Prima parte degli appunti di Biologia

CHIMICA DELLA MATERIA VIVENTE

Basata sui composti organici

● Il C è l’elemento della vita per via del numero dei legami che esso può creare, cioè 4.

Ha proprietà esclusive per la costruzione di molecole grosse, caratteristica tipica

delle molecole biologiche. Sono inoltre molto importanti H (molto abbondante), N e O

(25% del corpo umano), che insieme al C determinano il 96,5% del peso corporeo,

mentre il restante è costituito da Na, Mg, S, K, Ca e Cl.

● Reazioni vitali avvengono in soluzione H O: solvente universale, importante perché

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dipolo

● Importanza della membrana con capacità di permeabilità selettiva, che definisce

spazi separati e ben controllati all’interno della cellula. Regola il passaggio di

molecole dall’esterno all’interno e viceversa.

● Macromolecole biologiche di tipo polimerico, costituite cioè da unità (monomeri) unite

in modo lineare o ramificato. Hanno caratteristiche particolari che consentono agli

organismi di crescere e riprodursi e la capacità di organizzarsi in strutture più

complesse per raggiungere una configurazione spaziale ben precisa

(autoassemblaggio), poiché questa è intrinseca alla sequenza di monomeri di cui

sono costituite.

● Importanza dei gruppi funzionali, che sono gruppi ricorrenti nelle molecole biologiche

,

come:

gruppo carbossilico (C=O-OH): carico negativamente, dunque un gruppo acido; il C è

legato covalentemente con un doppio legame a O, legato a sua volta al gruppo

ossidrile. Il gruppo è tipico degli amminoacidi e si trova anche negli acidi grassi.

gruppo fosfato/fosforico (P=O-2O-): si trova nei fosfolipidi, negli acidi nucleici e

nell’ATP

gruppo amminico (NH +): basico e carico positivamente, si trova negli amminoacidi e

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in alcuni zuccheri modificati

gruppo sulfidrilico (-SH): si trova nella struttura terziaria delle proteine perché

presente all’interno dell’amminoacido cisteina (che se legato ad un altro -SH forma

ponti disolfuro)

gruppo ossidrilico (-OH): può essere acido o meno a seconda della molecola in cui si

trova, è un gruppo polare perché vi è un legame covalente tra O e H, che non è

simmetrico.

gruppo carbonilico , (C=O): presente negli zuccheri

gruppo aldeidico, (C=OH): presente negli zuccheri

Macromolecole biologiche

Hanno dimensioni >100.000 Dalton (1 Da = 1/12 della massa del carbonio 12)

Queste macromolecole costituiscono uno dei primi livelli nella gerarchia dell’organizzazione

biologica raggiunto dalla cellula unendo tra loro molecole più piccole, per questo sono dette

polimeriche, ovvero sono catene costituite dall’unione sequenziale con legami forti, di

monomeri che sono unità identiche e universali.

Sulla base delle caratteristiche chimiche i polimeri sono diversificati per funzione:

Informazionali: sono eteropolimeri, cioè costituiti da monomeri simili tra loro, ma non

❖ uguali, disposti con un ordine non casuale delle unità che rende la molecola

“codificante” (acidi nucleici) oppure è importante per la struttura tridimensionale da

cui dipende la funzione della molecola (proteine)

Di deposito: omopolimeri, ovvero un solo monomero che si ripete (polisaccaridi tipo

❖ amido e glicogeno)

Strutturali: omopolimeri (polisaccaridi tipo cellulosa)

❖

Reazione di condensazione

La formazione di tutti i polimeri biologici, che siano acidi nucleici, proteine o polisaccaridi

avviene nello stesso modo: i monomeri vengono attivati accoppiandosi con una molecola di

trasporto (ad esempio il tRNA è il carrier degli aminoacidi nella sintesi proteica) e poi

aggiunti al polimero con una reazione di condensazione (non spontaneamente ma grazie

all’enzima specifico). Questo avviene perché l’OH del primo monomero si lega all’H del

secondo liberando una molecola di acqua.

Si forma un legame covalente (molto forte) tra i 2 monomeri. I polimeri subiscono dunque

una reazione iniziale in cui si forma il polimero e reazioni di allungamento in cui si

aggiungono nuovi monomeri. L’allungamento è unidirezionale, quindi la molecola risultante

avrà due estremità diverse, ovvero una direzionalità strutturale intrinseca (es: DNA ha una

estremità 3’ e una 5’, proteina ha una estremità carbossitermiale e una amminoterminale).

Reazione di idrolisi

Esiste la reazione inversa a quella di condensazione, che degrada il polimero rompendo Il

legame covalente e viene chiamata reazione di idrolisi (rottura tramite H O). L’acqua si

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scinde in H+ e OH- e quindi i due monomeri si staccano risultando nuovamente con un H e

un OH. Queste reazioni idrolitiche possono avvenire ad esempio nei lisosomi.

ZUCCHERI o GLUCIDI o CARBOIDRATI

Chiamati così perché hanno un C “idratato” → C H O

n 2n n

Esistono 4 classi:

● Monosaccaridi (zuccheri semplici)

● Disaccaridi

● Oligosaccaridi

● Polisaccaridi

Criteri di classificazione:

- numero dei C o lunghezza dello scheletro carbonioso: gli zuccheri biologici sono

sostanzialmente quelli costituiti da 3 a 7 atomi di C, detti rispettivamente triosi,

pentosi (ribosio, desossiribosio), esosi (per la produzione di energia)

- la terminazione dello scheletro con il gruppo aldeidico fa assumere allo zucchero la

denominazione di aldoso (glucosio) e la presenza all’interno dello scheletro del

gruppo chetonico fa assumere allo zucchero la denominazione di chetoso (fruttosio)

- disposizione dei sostituenti nello spazio, ovvero dei gruppi legati ad un atomo di C.

