Biochimica

Composti organici

I composti organici contengono carbonio e idrogeno e possono contenere azoto, ossigeno e zolfo.

Alcani

Gli alcani sono composti organici costituiti solamente da carbonio e idrogeno (per questo motivo appartengono alla più ampia classe degli idrocarburi) e aventi solo legami singoli. Tutti gli alcani hanno formula bruta C_nH_2n+2; in particolare, il metano (CH₄) è l’alcano più semplice.

Alcheni

Gli alcheni sono composti organici che contengono uno o più doppi legami, i quali hanno geometria planare. Gli alcheni possono presentare isomeria –cis o isomeria –trans; nel primo caso, i due sostituenti sono dalla stessa parte (-cis si indica anche con la lettera Z), mentre nell’isomeria –trans i due sostituenti sono dalla parte opposta (-trans si indica anche con la lettera E).

Alchini

Gli alchini sono composti organici che contengono uno o più tripli legami, i quali hanno geometria lineare. In generale, gli alcani sono saturi, mentre gli alcheni e gli alchini sono insaturi per la presenza del loro doppio o triplo legame.

Alcoli

Sono composti caratterizzati dal gruppo funzionale –OH (definito gruppo ossidrilico); questo gruppo è legato a un atomo di carbonio ibridato sp³, il quale forma 4 legami. Gli alcoli possono essere così suddivisi:

• Primari
• Secondari
• Terziari

R è una catena laterale di atomi di carbonio.

Fenoli

Sono composti in cui il gruppo ossidrilico –OH è legato direttamente all’anello aromatico. Gli idrocarburi aromatici sono una classe particolare di idrocarburi insaturi ciclici. Essi presentano le seguenti caratteristiche:

• Sono ciclici
• Sono planari
• Hanno 4n+2 elettroni π

Un esempio di idrocarburo aromatico è il benzene.

Eteri

Sono composti con un atomo di ossigeno a ponte fra due radicali alchilici e/o arilici. R-O-R’. Gli eteri corona si trovano in soluzioni acquose dove vogliamo togliere uno ione o non farlo reagire. Infine, i tioalcoli, i tiofenoli e i tioeteri sono composti analoghi agli alcoli, ai fenoli e agli eteri, ma con lo zolfo al posto dell’ossigeno.

Ammine

Sono derivati organici dell’ammoniaca ottenuti per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con gruppi alchilici o arilici.

• Ammoniaca: NH₃
• Ammine primarie: R-NH₂
• Ammine secondarie: R₂NH
• Ammine terziarie: R₃N

Aldeidi e chetoni

Sono composti caratterizzati dallo stesso gruppo funzionale, il cosiddetto gruppo carbonilico (C=O). La differenza tra aldeidi e chetoni sta nel fatto che i primi hanno un solo gruppo funzionale R, mentre i chetoni hanno due gruppi funzionali R.

Acidi carbossilici

Sono caratterizzati dal gruppo funzionale carbossilico, il quale può essere considerato come un gruppo carbonilico legato a un gruppo ossidrilico. Es. acido acetico CH₃COOH.

Acidi grassi

Sono acidi carbossilici alifatici a lunga catena, in generale presentano dai 10 ai 26 atomi di carbonio. Nei lipidi sono presenti solo a numeri pari di atomi di carbonio. I derivati degli acidi carbossilici si ottengono dagli acidi per sostituzione dell’ossidrile. I principali derivati degli acidi carbossilici sono i seguenti:

• Esteri: si possono ottenere da un acido carbossilico e da un alcol
• Alogenuri degli acidi: si possono ottenere dagli acidi carbossilici per sostituzione dell’ossidrile con un alogenuro; gli alogenuri sono il cloro, il bromo, il fluoro e lo iodio.
• Ammidi: si possono ottenere da un alogenuro di un acido e da un’ammina

Carboidrati

Dal punto di vista chimico, i carboidrati sono considerati dei poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. Gli aldeidi, a differenza dei chetoni, hanno il gruppo carbonilico in posizione 1. La loro formula generale è la seguente: C_n(H₂O)_n.

