Fondamenti di biochimica

Biomolecole e biochimica

La biochimica studia:

• Le sostanze che costituiscono la materia vivente
• Le reazioni cui vanno incontro tali molecole
• I processi di regolazione cui sono soggette le reazioni che coinvolgono le molecole organiche

Gli organismi viventi sono sistemi aperti, molto lontani dall'equilibrio, caratterizzati da:

• Organizzazione biochimica comune, almeno nelle linee essenziali
• Variabilità a molteplici livelli (varietà di citotipi in un tessuto, varietà di tessuti nell’organismo, varietà di organismi, ecc.)

La biochimica è la scienza che studia le varie molecole presenti negli organismi viventi, le reazioni chimiche cui vanno incontro queste molecole ed i processi che regolano tali reazioni.

Garrod nei primi anni del XX secolo studiando alcuni pazienti affetti da malattie relativamente rare scoprì che queste patologie erano determinate geneticamente; sulla base delle sue osservazioni, coniò l’espressione errori congeniti del metabolismo.

Cause principali di malattie

(Tutte le cause riportate agiscono influenzando meccanismi biochimici diversi)

• Agenti fisici: traumi meccanici, temperature estreme, cambiamenti improvvisi della pressione atmosferica, radiazioni, shock elettrico.
• Agenti chimici: certi composti tossici, farmaci terapeutici, ecc.
• Agenti biologici: virus, batteri, funghi, forme superiori di parassiti.
• Mancanza di ossigeno: carenza di produzione del sangue, diminuzione della capacità di trasporto di ossigeno da parte del sangue, avvelenamento degli enzimi ossidativi.
• Disordini genetici: congeniti, molecolari.
• Reazioni immunologiche: anafilassi, malattie autoimmuni.
• Squilibri nutrizionali: deficit, eccessi.
• Squilibri ormonali: deficit ormonali, eccessi.

Esempi di malattie con basi biologiche note

Caratteristiche degli esseri viventi

Quali sono le caratteristiche che distinguono gli esseri viventi?

• Alto grado di complessità chimica
• Ognuna di esse possiede specifiche subunità
• Un’unica struttura tridimensionale
• La capacità di scegliere le molecole a cui legarsi

Cellule

Le unità fondamentali della vita sono un vero e proprio laboratorio chimico all’interno del quale si susseguono continuamente reazioni che stanno alla base del metabolismo vitale.

Gli esseri viventi sono costituiti da:

• Una singola cellula come nel caso dei batteri o lieviti
• Più cellule (organismi multicellulari)

Ogni cellula possiede diverse e specifiche competenze:

• Le cellule muscolari sono specializzate nella contrazione
• Le cellule nervose sono deputate alla produzione e alla ricezione di segnali chimici ed elettrici

Struttura della cellula

Le cellule possiedono tre porzioni principali:

1. Membrana plasmatica o membrana cellulare: riveste l’esterno delle cellula e funziona come filtro controllando tutto ciò che entra e che esce dalla cellula (possiede la capacità di regolare attivamente il passaggio di metaboliti sia in entrata che in uscita).
2. Citoplasma: costituito da acqua, sali minerali, molecole organiche ed enzimi metabolici. Contiene compartimenti chiamati organuli all’interno dei quali si svolgono specializzate attività metaboliche.
3. Nucleo cellulare: al suo interno si trova il materiale genetico della cellula, DNA, RNA che contiene tutte le istruzioni necessarie per la sintesi delle proteine.

Cosa definisce una cellula?

• Una membrana di permeabilità selettiva che separa lo spazio cellulare dall’ambiente circostante
• Uno spazio strutturato da aggregati macromolecolari (fibre, particelle granulari, vescicole membranose…)
• Un sistema genetico (DNA-RNA-proteine) che immagazzina e riproduce fedelmente le informazioni sul DNA e le esprime sotto forma di proteine strutturali ed enzimatiche
• Un sistema metabolico che consente la trasformazione di molecole organiche in reazioni di degradazione e sintesi, ottenendo e utilizzando energia per mantenere e aumentare l’ordine cellulare e svolgere diverse funzioni fisiologiche.

