Biochimica

Biochimica e biologia molecolare

Carboidrati

Funzione di struttura e riserva energetica, oltre che rappresentare intermedi metabolici importanti. Il loro metabolismo inizia con la glicolisi. Alcuni zuccheri sono importanti anche a livello genetico per la costruzione degli acidi nucleici, DNA e RNA, quali desossiribosio e ribosio. Possono anche legarsi a proteine e lipidi generando diverse classi di composti con funzioni molto diverse tra di loro.

Monosaccaridi

Possono essere poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni: i primi sono derivati da D-gliceraldeide, mentre i secondi derivano da diidrossiacetone. Si può passare da gliceraldeide a diidrossiacetone per tautomeria cheto-enolica: gli anelli furanosici, quando ciclizzano, si dispongono in una conformazione a busta. Gli zuccheri riducenti possono legarsi ad amminogruppi liberi (es. emoglobina) formando amminozuccheri. Se la glicemia si alza, molte molecole di zucchero si legano all’emoglobina fino al 10%, mentre normalmente sta sotto al 6%.

Modificazioni degli zuccheri

• Fosforilazione: rende gli zuccheri carichi negativamente. Ciò gli impedisce di uscire dalle membrane plasmatiche cariche allo stesso modo. Se la fosforilazione avviene sul C6, il destino dello zucchero è quello di essere degradato per glicolisi; se la fosforilazione avviene invece sul C1, lo zucchero sarà destinato ad immagazzinamento sotto forma di glicogeno;
• Ossidazione: porta alla formazione di acidi aldonici (se si ossida il C1), aldarici (se si ossidano C1 e C6) o uronici (se si ossida il C6);
• Riduzione: porta alla formazione di alditoli;
• Deossizuccheri: zuccheri in cui un gruppo OH è sostituito con un H: ribosio, deossiribosio;
• Amminazione: sostituzione di un OH con un NH formando amminozuccheri. Questo tipo di composti può essere acetilato sul gruppo amminico formando sostanze utili in articolazioni e nella matrice extracellulare;
• Acidi sialici: acido N-acetilneuramminico e i suoi derivati sono importanti componenti di glicoproteine e glicolipidi;
• N-glicosidi: legame tra il carbonio anomerico di uno zucchero e un’ammina.

Legame glicosidico: si forma tra il gruppo anomerico di uno zucchero e il gruppo OH o NH di un altro zucchero. I legami più diffusi sono 1,4 e 1,6.

Polisaccaridi

Detti anche glicani, possono avere sia funzione strutturale che di riserva. A seconda che siano formati da un solo o più tipi di zuccheri si distinguono rispettivamente in omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi. Possono poi essere lineari o ramificati.

• Cellulosa: legame β-1,4-glicosidico. Catene lineari associate con legami H tra i C3 di una molecola di glucosio e i C5 dell’altra. Non è digeribile dai vertebrati, ma i ruminanti riescono a farlo grazie alla presenza di batteri simbionti che secernono cellulasi;
• Chitina: forma l’esoscheletro degli insetti. Omopolisaccaride formato da NAG legati con legami β-1,4-glicosidici. È più stabile e resistente della cellulosa;
• Amido: riserva energetica vegetale. Formato da α-amilosio, lineare, e amilopectina, ramificata. Formati da legami α-1,4-glicosidici. L’amido viene digerito a partire dalla saliva grazie alle amilasi salivari, fino a che non termina nell’intestino grazie agli enzimi pancreatici (α-glucosidasi);
• Glicogeno: riserva energetica animale. È come l’amilopectina ma più ramificata. Conservato nel fegato e nel tessuto muscolare, sotto forma di granuli.

Glicoproteine

Composti formati da zuccheri legati a proteine. Ne esaminiamo quattro tipi:

• Semplici: si formano per glicosidazione a livello del REL. Si formano tanti tipi diversi di glicoproteine, ognuna con un ruolo differente (es. adesione cellulare, segnalatrice, componente della matrice extracellulare). Le proteine vengono unite agli zuccheri tramite due diversi tipi di legame:
  • β-N-glicosidico: portano un residuo di NAG unito tramite legame al gruppo NH₂ di un Asn appartenente ad una sequenza amminoacidica formata da Asn – X – Ser (o Thr), dove X può essere un qualsiasi aa tranne che la Pro (raramente Leu, Trp, Glu o Asp). A questo punto, al NAG vengono legati altri quattro zuccheri formando un nucleo pentasaccaridico: il processo di glicosidazione specifica inizia legando residui di oligosaccaridi al NAG, per poi eliminare gli zuccheri in eccesso lasciando intatto il nucleo pentasaccaridico legato alla parte proteica. Il nucleo inizierà poi a legare altri zuccheri formando una vasta gamma di glicoproteine tutte diverse tra di loro;
  • α-O-glicosidico: sono meno specifici. Lo zucchero, NAG, si lega tramite legame ad un residuo di Ser o Thr non appartenenti ad una specifica sequenza segnale. Il legame più comune vede un residuo di β-1,3-galattosio legato in al NAG. In questo tipo di legami è presente una minore specificità e la loro formazione è meno selettiva.
• Proteoglicani: formati da glicosamminoglicani (GAG) legati ad una componente proteica. I GAG sono strutture costituite da dimeri di zuccheri, che legati tra di loro formano polimeri non ramificati. Sono formati da D-glucuronato legato, tramite legame β-1,3-glicosidico, ad un residuo di NAG, a sua volta legato ad un altro glucuronato con legame β-1,4. È la struttura base dell'acido ialuronico, molecola situata negli spazi extracellulari e formata da un numero di monomeri che va da 250 a 250000 unità. L'acido funziona anche come molecola segnale. I GAG possono essere solforilati in numero e posizione variabile, ma tutti i derivati hanno sempre funzione di sostegno; fa eccezione l'eparina, la quale non si trova nelle matrici extracellulari ma è contenuta nelle cellule di infiammazione del tessuto connettivo dei vasi sanguigni. Le cellule possono rilasciare eparina in caso di lesioni al tessuto circolatorio o in caso di vasocostrizione per rendere il sangue sufficientemente fluido;
• Mucine: formate da legami O-glicosidici tra zucchero e proteina su residui amminoacidici di Ser o Thr. Formano grandi strutture polimeriche e sono sintetizzati da cellule specifiche in tratti dell’organismo dove è necessario permettere scorrimento e motilità grazie alla loro azione lubrificante;
• Peptidoglicano: costituisce le pareti cellulari dei batteri. È formato da NAG e NAM, quest’ultimo legato ad un tetrapeptide. Dal punto di vista farmacologico, ciò che si usa per attaccare e rompere la parete sono la penicillina e tutti i suoi derivati, i quali colpiscono l'enzima deputato alla sintesi del polimero.

Lipidi

Classe di composti molto varia. Le loro proprietà fisiche dipendono dalla lunghezza delle catene carboniose e dal grado di insaturazione che possiedono. Sono composti principalmente idrofobici, e perciò non potranno stare liberi nel citoplasma e nei fluidi biologici se non sotto forma di composti funzionalizzati. Vengono immagazzinati tali e quali all'interno di organuli detti vacuoli. Possono avere diverse funzioni:

• Struttura: fosfolipidi;
• Riserva energetica: trigliceridi;
• Stimolazione e segnalazione: ormoni steroidei.

Infine, i lipidi possono essere classificati in semplici (gliceridi) o complessi (steroli).

Acidi grassi

Molecole costituite da un gruppo carbossilico legato ad una catena idrocarburica con un numero di atomi di carbonio compreso tra 4 e 36. Il gruppo carbossilico, ovvero il C1, rende parzialmente solubile in acqua l'acido, mentre la parte carboniosa permette la solubilità in solventi apolari (molecola anfipatica). Salificando l'acido, la molecola diventa molto più solubile nei solventi polari. La catena carboniosa può essere satura, ovvero senza doppi legami, o insatura, con un numero variabile di doppi legami. La presenza di insaturazioni comporta una modifica della struttura tridimensionale della molecola, la quale viene irrigidita: se il doppio legame è cis, allora la catena si ripiega; vale il contrario.

A livello biologico, gli acidi grassi più importanti sono l'acido palmitico (16 C) e l'acido stearico (18 C); tra i due, riusciamo a sintetizzare solo l'acido palmitico, ma grazie alla presenza di enzimi specifici, detti allungasi, riusciamo ad allungare la catena fino a 18 atomi di C. Sono poi presenti enzimi, quali lo stearoil-CoA 9-desaturasi, in grado di insaturare l'acido stearico.

A livello di nomenclatura, ci si basa sul numero di atomi di carbonio e su numero e posizione delle insaturazioni: se non sono presenti insaturazioni, a destra dei due punti il numero sarà 0 e il termine ad apice sparirà. Esiste un altro tipo di nomenclatura in cui si considera come C1 quello finale: la nomenclatura “omega”. In questa nomenclatura, il numero a cui si fa riferimento è quello relativo alla prima insaturazione che si incontra partendo dall'ultimo C. Gli acidi grassi più importanti sono gli omega-3 e gli omega-6, i quali vengono classificati come vitamine F (F = fatty). Hanno diversi ruoli molto importanti come l'ostacolo del deposito del colesterolo nei vasi sanguigni, la stimolazione dell’attività delle ghiandole a secrezione interna e il favorimento della riduzione del peso.

