La biochimica

La biochimica

La biochimica è la chimica degli organismi viventi e comprende lo studio delle molecole, il loro ruolo ➔ nei viventi, la loro organizzazione nelle cellule, le interazioni e trasformazioni.

Si occupa anche dello studio dei sistemi di produzione di energia, degli scambi ➔ energetici dei viventi, del funzionamento di strutture molecolari complesse e dello scambio di informazioni dei viventi più evoluti.

Consente alle discipline scientifiche come ➔ fisiologia, immunologia, microbiologia, genetica, farmacologia, fisiopatologia, scienza dell’alimentazione e del movimento di dare una spiegazione a livello molecolare di fenomeni e processi.

I carboidrati

• Svolgono 2 principali funzioni: riserva energetica e ruolo strutturale.
• Amido nel mondo vegetale e glicogeno in quello animale hanno primo ruolo, mentre cellulosa, costituente delle pareti cellulari nei vegetali, e chitina il secondo.
• Costituiti solo da carbonio, idrogeno, ossigeno.
• Sono molecole definite poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni in quanto contengono i gruppi aldeidico e chetonico e il gruppo alcolico.
• NB: sono carboidrati tutte quelle sostanze che per idrolisi, reazione chimica di scissione di un composto nella quale interviene l'acqua, danno luogo a questi composti.

Classificazione dei carboidrati

Possono essere classificati in 3 gruppi, in base alla complessità:

• Monosaccaridi: sono le unità più semplici e rappresentano le unità costitutive di carboidrati più complessi.
• Oligosaccaridi, sottocategoria di disaccaridi.
• Polisaccaridi: formati da 10 a migliaia di unità monosaccaridiche.

NB: i carboidrati possono associarsi ad altre molecole formando così glicoconiugati.

Le glicoproteine e glicolipidi. La porzione glucidica è responsabile delle differenti caratteristiche delle varie molecole di glicoconiugati, funzioni rilevanti nei processi di segnalazione e riconoscimento tra cellule.

I monosaccaridi

• Sono costituiti da molecole con formula molecolare (CH2O)n, dove n è minimo 3 massimo 6.
• Si chiamano aldosi se gruppo aldeidico e chetosi se hanno funzione chetonica.
• Distinti in triosi, tetrosi, pentosi ed esosi, a seconda di n di atomi.
• Aldoso: C3H6O3, gliceraldeide, con due possibili forme D e L; è un carbonio asimmetrico, si deve legare a 4 sostituenti diversi; sono isomeri ottici, D e L sono enantiomeri: uno l’immagine speculare dell’altra, in quanto uguali chimicamente ma fisicamente deviano la luce polarizzata ambo in direzione opposta. Vedi struttura libro; si differenziano per la disposizione dei 4 sostituenti e atomo di C centrale.
• NB: gruppo più ossidato in alto, quello di C meno ossidato in fondo e il C asimmetrico al centro con gruppo --OH a destra con H a Sx.
• Nella forma L posizione ultimi due sostituenti è invertita.
• NB: la differenza tra i due non influenza molto le proprietà fisiche e chimiche, ma ha grandi conseguenze in ambito biologico: forma D è utilizzata dai viventi, mentre la forma L non ha alcuna importanza.
• NB: presenza di più atomi di C asimmetrici aumenta il n di isomeri ottici.
• Infatti ci sono 16 isomeri di aldosi con 6 atomi di C.
• Per capire se un monosaccaride è di forma D o L bisogna guardare il gruppo --OH più lontano da quello carbonile.

I chetosi

Da ricordare che il gruppo chetonico è al secondo posto e non al primo come il gruppo aldeidico.

I monosaccaridi in soluzione formano le strutture cicliche

• In soluzione le molecole a 5/6 atomi vanno incontro a una ciclizzazione.
• Ciclizzazione: ripiegamento della catena carboniosa su se stessa in seguito alla reazione tra il gruppo carbonile e quello alcolico; il risultato è la formazione di un semiacetale ciclico.
• NB: 99% molecole di glucosio sono in forma ciclica, vedi figure pag 6.
• Vedi proiezione di Haworth.
• La formazione del semiacetale e la chiusura dell’anello hanno conseguenze importanti poiché l’atomo C-1, gruppo aldeidico, diventa asimmetrico.
• Di conseguenza si formano due nuovi isomeri ottici, anomeri, che sono in equilibrio e vengono denominati alfa-D-glucosio e beta-D-glucosio, in cui in uno -OH è sotto l’anello e l’altro sopra il piano dell’anello, due molecole che differiscono per la sola disposizione dei sostituenti del carbonio anomerico.
• NB: in campo biologico il loro utilizzo è completamente diverso: ALPHA costituisce l’amido e il glicogeno ed è il combustibile più importante di tutti, mentre BETA costituisce la cellulosa ed ha funzione strutturale e può essere usato a scopo energetico solo da organismi che lo digeriscono.

