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La chimica della vita

Macromolecole nella cellula

La maggior parte della materia organica della cellula è costituita da macromolecole, polimeri costituiti da piccole unità strutturali e funzionali monomeriche semplici legate covalentemente tramite reazione di condensazione. Questo vale per proteine, acidi nucleici e polisaccaridi, ma fanno eccezione i lipidi che sono una catena di acidi grassi molto eterogenea.

I carboidrati

Sono la fonte principale per ricavare energia (il glucosio introdotto con la dieta). Sono anche riserve di energia, come il glicogeno (fegato) impiegato quando c'è bisogno di energia. Gli oligosaccaridi sono segnali cellulari.

Ciclo del carbonio — Le piante sfruttano energia solare, anidride carbonica e acqua producono glucosio.

Classificazione dei carboidrati

• Monosaccaridi — Da 3 a 7 atomi di C. Glucosio, fruttosio, galattosio. Hanno un'alta solubilità in acqua poiché sono caratterizzati dai gruppi funzionali idrossile e ossidrile (gruppi funzionali polari). Hanno più di un ossidrile per questo sono detti poliossidrili. Se il gruppo carbonile è all'estremità abbiamo un'aldeide, se invece è in mezzo abbiamo un chetone. La numerazione degli atomi del carbonio viene fissata dal gruppo carbonilico. Il desossiribosio è privato di un ossigeno nel DNA rispetto al ribosio dell'RNA. Glucosio e galattosio: Il C4 è legato ai due gruppi disposti in maniera diversa, in modo speculare. Ogni C che è legato a 4 sostituenti diversi in 2 modi diversi è detto asimmetrico/chirale — Destrogiro (-D) oppure levogiro (-L) a seconda delle proprietà ottiche della molecola: luce polarizzata (vedi libro). Esempio il gliceraldeide. I carboidrati/monosaccaridi sono tutti -D — La luce polarizzata gira verso destra.

Storia e scoperta delle isomerie

Il primo che si è occupato delle isomerie è stato Louis Pasteur (1822-1895), chimico e biologo francese che amava la sua patria e ha vissuto la maggior parte del suo tempo nella madrepatria. Ha studiato un metodo che permettesse di ridurre la carica microbica del latte se trattato ad alte temperature. Amava il vino e il suo campo di studio per molti anni furono botteghe. Nelle cantine analizzando le botti avevano notato dei cristalli di acido tartarico sul fondo che si depositano quando finisce il vino e l'acqua evapora. Egli ha dimostrato che appartenevano a due forme diverse dell'acido tartarico (destrogiro e levogiro) tramite la polarizzazione — queste due forme erano l'una l'immagine speculare dell'altra.

Chiralità e talidomide

Chiralità — Se una molecola dispone in un certo modo i suoi elementi agisce in modo migliore o peggiore, interagisce in modo diverso e ha un risultato biologico diverso a seconda della sua disposizione nello spazio. La chiralità dunque è rilevante nei processi biologici come nei siti di legami dei recettori.

Talidomide — È un farmaco venduto come sedativo, anti-nausea, saggiato sui topi senza effetti collaterali, destinato alle donne in gravidanza e assunto in maniera massiccia. Da lì a poco sono nati bambini focomelici, con monconi al posto degli arti. Il problema evidenziato poi da McBride era la tossicità del talidomide per il feto. Non era mai stato somministrato all'animale in gravidanza. Veniva sintetizzato nelle sue due forme speculari ma solo una data l'attività sedativa, mentre l'altra (la forma levogira) dava un effetto anti-angiogenico e bloccava lo sviluppo dei vasi sanguigni in particolare degli arti.

Monosaccaridi in acqua

I monosaccaridi in acqua ciclizzano formando un anello. L'idrossile si attacca al carbonio carbonilico. Nel D-glucosio l'orientamento dei gruppi nello spazio può essere differente (alfa glucosio e beta glucosio) — importante per la formazione dei disaccaridi poiché in alcuni casi il legame possiamo romperlo e digerirlo altrimenti no.

Il maltosio, zucchero utilizzato per la produzione della birra (substrato nella fermentazione per produrre etanolo), ha un tipo di legame che può essere rotto — il nostro organismo può digerirlo. Stessa cosa vale per il lattosio e il saccarosio (abbiamo un enzima che riconosce quello specifico legame). Invece la cellulosa non può essere digerita dall'uomo poiché non abbiamo l'enzima che scinde l'unità fondamentale della cellulosa (il cellobiosio).

Intolleranza al lattosio

L'intolleranza al lattosio deriva da un deficit o assenza dell'enzima presente nel nostro intestino (lattasi) che catalizza la rottura del legame. Questa assenza è dovuta a una forte enterite nella prima infanzia. In una persona normale il lattosio viene scisso in glucosio e galattosio dalla lattasi; in un intollerante il lattosio rimane nel lume dell'intestino, richiama acqua (diarrea) e i batteri presenti nel colon fermentano e producono gas (crampi).