Essendo che le membrane plasmatiche sono formate da molecole contenenti acidi grassi, è necessario che all’interno di esse sia presente un rigoroso rapporto di acidi grassi saturi e insaturi:

• Se fosse presente un numero troppo elevato di acidi grassi saturi, le interazioni che si verrebbero a formare tra le varie catene carboniose sarebbero numerose e provocherebbero un irrigidimento della membrana, con conseguente impedimento di entrata e uscita di molecole oltre che una ridotta motilità tridimensionale;
• Se fosse presente, invece, un numero troppo elevato di acidi grassi insaturi, le interazioni che si verrebbero a formare tra le varie catene carboniose sarebbero molto labili e provocherebbero una sorta di liquefazione della membrana, impedendo alla stessa di rimanere unita e avere una forma.

Trigliceridi

I grassi e gli oli sono costituiti da trigliceridi, ovvero molecole formate da glicerolo esterificato su tutte e tre le posizioni alcoliche con acidi grassi. I trigliceridi si depositano nello strato adiposo all'interno di cellule denominate adipociti. Il loro catabolismo genera circa 9 kcal/mol, a differenza delle 4 kcal/mol liberate dallo zucchero. Nell’organismo i trigliceridi vengono scissi da enzimi detti lipasi, i quali liberano acidi grassi in forma ionizzata e glicerolo. La scissione può avvenire anche per saponificazione.

Cere

Lipidi molto complessi. Una cera è una miscela di acidi grassi a lunga catena esterificati con alcoli a lunga catena, quali il triacontanolo. Hanno funzione di protezione (piante), rivestimento (piume, pelo) e struttura (alveari). Le cere si formano nel corpo umano solo dopo la morte.

Fosfolipidi

Molecole costituenti le membrane cellulari. Vengono degradati da enzimi detti fosfolipasi, i quali possono essere di quattro tipi:

• Fosfolipasi A1: scindono il legame tra glicerolo e l’acido grasso in posizione 1;
• Fosfolipasi A2: scindono il legame tra glicerolo e l’acido grasso in posizione 2;
• Fosfolipasi C: scindono il legame tra glicerolo e il gruppo fosfato in posizione 3;
• Fosfolipasi D: scindono il legame tra il gruppo fosfato e l’alcool legato.

Esistono due diverse classi di fosfolipidi:

• Glicerofosfolipidi: molecole formate da glicerolo esterificato con due acidi grassi e un gruppo fosfato, il quale sarà a sua volta esterificato con un alcool. La molecola prenderà il nome di acido fosfatidico (o di diacilglicerolo-3-fosfato). A seconda del tipo di alcol legato al gruppo fosfato potremmo avere diversi tipi di fosfolipidi. Alcuni glicerofosfolipidi possono avere altre funzioni oltre che quella strutturale:
  • Fosfatidilinositolo: molecola segnale;
  • Fosfatidilglicerolo: costituente della membrana mitocondriale.

Esistono fosfolipidi con legami non esterei ma eterei come il plasmalogeno. Alcuni glicerofosfolipidi possono essere tossici: se, infatti, una fosfolipasi A2 rompe il legame estereo in posizione 2 generando un lisofosfolipide, la cellula morirà perché questa molecola ha attività detergente e bucherà le membrane cellulari;

• Sfingolipidi: molecole formate da sfingosina, un alcool amminico a lunga catena che in posizione N lega l’acido grasso per formazione di un legame ammidico. Il composto risultante prende il nome di ceramide. Esterificando la posizione alcolica 1 con uno zucchero si ottiene un glicosfingolipide semplice, mentre con più zuccheri legati tra di loro si generano gangliosidi (si trovano in tessuti specializzati come la guaina mielinica). A seconda di quanti zuccheri sono legati si possono avere 3 classi diverse: 1 (4 zuccheri), 2 (3 zuccheri) o 3 (2 zuccheri). Gli sfingolipidi si trovano anche sulle cellule del sangue per la formazione dei gruppi sanguigni:
  • 0: glucosio, galattosio, NAG, galattosio e fucosio;
  • A: glucosio, galattosio, NAG, galattosio con fucosio e NAG;
  • B: glucosio, galattosio, NAG, galattosio con fucosio e galattosio.