Biomolecole

Maggiori costituenti della cellula sono le macromolecole (= molecole o polimeri ad elevato PM assemblate a partire da molecole più semplici):

• Amminoacidi - proteine
• Nucleotidi - acidi nucleici
• Acidi grassi - lipidi
• Monosaccaridi - polisaccaridi

Le biomolecole possono essere essenzialmente di due tipi:

1. Esistono macromolecole, essenzialmente polimeri composti di un gran numero di mattoni di base come il DNA (composto di nucleotidi) o le proteine (amminoacidi).
2. Oltre a queste molecole polimeriche, che rappresentano la maggior parte delle biomolecole, esistono numerosi altri piccoli composti organici, assorbiti o sintetizzati dai sistemi viventi.

Con il termine monomero (dal greco una parte) in chimica si definisce una molecola semplice dotata di gruppi funzionali tali per cui sia in grado di combinarsi ricorsivamente con altre molecole, identiche a sé o reattivamente complementari a sé, a formare macromolecole. Per estensione, il termine viene usato anche per identificare l’unità strutturale ripetitiva che forma un polimero. Il processo di trasformazione del monomero a polimero si chiama polimerizzazione.

Le biomolecole devono la loro funzionalità non solo ai legami covalenti e alla presenza di gruppi funzionali, ma anche alla loro disposizione spaziale, la configurazione che indica la distribuzione spaziale degli atomi in una molecola organica dovuta alla presenza di doppi legami intorno ai quali non c’è libera rotazione.

Vitamine

Si tratta di composti organici essenziali per l’uomo; micronutrienti che devono essere assunti con la dieta quotidianamente poiché non vengono sintetizzati dall’organismo umano.

Le vitamine insieme ai minerali sono definite "micronutrienti", ossia sostanze che vengono assunte con gli alimenti in piccole quantità, la cui funzione non è strettamente correlata alla produzione di energia e alla crescita.

Nell’organismo hanno importante funzione di "bioregolatori" delle attività metaboliche e delle funzioni cellulari. Sono sostanze essenziali in quanto non sono biosintetizzabili e devono essere introdotte con la dieta.

Funzione: regolano il metabolismo cellulare e tissutale attraverso l’attività degli enzimi di cui sono parte integrante trasformandosi nella parte coniugata detta coenzima. Non sono apportatrici di energia metabolica (calorie) né entrano a far parte dei costituenti strutturali dell’organismo.

Caratteristiche:

• Sostanze prive di valore energetico
• Composizione molecolare semplice
• Agiscono in piccole dosi
• Sostanze essenziali

Possono essere:

1. Liposolubili: si depositano nei diversi tessuti e possono portare a ipervitaminosi; sono preposte soprattutto all’integrità delle strutture cellulari. Sono le vitamine A, D, E, K ("DANK").
2. Idrosolubili: generalmente non si accumulano nell’organismo (si eliminano attraverso l’urina e la sudorazione) e quindi difficilmente raggiungono concentrazioni eccessive; hanno una funzione coenzimatica. Sono le vitamine del gruppo B e la vitamina C.

Vitamine idrosolubili

• Gruppo B:
  • Vitamina B1 (tiamina)
  • Vitamina B2 (riboflavina)
  • Vitamina B3 o vitamina PP (niacina o acido nicotico)
  • Vitamina B5 (acido pantotenico)
  • Vitamina B6 (cobalamina)
• Vitamina gruppo C

Vitamine liposolubili

• Vitamina A (retinolo e analoghi)
• Vitamina D (colecalciferolo-D3 e ergocalciferolo-D2)
• Vitamina E (tocoferoli)
• Vitamina K (filochinone e menachinone-K2)

Ipervitaminosi e ipovitaminosi

Problemi di ipervitaminosi non sussistono con la normale alimentazione. Il rischio di ipervitaminosi è invece maggiore utilizzando integratori. Occorre tenere presente che, così come per il farmaco, anche per l’integratore l’uso va limitato ai particolari periodi di vita in cui si ritiene che l’alimentazione non sia sufficiente a coprire il fabbisogno.

Ipovitaminosi dovute a:

• Esclusione di alcuni alimenti dalla dieta
• Non corretto trattamento di cibo
• Mal assorbimento
• Diete ipocaloriche
• Terapie farmacologiche

Sorgenti alimentari di vitamine

Il contenuto reale di vitamine di un alimento può discostarsi dalla quantità realmente contenuta negli alimenti al momento del consumo. La conservazione a lungo termine può ridurre il contenuto di vitamine. Molte vitamine sono termolabili per cui, sebbene in misura diversa, il loro contenuto nell’alimento diminuisce notevolmente durante la cottura.