Tipologie di carboidrati

• Disaccaridi — Unione di due monosaccaridi attraverso condensazione: il maltosio, il saccarosio, lattosio.
• Oligosaccaridi — Unione di pochi monomeri. Possono legarsi a proteine (glicoproteine) o a lipidi (glicolipidi).

Antigeni e gruppi sanguigni

Antigene 0: modello base. Antigene A: esagono giallo (c'è un enzima specifico che porta un unico diverso monosaccaride in più). Antigene B: Abbiamo un altro galattosio. Questi monosaccaridi sono antigienici, scatenano una risposta immunitaria; se riconosciuti come estranei dall'organismo, questo produce anticorpi per eliminare ciò che ritiene come estraneo. Nel caso di trapianti e trasfusioni questo può essere un limite. L'organismo nella vita in utero viene educato nel riconoscere se stesso (SELF) da quello che non lo è (NON-SELF), che induce una risposta immunitaria. Abbiamo un patrimonio di cellule immunitarie che reagiscono solo contro i Non self. Se introduciamo l'antigene A in una persona di gruppo 0 viene riconosciuto come Non Self ed eliminato.

Landsteiner ha scoperto e studiato i gruppi sanguigni umani (0-A-B-AB) e successivamente del fattore sanguigno Rh. Studia la compatibilità dei gruppi sanguigni. Il gruppo A e B hanno un monosaccaride diverso. La reazione da parte di un organismo ricevente da parte di un donatore estraneo è detta agglutinazione.

Il gruppo A ha sulla superficie dei globuli rossi l'antigene A, il gruppo B ha l'antigene B, il gruppo 0 niente. Chi ha il gruppo AB è un accettore universale, chi ha il gruppo 0 è il donatore universale (presentano anticorpi sia contro l'antigene A che contro l'antigene B).

Fattore Rh

Fattore Rh — È una proteina. Scoperta da Landsteiner sul Macacus Rhenus. Fu possibile classificare gli individui in due ulteriori gruppi Rh+ e Rh-. Se è positivo può essere preoccupante nella seconda gravidanza. Incrocio Rh+ (uomo) e Rh- (donna) — non c'è pericolo per il primo figlio Rh+; la donna produce anticorpi che potrebbero essere dannosi per il secondo figlio se è Rh+ come il primo — Si interviene al termine della prima gravidanza, somministrando anticorpi specifici per riconoscere e bloccare l'antigene Rh proveniente dal feto.

Polisaccaridi

Polisaccaridi — Amido (riserva di glucosio per i vegetali); glicogeno (riserva di glucosio); cellulosa (utilizzato per scopi strutturali). Da decine a migliaia di catene di monosaccaridi. Gli omosaccaridi sono costituiti da uguali monosaccaridi; gli eterosaccaridi contengono due o più monosaccaridi differenti. A seconda del tipo di legame si possono creare ramificazioni. L'amido è il sistema con cui le piante conservano il glucosio (granuli di amido presenti nel citoplasma). È fatto da due componenti lineare (amilosio) e una ramificata (amilopectina). Nella catena lineare le molecole di glucosio sono attaccate l'una all'altra dal C1 di una e il C4 dell'altra. Per le ramificazioni invece il C1 si lega al C6.

Il glicogeno è ancora più ramificato. Tutte le ramificazioni possono essere attaccate dagli enzimi per essere private di glucosio. Il fegato immagazzina glucosio; una piccola quota anche nei muscoli. Il glicogeno serve per produrre energia in un periodo breve. La glicemia si abbassa quando il glucosio viene liberato (attraverso la degradazione del glicogeno presente nelle cellule epatiche) negli organi e distretti dell'organismo.

La cellulosa ha il legame C1-4 ma sono beta, è fatta di fibre molto resistenti fatte da molecole di cellulosa stratificate e legate covalentemente.

Acidi nucleici

Sono acidi, in grado di rilasciare H+ derivanti dal gruppo fosfato, e sono stati trovati per la prima volta nel nucleo delle cellule. Gruppi fondamentali:

• Ribosio — RNA = ACIDO RIBONUCLEICO
• Desossiribosio — DNA = ACIDO DESOSSIRIBONUCLEICO

Sono polimeri di nucleotidi, legati tra loro da legami covalenti.

DNA e RNA

DNA — Rappresenta il genoma, tutta l'informazione che costituisce il nostro organismo; molecola che non deve essere soggetta a mutazioni le quali possono provocare malfunzionamento. Molecola concepita per essere protetta. Preserva informazioni.

