A0725

Marinella BosettoIrene Lozzi

Elementi di biochimica agraria

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ISBN

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I edizione: settembre 2006

978–88–548–0724–2

Indice

Capitolo IIntroduzione allo studio della biochimica 7

Capitolo IIGli amminoacidi 17

Capitolo IIILe proteine 31

Capitolo IVGli enzimi 47

Capitolo VPrincipi di bioenergetica 75

Capitolo VII carboidrati 95

Capitolo VIIIl processo respiratorio 117

Capitolo VIIIIl ciclo dell’acido citrico 135

Capitolo IXLa fosforilazione ossidativa 153

Capitolo XGluconeogenesi e via dei pentosi fosfati 167

Capitolo XILa fotosintesi 179

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Capitolo XIII lipidi 225

Capitolo XIIIMetabolismo dei lipidi 245

Capitolo XIVIl metabolismo dell’azoto 267

Capitolo XVNucleotidi ed acidi nucleici 289

Capitolo XVILa sintesi proteica 303

Capitolo XVIIComposti fenolici delle piante 315

Capitolo XVIIITerpeni e terpenoidi 329

Capitolo XIXGli alcaloidi 331

Bibliografia 343

6 Indice

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INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLA BIOCHIMICA La biochimica studia la costituzione chimica degli esseri viventi, le

funzioni fisiologiche dei loro prodotti e le trasformazioni chimiche che avvengono a carico di questi e che sono alla base della vita.

I sistemi viventi si differenziano dal mondo inanimato per certe pe-culiari proprietà: possono crescere, muoversi, costruire un metaboli-smo, rispondere a stimoli provenienti dall’ambiente e soprattutto sono in grado di replicare se stessi con eccezionale fedeltà. Gli organismi viventi sono composti da un gran numero di molecole organiche che di per sè stesse sarebbero inerti ma che, riunite in aggregati di un de-terminato peso molecolare e di idonea complessità, in particolari con-dizioni possono dare origine a quel complesso sistema di reazioni che prende il nome di “vita”. Nonostante le molteplici forme in cui si ma-nifesta la vita, l’intrico delle strutture biologiche più diverse e la com-plessità dei meccanismi vitali, le funzioni della vita possono essere in-terpretate in termini chimici. I costituenti cellulari, o biomolecole, se-guono i principi chimici e fisici che governano la materia inanimata.

In questo primo capitolo verranno riportate in breve le caratteristi-che degli esseri viventi, le principali classi di biomolecole, cioè delle molecole necessarie alla vita e verranno illustrati i fondamenti del me-tabolismo cellulare. Le singole vie metaboliche, la produzione ed il consumo di energia e le caratteristiche ed il funzionamento dei cata-lizzatori biologici, gli enzimi, verranno riportati per esteso nei prossi-mi capitoli.

Esaminando attentamente le caratteristiche degli esseri viventi, che li distinguono da un complesso inanimato di molecole come per e-sempio una roccia, vediamo che:

1) sono formati da cellule, che ne sono le unità costitutive fonda-mentali. Tutti gli organismi viventi sono organizzati su base cellulare;

2) sono sistemi altamente organizzati ed ordinati, le cui strutture interne sono costituite da molti tipi di molecole diverse;

3) sono capaci di costruire strutture molecolari ordinate a partire da materiali più disordinati;

Capitolo I

4) possono estrarre energia dall’ambiente, di solito sotto forma di sostanze chimiche nutrienti, e in tal caso si dicono chemiotrofi, oppure utilizzando la luce solare (fototrofi), e sono in grado di utilizzarla trasformandola da una forma in un’altra;

5) si mantengono uguali anche al variare delle condizioni chimi-che o ambientali;

6) reagiscono agli stimoli e a perturbazioni provenienti dall’ambiente o prodotte da essi stessi, e possono agire per ri-pristinare l’equilibrio alterato;

7) sono capaci di riprodursi, cioè di costruire copie di loro stessi che possono essere identiche o diverse;

8) sono capaci di evolversi: i processi di riproduzione, caratteriz-zati da ricombinazione del materiale genetico, possono dare o-rigine a progenie diversa dai genitori.

9) hanno la capacità di adattarsi all’ambiente; 10) si accrescono e si sviluppano; 11) l’informazione per ogni loro caratteristica ed attività è contenu-

ta all’interno della cellula.

