a destra della catena carboniosa. Il prefisso “glicer” indica che la molecola deriva dal glicerolo, più di preciso, deriva dall’ossidazione del glicerolo su uno dei carboni esterni alla catena.

Struttura della molecola d’acqua

La molecola d’acqua presenta una struttura tridimensionale tetraedrica non equilatera com’è invece ad esempio il metano. I vertici del tetraedro sono rappresentati due dagli idrogeni e due dai doppietti elettronici, distanziati 104.5° l’uno dall’altro. L’ossigeno è un elemento molto elettronegativo, a differenza dell’idrogeno, perciò ha la capacità di attrarre a sé gli elettroni dei due legami covalenti presenti nella molecola. Pertanto gli elettroni di legame tenderanno a stare più tempo nella nuvola elettronica dell’ossigeno, creando quindi delle cariche parziali a livello dell’intera molecola. La carica parziale negativa, indicata con il simbolo δ-, si troverà in prossimità della molecola d’ossigeno, viceversa la carica parziale positiva (δ+) sarà distribuita equamente sui due atomi d'idrogeno. Di conseguenza ogni singola molecola d’acqua rappresenta un dipolo. Tra due molecole d’acqua si possono formare interazioni deboli reversibili dette ponti idrogeno che sono responsabili degli stati fisici di essa quali solido, liquido e gassoso.

Esempio: l’acqua messa in un recipiente sul fuoco riceve calore (e quindi energia) che andrà a interrompere e a rompere questi legami deboli tra le singole molecole d’acqua che a questo punto avranno la tendenza a evaporare e passare allo stato gassoso.

Legami a idrogeno

Il legame a idrogeno è un legame intermolecolare, di tipo dipolo-dipolo, che si forma quando un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un elemento elettronegativo (O, N o F) interagisce con la sua carica parziale positiva con un elemento elettronegativo presente su un’altra molecola. Un esempio di legame a idrogeno, oltre a quello dell’acqua, è quello che si forma fra due basi azotate nella molecola di DNA, garantendone il corretto appaiamento. Per rompere o formare questo tipo di legame non serve molta energia, infatti, è molto più difficile rompere legami intramolecolari.

Altre tipologie d’interazioni intermolecolari

• Dipolo-dipolo: interazione presente tra due molecole con cariche parziali (es. NH₂ e O=C).
• Carica-dipolo: interazione tra una molecola con carica parziale e molecola con carica netta (es. NH₃⁺ e O=C).
• Carica-carica: interazione tra due molecole con carica netta discorde.
• Carica-dipolo indotto: la carica di una molecola influisce sulla nuvola elettronica di una molecola apolare rendendola polare (es. NH₃⁺ e C₆H₅).
• Dipolo-dipolo indotto: la carica parziale di una molecola induce il dipolo in una molecola apolare (es. C=O e C₆H₅).
• In generale le forze di Van Der Waals sono le forze che s’instaurano tra la parte più esterna degli orbitali di due molecole.
• Infine si sottolineano le forze di repulsione che si riscontrano tra molecole o ioni di carica netta concorde.

Esempi di molecole idrofile e idrofobe

In acqua le molecole idrofobiche tendono a interagire insieme e ad escludere l’acqua dal loro ambiente. Il glucosio invece si scioglie in acqua perché è idrofilo, infatti, presenta un carbonio con gruppo carbonilico e tutti gli altri carboni idrossilati; presenterà quindi delle cariche parziali definite dalla differenza di elettro-negatività fra ossigeno e idrogeno e potrà perciò interagire con una molecola polare come l’acqua. Un’altra molecola che ha gruppi polari addirittura carichi è l’amminoacido glicina che presenta un gruppo carico positivo e uno negativo, quindi in un contesto acquoso attorno al gruppo carico positivamente si posizioneranno gli atomi di ossigeno della molecola d’acqua mentre attorno al gruppo carbossilico, quindi negativo, quelli di idrogeno.

Un esempio di molecola che non ha gruppi polari e quindi non si discioglie in acqua e forma invece interazioni idrofobiche sono gli acidi grassi e le cere costituiti da lunghe catene formate solo da carboni e idrogeni che non hanno differenza di elettronegatività e risultano idrofobiche.

Le molecole anfipatiche invece hanno una porzione di molecola di tipo idrofilico e una di tipo idrofobico. Un esempio classico è la fosfatidilcolina formata da due acidi grassi idrofobici legati allo scheletro di glicerolo a cui è attaccato un gruppo fosfato quindi un gruppo idrofilico carico che porta anche un azoto carico positivamente. Queste molecole saranno fondamentali per esempio per la formazione delle membrane dove formeranno un doppio strato fosfolipidico (fosfolipidi con testa polare rivolta verso gli ambienti acquosi e code apolari che formano un muro idrofobico per il passaggio di molecole tra l’ambiente extra ed intracellulare e viceversa).

pH e sistemi tampone

Il pH misura la concentrazione di ioni H⁺ in soluzione acquosa, il pH fisiologico è pari a 7,2/7,4. Il pH si abbassa introducendo un acido e si innalza se viene aggiunta una base. Definizione di acido e base:

• Acido è la specie che...