Appunti di Biochimica agraria

Biochimica

à

La cellula È definita come l’unità fondamentale di un organismo vivente le cui

caratteristiche principali sono quelle di vivere autonomamente e di riprodursi.

Durante l’evoluzione della vita, cellule diverse hanno iniziato a interagire fra loro in una sorte di

associazione che si è rivelata utile e vantaggiosa, formando così nel tempo organismi a più cellule.

Per questo motivo all’interno di un organismo, troviamo diverse cellule per dimensione e funzione

(riferibile solo al modello eucariote).

La principale differenza fra le cellule:

Ø Procariotià Il materiale genetico è libero nel citoplasma.

Sono gli organismi più diffusi sul pianeta, sono più piccole degli eucarioti e hanno una

struttura più semplice.

Non hanno organuli ad eccezione dei ribosomi (sintesi proteine), e il DNA è concentrato

nella regione del citoplasma. Le funzioni cellulari sono eseguite da complessi enzimatici

analoghi a quelli delle cellule eucariotiche.

Struttura della cellula procariote:

1. Parete cellulare (3-25nm)à È presente in molti organismi per la protezione al

danno meccanico e alla pressione osmotica.

2. Membrana plasmatica (8nm)à Costituita da un doppio strato lipidico, ha

l’obiettivo di impedire il passaggio di ioni inorganici e molecole cariche.

3. Citoplasmaà È costituito da una soluzione acquosa chiamata citosol, contenente

molte particelle con funzioni diverse.

4. Cromosomià È una singola molecola circolare condensata a formare un nucleoide.

Ø à

Eucarioti Il materiale genetico è chiuso all’interno di un nucleo, circondato da una

membrana.

Ha un volume molto più grande rispetto alla cellula procariote (mille fino a un milione di volte)

ma la vera distinzione è la presenza della membrana cellulare intorno al nucleo e ad altri

organelli cellulari ben delimitati dal citosol.

Struttura:

1. Parete cellulareà È costituita per il 90% da carboidrati (cellulosa) e il resto da proteine

(glicoproteine).

2. Plasmodesmià Strutture che collegano cellule vegetali adiacenti fra loro, permettendo il

passaggio di molecole.

Queste strutture formano un compartimento chiamato simplasto, dove i metaboliti circolano

per diffusione. Lo spazio delimitato fra le cellule è chiamato spazio extracellulare o

apoplasto.

3. Apoplastoà È la parete impermeabile all’acqua che fluisce attraverso le pareti, senza

entrare all’interno.

4. Simplastoà Costituito dall’insieme dei protoplasti comunicanti fra loro ed è costituito dalle

cellule adiacenti fra loro il cui citoplasma è in comunicazione, attraverso plasmodesmi.

5. Membrana plasmaticaà Avvolge ogni cellula e svolge il ruolo principale di separare

l’interno con l’esterno. Regola l’entrata delle sostanze nutritive e l’uscita dei rifiuti,

mantenendo le condizioni in cui possono svolgersi le attività metaboliche.

Le membrane che delimitano gli organi interni della cellula hanno la stessa struttura (nucleo,

mitocondri ecc.) anch’esse controllano e regolano il passaggio di sostanze differenti fra loro.

Essa è composta di un doppio strato di lipidi, la cui parte maggiore è rappresentata dai

fosfolipidi (doppio strato fosfo-lipidico), ma sono presenti anche steroidi e glicolipidi.

Il doppio strato ha la proprietà di autosigillarsi, formando un involucro chiuso dotato di una

considerevole resistenza meccanica. Questa barriera funge da barriera contro la maggior

parte delle molecole biologiche.

6. Citosolà Sostanza gelatinosa che insieme agli organelli costituisce il citoplasma della

cellula. Al suo interno si svolgono le principali attività metaboliche della cellula.

Contiene proteine enzimatiche che catalizzano le varie reazioni di demolizione degli

zuccheri, sintesi dei grassi, nucleotidi e proteine.

7. Nucleoà Parte centrale della cellula, circondata da un involucro nucleare che fa da barriera

tra i processi genetici della duplicazione del DNA e della sintesi del RNA.

All’interno del nucleo il DNA è organizzato secondo la fase, in cromosomi o in una forma

meno organizzata detta cromatina.

L’involucro nucleare è costituito da un sistema a doppia membrana (interna ed esterna) la

quale si fonde insieme al livello dei pori nucleari attraverso i quali le molecole (mRNA,

proteine e ribosomi) possono muoversi.

La membrana esterna è spesso associata al reticolo endoplasmatico (RER).

Nel nucleo il DNA è avvolto attorno alle proteine istoniche e organizzate in cromosomi.

