Biochimica

Biochimica dei carboidrati

I carboidrati sono le strutture maggiormente presenti sulla Terra. Amido e saccarosio sono i principali zuccheri assunti tramite la dieta dall'uomo e sono la principale fonte energetica per le cellule non fotosintetiche. È possibile individuare tre classi principali di zuccheri:

Classi principali di zuccheri

• Monosaccaridi: sono gli zuccheri più semplici e non possono essere degradati ulteriormente. Il monosaccaride più importante è il D-glucosio.
• Oligosaccaridi: sono formati da due o più zuccheri legati assieme tramite legami glicosidici. Tra questi si individuano i disaccaridi, formati dall'unione di due zuccheri uguali o differenti.
• Polisaccaridi: sono formati dall'unione di molti monosaccaridi.

I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi, e possono essere o aldosi o chetosi in base al fatto che possiedano un gruppo aldeidico (posizione 1) o un gruppo chetonico (posizione 2). Tutti i monosaccaridi sono strutture cristalline e incolori che sono particolarmente solubili in acqua e insolubili in solventi apolari. Tra gli zuccheri più semplici vi sono la gliceraldeide (zucchero aldoso) e il diidrossiacetone (chetoso). Questi due monosaccaridi sono costituiti da tre atomi di carbonio ma possono essere presenti anche zuccheri con 4, 5, 6, 7 carboni, e si chiamano rispettivamente tetrosi, pentosi, esosi, eptosi e così via.

Tutti i monosaccaridi, escluso il diidrossiacetone, possiedono almeno un carbonio chirale. Ogni qual volta una molecola possieda uno o più carboni chirali, possiede anche due o più stereoisomeri. La gliceraldeide, per esempio, possiede un carbonio chirale e quindi due stereoisomeri. Le coppie di stereoisomeri inoltre formano gli enantiomeri, ovvero molecole che ruotano il piano della luce polarizzata in sensi opposti. La gliceraldeide che ruota il piano della luce polarizzata a destra è la D-gliceraldeide, mentre quella che lo ruota a sinistra è la L-gliceraldeide.

Per rappresentare gli zuccheri si usa solitamente la struttura di proiezione di Fisher. Quando lo zucchero destrorso ha l'ossidrile più lontano dal carbonio carbonilico disposto a destra, si definisce D; viceversa, quando l’ossidrile è a sinistra, si definisce L. Gli enzimi presenti nel nostro organismo sono in grado di degradare solo gli zuccheri destrorsi, ed è quindi molto importante conoscerne alcuni sia aldosi che chetosi:

• Aldosi: D-gliceraldeide, D-eritrosio, D-ribosio, D-glucosio, D-mannosio, D-galattosio
• Chetosi: diidrossiacetone, D-ribulosio, D-xilulosio, D-fruttosio

Il nostro organismo è costituito per il 70% da acqua. Gli zuccheri, in acqua, sono particolarmente solubili e non rimangono nella loro forma lineare ma si ciclizzano. Prendiamo come esempio la ciclizzazione del glucosio. Il glucosio è un aldoso ed in modo particolare un esoso.

L'ossigeno dell'ossidrile più lontano dal carbonio carbonilico (in questo caso il carbonio 5 poiché si tratta di un esoso) attacca il carbonio carbonilico che possiede una parziale carica positiva. Questo comporta la rottura del doppio legame C=O. Il carbonio risulta ora legato all'ossigeno del carbonio chirale in posizione 5 (che ha perso un idrogeno poiché altrimenti avrebbe carica neutra). L'ossigeno del carbonio in posizione 1 ha però un'elevata elettronegatività e l'idrogeno perso dall'ossigeno in posizione 5 si lega quindi all'ossigeno in posizione 1, ripristinandone l'elettronegatività. Ciò che si crea sono i due isomeri detti anomeri: uno possiede il gruppo ossidrile disposto verso il basso, denominato α; l'altro invece possiede il gruppo ossidrile rivolto verso l'alto, ed è l’anomero β. La miscela raggiunge un equilibrio presentando il 63% di anomero β, il 37% di anomero α e meno dell'1% risulta in forma lineare.

Questa ciclizzazione è reversibile e forma quelli che vengono chiamati emiacetali o emichetali. Le strutture cicliche, inoltre, non sono anelli di solo carbonio ma possiedono sempre un ossigeno che chiude il ciclo. Quando gli zuccheri ciclizzano possiedono sei membri nell'anello, si forma una struttura simile al pirano e per questo vengono detti piranosi; quando invece i membri sono cinque, si forma una struttura simile al furano e vengono per questo detti furanosi. Si può formare, per esempio, il β-D-glucopiranosio o il β-D-fruttofuranosio.