Metaboliti e macromolecole

I precursori principali per la formazione di biomolecole sono: l’acqua (H2O), l’anidride carbonica (CO2) e tre composti inorganici dell’azoto, lo ione ammonio (NH4

+), il nitrato (NO3-) e l’azoto mole-

colare (N2). I processi metabolici assimilano e trasformano questi precursori i-

norganici in livelli sempre più complessi di biomolecole. In un primo tempo, i precursori vengono trasformati in metaboliti, composti orga-nici semplici che agiscono come intermedi nelle trasformazioni cellu-lari dell’energia e nella biosintesi di vari composti complessi come amminoacidi, zuccheri, nucleotidi, acidi grassi, glicerolo. Legando in-sieme questi composti complessi, che possono essere considerati come blocchi da costruzione, si ottengono le macromolecole: proteine, poli-saccaridi, polinucleotidi (DNA, RNA) e lipidi. Interazioni fra queste macromolecole formano dei livelli superiori di organizzazioni struttu-rali, cioè complessi sopramolecolari, che svolgono importanti funzioni

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Introduzione

cellulari. Un esempio sono i complessi enzimatici, i ribosomi, i cro-mosomi. Questi complessi sopramolecolari sono tenuti insieme da in-terazioni non covalenti fra le macromolecole: legami a idrogeno, at-trazioni ioniche, forze di Van der Waals e interazioni idrofobiche. Sebbene queste forze non covalenti siano deboli (meno di 40 KJ/mole), i legami sono tanti e quindi tutti insieme riescono a mante-nere l’architettura essenziale del complesso sopramolecolare. Ovvia-mente tutto ciò deve accadere in condizioni di temperatura, pH e forza ionica compatibili con la vita.

La cellula è l’unità della vita

La cellula è la più piccola entità capace di svolgere le funzioni dell’essere vivente: la crescita, il metabolismo, la risposta agli stimoli e la replicazione.

Gli organelli subcellulari sono entità di dimensioni considerevoli, che si trovano solo nelle cellule eucariotiche, cioè appartenenti agli organismi superiori: all’interno di essi si svolgono le reazioni metabo-liche. Gli organelli subcellulari che, come dice il nome stesso, sono inclusi nella cellula e sono di solito delimitati da membrane compren-dono: il nucleo, i mitocondri, i cloroplasti, i vacuoli ed altri organelli più piccoli, come i lisosomi, i perossisomi e i cromoplasti. Qui di se-guito citeremo i più importanti.

Il nucleo porta l’informazione genetica, contenuta nelle sequenze lineari di nucleotidi nel DNA dei cromosomi.

Nei mitocondri avviene il catabolismo aerobico di carboidrati e li-pidi, con rilascio di energia che viene conservata in forme utilizzabili metabolicamente come l’ATP.

I cloroplasti sono gli agenti biologici che raccolgono l’energia lu-minosa e la trasformano in energia chimica utilizzabile nel metaboli-smo durante la fotosintesi.

Le membrane cellulari delimitano i confini delle cellule e degli or-ganelli subcellulari. Sono complessi di lipidi e proteine tenuti insieme da forze non covalenti, fra cui particolarmente importanti sono le inte-razioni idrofobiche. Queste interazioni riflettono la tendenza delle mo-lecole non polari a riunirsi insieme separandosi dal solvente polare per

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Capitolo I

eccellenza, l’acqua. La riunione spontanea delle membrane in ambien-te acquoso dove la vita è nata e viene mantenuta è il naturale risultato del loro carattere idrofobico. Le membrane di nuclei, organelli e clo-roplasti sono diverse l’una dall’altra: ciascuna di esse ha una sua pro-pria composizione in proteine e lipidi legata alle funzioni dell’organello. Inoltre la compartimentazione entro le cellule non è so-lo una conseguenza inevitabile della presenza delle membrane, ma an-che una condizione essenziale per il buon funzionamento dell’organello.

Proprietà delle biomolecole e loro adattamento alle condizioni del-la vita

Le macromolecole delle cellule viventi sono costituite da unità (amminoacidi nelle proteine, carboidrati nei polisaccaridi) che hanno una polarità strutturale. Cioè le molecole non sono simmetriche e quindi possono essere pensate come composte di una “testa” e di una “coda”. La polimerizzazione che porta a collegare queste unità per formare macromolecole avviene tramite connessioni lineari testa-coda. A causa di ciò, anche i polimeri hanno una testa ed una coda e quindi la molecola ha un “senso” o una direzione nella sua struttura. Da ciò deriva che i blocchi che la compongono, quando vengono letti nella direzione della lunghezza della molecola possono fornire delle infor-mazioni, come le lettere dell’alfabeto possono formare parole quando siano messe una accanto all’altra.

