Struttura e funzione delle biomolecole: un viaggio nella biochimica

Cellula = unità elementare di qualsiasi forma di vita > al suo interno si svolgono i processi chimici da cui dipende la vita > sono formate da molecole organiche e di grandi dimensioni, dette molecole biologiche o biomolecole, costituite principalmente dalla combinazione di 4 elementi: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto.

Biochimica (o chimica biologica) = studio della struttura e della funzione delle molecole di cui sono costituiti gli organismi viventi e dei meccanismi molecolari alla base dei processi chimici vitali > consente di spiegare i fenomeno macroscopici che avvengono in un organismo vivente attraverso il comportamento delle molecole che vi sono coinvolte.

Molecole = di grandi dimensioni, si legano con legami carbonio – carbonio (legami covalenti) che danno una stabilità strutturale (anche se comunque facili da rompere) ai composti organici > formati da idrocarburi e gruppi funzionali, che possono essere:

- CO = carbonilico (negli aldeidi CO è terminale, nei chetoni si lega al secondo carbonio)

- OH = ossidrile (negli alcoli)

- SH = suffridile (negli alcoli detti “tioli”), si lega con legame a ponte disolfuro (che dà stabilità)

- COOH = carbossilico > libera ioni H+, dando caratteristiche acide al composto

- NH2 = gruppo amminico > libera ioni OH- e accetta ioni H+, dando caratteristiche basiche al composto

- (PO4)2- = gruppo fosfato, si forma dall’acido fosforico H3PO4 quando H si rompe

I composti organici possono essere di vario tipo > alcani, alcheni, alchini, idrocarburi ciclici (alifatici o aromatici).

Le molecole assumono una conformazione spaziale trasversale propria di ogni macromolecola.

1. Carboidrati

2. Lipidi

3. Proteine

4. Acidi nucleici

Le molecole sono polimeri = tanti monomeri che si legano per reazioni di condensazione (liberazione d’acqua; presentano isomerie, che possono essere:

- Di struttura

- Geometriche (cis/trans)

- Chirali (negli enantiomeri) > deviano la luce polarizzata a dx o sx > C legati a 4 gruppi diversi in modo speculare

Acqua = costituente principale di tutti gli esseri viventi ed è indispensabile per la vita sulla Terra; formata da una molecola polare (separa ioni) e per questo è anche un ottimo solvente (cellule sono in ambiente acquoso) > le sostanze si dissolvono e si riformano in altre. L’acqua è protagonista, quindi, di divisione e sintesi dei polimeri.

L’acqua ha un’elevata:

- coesione tra le molecole, data da legami polari e a ponte-idrogeno  per questo si lega a più sostanze, come la cellulosa (le molecole di H2O risalgono le molecole e lo spazio tra loro

- adesione

- capillarità, dovuta all’adesione e alla coesione

Classificazione e funzione dei carboidrati

Carboidrati

Detti anche zuccheri, glucidi o saccaridi, sono le biomolecole più diffuse nel regno vegetale e animale. Svolgono una funzione energetica e strutturale > fanno parte della struttura della parete cellulare delle cellule vegetali, degli acidi nucleici e di numerose proteine di membrana.

I carboidrati sono composti ternari formati da carbonio, idrogeno e ossigeno >(CH2O)n e sono classificati in base alla loro struttura in:

- monosaccaridi > semplici

- oligosaccaridi > da due a dieci unità monosaccaride

- polisaccaridi > veri e propri polimeri le cui unità sono monosaccaridi

Queste ultime due categorie possono essere scisse in molecole semplici per idrolisi:

Le molecole più complesse derivano da reazioni di condensazione.