I monosaccaridi possono inoltre essere ossidati. Prendiamo come esempio il D-glucosio. Questo possiede il gruppo carbonilico ed il gruppo alcolico finale ossidabili. Agenti ossidanti molto blandi, come per esempio lo iodio o l'ossigeno, sono in grado di ossidarlo, formando così l'acido gluconico o l'acido gluccuronico. Se queste molecole ciclizzano, formano i lattoni. In modo particolare si forma il D-glucono-δ-lattone.

Altri derivati dei monosaccaridi sono gli amminozuccheri, ovvero zuccheri a cui è stato sostituito un gruppo alcolico con un gruppo amminico. Questi amminozuccheri vengono solitamente acetilati in posizione dell’azoto formando N-acetilamminozuccheri. I monosaccaridi possono anche essere fosforilati in ogni gruppo alcolico. Ancora si possono formare importanti deossizuccheri per gli acidi nucleici.

I monosaccaridi sono le strutture più piccole. Questo significa che tutti gli zuccheri dai disaccaridi in poi sono l'unione tra due o più monosaccaridi. Questi legami però sono legami molto forti che possono essere spezzati solo grazie all'utilizzo di enzimi. I legami che uniscono due zuccheri tra loro sono detti legami glicosidici. Questi sono legami acetalici, cioè si formano grazie alla reazione di un gruppo alcolico. La prima reazione che deve avvenire è sicuramente la formazione di un emiacetale o di un emichetale (ciclizzazione del monosaccaride), dopo di che due monosaccaridi devono reagire assieme. Questi legami si formano principalmente grazie a gruppi alcolici, ma possono formarsi anche tra gruppi tiolici o amminici. Ogni qual volta si formi un legame glicosidico si ha sempre la perdita di una molecola di acqua. Supponiamo di voler formare il saccarosio, un disaccaride formato da una molecola di glucosio ed una di fruttosio. I gruppi alcolici che può impiegare il glucosio sono 4. Supponiamo di voler impiegare il carbonio 1 del glucosio ed il carbonio 2 del fruttosio. Quando avviene la condensazione tra il carbonio anomerico del glucosio ed il carbonio 2 del fruttosio si ha la perdita del gruppo ossidrilico del glucosio e dell'idrogeno del fruttosio, si perde così una molecola di acqua e i due zuccheri si condensano formando un legame o-glicosidico. La molecola che si è formata però possiede un legame β se si parte dal glucosio, isoglucosidica, e la configurazione del residuo anomerico del glucosio è α se si parte dal fruttosio, isofruttosidica, e viceversa il residuo del fruttosio in questo caso sempre α. Il legame deve però anche indicare i numeri dei carboni da cui parte a cui arriva. Il legame parte dal carbonio 1 del glucosio e arriva al carbonio 2 del fruttosio, oppure parte dal carbonio 2 del fruttosio e arriva al carbonio 1 del glucosio. Il nome della molecola sarà: α-D-glucopiranosil-(1→2)-α-D-fruttofuranosio o α-fruttofuranosil-(2→1)-α-D-glucopiranosio.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono formati dall'insieme di molti monosaccaridi. Si possono distinguere in:

• Omopolisaccaridi: formati sempre dallo stesso monosaccaride
• Eteropolisaccaridi: formati da monosaccaridi differenti

Entrambi possono essere lineari o ramificati e possono essere degradati da enzimi specifici in monosaccaridi. I polisaccaridi sono molto utili al nostro organismo sia per utilizzarli come fonte energetica sia come elementi strutturali soprattutto in piante, animali e nei batteri. Tra i polisaccaridi di riserva sicuramente i più importanti sono l'amido e il glicogeno.

L'amido è una miscela di due polisaccaridi:

• Amilosio: formato dal condensato di molte molecole di α-D-glucopiranosio unite tra loro tramite legami α(1→4) in modo sempre lineare.
• Amilopectina: anch'essa formata dal condensato di molte molecole di α-D-glucopiranosio. L'amilopectina però si ramifica. Nelle catene lineari si trovano legami α(1→4); nelle ramificazioni si trovano legami α(1→6).

Il glicogeno è la principale riserva di glucosio presente all'interno del nostro organismo e si trova immagazzinata nel fegato. Il glicogeno ha la stessa identica struttura dell'amilopectina, l'unica differenza sta nella frequenza delle ramificazioni. Mentre nell'amilopectina le ramificazioni sono presenti ogni 23-30 residui, nel glicogeno le ramificazioni sono molto più frequenti.