Azioni comuni: molte vitamine oltre alle azioni specifiche ne svolgono anche di comuni:

• Agiscono come fattori di crescita (A, D, gruppo B, C)
• Rafforzano le strutture nervose (B1, B6, B12, PP, C)
• Aumentano la resistenza alle infezioni (A, B6, B12, C)
• Prevengono e curano le anemie (E, ac. Folico, B6, B12, C)
• Salvaguardano le cellule dei meccanismi lesivi dei radicali liberi (E, C)
• Rivestono un ruolo nella prevenzione dei tumori (A, E, C)
• Proteggono pelle e mucosa (A, B2, B6, ac. Folico, PP)

Vitamina B1

La vitamina B1, idrosolubile, è utile alla circolazione, aiuta la produzione di acido cloridrico, la formazione del sangue e il metabolismo dei carboidrati. La vitamina B1 rientra nei processi per il normale tono muscolare del cuore, dello stomaco e dell’intestino, e influisce sui disturbi della crescita, sull’energia e sulla capacità di apprendimento. Tra gli alimenti che la contengono troviamo: lievito di birra, lievito di morula, germe di grano, fegato, erba medica, ortica, pappa reale, polline, spirulina, frattaglie, riso intero, fagioli freschi, lenticchia, nocciola, mandorla, noce, tuorlo d’uovo, arancia, soia, semola frumento, fiocchi di avena, semi di girasole, piselli, pinoli, arachidi, nocciole, ortaggi verdi freschi, patate, riso integrale. La vitamina B1 viene rapidamente assorbita nella parte inferiore dell'intestino tenue, e portata dal sistema circolatorio al fegato, ai reni, al cuore, si combina con il manganese, va rifornita giornalmente all'organismo.

Vitamina B2

La vitamina B2, idrosolubile, è importante per il metabolismo delle proteine, dei lipidi, dei carboidrati, necessaria per la produzione degli anticorpi e della formazione dei globuli rossi. La vitamina B2 aiuta l’organismo nell’utilizzo dell’ossigeno da parte dei tessuti di rivestimento come unghie, pelle e capelli, favorendo l’eliminazione della forfora e partecipando all’assimilazione del ferro e della vitamina B6. Gli alimenti che ne contengono sono il lievito di birra, le noci, i cereali integrali, la melassa nera, il formaggio, il tuorlo d'uovo, la carne. Non viene immagazzinata e va assunta giornalmente, si assimila attraverso le pareti dell'intestino tenue, viene trasportata dal sangue ai tessuti e si elimina attraverso il sudore e le urine.

Vitamina B3

La vitamina B3, idrosolubile, è importante per il buon funzionamento del sistema nervoso, per una pelle sana, per l'apparato digerente ed è essenziale per il metabolismo dei carboidrati, dei grassi e delle proteine. La vitamina B3 migliora la circolazione ed aiuta ad abbassare il colesterolo. Gli alimenti che ne contengono sono fagioli, verdure a foglia verde, crusca di riso, grano integrale, noci, lievito di birra, pesce, latticini, pollame, carne magra, latte. Il suo assorbimento è favorito dalle vitamine B1, B2, C, complesso B, fosforo. I sintomi da carenza sono disturbi gastrointestinali, dermatiti, nevrosi, dolori muscolari, perdita dell'appetito, insonnia, stanchezza, alitosi.

Vitamina B5

La vitamina B5 è presente in tutte le cellule viventi, sia del mondo vegetale che animale. Viene sintetizzata dalla flora batterica dell'intestino, è utile nei crampi muscolari, stanchezza, inappetenza, stress, artrite, protegge contro i danni delle radiazioni, aiuta la produzione di anticorpi, ed è utile per la produzione energetica intracellulare. Partecipa alla formazione dell’acetilcoenzima A, che ha un ruolo importante nel metabolismo dei glucidi, delle proteine, dei lipidi, partecipa alla sintesi dell’emoglobina e del colesterolo. Gli alimenti che ne contengono sono il lievito di birra, fegato essiccato, olio di germe di grano, pappa reale, propoli, polline, ortica, etc.

Vitamina B6

La vitamina B6, idrosolubile, è importante per il metabolismo dei carboidrati, grassi e proteine, per il controllo del peso, aiuta nella formazione degli anticorpi, mantiene sani i nervi, la pelle, i muscoli ed è utile per la digestione. Nell’organismo si converte nella forma biologicamente attiva, il coenzima piridossalfosfato, la quale ha un ruolo chiave nel metabolismo degli amminoacidi. Gli alimenti che ne contengono sono i cavoli, i meloni, i legumi, i piselli, la melassa, il germe di grano, i cereali integrali, il riso integrale, le prugne secche, le verdure a foglia verde, il lievito di birra, il fegato essiccato e le carni, il latte.

