Chimica biologica - Appunti

Appunti di chimica biologica

Lezione 1

Chimica delle soluzioni diluite

Le reazioni possono avvenire solo se ricevono energia sufficiente. Questa viene fornita da catalizzatori che nel vivente sono gli enzimi. In queste proteine la struttura principale è quella terziaria. L'attività degli enzimi è fortemente influenzata dal valore del pH. Variando il pH, varia la conformazione dell'enzima che non è più in grado di espletare la sua funzione.

Al fine della crescita di un individuo da una singola cellula, occorre creare massa. Per fare questo, oltre alle materie prime, occorre fornire energia (qualcuno che assembla). I glucidi rappresentano un substrato che può andare incontro a processi ossidativi. Se non viene introdotto substrato, non viene prodotta energia con la conseguenza che non si possono svolgere tutti i processi che la richiedono. Tuttavia, anche in presenza di molti substrati, essi non sono utili in assenza di ossigeno (ossidante).

L'ossigeno, essendo un gas, più si riscalda la soluzione meno è solubile all'interno del liquido. Per questo, l'ossigeno trova altri sistemi per impegnarsi e poter essere trasportato nel sangue (liquido). Si necessita di un trasportatore che possa portarlo alle cellule dove possa ossidare e nel nostro organismo è l'emoglobina che nel complesso pesa quasi 1Kg. La quantità di emoglobina può essere aumentata naturalmente tramite l'aumento ormonale degli eritrociti (questo influenza però le qualità del sangue e le sue caratteristiche chimico-fisiche).

La produzione di energia si ha per due ragioni: termiche e costruttive. Le questioni termiche sono molto importanti in quanto le nostre reazioni chimiche hanno una velocità ottimale a 36°C. L'organismo deve liberare la giusta quantità di energia per mantenere la giusta temperatura. Per costruire l'organismo ci vogliono proteine, lipidi complessi, colesterolo e componenti che non sono mai analoghi a quelli esterni. L'organismo demolisce e ricostruisce e da questo si crea energia. Una molecola è tanto più capace di creare energia tanti più legami carbonio-carbonio vi sono.

L'energia costruttiva va immagazzinata tramite energia chimica che il nostro organismo immagazzina tramite ATP. L'energia viene immagazzinata nei legami tra i fosfati. I fosfati sono legati da un legame ossidrilico. Il legame iniziale è invece un estere. Il legame ossidrilico è quello a più alto contenuto energetico. L'ATP, inoltre, fornisce ADP + P che rappresenta una reazione di equilibrio. Per riformare l'ATP serve nuovamente energia. Questa si prende dall'energia costruttiva. L'ATP è alla base di tutte le funzioni metaboliche. Siccome l'ossidrile in acqua tende a dissociarsi, non è possibile creare grandi quantità di ATP. In termini quantitativi ATP + ADP = K. In assenza di ADP si bloccherebbe il metabolismo in quanto tutta l'energia andrebbe in calore. Con il metabolismo fermo il corpo immagazzina.

Lezione 2

Substrati

Dobbiamo introdurre materiali che ci consentano una certa logica (occorre scegliere il combustibile corretto). Occorre anche mantenere un equilibrio costante tra combustibile e comburente. L'introduzione dei substrati deve essere ripartita il più possibile all'interno di una giornata. Il consumo calorico giornaliero dipende dall'attività fisica di ogni individuo. Anche il cervello necessita di energia per variare la distribuzione di cariche e consentire la comunicazione tra neuroni. Circa 1/5 del metabolismo basale è utilizzato dal cervello.

Il metabolismo basale rappresenta il consumo di base di un organismo e nell'uomo corrisponde a 1Kcal x ora x Kg. Le donne hanno un metabolismo basale che è leggermente inferiore. Per esempio, è superiore per una donna gravida. Un bambino ha un basale superiore ad un adulto. Ciò che non si può mai fermare è il consumo di O₂ e la produzione di CO₂. Il rapporto O₂ / CO₂ è al massimo 1 e al minimo 0,6. Il glucosio di fronte ad un processo ossidativo completo genera H₂O e CO₂ secondo la reazione:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Se si consumasse solo glucosio il valore O₂ / CO₂ sarebbe 1 ma questo valore si riscontra molto raramente. Se invece prendiamo in considerazione l'acido palmitico la reazione è:

C₁₆O₂H₃₂ + 23O₂ → 16CO₂ + 16H₂O

con un rapporto O₂ / CO₂ di 0,7 che è il quoziente tipico dei lipidi. Il quoziente respiratorio più alto, come visto in precedenza, è invece quello dei saccaridi. Le proteine hanno un quoziente intermedio ed oltre alla produzione di O₂ e CO₂, producono anche NH₃ (ammoniaca). NH₃ rappresenta un grande tossico che se non smaltito causa la morte in poche ore. Il prodotto finale dell'ammoniaca è l'urea. Il catabolismo avviene a livello epatico. Noi dobbiamo introdurre proteine in quanto le proteine corporee sono soggette a turnover (ricambio). L'emoglobina, per esempio, ha una vita di 120 giorni. Gli amminoacidi singoli in natura non esistono e sono tossici. L'urea è un indicatore di quanti amminoacidi abbiamo catalizzato e nell'urina, nelle 24h, ne troviamo 20g. La massa molecolare dell'urea è 60g e l'ammoniaca ne rappresenta il 50%. Di 20g di urea il 50% sono ammoniaca. La massa molecolare degli amminoacidi in media è 100g. Di conseguenza, mediamente, catabolizziamo 1g x Kg di proteine.

Di conseguenza in un individuo di 60Kg saranno necessarie circa 60g di proteine. Se non viene introdotta la corretta quantità di proteine il turnover non può avvenire. Per esempio l'albumina richiama l'acqua dagli edemi che infatti rappresentano il primo segno di carenza proteica. Le proteine valgono 4 Kcal per grammo. Le proteine servono anche al metabolismo basale. La Kcal è la quantità di energia necessaria a far passare un litro di acqua da 14,5°K a 15,5°K. I glucidi valgono 4 Kcal ed i lipidi 9 Kcal. Una buona dieta dovrebbe fornire energia per il 60% di origine glucidica. Non bisogna mai scendere sotto un contributo del 15% di glucidi per non andare in acidosi. Con un'alta immissione di proteine si ha una grossa quantità di ammoniaca smaltita in massima parte dal fegato ed in piccola parte dai reni per tamponare l'acidità delle urine.

Se però la quantità è notevole un rene può avere problemi soprattutto se già compromesso (si costituiscono porosità che lasciano trasparire nelle urine proteine che non dovrebbero essereci). Molte proteine per poter esprimere la loro funzione necessitano di ioni metallici detti cofattori. Le quantità sono irrisorie di solito anche se il ferro, nell'emoglobina, viene richiesto maggiormente. In particolare le donne sono spesso anemiche poiché hanno bisogno del ferro a causa delle emorragie. Altro ione fondamentale è il calcio per la costituzione delle ossa, per la contrazione muscolare, per la conduzione nervosa ecc. Attraverso la nostra dieta siamo sempre costretti ad introdurre vitamine in quanto siamo capaci di modificarle ma non di crearle. Sono parte dei nostri catalizzatori.

Una carenza di vitamina C causa lo scorbuto (emorragie dovute al mancato assorbimento di ferro). La mancanza della vitamina PP (pellagra prevency) causa la pellagra (insieme alla carenza di triptofano). Si tratta di elementi essenziali in quanto non siamo in grado di sintetizzarli. Le proteine che devono essere introdotte devono avere valore biologico cioè devono contenere tutti gli amminoacidi essenziali. Le proteine con valore biologico si trovano facilmente negli animali. Anche se nei vegetali non sono presenti molte vitamine con valore biologico tale valore si raggiunge con la dieta.

Tramite la tecnologia che crea gli OGM si possono inserire geni che garantiscono l'inserimento di un determinato amminoacido che rende essenziale una proteina (come la soia), donando un valore biologico all'alimento. I lipidi sono un ambiente ottimale per solubilizzare vitamine liposolubili. L'acido linoleico e l'acido linolenico sono acidi grassi essenziali. Questi ci servono per sintetizzare l'acido arachidonico precursore di molti ormoni (es. Prostaglandine). L'aspirina inibisce la sintesi delle prostaglandine che avviene tramite acido arachidonico. Lentamente l'evoluzione ha limitato la produzione di componenti che si potevano reperire facilmente nell'ambiente (facendoli diventare essenziali), limitando i processi in un'ottica di economia energetica. Il lipide viene immagazzinato poiché dà più Kcal (9Kcal), non altera la pressione osmotica poiché è idrofobico (per questo viene immagazzinato negli adipociti).

