Biochimica

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Gruppi chimici di interesse biologico

Gruppo metilico:

• Debolmente idrofobico;
• Non polare e non ionico;
• Rapidamente ossidato a ossidrile (idrossimetile);
• Poco reattivo nella formazione di legami covalenti;
• Presente in acidi grassi e in alcuni amminoacidi.

Gruppo ossidrile:

• Fortemente polare ma non ionico;
• Rapidamente ridotto a metile;
• Rapidamente ossidato a carbonile;
• Altamente reattivo nella formazione di legami covalenti (legami etere, legame tra due gruppi ossidrilici e legami esterei, legame tra acido e alcol);
• Presente in carboidrati.

Gruppo carbonilico:

• Il gruppo carbonilico è rappresentato dal gruppo aldeidico e dal gruppo chetonico;
• Debolmente polare ma non ionico;
• Rapidamente ridotto a ossidrile;
• Rapidamente ossidato a carbossile;
• Altamente reattivo, più reattiva l’aldeide del chetone;
• Genera carbocationi (formano legami covalenti con i carboanioni);
• Genera un legame covalente importante noto come base di Shiff (legame che si forma dalla reazione di un gruppo carbonilico con un gruppo amminico, legame covalente importante negli amminoacidi);
• Presente in carboidrati e intermedi metabolici.

Gruppo carbossilico:

• Fortemente polare, anionico e acido forte;
• Ridotto a carbonile;
• Forma legami covalenti come legami esterei e legami anidridici (legame covalente che si forma dalla reazione di due acidi organici, questo legame si trova in diversi intermedi metabolici in quanto è un legame ad alto contenuto energetico);
• Presente in amminoacidi, acidi grassi e acidi organici.

Gruppo amminico:

• Fortemente polare, cationico e base forte;
• Forma legami covalenti come base di Shiff e legami carbamidici (legame che genera le ammidi e che avviene tra un’ammina e un gruppo carbossilico, legame importante nel metabolismo degli amminoacidi);
• Presente in amminoacidi e vitamine.

Gruppo fosfato:

• Fortemente polare, anionico e acido forte;
• Forma legami covalenti tra cui legami fosfoesterei (avvengono tra un gruppo fosfato e un gruppo ossidrilico, legame covalente forte) e legami fosfoanidridici (avvengono tra due gruppi fosfato, legame ad alto contenuto energetico);
• Presente in numerosissimi intermedi metabolici (si lega al sito attivo degli enzimi e controlla l’attività enzimatica);
• Legame ad alto contenuto energetico.

Gruppo tiolico o sulfidrilico:

• Debolmente polare e acido debole;
• Rapidamente ossidato;
• Forma legami covalenti tra cui legami tioesterei (legame che avviene tra un gruppo carbossilico e un gruppo tiolico) e ponte disolfuro (si forma tramite la reazione di due residui di cisteina, il derivato prende il nome di cistina con carattere idrofobico);
• Presente nell’amminoacido cisteina;
• Stabilizza le strutture proteiche e la loro attività;
• Essenziale nel coenzima A e nel metabolismo.

Redox

Ossidazione: cessione di elettroni.

Riduzione: acquisto di elettroni.

Si può passare, attraverso varie fasi di ossidazione da un alcano a un alcol, da un alcol a un’aldeide e da un’aldeide a un acido carbossilico. Viceversa si avranno reazioni di riduzione se si passa da un acido carbossilico ad un’aldeide, da un’aldeide a un alcol e da un alcol ad un alcano. I processi catabolici sono processi ossidativi mentre i processi anabolici sono processi riduttivi. Il metabolismo umano è ossidativo e uno dei principali scopi e funzioni della produzione di elettroni è quella di trasferire gli elettroni ottenuti per produrre energia.

Legami chimici

Tutti i gruppi di interesse biologico, anche se più o meno reattivi, tendono a formare legami (o interazioni). Il legame chimico è la forza che mantiene uniti gli atomi nella formazione di molecole e macromolecole. I vari tipi di legame sono:

• Legame covalente: tra i legami covalenti troviamo il legame O-H, C-H, N-H, C-C, S-H e S-S (in ordine di forza). Il compito di questi legami è quello di tenere uniti gli atomi delle molecole. Il legame covalente è ottenuto dalla condivisione di una o più coppie di elettroni tra due atomi;
• Legame ionico: legame debole generato dall’attrazione tra ioni (positivi=cationi e negativi=anioni) di carica opposta;
• Legami a idrogeno: i legami a idrogeno rivestono una grandissima importanza in biochimica. La struttura e le proprietà di molte molecole biologiche e anche dell’acqua, il solvente biologico universale, sono determinate largamente da questo tipo di legame. Un legame idrogeno è un’interazione tra un atomo di idrogeno legato covalentemente a gruppo donatore e una coppia di elettroni spaiati di un gruppo accettore;
• Forze di Van der Waals: le forze di Van der Waals sono interazioni elettrostatiche tra dipoli indotti e permanenti (in molecole neutre). In generale, le interazioni di Van der Waals sono molto più deboli delle interazioni carica-carica di una coppia ionica;
• Interazioni non covalenti:
  • Interazioni idrofobiche: sostanze come gli idrocarburi, che non sono composti né polari né ionici e non formano legami idrogeno, mostrano una limitata solubilità in acqua. Quando queste molecole idrofobiche si sciolgono, non danno luogo alla formazione di gusci di idratazione ma a strutture a “gabbie” ordinate in cui molecole d’acqua circondano le catene idrocarburiche. Le sostanze idrofobiche formano aggregati in acqua.

Molecole anfipatiche

Una classe di molecole molto interessante funzionalmente e strutturalmente parlando mostra proprietà sia idrofiliche che idrofobiche. Le molecole anfipatiche, acidi grassi e detergenti, hanno una testa fortemente idrofilica e una coda idrofobica, generalmente un idrocarburo. In acqua, queste sostanze possono dare luogo alla formazione di micelle (strutture sferiche formate da un singolo strato di molecole) oppure di vescicole a doppio strato. In questi casi le code idrocarburiche delle molecole tendono a disporsi all’interno, mentre le teste polari o ioniche sono fortemente idratate dall’acqua che le circonda poiché tendono a disporsi verso l’esterno.

Composti eterociclici aromatici

Gli eterocicli sono composti con una struttura carboniosa ciclica in cui uno o più atomi di carbonio sono sostituiti da altri atomi (N, O, S) da cui dipendono anche le proprietà. La maggior parte dei composti fisiologicamente attivi contengono anelli eterociclici. Gli anelli più comuni sono di solito di 5 o 6 atomi.

Piridina: la piridina ha una struttura ciclica esatomica costituita da 5 atomi di C e da un atomo di N. È una molecola piana con angoli di legame di 120°. Può essere considerata un ibrido di risonanza. Le piridine alchilate vengono ossidate sulla catena laterale ad acidi carbossilici. Gli anelli piridinici sono presenti in molti prodotti come la niacina (vitamina B₃) o la piridossina (vitamina B₆).

Pirrolo: composto eterociclico composto da 4 atomi di C e uno di N. Il pirrolo ha una forte densità elettronica sull’anello, che lo rende estremamente reattivo verso la sostituzione elettrofila. L’attacco al C-2 è favorito perché l’intermedio ha una forma di risonanza in più. Anelli pirrolici condensati e sostituiti formano lo scheletro di importanti pigmenti. Le porfirine, molto colorate, derivano dall’unione di 4 unità di pirrolo. Le porfirine formano chelati con molti ioni metallici (mediante legami di coordinazione). Un esempio di porfirina chelata con un atomo di Fe è l’emoglobina.

Indolo: l’indolo deriva dalla condensazione di un anello benzenico e di un anello pirrolico. I derivati dell’indolo si trovano largamente distribuiti in natura. Lo stesso indolo è stato estratto da diversi oli di fiori tra cui l’olio di gelsomino. Il derivato più importante dell’indolo è sicuramente l’amminoacido triptofano (idrofobico, aromatico e caratterizzato dalla presenza nella sua catena R dell’indolo), amminoacido essenziale. La sua decarbossilazione e successiva ossidazione biologica in posizione C₅ porta all’ormone serotonina, importante neurotrasmettitore.

Imidazolo e tiazolo: gli azoli sono composti eterociclici formati da 3 atomi di C, un atomo di N e un altro atomo che cambia in base al composto. L’amminoacido istidina è caratterizzato per la presenza nella catena laterale R di un residuo di imidazolo e le proprietà chimico-fisiche sono dovute proprio alla presenza dell’anello imidazolico. Un altro derivato dell’istidina è l’istamina (ammina biogena che deriva dalla decarbossilazione dell’istidina). Infine abbiamo un derivato del tiazolo, la vitamina tiamina (o B₁) che è costituita da un anello pirimidinico e un anello di tiazolo. Le funzioni di questa vitamina sono legate alla presenza dell’anello tiazolico.

Pirimidina: eterociclico a 6 atomi con 4 atomi di C e 2 di N. La pirimidina è importante perché genera tre derivati importanti: citosina, timina e uracile (basi azotate). Le basi puriniche hanno invece come struttura un anello pirimidinico condensato con un anello imidazolico. Le basi puriniche sono due, adenina e guanina. Altri derivati catabolici presentano questo tipo di struttura.

