Chimica e Biochimica

Ossidoriduzioni

Con reazioni di ossido-riduzione si intende una vasta classe di reazioni che implicano un trasferimento elettronico più o meno evidente. Ad esempio, il trasferimento elettronico è evidente nella reazione: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Ma non lo è in: 2CO + O₂ → 2CO₂.

Numero di ossidazione

Per caratterizzare questo tipo di reazioni è stato definito il numero di ossidazione di un atomo in un composto. Questo numero corrisponde ad una carica fittizia dell'atomo in questione nella molecola considerata, carica assegnata secondo certe regole, supponendo che i legami siano di tipo ionico, in modo da assegnare gli elettroni di legame all'elemento più elettronegativo. Nel caso particolare di una specie monoatomica, atomo neutro o ione, lo stato di ossidazione è uguale alla carica.

Come si riconosce una reazione redox?

Controllando il numero di ossidazione delle specie chimiche che partecipano alla reazione:

• Se si osserva una variazione tra reagenti e prodotti, la reazione è di ossidoriduzione.
• Se non si osserva una variazione tra reagenti e prodotti, la reazione è acido-base (secondo Lewis).

Numero di ossidazione

Il numero d’ossidazione (n.o.) viene stabilito in base a criteri fondati sui valori relativi di elettronegatività delle specie atomiche che entrano nella composizione delle molecole e si può calcolare tenendo conto di 7 regole:

• Gli atomi nelle sostanze allo stato elementare hanno n.o. zero (per esempio, He, Ca, O₂, Cl₂, P₄).
• L'ossigeno nei composti ha n.o. = −2.
• L'idrogeno nei composti ha n.o. = +1.
• Il fluoro in tutti i composti ha n.o. = −1.
• Gli ioni degli elementi del sottogruppo I A (metalli alcalini) hanno n.o. = +1, che coincide con la loro carica effettiva (per esempio, Li⁺, Na⁺).
• Gli ioni degli elementi del sottogruppo II A (metalli alcalinoterrosi) hanno n.o. = +2, che coincide con la loro carica effettiva (per esempio, Mg²⁺, Ca²⁺).
• Il numero di ossidazione di altri elementi presenti in un composto si calcola ricordando che la somma algebrica dei n.o. di tutti gli atomi in una molecola deve essere zero, oppure, se si tratta di uno ione, deve essere uguale alla sua carica.

Reazioni di ossido-riduzione

Perdita di elettroni = Ossidazione

Guadagno di elettroni = Riduzione

Quando un atomo si ossida, gli elettroni ceduti non possono rimanere in forma libera, ma devono essere acquistati da un altro atomo che così facendo si riduce.

Esempi di reazioni redox

Cu²⁺(aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn²⁺(aq)

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e^- ossidazione

Cu²⁺(aq) + 2 e^- → Cu(s) riduzione

Le reazioni redox sono reazioni di trasferimento elettronico divise in due semi-reazioni accoppiate (una riduzione ed una ossidazione) che devono avvenire simultaneamente.

Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺ (riduzione)

Cu⁺ → Cu²⁺ + e^- (ossidazione)

Fe³⁺ + Cu⁺ → Fe²⁺ + Cu²⁺ (reazione complessiva)

2I^- + Br₂ → I₂ + 2 Br^-

In generale, una reazione di ossido-riduzione è definita come una reazione in cui si ha trasferimento di elettroni fra le specie reagenti o in cui gli atomi variano il loro numero di ossidazione. In alcuni casi, il trasferimento elettronico è evidente solo quando la reazione è scritta in forma ionica netta. Ad esempio, la reazione:

Fe(s) + CuSO₄(aq) → FeSO₄(aq) + Cu(s)

in forma ionica diventa:

0 +2 +2 0

Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

Una reazione di ossido-riduzione può essere separata in due semi-reazioni, una delle quali implica una perdita di elettroni (ossidazione) mentre l’altra implica un acquisto di elettroni (riduzione).

In generale, nell’ossidazione si ha un aumento del numero di ossidazione, mentre nella riduzione si ha una diminuzione del numero di ossidazione.

Si definisce ossidante una specie che ossida altre specie e che perciò nella reazione si riduce (Cu²⁺). Si definisce riducente una specie che riduce altre specie e che perciò nella reazione si ossida (Fe).

