Appunti di Chimica organica (prof.ssa Menchi)

53

Proprietà fisiche

I fenoli sono composti polari, generalmente composti cristallini con punti di fusione relativamente bassi ed

odore molto caratteristico. Hanno punti di ebollizione piuttosto elevati, dato che si forma il legame idrogeno

intermolecolare. Il fenolo è poco solubile in acqua fredda ma totalmente miscibile con acqua calda. Sia fenoli

che cresoli sono usati come disinfettanti commerciali.

Sintesi

Il fenolo è un prodotto chimico di grande interesse industriale; viene usato come sostanza di partenza per un

gran numero di prodotti commerciali, dall’aspirina, a molte materie plastiche. La produzione mondiale annua

è di più di 3 milioni di tonnellate. Tra i metodi industriali figura il Processo Dow a partire dal clorobenzene:

Acidità dei fenoli

Pur essendo strutturalmente simili agli alcoli, i fenoli presentano un’acidità più spiccata. Mentre il

cicloesanolo ha un pKa di circa 18, il fenolo ha un pKa di 10. La ragione di ciò risiede nell’equilibrio di

dissociazione che è più spostato a destra nel caso del fenolo a causa della possibilità di delocalizzare la carica

negativa dell’ossigeno del fenato nell’anello aromatico.

Strutture di risonanza che stabilizzano lo ione fenato:

Esercizi 54

Aldeidi e Chetoni

Le aldeidi ed i chetoni sono composti caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale carbonile, e perciò

sono anche chiamati composti carbonilici. Gruppo carbonile

Nei chetoni il carbonile si trova all’interno di una catena di atomi di carbonio, mentre nelle aldeidi il gruppo

carbonile si trova alla fine. Chetone aldeide

Nomenclatura

Molti chetoni conservano il nome tradizionale. Tuttavia, conviene sempre utilizzare il nome IUPAC che si

ottiene semplicemente individuando la catena più lunga che contiene il carbonile, numerando la catena

dall’estremità che assegna al gruppo carbonilico il numero più piccolo ed usando la desinenza one sul nome

dell’alcano corrispondente. Un modo alternativo è quello di elencare i gruppi alchilici legati al carbonile (in

ordine alfabetico) facendo seguire la parola chetone.

La presenza di ramificazioni nella catena non altera quanto detto. Per esempio il composto qui di seguito

illustrato si chiama 5-metil-3-eptanone e non 3-metil-5-eptanone

Le aldeidi sono caratterizzate dall’avere il carbonile all’estremità della catena carboniosa e quindi il C=O è

legato ad una catena carboniosa ed ad un idrogeno. In questo caso il gruppo carbonilico prende di diritto il

numero 1. La desinenza che indica un’aldeide secondo la nomenclatura IUPAC è ale. Sotto sono riportate

alcune aldeidi. Come si può notare non è qui necessario indicare con un numero la posizione del carbonile. 55

Struttura del carbonile 2

Come per gli alcheni, nel carbonile il carbonio e l’ossigeno sono ibridati sp e sono coplanari. I due orbitali 2p

non ibridi si sovrappongono a formare il doppio legame. Pertanto, il carbonile ed i sostituenti ad esso legati

π

sono coplanari e formano angoli di legame di 120° mentre la nuvola elettronica del doppio legame giace

sopra e sotto il piano del legame C-O. L’atomo di ossigeno possiede due coppie di elettroni non condivise

2

(lone pairs) giacenti in due orbitali ibridi sp orientati a 120° e coplanari con la molecola.

A differenza però del doppio legame C=C, il legame C=O è polarizzato perché l’ossigeno è più

elettronegativo del carbonio e per il carbonile si possono avere strutture in risonanza:

Sintesi di aldeidi e chetoni

Le aldeidi si preparano per ossidazione degli alcoli primari con triossido di cromo CrO in piridina ed HCl

3

(PCC). Gli alcooli secondari si ossidano a chetoni con permanganato KMnO o bicromato di potassio

4

K Cr O . in condizioni blande di reazione.

2 2 7

Le aldeidi si ossidano facilmente ad acidi carbossilici RCOOH mentre i chetoni sono molto più resistenti

all’ossidazione (vedi le reazioni di ossidazione degli alcoli). 56

Le reazioni di addizione nucleofila

Il carbonio carbonilico ha carattere elettrofilo e quindi reagisce con i nucleofili mentre l’ossigeno ha carattere

nucleofilo e reagisce con gli elettrofili. Quindi, le aldeidi ed i chetoni danno reazioni di addizione nucleofila.

Durante l’attacco del nucleofilo (stadio lento) l’atomo di ossigeno carbonilico esplica simultaneamente

π

l’effetto di richiamo della coppia di elettroni (definito effetto “mesomerico” –M). Dopo l’attacco, si forma

3 ). L’ossigeno carico negativamente catturerà nello

un alcolato intermedio che è tetraedrico (carbonio sp

stadio seguente (stadio veloce) l’elettrofilo che accompagna come controione il nucleofilo (generalmente

+ 2

l’H ). E’ importante notare che, essendo il carbonile di partenza planare (carbonio sp ), l’addizione del

nucleofilo può avvenire da ambedue le facce del piano. Ciò significa che, nel caso in cui si venga a formare un

centro chirale, si otterrà un racemo. 3

I nucleofili possibili sono le basi forti (coniugate di acidi deboli) come lo ione idrossido, lo ione alcossido e lo

ione idruro. Queste specie, essendo nucleofili forti, si sommano direttamente al carbonile senza bisogno che

esso debba venire attivato (somma in ambiente basico).

Al contrario, i nucleofili deboli (acqua, alcoli, ammoniaca ed ammine) non sono in grado di addizionarsi

direttamente al carbonile. E’ necessario, in questi casi, che questo venga reso più elettrofilo da una preliminare

+ +

protonazione dell’H . L’addizione in questo caso avviene in ambiente acido ed è catalizzata dallo ione H . 57

-

Addizione in condizioni basiche. Somma di idruro H : riduzione di aldeidi e chetoni ad alcoli

Un nucleofilo forte come lo ione idruro si somma in ambiente basico per dare gli alcoli. Questa reazione è alla

base della formazione degli alcoli per riduzione dei corrispondenti composti carbonilici. Il reattivo usato è il

), un sale il cui anione, lo ione borotetraidruro, cede facilmente uno ione idruro

boroidruro sodio (NaBH

4 -

liberando borano. Lo ione :H si addiziona al carbonile per dare un alcolato che per neutralizzazione con acuq

e acido fornisce l’alcole neutro.

meccanismo:

H

Na H B H H

H B

H

Na +

ione borano

H H

idruro

sodio boroidruro

(donatore di ioni idruro,

un riducente)

( -M)

O O OH

H

R R H

C + R R

C R R

C

ione H alcole

H

alcolato

idruro

Esempi:

Addizione in condizioni acide. Somma di alcoli: sintesi di emiacetali ed acetali

O, ROH, NH ), esso non ha la forza sufficiente per attaccare il carbonile, che di

Se il nucleofilo è debole (H

2 3

per sè è un elettrofilo debole. Pertanto, è richiesta la catalisi acida per protonare preliminarmente il C=O

rendendolo un migliore elettrofilo. La reazione di addizione di alcoli per dare emiacetali ed acetali è un

classico esempio. In questo processo due molecole di alcole si addizionano ad un’aldeide (o un chetone) in

ambiente acido (H SO dil.), per dare un acetale ed una molecola di acqua. La reazione è reversibile, ciò

2 4

significa che un acetale può essere scisso dall’acqua in ambiente acido (idrolisi) per ridare l’aldeide (o il

chetone) più l’alcole di partenza. La reazione può essere fermata ad emiacetale se si opera con un sola mole di

alcole. 58

meccanismo:

Emiacetali ed acetali sono fondamentali in campo biologico dato che mono- e polisaccaridi, insieme ai

glicosidi, sono emiacetali ed acetali biologicamente attivi.

Addizione di ammoniaca ed ammine: formazione di aldimmine

Altra reazione importante di addizione nucleofila al carbonile catalizzata dagli acidi è quella tra aldeidi (o

aria

chetoni) con ammoniaca (oppure con un’ammina 1 ) che porta alla sintesi di immine. L’acido impiegato

deve essere diluito per evirare la totale protonazione dell’ammina che funge da nucleofilo.

Meccanismo

Questa reazione è importante in reazioni biologiche quali le transaminazioni catalizzate dall’aldeide

che permette la sintesi di alcuni amminoacidi ed ammine con attività biologica. Altra

chiamata vitamina B

6

aldimmina importante è quella tra l’aldeide della vitamina A (il retinolo) e la proteina opsina che regola il

meccanismo della visione.

Meccanismo della visione. La retinaldeide (detta anche retinale), che si forma dal retinolo tramite

ossidazione, subisce isomerizzazione al doppio legame gamma rispetto al gruppo aldeidico. A questo punto

reagisce con una proteina retinica, l'opsina, tramite un legame imminico con un residuo di lisina formando la

rodopsina. Quando un fotone colpisce la rodopsina, il retinale isomerizza nella forma tutta trans e ciò

determina un cambiamento conformazionale della rodopsina ed attivazione di una cascata molecolare che

determina la generazione di impulsi elettrici che vanno al cervello. Il retinale tutto trans si stacca dall'opsina

59

per idrolisi e viene ridotto a retinolo tutto trans che viene poi ricaptato dall'epitelio della retina ed

immagazzinato per un ciclo successivo.

La tautomeria cheto-enolica

La tautomeria cheto-enolica è il trasferimento di un protone, legato al carbonio in alfa al carbonile, all’atomo

di ossigeno: Questo processo, chiamato anche riarrangiamento prototropico 1,3, trasforma un’aldeide o

chetone nella forma enolica mediante catalisi acida o basica. Il trasferimento del protone all’ossigeno è dovuta

α

alla debole acidità degli idrogeni in al carbonile, causato dall’effetto elettron-attrattore dell’ossigeno (effetto

–M). Questo effetto viene esaltato dalla protonazione dell’ossigeno da parte di un acido forte. Tuttavia, i

-20 ) per cui gli

composti carbonilici sono acidi molto deboli (la Ka dell’acetone, per esempio, è circa 10

equilibri sono spostati verso le forme carboniliche più stabili delle enoliche. E’ un processo di grande interesse

biologico in quanto permette la conversione di uno zucchero in un altro. Per esempio, nella glicolisi il

glucosio si trasforma in fruttosio mentre nella sintesi degli zuccheri mediante il processo di fotosintesi, il

fruttosio è convertito in glucosio. Nella glicolisi e nella fotosintesi la tautomeria è catalizzata dagli enzimi ed è

una reazione concertata cioè il protone viene estratto dal carbonio e contemporaneamente trasferito

all’ossigeno. Di seguito sono riportati i meccanismi di enolizzazione con catalisi acida e basica.

Catalisi basica

Catalisi acida 60

61

ACIDI CARBOSSILICI E DERIVATI

Gli acidi carbossilici sono composti caratterizzati dal gruppo funzionale carbossilico, che si ottiene quando il

carbonio carbonilico è legato ad un ossidrile.

Il gruppo R può essere un generico gruppo organico sia alifatico che aromatico (R= alchile o arile).

I derivati degli acidi carbossilici sono gli esteri nei quali il carbonile è legato ad un gruppo alcossilico. Le

ammidi sono derivati nelle quali il carbonile è legato ad un atomo di azoto sostituito. Derivati degli acidi

meno importanti sono i cloruri acilici, le anidridi ed i nitrili. Il carbonio carbonilico in questi derivati prende

il nome di carbonio acilico. nitrile

Tutti questi composti quando sono trattati con acqua danno luogo alla reazione di idrolisi che li riporta

all’acido carbossilico.

Nomenclatura degli acidi carbossilici

Gli acidi più semplici conservano il nome tradizionale: Formico (C1), Acetico (C2), Propionico (C3),

Butirrico (C4). Questi nomi derivano dalle fonti naturali dai quali sono stati isolati. La nomenclatura IUPAC

per gli acidi propone il suffisso oico. Pertanto, l’acido acetico si chiama etanoico; il butirrico butanoico;

l’acido con C8 si chiama ottanoico mentre quello con C12 dodecanoico e così via.

Nella nomenclatura IUPAC, il carbonio carbossilico prende il numero 1, e la posizione dei sostituenti è

indicata a seguire. Nella nomenclatura corrente la posizione dei sostituenti è segnata con le lettere greche

α, β, γ etc. Gli acidi carbossilici ciclici prendono il nome dal cicloalcano facendo seguire la parola

carbossilico. L’acido carbossilico aromatico prende il nome proprio di acido benzoico.