RNA — Molecola a singola elica; copia fedele di un piccolo pezzo di DNA, e trasmette l'informazione contenuta nel DNA. Trasmette informazioni.

Il dogma centrale della biologia — Flusso unidirezionale = Il flusso dell'informazione genetica contenuta nel DNA viene trasferita alla molecola di RNA e da questa tradotta in proteina.

I nucleotidi

I nucleotidi sono formati da:

• Ribosio/Desossiribosio (pentoso)
• Gruppo fosfato
• Base azotata

I nucleotidi costituiscono anche altre sostanze: ATP e coenzimi. Basi azotate — Sono 4:

• Pirimidine = Timina /o Uracile; Citosina
• Purine = Guanina; Adenina

Nucleoside — È il composto zucchero-base azotata.

DNA: caratteristiche e struttura

Differenze:

• Zucchero
• Basi (Uracile in RNA al posto della Timina)
• Numero filamenti DNA

Il DNA è lungo 3 miliardi di nucleotidi — Le diversità sono originate dalla diversa disposizione delle basi; l'informazione è data dalla sequenza di queste. È costituito da nucleotidi legati tramite legame fosfodiesterico — Il gruppo fosfato si lega al gruppo ossidrilico del C-5 da un lato e al gruppo ossidrilico del C3 dell'unità successiva. Si forma catene lunghe il cui scheletro è costituito da un'alternanza di zucchero e fosfato; carica negativa — Il gruppo fosfato è un acido forte che conferisce all'acido nucleico la carica negativa.

Basi azotate — Legate al C1, sporgono all'interno in modo da fronteggiarsi l'una con l'altra (adenina-timina (due legami H), guanina-citosina (tre legami H)). La complementarietà si verifica in modo tale che ci sia equidistanza fra i due filamenti. C'è una torsione da parte dell'elica che forma un primo impacchettamento. Verso — All'estremità 5' è libero il gruppo fosfato (C5). All'estremità 3' è libero il gruppo ossidrilico (C3).

Struttura primaria = Legami covalenti. Struttura secondaria = Legami idrogeno. Struttura terziaria = Impacchettamento all'interno del nucleo (ripiegamento di 2 m di elica).

RNA: tipi e funzioni

L'RNA è una sequenza lineare di nucleotidi a singolo filamento, con il ribosio e l'uracile al posto della timina. I trascritti di RNA hanno un'esistenza limitata in quanto vengono degradati dalle ribonucleasi. Esistono 3 tipi di RNA:

• mRNA — È il veicolo con cui l'informazione contenuta nel DNA viene trasferita ai ribosomi.
• tRNA — Trasporta al ribosoma gli amminoacidi per la formazione dei legami peptidici.
• rRNA — È presente nei ribosomi, organelli responsabili della sintesi proteica.

Lipidi

Lipos = grasso. Sono insolubili in acqua. Possono essere di natura animale o vegetale. Gli stessi acidi grassi differiscono tra loro, posso avere diversi stati di aggregazione e ciò genera alimenti grassi o liquidi. L'insolubilità è dovuta a lunghe catene. Contengono fondamentalmente C e H e qualche gruppo COOH.

Funzioni dei lipidi

• Fonti di energia — Vengono ossidati, degradati.
• Riserva di energia — Le cellule epatiche non possono riempirsi all'infinito di glicogeno, invece gli adipociti hanno come unico scopo conservare lipidi. Cellula riempita di gocce di lipidi. Efficienza migliore rispetto ai carboidrati poiché vengono stipati da soli senza acqua e danno più energia (9kcal/g) contro 4 kcal/g.
• Sono strutturali — Formano membrane biologiche.
• Possono essere la base di ormoni (sono lipidi, non viaggiano da soli perché sono insolubili e hanno bisogno di essere trasportati in qualche modo) e vitamine (la vitamina D è un derivato diretto del colesterolo).

Vitamine insolubili

• A
• D
• K

Suddivisione dei lipidi

• Semplici
• Composti

I trigliceridi

Glicerolo + 3 acidi grassi. Gli acidi grassi non hanno la stessa catena, sono costituiti da molecole diverse di acidi grassi. I doppi legami (insaturazioni) danno una curvatura, importante per le membrane plastiche. Negli animali da letargo la riserva energetica è essenziale — accumulano i lipidi per lungo periodo. I pinguini hanno uno strato di lipidi sotto la pelle che è in grado di isolarli dal freddo.