Non tutte le macromolecole sono ricche di informazioni: i polisac-caridi sono spesso composti dallo stesso zucchero che si ripete molte volte, come nell’amido e nella cellulosa, che sono omopolimeri costi-tuiti sempre dalla stessa molecola di D-glucosio. Proteine e polinucle-otidi invece sono costituiti da blocchi che non costituiscono una strut-tura ripetitiva: le loro sequenze sono uniche, e nella loro unicità sta il loro significato. Infatti le proteine, sebbene siano costituite da sequen-ze lineari di amminoacidi legati covalentemente gli uni agli altri, pos-sono torcersi, avvolgersi e disporsi in tre dimensioni costituendo una architettura specifica ed altamente ordinata che è caratteristica di ogni molecola proteica e la identifica fra le altre.

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Introduzione

Le forze che mantengono le strutture biologiche

Nelle molecole gli atomi sono in genere tenuti insieme da legami covalenti e da legami ionici. Altre forze attrattive deboli sono i legami a idrogeno, le forze di van der Waals, e le interazioni idrofobiche. Nessuna di queste forze tuttavia riesce da legare stabilmente insieme due atomi. L’energia messa in gioco da queste forze per tenere insie-me le molecole è solo di poco superiore alla tendenza che hanno le molecole ad allontanarsi per l’agitazione termica: quindi, nelle condi-zioni fisiologiche, i legami si potrebbero creare e rompere in conti-nuazione. Tuttavia, se il numero di legami è molto grande, la struttura acquista stabilità per l’azione cumulativa di molte forze deboli che a-giscono insieme. Esaminiamo ora queste forze:

1) Forze di attrazione di van der Waals Sono il risultato di interazioni elettrostatiche indotte fra atomi o

molecole molto vicini fra loro. Sono dovute alla fluttuazione della nu-vola elettronica carica negativamente che ruota intorno a ciascun nu-cleo. Si formano dei dipoli momentanei che, se di carica opposta, si attraggono. La forza di questi legami è inversamente proporzionale al-la sesta potenza della distanza.

2) Legami a idrogeno Si formano fra un atomo di H legato covalentemente ad un atomo

elettronegativo (come O o N) e un altro atomo elettronegativo che serve da accettore. Sono legami più forti di quelli di van der Waals e sono anche direzionali: cioè si formano legami lineari fra donatore, i-drogeno ed accettore. Sono anche più specifici di quelli di van der Waals perchè richiedono la presenza di gruppi donatori ed accettori complementari.

3) Interazioni idrofobiche Sono dovute alla forte tendenza dell’acqua a escludere gruppi o

molecole non polari. Le interazioni idrofobiche prendono origine non tanto da una affinità intrinseca delle sostanze non polari fra loro, ma dal fatto che le molecole d’acqua preferiscono interagire più fortemen-te fra loro, escludendo i gruppi non polari. Questa esclusione fa sì che

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Capitolo I

le sostanze non polari si aggreghino fra loro formando dei “cluster” in soluzione acquosa. Così, le zone non polari delle macromolecole bio-logiche stanno confinate all’interno della molecola per escludere il mezzo acquoso. Un esempio sono le goccioline d’olio che si formano e che tendono ad aggregarsi alla superficie dell’acqua.

Caratteristiche delle principali classi di biomolecole

Le biomolecole sono necessarie per generare, mantenere e perpe-tuare la vita. Alcune sono più complesse, altre meno, ma tutte ugual-mente importanti. La maggior parte dei costituenti molecolari dei si-stemi viventi è composta di atomi di carbonio legati con legami cova-lenti ad altri atomi di carbonio o ad atomi di idrogeno, di ossigeno e di azoto. La materia vivente è infatti composta per il 99% di questi quat-tro elementi. Idrogeno ed ossigeno sono abbondanti perché sono i co-stituenti dell’acqua, che è il composto più importante in assoluto in tutti gli organismi. Il restante 1% é formato da Ca, P, K, S, Cl, Na e Mg e meno dello 0.01% da elementi in tracce, che tuttavia assolvono a precise funzioni metaboliche. Le particolari proprietà di legame del carbonio, che è sempre tetravalente ma che può condividere fino a 6 elettroni con se stesso o con un altro atomo, consentono la formazione di un gran numero di molecole. I composti organici con massa mole-colare relativamente bassa (inferiore a 500) servono come sub-unità monomeriche che sono costituenti delle macromolecole, composti or-ganici che mantengono in vita le cellule e permettono loro di riprodur-si. Le quattro classi principali di biomolecole sono: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

