La Biochimica

Biochimica generale e dello sport

Introduzione alla logica molecolare

Le molecole del corpo umano prese singolarmente sono “Gli organismi viventi sono composti da molecole inanimate prive di vita.” (A. Lehninger). Le macromolecole biologiche seguono tutte le leggi della fisica e della chimica che regolano il comportamento della materia inanimata. Queste inoltre, sono strutture complesse, altamente organizzate e adempiono a specifici ruoli funzionali. In biochimica un concetto fondamentale è struttura uguale a funzione. Se modifico la struttura spesso perdo la funzione, un esempio può essere la malattia. Inoltre, bisogna sempre sapere come è fatta una molecola per sapere la sua funzione. Lo scopo della biochimica è quello di capire come le molecole inanimate, che costituiscono gli organismi viventi, interagiscono tra di loro per conservare e perpetuare la vita.

È necessario tuttavia fare una distinzione della biochimica, due aspetti fondamentali:

• La biochimica descrittiva: Riguarda lo studio della composizione della materia vivente. Questa è la prima parte che va studiata della biochimica per capire come funzionano i nostri mattoni.
• La biochimica dinamica: Successivamente si passerà allo studio di questo aspetto della biochimica che riguarda il metabolismo.

Le basi della biochimica

Bibliografia = Introduzione alla Biochimica di Lehninger

La biochimica

Concetti di chimica: la materia

La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio. L’elemento è una porzione omogenea di materia formata da atomi della stessa specie. Il composto è una combinazione di atomi di due o più elementi. Per introdurre la biochimica è fondamentale parlare dell’acqua. La struttura della molecola dipende dall’interazione con l’acqua. Non può esistere cellula senza acqua, perché essa è fondamentale affinché la macromolecola abbia tale struttura.

Legame idrogeno

Il legame idrogeno è l’interazione tra l’atomo di idrogeno (H⁺) debolmente positivo di una molecola d’acqua e l’atomo di ossigeno (O^-) debolmente negativo di un’altra, che dà luogo ad un legame debole. È particolarmente importante nei sistemi biologici (proteine, acidi nucleici ecc.). Si forma tra un atomo di idrogeno, legato covalentemente ad un atomo fortemente elettronegativo (azoto, ossigeno, fluoro) di una molecola, e un atomo fortemente elettronegativo di un’altra molecola. Una molecola di acqua può formare un massimo di quattro legami idrogeno (nel ghiaccio) con altre molecole d’acqua.

Acqua

L’acqua è la sostanza più abbondante negli esseri viventi, rappresentando più del 70% del peso della maggior parte degli organismi. Essa è importante per diversi motivi:

• Tutte le molecole biologiche assumono la loro forma (e quindi la loro funzione) in risposta alle proprietà chimico fisiche dell’acqua.
• È il solvente dove hanno luogo la maggior parte delle reazioni.
• Partecipa attivamente a molte reazioni, tramite i suoi componenti ionici, ione idrogeno (H⁺) e ione ossidrile (OH^-). La reattività di molti gruppi funzionali presenti nelle molecole biologiche dipende dalla concentrazione di H⁺ e OH^- nell’ambiente circostante.

L’acqua è un composto, quando si decompone libera elementi. Dall’acqua otteniamo 1 atomo di ossigeno (O) e 2 atomi di idrogeno (H). Ossigeno e idrogeno sono elementi, non si possono perciò decomporre in particelle più piccole. Essa è una molecola polare, costituita da tre poli, di cui due positivi (H) e uno negativo (O). Vi è quindi un legame polare, carica negativa contro carica positiva. Il “legame a idrogeno”, che è debole in apparenza ma che a sua volta diventa forte, è il principale legame del corpo umano. L’atomo di ossigeno ha una carica parziale negativa per una coppia di elettroni non condivisi. I due atomi di idrogeno hanno invece una carica parziale positiva. Ricorda: H₂O in natura non esiste, solo nel ghiaccio si trova questa formula dato che è cristallizzato, mentre quando è liquida si ha una continua rottura di questi legami. L’acqua è infatti costituita da tanti legami deboli, che a loro volta diventano forti, e questo aspetto fa sì che essa sia modulabile.