Terminologia delle reazioni di ossidoriduzione

• OSSIDAZIONE - perdita di elettrone(i); aumento del numero di ossidazione.
• RIDUZIONE - acquisto di elettrone(i); diminuzione del numero di ossidazione.
• AGENTE OSSIDANTE - accettore di elettroni; si riduce.
• AGENTE RIDUCENTE - donatore di elettroni; si ossida.

Gli amminoacidi

Abbiamo 2 tipi di amminoacidi:

• Essenziali: devono essere introdotti con gli alimenti poiché il nostro organismo non li sintetizza. Sono 9 (leucina, isoleucina, valina, serina, triptofano, fenilalanina, lisina, metionina, arginina).
• Non essenziali: sono 11

Si definisce amminoacido un qualunque composto organico in cui sono presenti un gruppo amminico e un acido carbossilico. L’unione di più amminoacidi dà i peptidi e le proteine.

Struttura di un α-amminoacido

Tutti gli amminoacidi contengono un gruppo amminico ed una funzione carbossilica legate ad un carbonio centrale detto carbonio α, Cα. I diversi amminoacidi si distinguono per la diversa natura del gruppo multifunzionale R. Esistono 20 amminoacidi diversi.

Quante proteine possiamo costruire?

Per farci un’idea, cominciamo con un semplice peptide fatto da una catena di quattro amminoacidi. In ciascuna delle quattro posizioni, possiamo scegliere di mettere uno qualsiasi dei 20 amminoacidi; il numero complessivo di combinazioni sarà pertanto 20x20x20x20 = 160.000. In realtà, le proteine sono fatte da moltissimi amminoacidi, in media da 200-300. Questo significa moltiplicare 20 per se stesso per 200-300 volte (20²⁰⁰-20³⁰⁰). Ne viene fuori un numero praticamente infinito di sequenze teoricamente possibili.

Le proteine

Le funzioni delle proteine:

La principale funzione delle proteine è di tipo plastico, ma possono svolgere anche una funzione:

• Energetica
• Strutturale
• Enzimatica
• Trasporto
• Ormonale

La struttura delle proteine

Struttura primaria: sequenza di amminoacidi che forma una catena polipeptidica. Legami covalenti.

Struttura secondaria: catena polipetidica si ripiega a formare struttura ad α-elica o struttura a foglietti β. Legami a idrogeno.

Struttura terziaria: ripiegamento della catena polipeptidica dovuto ad interazioni deboli. In tale ripiegamento sono presenti diversi tipi di struttura secondaria (Proteine globulari).

Struttura quaternaria: interazioni esistenti fra varie subunità, nel caso in cui le proteine siano costituite da più catene polipeptidiche. Es. emoglobina (proteina presente nei globuli rossi, con funzione di trasporto dell’ossigeno nel sangue).

Classificazione delle proteine in base ai livelli strutturali

• Costituite in gran parte da un unico tipo di struttura secondaria.
• Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti.
• Determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule nei vertebrati.
• Insolubili in acqua: presenza di molti amminoacidi idrofobici sia all’interno che all’esterno della proteina.

• Contengono più tipi di struttura secondaria.
• Hanno catene polipeptidiche ripiegate per assumere una forma globulare o sferica.
• La maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici sono globulari.
• Più solubili in acqua: presentano un interno idrofobo e una superficie idrofila.

La creatina

• È sintetizzata in fegato, reni e pancreas.
• Sorgenti di creatina nella dieta: carne e pesce.
• Deposito: muscoli.
• Eccesso eliminato sottoforma di creatinina.

Una buona dieta normalmente contiene un adeguato supplemento di creatina. Carne e pesce ne contengono una larga quantità.

Metabolismo della creatina

Per quanto riguarda la metabolizzazione della creatina, in assenza di una sua supplementazione, la molecola viene convertita irreversibilmente e non-enzimaticamente in creatinina e, quindi, escreta nelle urine. In tal caso, il turnover di trasformazione della creatina in creatinina è dell’1.6 % al giorno.

Effetti positivi (50%) su forza e potenza muscolari in singoli gesti ripetuti oppure in scatti intercalati ad attività aerobica. Effetto anabolizzante, ritenzione idrica e effetto osmotico, effetti sulla fatica (relativo risparmio glicolisi anaerobia e modulazione ammoniemia).

Effetti collaterali: Sicuramente aumento di massa corporea per ritenzione idrica.

• In acuto: effetto osmotico intraintestinale, diarrea, disidratazione, crampi.
• A lungo termine: insufficienza renale. Diminuzione della sintesi del trasportatore di membrana.