L’involucro nucleare racchiude il nucleolo, una struttura a elevato grado d’organizzazione,

nel quale avviene l’assemblaggio di tutti i ribosomi della cellula. Esso non è circondato da

membrane e può essere presente in più copie in un singolo nucleo.

8. Reticolo endoplasmaticoà All’interno delle cellule possono essere distinguibili due

regioni diverse:

• Reticolo endoplasmatico ruvidoà In cui sul lato citoplasmatico della membrana

sono attaccati i ribosomi. Organizzato in cisterne.

• Reticolo endoplasmatico liscioà Privo di ribosomi, è importante nella sintesi dei

lipidi e nel trasporto di sostanze dal reticolo endoplasmatico ruvido all’apparato del

Golgi.

È organizzato in una rete tridimensionale di tubuli.

9. Apparato del Golgià Situato vicino al nucleo, è formato da numerosi gruppi di cisterne

appiattite, delimitate da membrane circondate da tubuli o vescicole.

La sua funzione principale è quella di modificare e indirizzare le molecole appena

sintetizzate verso le giuste destinazioni.

10. Mitocondrioà Sono le centrali energetiche della cellula, producono l’energia necessaria

per molte funzioni cellulari come il movimento, trasporto di sostanze ecc. Contengono gli

enzimi necessari per recuperare l’energia contenuta all’interno delle molecole organiche.

Il mitocondrio è delimitato da due membrane a doppio strato lipidico.

Le due membrane definiscono due spazi diversi:

Spazio Intermembranaà tra le due membrane.

Spazio della matriceà Presente materiale omogeneo contenente enzimi, coenzimi, acqua

fosfati e altre molecole.

11. Lisosomià Sono vescicole che si formano all’interno dell’apparato del Golgi a forma di

sacchetto membranoso, delimitati da un doppio strato lipidico. Essi contengono gli enzimi

necessari a tagliare in maniera specifica e controllata grosse molecole.

Gli enzimi idrolitici dei lisosomi sono dette idrolasi acide e comprendono: proteasi,

nucleasi, glicosidasi, lipasi ecc.

Se i lisosomi si rompono, la cellula stessa viene distrutta, poiché gli enzimi che essi

contengono sono capaci di scindere i composti principali presenti nella cellula.

12. Cloroplastoà Organello delimitato da una doppia membrana lipoproteica che racchiude

una matrice amorfa o stroma.

Lo stroma è un sistema attraversato da un sistema di lamelle chiamate tilacoidi.

I tilacoidi sono distinti in:

• Tilacoidi stomatici

• Tilacoidi dei grana

Ogni grana è composta di compartimenti circolari simili a sacchetti comunicanti contenenti

clorofilla e altri pigmenti in grado di catturare la luce e quindi sono la sede della fotosintesi.

13. Perossisomià Organelli che contengono gli enzimi catalasi, enzimi specializzati

nell’compiere reazioni ossidative che impiegano l’uso dell’ossigeno molecolare.

Assieme al mitocondrio, è il principale sito di utilizzazione dell’ossigeno nella cellula.

Grossi perossisomi delle cellule del fegato e del rene, hanno lo scopo di neutralizzare la

tossicità di numerose molecole, ossidandole (per esempio l’alcool).

I perossisomi hanno una singola membrana e contengono enzimi per la degradazione degli

acidi grassi e degli amminoacidi in perossido d’idrogeno (H O ).

2 2

Il prodotto delle diverse reazioni è trasformato, grazie all’enzima catalasi in acqua e

ossigeno. 2H O ----> 2H O+ O .

2 2 2 2

14. Parete cellulareà Situata attorno alla membrana cellulare, impartisce rigidità alla cellula

ed è costituita principalmente da cellulosa.

Nelle piante è presente un altro composto, la lignina (polimero fenolico insolubile in H O)

2

che impartisce nuova rigidità.

15. Vacuoloà Le cellule vegetali contengono uno o più vacuoli, utilizzati per immagazzinare

nutrienti (saccarosio, acqua, ioni e prodotti di scarto.

All’interno della cellula vegetale vi è un unico grande vacuolo che svolge una funzione

importante nel potenziale idrico della pianta.

Inoltre il C può formare fino a quattro legami stabili

Fondamenti di chimica

con altrettanti atomi di C oppure due atomi di C

La biochimica ha lo scopo principale di comprendere le forme biologiche e le funzioni in termini

chimici.

possono mettere in comune 2 (o 3) coppie di elettroni

Sui 118 elementi conosciuti (tavola periodica), solo 30 sono essenziali per gli organismi viventi e

tra questi la maggior parte ha un numero atomico basso.

formando così legami doppi (o tripli)

Il 90% della massa delle cellule è formato da H, O, N e C i quali possono formare 1,2,3,4 legami

rispettivamente. Il carbonio è l’elemento principale per la sua natura chimica e corrisponde a circa

la metà del peso secco della cellula.