I disaccaridi sono costituiti da due molecole di monosaccaridi

• Maltosio, saccarosio e lattosio sono 3 disaccaridi di rilevanza biologica.
• Maltosio: vedi tabella e formula di struttura.
• NB: condensazione: eliminazione di una molecola d’acqua.
• Come generare un disaccaride: due molecole di monosaccaride si legano fra loro con un legame O-glicosidico = reazione avviene per condensazione di due funzioni alcoliche e con l’eliminazione di una molecola d’acqua, da OH-HO a H2O.

Il maltosio è caratterizzato da un legame 1,4-glicosidico fra due molecole di alfa-D-glucosio. Il carbonio anomerico della prima molecola è legato con il C-4 della seconda. Vedi formula di struttura pag 4.

• NB: la funzione -OH anomerica è sostituita da un gruppo -OR. Il legame formato tra questo gruppo e il carbonio anomerico viene chiamato legame glicosidico.
• Dalla digestione del saccarosio si liberano i due monosaccaridi che la costituiscono cioè il alfa-D-glucosio e il beta-D-fruttosio.

Amido e glicogeno sono polisaccaridi con funzione di riserva

• L’associazione mediante legami glicosidici di molte molecole di monosaccaridi forma i polisaccaridi.
• Gli omopolisaccaridi sono caratterizzati da un solo tipo di monosaccaride.
• Gli eteropolisaccaridi sono fatti da due o più tipi di monosaccaridi.
• I polisaccaridi si possono dividere in base alle ramificazioni delle loro molecole: polisaccaridi a catena lineare e p. a catena ramificata.

L’amido

• L’amido è un omopolisaccaride diffuso nel mondo delle piante e è originato dall’associazione di numerose molecole di alfa-D-glucosio; è il più importante polisaccaride di riserva; si trova in cereali, patate, legumi.
• I suoi costituenti sono l’amilosio, formato da una catena lineare che ha un andamento elicoidale nello spazio, + l'amilopectina, 80%, fatta da catene ramificate.
• L’alfa-D-glucosio sono legati fra loro con legami 1,4-glicosidici, MENTRE nei punti di ramificazione sono presenti legami 1,6-glicosidici ogni 25/30 unità di glucosio. Vedi formula di struttura pag 10.

Il glicogeno

• Rappresenta l'analogo dell’amido ma nel mondo animale.
• Si trova nel citoplasma delle cellule del fegato e del muscolo e viene depositato sotto forma di granuli e ha funzione di riserva energetica.
• Ha una struttura globulare ed è fatto di catene ramificate ogni 10/12 unità di glucosio.
• Può avere una massa molecolare di 5 milioni di dalton.
• Va incontro a modificazioni continue in base alle esigenze delle cellule e dell’organismo.
• Quando c’è abbondanza energetica esso viene sintetizzato e immagazzinato nel fegato e nei muscoli, collegamento a biologia.
• Invece con deficit energetico esso viene idrolizzato per fornire energia all’organismo.

Cellulosa e chitina sono polisaccaridi con funzione strutturale

La cellulosa

• Costituente principale delle pareti vegetali.
• Insolubile ed è costituita da molte unità di beta-D-glucosio unite tra loro con legami 1,4-glicosidici che formano catene lineari.
• La presenza dell’anomero beta determina l’andamento lineare che assumono le catene polisaccaridiche della cellulosa. Queste catene si associano trasversalmente fra loro per mezzo di legami a idrogeno e formano fibre resistenti alla trazione che danno sostegno a struttura pianta.
• I legami b-glicosidici non possono essere idrolizzati dall’organismo umano e quindi è indigeribile. NB: anche numero 29.
• Mentre essi vengono idrolizzati da enzimi prodotti da batteri che sono nell’apparato digerente degli erbivori.
• Idrolisi: opposto della condensazione, consiste in diverse reazioni chimiche in cui le molecole sono scisse in due o più parti per effetto dell'acqua.
• I monosaccaridi possono essere collegati insieme da legami glicosidici, che possono essere scissi mediante idrolisi, e l'unione tramite questi legami porta alla formazione di oligo e polisaccaridi. Gli enzimi che idrolizzano legami glicosidici sono chiamati "glicosidasi".
• Vedi tabella pag 25 glucagone e insulina.

