Biochimica generale con domande e risposte d'esame - prof Bonomi

Quaderno di biochimica

Alessandro Magro

Biochimica e chimica a confronto (lezione 1)

Facciamo una comparazione tra ciò che differenzia la chimica biologica e la chimica tradizionale. Non è perché non siamo in una provetta ma in un essere umano che le proprietà e le caratteristiche cambiano. Sono sempre gli stessi. La grande differenza fra vivente e il non vivente che differenza c’è? Tra il mondo bio e abiotico.

Abbiamo differenze a tre livelli:

• Chimica
• Natura fisica dell’ambiente
• Natura termodinamica delle reazioni che avvengono nei sistemi biologici

Abbiamo innanzitutto la selezione degli elementi. Gli elementi che costituiscono primariamente un sistema vivente quali sono? L’elemento più abbondante su questo pianeta è il ferro. Costituisce il 60% della massa del pianeta, poi il nichel il 20% e l’alluminio. Carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno formano il nostro organismo, sono presenti nella crosta superficiale del pianeta dove noi abitiamo. Tali elementi sono nel nostro organismo. Perché? Quando la vita si è sviluppata, fare e disfare molecole fatte da questi elementi è più semplice che fare e disfare molecole fatte a alluminio, ferro ecc.

L’essenza di un organismo vivente è la continua incessante trasformazione di molecole. L’essere è vivo quando non sta mai fermo e ciò vale anche dal punto di vista chimico. Gli esseri viventi oltre a esercitare questa selettività legata alla reattività di tali composti ne esercitano anche un altro: tali composti sono presenti quasi sempre in soluzione acquosa, più o meno concentrati e abbondanti. Ciò comporta che le caratteristiche chimiche degli elementi cambiano. L’elemento più pesante della tavola periodica fra sodio e potassio è il potassio. Se io ho una cellula, chi dei due elementi entra più facilmente nella cellula? Il sodio o il potassio? Entra più facilmente il potassio anche se è più grosso. Perché non è il potassio, ma è il potassio circondato dall’acqua, avendo una carica sola ha meno acqua intorno.

La cosa più importante che differenzia organismi viventi dalla provetta è la presenza di molecole informazionali. In tali molecole l’ordine in cui sono scritte le lettere impartisce loro un significato preciso. L’ordine in cui troviamo le molecole ci porta ad avere un informazione. Le molecole informazionali si possono organizzare secondo varie categorie, ovvero diversi livelli di organizzazione delle molecole informazionali nei sistemi biologici. Le sequenze ordinate di concetti si possono ordinare in strutture di ordine superiore. Il senso di tale specificità è di rispondere ad una certa funzione ed adempiere ad un certo compito.

I due compiti più importanti di queste sovrapposizioni di informazione sono: lo svolgimento di funzioni complesse, trasformare qualcosa di stupido in un qualcosa di usufruibile per una funzione. Tutti sappiamo che la benzina brucia, all’interno di un motore a scoppio riusciamo a far andare un’automobile. Le reazioni complesse trasformano semplici reazioni chimiche in una forma di energia fruibile che l’organismo possa utilizzare. L’organismo trasforma energia di combustione in qualcosa di utile alla finalità dell’organismo. Il secondo aspetto altrettanto importante è il controllo di questa funzione. Quattro quinti delle molecole informazionali non hanno una funzione da motore, hanno una funzione di controllo.

Aspetti fisici della chimica dei sistemi biologici

Nei sistemi biologici noi non abbiamo una provetta ma un’infinità di comparti, i sistemi biologici sono compartimentalizzati e divisi in reparti. Reazioni diverse possono avvenire in comparti tra di loro separati. Possono essere separati dentro la stessa cellula, come per esempio nelle cellule eucariote dove noi abbiamo gli organelli deputati allo svolgimento di determinate funzioni. Molte volte le reazioni avvengono in cellule diverse dello stesso tessuto. Nei tessuti ci sono cellule diverse con funzioni diverse e svolgono funzioni chimiche molto diverse.