Gli enzimi

Gli enzimi accelerano le reazioni anche di un milione di volte. Se non ci fossero gli enzimi, la maggior parte delle reazioni dei sistemi biologici procederebbe a velocità non apprezzabili. Sono catalizzatori prodotti da cellule viventi ma capaci di agire indipendentemente da esse. Determinano tutti i processi di degradazione, sintesi, trasformazione e conservazione dell’energia nella formazione ed evoluzione della materia vivente. Sono proteine spesso associate ad un metallo o molecola organica.

Gli enzimi presenti nel plasma sono stati distinti in due grandi categorie:

• Enzimi plasma specifici: svolgono la loro funzione nel plasma (gli enzimi che regolano la coagulazione, la lipoproteina lipasi, la lecitina colesterolo acil transferasi, etc.).
• Enzimi non plasma-specifici: non esercitano nel plasma alcuna funzione fisiologica.

Inoltre si distinguono in:

• Enzimi di secrezione che si trovano nel siero perché secreti da alcune cellule ghiandolari (amilasi, lipasi, fosfatasi) e vengono eliminati attraverso le vie biliari o attraverso le urine.
• Enzimi legati al metabolismo cellulare che sono presenti nelle cellule in elevata concentrazione. Quando le strutture cellulari vengono danneggiate, gli enzimi cellulari si liberano e si riversano nel circolo sanguigno. Un aumento della loro concentrazione nel campione può rappresentare un indice abbastanza preciso di un danno cellulare.

Molti enzimi necessitano di componenti chimici addizionali detti cofattori.

I cofattori possono essere:

• Ioni inorganici (Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺).
• Coenzimi (molecole organiche o metallo-organiche).

I coenzimi legati covalentemente all’enzima sono chiamati gruppi prostetici.

Gruppo prostetico: molecola, a volte anche complessa, legata covalentemente all’enzima e coinvolta nella catalisi.

Nomenclatura degli enzimi

• Ad ogni enzima si attribuiscono due nomi: nome corrente e nome sistematico.
• Nome corrente: i nomi degli enzimi più comuni portano il suffisso “-asi” unito al nome del substrato della reazione (p.es. ureasi) o ad una descrizione dell’azione dell’enzima (p.es. lattato deidrogenasi). Alcuni enzimi conservano il vecchio nome comune (p.es. tripsina).
• Nome sistematico: gli enzimi sono suddivisi in 6 classi principali. Il suffisso “-asi” è unito ad una descrizione della reazione chimica catalizzata.

Energia di attivazione

Perché una reazione chimica possa avvenire, si devono rompere i legami preesistenti e si devono eventualmente formare nuovi legami. Consideriamo una popolazione di molecole R-X che devono reagire per formare il prodotto R+ X-.

Affinché una reazione chimica avvenga è necessario:

• Che le molecole si urtino;
• Un urto efficace, nel senso che le molecole che si urtano devono avere un contenuto energetico tale da permettere loro di formare il complesso attivato (Rδ+--- X δ-) ad alto contenuto energetico e bassa stabilità.

Il livello energetico a cui è localizzato il complesso attivato si chiama stato di transizione. La differenza di energia tra i reagenti e lo stato di transizione viene detta energia di attivazione (Ea). Ea rappresenta quindi una barriera energetica che i reagenti devono superare per trasformarsi nei prodotti. Il tutto può essere simpaticamente rappresentato come un sasso (reagente) che per arrivare a valle (prodotto) deve superare la montagna (Ea). Maggiore è il numero di molecole R-X capaci di formare, nell’unità di tempo, il complesso attivato maggiore sarà la velocità di reazione.

Una reazione chimica può essere accelerata aumentando la temperatura. Infatti, aumentando la T aumenta l’energia cinetica delle particelle, aumenta il numero degli urti efficaci tra le molecole e un maggior numero di particelle, nell’unità di tempo, formerà il complesso attivato.

Lo stato di transizione

Il substrato è paragonabile a una barretta metallica che vogliamo spezzare in 2 parti (prodotti):

• Nella reazione non catalizzata dobbiamo pensare di applicare una forza (meccanica e/o calore) così forte da piegare la barretta (stato di transizione S‡) fino a spezzarla nei 2 prodotti;
• Nella reazione catalizzata la barretta metallica viene accolta nel sito attivo dell’enzima che sarà indotto a ripiegarsi (adattamento indotto) insieme alla barretta (complesso ES‡) fino a che si spezzerà, rilasciando i prodotti e l’enzima intatto.

