Riassunto Biochimica - preparazione esame infermieristica

Biochimica

Concetti principali della biochimica

La biochimica si occupa di diversi aspetti fondamentali:

• Della composizione degli organismi viventi
• Delle trasformazioni energetiche che avvengono negli organismi viventi
• Delle regolazioni di tutte le reazioni e interazioni che avvengono fra le molecole
• Delle modalità della duplicazione

Composizione degli organismi viventi

La molecola fondamentale nella costituzione della materia è l’acqua. Infatti tutte le funzioni cellulari si svolgono in ambiente acquoso, favorite dalle particolari proprietà chimico-fisiche dell’acqua. L’acqua è l’elemento più abbondante in natura. La struttura tridimensionale prevede un atomo di ossigeno posto fra due di idrogeno. Il legame fra l’ossigeno e l’idrogeno è di tipo covalente. Per la sua struttura, la molecola d’acqua presenta una distribuzione di carica elettrica non uniforme: la zona attorno all’atomo di ossigeno è più ricca di elettroni rispetto a quella attorno ai due atomi di idrogeno, ed è quindi elettronegativa (δ -). Al contrario, nella zona degli atomi di idrogeno si addensa una carica locale positiva (δ+), che origina un dipolo. Le molecole d’acqua, sfruttando la loro natura dipolare, formano legami a ponte idrogeno, legami deboli dati dall’interazione di un atomo di H di una molecola d’acqua e l’atomo di O di un’altra.

Le molecole organiche considerate mattoni della materia vivente

Basi aromatiche

In biochimica, per basi aromatiche si intende una delle cinque basi che compongono il DNA o l’RNA. Esse si suddividono in due classi:

• Pirimidine: citosina, timina (DNA) e uracile (RNA), costituite da un anello a sei membri
• Purine: guanina e adenina, formate da un secondo anello a cinque membri fuso con quello a sei

Amminoacidi L-isomeri

Gli amminoacidi sono i componenti essenziali delle proteine. Essi contengono un gruppo amminico ed uno carbossilico, legati al medesimo atomo di carbonio. Gli amminoacidi sono 20 e sono legati attraverso un legame peptidico. I 20 amminoacidi che compongono le proteine sono tutti L-isomeri. Per capire se la struttura dell’isomero è di tipo L o D, si fissa un gruppo di riferimento e, se rispetto a questo troveremo a sinistra altri gruppi sarà un L-isomero, se gli altri gruppi sono reperibili a destra si avrà un D-isomero.

Glucidi

I glucidi, o zuccheri, sono i maggiori fornitori di energia. Il glucide più diffuso ed importante del mondo vivente è il glucosio. Il glucosio è un monosaccaride aldeidico; è il composto organico più diffuso in natura, sia libero sia sotto forma di polimeri. È uno dei carboidrati più importanti ed è usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante. Il glucosio è il principale prodotto della fotosintesi ed è il combustibile della respirazione. Si scioglie bene in acqua. Il glucosio è uno zucchero aldoesoso perché la sua molecola contiene un gruppo -CHO, tipico delle aldeidi (aldo-) e perché è composta da sei atomi di carbonio (-esoso).

Lipidi

I lipidi sono molecole organiche, presenti in natura, raggruppate sulla base delle loro proprietà comuni di solubilità: sono insolubili in acqua (per questo si definiscono idrofobi), mentre sono solubili in solventi organici non polari. Gli acidi grassi sono acidi monocarbossilici alifatici. Sono gli ingredienti costitutivi di quasi tutti i lipidi complessi e dei grassi vegetali e animali. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con lunghe catene idrocarburiche. Esistono in centinaia di tipi. Alcuni hanno uno o più doppi legami nella coda idrocarburica, e si dicono insaturi, mentre quelli privi di doppi legami sono saturi.