Acidi grassi: solidi e liquidi

Acidi grassi — Sono acidi carbossilici caratterizzati dal gruppo funzionale COOH. La catena dell'acido grasso se è in assenza di insaturazioni è dritta. Gli acidi grassi sono tutti vicini l'uno all'altro e la struttura è molto compatta e rigida. Se aggiungo anche solo un doppio legame ottengo una leggera curvatura — Acido grasso monoinsaturo o polinsaturo (con più di un doppio legame). Ottengo uno schema diverso, gli acidi grassi non sono tutti appiccicati ma si distanziano a causa delle code che li mantengono separati (modello a mosaico fluido con cui si descrivono le membrane); le interazioni idrofobiche che vi sono tra le code sono comunque sufficienti e mantenerli insieme. Le membrane sono formate da acidi grassi con instaurazioni che permettono una certa fluidità alla membrana stessa — permettono l'inserimento di proteine o colesterolo. Situazione non rigida, ma mutabile. Con due instaurazioni ottengo una grande curvatura. L'angolazione è tanto maggior tanti più legami doppi vi sono. Gli acidi grassi essenziali sono quelli che il nostro organismo non riesce a produrre e vanno introdotti con la dieta. Gli insaturi vanno introdotti con gli alimenti (olio di oliva, frutta secca, pesce).

Nomenclatura degli acidi grassi

• Secondo il numero di C
• Secondo la pianta in cui sono stati trovati — Acido arachidico, acido palmitico

C2 = carbonio alfa. C3 = carbonio beta. C4 = carbonio gamma. Omega è l'ultimo carbonio della catena di un acido grasso. Sono acidi grassi insaturi che dovremmo assumere con la dieta. L'omega 3 presenta un doppio legame tra il terzultimo e il quartultimo C. Un acido grasso diventa solido con la presenza dei doppi legami, poiché si abbassa il punto di fusione, di conseguenza questi lipidi a catena insatura sono liquidi a temperatura ambiente (come gli oli).

Fosfolipidi e glicolipidi

Sono lipidi composti. Nei fosfolipidi abbiamo una catena satura dritta; una insatura con una curvatura; e la terza catena è sostituita da un gruppo fosfato attaccato al glicerolo. Da una parte ho le code idrofobiche e dall'altra ho la testa del gruppo fosfato idrosolubile (anfipatici); la colina è una molecola che conferisce solubilità e può attaccarsi al gruppo fosfato. I glicolipidi contengono i carboidrati.

Steroidi

È un sistema di 4 anelli a 5 e 6 atomi di C fusi tra loro. Gruppo idrossilico (parte solubile) che nella membrana è rivolto verso l'esterno della membrana. Il colesterolo deve essere introdotto con la dieta, ma non in eccesso poiché può portare a patologie del sistema cardiovascolare.

Lipoproteine

Sistema di trasporto per i lipidi nella cellula — utilizza le lipoproteine, strutture fatte a micella (parte idrofobica rivolta verso l'interno, all'esterno ho le teste polari dei fosfolipidi). Le particelle lipoproteiche possono essere suddivise in base a densità e composizione proteica:

• Le proteine hanno un peso maggiore rispetto a quello dei lipidi, dunque dove ho più proteine le lipoproteine sono più dense e hanno maggiore consistenza.
• LDL (male) — Hanno minore quantità di proteine.
• HDL (bene) — Hanno maggiore quantità di proteine.

Entrambe trasportano colesterolo. Le HDL trasportano meno colesterolo; recuperano il colesterolo in eccesso dai tessuti periferici e lo convogliano al fegato per la sua degradazione o ad altri tessuti, che lo utilizzano per la sintesi di ormoni steroidei. Le HDL sono “spazzini”, portano il colesterolo dai tessuti al fegato.

Il problema è dove le lipoproteine trasportano il colesterolo:

• Le LDL trasportano il colesterolo ai tessuti, dunque verso la periferia; resistono ben 2 giorni nel circolo sanguigno e dunque, se introduciamo troppo colesterolo, le LDL prodotte in eccesso vengono lasciate in giro e appena trovano la parete di un vaso leggermente danneggiata occupano lo spazio dove dovrebbe passare il sangue e il lume del vaso comincia a ridursi (la placca diventa fibrosa (placca aterosclerotica) fino ad occupare la maggior parte del vaso).
• I chilomicroni sono le particelle più leggere poiché contengono una maggior quantità di lipidi rispetto alle proteine. Sono prodotti dalla mucosa intestinale e hanno il compito di mettere in circolo e distribuire i grassi in tessuti e organi (negli adipociti verranno immagazzinati o forniranno energia, ad esempio nei muscoli). Le rimanenze dei chilomicroni, ricche di colesterolo, vengono assorbite dal fegato. Il trasporto verso i tessuti delle rimanenze è affidato alle VLDL (lipoproteine a densità molto bassa). Man mano che le VLDL si scaricano di lipidi, la loro densità aumenta e aumenta il colesterolo. — Diventano LDL, che veicolano il colesterolo nel sangue.