Acqua vs ghiaccio

• Nel ghiaccio ci sono 4 legami idrogeno per molecola di acqua.
• Nell’acqua ci sono 2.3 legami idrogeno per molecola di acqua.
• Nel ghiaccio l’emivita del legame idrogeno è di circa 10 microsecondi.
• Nell’acqua l’emivita del legame idrogeno è di circa 10 picosecondi.

L’acqua è inoltre un ottimo solvente. Tuttavia, vi sono elementi, i lipidi, che non si sciolgono in acqua. Il motivo è che questi sono elementi apolari, interagiscono con l’acqua respingendola, per questo motivo si può affermare che anche dalla mancata interazione si genera struttura. Questi elementi vengono chiamati “idrofobi”.

Acqua come solvente

Il corpo umano è una soluzione a base di acqua, quest’ultima è il solvente. Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze. La sostanza presente in maggiore quantità è detta solvente, mentre quella presente in minore quantità è detta soluto. In genere, una soluzione può essere gassosa (aria), solida (leghe, vedi ottone) o liquida (acqua di mare).

La solubilità di un composto dipende dalla capacità di interagire con il solvente più fortemente di quanto le particelle del soluto interagiscono tra di loro. Il carattere polare dell’acqua la rende un ottimo solvente per tutti i composti polari o ionici definiti idrofili. I composti non polari o apolari sono praticamente insolubili in acqua e vengono definiti idrofobici.

• Molecole idrofile: Sono ad esempio le proteine e sono amanti dell’acqua. L’acqua scioglie i composti polari sostituendo i legami soluto-soluto con i legami idrogeno acqua-soluto, indebolendo interazioni elettrostatiche tra le molecole di soluto.
• Molecole idrofobe: Sono ad esempio i lipidi. Essi respingono l’acqua. Prendiamo ad esempio l’olio da cucina, esso non interagisce con l’acqua, non si scioglie. Nasce quindi una miscela. Il fatto che i lipidi respingono l’acqua è una fortuna, altrimenti non ci sarebbe la membrana cellulare e non ci sarebbe quindi vita.

Composizione della materia

• In natura si conoscono 109 elementi chimici differenti indicati con un simbolo corrispondente alla prima lettera, o alle prime due lettere, del nome latino.
• Circa 25 dei 109 elementi sono considerati essenziali per la vita.
• Quattro elementi, ovvero carbonio (C), ossigeno (O), idrogeno (H), e azoto (N), costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano.

Introduzione alle macromolecole biologiche

Le macromolecole biologiche sono strutture complesse, altamente organizzate e adempiono a fini funzionali. Alcune macromolecole biologiche sono informazionali. Legami deboli sono implicati nella formazione e nel mantenimento della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche complesse. Alcune di esse inoltre portano nella loro struttura l’informazione.

A questo punto sorge una domanda: A cosa servono gli acidi nucleici?

• Acido Nucleico: Il DNA contiene il progetto per la sintesi delle proteine. Se quest’ultimo risulta sbagliato, corrotto, anche la proteina risulta errata, si ha quindi una malattia genetica. Un esempio è l’emofilia, una malattia genetica. In questo caso il soggetto non possiede il “file” per la sintetizzazione di quella proteina. (Vedi esempio del pesce antartico). Tuttavia non tutte le proteine vengono sintetizzate.
• Acidi Nucleici: Servono per la sintetizzazione delle proteine – Contengono il progetto.

Le biomolecole sono composti del carbonio. Le nostre macromolecole sono formate da carbonio. La chimica organica è la chimica del carbonio. La prevalenza del carbonio è giustificata dalla sua versatilità nel formare legami covalenti stabili, attraverso la condivisione di elettroni. Gli atomi che comunemente formano legami covalenti con il carbonio sono: il carbonio stesso, l’idrogeno, l’ossigeno e l’azoto. L’atomo di carbonio può formare legami singoli, doppi e tripli (rari).

Composti del carbonio

• I composti più semplici del carbonio sono gli idrocarburi composti solo di C e H. Gli idrocarburi sono poco importanti dal punto di vista biomedico. Sono invece importanti altre molecole organiche nelle quali uno o più legami tra C e H sono sostituiti con legami con gruppi funzionali.