Carboidrati

I carboidrati sono ampiamente distribuiti in natura. La maggior parte dei carboidrati si accumula per azione della fotosintesi che, utilizzando anidride carbonica e energia solare, genera monosaccaridi. Questi ultimi giocano un ruolo cruciale nel metabolismo energetico e non solo, degli organismi viventi agendo come molecole capaci di liberare energia a seguito di processi ossidativi (produzione di elettroni). Il glucosio è un esempio di monosaccaride molto importante dal punto di vista energetico e metabolico.

I carboidrati delle membrane biologiche (glicocalice) intervengono nel riconoscimento cellulare e nella comunicazione intercellulare, e sono ancora macromolecole essenziali per la costituzione e il buon funzionamento delle matrici extracellulari. Derivati di zuccheri monosaccaridici si trovano in molte molecole biologiche, fra cui coenzimi e acidi nucleici. In più i carboidrati hanno un importante ruolo funzionale.

I polisaccaridi invece svolgono una grande varietà di funzioni, in genere di natura strutturale. Ad esempio si trovano nelle pareti cellulari e nei rivestimenti protettivi di molti organismi. I polisaccaridi complessi (eteropolisaccaridi) svolgono numerosi ruoli funzionali. I carboidrati sono composti che contengono H, C e O (ma anche N, S e P). La loro forma generale è (CH₂O)_n e possono essere suddivisi in:

Monosaccaridi

I monosaccaridi possono convenientemente essere classificati in base al numero di carboni che costituiscono lo scheletro carbonioso, triosi, tetrosi, pentosi, esosi ed eptosi e in base alla natura del carbonio carbonilico, aldeidico, quindi aldosi, chetonico, quindi chetosi. La nomenclatura dei monosaccaridi prevede il suffisso -oso per tutti i monosaccaridi. Gli aldosi (contengono un gruppo aldeidico) vogliono il prefisso aldo- mentre i chetosi (contengono un gruppo chetonico) vogliono il prefisso cheto-. In più si usa un ulteriore prefisso per indicare il numero di atomi di C (tri-, tetra-, penta-, hesa--).

La gliceraldeide e il diidrossiacetone sono i due unici triosi. Queste molecole dalla semplice struttura mostrano caratteristiche comuni agli altri monosaccaridi più complessi e che da essi in qualche modo derivano per allungamento dello scheletro carbonioso. La gliceraldeide è un’aldeide ed è un trioso degli aldosi. Il diidrossiacetone è invece un chetone, trioso dei chetosi. Questi due zuccheri hanno la stessa composizione atomica. Essi sono isomeri strutturali che differiscono nella localizzazione degli atomi di idrogeno e dei doppi legami e possono interconvertirsi (non è un processo naturale ma avviene grazie all’intervento di enzimi chiamati isomerasi).

Esaminando la struttura della gliceraldeide si può notare che il secondo atomo di carbonio è un carbonio chirale poiché lega quattro sostituenti diversi. Ne consegue che la gliceraldeide possiede due diversi isomeri detti enantiomeri, immagini speculari non sovrapponibili l’una dell’altra.

Anche nel caso dei monosaccaridi, così come per gli amminoacidi, è predominante una sola forma enantiomerica: i D-monosaccaridi. Non esistono ovvie spiegazioni per questa preferenza ma si pensa che la luce polarizzata abbia distrutto gli zuccheri della serie L mantenendo invece inalterati gli zuccheri della serie D. Tuttavia, una volta comparsa, essa si è mantenuta per gli organismi superiori (è un vantaggio perché ci permette di risparmiare risorse non dovendo generare e utilizzare due tipi di molecole).

I monosaccaridi con più di tre atomi di carbonio possono avere più di un atomo chirale, nel qual caso questi monosaccaridi ammettono due tipi di isomeri: gli enantiomeri, di cui abbiamo già discusso e i diastereoisomeri, che compaiono a partire dai monosaccaridi tetrosi. I prefissi D e L sono usati per designare l’orientamento del centro chirale più lontano dal gruppo carbonilico, il penultimo carbonio.

Importante ricordare: D-eritrosio, D-ribosio, D-xilosio, D-glucosio, D-mannosio (epimero rispetto al glucosio sul C₂) e D-galattosio (epimero del glucosio sul C₄).

Di solito il nome del chetoso viene ottenuto da quello del corrispondente aldoso inserendo le lettere ul. Quindi eritrosio diventa eritrulosio. Importante ricordare: D-ribulosio, D-xilulosio e D-fruttosio (isomero del glucosio). È possibile interconvertire il chetoso nel suo rispettivo aldoso attraverso l’azione di enzimi della classe delle isomerasi. Un altro zucchero importante è il 2-desossi-D-ribosio (pentoso).