Meccanismo d’azione degli enzimi

• Modello chiave-serratura: il substrato si lega al sito attivo come la chiave in una serratura.
• Modello dell’adattamento indotto: la struttura dell’enzima si adatta a quella del substrato.

La velocità delle reazioni catalizzate da enzimi è influenzata da fattori quali:

• Concentrazione dell’enzima
• Concentrazione del substrato
• Temperatura
• pH
• Modificazioni covalenti

Modello “Lock and Key”

L’enzima si combina chimicamente col substrato. Il sito attivo è costituito dal “negativo” del substrato:

• Si formano legami “esatti” fra enzima e substrato.
• Esiste una regione dell’enzima detta “sito di legame” e una detta “sito catalitico”.

Riconoscimento spesso tridimensionale.

Gli enzimi sono caratterizzati da tre proprietà distintive:

• Capacità catalitica
• Specificità di substrato
• Regolazione

I residui amminoacidici che formano il sito di legame sono disposti in modo tale da reagire specificamente con il substrato mediante forze attrattive.

Il sito attivo

Il complesso ES si forma in una regione dell’enzima, denominata sito attivo, che occupa normalmente non più del 5% dell’area totale della superficie della molecola enzimatica. È fondamentale la conformazione nativa della proteina per la sua funzione catalitica. I siti attivi, a forma di nicchie o fenditure, sono spazi tridimensionali situati entro la proteina globulare e in essi sono presenti:

1. Catene laterali di AA idrofobici per la creazione di un ambiente privo di acqua, simile al vuoto, ambiente ideale per l’accelerazione delle reazioni, rallentate invece dalle molecole di acqua.
2. Catene laterali di AA polari per formare legami deboli (legami H, ionici, di Van der Waals) con i substrati per attuare il loro posizionamento nel sito attivo. Essendo questi legami deboli, il posizionamento dei substrati è facilmente reversibile.
3. Catene laterali di AA polari spesso cariche, di norma in numero non superiore a 5, con funzione di reattività catalitica, chiamati appunto residui catalitici, attivi nella trasformazione di S in P.

Concentrazione del substrato

• Velocità di una reazione (v): è il numero di molecole di substrato che si trasformano in prodotto nell’unità di tempo.
• (v) si esprime come mmol/L di prodotto formatosi in un minuto (mmol/min).
• La velocità di una reazione catalizzata da un enzima aumenta all’aumentare della concentrazione del substrato fino a raggiungere una velocità massima (Vmax) che riflette la saturazione con il substrato dei siti attivi delle molecole di enzima presenti.

Grafico di Michaelis-Menten

[Vmax S]=v ]Km+[ S

La velocità di reazione in tutti i processi enzimatici, mantenendo costanti pH, temperatura e altre condizioni necessarie al processo, dipende fondamentalmente da:

• [E] concentrazione di enzima
• [S] concentrazione di substrato

Si può osservare dal grafico che, mantenendo costante [E], la velocità di reazione aumenta all’aumentare di [S] in modo direttamente proporzionale solo per un breve tratto; poi aumenterà fino a un valore massimo, Vmax, oltre il quale si manterrà costante. Al valore di Vmax, E è saturato di S. L’aumento infinito di [S] non può dare luogo ad aumento di velocità di reazione oltre al Vmax, ottenuto per una certa [E]. In condizioni di saturazione Vmax può essere aumentata solamente da un aumento di [E], in modo direttamente proporzionale. Km indica, in modo inversamente proporzionale, l’affinità di E per S: maggiore è la [S] che consente di sviluppare la Vmax/2, minore è l’affinità di E per S.

Influenza del pH

La maggior parte degli enzimi esprime massima attività in un intervallo ristretto di pH che varia moltissimo da enzima a enzima (intervallo di pH da 2 a 9). Il valore esatto di pH in cui l’enzima esprime massima attività è definito pH optimum. Il pH fisiologico è mantenuto attorno alla neutralità e ciò non coincide con tutti i pH ottimali dei moltissimi enzimi: mutamenti di pH sono in grado di modificare l’attività catalitica.

• Ciascun enzima ha un pH ottimale al quale la reazione è catalizzata con la massima efficienza. Esso in genere rispecchia quello dell’ambiente in cui l’enzima svolge normalmente le sue funzioni.
• La concentrazione degli H⁺ (pH) influenza l’attività enzimatica modificando la geometria del sito attivo e la distribuzione delle cariche elettriche dei gruppi coinvolti nel legame.