- Molecole organiche polifunzionali contenenti sia il gruppo carbonilico, sia gruppi alcolici:

Monosaccaridi = zuccheri semplici > non scindono per idrolisi in molecole più piccole e possono essere:

- Triosi > catena di 3 atomi di C (la catena non può avere meno di 3 atomi di C perché ci dev’essere, per essere uno zucchero, un C asimmetrico (legato a 4 gruppi tutti diversi fra loro)

- Tetrosi > catena di 4 atomi di C

- Pentosi > catena di 5 atomi di C

- Esosi > catena di 6 atomi di C (sono gli zuccheri più comuni)

Tutti gli atomi di carbonio portano gruppi ossidrilici (-OH), tranne uno che fa parte di un gruppo aldeidico (-CHO > aldosi) oppure chetonico (-CO > chetosi, esempio il fruttosio). Gli zuccheri sono classificati in due serie, D ed L : D = penultimo atomo di carbonio a destra, L = penultimo atomo di carbonio a sinistra.

D – glucosio ed L – glucosio sono diastereoisomeri. Le forme D e L dello stesso monosaccaride sono enantiomeri.

I monosaccaridi hanno molecole cicliche (anomeri). Le molecole lineari di monosaccaridi con 5 o 6 atomi di carbonio esistono in due forme in equilibrio chiuse ad anello, dette α e β. Queste due differiscono per la posizione del gruppo OH legato al C1 > sotto = α / sopra = β (mutarotazione).

Gli zuccheri tendono spontaneamente a formare strutture cicliche che grazie alle reazioni di ciclizzazione. I gruppi che reagiscono tra loro sono il gruppo carbonilico e il gruppo alcolico dell’ultimo C. Nel gruppo carbonilico ci sono due atomi a diversa elettronegatività e questo fa sì che ci sia un’interazione tra i due gruppi > un atomo di H si separa dall’O e va a legarsi all’O del gruppo carbonilico e O si lega a C.

Dalle proiezioni di Fischer a quelle di Haworth:

- L’atomo di O viene posto in alto nell’anello a 5 atomi e in alto a destra nell’anello a 6 atomi

- A destra dell’ossigeno si posiziona l’atomo C1

- I gruppi ossidrilici che nella proiezione di Fischer erano a destra vengono raffigurati sotto il piano dell’anello, quelli a sinistra sopra

I monosaccaridi hanno potere riducente: gli aldosi vengono facilmente ossidati. Si forma il corrispondente acido carbossilico, detto acido aldosico. Gli agenti ossidanti più impiegati sono:

1. Reattivo di Tollens > soluzioni basiche contenenti ioni Ag+, ridotti ad argento metallico

2. Reattivo di Fehling > soluzioni basiche contenenti ioni Cu2+ ridotti ad ossido di rame

I carboidrati che reagiscono con questi reattivi sono definiti zuccheri riducenti.

Alcuni monosaccaridi possono essere non riducenti se nella loro molecola non vi sono ossidrili anomerici liberi (nella forma lineare). I chetosi vengono ossidati in ambiente basico > subiscono una reazione di isomerizzazione = conversione in aldosi (> possono essere ossidati)

Glucosio: unico aldoso presente in natura allo stato di monosaccaride sintetizzato solamente dagli organismi fotosintetici (= autotrofi), fa parte dell’amido, del glicogeno e della cellulosa. Svolge una funzione energetica > viene utilizzato nella respirazione cellulare per produrre l’ATP.

Disaccaridi > carboidrati derivanti dalla condensazione di due molecole dello stesso monosaccaride o di due diversi monosaccaridi. La condensazione avviene fra molecole nella forma ciclica ed è accompagnata dall’eliminazione di una molecola d’acqua (legame glicosidico = legame fra le molecole di monosaccaridi > indicato come α-glicosidico (formato dall’anomero α) e come β-glicosidico (formalo dall’anomero β) > indicato con due numeri che indicano le posizioni dei gruppi ossidrilici che reagiscono). I composti ottenuti dalla condensazione sono detti glicosidi, ed hanno la caratteristica di non subire più mutarotazione > non si può passare più da α a β, o viceversa.

Disaccaridi più famosi sono dall’unione di due esosi > saccarosio, lattosio, maltosio.

I disaccaridi possono essere scissi nei due monosaccaridi che li formano tramite una reazione di idrolisi.