Il carbonio può formare legami singoli con l’H e un legame singolo/doppio con O e N.

Inoltre, il carbonio può formare fino a quattro legami stabili con altrettanti atomi di carbonio,

oppure due atomi di carbonio possono mettere in comune due (o tre) coppie di elettroni formando

così legami doppi o tripli.

Gli atomi di carbonio legati covalentemente, possono inoltre formare catene lineari, ramificate e

strutture cicliche.

di C

mente

noltre

atene

o

e Nel citosol, vi sono un migliaio di piccole molecole che rappresentano i metaboliti dei processi

metabolici che avvengono in quasi tutte le cellule.

Metabolitià Prodotti che risultano dalle reazioni chimiche che sono studiati dalla metabolomica.

La metaboloma è l’insieme delle molecole in una cellula.

Per quanto riguarda la stereochimica e quindi l’aspetto tridimensionale delle molecole, possiamo

dire che i composti del carbonio sono normalmente sotto forma di stereoisomeri, cioè composti con

la stessa formula bruta ma con una diversa configurazione nello spazio.

La configurazione è determinata dai doppi legami e i centri chirali.

Fondamenti di fisica

Gli organismi viventi e la cellula in primis per vivere e riprodursi compiono un lavoro. Essi sono

sistemi aperti in cui vi è un continuo scambio di energia e materia.

Una reazione chimica è un sistema costituito dai reagenti, prodotti compreso il solvente e

l’atmosfera.

Sistema e ambiente costituiscono l’universo.

Tipi di sistemi:

1) Sistema isolatoà Nessuno scambio con l’esterno.

2) Sistema chiusoà Scambio di energia ma non di materia.

3) Sistema apertoà

La maggior parte degli organismi trae energia dal sole mediante il processo della fotosintesi,

seguendo la seguente reazione chimica:

6CO + 6H O + LUCE = C H O + 6CO

2 2 5 12 6 2.

Al contrario, gli organismi non fotosintetici, ricavano l’energia di cui hanno bisogno ossidando i

prodotti della fotosintesi, mediante il processo della respirazione, secondo cui:

C H O + O = 6CO + 6H O + ENERGIA.

6 12 6 2 2 2

Tutte le reazioni energetiche dipendono da un flusso di elettroni che trasferiscono elettroni da una

molecola all’altra, come nel trasporto elettronico cloroplastico e mitocondriale.

L’acqua come solvente

à L’acqua è il solvente più abbondante di tutti gli organismi

viventi e rappresenta più del 70% del loro peso. Tutto ciò è dato dalle sue caratteristiche chimiche

quali:

• Elevato punto di fusione e di ebollizione (0°C e 100°C) che sono dati dai legami a idrogeno

tra le molecole di acqua.

• L’acqua crea legami a idrogeno anche con le molecole biologiche.

• Nel processo dell’idratazione l’acqua forma un guscio idratato, rendendolo incapace di

riconoscere ioni di carica opposta

Composti biologicamente importanti

:

• Carboidrati.

• Lipidi.

• Acidi nucleici.

• Peptidi.

Carboidrati

1) Sono composti organici, costituiti da atomi di C, H e O chiamati anche zuccheri, saccaridi o

glucidi. Hanno formula (Cn(H2O))n (n= da 3 fino a 9).

Sono i componenti essenziali di tutti gli organismi viventi e sono infatti la classe più

abbondante tra le molecole biologiche.

Sono polialcoli con funzione chetonica (tutti i C legati a –OH tranne uno che è un chetone) o

aldeidica (tutti C legati a –OH tranne uno che è aldeide).

I carboidrati si suddividono in base alla loro struttura in:

• Polisaccaridià Contengono numerose unità monosaccaride (centinaia/migliaia)

tutte identiche.

• Oligosaccaridià Hanno almeno due e non più di alcune unità di monosaccaridi

legate insieme, si distinguono in: disaccaridi, trisaccaridi secondo il numero di unità

monosaccaride.

• Monosaccaridià Non sono ulteriormente idrolizzabili in composti più semplici. Si

classificano in base al numero di atomi di carbonio e in base al fatto che il carbonile

può essere sia aldeidico (aldosi) o chetonico (chetoni) in:

ü Triosi

Gliceraldeide (aldoso) presenta un carbonio asimmetrico, contenente due

enantiomeri (D-gliceraldeide e L-Gliceraldeide).