Per esempio, nel sangue, un tessuto, i globuli rossi sono cellule deputate ad una funzione e i globuli bianchi sono deputati ad altre. Infine, noi abbiamo tessuti ed organi diversi nel nostro organismo. I composti chimici viaggiano da un tessuto all’altro del nostro organismo, con modalità che sono oggetto di restrizioni. Viaggiano le materie prime, i prodotti finiti, i comandi, l’informazione. Per esempio, per la produzione di latte, non comincia finché il mammifero non partorisce. L’ipofisi manda un segnale per avviare la produzione di latte alla ghiandola mammaria. La ghiandola richiede tramite un segnale al fegato i costituenti per fare il latte. Questo è il concetto di compartimentalizzazione, vari settori divisi connessi per svolgere funzioni. Trasporto tra cellule di uno stesso tessuto e tessuti diversi collegati fra loro. La disponibilità di materiale condiziona il prodotto che si ottiene. La trasmissione di informazioni e ordini da un tessuto ad un altro è cruciale. Possiamo parlare per via di un’interazione complessa tra tessuti.

I sistemi viventi sono sistemi lontani dall’equilibrio. Questo è un concetto chiave, con grandi implicazioni filosofiche. Un sistema che arriva all’equilibrio termodinamico è sostanzialmente morto. Vediamo gli esempi dei vasi comunicanti.

Il primo esempio dei vasi comunicanti allo stesso livello ha una situazione per cui non consuma energia né produce energia, quindi siamo in presenza di un sistema morto. Se l’acqua invece fluisce in un altro recipiente per reazione spontanea dal punto di vista termodinamico (deltaG minore di zero). In tal caso saremo in condizioni di un sistema energeticamente attivo, dal quale ottengo dell’energia. Tale fenomeno si dice flusso di energia, ricavare energia da differenza di stabilità termodinamica in due sistemi. I sistemi viventi possono anche fare un’altra cosa, possono consumare energia per muovere l’acqua dal recipiente dove il livello è basso a quello dove il livello è alto. Dove c’è flusso di energia c’è vita, la possibilità di muover qualcosa, un sistema all’equilibrio è morto.

Considerazione altrettanto importante: il flusso di materiali nel compiersi di una reazione chimica è sottoposto ad un controllo cinetico. Prendiamo un recipiente pieno d’acqua, se non ha comunicazione con gli altri recipienti non posso travasare il liquido verso gli altri contenitori. Devo innescare dei sifoni, solo se lo faccio posso portare l’acqua nei recipienti successivi. Nei sistemi biologici anche l’ultimo recipiente ha un’uscita. Succede che il livello dell’acqua nei tre recipienti dipende non soltanto dall’altezza dell’acqua che ho a disposizione ma dalla velocità con cui l’acqua passa da un recipiente all’altro. Questo è il concetto di controllo cinetico. Quindi, in un sistema biologico “aperto” le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità della reazione che le produce o le consuma. Definiamo così l’effetto cinetico sul decorso delle reazioni chimiche. La concentrazione di una stessa specie dipende da due fattori: un fattore termodinamico e uno cinetico. Quanta acqua fluirà e con che velocità dipende dal controllo cinetico. Entrambi i fattori intervengono nel far sì che la chimica nei sistemi biologici non sia sempre sovrapponibile con ciò che vediamo in un sistema chiuso.

Il terzo aspetto termodinamico fondamentale è la capacità dei sistemi biologici di interconvertire diverse forme di energia. L’energia si può trovare in tanti modi, troviamo energia nei legami chimici e se li rompiamo ricaviamo energia. Possiamo convertire energia in una forma spendibile. Abbiamo centrali elettriche che producono energia elettrica che funziona per svariati usi. Energia elettrica si ottiene da una pluralità di sistemi: a vento, sole, acqua, combustione di combustibili fossili ed energia nucleare. Nei sistemi biologici la cosa interessante è che possiamo convertire tra di loro forme di energia molto diverse. Per esempio, la conversione di energia chimica in energia elettrica, gli stimoli chimici vengono convertiti in elettrici. L’energia chimica può essere convertita anche in termica, dobbiamo mantenere il corpo a 37 gradi e ciò ci costa molta energia, ovvero il metabolismo basale. Alcuni di noi trasformano energia luminosa in energia chimica, per esempio le piante che fanno la fotosintesi. Anche noi facciamo questo tipo di trasformazione, vediamo perché trasformiamo l’energia luminosa che colpisce la nostra retina in composti chimici. Ultimo aspetto fondamentale di interconversione è la trasformazione di energia da chimica a informazionale. L’energia informazionale come funziona? È la conversione di una pila di mattoni in una struttura ordinata, trasformare la pila di mattoni in un’opera architettonica servono progetti, materiali e lavoro. La struttura ordinata va mantenuta in forma ordinata anch’essa. Dobbiamo mantenere il maggior grado possibile di ordine, altrimenti diventerebbe un caos. Quindi l’energia informazionale serve per impartire e mantenere l’ordine nelle macromolecole informazionali.