Lezione 3

ATP

In condizioni biologiche la sua sintesi è altamente controllata in quanto, essendo composto da una base, non si può il rischio di sintetizzare DNA. Per questo l'ATP viene prodotto in piccole quantità e finisce subito se non vi è un costante rifornimento di ossigeno e substrati. L'unico substrato immagazzinabile è il lipide. Vi sono piccole riserve di glucidi, proteine, ferro e iodio. In particolare gli ioni metallici possono diventare tossici se immagazzinati in grande quantità. Il nostro metabolismo è in grado di poter trasformare glucidi e proteine in lipidi per poter essere immagazzinati (i maiali non vengono riforniti con lipidi eppure presentano grandi quantità di grasso).

Proteine

Strutture intelligenti. La loro proprietà è che possono cambiare conformazione facilmente. La struttura spaziale è quello che conta in una proteina che può far variare apertamente la forma; a seconda della sua disposizione spaziale, l'interazione con i ligandi esterni varia enormemente (promozione di una reazione chimica). In una proteina enzimatica occorre che tale proteina debba interagire con un substrato e trasformarlo in prodotti (E + S → ES → EP). Per funzionare, l'enzima, deve interagire intimamente con il substrato. Più legami si formano tra enzima e substrato più l'equilibrio è spostato verso il complesso. Inoltre il prodotto P non deve avere affinità con il sito attivo altrimenti, l'enzima perde di significato (EP → E + P).

La velocità di reazione tende ad aumentare fino al raggiungimento di una velocità massima che rappresenta la saturazione di tutti i siti attivi degli enzimi. Anche l'enzima durante la reazione, subisce dei cambiamenti conformazionali per favorirla. La proteina in ogni caso raggiunge la conformazione che gli consente una minor repulsione tra amminoacidi. Ciò che interessa più della velocità di reazione è l'affinità definita con l'equazione di Michaelis-Menten. Si tratta della concentrazione di substrato alla quale si ottiene la metà della velocità massima. Se abbiamo due enzimi con la stessa affinità per un substrato agirà l'enzima che raggiunge la metà della velocità massima con una minore concentrazione di substrato. Di conseguenza, se troviamo questi due ipotetici enzimi insieme, agirà unicamente uno dei due che consumerà tutto il substrato disponibile. L'unico modo per far funzionare entrambi gli enzimi è fornire substrato in eccesso o sottrarre l'enzima con velocità maggiore (per far funzionare unicamente l'altro). Per queste ragioni un enzima deve essere sintetizzato unicamente quando serve e deve avere un turnover molto rapido.

Le proteine hanno un processo digestivo molto lento e se assunte al mattino, possono distribuire l'energia per diverse ore. L'enzima lattasi, viene indotto dalla presenza del lattosio (viene attivato il sistema biosintetico). In individui che non assumono regolarmente il latte la velocità biosintetica di sintesi rallenta. Altro esempio di turnover rapido è quello degli ormoni peptidici che devono essere presenti in un singolo momento per poi andare incontro a catalisi. Gli alimenti vanno sempre scelti attentamente affinché contengano proteine con valore biologico. Per seguire il turnover, l'organismo, se non correttamente rifornito, inizia a smantellare le proteine che ha già creato anche se necessarie (muscoli, sangue ecc.). Le proteine in eccesso vengono sempre depositate sotto forma di lipidi. Un eccesso di proteine, però, potrebbe causare un eccesso di ammoniaca che potrebbe danneggiare i reni (specie se già compromessi).

Le fibre non sono un alimento nutrizionale in quanto non ci danno energia. L'alcol non ha valore biologico in quanto evolutivamente è molto recente; l'unica sua conseguenza è un grosso accumulo lipidico. L'alcol inoltre interagisce con porzioni sbagliate delle cellule impedendo la sintesi del glucosio. Il nostro organismo necessita principalmente di glucidi in quanto il metabolismo lipidico si ferma molto presto. Il metabolismo ossidativo risiede tipicamente nel mitocondrio. Il mitocondrio è preposto a raccogliere tutto ciò che avanza e tritura il tutto. Nel mitocondrio si produce la CO₂. Nel citoplasma avvengono solo processi parziali di ossidazione. Se si hanno unicamente glucidi il processo mitocondriale funziona ugualmente ma se si producono solo lipidi, il processo mitocondriale si blocca e si producono protoni (acidosi). Il glucosio se non disponibile viene sintetizzato. I glucidi sono necessari per sintetizzare lipidi. Si tratta di una logica di equilibrio. L'assorbimento di glucosio, idealmente, dovrebbe essere il più graduale possibile. L'indice glicemico indica la velocità di assorbimento di glucosio nel sangue. È utile privilegiare alimenti che danno un indice glicemico più basso (l'amido un po' meno cotto viene assorbito più lentamente dell'amido cotto). Non basta conoscere le quantità di glucidi da introdurre ma anche le modalità.