Gruppi funzionali

Vi sono quattro diversi gruppi funzionali:

• Gruppo ossidrile: Sono i gruppi alcolici. Per quanto riguarda la loro nomenclatura, essi terminano con la desinenza –olo. Un esempio è il glicerolo, composto da 3 gruppi alcolici oppure anche l’etanolo. Il gruppo più importante di composti che contengono gruppi ossidrilici sono gli alcoli (esempio: etanolo o alcol etilico).
• Gruppo carbonile: I composti che contengono gruppi carbonilici si chiamano aldeidi, se il gruppo è legato ad un carbonio terminale, o chetoni, se il gruppo è legato ad un carbonio interno della catena.
• Gruppo carbossilico: Questo è un gruppo acido perché, se viene messo in acqua, si libera del prodotto, perde il protone. Si ritrova nelle proteine, negli amminoacidi. Il gruppo carbossilico tende a liberare uno ione H⁺, comportandosi come un acido. Le molecole che presentano uno o più gruppi carbossilici si chiamano acidi carbossilici o acidi organici (esempio: acido acetico).
• Gruppo amminico: È un gruppo basico, acquista perciò il protone. I gruppi amminici tendono ad accettare H⁺ formando un gruppo ammonio –NH₃⁺. Le ammine pertanto sono classificate come basi. Le molecole che presentano uno o più gruppi amminici si chiamano ammine.

Una caratteristica fondamentale è che se vi è un gruppo acido vi è anche un gruppo basico. Questi ultimi due sono quindi una coppia, costituita da un acido che cede il protone e una base che acquista il protone.

Macromolecole biologiche

Essenziale = non può essere sintetizzato dal corpo umano.

Glucidi o zuccheri

Sono i carboidrati (preferibile abbandonare questo termine). Essi, per capire come sono fatti, vengono classificati in base al numero delle unità monomeriche che contengono:

• Monosaccaridi: Singola unità. Questi vengono definiti zuccheri semplici. Ma perché vengono chiamati così? Il motivo è che sono semplici di natura, hanno l’unità monomerica più piccola, non possono quindi essere scomposti (idrolizzati). Se questi vengono idrolizzati perdono la loro struttura e quindi la funzione. Sono classificati in aldosi o chetosi in base al fatto che la molecola contenga un gruppo aldeidico o chetonico. Inoltre sono distinti in base al numero di atomi di carbonio che contengono con C che va da 3 a 7.

Un’altra caratteristica dei monosaccaridi è il fatto che il numero dei gruppi ossidrilici (OH) è uguale al numero degli atomi di carbonio - 1.

Il ribosio: Molti coenzimi posseggono il ribosio nella loro struttura. Esso è contenuto nell’ATP ed è il precursore di molti composti (il loro componente fondamentale). Una caratteristica fondamentale da ricordare è il fatto che nell’uomo il metabolismo glucidico è il glucosio. Il glucosio nel corpo umano in parte ha struttura lineare, in parte ciclizza. A seconda della posizione del gruppo ossidrile cambia il metabolismo del glucosio.

Epimero: Quando due zuccheri differiscono soltanto nella configurazione intorno ad un atomo di carbonio sono definiti epimeri. Indica che due composti hanno la stessa composizione strutturale, gli stessi gruppi strutturali, ma cambia la loro posizione, ossia la composizione spazio–temporale. Il mannosio è un epimero in C2 del glucosio. Il galattosio è un epimero in C4 del glucosio. Un eccesso di galattosio può generare danni cerebrali.

Con la dieta si assumono molti esosi, tuttavia questi devono essere necessariamente trasformati, convertiti dal fegato in glucosio.

• Disaccaridi: Da 2 a 20 unità. Questi sono composti da due unità zuccherine, legate attraverso un legame glicosidico. In particolare vi sono tre disaccaridi di interesse biomedico:

1. Maltosio: (Ad esempio il malto, le maltodestrine) esso è costituito da due molecole di glucosio. Vi è un “legame α1_4 glicosidico”, che viene rotto da degli enzimi e dal maltosio otteniamo così due molecole di glucosio che potremmo poi utilizzare.
2. Lattosio: (Dà il colore biancastro al latte) esso è costituito da una molecola di glucosio e una molecola di galattosio. Vi è un “legame β1_4 glicosidico”. Noi possediamo un enzima in grado di rompere questo legame facendoci ottenere una molecola di galattosio e una di glucosio. La molecola di galattosio verrà poi trasformata in glucosio dal fegato, ottenendo così due molecole uguali di glucosio. Qui un esempio può essere il bambino, poiché in sala parto una delle prime cose che viene fatta è la verifica della presenza dell’enzima per la trasformazione del galattosio in glucosio, cosicché il bimbo potrà poi essere allattato. Se non dovesse esserci tale enzima, il livello di galattosio aumenterebbe portandolo così a contrarre malattie cerebrali.
3. Saccarosio: (Il semplice zucchero) esso è costituito da una molecola di glucosio e una molecola di fruttosio, che dovrà essere trasformata dal fegato. Vi è un “legame α1_2 glicosidico”.

• Polisaccaridi: Oltre le 20 unità. Vi sono due grandi famiglie:

1. Omopolisaccaridi (S o R): Sono costituiti da un solo tipo di monosaccaride. Alcuni sono presenti all’interno delle cellule ed utilizzati come una riserva energetica: amido (vegetali), glicogeno (animali). Altri sono costituenti strutturali delle pareti cellulari (cellulosa) e dell’esoscheletro degli animali (chitina). Un esempio è appunto il glicogeno, dato che è composto solo da glucosio. Questo è un omopolisaccaride ramificato come l’amido. La differenza è che l’amido riguarda i vegetali mentre il glicogeno gli animali, tra di loro cambia la ramificazione che nel glicogeno è molto più grande. Vi è poi la cellulosa, che a differenza delle prime due, noi non utilizziamo come fonte energetica.

• Amido: È un omopolisaccaride presente nelle cellule vegetali. Questo è un polimero del glucosio presente in due forme:

1. Forma lineare: Amilosio: Qui vi è un “legame α1_4 glicosidico”, un legame lineare. Rompendolo si ottengono tante molecole di glucosio. Questo processo avviene attraverso il pancreas, il cui principale enzima è l’amilasi, che ha il compito di rompere il legame. *La causa della pancreatite è un aumento di amilasi, dato che il pancreas si rompe rilasciandolo.
2. Forma ramificata: Amilopectina, che serve a solidificare (ad esempio la colla di pesce). Qui vi è un “legame α1_6 glicosidico”.

• Glicogeno: È un omopolisaccaride ramificato, polimero del glucosio. È la forma principale di deposito dei glucidi negli animali. È strutturalmente molto simile all’amilopectina, da cui si differenzia per il numero delle ramificazioni. Nell’uomo si trova principalmente nel fegato (fino al 7 - 10 % della massa) e nel muscolo (1 - 2 % della massa). Quando si immagazzina glucosio, questo viene immagazzinato sotto forma di glicogeno. La nostra riserva energetica sono i lipidi perché a parità di peso 1g di lipidi dà il doppio di energia di 1g di glucidi. Inoltre un altro motivo è il fatto che per ogni g di glucosio immagazzinato sotto forma di glicogeno si legano 3 g di acqua, occupando spazio. (1g di carboidrati trattiene 3g di acqua). Da questo deduciamo che il glicogeno lega l’acqua. Questo è tuttavia presente solo in due tessuti, ossia fegato e muscolo. L’immagazzinamento nel fegato avviene per un motivo, il fatto che il cervello utilizza un solo combustibile, ovvero il glucosio. Per questo motivo il fegato ne immagazzina in grande quantità mettendolo in circolazione per mantenere il livello di glicemia. La sua ramificazione consente di immagazzinare una grande forma di energia sotto forma di glicogeno. La forma di immagazzinamento di energia sono i lipidi, quando si assumono più calorie di quelle che si bruciano quel surplus calorico viene immagazzinato sotto forma di lipidi, acidi grassi, tessuto adiposo, perciò ingrassiamo. Un concetto fondamentale è il fatto che il cervello è costituito da neuroni, che utilizzano il glucosio. Il cervello però lavora h24 e deve quindi pescare una quantità costante di glucosio, ma noi non mangiamo h24, vi è quindi il fegato che è un organo che regola la glicemia (livello di glucosio nel sangue), tenendola costante. Esso, quando non mangiamo, la tiene costante attraverso l'immagazzinamento del glucosio, quindi l’h24 del cervello viene compensato dall’h24 del fegato.