Diidrossiacetone è il chetoso più semplice e non avendo un C asimmetrico

non presenta isomeri ottici.

ü Tetrosi

L’eritrosio ha quattro atomi di carbonio di cui due sono asimmetrici, come

conseguenza può avere fino a 4 stereoisomeri diversi.

arboidrati a 4 atomi di C

a 2 carboni asimmetrici mentre il D-

e ha solo uno L’eritrulosio ha solo un carbonio chirale e può avere fino a 2 stereoisomeri

diversi.

presente 2 isomeri D ed L, mentre

on 2 C asimmetrici) può avere sino a

versi ü Pentosi

Hanno cinque atomi di C (aldosi) presentando 8 isomeri diversi fra loro.

Sono di grandissima importanza il ribosio e il deossiribosio perché sono i

costituenti dei nucleotidi e degli acidi nucleici.

(EPIMERI)

Si definiscono epimeri, molecole con più centri chirali che differiscono tra

loro per uno solo di questi.

ü Esosi

Hanno sei atomi diversi, presentando 16 isomeri diversi (aldoesosi).

Tra gli esosi più importanti abbiamo il *glucosio perché è il componente

principale di macromolecole come:

è Amido.

è Glicogeno.

è Cellulosa.

è Lattosio (legato al galattosio).

è Zucchero di canna e barbabietola (legato al fruttosio).

Molecola più versatile degli organismi

viventi che la utilizzano per produrre

energia e altri composti organici.

** IN GENERALE, Il numero d’isomeri possibili è calcolato nel seguente modo: 2^n dove n

rappresenta il numero dei C asimmetrici (chirali).

Epimeri à Due molecole con stessa configurazione che differiscono tra loro per un solo centro

chirale.

Come per esempio il D-glucosio con il D-galattosio.

Le due molecole differiscono per il C .

(4)

ALDOSI IMPORTANTI DA UN PUNTO DI

VISTA BIOLOGICO

CHETOSI IMPORTANTI DA UN PUNTO DI

VISTA BIOLOGICO

CH OH

2

C O

CH OH

2

diidrossiacetone

Tra gli esosi un composto di particolare importanza biologica è il glucosio che entra a far parte

delle molecole come amido, glicogeno, cellulosa, lattosio e zucchero di canna e barbabietola.

È la molecola più versatile degli organismi viventi che la utilizzano per produrre energia

FORME CICLICHE DEGLI ZUCCHERI

In soluzione acquosa, molti carboidrati sono presenti prevalentemente nella forma ciclica che è

ottenuta attraverso una reazione intramolecolare tra il gruppo aldeidico/chetonico ed il gruppo -OH

della molecola.

Questa reazione tra un gruppo aldeidico/chetonico con uno alcolico produce i semiacetali.

Le forme cicliche degli zuccheri sono dette semiacetaliche.

LE STRUTTURE EMIACETALICHE E CICLICHE DEI MONOSACCARIDI

Gli alcoli si sommano in maniera reversibile al carbonile dei chetoni e delle aldeidi, formando così

il semiacetale.

È importante dire che i monosaccaridi esistono solamente nella forma semiacetalica ciclica e non

sottoforma chetonica/aldeidica aciclica.

Nella conformazione aciclica aldeidica, il C(1) è achirale, mentre nella conformazione ciclica

diviene chirale. Questo porta ad avere due strutture secondo la posizione del carbonio emiacetalico

formando così il nuovo centro stereogeno, chiamato carbonio anomerico. Due composti che

differiscono per una sola configurazione di un carbonio, sono detti anomeri.

Le due forme anomeriche sono interconvertibili, se per esempio disciogliessimo in soluzione

α-D-glucopiranoso vedremo che la rotazione specifica diminuirà da un valore

acquosa la forma

di 112° ad uno di equilibrio di 52°. Nel caso invece del B-D-Glucopiranosio, la rotazione varierà da

un valore di 12° fino a uno di 52°. Questo fenomeno prende il nome di mutorotazione.

STRUTURE PIRANOSICHE E FURANOSICHE

Generalmente i monosaccaridi si trovano sotto la forma ciclica di sei termini detta piranosio, se

così fosse la nomenclatura nel caso del glucosio sarebbe glucopiranosio. I piranosi si formano

secondo la reazione del gruppo carbonilico con il gruppo ossidrilico del C(5). A volte può formarsi

con l’ossidrile del C(4) e in tal caso si formerà il furanosio (anello ciclico a 5 termini) e sempre nel

caso del glucosio la sua nomenclatura sarà il glucofuranosio.

MONOSACCARIDI MODIFICATI

Gli aldosi e i chetosi, possono andare incontro a reazioni chimiche che ne modificano la struttura.