Nomenclatura dei derivati

Nella nomenclatura corrente dei derivati degli acidi carbossilici si usa indicare il nome dell’acido

carbossilico da cui derivano preceduta dalla parola estere (in questo caso si aggiunge il nome del gruppo

alcossilico), ammide, cloruro, anidride, nitrile. Esempi 62

Proprietà fisiche degli acidi carbossilici

A causa della maggiore acidità il legame O-H del carbossile è più polarizzato che negli alcoli e quindi gli acidi

carbossilici formano legami idrogeno molto forti. Il loro punto di ebollizione è dunque superiore a quello degli

alcani ed a quello degli alcoli di pari peso molecolare. Così l’acido acetico bolle a 117 °C mentre l’etanolo a

80 °C. Come per gli alcoli i primi 5 termini sono solubili in acqua mentre al crescere del residuo carbonioso

diventano insolubili.

Sintesi degli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici sono diffusi ovunque in natura. L’aceto non è altro che una soluzione diluita di acido

acetico, l’acido butirrico è responsabile dell’odore del burro rancido e l’acido esanoico (capronico) è la causa

del cattivo odore che emanano le capre.

Si producono industrialmente circa 5 milioni di tonnellate annue di acido acetico per vari scopi, per esempio

per la preparazione dell’acetato di vinile che polimerizzato viene usato per vernici ed adesivi. L’acido acetico

si ottiene per carbonilazione del metanolo catalizzata dal rodio e per ossidazione dell’acetaldeide (che si

ottiene a sua volta per ossidazione dell’etilene). Gli acidi carbossilici superiori si ottengono per ossidazione

degli alcoli primari con bicromato di potassio (vedi ossidazione degli alcoli).

Reattività degli acidi carbossilici

Acidità

Come già visto per aldeidi e chetoni, anche per gli acidi e derivati, il carbonile è polarizzato perché l’ossigeno

è più elettronegativo del carbonio. Questa polarizzazione influenza l’acidità dell’idrogeno legato all’ossidrile.

pari a circa 5 e sono molto più acidi degli alcoli (pK = 16-20). In termini

Pertanto, questi acidi hanno un pK

a a

di risonanza, l’effetto –M del carbonile provoca un notevole aumento di acidità dell’OH di un acido

carbossilico rispetto all’OH di un alcole.

Ad esempio, nell’acido acetico questo si può mettere in evidenza con le formule di risonanza per lo ione

acetato che disperdono la carica dello ione e spostano a destra l’equilibrio di dissociazione: 63

L’acidità del protone fa sì che i nucleofili con caratteristiche basiche non si addizionano al carbonile ma

reagiscono come basi dando i sali degli acidi carbossilici. Per reazione con l’ammoniaca e le ammine si

formano i sali di ammonio. La reazione con gli alcoolati porta alla formazione del carbossilato di sodio ed

alcool.

Esterificazione di Fisher

È una reazione tipica degli acidi con gli alcoli. Normalmente gli alcoli non reagiscono con gli acidi

SO , permette una reazione che porta alla sintesi di

carbossilici, tuttavia, l’aggiunta di quantità catalitiche di H

2 4

esteri.

meccanismo:

Attività biologica degli acidi grassi

Tra gli acidi monocarbossilici importanti vi sono quelli a lunga catena, da C12 a C20, sia saturi che insaturi,

chiamati acidi grassi. Questi acidi hanno catene a numero pari di atomi di carbonio perché derivano da

un’unica unità a due atomi di carbonio, l’acetil-Coenzima A (Acetil-CoA). Quelli insaturi possiedono uno o

più doppi legami con configurazione cis (o Z). Gli acidi grassi in ambito biologico non sono liberi ma si

trovano esterificati con il glicerolo, a formare le classi dei trigliceridi e dei fosfolipidi (che vedremo tra

breve) che sono i principali costituenti dei grassi animali e vegetali.

Gli acidi grassi più importanti sono di seguito elencati: 64

Saturi

n. C Nome Formula Origine

12 Laurico CH (CH ) COOH Alloro

3 2 10

14 Miristico CH (CH ) COOH Latte

3 2 12

16 Palmitico CH (CH ) COOH Olio di palma

3 2 14

18 Stearico CH (CH ) COOH Grassi animali

3 2 16

20 Arachico CH (CH ) COOH Arachidi

3 2 118

Insaturi

n. C Nome Formula Posiz. C=C Origine

16 Palmitoleico 9 cis Noci

18 Oleico 9 cis Olio di oliva

18 Linoleico 9 e 12 cis Olio di girasole

18 Linolenico 9, 12 e 15 cis Pesce e oli vegetali

Grassi animali ed olio

20 Arachidonico 5, 8, 11 e 14 cis di pesce

Si conoscono più di 100 acidi grassi diversi, di cui circa 40 sono molto diffusi. Gli acidi palmitico (C16) e

stearico (C18) sono gli acidi grassi saturi più abbondanti; gli acidi oleico e linoleico (entrambi C18) sono

quelli insaturi più abbondanti. L'acido oleico è monoinsaturo, poiché ha un solo doppio legame; mentre gli

acidi linoleico, linolenico e arachidonico sono acidi grassi polinsaturi, perché nelle loro molecole ci sono più

doppi legami. Gli acidi linoleico e linolenico si trovano nella panna e sono indispensabili nell'alimentazione

umana: i bambini nutriti per lungo tempo con latte scremato manifestano un rallentamento nella crescita e

vanno soggetti a lesioni della pelle. L’acido arachidonico è il precursore delle prostaglandine.

Saponi

Il sapone si conosce almeno dal 600 a.c., quando i Fenici prepararono una sostanza caseosa facendo bollire

grasso di capra in presenza di ceneri di legno. Le proprietà detergenti del sapone non vennero però dovunque

riconosciute e il suo impiego si diffuse soltanto nel Diciottesimo secolo. Dal punto di vista chimico il sapone è

il sale di sodio o di potassio di acidi grassi a lunga catena. Se si tratta un acido carbossilico a lunga catena

(acido grasso) con NaOH o KOH si ottiene il suo sale che è un sapone (come ad esempio il palmitato o

palmitoato di sodio).

Tuttavia, nella pratica i saponi sono ottenuti dall'idrolisi alcalina (saponificazione) dei grassi animali (vedi

trigliceridi).

I saponi presentano il fenomeno della “detergenza”, sono in grado cioè di rimuovere i grassi (l’unto) dagli

oggetti (fibre etc.) grazie alle loro proprietà ambifiliche, essendo capaci cioè di sciogliersi (e di sciogliere) sia

in acqua che nei grassi. L’azione detergente si esplica attraverso la formazione di aggregati molecolari detti

“micelle” all’interno delle quali il sapone ingloba, sciogliendolo, il grasso rimosso dalla fibra (disponendo

65

verso l’interno della micella le code lipofile il sapone crea una fase apolare favorevole alla dissoluzione del

grasso). La parte idrofila del sapone è esposta verso l’esterno della micella a contatto con la fase acquosa. In

questo modo le particelle di unto e le goccioline di olio possono essere rimosse dalla fibra ed eliminate in

acqua col risciacquo. acqua

grasso

micella

Un’altra caratteristica del sapone è la formazione di bolle in acqua, un fenomeno che è legato ad un’altra loro

peculiare proprietà, quella di abbassare la tensione superficiale dell’acqua.

Detersivi. Per quanto siano utili, i saponi hanno anche degli inconvenienti. In acque

2+ 2+ 3+

, Ca e Fe , i carbossilati di sodio solubili si

dure, ricche di ioni metallici come Mg

trasformano nei corrispondenti sali insolubili dei metalli, che vanno a depositarsi, sotto

forma di anelli di schiuma, nelle vasche da bagno e nei lavandini e vanno a ingrigire i

bucati. I chimici hanno aggirato il problema preparando tutta una serie di detergenti

sintetici (i detersivi) tra i quali alcuni sali di acidi alchilbenzensolfonici a lunga catena. Un detergente sintetico

Il principio su cui si basa l'azione dei detersivi è lo stesso dei saponi: la porzione (R= una miscela di

catene C12)

alchilbenzenica della molecola è affine all'unto da rimuovere, l'estremità anionica del

solfonato è affine all'acqua. Tuttavia, a differenza dei saponi, i detersivi non formano

sali metallici insolubili nelle acque dure e quindi non lasciano quei depositi di cui si diceva prima. 66

Lipidi

I lipidi appartengono ad una delle quattro classi principali di biomolecole che sono: lipidi, zuccheri, proteine

ed acidi nucleici.

Il nome lipide deriva dal greco “lipos” (grasso). Si tratta di molecole organiche naturali insolubili in acqua,

isolabili da organismi viventi per estrazione con solventi organici non polari (esano, benzene, etc.). Oltre

all’insolubilità in acqua, hanno anche un’altra caratteristica che li unisce: quella di derivare da un comune

precursore naturale che è l’acetil Coenzima A, un molecola complessa che ha la struttura di un tioestere e che

costituisce la molecola chiave del metabolismo cellulare. Per metabolismo si intende il complesso di reazioni

chimiche di sintesi (anabolismo) e di scissione (catabolismo), che si svolgono in ogni organismo vivente e che

ne condizionano l'accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento.

I lipidi si suddividono in alcune classi qui elencate:

• Trigliceridi: triesteri del glicerolo costituenti dei comuni grassi animali e vegetali con funzione di riserva

energetica e strutturale.

• Fosfolipidi: fosfoesteri del glicerolo costituenti principali delle membrane cellulari e delle fibre nervose.

• Cere: monoesteri di acidi ed alcoli a lunga catena con funzione naturale di protezione (formano il

rivestimento protettivo che ricopre la maggior parte dei frutti, delle bacche, delle foglie e delle pellicce degli

animali

• Steroidi: molecole a struttura policiclica che hanno il ruolo di ormoni sessuali e di regolatori del

metabolismo del glucosio e dei sali minerali.

• Prostaglandine: Molecole complesse coinvolte nei processi infiammatori, regolatori della contrazione della

muscolatura liscia, della secrezione gastrica e dell’aggregazione piastrinica.

• Vitamine: molecole con svariate strutture organiche, con principale funzione di cofattori enzimatici ed altre

ruoli metabolici.

•

I lipidi sono distinti in due classi generali: i) quelli “saponificabili”, come i trigliceridi, i fosfolipidi e le cere,

che, contenendo legami esterei, sono idrolizzabili in ambiente basico e formano i sali degli acidi carbossilici

corrispondenti (i saponi), e ii) quelli “non saponificabili”, come gli steroidi, le postaglandine e le vitamine

che, non possedendo legami esterei, non sono idrolizzabili.

Trigliceridi.

I trigliceridi, o triacilgIiceroIi, sono i triesteri del glicerolo con tre molecole di acidi carbossiici a lunga

catena (gli acidi grassi). Rappresentano i principali grassi animali e vegetali. Quelli solidi (che portano

catene sature) si chiamano grassi, mentre quelli liquidi (formati prevalentemente da acidi grassi insaturi) sono

detti oli e sono più abbondanti nei grassi vegetali.

I tre acidi grassi di una data molecola di triacilglicerolo non sono necessariamente gli stessi, inoltre il grasso o

l'olio ottenuto da una determinata fonte sarà, con ogni probabilità, una miscela di molti triacilgliceroli

differenti. In genere, il primo acido legato al glicerolo è saturo, mentre il secondo ed il terzo sono mono- e

polinsaturi.

glicerolo 67

Le funzioni biologiche sono essenzialmente due: i) strutturali, i grassi hanno infatti funzioni meccaniche e

di termoregolazione, ed ii) energetiche, poiché gli animali usano i grassi per immagazzinare energia a lungo

termine, dato che questi sono molto meno ossidati dei carboidrati e perciò forniscono, a parità di peso, circa

sei volte più energia. L’immagazzinamento energetico avviene nelle lunghe catene dell’acido grasso. Quando

vi è bisogno di energia, i trigliceridi immagazzinati (o provenienti dagli alimenti) rilasciano le catene di acido

grasso per idrolisi catalizzata da enzimi chiamate lipasi.

Saponificazione.

Come già anticipato, i saponi sono ottenuti dall'idrolisi alcalina dei trigliceridi (in particolare quelli rivenienti

dai grassi animali). Questa reazione è nota come saponificazione: per ogni mole di trigliceride si liberano tre

moli di sapone ed una mole di glicerolo.

trigliceride

Questa reazione è generale ed è estendibile a tutti gli esteri. Si effettua trattando a caldo l’estere con una

-

soluzione acquosa di NaOH ( il nucleofilo è OH ). Dal punto di vista meccanicistico. Questo processo

appartiene alla schiera delle reazioni di sostituzione nucleofila acilica. In queste reazioni, analogamente alle

-

S 2, vi è un nucleofilo che funge da gruppo entrante (il gruppo OH , in questo caso) ed un nucleofilo che

N -

funge da gruppo uscente (il gruppo RO ). Il substrato è però un carbonio acilico.