Saccarosio (c12H22O11):

- Costituito da un’unità di α-D-glucosio e da un’unità di β-D-fruttosio

- Nel legame glicosidico sono coinvolti i due carboni anomerici e per questa ragione è uno zucchero non riducente

Lattosio:

- Zucchero presente nel latte degli animali

- Formato da una molecola di β-D-galattosio legato tramite il suo ossidrile anomerico al C4 dell’α-D-glucosio

- È uno zucchero riducente, poiché l’ossidrile anomerico del glucosio è libero di reagire

Maltosio:

- Formato da due molecole di α-D-glucosio, unite con il legame α-glicosidico di tipo 1-4

- È uno zucchero riducente perché ha un ossidrile anomerico libero

Polisacaridi  polimeri costituiti da monosaccaridi uniti tra loro da legami glicosidici. Classificazione:

1. Omopolisaccaridi > costituiti da un unico monosaccaride

2. Eteropolisaccaridi > costituiti da monomeri diversi

I più importanti sono: amido, chitina, cellulosa e glicogeno.

Amido:

- Prodotto dalle piante quando producono glucosio in eccesso: accumulano il glucosio nelle radici, nei fusti e nei semi, dove diventa amido. Il glucosio viene per l’appunto accumulato per utilizzarlo come riserva  l’amido come:

1. riserva energetica dei vegetali

2. principale fonte di carboidrati

3. formato da catene di α-D-glucosio

4. costituito da due frazioni > amilosio e amilopectina: l’amilosio è costituito da catene lineari ed è solubile in acqua (le molecole di glucosio sono unite con legame α-glicosidico di tipo 1-4), mentre l’amilopectina è formata da catene ramificate ed è insolubile in acqua (legami α-glicosidici di tipo 1-6).

Chitina:

- forma le pareti funginee e l’esoscheletro degli insetti

- molecola indigeribile per l’uomo

Cellulosa:

- sostanza organica più presente in natura

- componente principale della parete cellulare delle cellule vegetali  funzione strutturale

- polimero lineare costituito da molecole di β-D-glucosio

- l’uomo non la digerisce perché nel suo apparato digerente sono presenti solo enzimi in grado di rompere i legami α-glicosidici e non β-D-glicosidici

- per i ruminanti è possibile digerire la cellulosa grazie all’intervento di batteri e protozoi (cellulosi) presenti nel loro tubo digerente

Glicogeno:

- funzione di riserva energetica negli animali  viene immagazzinato nel fegato e nei muscoli

- formato da catene altamente ramificate di α-glucosio dovute a legami 1-4 e 1-6

- si forma nell’organismo quando il glucosio nel sangue è in eccesso e viene riconvertito in glucosio nel momento in cui l’organismo necessita di energia > i processi sono regolati dall’azione di due ormoni, l’insulina e il glucagone > responsabili del mantenimento del livello del glucosio nel sangue

Lipidi

- classe molto varia > formati da C, H, O

- funzioni > componenti strutturali delle membrane cellulari, ruolo di riserva energetica, ruolo funzionale (indispensabili agli organismi viventi per il riconoscimento cellulare)

- sono insolubili in acqua ( = idrofobi), ma solubili in solventi apolari per la presenza di catene idrocarburiche nelle loro molecole

- classificati in base alla loro struttura in:

1. saponificabili > lipidi che subiscono la reazione di saponificazione  avviene nel gruppo COOH ( = acidi grassi che rimangono con COO-)  comprendono i trigliceridi, fosfolipidi, glicolipidi e le cere omposti da acidi grassi legati a vari tipi di sostituenti

2. insaponificabili > steroidi, vitamine liposolubili

Acidi grassi e trigliceridi

Acidi Grassi: componenti principali dei lipidi saponificabili:

- formati da acidi carbossilici a catena lineare con un numero pari di C compreso tra 4 e 30

