Introduzione alla biochimica

BIOCHIMICA

• non varia con legami ad altri atomi di carbonio.

Da ciò si capisce come nel (CH ) il carbonio sia nella sua forma più ridotta;

metano 4

nell'anidride carbonica (CO ) nella sua forma più ossidata. Quest’ultimo composto è infatti il

2

prodotto dell'ossidazione completa di una macromolecola (come un carboidrato) che avviene

nella cellula per la produzione di ATP. ! 4

BIOCHIMICA Acqua

L'acqua è una molecola inorganica che rende possibili i processi biologici e la vita.

È un composto di due molecole di idrogeno legate covalentemente a un atomo di ossigeno

(H O, Di conseguenza, la struttura tridimensionale dell'acqua è assimilabile

ossido di diidrogeno).

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a un tetraedro imperfetto poiché, in accordo con la teoria VSEPR, gli angoli di legame sono

influenzati dalla presenza di doppietti liberi ed equivalgono a 104.5º.

H

O H

Polarità

L'atomo di ossigeno ha due doppietti elettronici liberi, rappresentati nella figura dalle linee

tratteggiate; inoltre, la maggior elettronegatività rispetto all'idrogeno fa sì che gli elettroni

siano delocalizzati maggiormente sull'ossigeno. Conseguenza di questa situazione è la

della molecola di acqua: l'ossigeno porta un dipolo negativo (δ ) mentre i due

polarità -

idrogeno portano un dipolo positivo (δ ). Si presti attenzione al fatto che la polarità della

+

molecola non implica il fatto che essa sia elettricamente carica.

Ponti a idrogeno

La presenza dei dipoli rende possibile un'interazione tra due molecole di acqua: in

particolare, ogni dipolo positivo di una molecola (l'atomo di idrogeno) può interagire con un

dipolo negativo di un'altra molecola (l'atomo di ossigeno).

In questo modo, ogni molecola di acqua può stabilire interazioni con altre quattro molecole

uguali a se stessa: una per ogni idrogeno, due per ogni ossigeno (che ha due doppietti

elettronici liberi).

Tali interazioni deboli e reversibili sono dette o e si instaurano,

ponte legame a idrogeno

più in generale, tra una molecola di idrogeno e un atomo

donatore accettore.

è una molecola che possiede un atomo di idrogeno legato a un atomo più

Donatore

elettronegativo (ossigeno, azoto o fluoro) e che, quindi, possiede un dipolo.

è un atomo più elettronegativo dell’idrogeno (ossigeno, azoto o fluoro), la cui

Accettore

presenza in una molecola organica genera un dipolo.

Si è detto che i legami a idrogeno sono reversibili: questa proprietà dipende dall'energia del

sistema. In particolare, a un aumento dell'energia del sistema è associata la rottura delle

interazioni deboli, e viceversa. ! 5

BIOCHIMICA

Per questo motivo l'acqua esiste in tre stati: allo stato solido tutti i legami a idrogeno tra le

molecole di acqua sono formati e donano rigidità al composto; un aumento della

temperatura, e quindi dell'energia del sistema (calore) rompe parte di queste interazioni

cosicché la compattezza tipica dello stato solido viene a mancare e il composto diventa prima

liquido (temperatura di solidificazione), poi gassoso (temperatura di ebollizione).

I ponti a idrogeno svolgono un ruolo biologico assai importante: per citare un esempio,

costituiscono le interazioni tra le basi azotate complementari nelle molecole di acidi nucleici

(DNA e RNA). Come per i passaggi di stato, l'aumento dell'energia del sistema in questo caso

porta alla denaturazione della molecola, cioè alla separazione dei due filamenti. La

reversibilità dei ponti a idrogeno consente anche la rinaturazione, associata a un

abbassamento di temperatura.

I legami a idrogeno sono le interazioni deboli e reversibili più Si ricordano, in quanto

forti.

utili allo studio della biochimica, le altre tipologie di interazione debole tra molecole

organiche:

interazioni carica-carica;

• interazioni carica-dipolo;

• interazioni dipolo-dipolo;

• interazioni carica-dipolo indotto;

• interazioni dipolo-dipolo indotto.

•

Le interazioni tra un dipolo (permanente o temporaneo) e un dipolo indotto sono chiamate

forze di Van Der Waals.

Interazioni tra l'acqua e le molecole organiche

Le molecole che stabiliscono interazioni con l'acqua sono dette o la

idrofile idrofiliche;

loro particolarità è quella di essere polari o di potersi dissociare generando un dipolo.

Il glucosio, per esempio, è idrofilo perché i suoi gruppi ossidrilici possono stabilire legami a

idrogeno con l'acqua; allo stesso modo sono idrofile molecole con gruppi carbossilici o

amminici.

Le molecole che non interagiscono con l'acqua sono dette o queste

idrofobe idrofobiche;

molecole in ambiente acquoso interagiscono tra di esse formando strutture che tendono a

ridurre al minimo la superficie esposta alle molecole di acqua.

Sono idrofobi, per esempio, gli idrocarburi alifatici composti esclusivamente da carbonio e

idrogeno.

Sono dette o quelle molecole che presentano una porzione idrofoba e

antipatiche anfotere

una porzione idrofila: tipico esempio è quello degli acidi grassi, costituiti da una catena

carboniosa idrofila e da un gruppo carbossilico terminale idrofilo.

Le molecole antipatiche in ambiente acquoso assumono una conformazione sferica detta a

tale che siano esposti all'acqua soltanto le teste polari, idrofile, lasciando rivolte verso

micella,

l'interno le code apolari, idrofobe. Una configurazione alternativa è quella che si riscontra a ! 6

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livello della membrana plasmatica cellulare: fosfolipidi (anfipatici) si dispongono a formare un

doppio strato in cui all'interno si trovano le code apolari, lasciando rivolte verso l'ambiente

acquoso le teste polari. Questa soluzione è assai efficace per delimitare e isolare l'ambiente

extracellulare da quello citoplasmatico. ! 7

BIOCHIMICA pH e sistemi tampone

Richiami sul pH

Il pH misura l'acidità di una soluzione; è definito come: +

pH = − log[H ]

!

A pH < 7, quindi a concentrazioni di ioni H maggiori di 10 M, la soluzione è detta acida;

+ -7

a pH > 7 la soluzione è detta a pH = 7 la soluzione è detta

basica; neutra.

Si è detto che le cellule producono energia attraverso l'ossidazione di molecole organiche.

Durante queste reazioni vengono liberati ioni H e si rendono necessari sistemi che

+

impediscono un'eccessiva acidificazione dell'ambiente.

Sistemi tampone

I sistemi tampone sono sistemi che si oppongono a piccole variazioni di pH in una soluzione

acquosa. Sono generalmente formati da un acido e da un suo sale con una base forte, o da

una base e da un suo sale con un acido forte.

Si noti che la componente salina si dissocia, in acqua, nella base coniugata dell'acido (o

nell'acido coniugato della base, nel secondo caso) e nell'acido coniugato della base forte (o

nella base coniugata dell'acido forte) ma, essendo la forza di quest'ultima assai debole, non

contribuisce al tamponamento.

Un tipico esempio di sistema tampone è quello formato dall’acido acetico e dall'acetato, che si

forma dalla seguente reazione:

CH COOH + H O —> CH COO + H O

- +

3 2 3 3

Di seguito uno schema che indica il meccanismo d'azione del sistema tampone:

OH Aggiunta di base H O

- 2

CH COOH CH COO

-

3 3

Aggiunta di acido H +

Il sistema è in grado di contrastare sia l'aggiunta di una base che l'aggiunta di un acido: ! 8

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