Meccanismo: sostituzione nucleofila di tipo acilico 68

Fosfolipidi

Come le cere, i grassi e gli oli sono esteri di acidi carbossilici, così i fosfolipidi sono esteri dell'acido fosforico,

H PO Esistono due classi principali di fosfolipidi: i glicerofosfolipidi e le sfingomieline.

3 4

I glicerofosfolipidi sono strutturati sull'acido fosfatidico, che ha uno scheletro di glicerolo congiunto da

legami esterei a due acidi grassi e a un acido fosforico. Sebbene i residui di acidi grassi possano essere unità

C12-C20 qualsiasi tra quelle tipicamente presenti nei grassi, il gruppo acilico sul C1 è di solito un gruppo

saturo e quello sul C2 un gruppo insaturo. Il gruppo fosfato sul C3 è a sua volta legato a un amminoalcol,

come la colina, l'etanolammina, o la serina (un amminoacido).

Generica struttura di un fosfolipide

Largamente diffusi nei tessuti animali e vegetali, i fosfolipidi costituiscono dal 50% al 60% delle membrane

cellulari. Dato che essi hanno, come i saponi, una lunga coda idrocarburica apolare e una testa ionica polare,

nelle membrane cellulari i fosfolipidi si organizzano in un doppio strato lipidico avente uno spessore di circa

5,0 nm. Le code apolari si aggregano nella parte centrale del doppio strato, in un modo che ricorda molto da

vicino l'aggregazione delle code dei saponi al centro delle micelle. Il doppio strato costituisce una barriera

efficace al passaggio di acqua, ioni e altre sostanze in entrata o in uscita dalla cellula. testa polare

coda apolare

doppio strato lipidico fosfolipide

della membrana cellulare

Il secondo gruppo di fosfolipidi in ordine di importanza è costituito dalle sfingomieline che sono

particolarmente abbondanti nei tessuti cerebrali e nervosi come principali costituenti del rivestimento delle

fibre nervose. 69

Ammidi

Tra i derivati degli acidi carbossilici i più importanti dal punto di vista biologico sono gli esteri (trigliceridi e

fosfolipidi che abbiamo già incontrato) e le ammidi. Queste ultime, infatti, costituiscono le unità strutturali

delle proteine. Le ammidi si differenziano in tre principali categorie: le ammidi primarie, secondarie e

terziarie. 2

Il carbonio acilico, l’ossigeno e l’azoto sono ibridati sp e perciò giacciono in un solo piano. Particolarmente

importanti sono le ammidi secondarie perché rappresentano lo scheletro base delle proteine. E’ importante

considerare la struttura delle ammidi in quanto, la sua conoscenza ci permette di comprendere la struttura

secondaria delle proteine. Per le ammidi si possono scrivere due forme di risonanza:

2

Essendo il carbonio, l’ossigeno e l’azoto ibridati sp , l’effetto –M dell’ossigeno provoca quello +M

dell’azoto. In tal modo il legame dell’azoto con il carbonio possiede un certo carattere di legame doppio

generando così un azoto con carattere positivo che rende l’idrogeno ad esso legato debolmente acido.

Questo aspetto ha due importanti conseguenze: i) le ammidi primarie e secondarie, avendo carattere acido,

reagiscono con le basi forti come la KOH, e ii) le ammidi sono composti molto polari, formano dei legami

idrogeno molto forti tra l’N-H e l’ossigeno carbonilico di un’altra molecola (quindi hanno p. eb. molto

elevati). Quest’ultimo aspetto è fondamentale nel determinare la struttura secondaria delle proteine.

SINTESI

Reazione tra i cloruri acilici ed ammine (SOSTITUZIONE NUCLEOFILA ACILICA)

Le ammidi si preparano o per reazione dei cloruri acilici con le ammine. Se come ammina si usa

arie arie

l’ammoniaca si ottengono le ammidi 1 , se si usa un’ammina primaria si ottengono le ammidi 2 e con le

arie

ammine secondarie si preparano le ammidi 3 .

Questa reazione, come la saponificazione degli esteri, è nota come sostituzione nucleofila acilica, ed è la

reazione tipica di tutti i derivati degli acidi carbossilici. Nel caso della sintesi delle ammnidi a partire dai

cloruri acilici, la reazione vede come nucleofilo entrante l’ammoniaca (o un’ammina) e come nucleofilo

uscente il cloruro. Dopo l’attacco si forma un alcolato intermedio tetraedrico (come nell’addizione nucleofila

ad aldeidi e chetoni), ma poi avviene l’espulsione del cloruro per dare il prodotto di sostituzione. I cloruri

acilici sono i reagenti migliori perché il cloruro è un ottimo gruppo uscente. 70

Le reazioni di formazione del legame Carbonio-Carbonio

Abbiamo già visto come il gruppo carbonilico delle aldeidi, chetoni, esteri ed ammidi si comporti da

α al

elettrofilo a causa dell’effetto elettron-attrattore (-M) dell’ossigeno. Quest’effetto si riflette sul carbonio in

carbonile rendendo gli idrogeni legati a questo carbonio debolmente acidi come già osservato per la

α sono più acidi per le

tautomeria cheto-enolica. Sperimentalmente si osserva che gli idrogeni sul carbonio

aldeidi e chetoni che non per gli esteri. Pertanto questi idrogeni possono essere strappati da basi opportune

generando un carbanione suscettibile di reazione con il gruppo carbonilico. Tra le reazioni citiamo la

Condensazione Aldolica che interessa le aldeidi e chetoni e le reazioni di Claisen che interessano gli esteri.

La Condensazione aldolica

Se si tratta un’aldeide o chetone con una soluzione acquosa di NaOH si hanno due reazioni. La prima, più

- -

veloce, vede l’addizione reversibile dell’OH al carbonile e la seconda, più lenta, nella quale l’OH agisce da

α.

base strappando un protone al carbonio Per esempio dalla reazione dell'aldeide acetica si ottiene:

Dalla prima reazione si ottiene l’anione di un glicole geminale instabile che si riconverte rapidamente

nell’aldeide di partenza. Dalla seconda, si ha la reazione tra il carbanione ed il gruppo aldeidico con

formazione del legame C-C (anione aldolato) che per reazione con acqua fornisce l’aldolo. Quest’ultimo

α,β-insatura:

subisce disidratazione per dare l’aldeide

In modo simile si comportano i chetoni simmetrici come l’acetone. Tuttavia, i chetoni dissimmetrici, avendo

α

due carboni in al carbonile, per deprotonazione forniscono due carbanioni o enolati diversi e quindi per

α,β-insaturi.

condensazione si ottengono due chetoni

La reazione di Claisen

Questa reazione considera la condensazione tra esteri con un meccanismo simile a quello della condensazione

aldolica. La reazione inizia con la deprotonazione da parte di un alcoolato, preparato dall’alcool come quello

α

presente nell’estere, del carbonio in al carbonile (come per le aldeidi e chetoni). L’acidità degli idrogeni sul

α

carbonio sono dovuti all’effetto elettron attrattore del carbonile. Viene qui riportata la reazione dell’acetato

71

di etile (estere etilico dell’acido acetico). La reazione si effettua sciogliendo l’estere in etanolo contenente

etilato di sodio CH -CH -ONa.

3 2

Anche in questo caso si ha la formazione del legame carbonio-carbonio (indicato in rosso) ma, diversamente

β-chetoestere α,β-insaturo.

dalla condensazione aldolica, si ottiene un e non un’aldeide o chetone Inoltre,

l’equilibrio si sposta verso i prodotti perché il CH tra i due carbonili ha idrogeni più acidi dell’alcool etilico. Il

2

metilene reagendo con l’alcoolato porta all’anione corrispondente spostando così l’equilibrio a destra.

Per la reazione di un estere etilico si utilizza l’etilato di sodio, mentre, per esteri con parte alcoolica diversa si

utilizzano alcoolati diversi. Per esempio, se si usa un estere metilico, l’alcoolato sarà il metilato di sodio. Se si

usa un estere propilico, l’alcoolato sarà il propilato di sodio e così via.

Come già osservato per la condensazione aldolica incrociata, questa era sinteticamente utile solo se una delle

α.

due aldeidi non possedeva idrogeni sul carbonio Anche la reazione di Claisen incrociata segue le stesse

regole. Interessante dal punto di vista sintetico risulta la condensazione di Claisen incrociata tra l’acetato di

α come l’aldeide benzoica. In questo caso si ottiene

etile ed un’aldeide che non possiede idrogeni sul carbonio

α,β-insaturo,

un estere il cinnammato di etile, componente dell’olio di cannella. Infatti, se si sostituisce

Per la reazione di Claisen la scelta della base per deprotonare l’estere è cruciale.

l’alcoolato con un’altra base come NaOH, non si ottiene la condensazione di Claisen ma soltanto la

saponificazione dell’estere (vedi sopra) che porta al sale di sodio dell’acido carbossilico che non può essere

deprotonato dall’alcolato. 72

Ammine

Le ammine sono derivati dell’ammoniaca in cui uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da gruppi alchilici

o arilici. Sono classificate in primarie (1°), secondarie (2°) o terziarie (3°) secondo il numero di atomi di

carbonio direttamente legati all’azoto.

Se all’atomo di azoto sono legati quattro gruppi alchilici o arilici, lo ione risultante è classificato come ione

ammonico quaternario (4°).

Le ammine sono ulteriormente suddivise in alifatiche ed aromatiche. In un’ammina alifatica tutti gli atomi di

carbonio legati direttamente all’azoto derivano da gruppi alchilici, mentre in un’ammina aromatica uno o più

gruppi legati direttamente all’azoto sono gruppi arilici.

Quando l’atomo di azoto entra a far parte di un anello l’ammina è definita eterociclica, e se l’anello è

aromatico si parla di ammina eterociclica aromatica.

Nomenclatura

Il nome delle ammine semplici si forma indicando il nome del gruppo o dei gruppi alifatici legati all’azoto e

ammina (l’ordine dei sostituenti è quello alfabetico). Nella nomenclatura IUPAC,

facendo seguire il suffisso

ammina sostituisce la “o” finale del nome dell’alcano. Quando la struttura è più

invece, la desinenza

complessa si fa precedere la parola ammino al nome della catena principale. 73

Le ammine aromatiche hanno il nome derivante da quello dell’ammina aromatica più semplice, l’anilina.

Struttura e proprietà

La geometria dell’atomo di azoto nelle ammine è trigonale piramidale. L’atomo di azoto

3

sp e si trova al vertice della piramide, mentre i tre gruppi legati ad esso formano

è ibridato non condivisa

la base triangolare della piramide. Considerando anche la coppia di elettroni

come quarto sostituente, allora la disposizione dell’atomo di azoto è approssimativamente

tetraedrica. La coppia di elettroni non condivisa conferisce alle ammine due principali

basicità e la nucleofilicità. Come l’ammoniaca, tutte le ammine

proprietà chimiche: la

sono basi deboli e reagiscono con gli acidi diluiti per formare i corrispondenti sali di

ammonio.

I sali di ammonio reagiscono con le basi forti come NaOH per rigenerare l’ammina:

A causa dell’effetto elettron-donatore dei gruppi alchilici le ammine alifatiche sono leggermente più basiche

dell’ammoniaca (pKb= 3 ÷ 5).

Le ammine sono anche dei buoni nucleofili in grado di dare reazioni di sostituzione S 2, per esempio

N

con gli alogeni alchilici, o reazioni di addizione al carbonile.

Preparazione: ammonolisi degli alogenuri alchilici

Gli alogenuri alchilici reagiscono con ammoniaca, in soluzione acquosa o alcolica, per dare il sale

dell’ammina primaria. Questa reazione di sostituzione nucleofila di tipo SN2, apparentemente semplice e di

elevate potenzialità, soffre di un notevole inconveniente: la formazione di più di una classe di ammine. Infatti,

il sale dell’ammina primaria, prodotto dalla sostituzione iniziale, reagisce con l’ammoniaca formando

l’ammina primaria libera, e questa è un nucleofilo migliore dell’ammoniaca e può reagire anch’essa con

l’alogenuro alchilico per dare il sale dall’ammina secondaria. Questo, a sua volta, può essere deprotonato a

dare l’ammina secondaria libera e quest’ultima può ancora agire da nucleofilo attaccando l’alogenuro alchilico

e formando il sale dell’ammina terziaria. 74

In modo analogo a quanto visto precedentemente, questo sale libera l’ammina 3° che attacca ancora

l’alogenuro formando il sale di ammonio quaternario. In definitiva, se si usano quantità stechiometriche

di reagenti si otterrà la formazione di una miscela contenente tutte le classi di ammine, compreso il sale di

ammonio 4°. Solo operando in notevole eccesso di ammoniaca, rendendo così molto meno probabile

l’incontro tra l’alogenuro e le altre ammine, si riescono ad ottenere rese più elevate in ammina primaria.

Attività biologica: le ammine biogene

Sono definite ammine biogene tutte le basi organiche, dotate di gruppi amminici, che sono reperibili in forma

libera negli organismi viventi. La loro presenza nei tessuti animali e vegetali può essere dovuta a due

principali ragioni:

1. La prima ragione è che esse rappresentano metaboliti intermedi che si formano nel corso della

degradazione biologica di sostanze strutturalmente più complesse. In particolare, derivano dalla

decarbossilazione microbica degli amminoacidi.

Dal momento che questi microrganismi sono comunemente presenti nell'ambiente, le ammine biogene

possono essere contenute in alimenti e bevande. La loro concentrazione è

maggiore nei cibi a rapida deperibilità, soprattutto se fermentati e ricchi di

particolari amminoacidi, come pesci, carni, salumi, succhi di frutta, vino,

cacao, latticini e formaggi. Un'elevata ingestione di queste ammine, specie se

associata a farmaci che inibiscono gli enzimi intestinali deputati al loro

catabolismo, può provocare intossicazioni e conseguenze dannose per

l'organismo. I sintomi più comuni sono l'emicrania, il rossore in viso,

l'orticaria, gli sbalzi pressori, gli attacchi asmatici e le alterazioni della frequenza cardiaca.

Alcune amine biogene, il cui nome è tutto un programma (putrescina, cadaverina che sono diammina

alifatiche), hanno un odore repellente, tale da scoraggiare chiunque fosse intenzionato a consumare gli

alimenti che le contengono in grandi quantità. Altre, come l'istamina (presente nei

pesci, "sindrome sgombroide") e la tiramina (provoca la "sindrome del

formaggio"), non vengono avvertite con il gusto o con l'olfatto ma possono essere

causa di intossicazioni alimentari, perché dotate di azioni psicoattive e/o

vasoattive. Va detto che alcune di esse svolgono un importante ruolo biologico,

come ad esempio l'istamina (derivante dall'amminoacido istidina), che è il più

importante mediatore chimico delle allergie e per questo motivo l'assunzione di

alimenti contaminati con grandi quantità di questa sostanza può provocare gli stessi

sintomi di una reazione allergica. In condizioni normali l'organismo neutralizza le

75

ammine biogene grazie all'azione di particolari enzimi presenti nell'intestino e all'azione detossificante del

fegato.

2. Molte ammine biogene non sono tossiche e la loro presenza in ambito biologico è dovuta al fatto che esse

svolgono importanti funzioni fisiologiche e biochimiche (sia strutturali che come ormoni e neurotrasmettitori)

tra le quali la conduzione degli impulsi nervosi, l’eccitabilità cellulare nel sistema nervoso centrale e

periferico, la regolazione chimica del comportamento e delle risposte emozionali. Esistono numerosi

importanti esempi: i) l’adrenalina, detto "ormone combatti o fuggi", rilasciato in circolo dalla corteccia

surrenale per far fronte ad una situazione di stress dell’organismo (in pochi istanti il cuore aumenta la

frequenza cardiaca, i bronchi, la pupilla ed i vasi sanguigni dei muscoli si dilatano, mentre a livello epatico

viene stimolata la glicogenolisi); ii) la feniletilammina (PEA), conosciuta come "love-drug" (droga

dell'amore) perché in grado di produrre sensazioni come quelle sperimentate quando una persona è

"innamorata" e si pensa sia responsabile degli effetti afrodisiaci che il cioccolato sembra possedere. Infatti la

feniletilammina viene rilasciata nel cervello quando l'individuo sperimenta sentimenti di gioia e amore; iii) la

serotonina, svolge un ruolo importante nella regolazione dell'umore, del sonno, della temperatura, della

sessualità e dell'appetito (ormone dell'umore e del sonno).

1 γ-amminobutirrico,

Importanti neurotrasmettitori sono il GABA (l'acido neurotrasmettitore del SNC) e

l’acetilcolina (neurotrasmettitore del SNC e SNP). Alcune ammine biogene hanno importanti funzioni

strutturali, come ad esempio l'etanolammina e la colina (quest’ultima è un sale di ammonio quaternario) che

compongono i fosfolipidi di membrana.

Adrenalina Feniletilammina Serotonina

GABA acetilcolina etanolammina

colina

1 Un neurotrasmettitore (o "neuromediatore") è una sostanza che veicola le informazioni fra le cellule componenti il sistema

nervoso, i neuroni, attraverso la trasmissione sinaptica. Sono contenuti in vescicole addensate alle estremità distali del neurone

nei punti in cui esso contrae rapporto sinaptico con altri neuroni. Nel momento in cui il neurone viene raggiunto da uno

stimolo, le vescicole sinaptiche riversano il proprio contenuto nello spazio sinaptico e i neurotrasmettitori rilasciati si legano a

recettori o a canali ionici localizzati sulla membrana post-sinaptica. L'interazione fra i neurotrasmettitore e il recettore/canale

ionico scatena una risposta eccitatoria o inibitoria nel neurone post-sinaptico. 76

Carboidrati: mono e polisaccaridi

I carboidrati si ritrovano in tutti gli organismi viventi. Lo zucchero e l'amido degli alimenti, la cellulosa

del legno, la carta e il cotone sono carboidrati praticamente puri. Carboidrati modificati formano parte del

rivestimento che circonda le cellule viventi, altri carboidrati si trovano negli acidi nucleici che sono

responsabili dell'informazione genetica, altri ancora sono impiegati come farmaci.

Il termine carboidrato ha origine storica nel fatto che il glucosio, il primo carboidrato a essere stato ottenuto in

forma pura, avendo formula molecolare C H 0 , era inizialmente considerato un «idrato di carbonio»,

6 12 6

C (H O) . Questo modo di vedere venne ben presto abbandonato, ma il nome rimase. Attualmente il termine

6 2 6

carboidrati è riservato all'ampia classe di poliidrossi aldeidi e chetoni comunemente detti zuccheri o anche

(saccaridi dal latino “saccharum” zucchero). Il glucosio, noto anche come destrosio in medicina, è l'esempio

più familiare.

I carboidrati sono sintetizzati dalle piante verdi con la fotosintesi, un processo molto complesso nel quale la

luce del sole fornisce l'energia per convertire CO e H O in glucosio e ossigeno. La pianta lega poi

2 2

chimicamente tra loro molte molecole di glucosio per immagazzinarle sotto forma di cellulosa o di amido. Si

stima che oltre il 50% del peso a secco della biomassa terrestre, costituita dall'insieme delle piante e degli

animali, consista di polimeri del glucosio. Una volta ingeriti e assimilati col metabolismo, i carboidrati

forniscono agli animali una sorgente prontamente disponibile. In sostanza i carboidrati fungono da

intermediari chimici per mezzo dei quali l'energia solare viene immagazzinata per essere poi usata a tempo

debito a sostegno della vita. luce solare amido e cellulosa

6 CO + 6 H O 6 O + C H O

2 2 2 6 12 6

Classificazione dei carboidrati

I carboidrati vengono distinti in semplici e complessi. Gli zuccheri semplici, o monosaccaridi, sono quei

carboidrati che, come il glucosio e il fruttosio, non possono essere trasformati in molecole di zucchero più

piccole per idrolisi. I carboidrati complessi sono composti da due o più zuccheri semplici legati assieme. Il

saccarosio (il comune zucchero da tavola), per esempio, è un disaccaride costituito da una molecola di

glucosio e una molecola di fruttosio legate tra loro. Il glucosio è il monosaccaride più comune, un altro

monosaccaride di grande importanza e diffusione è il fruttosio, lo zucchero della frutta, che ha la stessa

formula elementare, C H 0 , del glucosio e, quindi, rappresenta un suo isomero strutturale. Analogamente la

6 12 6

cellulosa è un polisaccaride costituito da migliaia di molecole di glucosio tutte legate tra di loro. Per idrolisi

catalizzata da enzimi i polisaccaridi si scindono nei monosaccaride che li compongono.

Monosaccaridi

I monosaccaridi hanno formula generale C H O (o anche C (H O) ), dove n è un numero che va da 3 ad 8, e

n 2n n n 2 n

sono distinti in aldosi (poliidrossialdeidi) e chetosi (polidrossichetoni) a seconda che il gruppo carbonilico sia

quello aldeidico o quello chetonico. Il numero di atomi di carbonio del monosaccaride si indica con

l'appropriato prefisso numerico tri-, tetr-, pent-, es- e così via. Gli zuccheri più semplici sono i due triosi

gliceraldeide e diidrossiacetone che sono rispettivamente un aldotrioso ed un chetotrioso. Quindi, il glucosio

è un aldoesoso perché è uno zucchero aldeidico a sei atomi di carbonio; il fruttosio è un chetoesoso perché è

uno zucchero chetonico a sei atomi di carbonio e il ribosio è un aldopentoso, cioè uno zucchero aldeidico a

cinque atomi di carbonio. La maggior parte dei più comuni zuccheri semplici è costituita da aldopentosi e

aldoesosi. Il modo più semplice ed utile per rappresentarli è quello di usare le proiezioni di Fisher

rispettando la convenzione di scrivere il carbonio carbonilico in alto. 77

La gliceraldeide, l'aldoso più semplice, ha un solo centro chirale sul carbonio 2, pertanto può esistere sotto

forma di due enantiomeri (tra loro immagini speculari), dei quali però soltanto quello a configurazione

assoluta R è presente in natura. Sappiamo, inoltre, che la (R)-gliceraldeide è quella che ruota il piano della

luce polarizzata a destra di +13.5° e la (S)-gliceraldeide, di conseguenza, ruota il piano della luce polarizzata a

sinistra: cioè i due enantiomeri sono rispettivamente la (R)-(+)-gliceraldeide e la (S)-(–)-gliceraldeide. Tutti i

monosaccaridi superiori presenti in natura si ottengono dalla (R)-(+)-gliceraldeide per inserimento di uno o

più gruppi H-C-OH tra il gruppo aldeidico ed il carbonio chirale.

Come conseguenza glucosio, fruttosio, ribosio e praticamente tutti gli altri monosaccaridi di origine

naturale hanno la stessa configurazione R della D-gliceraldeide nel centro chirale più lontano dal gruppo

carbonilico. Allora, nelle proiezioni di Fischer di questi zuccheri naturali, il gruppo -OH dell'ultimo centro

chirale (quello più in basso) sta a destra e perciò si dice che tali composti sono zuccheri della serie D.

Va chiarito che il simbolo D non ha nulla a che vedere con il fatto che il composto sia destrogiro o levogiro,

esattamente come la notazione R,S che di per sé non dà questa informazione.

Degli otto aldoesosi della serie D, i più importanti sono il glucosio, il mannosio ed il galattosio che sono tra

loro diastereoisomeri. In particolare, Il mannosio ed il galattosio sono epimeri del glucosio rispettivamente al

carbonio 2 e 4, dove per epimeri si intendono quei diastereoisomeri che differiscono per la configurazione ad

un solo centro chirale. 78

I chetosi superiori si ottengono dal diidrossiacetone per inserimento di uno o più gruppi H-C-OH tra il gruppo

chetonico ed il CH OH terminale. Il più importante ed ampiamente diffuso in natura è il fruttosio (lo

2

zucchero della frutta). Il glucosio ed il fruttosio sono isomeri strutturali (stessa formula grezza ma atomi

legami in modo diverso). I due isomeri a livello biologico, grazie alla catalisi enzimatica, possono

interconvertirsi per tautomeria cheto-enolica grazie alla formazione di un enediolo intermedio. Questo

processo è fondamentale nel metabolismo del glucosio, senza di esso non potremmo digerire il glucosio

attraverso il processo noto come glicolisi. Amminozuccheri

Un’altra classe molto importante di zuccheri è quella degli amminozuccheri. La glucosammina è il più

importante ed ampiamente diffuso, ed è uno dei principali precursori della sintesi delle proteine glicosilate e

dei lipidi. È uno dei maggiori componente del guscio dei crostacei e di altri artropodi, nei funghi e molti

organismi superiori ed è uno dei più abbondanti monosaccaridi. È prodotto commercialmente dall'idrolisi dei

gusci dei crostacei. La glucosammina è comunemente usata come trattamento per l'osteoartrite.

Struttura ciclica degli zuccheri

Ad eccezione degli zuccheri a tre carboni, la gran parte dei

monosaccaridi esiste prevalentemente in forma di emiacetale

ciclico. Facciamo un passo indietro e ricordiamo che nella

chimica del gruppo carbonilico abbiamo visto che le aldeidi e i

chetoni reagiscono con gli alcoli in una reazione reversibile di

addizione nucleofila che porta a emiacetali.

Se il carbonile e il gruppo ossidrilico fanno parte della stessa molecola, può prendere corpo l'addizione

nucleofila intramolecolare e il prodotto che si forma è un emiacetale

ciclico. Poiché gli emiacetali ciclici a cinque e a sei termini sono

particolarmente stabili, molti carboidrati esistono come miscele di equilibrio

tra una forma aperta e una forma ciclica. Il glucosio, in soluzione acquosa,

esiste prevalentemente come forma piranosica ad anello a sei termini,

ottenuta per addizione nucleofila intramolecolare dell'ossidrile del C5 al

gruppo aldeidico Cl. Il fruttosio esiste prevalentemente nella forma

furanosica pentatomica ciclica, risultante dalla addizione del gruppo ossidrilico del C5 al gruppo chetonico

C2. Il pirano ed il furano sono gli eteri ciclici rispettivamente a 6 e 5 atomi di

carbonio. Il glucosio, dunque, è in realtà presente in natura in forma ciclica con un

anello a 6 termini in cui è presente l’ossigeno. Uno dei modi per rappresentare gli

zuccheri è quello di usare le proiezioni di Haworth, che sono proiezioni di un ciclo a 6

rappresentato in forma planare prospettica. La convenzione da rispettare in queste proiezioni è la seguente: si

OH terminale (C6) è posto

scrive il ciclo a 6 con l’ossigeno intraciclico posto dietro sulla destra, mentre il CH

2

sempre dietro orientato ed orientato a sinistra verso l’alto. Durante la ciclizzazione, il carbonio aldeidico C1,

che è prochirale, subisce l’attacco intramolecolare dell’OH in posizione 5 generando un nuovo centro chirale

sul C1, che viene chiamato carbonio anomerico, nel quale il gruppo OH che si forma potrà essere orientato

79

verso l’alto, perciò dallo stesso lato del CH OH terminale (e si parla di anomero beta), oppure verso il basso

2

(anomero alfa). Esistono, perciò, due glucosi quello alfa e quello beta. Per i gruppi ossidrilici rimanenti vale la

regola che puntano verso l’alto quelli orientati a sinistra nella forma di Fisher, mentre quelli orientati a destra

puntano verso il basso.

Per comprendere come avviene la ciclizzazione e come si arriva alla rappresentazione di Haworth occorre

seguire la ciclizzazione nello spazio. Innanzitutto, occorre effettuare una rotazione tra il C4 ed il C5 sulla

proiezione di Fisher così da portare il CH OH terminale a sinistra e l’OH in C5 in basso. A questo punto si

2

piega la proiezione di Fisher di 90° verso destra, quindi la si immagina ripiegarsi su se stessa verso l’interno

del piano del foglio onde premettere l’attacco dell’OH sul carbonio carbonilico C1. Dopo la chiusura l’OH

che si origina sul C1 darà luogo ai due anomeri.

α β

- e -D-GLUCOPIRANOSIO: CONFORMAZIONI A SEDIA

Forme furanosiche: aldopentosi e chetoesosi

Quando si passa agli aldopentosi come il ribosio e l’arabinosio, la catena è più corta di un atomo di

carbonio. Pertanto, nella ciclizzazione si formerà un anello a cinque, l’anello furanosico, che ha una struttura

simile al ciclopentano con un atomo di ossigeno al posto di un atomo di carbonio. Il meccanismo per la

ciclizzazione e la convenzione per scrivere questi zuccheri è la stessa vista prima. Sono qui rappresentati i due

zuccheri D-ribosio e 2-deossi-D-ribosio presenti negli acidi nucleici. 80

(presente nel DNA)

(presente nel RNA)

Anche nel caso dei chetopentosi l’anello furanosico è quello privilegiato. In questo caso la ciclizzazione

coinvolge sempre il C5, il penultimo carbonio, ma il carbonile che subisce l’attacco è in posizione 2. È il caso

del fruttosio che ciclizza prevalentemente nella forma a 5 termini.

α β

Anomeri e : mutarotazione

Quando un monosaccaride in forma aperta ciclizza per dare una forma piranosica o furanosica, si crea un

nuovo centro chirale in corrispondenza di quello che in origine era il carbonio carbonilico. Si producono due

particolari diastereomeri, detti anomeri e il carbonio emiacetalico si chiama centro anomerico. Per esempio, in

soluzione acquosa il glucosio ciclizza reversibilmente formando una miscela 37:63 dei due anomeri.

L'anomero meno abbondante è quello con il gruppo -OH del Cl in posizione assiale. Esso prende il nome di

anomero alfa (α), ma il nome completo è a-D-glucopiranosio. 1'anomero più abbondante è quello con l' -OH

β-D-

del Cl in posizione equatoriale. Esso prende il nome di anomero beta (β), ma il nome completo è

β

glucopiranosio. Si noti che il -D-glucopiranosio ha tutti i sostituenti dell'anello in posizione equatoriale.

Pertanto esso, tra gli otto D-aldoesosi, è il meno il più stabile e per tale ragione il più diffuso in natura.

α-D-glucopiranosio

È possibile cristallizzare e purificare entrambi gli anomeri del D-glucopiranosio. L' puro

β-D-glucopiranosio

= +112°; il puro ha punto di fusione

ha punto di fusione 146 °C e rotazione specifica [αl D

148 - 155 °C e rotazione specifica [αl = +18,7°. Quando si discioglie in acqua un campione puro dell'uno o

D

dell'altro ano mero, la rotazione ottica cambia lentamente per convergere a un valore finale costante di +52,6.

α

Quindi la rotazione specifica della soluzione dell'anomero diminuisce da + 112,2 a +52,6; quella della

β

soluzione dell'anomero aumenta da +18,7 a +52,6. Questo spontaneo cambiamento della rotazione ottica,

81

α β,

noto come mutarotazione, è attribuibile alla lenta interconversione degli enantiomeri puri, e che porta alla

miscela di equilibrio 37:63 .

La mutarotazione decorre mediante apertura reversibile dell'anello dei due anomeri, per dare la forma

aldeidica a catena aperta e successiva richiusura di quest'ultima. 1'equilibrazione è un processo lento a pH

neutro, ma può essere catalizzato sia da acidi sia da basi.

Proprietà fisiche dei monosaccaridi

• solidi cristallini

• solubili in acqua

• moderatamente solubili in alcoli

• insolubili in solventi apolari

• potere dolcificante (edulcorante): saccarosio (100), glucosio (74), fruttosio (174). Vi sono dolcificanti

sintetici che hanno un potere edulcorante centinaia di volte superiore al glucosio (aspartame, saccarina,

sucralosio ecc.)

Glicosidi

Abbiamo visto che per trattamento di un emiacetale con un alcol in presenza di un catalizzatore acido si

ottiene un acetale

Alla stessa maniera, trattando l'emiacetale di un monosaccaride con un alcole e un catalizzatore acido, si

ottiene il corrispondente acetale, nel quale il gruppo -OH anomerico è stato sostituito da un gruppo -OR. Per

α β.

esempio, la reazione del glucosio col metanolo fornisce una miscela 2:1 di metil-D-glucopiranosidi e

Gli acetali dei carboidrati si chiamano glicosidi e li si denomina individualmente premettendo il nome del

gruppo alchilico e sostituendo la finale -osio dello zucchero con la desinenza -oside. Al pari di tutti gli altri

acetali, i glicosidi sono stabili in acqua; non si trovano in equilibrio con una forma a catena aperta e perciò

non danno mutarotazione. Tuttavia, per idrolisi in ambiente acido, essi ridanno i corrispondenti monosaccaridi

liberi.

I glicosidi sono ampiamente diffusi nel mondo vegetale, dove rappresentano fonti di immagazzinamento

degli zuccheri. L'uomo si serve di tali composti utilizzandoli principalmente in campo farmacologico o come

additivi alimentari. Ecco alcuni esempi:

• glicosidi prodotti dal genere salix sono una fonte di acido salicilico,

• derivati dall'antrachinone presenti in piante come la senna hanno effetto lassativo

• glicosidi cumarinici hanno la proprietà di dilatare le arterie coronariche. 82

• glicosidi digitalici digitossina e digossina furono i capostipite storici dei farmaci antiaritmici.

• glucovanillina è un aromatizzante dolciastro,

• Altre classi di glicosidi sono preminentemente tossici (ad esempio il fenilglicoside che è un glicoside di

difesa di alcune piante o l'amigdalina che è una fonte di cianuro ed è formata da genziobiosio e

mandelonitrile). E’ presente, ed ecco perché bisogna evitarne o perlomeno limitarne l'ingestione, nei semi

di uva, mele e pere, ma anche nel nocciolo della pesca e dell'albicocca.

La formazione di un glicoside determina una maggiore biodisponibilità, idrofilicità e stabilità di sostanze a

carattere lipofilo, come ad esempio gli olii essenziali, permettendo la compartimentazione nel vacuolo e

traslocazione nel citoplasma.

Gli N-glicosidi sono gli analoghi dei glicosidi nei quali vi è un legame tra il carbonio anomerico ed un atomo

di azoto. Per esempio se si fa reagire il D-ribosio con anilina con catalisi acida si ottiene l’N-fenil-D-riboside.

I ribosidi sono di fondamentale importanza a livello biologico perché quelli del ribosio e del deossiribosio

formano i nucleosidi che sono le unità strutturali degli acidi nucleici. Ad esempio l’N-riboside dell’uracile

(una ammnina ciclica) forma il nucleoside uridina.

Reazioni dei monosaccaridi

• Riduzione con NaBH : Trattando un aldoso o un chetoso con boroidruro di sodio, NaBH , si ottiene, come

4 4

prodotto di riduzione, un polialcol detto alditolo. La reazione avviene sulla forma a catena aperta, che è

presente nell'equilibrio aldeide .= emiacetale.

Il D-glucitolo, l'alditolo ottenibile per riduzione del D-glucosio, è un prodotto naturale rinvenibile in molti

frutti e molti tipi di bacche. Sotto il nome di D-sorbitolo trova impiego come dolcificante alimentare al posto

dello zucchero.

• Ossidazione. Sempre la forma aperta degli zuccheri può essere ossidata con comuni agenti ossidanti.

L’ossidazione blanda con Br /H O porta agli acidi aldonici (acido gluconico nel caso del glucosio),

2 2 83

mentre un’ossidazione più energica con acido nitrico porta agli acidi aldarici (acido glucarico nel caso del

glucosio).

I disaccaridi

Abbiamo visto che per reazione dell'emiacetale di un monosaccaride con un alcol si ottiene un glicoside in cui

il gruppo -OH anomerico viene sostituito da un gruppo -OR. Nel caso in cui anche l'alcol sia uno zucchero, il

glicoside che si produce è un disaccaride. I disaccaridi sono composti che contengono un legame (acetalico)

glicosidico tra il carbonio anomerico di una molecola di uno zucchero e il gruppo -OH di una posizione

qualsiasi di un'altra molecola di zucchero. Particolarmente frequente è il legame glicosidico tra il Cl del primo

zucchero e il C4 del secondo; tale legame è noto come legame 1→4. Il legame glicosidico col carbonio

anomerico può essere alfa oppure beta. Con poche eccezioni (saccarosio) anche i disaccaridi danno il

fenomeno della mutarotazione.

Il maltosio, disaccaride ottenibile per idrolisi dell'amido

Maltosio. α

catalizzata dagli enzimi detti -amilasi, è costituito da due molecole

α-D-glucosio α

di legate da un legame l→4-α

-glucosidico. È presente

nei semi germinanti come quelli dell'orzo quando scindono le loro

riserve di amido da utilizzare come nutrimento. La produzione dai

cereali germoglianti, come l'orzo, ha un ruolo importante nella α

Maltosio: legame 1→4-α

-glucosidico

produzione della birra. Quando l'orzo è germogliato, viene portato in

una condizione in cui la concentrazione di amilasi maltogenica è massimizzata. Durante il processo di

macerazione queste amilasi convertono gli amidi del cereale in maltosio. Il metabolismo del maltosio da

parte dei lieviti durante la fermentazione porta quindi alla formazione di etanolo e biossido di carbonio.

disaccaride ottenibile per idrolisi parziale della

Cellobiosio. β-glucosio

cellulosa, è costituito da due moleocle di congiunti

da un legame 1→4-β-glucosidico. Si ottiene per idrolisi parziale

β

della cellulosa da parte delle -glicosidasi. l'assenza, nei

mammiferi, di questi enzimi in grado di effettuare la β

Cellobiosio: legame 1→4-β

-glucosidico

degradazione del legame beta 1-4, rendono non assimilabile il

glucosio proveniente dalla cellulosa e quindi dal cellobiosio.

Solamente i ruminanti ed altri tipi di mammiferi, sono in grado di utilizzare il glucosio della cellulosa, grazie

alla presenza, nel loro sistema digerente, di batteri che rompono tale legame. Noi non possediamo enzimi

si

cellulosi in grado di riconoscere il legame beta glicosidico. (il disaccaride con legame 1→6-β-glucosidico

chiama genziobiosio)

Il saccarosio, il comune «zucchero» da tavola, è probabilmente la

Saccarosio.

sostanza organica più diffusa al mondo in forma pura. Sia che provenga dalla

canna da zucchero (20% in peso), sia che provenga dalla barbabietola (15% in

peso), grezzo o raffinato, lo zucchero da tavola è sempre saccarosio.

α-glucosio

Il saccarosio è un disaccaride formato dall’unione di una unità di ed

β-fruttosio α

una unità di unite da un legame 1→2-α

-glucosidico. Per idrolisi,

fornisce l equivalente di glucosio e l equivalente di fruttosio. Alla α

miscela 1:1 dei due monosaccaridi si dà il nome di zucchero invertito Saccarosio: legame 1→2-α

-glucosidico

84

perché, durante l'idrolisi del saccarosio, il segno della rotazione ottica si inverte passando da [α] = +66,5° del

D

saccarosio a [α] = - 22 ° della miscela glucosio/fruttosio. Alcuni insetti, come le api, dispongono di enzimi,

D

invertasi, che catalizzano la reazione di idrolisi del saccarosio. Il miele, infatti, è essenzialmente una miscela

di glucosio, fruttosio e saccarosio.

A differenza della maggior parte degli altri disaccaridi, il saccarosio non dà luogo al fenomeno della

mutarotazione. Ciò comporta che la sua molecola non abbia gruppi emiacetalici e che le unità di glucosio e di

fruttosio siano entrambe sotto forma glicosidica. Ciò accede perché i due monosaccaridi sono tenuti insieme

da un legame glicosidico tra i due carboni anomerici, il Cl del glucosio e il C2 del fruttosio.

Il lattosio è un disaccaride contenuto principalmente nel latte dei mammiferi (specie umana

Lattosio. β-galattosio β-

compresa). E' formato dall'unione di e

glucosio. Per essere digerito, il lattosio deve

neccessariamente essere scisso in queste due unità più

semplici. La lattasi è un enzima inducibile, presente nel

β

neonato, in grado di idrolizzare il legame -1,4-glicosidico

e scindere, quindi,

del lattosio (β-galattosil-α-glucoside) β

quest'ultimo in galattosio e glucosio. L'inducibilità di tale Lattosio: legame 1→4-β

-galattosidico

enzima può essere persa nel caso di non utilizzo di latte; se un

individuo "perde" completamente il gene che codifica per la lattasi, diventa intollerante al lattosio cioè, il

lattosio, quando ingerito, non viene degradato e non è quindi assimilabile dalle cellule: il lattosio si accumula,

allora, nell'intestino e richiama liquidi. Questa inattivazione del gene che codifica per la lattasi è responsabile

di un disturbo, conosciuto come intolleranza al lattosio, che insorge in seguito all'ingestione di latte o di altri

cibi contenenti lattosio e si manifesta con diarrea, meteorismo ed altri disordini gastrointestinali.

Il galattosio segue il metabolismo del glucosio, dopo che una sua forma attivata viene convertita da un enzima

epimerasi (il galattosio è un epimero sul quarto carbonio del glucosio) ad una forma attivata del glucosio. Il

galattosio è un componente delle glicoproteine del tessuto connettivo che entra nella composizione delle

strutture organiche di supporto e di connessione, quali per esempio i tendini, le cartilagini, i legamenti, la

matrice organica delle ossa, ecc. Negli animali superiori il collagene costituisce oltre 1/3 dell'intero

contenuto proteico dell'organismo.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono carboidrati complessi nei quali decine, centinaia o finanche migliaia di unità di zuccheri

semplici si trovano legate tra loro tramite legami glicosidici. Poiché questi composti hanno gruppi -OH

anomerici liberi solo alla fine di una catena molto lunga, i polisaccaridi non danno apprezzabile

mutarotazione. Cellulosa e amido sono i più diffusi tra i polisaccaridi.

La cellulosa è costituita da alcune migliaia di unità di D-glucosio legate tra loro con legami 1→4-

Cellulosa.

β-glicosidici, come quelli del cellobiosio. Varie molecole di cellulosa possono poi interagire per formare

grandi strutture aggregate, tenute assieme da legami idrogeno. La natura utilizza la cellulosa principalmente

come materiale strutturale per conferire forza e rigidità alle piante. Foglie, erbe e cotone sono fatti

prevalentemente di cellulosa. La cellulosa serve anche come prodotto di partenza per l'acetato di cellulosa,

una fibra artificiale conosciuta col nome commerciale di raion acetato, e per il nitrato di cellulosa, conosciuto

col nome di fulmicotone. Il fulmicotone è il principale componente della polvere da sparo. 85

L'amido e il glicogeno

Patate, mais e grano contengono grandi quantità di amido, un polimero del glucosio nel quale le unità di

come quelli del maltosio. L'amido si può

monosaccaride sono congiunte da legami 1→4-α-glicosidici,

separare in due frazioni: l'amilosio e l'amilopectina. L'amilosio assomma a circa il 20% in peso dell'amido e

L'amilopectina

consiste di varie centinaia di molecole di glucosio legate con legami 1→4-α-glicosidici.

assomma al restante 80% dell'amido e ha struttura più complessa dell'amilosio. A differenza della cellulosa e

dell'amilosio, che sono polimeri lineari, l'amilopectina è caratterizzata da ramificazioni 1→6-α-glicosidiche,

approssimativamente una ogni 25 unità di glucosio. α-glicosidasi,

L'amido è digerito nella bocca e nello stomaco dagli enzimi che catalizzano l'idrolisi dei legami

α-glicosidasi

glicosidici e mettono in libertà le singole molecole di glucosio. Al pari degli altri enzimi, le α-

esercitano un'azione altamente selettiva, nel senso che sono in grado di idrolizzare soltanto i legami

β-glicosidici

glicosidici dell'amido, mentre lasciano inalterati quelli della cellulosa. Per questo l'uomo può

nutrirsi di patate e di grano, ma non di erba e di foglie degli alberi.

Il glicogeno è un polisaccaride che negli animali assolve lo stesso compito di accumulo di energia che

l'amido svolge nelle piante. I carboidrati, assunti con l'alimentazione e che non sono necessari per

un'immediata conversione in energia, vengono trasformati nell'organismo in glicogeno e in questa forma

immagazzinati a lunga scadenza. A somiglianza dell'amilopectina dell'amido, il glicogeno è caratterizzato da

α-glicosidici.

una struttura ramificata complessa, con legami 1→4 e 1→6 Le macromolecole del glicogeno

sono più grandi di quelle dell'amilopectina, raggiungendo anche le 100.000 unità di glucosio, e contengono un

maggior numero di ramificazioni.

Altre attività biologiche degli zuccheri.

Per molti anni i carboidrati sono stati considerati composti la cui unica funzione biologica era quella di servire

da materiali strutturali e fonti di energia. Non c'è dubbio che i carboidrati svolgano in natura questi due

compiti, tuttavia essi svolgono anche molte altre importanti funzioni biologiche. Come osservato in

precedenza, per esempio, i glicoconiugati hanno un ruolo centrale nel processo di riconoscimento tra un tipo e

l'altro di cellule. Corte catene di polisaccaridi, legate con legami covalenti di tipo glicosidico ai gruppi -OH o

–NH2 delle proteine, fungono da segnali biochimici sulla superficie cellulare, come nel caso degli antigeni

dei gruppi sanguigni dell'uomo. 86

AMMINOACIDI, PEPTIDI E PROTEINE

Le proteine compaiono in tutti gli organismi viventi, ne esistono molti tipi diversi, ed esercitano le più svariate

funzioni biologiche. La cheratina della pelle e delle unghie, la fibroina della seta e delle ragnatele e i circa

50.000 enzimi che catalizzano le reazioni biologiche nell'organismo sono tutte proteine. A prescindere dalla

loro specifica funzione, le proteine hanno fondamentalmente una struttura simile e consistono tutte di un gran

numero di amminoacidi legati tra loro in lunghe catene. Gli amminoacidi, come si può facilmente desumere

dal nome, sono composti bifunzionali. Essi contengono sia un gruppo amminico basico sia un gruppo

carbossilico acido.

L’importanza degli amminoacidi come unità costruttive delle proteine, discende dal fatto che essi si possono

legare in lunghe catene formando legami ammidici tra l' - NH di un amminoacido e il -CO H di un altro

2 2

amminoacido. Le catene con meno di 50 amminoacidi sono convenzionalmente classificate come peptidi,

quelle più lunghe come proteine. AMMINOACIDI

Gli amminoacidi sono composti che contengono il gruppo carbossilico ed il gruppo amminico. Sebbene vi

siano alcuni amminoacidi importanti anche di struttura diversa, quelli che hanno maggiore importanza (perché

costituenti delle proteine) sono gli alfa amminoacidi, nei quali il gruppo amminico ed il gruppo carbossilico

sono legati allo stesso atomo di carbonio. La formula generale è la seguente, dove al variare del gruppo R si

ottengono i diversi amminoacidi naturali.

H N CHR COOH

2 α -amminoacido

Proprietà fisiche che si forma attraverso l’equilibrio con la forma

neutra come qui indicato H N CHR

H N CHR COO

COOH 3

2

Gli amminoacidi naturali

α-amminoacidi

Gli naturali costituenti le proteine (chiamati amminoacidi proteici) sono 20. Diciannove dei

venti amminoacidi sono ammine primarie, RNH , dove l'unica differenza è nella catena laterale, ossia nel

2

α.

sostituente legato al carbonio La prolina. invece, è un'ammina secondaria nella quale l'azoto e il carbonio

α fanno parte di un anello pentatomico pirrolidinico.

I 20 amminoacidi comuni possono essere ulteriormente distinti in neutri, acidi o basici, a seconda della

struttura delle loro catene laterali. Quindici su venti hanno catene laterali neutre, due (acido aspartico e acido

glutammico) hanno una seconda funzione carbossilica acida nella catena laterale e tre (lisina, arginina e

istidina) hanno in catena laterale dei gruppi amminici basici. Al pH fisiologico 7,3 esistente all'interno delle

cellule, i gruppi carbossilici delle catene laterali dell'acido aspartico e dell'acido glutammico sono deprotonati

e gli azoti basici della catena laterale della lisina e dell'arginina sono protonati. L'istidina, invece, che ha un

anello eterociclico imidazolico nella sua catena laterale, non è abbastanza basica da essere protonata a pH 7,3.

L'uomo è in grado di sintetizzare soltanto 11 dei 20 amminoacidi delle proteine, definiti amminoacidi non

essenziali. I restanti 9, definiti amminoacidi essenziali vengono biosintetizzati solo nelle piante e nei

non

microrganismi e devono essere assunti con la dieta. Tuttavia, la separazione tra amminoacidi essenziali e

essenziali non è netta. La tirosina, per esempio, a volte è considerata non essenziale, perché l'uomo può

produrla dalla fenilalanina, ma la fenilalanina è essenziale e deve essere assunta con la dieta. L'arginina

87

può essere sintetizzata dall'uomo, ma gran parte di quella di cui abbiamo bisogno proviene dalla nostra

alimentazione. Qui di seguito sono riportati i 20 alfa amminoacidi proteici classificati in base alla

struttura ed alle caratteristiche del gruppo R (riportato in blu):

alifatici CH CH

3 CH CH

3 3 2

CH COOH

H CH COOH CH CH CH COOH CH CH CH COOH CH CH COOH

3 2

CH

CH CH

3

NH NH NH NH NH

3 3

2 2 2 2 2

glicina GLY alanina ALA valina VAL leucina LEU isoleucina ILE

ossidrilici solforati

HO CH CH COOH CH CH CH COOH CH COOH

HS CH CH COOH CH S CH CH

2 3 2 3 2 2

NH OH NH NH NH

2 2 2 2

serina SER treonina THR cisteina CYS metionina MET

ammidici

acidi O

O H N C CH CH CH COOH

HO C CH CH CH COOH H N C CH CH COOH

HO C CH CH COOH 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 NH

NH NH

NH 2

2 2

2 glutammina GLN

ac. glutammico GLU asparagina ASN

ac. aspartico ASP

basici NH N CH CH COOH

H N CH CH CH CH CH COOH H N C NH CH CH CH CH COOH 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 NH

NH NH 2

2 2 N

lisina LYS arginina ARG istidina HIS

H

eterociclici

aromatici CH CH COOH

2

HO CH CH COOH

CH CH COOH COOH

2

2 NH

2

N N

NH

NH H

2

2 H triptofano TRP

tirosina TYR prolina PRO

fenilalanina PHE

Chiralità degli amminoacidi α

+ 2-

Fatta eccezione per quello della glicina, H NCH CO , gli atomi di carbonio degli amminoacidi sono centri

3 2

chirali. Pertanto ciascun amminoacido può esistere sotto forma di due enantiomeri, ma la natura si serve di

uno solo dei due per costruire le proteine. Nelle proiezioni di Fischer gli amminoacidi naturali si

rappresentano col gruppo carbossilico in alto e la catena laterale in basso e poi sistemando il gruppo

α-

amminico a sinistra. A causa della loro somiglianza stereochimica con gli zuccheri della serie L, gli

amminoacidi naturali sono definiti L-amminoacidi. 88

Per quanto riguarda la configurazione assoluta, tutti gli amminoacidi naturali sono della serie L ed hanno

configurazione S. Fa eccezione la cisteina (a causa della priorità dello zolfo) che invece ha configurazione

R.

Punto isoelettrico

In soluzione acida gli amminoacidi si protonano ed esistono prevalentemente in forma cationica. Viceversa, in

soluzione basica gli amminoacidi si deprotonano ed esistono prevalentemente in forma anionica. Perciò deve

esistere un valore intermedio di pH in corrispondenza del quale le due forme, anionica e cationica, si

bilanciano esattamente e l'amminoacido è presente essenzialmente come zwitterione neutro. Tale pH si chiama

punto isoelettrico, pI, dell'amminoacido.

Il punto isoelettrico dipende dalla struttura molecolare dell'amminoacido. I 15 amminoacidi con catena laterale

neutra hanno punti isoelettrici prossimi alla neutralità, nell'intervallo tra pH 5,0 e pH 6,5. I due amminoacidi

acidi hanno punti isoelettrici a pH più bassi, mentre i tre amminoacidi basici hanno punti isoelettrici a pH più

alti.

Così come gli amminoacidi hanno i loro punti isoelettrici individuali, anche le proteine hanno un pI

complessivo, a causa dell'effetto cumulativo di tutti gli amminoacidi acidi o basici che contengono.

Nell'enzima lisozima, per esempio, c'è una preponderanza di amminoacidi basici, pertanto il punto isoelettrico

è alto (pI = 11,0). Al contrario, nella pepsina, c'è una preponderanza di amminoacidi acidi e il punto

isoelettrico è basso (pI= 1.0). Non è sorprendente che le solubilità e le proprietà delle proteine con diversi pI

siano fortemente influenzate dal pH del mezzo. La solubilità in acqua, di solito, è minima in corrispondenza

del punto isoelettrico, dove la proteina non ha una carica netta, ed è più alta sia sopra che sotto il pI, dove la

proteina è carica.

Sintesi degli amminoacidi

Vedremo sia un metodo chimico che il processo biochimico più importante per la sintesi degli amminoacidi.

• Metodo chimico: ammonolisi degli alfa-alogenoacidi

α

Biosintesi degli aa: transamminazione degli -chetoacidi 89

PEPTIDI E PROTEINE

I peptidi e le proteine sono polimeri nei quali i singoli amminoacidi, i cosiddetti residui, sono legati assieme

da legami ammidici, detti legami peptidici. Il gruppo amminico di un residuo forma un legame ammidico

con il carbossile di un secondo residuo; il gruppo amminico del secondo residuo forma un legame ammidico

con il carbossile di un terzo residuo e così via. Per esempio, la glicilalanina è il dipeptide prodotto dalla

formazione di un legame ammidico tra il gruppo carbossilico della glicina e il gruppo amminico della alanina.

legame peptidico

(ammidico) legame peptidico

(ammidico)

O O

O O CH CH

O

3 3

O

H N

2 H N

OH H N H N OH H N OH

2

2 2 2

OH N

H

OH N

(- H O) N

(- H O)

2

2 OH 2

glicina CH

CH H O alanilglicina

H O

3

3 glicina (ala-gly)

alanina

alanina glicilalanina

(gly-ala)

Si noti che per reazione tra la glicina e l’alanina, si possono ottenere due dipeptidi, a seconda di quale sia il

carbossile e quale sia il gruppo amminico che reagiscono. Nel caso in cui sia il gruppo amminico della glicina

che reagisce con il carbossile della alanina, si ottiene la alanilglicina.

La lunga sequenza atomica ripetitiva, -NH-CH-CO-, che costituisce una catena continua forma lo scheletro

della proteina. Per convenzione i peptidi vanno scritti mettendo per primo a sinistra l'amminoacido N-

libero) e a destra l'amminoacido C-terminale (quello col gruppo -

terminale (quello con il gruppo –NH 2

CO H libero). Il nome del peptide si scrive adoperando per ciascun amminoacido le abbreviazioni a tre

2

lettere. Le abbreviazioni a una sola lettera sono più convenienti, anche se meno immediatamente

riconoscibili, delle abbreviazioni a tre lettere.

La struttura del legame peptidico

Il legame ammidico che unisce tra loro i diversi amminoacidi nei peptidi non si differenzia da qualsiasi altro

legame ammidico. L'azoto ammidico non è basico, perché il suo doppietto elettronico non condiviso è

delocalizzato per interazione col gruppo carbonilico. La sovrapposizione dell'orbitale p dell'azoto con gli

orbitali p del carbonile conferisce allegarne C- N un certo carattere di legame doppio che ne ostacola

fortemente la rotazione. Pertanto il legame ammidico è piano e l'N-H è orientato a 180° rispetto al C=O.

Nei peptidi si può avere un secondo tipo di legame covalente quando si viene a formare un legame disolfuro,

RS-SR, tra due residui cisteinici. I disolfuri si formano dai tioli, RSH, per blanda ossidazione e ridanno i tioli

per blanda riduzione.

I legami disolfuro che si instaurano tra residui cisteinici appartenenti a due diverse catene peptidiche legano le

due catene, che altrimenti sarebbero separate, mentre i legami disolfuro tra residui cisteinici appartenenti alla

stessa catena formano degli anelli all'interno della catena. L'insulina, per esempio, è costituita da due catene,

per un totale di 51 amminoacidi, unite da due ponti disolfuro tra residui di cisteina. 90

Struttura delle proteine

Le proteine hanno una organizzazione tridimensionale (struttura) molto complessa a cui è associata

sempre una funzione biologica. Da questa considerazione deriva uno dei dogmi fondamentali della

"Struttura <--> Funzione", nel senso che ad ogni diversa organizzazione strutturale posseduta

biologia:

da una proteina (detta proteina nativa) è associata una specifica funzione biologica. Da questo punto di

vista le proteine possono essere classificate in due grandi famiglie: le proteine globulari e le proteine a

struttura estesa o fibrosa. Queste due organizzazioni riflettono le due grosse separazioni funzionali che le

contraddistinguono:

• Le proteine fibrose come il collagene dei tendini e dei tessuti connettivi e la miosina del tessuto

muscolare, sono costituite da catene polipeptidiche disposte una a fianco dell'altra in lunghi filamenti.

Dal momento che queste proteine sono resistenti e insolubili in acqua, sono impiegate in natura per i

materiali strutturali, svolgendo generalmente funzioni biomeccaniche. Esse rientrano nella costituzione

delle unghie, dei peli, dello strato corneo dell'epidermide, opponendo una valida difesa contro il mondo

esterno.

• Le proteine globulari sono di solito raggomitolate in forme compatte, pressoché sferiche. Queste

proteine sono solubili in acqua e sono mobili all'interno delle cellule. Le proteine globulari sono

coinvolte in specifiche e molteplici funzioni biologiche, spesso di notevole importanza per l'economia

cellulare, sono proteine in maggioranza i circa 3000 enzimi caratterizzati finora, molti ormoni, le tossine,

e gli anticorpi, responsabili della difesa immunitaria. Cibi particolarmente ricchi di proteine sono: carne,

uova, formaggi e legumi.

pesce,

Le proteine sono così grandi che il termine struttura assume un significato più ampio rispetto ai composti

organici più semplici. I chimici, infatti, nel descrivere le proteine, parlano di quattro diversi livelli di struttura:

• La struttura primaria di una proteina altro non è che la sequenza degli amminoacidi.

• La struttura secondaria descrive il modo con cui segmenti della catena proteica si orientano in una

configurazione regolare.

• La struttura terziaria descrive come l'intera molecola proteica si avvolge in una complessiva forma

tridimensionale.

• La struttura quaternaria descrive come diverse molecole proteiche si associano per formare strutture

aggregate di grandi dimensioni.

La struttura primaria determina l’identità della proteina.

α β

Le strutture secondarie più comuni sono quelle ad -elica e a foglietto -pieghettato.

α

Un'α

-elica è una spirale destrorsa della catena proteica, molto simile a una scala a chiocciola. Ogni giro

dell'elica contiene 3,6 residui amminoacidici con una distanza tra le spire di 5,4 À. La struttura è stabilizzata

da legami idrogeno tra i gruppi N-H ammidici e i gruppi C= O distanti quattro residui. L'α-elica è una

α-

struttura secondaria estremamente comune e quasi tutte le proteine globulari contengono molti segmenti

elica. La mioglobina, una piccola proteina globulare contenente 153 residui di amminoacidi in una singola

catena, è un buon esempio. 91

β

Struttura a foglietto -pieghettato

α

Struttura ad -elica

β α-elica

Il foglietto -pieghettato si differenzia dall' in quanto la catena peptidica è completamente estesa

anziché avvolta e i legami idrogeno si instaurano tra residui di catene adiacenti. I peptidi e le proteine possono

contenere locali regioni disordinate, dette random coil (in italiano potrebbe tradursi "avvolgimento casuale”).

Come indica il nome, i peptidi e le proteine in random coil non mostrano alcuno schema distinguibile nelle

loro conformazioni. β

Anche se sono note altre conformazioni per i peptidi, l'α-elica e il foglietto sono le più comuni. Alcuni

α

peptidi e proteine esistono interamente in una sola conformazione. Per esempio, le -cheratine, le proteine

α

più abbondanti dei capelli e della lana, sono presenti nella conformazione ad -elica. In queste proteine,

α-eliche

diverse sono avvolte una attorno all' altra per formare delle "corde molecolari." Queste strutture

hanno una considerevole resistenza fisica. Al contrario, la fibroina della seta, la fibra secreta dal baco da seta,

β

adotta una conformazione a foglietto pieghettato . Nonostante questi esempi, le proteine che contengono un

singolo tipo di conformazione sono relativamente rare. α-elica β

Piuttosto, la maggioranza delle proteine consiste di regioni ad e a foglietto separate da brevi regioni

random coil. Si hanno cioè diversi motivi, cosicché, nel complesso, essa è formata da strutture più piccole,

relativamente ordinate, connesse da brusche curvature. L’assetto completo della struttura tridimensionale delle

proteine è detto struttura terziaria. Le forze che determinano la struttura terziaria sono le stesse forze che

agiscono su tutte le molecole, indipendentemente dalla grandezza, per assicurare loro la massima stabilità.

Particolarmente importanti sono le interazioni idrofile (che amano l'acqua) delle catene laterali polari di

amminoacidi acidi o basici e le interazioni idrofobe (che odiano l'acqua) delle catene laterali non polari. Gli

amminoacidi acidi o basici con catene laterali cariche tendono ad accumularsi all'esterno della proteina. Al

contrario i gruppi non polari tendono a disporsi verso l’interno.

Per stabilizzare la struttura terziaria di una proteina sono anche importanti la formazione di ponti di solfuro

tra residui di cisteina, la formazione di legami idrogeno tra residui di amminoacidi adiacenti e le attrazioni

ioniche, dette ponti salini, tra siti carichi positivamente e negativamente di varie catene laterali

amminoacidiche all'interno della proteina. Questi tipi di forze stabilizzanti sono riassunti nella figura. 92

La struttura quaternaria è l'organizzazione spaziale di più molecole proteiche in complessi multi-subunità.

Le proteine, uguali o diverse tra loro, assumono ciascuna la propria struttura terziaria, ma possono

organizzarsi in strutture ancora più complesse interagendo tra loro: le interazioni possono essere legami deboli

come legami idrogeno e forze di Van der Waals, oppure forti ossia ionico o covalente. La prima, storica,

proteina di cui è stata dedotta la struttura quaternaria è stata l'emoglobina che è composta da quattro sub-

unità; una volta che esse sono state soggette a ripiegamento e hanno assunto la struttura terziaria, si associano

a due a due (formando cioè due dimeri); i due dimeri a loro volta interagiscono tra loro tramite molteplici

legami deboli e formano così un tetramero: la definitiva struttura quaternaria dell'emoglobina.

Denaturazione

La struttura definitiva in vivo di una proteina, detta stato nativo, è il risultato di un bilancio delicato fra forze

attrattive e forze repulsive tra il biopolimero e l'ambiente acquoso che lo circonda. Qualsiasi cosa venga ad

alterare questo bilancio può portare a distruggere tutto quanto si è realizzato tranne la struttura primaria del

polipeptide stesso. Tale perdita del dettaglio strutturale è chiamata denaturazione. A seconda dell'entità

dell'alterazione e della particolare proteina coinvolta, la denaturazione può essere sia reversibile che

irreversibile. Un esempio classico dell'ultimo tipo di trasformazione è la coagulazione del bianco d'uovo

quando si cuoce un uovo. In tal caso l'albumina dell'uovo (una proteina) è denaturata termicamente.

La denatura zio ne può essere ottenuta (a) aumentando la temperatura, (b) variando il pH dell'ambiente, (c)

aggiungendo agenti ossidanti o riducenti (che distruggono i legami -S-S-), (d) facendo intervenire sostanze

detergenti (che disturbano le interazioni idrofobiche fra l'acqua e la proteina), (e) aggiungendo un efficace

accettore di legami d'idrogeno (ad esempio urea) o (f) mediante disturbi di tipo fisico (vibrazioni

ultrasoniche). 93

Cenni sul metabolismo e sull'energia biochimica

L'insieme delle reazioni che avvengono nelle cellule degli organismi viventi prende il nome di metabolismo. I

processi attraverso i quali le molecole di grandi dimensioni vengono degradate a molecole di dimensioni più

piccole si chiamano catabolici e di regola sviluppano energia. I processi attraverso i quali le molecole piccole

vengono assemblate per la sintesi di biomolecole più grandi si chiamano anabolici e di solito assorbono

energia. Il catabolismo può essere suddiviso in quattro fasi.

Nella prima fase catabolica, detta digestione, il cibo è degradato nella bocca, nello stomaco e nell'intestino

tenue dall'idrolisi dei legami esterei, acetalici (glicosidici) e ammidici (peptidici), con formazione di acidi

grassi, zuccheri semplici e amminoacidi. Queste piccole molecole vengono quindi assorbite dalle cellule e

ulteriormente degradate durante la seconda fase del catabolismo, per dare gruppi acetilici legati con un legame

tioestereo a una molecola carrier di coenzima A di grandi dimensioni. Il composto risultante, l'acetiI co

enzima A (acetiI CoA), è una sostanza chiave per il metabolismo.

In seguito l'acetiI CoA entra nella terza fase del catabolismo, il ciclo dell'acido citrico, dove viene ossidato a

CO . Come nella maggior parte delle ossidazioni, durante questa fase vengono rilasciate grandi quantità di

2

energia, che sarà utilizzata nella quarta fase, la catena di trasporto elettronico, dove si forma adenosina

trifosfato, ATP. L'ATP è stata definita la «valuta energetica» della cellula. Le reazioni cataboliche comprano

ATP utilizzando l'energia che viene rilasciata nella sua sintesi dall'adenosina difosfato (ADP) più ione

-

. Dopo di che le reazioni anaboliche, spendono ATP, trasferendo un gruppo fosfato a

idrogenofosfato, HPO4

un'altra molecola, e rilasciano energia rigenerando ADP. La produzione e l'uso di energia, pertanto, ruotano

attorno all'interconversione ATP = ADP.

Quasu tutte le reazioni cellulari e i processi dell’organismo che richiedono energia vengono alumentati dalla

conversione ATP=ADP. Tra essi vi sono: trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione muscolare, i

trasporti attraverso le membrane, la sintesi proteica, la divisione cellulare etc. 94

GLI ETEROCICLI AROMATICI

Gli eterocicli sono molecole cicliche composte da atomi di carbonio e contenenti uno o più atomi diversi dal

carbonio come per esempio il tetraidrofurano e non sono planari. Gli eterocicli aromatici invece sono

composti planari e contengono un numero di elettroni p che soddisfa la regola di Hückel. Possono essere più o

meno reattivi del benzene alle SNAr. Sono presenti in molti composti naturali importanti quali le vitamine B1,

B6, B12 gli acidi nucleici DNA e RNA e le porfirine.

Gli eterocicli aromatici sono pentatomici, esatomici semplici o condensati con altri anelli aromatici.

Eterocicli pentatomici

Pirrolo.

Il pirrolo è un eterociclico aromatico pentatomico con un eteroatomo

rappresentato dall’azoto. A temperatura ambiente è un liquido

giallo, infiammabile, dall'odore tenue. È insolubile in acqua,

ma è solubile in etanolo e nei più comuni solventi organici. La

molecola del pirrolo è ciclica e planare, con tutti e cinque gli

atomi ibridati sp2, rispetta la regola di Huckel avendo 6

elettroni condivisi negli orbitali p dei cinque atomi: perciò è

aromatico. Essendo il doppietto elettronico dell'azoto impegnato nell'anello aromatico, questi non è

disponibile per essere ceduto a specie acide, quindi il pirrolo mostra una basicità molto bassa.

L’atomo di azoto contiene un doppietto nell’orbitale p ed esercita il proprio effetto +M donando la coppia

agli atomi di carbonio dell’anello. Ciò può essere messo in evidenza con delle forme di risonanza. Il

pirrolo sarà perciò più reattivo del benzene verso la S Ar.

E

Il pirrolo è ampiamente presente in natura in varie molecole

biologicamente attive:

1. forma dei macrocicli aromatici composti da quattro

anelli pirrolici chiamati porfirine che, variamente

++

sostituite, complessano ioni metallici come il Mg per

++

formare la clorofilla, lo ione Fe per formare l’eme

3+

presente nell’emoglobina o il Co per formare la

vitamina B . L’emoglobina è formata da una porzione

12

proteica detta globina e un complesso ferro/porfirina

detto eme. L’atomo di ferro deve essere nello stato di

Fe(II) perché possa legare l’ossigeno. I gruppi emici che

contengono Fe(III) non sono in grado di legarlo.

L’emoglobina contiene 4 gruppi emici. La mioglobina

contiene un gruppo emico e agisce come accumulatore di ossigeno nel tessuto muscolare. 95

2. E’ presente, fuso con l’anello benzenico, nell’eterociclo a nuclei condensati dell’indolo che forma

il triptofano, uno dei 20 amminoacidi proteici e naturalmente le ammine biogene che da esso si

originano come triptamina e serotonina.

3. L’eterociclo saturo del pirrolo, la pirrolidina, è presente nell’amminoacido proteico prolina

Furano e tiofene

Il furano ed il tiofene hanno una struttura simile

a quella del pirrolo ma in questi due eterocicli

l’ossigeno (o lo zolfo che appartiene lo stesso al

VI gruppo) possiedono due coppie di elettroni

che sono dislocate in due tipi diversi di orbitali.

Anche per furano e tiofene valgono le strutture

in risonanza che dimostrano che l’anello è

attivato per la SEAr.

Il furano è presente in natura sotto forma del suo anello saturo, il tetraidrofurano, che rappresenta lo

scheletro degli zuccheri pentosi (scheletro furanosico).

Imidazolo

L' imidazolo è un eterociclico con due eteroatomi

rappresentati da due atomi di azoto in posizione

reciproca 1,3. A temperatura ambiente si presenta come

un solido da incolore a giallo dall'odore di ammina. È un

composto nocivo, corrosivo. Presenta carattere

aromatico poiché è ciclico planare con 6 elettroni p.

Caratteristica è la distribuzione degli elettroni p che nei

due atomi di azoto è differente. L'azoto 1 (quello a cui è legato anche un idrogeno) condivide il suo

doppietto elettronico con il sestetto aromatico nella delocalizzazione. L'altro azoto, il numero 3, non

condivide il suo doppietto nella delocalizzazione, ma la coppia non

condivisa è allocata in un orbitale ibrido coplanate con l’anello e risulta

quindi disponibile per gli acidi.

L’imidazolo è un eterociclo abbondante in natura.

1. E’ il componente dell’amminoacido proteico istidina. La diversa istidina

ibridazione sp2 dei due azoti fa sì che l’azoto 1 abbia carattere

debolmente acido mentre l’azoto 3 ha carattere debolmente basico. La presenza di queste

caratteristiche rende l’anello dell’imidazolo un composto anfotero e quindi un catalizzatore

bifunzionale. Queste proprietà sono utilizzate sia dagli enzimi che catalizzano le reazioni di idrolisi

delle proteine, le proteasi, per dare gli ammino acidi sia quelle di idrolisi dei

lipidi, le lipasi, che sono ricchi di istidina.

2. L’amminoacido istidina rilascia per decarbossilazione l’istamina, la molecola che

provoca numerosi effetti fisiologici come dolore, prurito, infiammazione etc.

durante i fenomeni allergici. In questi casi le IgE (immunoglobuline che istamina

sono anticorpi) si legano a recettori localizzati sui mastociti (recettori H1 ed

H2) provocandone la liberazione di istamina. Questa, a livello bronchiale provoca broncospasmo, a

livello cutaneo reazioni orticarioidi e in generale vasodilatazione che, in alcuni

casi, può portare al collasso. Gli effetti anche gravi dell’istamina sono

combattuti dai farmaci antistaminici con effetto bloccante sui recettori H1 che

sono quelli che mediano la maggior parte dei sintomi presenti nei disturbi purina

allergici. 96

3. L’imidazolo lo si ritrova anche condensato con la pirimidina a formare le purine, componenti

fondamentali degli acidi nucleici.

Tiazolo

Il tiazolo è un eterociclico aromatico con due eteroatomi

rappresentati da un atomo di azoto ed uno di zolfo in

posizione reciproca 1,3. È un liquido infiammabile,

incolore leggermente

tendente al giallo con un

odore che ricorda la

piridina. Il tiazolo è

utilizzato per la fabbricazione di biocidi, funghicidi, farmaci e coloranti.

L’ibridazione e la struttura elettronica dei due eteroatomi ricalca quella

tiamina dell’imidazolo. Come sale di tiazolio costituisce uno dei due eterocicli che

formano la vitamina B1 chiamata tiamina, di fondamentale importanza nel metabolismo del glucosio,

perché è il cofattore enzimatico che presiede la trasformazione dell’acido piruvico in acetil CoA.

L’assenza di questa vitamina provoca il Beri-beri.

Eterocicli esatomici

I due eterocicli esatomici più importanti sono la Piridina e la Pirimidina.

Piridina

La piridina è un composto eterociclico aromatico

esatomico con un atomo di azoto. A temperatura

ambiente si presenta come un liquido incolore dallo

sgradevole odore caratteristico. Può considerarsi

simile al benzene con un carbonio sostituito

dall’azoto. L’assetto elettronico prevede l’ibridazione

sp2 per tutti gli atomi con l’azoto che partecipa al

sestetto aromatico con un solo elettrone, mantenendo una coppia non condivisa fuori dall’anello

disponibile per gli acidi. Ciò conferisce alla piridina le sue proprietà basiche. L’azoto esercita il proprio

effetto –M disattivando l’anello verso le SEAr, come si può dimostrare scrivendo le forme di risonanza.

La piridina è presente nel mondo biologico dove svolge fondamentali attività:

1. Nella vitamina B6, chiamata piridossale

(perché porta un gruppo aldeidico in

posizione 4; svolge la funzione di cofattore

nelle transamminasi, gli enzimi coinvolti

nel metabolismo degli amminoacidi.

2. Come sale di piridinio è uno dei due

+ e il prodotto

eterocicli che formano il NAD +

Vitamina B6 nicotinammide (NAD )

di riduzione NADH. Queste molecole sono

impegnate nei processi ossido-riduttivi cellulari. In particolare come nicotinammide che deriva

dall’acido nicotinico nota come vitamina B3, la cui carenza provoca la pellagra. Un esempio di

+ è mostrato qui sotto nell’ossidazione di un alcole a chetone:

azione del NAD 97

+

NAD (forma ox) NADH (forma rid)

Pirimidina

La pirimidina è un composto eterociclico aromatico esatomico con due atomi di azoto in posizione

reciproca 1,3. L’assetto elettronico dei due atomi di azoto è identico a quello dell’azoto piridinico.

L’anello è perciò fortemente disattivato alla SEAr. La pirimidina variamente sostituita è l’eterociclo

presente nel DNA ed RNA a formare tre delle 5 basi azotate: la timina, l’uracile e la citosina.

Eterocicli condensati

Tra gli eterocicli condensati molto importanti sono quelli derivati dalla Purina, un eterociclo condensato

formato da Pirimidina ed Imidazolo, che costituiscono due delle 5 basi azotate del DNA e RNA: Adenina

e Guanina. Un cenno merita l’Indolo che costituisce la parte eterociclica dell’ammino acido Triptofano.