I lipidi

• Sono un gruppo eterogeneo, di diversa natura o qualità, di sostanze insolubili in acqua e solubili in solventi apolari come etere, cloroformio e cicloesano.
• Oli liquidi a temperatura ambiente mentre i grassi sono solidi.
• NB: zuccheri e proteine liberano circa 4 kg/gr, mentre lipidi liberano 9 kg/gr, quindi a parità di massa liberano molta più energia.
• Hanno funzioni di: riserva energetica; rientrano nella composizione delle membrane biologiche, funzione strutturale; sono il rivestimento dei prolungamenti delle cellule nervose, mielina, grazie a essi gli impulsi elettrici vengono trasmessi con più velocità, trasmissione dello stimolo nervoso; sono un isolante termico; sono precursori di molecole con attività biologica, ormoni come steroidi e vitamine come la D.

Gli acidi grassi sono precursori di numerosi lipidi

• Gli acidi grassi sono acidi carbossilici, composti organici caratterizzati dal gruppo carbossile -COOH, a catena lunga.
• Sono presenti nei grassi naturali sotto forma di esteri ma esistono anche acidi grassi liberi.
• La formula generale di un acido grasso è R-COOH, doppio legame o e legame OH.
• R è una catena idrocarburica alifatica, gli idrocarburi sono l'unica categoria di composti organici privi del gruppo funzionale, sono infatti composti solamente da atomi di idrogeno carbonio, non ciclica, costituita da almeno 11 carboni.
• Sono insolubili in acqua in quanto composto apolare non OH sia apolare.
• Tutti gli atomi dei grassi hanno carbonio con numeri pari 11+COOH.
• Gli acidi grassi possono essere saturi se la loro catena non ha doppi legami.
• Sono insaturi se la catena ha 1 o più doppi legami in configurazione cis, l'orientamento dei due atomi o gruppi funzionali è da parti opposte rispetto al doppio legame.
• Sono acidi grassi polinsaturi quando ha 2 o più doppi legami.
• Vedi tabella 2.2 acido etanoico, acido propanoico.

Caratteristiche degli acidi grassi

• La lunga catena idrocarburica degli acidi grassi saturi ha andamento quasi rettilineo = questa caratteristica consente alle molecole di compattarsi l’una con l’altra e determina un punto di fusione alto.
• Negli acidi grassi insaturi dove ci sono doppi legami la catena subisce un cambiamento di direzione che ostacola il compattamento = ne consegue che il punto di fusione è basso e diminuisce all’aumentare del numero dei doppi legami.
• Gli acidi grassi insaturi sono classificati in base alla distanza fra carboni fra l’ultimo doppio legame e l’estremità della molecola: carbonio OMEGA.
• Questa suddivisione è chiamata Denominazione omega, è utile per la nutrizione.
• Gli acidi della serie OMEGA6 e OMEGA3 non possono essere prodotti da cellule dell’organismo e sono chiamati acidi grassi essenziali.
• Il loro fabbisogno giornaliero è coperto dall'assunzione di alimenti come oli vegetali e pesce azzurro.

I trigliceridi sono i principali lipidi di riserva

• Definiti anche triacilgliceroli, sono la principale riserva energetica degli organismi viventi.
• Sono i costituenti fondamentali del tessuto adiposo degli organismi animali, sono presenti in forma di grassi.
• Sono dei depositi lipidici nelle piante e hanno il nome di oli.
• Il glicerolo, glicerina, è una molecola con 3 funzioni alcoliche, 3OH, e funge da supporto per 3 acidi grassi nei trigliceridi.
• Essa lega tre molecole di acido grasso attraverso la condensazione in cui vengono eliminate molecole d’acqua = ne consegue la formazione di un trigliceride. Vedi esempi pag 18.
• I trigliceridi sono una famiglia di molecole molto simili tra loro che differiscono per il tipo di acido grasso legato.
• Nei grassi allo stato solido a temperatura ambiente ci sono maggiormente gli acidi grassi saturi.
• Negli oli che sono nello stato liquido predominano gli acidi grassi insaturi.
• Il trattamento a caldo di una miscela di grassi o oli con una soluzione alcalina dà luogo alla saponificazione in cui si formano saponi, sali di acidi grassi, e glicerolo.

I fosfogliceridi sono i principali costituenti delle membrane biologiche

• Essi appartengono alla classe dei fosfolipidi.
• Contengono una molecola di glicerolo: in questo caso il glicerolo esterifica due molecole di acido grasso e lega il gruppo fosfato che conferisce all’intera molecola, acido fosfatidico, una doppia natura = la molecola è polare, testa idrofila, vicino al gruppo fosfato, mentre è apolare, code idrofobe, vicino alla regione dei due acidi grassi.
• Le molecole che presentano la doppia natura sono dette anfifiliche o anfipatiche e hanno una tendenza a formare doppi strati se in contatto con l’acqua.
• Per questo motivo l’acido fosfatidico e i suoi derivati nel costituire le membrane biologiche sono tipicamente fatte da un doppio strato fosfolipidico insieme ad altri componenti.

Il colesterolo è il principale steroide, precursore di numerose molecole