Lipidi

Buon rifornimento energetico. L'acido linoleico 18:2 Δ9-12 ω6 e l'acido linolenico 18:3 Δ9-12-15 ω3 rappresentano acidi grassi essenziali. ω rappresenta il primo legame a partire dal CH₃. Gli acidi grassi ω3 e ω6 sono acidi grassi polinsaturi. Questi due acidi grassi non possono essere sintetizzati dal nostro organismo e vengono introdotti tramite i trigliceridi. Gli acidi grassi possono essere introdotti tramite il trigliceride lecitina. I trigliceridi si trovano principalmente sotto forma di oli (insaturi) e grasso (saturi). I doppi legami cambiano la temperatura di transizione. Gli acidi grassi polinsaturi hanno una temperatura di transizione molto bassa. Con la presenza del doppio legame si perde una piccola porzione di energia. Gli oli altamente polinsaturi (semi) non devono essere eccessivamente scaldati in quanto si ha la formazione di perossidi che causano problemi a livello digestivo. I lipidi si trovano in grande quantità anche nei formaggi (minimo 30% di lipidi). Il grana è quello che ne contiene di meno. Il latte contiene 3%/4% di materiale grasso (intero). La frutta secca fa 7Kcal per g circa in media.

Lezione 4

Ossigeno

Poco solubile in ambiente acquoso specialmente a 36°. Compone per il 30% la nostra atmosfera. La pressione parziale esercitata dall'ossigeno nell'atmosfera è 1/5 della totale e corrisponde a 154mmHg. All'interno dei polmoni è presente una caduta e quindi si registra una pressione di 100-105mmHg. La pressione parziale è più bassa nei polmoni a causa del vapore acqueo e dell'anidride carbonica. L'emoglobina degli eritrociti è in grado di legare l'ossigeno per la formazione di un complesso. L'emoglobina possiede una struttura quaternaria (quattro catene): due catene α e due catene β. La struttura tridimensionale delle catene crea una tasca idrofobica dove è presente il gruppo eme. L'insieme di eme e globina determina la funzione caratteristica. L'eme rappresenta la vera porzione che lega l'ossigeno. L'eme è formata da quattro anelli pirroici. Gli anelli sono collegati tra loro da ponti metinici. Si tratta di una struttura aromatica. Inoltre sono presenti gruppi vinilici, gruppi metilici e l'acido propinilico. A parte l'acido propinilico troviamo strutture idrofobiche. Al centro è presente un atomo di Fe²⁺. La presenza di questo particolare individuo permette un facile passaggio a Fe³⁺. Tuttavia, devono esistere dei mezzi anti-ossidanti per impedire il passaggio a Fe³⁺, per impedire il legame covalente. Deve essere in ogni caso il Fe²⁺ a trasportare l'ossigeno. Ogni singolo atomo di azoto se non impegnato in doppi legami (disposizione variabile dei doppi legami a causa della risonanza), può formare quattro legami di coordinazione (di cui due puri) con il ferro. Il Fe²⁺ può accettare in totale sei coppie elettroniche che lo rendono stabile. Nel gruppo eme si creano quattro legami di coordinazione con gli atomi di azoto, un quinto con l'amminoacido istidina localizzato al centro della tasca idrofobica della globina. Il sesto legame di coordinazione viene fornito dall'ossigeno. L'eme viene fortemente ancorato alla tasca idrofobica a causa dei gruppi apolari. I gruppi COOH possono interferire con amminoacidi idrofilici della tasca idrofobica. Questi funzionano da gancini (2) che consentono anch'essi un isolamento (questa volta idrofilico). Inoltre l'eme è ancorato all'istidina (coordinazione). La presenza/assenza dell'ossigeno causa un'alterazione della struttura della tasca idrofobica con una variazione del legame tra Fe ed Istidina di 2Å. Di conseguenza si avranno modificazioni conformazionali non solo della singola globina ma di tutta l'emoglobina. Il grafico rappresenta la pressione parziale di O₂ in mmHg che a livello polmonare è a 100. Sulle ordinate vi è la percentuale di ossigenazione dell'emoglobina che al 100% lega quattro atomi di ossigeno. La pressione esterna parziale dell'ossigeno è sempre minore proporzionalmente all'altro.