La cellulosa è la principale fonte di glucosio presente nelle piante. Il glucosio presente nella cellulosa è β-D-glucosio e per questo forma legami β(1→4). I nostri enzimi non sono però in grado di degradare questi legami, motivo per cui non riusciamo a scindere la cellulosa e non siamo in grado di digerirla. Ogni qual volta assumiamo vegetali tramite l'alimentazione, la fonte di glucosio proveniente dalla cellulosa viene completamente eliminata. Nei vegetali tutti i vari filamenti lineari di cellulosa si affiancano formando quella che è la struttura della microfibrilla.

Un altro polisaccaride è invece la chitina. Questo polisaccaride costituisce l'esoscheletro di moltissimi animali. Anche la chitina, così come la cellulosa, è un omopolisaccaride formato da molecole di β-D-glucopiranosio che possiedono però residui aminoacidici formando la N-acetil-D-glucosammina, dove il gruppo amminico è situato in posizione 2.

Esistono dei particolari tipi di polisaccaridi che risultano coniugati con altre molecole: i glicoconiugati. Tra questi:

• Proteoglicani: sono presenti nella matrice extracellulare e sono costituiti da più molecole di glicosamminoglicani uniti covalentemente ad una proteina di membrana o secreta. Mediante l'attività dei fattori di crescita, regolano l'assemblaggio delle fibre di collagene con cui interagiscono, contribuiscono alla resistenza meccanica del tessuto connettivo, modulano lo sviluppo dei vari tessuti.
• Glicoproteine: costituite da proteine a cui sono legate catene oligosaccaridiche. Sono presenti nella membrana plasmatica, nel sangue, nei fluidi biologici e nella matrice extracellulare, vanno a costituire i siti di riconoscimento delle cellule e per questo sono coinvolti nei meccanismi di comunicazione cellulare e altre funzioni (trapianti).
• Glicolipidi: sono lipidi di membrana legati a oligosaccaridi e fungono da siti di riconoscimento per le diverse proteine.

Proteine

Le proteine sono costituite da mattoncini chiamati amminoacidi. Il nome amminoacidi indica il fatto che queste piccole molecole sono principalmente caratterizzate dalla presenza di un gruppo amminico (solitamente primario) e da un gruppo carbossilico legati entrambi ad uno stesso atomo di carbonio, noto come carbonio α. Proprio per questo motivo gli amminoacidi vengono meglio chiamati α-amminoacidi. Oltre questi due gruppi fondamentali però, gli amminoacidi sono caratterizzati dalla presenza di un idrogeno e di un gruppo R che varia da amminoacido ad amminoacido. Proprio come anche i carboidrati, anche gli amminoacidi, avendo il carbonio α chirale, possiedono degli stereoisomeri che sono tra loro enantiomeri, ruotano cioè il piano della luce polarizzata in senso opposto. Gli amminoacidi possono infatti essere destrogiri o levogiri.

Tutti gli amminoacidi che costituiscono le proteine all'interno del nostro organismo sono tutti L-α-amminoacidi. Gli amminoacidi D non vengono sintetizzati dal nostro organismo, tuttavia esistono delle specie che possono usare questi amminoacidi per formare polipeptidi. Il modo in cui vengono rappresentati riguarda principalmente la disposizione del gruppo amminico. Se il gruppo α-amminico è disposto a destra allo scheletro dell'amminoacido sarà un amminoacido D; se invece il gruppo α-amminico è disposto a sinistra allo scheletro dell'amminoacido sarà L. Noi rappresentiamo sempre gli amminoacidi in forma L poiché il nostro organismo modifica ed utilizza questa configurazione per creare le proteine.

Esistono amminoacidi differenti che differiscono tra loro in base al gruppo 'R'. L'amminoacido più semplice è la glicina che, possedendo un H come gruppo R, non risulta essere neanche chirale. È possibile distinguere inoltre diverse classi di amminoacidi in base alla loro polarità e in base alla loro carica.