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono gli zuccheri più semplici che non possono essere idrolizzati in carboidrati più semplici. La forma delle molecole ci permette di distinguere le varie molecole; più la molecola presenta una forma complessa e più è facile riconoscerla in maniera specifica. Ad esempio, i carboidrati a 6 atomi di carbonio sono 16. Questi carboidrati hanno la stessa struttura, ma forma differente; la possibilità di avere 16 molecole con forma tutta differente è possibile grazie al concetto di chiralità.

Chiralità

Le molecole chirali sono per definizione molecole non sovrapponibili alla propria immagine speculare; in altre parole, le molecole chirali non presentano un piano di simmetria e sono dunque più complesse. Quasi tutte le molecole sono chirali. Al contrario, una molecola che presenta un piano di simmetria viene definita achirale ed è più semplice.

Lo stesso concetto di chiralità può essere facilmente ampliato agli oggetti, i quali possono presentare o meno un piano di simmetria; un esempio di “oggetto” chirale è la mano. Per capire se una molecola è chirale, devo guardare gli atomi di carbonio. Se i 4 gruppi di legame del carbonio sono tutti diversi definiremo quell’atomo di carbonio stereogenico: se in una molecola nessun atomo di carbonio è stereogenico, la molecola è achirale. Invece, se in una molecola un solo atomo di carbonio è stereogenico, la molecola è chirale. Infine, se in una molecola 2 o più atomi di carbonio sono stereogenici, la molecola può essere chirale; per capire se è chirale o meno devo guardare se c’è un piano di simmetria.

Glucosio

Il glucosio è un poliidrossialdeide con 6 atomi di carbonio. Essendo un monosaccaride, non è possibile scinderlo ulteriormente, ma si può unire formando i polisaccaridi. I monosaccaridi sono definiti anche zuccheri semplici, mentre gli zuccheri complessi sono i polisaccaridi. Il glucosio immerso in acqua può essere un anello aperto (0,02 %), un anello chiuso α (36 %) o un anello chiuso β (64 %). Queste 3 forme si scambiano continuamente. Quando il glucosio si è chiuso a formare un anello α o β, il gruppo OH può unirsi ulteriormente ad altri zuccheri generando i polisaccaridi. I legami tra i polisaccaridi possono essere α o β e per rompere tali legami è necessario l’enzima α o β corrispondente. Gli esseri umani sono in grado di idrolizzare solo i legami α (es. amido). Al contrario, la cellulosa contiene solo legami β che l’uomo non è in grado di idrolizzare.

L’amilosio contenuto nell’amido è un’importante fonte alimentare che l’uomo è in grado di sintetizzare grazie ai legami α. La cellulosa, invece, è formata dalle stesse unità dell’amilosio, ma legate con legami β che l’uomo non è grado di sintetizzare.

Lipidi

I lipidi sono una classe vasta ed eterogenea di biomolecole. Si possono distinguere 2 grosse categorie:

• Lipidi di deposito: hanno funzione energetica e protettiva. Es. trigliceridi
• Lipidi strutturali: compongono le membrane cellulari. Es. fosfolipidi

Hanno come costituenti essenziali uno o due residui carbossilici (RCOO) di acidi grassi. Gli acidi grassi sono acidi organici monocarbossilici costituiti da una catena carboniosa. Gli atomi di carbonio vengono numerati a partire dal gruppo carbossilico, il carbonio in posizione 2 viene anche indicato con la lettera greca α ed è quello direttamente adiacente e legato al carbonio considerato, il carbonio in posizione 3 è detto anche β e il carbonio alla fine della catena viene indicato con la ω.

Gli acidi grassi sono catene idrocarburiche con una testa polare e una doppia coda apolare. Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi; i primi hanno solo legami semplici, mentre gli acidi grassi insaturi presentano anche doppi legami. A contatto con l’acqua, gli acidi grassi formano le micelle. Esse hanno le teste polari rivolte all’esterno e a contatto con l’acqua e le code apolari verso l’interno. Il trasporto dei lipidi avviene grazie a queste strutture, le quali incastrano i lipidi all’interno della loro struttura.