Per rappresentare la struttura dei carboidrati si usano le proiezioni di Fischer verticali con il carbonio più ossidato orientato in alto. Questa struttura però non rappresenta i monosaccaridi in soluzione acquosa poiché la catena carboniosa tende a ripiegarsi.

I pentosi e gli esosi aldosi formano strutture ad anello molto stabili attraverso la formazione di un emiacetale intermolecolare. Le forme predominanti degli aldopentosi e aldoesosi non sono le strutture a catena aperta precedentemente indicate, poiché la catena monosaccaridica si ripiega su se stessa e porta il gruppo aldeidico libero vicino al gruppo ossidrilico del C₄ o del C₅. La reazione tra i due gruppi funzionali determina la formazione di un legame emiacetalico intramolecolare.

La chiusura dell’anello genera una miscela di due stereoisomeri che differiscono per la configurazione sul C₁ (C₂ per i chetosi), ora divenuto nuovo centro di asimmetria, detto anomero e designato come α e β. Tutte queste forme sono presenti in soluzione ma, per gli aldosi esosi e pentosi, all’equilibrio prevalgono di gran lunga le due forme emiacetaliche. A seconda del tipo di aldoso si possono formare due tipi di semiacetali:

• La prima forma con sei atomi nell’anello viene detta forma piranosica dal nome del pirano (aldosi esosi);
• Le seconda forma con cinque atomi nell’anello viene detta forma furanosica dal nome del furano. Per gli aldosi pentosi e i chetosi esosi, all’equilibrio prevalgono di gran lunga le due forme furanosiche.

Riassumendo gli zuccheri si possono rappresentare in quattro modi: Riassumendo invece le forme isomeriche dei carboidrati abbiamo:

Derivati dei monosaccaridi di interesse biochimico

I monosaccaridi possiedono gruppi, soprattutto ossidrilici, a cui possono legarsi sostituenti diversi o che possono essere rimpiazzati da altri gruppi funzionali oppure subire modificazioni in seguito a reazioni chimiche. In questo modo viene prodotto un gran numero di derivati monosaccaridici, per esempio:

Esteri degli zuccheri: Gli esteri dei monosaccaridi con l’acido fosforico sono presenti in tutte le cellule viventi come intermedi del metabolismo dei carboidrati. Tutti questi esteri fosforici hanno un’enorme importanza biologica. Fosforilare un monosaccaride serve non solo a renderlo più reattivo ma anche per favorire (avendo la carica negativa del fosfato) l’attacco agli enzimi che li devono modificare.

Zuccheri acidi: I monosaccaridi possono essere ossidati, il glucosio può ad esempio subire due successive ossidazioni a carico del C₆ con produzione di un derivato acido chiamato acido glucuronico, assumendo quindi la desinenza -uronico (desinenza utilizzata per tutti i monosaccaridi ossidati in C₆, acidi uronici). D’altra parte, il glucosio può subire ossidazione del gruppo aldeidico in C₁ (ossidazione più facile) generando l’acido gluconico, con desinenza -onico (acidi aldonici). Se l’ossidazione avviene contemporaneamente sul C₁ e sul C₆ del glucosio si produrrà l’acido glucarico, con desinenza -arico (acidi aldarici). Gli acidi aldonici liberi sono in equilibrio in soluzione con i corrispondenti lattoni (legame estereo).

Amminozuccheri: La sostituzione del gruppo ossidrilico in C₂ di un monosaccaride con un gruppo amminico genera gli amminozuccheri, che costituiscono ad esempio lo scheletro carbonioso di importanti oligosaccaridi e eteropolisaccaridi.

Alditoli: Uno zucchero può essere ridotto anche sul carbonio carbonilico generando una classe di composti poliidrossilati chiamati alditoli. Il D-glucitolo, chiamato anche sorbitolo, riveste in natura un ruolo importante.

Monosaccaridi essenziali

I monosaccaridi essenziali sono necessari alla biosintesi delle pareti cellulari e vengono tutti sintetizzati dal D-glucosio. Il fucosio è un deossi zucchero (-OH al C₆ diventa -H). L’N-acetilglicosammina e l’N-acetilgalattosammina sono ammino zuccheri (-OH al C₂ diventa -NH₂).

Legame glicosidico

I semiacetali hanno una reattività simile agli alcoli ma reagiscono più facilmente. Gli zuccheri, in quanto semiacetali, possono formare un legame che si prende il nome di legame glicosidico. Il legame glicosidico si ha per sostituzione dell’OH anomerico con un altro gruppo.