Classi di amminoacidi

• Apolari non carichi: questi amminoacidi non possiedono gruppi OH nella loro catena laterale e per questo non risultano solubili in acqua. Proprio per questo motivo sono amminoacidi che si trovano solitamente nella parte interna delle proteine in modo da evitare la componente acquosa che caratterizza il nostro organismo. Tra questi amminoacidi vi sono la glicina, l'alanina, la prolina, la leucina, la valina e l'isoleucina. Altri amminoacidi anch'essi lipofili sono la metionina, il triptofano e la fenilalanina. La metionina è caratterizzata da un atomo di zolfo e il triptofano e la fenilalanina sono due amminoacidi aromatici. La prolina è un amminoacido particolare in quanto non possiede un gruppo amminico primario, ma un gruppo amminico secondario, noto come gruppo imminico.
• Polari non carichi: questi amminoacidi possiedono dei gruppi OH che rendono la molecola polare. Questi amminoacidi sono infatti solitamente disposti verso le zone acquose e sono: tirosina, cisteina, serina, treonina, asparagina e glutammina.
• Aromatici: sono presenti anche tre amminoacidi con catene non alifatiche ma bensì aromatiche. Tra questi due sono apolari (fenilalanina e triptofano), uno invece è polare (tirosina).
• Polari carichi positivamente: alcuni amminoacidi possiedono delle cariche che sono presenti nei gruppi amminici. Questi gruppi amminici però non sono posizionati in α, ma sono presenti nella catena R. Questi gruppi amminici sono chiaramente caratterizzati dalla presenza dell'azoto. L'azoto però ha carica elettrica. Se l'azoto lega quindi un idrogeno ha una carica positiva, tipica di questi amminoacidi: lisina, arginina e istidina.
• Polari carichi negativamente: questi amminoacidi sono noti come amminoacidi acidi e possiedono il carbonio terminato caratterizzato da un legame carbossilico che, in ambiente acido, si protona, mentre in ambiente basico perde il protone generando la carica negativa. Questi amminoacidi sono l'acido aspartico (detto anche aspartato e derivante dall'asparagina) e l'acido glutammico (chiamato anche glutammato e derivante dalla glutammina).

Oltre questi 20 amminoacidi, di recente è stato scoperto il 21° amminoacido: la selenocisteina. Questo amminoacido è molto simile alla cisteina ma, al posto del gruppo SH, possiede il selenio. Altri amminoacidi particolari, prodotti dal metabolismo di altri amminoacidi, sono per esempio la citrullina e l'ornitina, molto importanti nel ciclo dell'urea.

Altri amminoacidi particolari si possono invece ottenere dalla modificazione delle proteine. Le proteine possono per esempio essere fosforilate e chiaramente i gruppi fosfato si legano agli amminoacidi delle proteine. Possono anche essere aggiunti gruppi alcolici. Alcuni esempi sono dati per esempio dalla fosfoserina (fosforilata) oppure dalla 4-idrossiprolina o dalla 5-idrossilisina. Tra tutte le modificazioni che gli amminoacidi possono subire, sicuramente la più importante è l'ossido-riduzione. Prendiamo come esempio la cisteina. La cisteina è un amminoacido polare non carico, costituito dal caratteristico gruppo SH. Agenti ossidanti possono portare due cisteine a perdere due protoni e due elettroni così da formare un ponte di solfuro S-S. Agenti esterni possono però allo stesso tempo donare due protoni e due elettroni così da rompere i ponti solfuro e generare di nuovo le due cisteine ridotte. La molecola ossidata prende il nome di cistina.

La struttura amminoacida degli amminoacidi è di estrema importanza poiché sia il gruppo amminico sia il gruppo carbossilico hanno proprietà acido/base particolari. Il pH dei liquidi biologici è circa 7, ma può variare nelle diverse zone. I diversi pH del nostro organismo possono portare l'amminoacido a comportarsi o da acido o da base. È per questo una molecola definita anfotera. Stabilire in che modo un amminoacido è ionizzato è possibile grazie alla K_a. Essendo un acido debole, questo in acqua segue la normale regola degli acidi deboli. Ogni qual volta un acido HA si dissocia forma la sua base coniugata A^- e uno (o più) protoni liberi. Questa dissociazione è chiaramente in equilibrio ed è dipendente dalla K_a, ovvero dalla costante di dissociazione acida. Tanto più grande è K_a, tanto più l'acido si ionizza. Per calcolare la costante di dissociazione bisogna fare il rapporto tra il prodotto della concentrazione dei prodotti e la concentrazione dell'acido non ionizzato. Per evitare di lavorare con numeri eccessivamente grandi si è però soliti utilizzare la regola di Henderson-Hasselbalch.

In che modo si ionizzano gli amminoacidi? Prendiamo come esempio gli amminoacidi non carichi, come per esempio la alanina. L'alanina è costituita da due gruppi protonabili: il gruppo α-amminico ed il gruppo α-carbossilico. Chiaramente la loro ionizzazione e la loro protonazione dipende dal pH della soluzione in cui si trovano. Possedendo questo amminoacido due gruppi ionizzabili, presenterà tre isoforme: una in cui entrambi i gruppi sono protonati; una in cui il gruppo più acido tra i due (COOH) perde un protone; ed un'ultima forma in cui entrambi i gruppi sono deprotonati. Queste tre forme sono tutte in equilibrio tra loro ma chiaramente, a differenza del pH, può succedere che alcune forme prevalgano su altre.