Lipoproteine plasmatiche

Le lipoproteine plasmatiche sono un esempio di aggregati micellari costituite da specifiche proteine (apoproteine) e da combinazioni differenti di fosfolipidi, trigliceridi, esteri del colesterolo e colesterolo. La funzione delle lipoproteine plasmatiche è quella di trasportare i lipidi attraverso il sangue dai tessuti dove vengono prodotti o assorbiti ai tessuti dove vengono conservati o utilizzati.

Le lipoproteine, in funzione della loro composizione, possono essere così suddivise:

• Chilomicroni: trasportano trigliceridi e colesterolo della dieta dall’intestino ai tessuti periferici.
• VLDL: vengono sintetizzate nel fegato in una dieta ricca di zuccheri. A differenza dei chilomicroni, i quali originano a livello intestinale e veicolano ai tessuti i trigliceridi e il colesterolo proveniente dalla dieta, i VLDL originano a livello epatico e trasportano principalmente trigliceridi di origine endogena.
• IDL: si formano dalle VLDL, dopo che hanno ceduto ai tessuti parte del loro contenuto in trigliceridi. Sono più piccole delle VLDL e ricche di colesterolo ed esteri del colesterolo.
• LDL: si formano dalle IDL che restano più a lungo in circolazione e hanno perduto parte della componente proteica. Trasportano il colesterolo ai tessuti periferici.
• HDL: vengono sintetizzate principalmente nel fegato, recuperano il colesterolo in eccesso dai tessuti riportandolo al fegato, attraverso il “trasporto inverso del colesterolo”.

Esistono 2 metodi per tornare a livelli adeguati di colesterolo: una prima modalità è l’esercizio fisico e una corretta alimentazione, mentre un secondo modo è l’utilizzo delle statine, le quali inibiscono la sintesi del colesterolo. La differenza sostanziale tra grassi e oli sta nel fatto che nei grassi abbiamo solo acidi grassi saturi, mentre negli oli abbiamo anche acidi grassi insaturi e la presenza di doppi legami cis impedisce alla molecole di impaccarsi come nei grassi.

Acidi grassi essenziali

Gli acidi grassi essenziali sono generalmente suddivisi in omega 3 (ω-3) e omega 6 (ω-6). Il primo si chiama così perché il primo doppio legame si trova a 3 carboni di distanza dall’ultimo carbonio della catena (carbonio ω), mentre l’omega 6 si chiama così perché il primo doppio legame si trova a 6 carboni di distanza dall’ultimo carbonio della catena (carbonio ω).

Trigliceridi

I trigliceridi sono esteri del glicerolo con 3 acidi grassi. Essi possono essere definiti come degli esteri, formati da acidi carbossilici + alcol. Sono lipidi fortemente idrofobici con un elevato valore calorico; infatti, 1 grammo di trigliceride produce 9 kcal. Dai lipidi, in particolare da una molecola di trigliceride, possiamo ottenere molta più energia rispetto a una molecola di glucosio. Il “problema” è che per sintetizzare i grassi bisogna fare il ciclo di Krebs e dunque c’è bisogno di ossigeno; in altre parole, la sintesi dei trigliceridi avviene solo in presenza di ossigeno.

La digestione dei lipidi è condizionata dalla loro scarsa solubilità in acqua, che rappresenta l'elemento fondamentale all'interno del tubo digerente. Così, quando si trovano nell'ambiente acquoso dato da saliva, secrezioni gastriche, intestinali, pancreatiche e biliari, i grassi si aggregano tra loro, separandosi dal mezzo acquoso. Nel lume dello stomaco i lipidi si riuniscono in macromolecole isolate dalla componente idrofila del chimo, un po' come succede nel brodo dove le gocce lipidiche si separano dalla parte acquosa. Nello stomaco la lipasi gastrica attacca i trigliceridi, staccando uno dei tre acidi grassi, con conseguente formazione di acidi grassi liberi e digliceridi. L'efficacia digestiva di questo enzima è fortemente ridotta dalla natura idrofobica dei lipidi e dalla forte acidità gastrica. Nelle 2-4 ore in cui il cibo rimane nello stomaco questo enzima, insieme alle lipasi salivari, digerisce circa il 10-30% dei lipidi alimentari.