Vitamina B12

La vitamina B12 (cianocobalamina), idrosolubile, necessaria per la formazione dei globuli rossi, è utile nella prevenzione delle anemie. Favorisce la formazione e la longevità cellulare. È inoltre necessaria per una corretta digestione, per l’assimilazione degli alimenti, per la sintesi proteica e per il metabolismo dei carboidrati e dei lipidi. Le fonti alimentari più interessanti di questa vitamina sono: il formaggio ed in particole quello fermentato, il fegato, i frutti di mare, latte e derivati, uova. Nel regno vegetale la vitamina B12 è stata trovata nella pianta giovane del grano prima che si formi lo stelo.

Acido folico

L'acido folico, idrosolubile, è importante per la crescita ed è considerato un alimento per il cervello, necessario per la formazione dei globuli rossi e per fornire un apporto energetico. Funziona come coenzima nella sintesi del DNA, ed è importante per una sana divisione e riproduzione delle cellule. È usato nel trattamento e nella prevenzione dell’anemia da acido folico e svolge un ruolo importante nel metabolismo delle proteine. L’acido folico aiuta a regolare lo sviluppo, nell’embrione e nel feto, delle cellule nervose, vitali per una crescita normale. Utile anche in casi di ansia e depressione, funziona al suo meglio in combinazione con la vitamina B12. Gli alimenti che lo contengono sono: verdure a radice, verdure a foglie verdi, lievito di birra, cereali integrali, tonno, ostriche, salmone, latte, derivati del latte, carne, pollo, lenticchie e piselli secchi.

Vitamina C

La vitamina C, idrosolubile, è un antiossidante necessario per la crescita e la cicatrizzazione dei tessuti, il funzionamento della ghiandola surrenale e la buona salute delle gengive. Sensibile alla luce, al calore e all'aria, difende contro gli effetti dannosi dell’inquinamento, protegge dalle infezioni e rinforza il sistema immunitario, aiutando anche l’organismo nella produzione di interferone. È necessaria per il metabolismo dell’acido folico, della tiroidina e della fenilalanina. L’uso della vitamina C in sinergia con la E aumenta l’effetto delle singole vitamine, potenziandone l’attività antiossidante. Il corpo umano non produce vitamina C e quindi il fabbisogno giornaliero deve essere assunto tramite l’alimentazione o sotto forma di integratori. Gli alimenti che contengono maggiormente sono: agrumi, rosa canina, peperoncino, prezzemolo, asparagi, avocado, bietole, broccoli, barbabietole, cavolo, cavolini di Bruxelles, cipolle, peperoni dolci, pompelmo, piselli, pomodori, spinaci e uva sultanina.

Vitamina A

È liposolubile, ovvero si scioglie in presenza dei grassi e protegge dalla cecità notturna e da altri disturbi oculistici, così come da disturbi dermatologi come l’acne. Aiuta a rinforzare il sistema immunitario, è necessaria per il mantenimento del tessuto epiteliale. È importante nella formazione delle ossa e dei denti, rallenta il processo di invecchiamento e agendo come antiossidante aiuta a proteggere le cellule da varie malattie.

Vitamina D

La vitamina D, liposolubile, regola il metabolismo del calcio, e del fosforo, agisce sulla calcificazione delle ossa, favorendo la deposizione dei minerali. Oltre che con i cibi che la contengono si acquisisce con l'esposizione al sole, che attiva una forma di colesterolo della pelle e la trasforma in vitamina D. Regola la funzione immunitaria, la salute dei nervi, coopera alla regolazione del battito cardiaco, utile nel rachitismo, osteoporosi, sclerosi multipla, combatte gli effetti nocivi della terapia a base di steroidi. Gli alimenti che contengono vitamina D sono: uovo intero, sardina, aringa, fegato di pollo, frattaglie, olio di fegato di merluzzo, latte e derivati, salmone, tonno e germe di grano.

Vitamina E

La vitamina E, o tocoferolo, è la più diffusa e comune tra le vitamine e ha proprietà antiossidanti, combatte i radicali liberi e favorisce il rinnovo cellulare. La vitamina E è molto diffusa negli alimenti, soprattutto nei frutti oleosi (come le olive, le arachidi, il mais) e nei semi di grano. La si trova anche nei cereali, nelle noci e nei legumi.