Steroli

Sono molecole contenenti un residuo di ciclopentanoperidrofenantrene, il quale costituisce il nucleo steroideo. Lo sterolo più importante è il colesterolo, nel quale il nucleo steroideo è legato ad una catena alchilica in posizione 17, che lo rende estremamente idrofobo, e ad un gruppo OH in posizione 3, che costituisce l’unico componente idrofilo della molecola. È inoltre molto rigido a causa della presenza dei 4 cicli, funzionando così come addensatore delle membrane plasmatiche. Può essere esterificato con acidi grassi in posizione 3, aumentando così la possibilità di formazione della placca arteriosclerotica (deposito sui vasi sanguigni perché più pesante e più idrofobo).

Lipidi di segnalazione

• Fosfatidilinositolo: insieme ai derivati della sfingosina, questa molecola è sia un componente strutturale di membrana che un segnalatore intracellulare in grado di essere attivato da un qualsiasi stimolo chimico (es. ormoni, adrenalina). L’azione del segnale fa modificare il fosfolipide, il quale attiva a sua volta la fosfolipasi C che lo scinde in inositolo trifosfato IP e diacilglicerolo DAG. Queste due molecole sono messaggeri cellulari: il primo, essendo idrofilo, entra nella cellula e apre i canali del reticolo endoplasmatico liberando calcio, il quale, a sua volta, attiva la proteina di membrana cinasi C (in verità è chinasi ma vabbè) che, interagendo col diacilglicerolo rimasto nella membrana, si attiva trasferendo gruppi fosfato dall’ATP alle proteine (su Ser o Thr); vengono così indotte modificazioni metaboliche che portano infine alla risposta biologica;
• Eicosanoidi: derivati dell’acido arachidonico:
  • Prostaglandine: in soluzione ionizzano ad anione generando ormoni paracrini (= ormoni secreti da una cellula). Il loro ruolo è molteplice: stimolano la contrazione uterina, regolano il flusso sanguigno agli organi, segnalano un processo antiinfiammatorio (stimolano la febbre) e stimolano calore e dolori;
  • Trombossani: prodotti dalle piastrine e partecipano a processi di coagulazione;
  • Leucotrieni: diverse famiglie. Le D4 inducono contrazione della muscolatura liscia bronchiale (es. attacchi asmatici).
  Questi derivati possono causare problemi patologici. Si possono usare farmaci che vanno ad agire sugli enzimi responsabili della trasformazione dell’arachidonato nei vari derivati;
• Ormoni steroidei: derivati del colesterolo. Sono mineralcorticoidi (agiscono sull’equilibrio salino a livello del rene), glucocorticoidi (agiscono sul metabolismo glucidico) e gli ormoni sessuali (inducono cambiamenti dei caratteri sessuali secondari), come estrogeni e testosterone. Esistono poi steroidi di tipo sintetico utilizzati come antiinfiammatori molto potenti (cortisone). Infine, gli steroidi sono presenti anche nelle piante, dove svolgono una funzione regolatrice della crescita;
• Vitamine liposolubili: sono composti idrofobici che non siamo in grado di sintetizzare:
  • Vitamina A: derivato del β-carotene. Introdotto con gli alimenti e metabolizzato a livello epatico, generando retinolo (la vitamina vera e propria). Il retinolo può essere ossidato a 11-cis-retinale, ovvero il ligando della rodopsina che è il fattore contenuto nei bastoncelli e che permette la visione notturna;
  • Vitamina D: introdotta con la dieta. Viene immagazzinata sotto la pelle, e per effetto della luce viene rilasciata in circolo fino ad arrivare al fegato; qua viene trasformata nelle sue forme attive: colecalciferolo e calciferolo. Queste due molecole promuovono l’assorbimento del calcio a livello intestinale;
  • Tocoferoli: vitamine E e K. Costituiti da un anello aromatico legato ad una lunga catena isoprenoide. Sono composti altamente idrofobici:
    • Vitamina E: svolge un importante ruolo nel processo di spegnimento dei radicali liberi all’interno della cellula;
    • Vitamina K: agisce come coenzima nella reazione enzimatica che porta al processo di coagulazione.
• Chinoni lipidici: composti chinonici con legata una lunga catena isoprenoide. Importante è l’ubichinone, composto presente nella membrana mitocondriale interna dove funziona come trasportatore di elettroni;
• Dolicoli: alcoli isoprenoidi legati a zuccheri, con funzione di traporto delle unità oligosaccaridiche destinate al reticolo endoplasmatico per la produzione di glicoproteine;
• Polichetidi: metaboliti secondari di batteri, funghi, piante e animali, capaci di resistere all’attacco di enzimi perché molto stabili. Vengono sintetizzati attraverso condensazione decarbossilativa di unità di malonil-CoA. Hanno azione antibatterica;
• β-carotenoidi Pigmenti lipofili: derivati metabolizzati nell’organismo. Esempi sono la cantaxantina (rosso brillante) e la zeaxantina (giallo brillante) degli uccelli.