• Colesterolo: È uno steroide, cioè una molecola lipidica costituita da quattro anelli di atomi di carbonio e una coda alifatica, oltre ad eventuali gruppi funzionali. La struttura policiclica di base prende il nome di ciclopentano peridrofenantrene.
• Fosfolipidi: Sono molecole anfipatiche, ovvero presentano una testa polare contenente il gruppo fosfato, e una coda idrofobica formata dalle catene idrocarburiche degli acidi grassi. In base ai legami delle catene idrocarburiche si hanno code lineari o ripiegate (se sono presenti doppi legami). Sono i costituenti delle membrane cellulari, in cui si dispongono a doppio strato, rivolgendo le code all’interno e le teste polari all’esterno.

Proteine

Le proteine sono composti organici tra i più complessi, costituenti fondamentali di tutte le cellule animali e vegetali. Dal punto di vista chimico, una proteina è un polimero (o anche una macromolecola) costituita da una combinazione variabile di diversi monomeri detti amminoacidi, uniti mediante un legame peptidico.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono i carboidrati più abbondanti. Un polisaccaride, come dice il nome, è costituito da un gran numero di monosaccaridi legati insieme per formare molecole grandi e complesse. Le proprietà dei polisaccaridi sono, per molti aspetti, il contrario di quelle che caratterizzano gli altri carboidrati. Essi, per esempio, sono quasi insolubili in acqua e ciò dipende dal fatto che le grosse molecole dei polisaccaridi si idratano solo in superficie e in maniera insufficiente a permettere la loro solubilizzazione.

• Quelli che servono come riserva dei carboidrati
• Quelli che formano la struttura di sostegno delle piante
• Un gruppo, classificabile come polisaccaridi complessi particolarmente importante dal punto di vista biochimico

RNA e DNA

L’acido ribonucleico (RNA) e l’acido desossiribonucleico (DNA) sono gli acidi nucleici. Essi sono polimeri dei nucleotidi. Questi hanno anche un ruolo negli scambi dell’energia nelle cellule, nella regolazione e nel funzionamento degli enzimi responsabili di ossidoriduzioni biologiche. Sono costituiti da tre porzioni: un composto ciclico contenente azoto (base azotata), un monosaccaride a 5 atomi di C (ribosio o desossiribosio) ed acido fosforico. La base azotata legata allo zucchero costituisce il nucleoside, che legato al fosfato costituisce il nucleotide. Nei nucleotidi ci sono due tipi di basi: puriniche (adenina e guanina) e pirimidiniche (citosina e timina. Nel RNA la timina è sostituita dall’uracile). L’unione di più nucleotidi per formare una catena è data dal legame fosfodiesterico: il fosfato forma due esteri, fungendo da ponte tra i due ribosi o desossiribosi. Le due estremità delle catene non sono uguali: la parte con il fosfato libero è detta estremità 5’, l’altra, con il gruppo alcolico, è detta estremità 3’.

Trasformazioni energetiche negli organismi viventi

Le proteine, i lipidi e i polisaccaridi devono essere ridotti in molecole più piccole prima che le nostre cellule li possano usare. Il primo stadio del catabolismo enzimatico è la digestione, che avviene in sede extracellulare o nei lisosomi. Dopo essere state ridotte nei monomeri che le compongono, passano nel citosol. L’ossidazione di esse avviene in due fasi: la fase 2 inizia nel citosol e finisce nel mitocondrio, mentre la fase 3 è confinata nel mitocondrio. Nella fase 2 la glicolisi trasforma le molecole di glucosio in due di piruvato. Durante la formazione del piruvato si producono due molecole vettrici attivate: ATP e NADH. Il piruvato passa nei mitocondri e viene trasformato in anidride carbonica più un gruppo acetifico che si lega al CoA formando Acetil CoA. Nella fase 3 il gruppo acetifico del CoA entra in una serie di reazioni detta Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs). Questo viene ossidato ad anidride carbonica, generando NADH. Dal NADH gli elettroni passano a una catena trasportatrice in cui l’energia liberata permette la produzione di ATP e si consuma ossigeno (fosforilazione ossidativa).