L’acqua

“Humile et pretiosa et casta”. L’acqua è indispensabile sotto molti aspetti. È il primo componente nei sistemi biologici in ordine di abbondanza. Parliamo di acqua per 4 ragioni: è semplice a livello strutturale, è il componente più abbondante, consente a tutti i sistemi biologici di compiere una moltitudine di azioni ed organizzarsi, è il componente degli alimenti su cui più spesso interviene il tecnologo alimentare. La molecola d’acqua ha virtù incredibili, ci interessa dal punto di vista chimico per le sue tre funzioni:

L’acqua è un reagente, moltissime reazioni per avvenire necessitano la presenza di acqua, per esempio la dissociazione. Senza acqua alcune reazioni non possono avvenire, come la degradazione degli alimenti. L’acqua è anche solvente, in cui avviene il 95% delle reazioni chimiche all’interno di un organismo vivente. L’acqua funge da agente strutturante. La conseguenza di rilievo è che essendo la costituente degli alimenti e noi ne modifichiamo la struttura cambia la struttura stessa dell’alimento. Come mai l’acqua è così speciale. Innanzitutto, è una molecola asimmetrica in cui i due protoni sono da una parte rispetto all’atomo di ossigeno, ciò fa sì che la nostra molecola sia un dipolo elettrico. Un polo positivo e uno negativo. Le frazioni di carica positiva presenti sugli atomi di idrogeno vanno a interagire con le frazioni di carica negativa che si trovano sugli atomi di ossigeno. Il risultato è che tra diverse molecole si forma il legame idrogeno. Tale legame richiede l’allineamento perfetto in serie tra un atomo elettronegativo, uno elettropositivo e un altro elettronegativo. La rottura di un legame perfettamente allineata è difficile rispetto a un legame non perfettamente allineato geometricamente.

La formazione di legami a idrogeno non coinvolge una sola molecola d’acqua ma una molecola può interagire con più molecole d’acqua formando dei reticoli di legami idrogeno fra le molecole d’acqua. L’acqua è liquida perché ci sono tali legami, aumentando la temperatura i legami si rompono e l’acqua bolle.

Tra due composti a diverso peso molecolare quale sarà più volatile ovvero quale bolle prima? Tra acqua e acido solfidrico, l'acqua bolle a 100 gradi e l’acido bolle a -21 gradi. Il più pesante è il più volatile, bolle prima. Perché? L’acqua è un sistema fortemente colligativo perché ci sono tanti legami idrogeno. L’ossigeno è molto più elettronegativo dello zolfo che è presente nell’acido solfidrico. L’acido è molto meno elettronegativo per cui le possibilità di formazione di un legame idrogeno sono molto più basse. Il risultato è che tali molecole non hanno intenzione di interagire le une con le altre. Pertanto bassa poca energia e bassa temperatura affinché le molecole passino da uno stato di aggregazione liquido ad uno gassoso. Il sistema acqua per staccare le molecole devo somministrare un mucchio di calore, perché ho un mucchio di legami da rompere e devo superare una soglia di energia, infatti devo arrivare a 100 gradi per la bollitura dell’acqua. Questo si dice effetto colligativo e ci dimostra che rompere i legami tutti insieme richiede un sacco di energia. La struttura dell’acqua è peculiare anche per un altro aspetto ovvero la sua transizione di fase dallo stato liquido allo stato solido. A che temperatura l'acqua ha la massima densità? A 4,1 gradi. Perché? Se raffreddiamo l’acqua più lo facciamo e meno le molecole si muovono, a un certo punto ai 4 gradi i legami che l’acqua forma con le molecole adiacenti assumono una disposizione regolare. In quel punto si ha la massima densità, ovvero in un certo volume riusciamo a far stare il massimo numero di atomi possibili.