ES: dal glucosio, invertendo OH e H si ottiene il galattosio: nonostante abbiano la

stessa formula galattosio e glucosio si differenziano perché hanno una diversa

disposizione dei sostituenti legati al carbonio asimmetrico e si definiscono quindi

stereoisomeri.

Il glucosio ha due isomeri, galattosio e mannosio, che hanno la stessa formula bruta

C H O ma il galattosio in forma ciclica ha l’OH legato al carbonio 4, al di sopra dell’anello

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mentre il glucosio lo ha al di sotto dell’anello. Il mannosio ha l’OH legato in posizione 2 al di

sopra dell’anello mentre il glucosio lo ha sotto. Dal punto di vista biologico è una differenza

sostanziale, poiché la cellula non li confonde, infatti ci sono enzimi e trasportatori che

riconoscono il glucosio e che non trasportano mannosio o galattosio. Le cellule utilizzano

tendenzialmente il glucosio se presente, il quale ha dei trasportatori di membrana dedicati

esclusivamente in caso siano presenti anche gli altri isomeri.

Formazione di anelli

In soluzione acquosa, gli zuccheri a

partire da 5 atomi di C, tendono a

"ciclizzare", diventando anelli:

il gruppo aldeidico o chetonico della

molecola tende a reagire con un gruppo

ossidrilico all’interno della stessa che

pertanto si chiude ad anello (è una

reazione intramolecolare),

con la formazione del legame covalente

tra C e O (nel glucosio è sempre il C5).

In alcuni casi, quando il glucosio nella

cellula è in equilibrio dinamico tra la configurazione lineare e la configurazione ciclica, si

verifica la formazione di due “anomeri” della stessa molecola. Differiscono dall’orientamento

spaziale del gruppo ossidrilico (-OH) sul C1: quando si dispone sotto al piano dell'anello è

quando si dispone sopra è β-glucosio.

Ⲁ-glucosio,

Non sono usati indifferentemente: l’Ⲁ-glucosio viene usato per la costruzione di polisaccaridi

di riserva (come amido e glicogeno) mentre il β-glucosio viene utilizzato per polisaccaridi

strutturali (come la cellulosa).

Ci sono due modi per rappresentare gli zuccheri:

● proiezione di Fischer: scrittura in forma lineare

● proiezione di Haworth: scrittura in forma ciclica

Derivati di zuccheri semplici

Esiste la possibilità che gli OH vengano sostituiti da gruppi

diversi, ad esempio quando l’OH sul carbonio 2 viene

sostituito da un gruppo amminico si forma un derivato che

viene chiamato glucosammina, molto usato per molecole

strutturali. Un’altra modificazione potrebbe essere

l’aggiunta di un gruppo carbossilico a sostituire CH OH per

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formare l’acido glucoronico.

Esistono dei polisaccaridi, tipici delle matrici extracellulari,

che utilizzano questi zuccheri modificati e formano degli zuccheri polisaccaridici detti

glicosaminoglicani importanti per le macromolecole della matrice. Li troviamo anche molto

spesso nell’ambito degli eucarioti a formare l’esoscheletro degli insetti (scheletro esterno

costituito da zuccheri modificati).

DISACCARIDI

Costituiti dall'unione in maniera covalente di 2 zuccheri semplici (monomeri) tramite un

legame glicosidico che si forma per condensazione tra i gruppi ossidrili di uno e dell’altro (O

fa da ponte tra gli zuccheri). I disaccaridi più importanti sono:

● saccarosio, (zucchero da tavola) glucosio + fruttosio, legati tra loro con un legame

(il glucosio di partenza è un il legame è verso il basso

Ⲁ-glicosidico Ⲁ-glucosio,

perché OH si trova sotto al piano dell’anello)

● lattosio, glucosio + galattosio, legati da un legame β-glicosidico (più difficile da

idrolizzare rispetto all’Ⲁ), che per essere rotto necessita di lattasi, un enzima

specifico espresso a livello intestinale nel primo periodo di vita che in alcuni casi non

viene più espresso con la crescita

● maltosio, 2 glucosi

Questi zuccheri sono più difficili da digerire rispetto ai monosaccaridi per via del legame

glicosidico.

OLIGOSACCARIDI

In questi zuccheri vi sono dai 3 ai 18 monosaccaridi legati tra loro da legami glicosidici

(talvolta possono esserci ramificazioni che partono dalla catena principale). Gli

oligosaccaridi sono importanti soprattutto a livello della membrana cellulare perché sono

spesso associati a lipidi a formare glicolipidi o associati a proteine di membrana a formare

glicoproteine.

Questi zuccheri stanno sempre verso l’esterno della membrana e possono essere molto

importanti per interazioni tra la cellula e altre cellule o altre sostanze che si trovano al di

fuori; sono ad esempio fondamentali al riconoscimento tra cellule (es: la cellula riconosce il

linfocita grazie all’oligosaccaride poiché sulla cellula si trova una proteina recettore, che lo

riconosce mediante un sito di legame). Il riconoscimento di un batterio può avvenire grazie a

interazioni tra recettori e oligosaccaridi e anche i gruppi sanguigni sono definiti da

oligosaccaridi diversi, infatti il sistema immunitario si serve di oligosaccaridi di superficie per

determinare ciò che non è safe.

POLISACCARIDI

Quelli di riserva energetica hanno il ruolo di deposito di glucosio: