Biochimica

Le macromolecole biologiche nella cellula

Zuccheri (glucidi)

I carboidrati sono composti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono rappresentati dal rapporto stechiometrico C_n(H₂O)_n. I carboidrati più piccoli, detti anche zuccheri semplici, rappresentano le unità strutturali di base, che possono unirsi e formare carboidrati più complessi.

Tipi di carboidrati

• Monosaccaridi: sono caratterizzati da una struttura chimica ben definita;

a) Un gruppo funzionale carbonilico, che può essere aldeidico (-CHO) o chetonico (>C=O), a seconda che si trovi, rispettivamente, posizionato sul primo o sul secondo atomo di carbonio; almeno due gruppi funzionali alcolici >CHOH;

- Sono molecole costituite da un numero variabile di atomi di carbonio compreso tra tre e sette (n=3: gliceraldeide, ribosio, glucosio), Triosi; n=4; Tetrosi; n=5 Pentosi; n=6 Esosi; n=7 Eptosi. Il glucosio è il monosaccaride cui spetta un ruolo centrale tra le fonti di energia della cellula.

In soluzione acquosa, i pentosi e gli esosi assumono, per reazione intramolecolare tra il gruppo carbonilico ed il gruppo ossidrilico, una forma ciclica ad anello.

Una volta che si è costituito l’anello, il gruppo –OH derivante dal gruppo aldeidico e legato al C-1 può trovarsi al di sopra oppure al di sotto del piano dell’anello; da una stessa molecola di glucosio derivano pertanto due isomeri geometrici (anomeri). Se l’–OH del C-1 si trova sotto l’anello si chiama anomero alfa; se viceversa l’–OH del C-1 si trova sopra l’anello si chiama anomero beta. In genere è la forma alfa ad essere riconosciuta e metabolizzata dai sistemi biologici.

• Disaccaridi: il gruppo carbonilico, in questo caso, oltre a dare il legame intramolecolare che porta alla formazione dell’anello, forma il secondo legame acetalico con l’ossidrile di un altro monosaccaride. Quindi due monosaccaridi con un legame glicosidico si uniscono con perdita di una molecola di acqua. Data la natura polare e le piccole dimensioni, monosaccaridi e disaccaridi sono solubili in acqua (si formano legami idrogeno fra i loro gruppi ossidrilici e l’acqua).

• Polisaccaridi: per immagazzinare energia a lungo termine e tenerla di riserva, le cellule accantonano polisaccaridi contenenti solo glucosio, soprattutto glicogeno negli animali (importante sostanza di riserva nei muscoli e nel fegato) e nelle piante l’amido (Polimero del glucosio costituito da amilosio ed amilopectina).

L’amido è costituito da amilosio (20-30%) e l’amilopectina (70-80%). Il primo consiste in una catena lineare avvolta a spirale, dove le molecole di glucosio sono unite tra loro con legami esclusivamente alfa (1=>4); la seconda invece è ramificata con catene lineari formate da legami identici all’amilosio, ed ogni 20-30 residui il legame alfa (1=>6) introduce una diramazione. Il glicogeno è molto simile all’amilopactina, ma le ramificazioni sono assai più frequenti e la molecola è più compatta.

Il grado di ramificazione ha una notevole importanza fisiologica; enzimi specifici del fegato sono deputati a degradare il glicogeno di riserva, staccando le molecole terminali di glucosio (la ramificazione permette la ramificazione contemporanea di un maggior numero di molecole ed una rapida risposta alla richiesta di energia). Anche la cellulosa è un polimero terminale del glucosio, ma differisce dai precedenti per il tipo di legame beta che le conferisce una struttura fibrosa ed una funzione strutturale. I polisaccaridi di grandi dimensioni sono insolubili in acqua.

Funzione degli zuccheri

Produrre ed immagazzinare energia e ruolo strutturale (cellulosa), ruolo di riconoscimento (glicoproteine).

I lipidi

Tutti i lipidi sono costituiti da C, H e O (carbonio, idrogeno e ossigeno), anche se rispetto ai carboidrati l'ossigeno è presente in quantità minore. I lipidi non sono solubili in acqua ma lo sono in solventi non polari. Esistono diverse classi di lipidi:

• Acidi grassi: sono acidi carbossilici, per la maggior parte costituiti da un numero pari di atomi di carbonio, in genere da quattro a ventiquattro CH₃-(CH₂)_n-COOH (forma sintetica R-COOH).

A pH fisiologico si trovano nella forma ionizzata R-COO^-. La catena idrocarburica, indicata genericamente con R, è lineare e può essere satura (senza doppi legami) o insatura (monoinsatura = un doppio legame; polinsatura = più doppi legami). In ogni caso il doppio legame si trova nell’isomeria cis e questo ha importanti implicazioni strutturali e funzionali. Il carattere apolare della lunga catena idrocarburica prevale sul carattere polare del gruppo carbossilico e quindi nell’insieme la molecola risulta insolubile in acqua, da cui il nome di acido grasso. Essi, inoltre, si possono trovare liberi, ma per lo più si trovano in forma legata nei trigliceridi e nei fosfolipidi, sotto forma di esteri del glicerolo.

Alcuni esempi di acidi grassi:

• Saturi: CH₃-(CH₂)₁₄-COOH => acido palmico presente nei grassi animali e vegetali.
• Monoinsaturi: l’acido oleico è il più abbondante acido grasso presente sia nei grassi animali che vegetali (tipico dell’olio d’oliva).
• Polinsaturi: di questi l’acido linoleico e linolenico si trovano soltanto nei grassi vegetali. Gli animali non sono in grado di sintetizzarli e perciò devono essere necessariamente assunti con la dieta (si dicono pertanto acidi grassi essenziali).

Essendo essenziali certi acidi grassi insaturi, quest'ultimi si classificano anche in base alla loro appartenenza a determinati processi metabolici in:

• Omega-3 quando l'ultimo doppio legame è presente sul terzo carbonio a partire dalla fine (p. e. acido linolenico C 18:3);
• Omega-6 quando l'ultimo doppio legame è presente sul sesto carbonio a partire dalla fine (p. e. acido linoleico C 18:2);
• Omega-9 quando l'ultimo doppio legame è presente sul nono carbonio a partire dalla fine (p. e. acido oleico C 18:1).

Gli acidi grassi saturi e gli acidi grassi trans-insaturi hanno struttura lineare, e questo permette un loro “impacchettamento”; come risultato macroscopico i trigliceridi che li contengono sono solidi a temperatura ambiente (grassi propriamente detti).

I principali lipidi sono i trigliceridi, costituiti da una molecola di glicerolo e 3 molecole di acidi grassi.

• Trigliceridi: contengono una molecola di glicerolo esterificato e tre molecole di acido grasso. Gli acidi grassi legati sono generalmente diversi (acido grasso saturo in posizione 1 ed acido grasso insaturo in posizione due). Sono composti neutri completamente apolari. Costituiscono la maggior parte dei lipidi assunti con la dieta. Nel nostro organismo rappresentano la più importante riserva di energia. Altre funzioni: protezione termica e meccanica.

• Fosfolipidi: in questi la presenza del fosfato che ha carica negativa e l’eventuale presenza dell’amina caricata positivamente, rendono il fosfolipide un composto anfipatico, con una parte polare idrofila ed una parte idrofobica (costituita dal glicerolo e dai due acidi grassi). Il fosfolipide è quindi in grado di interagire sia con composti apolari che con composti polari (come l’acqua). Sono i principali costituenti delle membrane cellulari.

Alcuni tipi:

• Fosfogliceridi: due ossidrili (-OH) del glicerolo sono esterificati con altrettante molecole di acidi grassi, mentre il terzo è esterificato con acido fosforico (Gruppo PO₄^2-) che a sua volta può essere legato da altri gruppi polari.
• Sfingofosfolipidi: il glicerolo è sostituito dalla sfingosina legata ad un acido grasso e ad un gruppo fosfato che può legare altre molecole come la colina. I più importanti sono la sfingomielina ed il cerebroside, che costituiscono la mielina (che avvolge e protegge gli assoni dei neuroni).

Funzioni: ruolo strutturale nelle membrane cellulari; ruolo nel trasporto plasmatico dei lipidi; precursori di regolatori metabolici.

• Terpeni e steroidi:

Terpeni: lipidi che non contengono acidi grassi e derivano dalla polimerizzazione di un idrocarburo a cinque atomi di carbonio (isoprene).

Da un punto di vista metabolico, anche l’isoprene, analogamente all’acido grasso, viene sintetizzato a partire da un’unità a due atomi di C, l’acetil Coenzima A.

Steroidi: il colesterolo, un terpene ciclico costituito da cinque anelli, è il capostipite della classe degli steroidi. È una struttura debolmente anfipatica, in quanto contiene un gruppo polare –OH, il quale può essere esterificato da un acido grasso e la molecola derivata è completamente apolare. Il colesterolo è sintetizzato esclusivamente dagli animali; le piante sintetizzano altri steroidi denominati fitosteroli.

Funzioni: ruolo strutturale nelle membrane cellulari (modulatore della fluidità delle membrane); funzione metabolica come precursore di acidi biliari, ormoni steroidei, vitamina D.

Proteine

Sono polimeri di amminoacidi:

• Gruppo amminico
• Gruppo carbossilico

Gli alfa-amminoacidi contengono sia il gruppo aminico che quello carbossilico, entrambi legati allo stesso atomo di carbonio, indicato come carbonio alfa. Il carbonio alfa ha quattro costituenti: il carbossile (-COOH), il gruppo aminico (-HN₂), l’idrogeno (-H) (parte identica per tutti gli aminoacidi) e la catena laterale R, diversa e caratteristica in ciascun aminoacido.

Al pH fisiologico, il gruppo carbossilico si trova dissociato come –COO^- ed il gruppo aminico come –NH₃⁺. In base alle caratteristiche chimiche del gruppo R e pH fisiologico, i 20 alfa-aminoacidi possono essere classificati in non polari, aromatici, carichi positivamente, polari, carichi negativamente.

Gli aminoacidi si legano covalentemente fra di loro tramite legame amidico fra il gruppo alfa-carbossilico del primo aminoacido ed il gruppo alfa-aminico dell’aminoacido successivo. Il legame viene anche definito legame peptidico e comporta la perdita di una molecola di acqua. Dal legame successivo di diversi aminoacidi si forma una catena polipeptidica lineare.

Sequenze di amminoacidi possono strutturarsi in alfa-eliche o foglietti beta che costituiscono la struttura secondaria di una proteina. Le interazioni tra gruppi laterali di aminoacidi, anche distanti nella sequenza, provocano un ripiegamento della catena polipeptidica che assume una struttura tridimensionale globulare.

I gruppi laterali R assumono legami deboli che possono essere:

• Ionici, se un gruppo con carica negativa interagisce con un gruppo con carica positiva;
• Idrogeno;
• Interazioni di van der Waals tra gruppi idrofobici laterali degli aminoacidi apolari; queste interazioni sono deboli ma comunque importantissime in quanto gli aminoacidi idrofobici si dispongono all’interno della proteina globulare contribuendo al suo ripiegamento in ambiente acquoso. Viceversa, nelle proteine di membrana, gli aminoacidi apolari si trovano sulla superficie poiché la proteina assume la propria forma in un ambiente idrofobico;
• Ponte disolfuro: si forma per ossidazione dei gruppi sulfidrilici di due residui di cisteina anche molto distanti fra loro nella sequenza polipeptidica. Costituisce l’unico altro legame covalente, oltre al legame peptidico, presente tra gli aminoacidi delle proteine e contribuisce alla stabilità della struttura terziaria.

La struttura quaternaria consiste nel fatto che molte proteine sono polimeriche, costituite da due o più catene polipeptidiche (dette subunità) le cui interazioni sono dette deboli. Tuttavia questi legami deboli (della struttura terziaria e quaternaria) sono fondamentali in quanto rendono la proteina strutturalmente mobile e fluttuante in quanto possono essere rotti e riformati al variare delle condizioni ambientali della cellula con conseguenze essenziali sulla funzione.

Cambiamenti conformazionali sono alla base di numerosi meccanismi di regolazione delle diverse attività delle proteine. Conseguenze fisiologiche consistono nel fatto che la cellula è in grado di regolare il proprio metabolismo modificando la conformazione di proteine già esistenti. L’altro meccanismo con cui la cellula regola il proprio metabolismo è la modulazione della concentrazione di specifiche proteine; in questo caso la cellula agisce al livello dei meccanismi di sintesi proteica e/o di degradazione della proteina. Questo meccanismo è più dispendioso da un punto di vista energetico e meno immediato; ha però il vantaggio di permettere un controllo più preciso della concentrazione delle proteine.