La digestione dei lipidi avviene nel duodeno e nel digiuno e comprende diverse fasi. La prima fase consiste nella formazione di un’emulsione e nella sua stabilizzazione ad opera dei sali biliari; essi sono i sali di sodio (o di potassio) degli acidi biliari. Gli acidi biliari vengono prodotti a partire dal colesterolo e si distinguono acidi biliari primari e secondari.

Lipolisi

Consiste nella idrolisi dei trigliceridi in acidi grassi liberi e glicerolo. Tale reazione è catalizzata dall’enzima trigliceride lipasi-ormone sensibile, il quale viene attivato dal glucagone, dal cortisolo, dalle catecolamine e dagli ormoni tiroidei. Gli acidi grassi liberi che provengono dal tessuto adiposo vengono trasportati nel sangue legati all’albumina.

Metabolismo degli acidi grassi

L’attivazione degli acidi grassi avviene nel citosol, mentre la loro completa degradazione avviene nel mitocondrio. Il metabolismo degli acidi grassi è suddiviso in 3 passaggi:

• Attivazione degli acidi grassi ad acil-CoA: comporta il consumo di 2 molecole di ATP.
• Trasporto all’interno dei mitocondri: il trasporto avviene attraverso la membrana interna ed esterna. Tale trasporto avviene attraverso la carnitina, la quale trasporta acil-CoA nelle membrane dei mitocondri.
• Beta-ossidazione a produrre acetil-CoA: la β-ossidazione avviene nella matrice mitocondriale e si può svolgere solo in presenza di ossigeno. Consiste nel graduale distacco ossidativo di frammenti a 2 atomi di carbonio sotto forma di acetil-CoA. Il processo partendo da un acido grasso con n atomi di carbonio (ad es. 6 atomi di carbonio) porta alla formazione di n/2 molecole di acetil-CoA (ad es. 3 molecole di acetil-CoA) in quanto la molecola di acetil-CoA possiede 2 atomi di carbonio.

L’acetil-CoA ottenuto può essere utilizzato insieme all’ossalacetato per dare inizio al ciclo di Krebs. La β-ossidazione è costituita da 4 reazioni (deidrogenazione, idratazione, deidrogenazione e tiolisi) che vengono ripetute in sequenza fino a quando la catena è troppo corta per svolgere un’ulteriore β-ossidazione; in altre parole, il ciclo di 4 reazioni viene ripetuto fino ad arrivare alla completa demolizione dell’acido grasso ad acetil-CoA. Per un acido grasso a n atomi di carbonio, servono n/2 -1 cicli; ad esempio, se l’acido grasso possiede 16 atomi di carbonio, servono 7 cicli.

Per ogni ciclo di β-ossidazione otteniamo una molecola di NAD e una molecola di FAD ridotti; dalla loro riossidazione otteniamo 5 molecole di ATP, in particolare dalla riossidazione del NAD otteniamo 3 ATP, mentre dalla riossidazione del FAD otteniamo 2 ATP. Dunque, in ogni ciclo di 4 reazioni vengono prodotte 5 molecole di ATP, ad eccezione del primo ciclo in cui vengono consumate 2 molecole di ATP utilizzate per l’attivazione dell’acido grasso. Ad esempio, nel caso in cui facessimo 7 cicli di β-ossidazione, avremmo un totale di 35 ATP (7 cicli x 5 ATP), a cui dobbiamo sottrarre 2 ATP utilizzato per l’attivazione dell’acido grasso ad acil-CoA.

Lipogenesi

È un processo di sintesi degli acidi grassi, distinto e indipendente dalla β-ossidazione. Si svolge nel citoplasma e parte dall’acetil-CoA citoplasmatico, il quale proviene dalla demolizione del glucosio attraverso la glicolisi.