Passiamo alle proprietà chimiche dell’acqua. La prima proprietà è l’acqua come solvente: prendiamo due comuni liquidi come etanolo e etano. Uno dei due si scioglie in acqua e l’altro no. Perché? Perché un qualunque composto è solubile in acqua se riesce a formare dei legami idrogeno con essa. L’etanolo presentando un gruppo OH lo può fare. Se invece di considerare etanolo io considerassi il normal-butanolo? Tale composto non si scioglie facilmente in acqua. Poiché l’interazione tra le catene prevale sull’interazione con l’acqua. La solubilità di una specie chimica dipende dalla relazione che stabilisce con l’acqua, se prevale interazione acqua e soluto allora si scioglie. Se prevalgono le interazioni tra molecola e molecola il composto non si scioglie. È ovvio che ci sono composti la cui solubilità cambia in funzione della temperatura. Se aumentiamo la temperatura l’acqua non interagisce con altra acqua ma interagisce con il soluto portandolo in soluzione. Se si abbassa la temperatura il saccarosio interagire con altre molecole di saccarosio e l’acqua con altre molecole di acqua. In tal modo ho ottenuto i miei cristalli di zucchero. Per esempio, prendiamo dell’amido che è solubile solo in acqua calda, perché noi rompiamo i legami idrogeno che tengono la struttura dell’amido e consentiamo i legami con l’acqua. Nei sistemi biologici ci sono una grande quantità di gruppi chimici che possono formare legami idrogeno con acqua. Per esempio, un chetone. L’acqua funziona da solvente anche nei confronti di specie chimiche tenute insieme da legami ionici. Il caso più comune è un cristallo di sale NaCl. Si trova sotto forma di un perfetto cubo. Cosa succede se al sistema aggiungiamo acqua? L’acqua essendo un dipolo elettrico va a interagire con i miei ioni. Mostrerà l’ossigeno vicino agli ioni carichi positivamente. Ossigeno vicino a sodio. Lo ione è circondato da sfere di solvatazione. Al di là di una certa distanza che dipende dalla densità di carica del mio ione avrò acqua libera. Questo è il processo di solvatazione di una specie chimica. Consideriamo un carbossile RCOOH, funzione che si trova in tutti gli acidi organici. Il carbossile può fare massimo tre legami idrogeno. Il carbossile in forma dissociata COO- può coordinare circa 40 molecole d’acqua. Un polifosfato è un composto chimico con una forma particolare, li troviamo nel cibo. I polifosfati servono perché avendo molte cariche nella molecola (5) si ha la possibilità di trattenere molte molecole di acqua. È un additivo alimentare che viene aggiunto con lo scopo di trattenere l’acqua nell’alimento.

Il legame idrofobico

La capacità dell’acqua di organizzare strutture è legata all’abilità delle molecole d’acqua di interagire fra di loro. L’acqua non interagisce con specie apolari o idrofobiche. In contatto con tali sostanze l’acqua si organizza a formare, attorno a tali molecole, una sorta di gabbia (clatrato) che limita la molecola a estendere il suo contatto ad altre molecole d’acqua. L’acqua a contatto con tali molecole è acqua organizzata. L’organizzazione porta ad un aumento dello stato d’ordine del sistema il che contravviene il secondo principio della termodinamica. L’aumento di disordine è una reazione favorita, vedi equazione di Gibbs, se aumento l’entropia allora il delta G diventa negativo e la reazione tende ad avvenire. Se diminuisco l’entropia il delta G diventa positivo e cioè non è una reazione termodinamicamente favorita. L’acqua cerca di minimizzare la superficie di contatto tra sue molecole e delle molecole apolari o idrofobiche. Definiamo tale forza con il nome di forza idrofobica. Abbiamo una spinta entropica che va a diminuire la superficie di contatto. Nel legame idrofobico l’acqua spinge porzioni di molecole idrofobiche ad interagire le une con le altre. I saponi per esempio hanno una testa polare tendenzialmente carica. Per esempio, il palmolive, acido palimitico. Questo tipo di molecole si dicono anfifiliche. In ambiente acquoso come si comportano? L’acqua costringe tali molecole ad organizzarsi per minimizzare la superficie di contatto tra la parte idrofobica che non vuole interagire con l’acqua, mentre la parte polare ovvero il carbossile si pone vicino all’acqua. Quindi otteniamo strutture che nascondono verso l’interno le porzioni idrofobiche della molecola ed espongono verso l’esterno le porzioni idrofiliche quelle con cui l’acqua può interagire (come il carbossile). Come funziona l’abduzione dello sporco da una superficie qualsiasi? Abbiamo una superficie sporca, quindi con sopra dei depositi di grasso. L’acqua calda serve a rendere fluido...