Regolazione delle reazioni e interazioni molecolari

Mioglobina ed emoglobina

La mioglobina (Mb) e l’emoglobina (Hb) sono due proteine che cooperano in modo da variare l’affinità con l’ossigeno in funzione della disponibilità. La mioglobina ha funzione di riserva di ossigeno che viene rilasciato quando manca, mentre l’emoglobina serve per trasportare l’ossigeno. La differenza tra Mb e Hb risiede nella struttura: la Mb è un monomero, privo di struttura quaternaria, costituita da 8 segmenti di α-elica con 153 amminoacidi, mentre la Hb si presenta come un tetrametro composto da due catene α con 141 amminoacidi e due catene β con 146 amminoacidi. All’interno di ogni molecola di Mb è presente una struttura planare, l’eme. Essa è una struttura con forte carattere idrofobico che instaura delle interazioni idrofobiche molto forti con la tasca, anch’essa idrofobica, presente nel cuore della globina. Lo ione Fe²⁺ al centro dell’eme può instaurare sei legami di coordinazione, cinque con atomi di azoto, mentre il sesto è disponibile per una molecola di ossigeno, una molecola d’acqua o una molecola di monossido di carbonio. I gruppi dell’eme all’interno della Hb sono 4, il che permette di avere quattro legami con l’ossigeno.

Curve di saturazione

La struttura dell’eme è uguale sia nella Mb che nella Hb mentre i meccanismi di legame con l’ossigeno sono diversi ed originano le diverse funzionalità delle due proteine. Per rappresentare il legame con l’ossigeno si usa la curva di saturazione. Nel caso della Mb, la curva di saturazione per l’ossigeno è espressa da una curva iperbolica. L’Hb ha 4 eme che si legano con l’ossigeno. L’Hb è una molecola cooperativa, in cui l’affinità delle singole subunità per l’ossigeno dipende dallo stato di ossigenazione delle subunità adiacenti. Se queste ultime sono deossigenate, l’affinità è bassa. Se invece le subunità adiacenti sono allo stato ossigenato, l’affinità per l’ossigeno è alta. La combinazione di Hb con la prima molecola di ossigeno è relativamente lenta, ma diventa più veloce man mano che Hb si ossigena. La curva di saturazione è di tipo sigmoide.

Fattori che influenzano l'affinità di Hb per l'ossigeno

• Aumento dell’acidità del sangue, o diminuzione del pH
• Aumento della pressione parziale di anidride carbonica (se c’è molta anidride carbonica, l’ossigeno manca, quindi l’affinità diminuisce)
• Aumento della concentrazione intraeritrocitaria di 2,3-difosfoglicerato (DPG)

In tale situazione aumenta il rilascio di ossigeno.

Effetto del DPG

Il 2,3-difosfoglicerato (o DPG) è la base coniugata dell'acido 2,3-difosfoossipropanoico (difosfoglicerico), presente nell’Hb. Si lega con la deossiemoglobina (sito tra le due catene β) in proporzione di 1:1, attaccando selettivamente la cavità centrale del tetramero, stabilizzandone la struttura, e diminuendone così l'affinità per l'ossigeno.

Varianti fisiologiche dell’Hb

• Hb A (2α, 2β) 90%
• Hb A2 (2α, 2δ) 10%
• Hb E (2ξ, 2) embrione 4-10 settimana
• Hb F (2α, 2γ) feto 3-9 mese

La regolazione da parte del 2,3-difosfoglicerato ha un ruolo fisiologico importante nell'emoglobina fetale. Questa infatti deve avere un'affinità per l'O maggiore di quella materna, affinché l'ossigeno le possa essere ceduto facilmente. L'emoglobina fetale è costituita da due catene γ in sostituzione delle catene β (HbF = α₂ γ₂); di conseguenza, sull'emoglobina fetale manca il sito di regolazione per il DPG e la sua affinità per l'ossigeno si mantiene elevata.