I carboidrati ed i lipidi sono sostanze di riserva che forniscono l’energia necessaria per fare avvenire migliaia di reazioni chimiche e che svolgono anche altre funzioni di primaria importanza. I carboidrati ed i lipidi sono usati principalmente come fonti di energia e solo in ca-si particolari come materiali da costruzione (ad es. la cellulosa). Pro-teine ed acidi nucleici invece hanno compiti strutturali e funzionali. E’ questa una divisione di compiti molto importante su cui è bene ri-chiamare l’attenzione. Fra i carboidrati il più importante è il glucosio, fonte di energia per tutti gli organismi. Possiamo quindi dire che il

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Introduzione

glucosio è il carburante per eccellenza della cellula vivente. Come so-stanze di riserva costituita da molecole di glucosio troviamo l’amido nelle piante ed il glicogeno negli animali. Carboidrati e lipidi sono dunque riserve energetiche che permettono ai sistemi viventi di com-piere trasformazioni che dipendono non solo da quanti materiali nutri-tivi introducono quotidianamente ma anche dalla capacità di imma-gazzinare e sfruttare in un secondo tempo quelli non utilizzati imme-diatamente.

Le proteine sono i costituenti strutturali di tutti i sistemi viventi e formano le impalcature che danno ad ogni organismo una forma ed una funzione precisa. Le proteine sono anche i costituenti di una im-portantissima classe di composti, gli enzimi, che sono insostituibili ca-talizzatori biologici. Sono gli enzimi, migliaia per ogni cellula, che decidono, con la loro estrema selettività, quale biomolecola deve esse-re prodotta o eliminata in un certo momento della vita cellulare.

Gli acidi nucleici sono le strutture nelle quali sono codificate le ca-ratteristiche genetiche della specie e dell’individuo. In particolare il DNA (acido desossiribonucleico) costituisce i geni, il materiale fon-damentale dell’ereditarietà, del processo cioè che trasferisce l’informazione contenuta nei geni da una cellula madre alla cellula fi-glia.

Ognuna di queste classi di composti verrà trattata esaurientemente nel capitolo ad essa dedicato.

Il metabolismo cellulare

Le trasformazioni realizzate dai sistemi viventi costituiscono il me-tabolismo, parola greca che significa “cambiamento”. Il metabolismo è un insieme di processi attraverso il quale molecole grandi e com-plesse sono ridotte a molecole semplici (in tal caso si parla di catabo-lismo, o distruzione) che, a loro volta, possono essere nuovamente uti-lizzate per formare altre molecole (anabolismo, o costruzione), che sono alla base del funzionamento dell’intero ciclo vitale.

Queste serie di reazioni vengono dette vie metaboliche. Queste vie possono essere lineari, che partono cioè da un composto per giungere ad un prodotto finale diverso da quello di partenza, o cicliche, in cui il

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Capitolo I

prodotto finale è lo stesso di quello iniziale. In ogni caso, a differenza di quanto avviene nelle reazioni organiche o inorganiche in laborato-rio, il prodotto di una reazione diventa il reagente della successiva. I-noltre, tutte le parti di un organismo vivente devono operare alla stessa temperatura e alla stessa pressione. Le cellule sono isotermiche, cioè sono sistemi che funzionano a temperatura costante. Anche in questo tipo di reazioni esistono catalizzatori, composti organici di cui parle-remo per esteso in seguito, che hanno caratteristiche particolarissime e sono detti enzimi.

Produzione e consumo di energia metabolica

Le cellule e gli organismi, per funzionare, hanno bisogno di un continuo apporto di energia, senza la quale tenderebbero a decadere verso stati energetici sempre più bassi e disordinati. Tutti i processi di sintesi richiedono energia, sia nel mondo inorganico che negli organi-smi viventi: in questi ultimi le cellule hanno sviluppato efficientissimi meccanismi per catturare l’energia della luce solare oppure per estrarla dai legami che tengono insieme gli atomi delle sostanze ossidabili. L’energia così ottenuta potrà essere utilizzata per far avvenire processi non spontanei, cioè che richiedono energia. I principi fondamentali che governano le trasformazioni e gli scambi di energia negli organi-smi viventi costituiscono la bioenergetica.

I pilastri fondamentali delle bioenergetica (di cui parleremo in mo-do dettagliato più avanti, nel capitolo dedicato) sono: • Tutti gli organismi viventi creano e conservano le loro strutture

complesse ed ordinate utilizzando l’energia estratta da composti chimici o dalla luce solare.

• In ogni modificazione fisica o chimica la quantità totale di energia rimane costante anche se la forma di energia può cambiare.

• Le cellule sono motori chimici che operano a temperatura costan-te.

• Le richieste energetiche di quasi tutti gli organismi sono soddisfat-te in modo diretto o indiretto dall’energia solare.

• Il flusso di elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione è alla base della formazione di energia cellulare.

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Introduzione

• Tutti gli organismi viventi dipendono gli uni dagli altri attraverso scambi di energia e materia mediati dall’ambiente.

Il punto centrale della bioenergetica è il modo in cui l’energia, libe-

rata dalla combustione di sostanze nutrienti o dalla cattura della luce solare, viene utilizzata dalle reazioni che richiedono energia. Come per la materia inorganica, anche per i sistemi biologici sono valide le leggi della chimica e della fisica. Quindi sarà valido il I° Principio del-la termodinamica, che dice che, in ogni variazione chimica o fisica, la quantità totale di energia dell’universo resta costante, anche se la for-ma dell’energia può variare. La quantità di energia immediatamente disponibile per produrre lavoro si chiama energia libera e si indica con la lettera G. Questa energia non rappresenta tutta l’energia messa in gioco nelle trasformazioni dette sopra perché una parte di essa viene dissipata sotto forma di entropia, che aumenterà il disordine del siste-ma (2° principio della termodinamica)

Le reazioni chimiche che avvengono in un sistema chiuso procedo-no spontaneamente finché non raggiungono l’equilibrio, stato in cui la velocità di formazione dei prodotti diventa uguale a quella in cui i prodotti si ritrasformano nei reagenti. La variazione di energia quando il sistema passa dallo stato iniziale a quello di equilibrio, a pressione e temperatura costanti, si chiama variazione di energia libera ΔG. Il va-lore di ΔG dipende dalla natura della reazione e da quanto prodotti e reagenti sono lontani dall’equilibrio. Nelle reazioni in cui i prodotti hanno meno energia libera dei reagenti, cioè hanno maggiore stabilità, si avrà un eccesso di energia libera che può essere utilizzata per com-piere un lavoro. Tali reazioni si dicono esoergoniche o spontanee e il ΔG acquista valore negativo, ΔG <0. Le reazioni invece in cui i pro-dotti hanno maggior energia libera dei reagenti e quindi per avvenire necessitano di un rifornimento di energia libera si dicono endoergoni-che o non spontanee e il ΔG acquista valore positivo, ΔG >0.

Gli organismi viventi hanno superato questo scoglio accoppiando reazioni endoergoniche, che quindi non potrebbero mai avvenire spontaneamente, con reazioni esoergoniche che le rendono possibili. L’accoppiamento di questi due tipi di reazioni è un aspetto essenziale degli scambi energetici delle cellule. La reazione esoergonica che fa-

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Capitolo I

vorisce la maggior parte dei processi endoergonici delle cellule è l’idrolisi di una molecola particolare, l’Adenosin Tri Fosfato (ATP), che è il principale trasportatore di energia nelle cellule ed è il punto di unione fra i processi endo- ed eso-ergonici. L’ATP si scinde in ADP (Adenosin Di Fosfato) e Pi, fosfato inorganico. Il gruppo fosforico terminale dell’ATP viene trasferito ad un gran numero di accettori che vengono così attivati e possono subire quindi una molteplicità di tra-sformazioni chimiche.

Alla luce di queste considerazioni possiamo quindi enunciare altre regole fondamentali della bioenergetica:

• Le reazioni cellulari endoergoniche sono guidate

dall’accoppiamento con processi chimici o fotochimici esoergonici attraverso la formazione di intermedi chimici;

• L’ATP è il trasportatore universale dell’energia metabolica ed ac-coppia il catabolismo con l’anabolismo;

• Le cellule sono motori chimici auto-regolati che procedono secon-do il principio della massima economia.

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