- costituiti da una parte polare, formata dal gruppo funzionale carbossilico (testa) e una parte apolare formata dalla catena idrocarburica (coda)

- si dividono in:

1. saturi > la catena idrocarburica non presenta doppi legami ed è flessibile (i composti sono solidi)

2. insaturi > struttura rigida > presenza di uno o più doppi legami > la presenza del doppio legame provoca un ripiegamento che fa sì che le molecole siano lontane (stato liquido a temperatura ambiente)

- acidi grassi essenziali > il nostro organismo non è in grado di sintetizzarli e quindi è necessario introdurli con la dieta (es. acido linoleico Ω 6 e acido linolenico Ω 3)

Trigliceridi: composti di origine vegetale o animale, sono esteri dell’alcol trivalente glicerolo e degli acidi grassi > possono essere:

1. trigliceridi semplici > se le tre molecole di acido grasso sono uguali

2. trigliceridi misti > se le tre molecole di acido grasso sono diverse

Sono costituenti del tessuto adiposo e hanno una funzione di riserva di energia  sono in grado di fornire un’elevata quantità. Il numero di C varia da 4 a 24 ed è sempre pari. I trigliceridi derivanti da acidi grassi saturi sono solidi temperatura ambiente (grassi), quelli originati da acidi polinsaturi sono liquidi (oli). Quest’ultimi possono essere saturati per reazione di idrogenazione = addizione di idrogeno in presenza di catalizzatori metallici; da qui è possibile ottenere trigliceridi solidi partendo da quelli liquidi  indurimento (processo utilizzato industrialmente per la produzione di margarine).

I trigliceridi, per reazione con basi forti, formano i saponi.

Dato che sono insolubili in acqua, lo sono anche nel sangue

Fosfolipidi > classe di lipidi contenenti nella loro molecola un gruppo fosfato. Fosfogliceridi > derivano dall’esterificazione di due gruppi di glicerolo con acidi grassi + terzo gruppo ossidrilico esterificato da un gruppo fosfato.

I fosfolipidi hanno una funzione strutturale > presenza di una testa polare idrofila e di una coda apolare idrofoba. In soluzione acquosa tendono ad aggregarsi formando un doppio strato in cui le teste polari sono rivolte verso l’esterno acquoso, mentre le code apolari sono rivolte verso l’interno dello strato, privo di acqua > costituiscono le membrane cellulari > modello a mosaico fluido, in cui le molecole di fosfolipidi possono muoversi e all’interno di trovano le proteine.

I chimici imitano le caratteristiche dei fosfogliceridi per sintetizzare vescicole dette liposomi, che possono trasportare farmaci all’interno dell’organismo.

Glicolipidi = costituenti fondamentali della membrana cellulare > contengono una componente saccarica, favoriscono il mantenimento della struttura e delle funzioni della cellula, sono inseriti tra i fosfolipidi nelle membrane cellulari ( > funzione di recettori molecolari = hanno la capacità di leggere molecole che si trovano nei fluidi che circondano la cellula > la loro presenza caratterizza le cellule = esempio : globuli rossi > glicolipidi responsabili del gruppo sanguigno).

I glicolipidi possono avere come parte alcolica anche un amminoalcol = sfingosina > sfingolipidi: formano le strutture dei fasci nervosi. L’amminoalcol (molecola che ha un gruppo alcolico e un gruppo amminico) si lega ad un acido grasso e una molecola di zucchero.

Steroidi = insolubili in acqua e non saponificabili, sono derivati del ciclopentanperidofenantrene > idrocarburo saturo policiclico  la sua molecola è costruita da quattro anelli condensati indicati con a, b, c, d.

Gli steroidi sono presenti sia nel mondo animale che in quello vegetale in numerose varietà.

Steroli = steroidi contenenti un gruppo ossidrilico > colesterolo :

1. fondamentale perché è il precursore della sintesi degli acidi biliari degli ormoni sessuali e della vitamina D3

2. le molecole di colesterolo sono presenti all’interno delle membrane plasmatiche danno resistenza