Varianti patologiche dell’Hb

Talassemia

Prevede la mancanza di una catena dell’emoglobina. Nella β-talassemia le catene β non sono espresse, il che prevede la persistenza di HbF. Tale situazione non è ottimale per l’adulto poiché non ha proprietà di trasporto di ossigeno adeguate. Invece nella α-talassemia manca la catena α, ciò provoca la formazione di tetrametri β₄ (HbH) o γ₄.

Anemia falciforme (Hb-S)

L'anemia falciforme è una malattia genetica del sangue in cui i globuli rossi circolanti, in condizioni di bassa tensione di ossigeno, assumono una forma irregolarmente cilindrica spesso ricurva che, allo striscio di sangue periferico, assomiglia ad una mezzaluna o una falce. La condizione falcemica è ereditata in maniera autosomica recessiva, ed è caratterizzata dalla produzione di una emoglobina patologica, detta HbS (in cui un amminoacido è sostituito da un altro nella struttura primaria della proteina), che per le sue caratteristiche chimiche, tende a precipitare ed a conferire all'eritrocita la tipica forma a falce.

Trasporto di anidride carbonica

Nei polmoni l’ossigeno si lega all’Hb e lo porta in periferia dove viene rilasciato. Qui si produce invece lo scarto. Tale scarto viene trasportato sotto forma di anidride carbonica pura solo al 9%. L’80% circa invece è trasportato sotto forma di bicarbonato HCO₃^- sciogliendosi nel sangue. Quando raggiunge i polmoni si trasforma in anidride carbonica. Il 13%, infine, resta legato ai gruppi amminici dell'emoglobina e viene portato così come tale nei polmoni.

Collagene

Il collagene è una proteina che costituisce il 25%-30% delle proteine totali nell’organismo. È presente nel sottoderma perché costituisce i tendini e avvolge gli organi. Ha una struttura fibrillare. La fibra è un fascio di fibrille collagene, la cui unità base è il tropocollagene. È una struttura filamentosa costituita da tre catene avvolte su di loro. Ognuna di esse ha un andamento a elica e sono molto larghe. È una proteina molto resistente che impedisce lo strappo. Le tre catene a elica sinistrorsa sono avvolte una sull’altra formando un’elica destrorsa. Gli amminoacidi che si trovano nel collagene sono amminoacidi modificati, ovvero un H viene trasformato in OH, in modo da poter avere legami a ponte idrogeno. La prolina e la lisina diventano idrossiprolina e idrossilisina. La modifica degli amminoacidi avviene attraverso un elemento, la vitamina C. Il tropocollagene è sintetizzato nella cellula, dopo di che passa all’esterno. Tra i filamenti di tropocollagene si formano legami crociati. Vi sono poi dei buchetti che hanno lo scopo di permettere un minimo di movimento nei tendini e nelle ossa con lo scopo di far depositare il calcio. La struttura del collagene è lineare e regolare.

Elastina

L’elastina ha un avvolgimento casuale. All’interno di essa ci sono legami traversi casuali. Come nel collagene sono presenti la glicina e la prolina, ma è priva di idrossilisina. L’elastina quando è nella forma rilassata ha una disposizione disordinata, quando si stira invece è più ordinata, ma meno del collagene.

Proteine plasmatiche

Sono circa 100 presenti all’interno del plasma, in concentrazione 7/7.5 g/mL. Esse hanno diverse funzioni:

• Capacità tampone (mantengono il pH del sangue a 7.4)
• Coagulazione e fibrolisi
• Fattori di difesa
• Trasporto
• Inibitori enzimatici
• Ormoni

Elettroforesi

L'elettroforesi è una tecnica analitica e separativa basata sul movimento di particelle elettricamente cariche immerse in un fluido per effetto di un campo elettrico applicato mediante una coppia di elettrodi al fluido stesso. Tramite elettroforesi, agendo sul pH del fluido, è possibile separare e analizzare le proteine plasmatiche presenti nel sangue. Esistono due classi principali di sieroproteine:

• Albumina
• Globuline

La curva elettroforetica mostra i normali valori delle proteine plasmatiche: su un totale del 100%, l’albumina è presente.