Biochimica

Biochimica dei carboidrati

I carboidrati, detti anche glucidi o glicidi, sono composti chimici organici formati da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, formando la classe delle biomolecole CHO. Sono chiamati anche saccaridi o zuccheri. I carboidrati sono le molecole più abbondanti sulla terra e la loro ossidazione è la via principale di produzione di energia. Hanno numerose funzioni biologiche, tra cui quella di fonte energetica e trasporto dell’energia, e sono anche noti come componenti strutturali della cellulosa (nelle piante e nella cartilagine degli animali); inoltre giocano un ruolo fondamentale nel sistema immunitario, nella fertilità e nello sviluppo biologico.

Struttura e classificazione

Essi sono poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni, cioè molecole di aldeidi e chetoni alle quali sono stati aggiunti vari gruppi ossidrilici. I carboidrati si possono dividere in semplici e complessi, i carboidrati semplici a loro volta si dividono in monosaccaridi e oligosaccaridi mentre i complessi sono i polisaccaridi.

I monosaccaridi o zuccheri semplici sono costituiti da una sola unità di poliidrossialdeide o di poliidrossichetone, dove quello più abbondante è il D-glucosio (o destrosio). Oltre al glucosio ricordiamo il galattosio e il fruttosio. La formula generale di un monosaccaride, detta formula empirica è C_nH_2nO_n (con n un numero maggiore o uguale a 3). I monosaccaridi sono classificati in base a tre differenti caratteristiche: la posizione del loro gruppo carbonile, il numero di atomi di carbonio che contengono e la loro chiralità. Se il gruppo carbonilico è aldeidico allora il monosaccaride è un aldoso, se è chetonico allora è un chetoso.

Ogni atomo di carbonio che porta un gruppo ossidrile (OH) ad eccezione del primo e dell’ultimo carbonio è asimmetrico, ogni zucchero può essere in conformazione D o L parlando così di due diversi isomeri ottici o enantiomeri, se in una proiezione di Fischer standard il gruppo ossidrile è a destra della molecola lo zucchero ha configurazione D, se è a sinistra ha configurazione L. I monosaccaridi più semplici sono due zuccheri a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide e il diidrossiacetone; quelli con 4, 5, 6, 7 atomi di carbonio vengono definiti tetrosi, pentosi, esosi ed eptosi; tra gli esosi ricordiamo il D-Glucosio e il D-Fruttosio mentre tra gli aldopentosi abbiamo il D-Ribosio e il 3-deossi-D-Ribosio.

Quando due zuccheri differiscono per la configurazione intorno ad un carbonio si parla di epimeri come il D-Glucosio e il D-Mannosio che differiscono a livello del C2 e il D-Glucosio e il D-Galattosio a livello del C4. In soluzione acquosa gli aldotetrosi e tutti gli altri monosaccaridi a 5 o più atomi di carbonio, non presentano struttura lineare ma ciclica (ad anello), la formazione di queste strutture è il risultato di reazioni tra aldeidi o chetoni e alcoli che producono emiacetali o emiche tali.

Per esempio gli anelli a sei membri vengono chiamati piranosi, in quanto ricordano l’anello del composto pirano, e per quanto riguarda il glucosio si parla di alfa-D-glucopiranosio e B-D-glucopiranosio. Gli aldoesosi possono presentare anche forme cicliche a 5 membri, dette furanosi e i nomi delle due forme ad anello del D-Fruttosio sono A-D-Fruttufuranosio e B-D-Fruttufuranosio.

Le principali vie metaboliche dei monosaccaridi sono la glicolisi, il ciclo di Krebs e la via del Fosfogluconato. I monosaccaridi possono legarsi fra loro in tantissimi modi per formare polisaccaridi o oligosaccaridi.

Oligosaccaridi e polisaccaridi

Gli oligosaccaridi, detti anche disaccaridi, sono costituiti da due monosaccaridi legati insieme da un legame O-glicosidico, in questa reazione si forma un acetale da un emiacetale e da un alcool, il composto così generato è chiamato glicoside. I disaccaridi principali sono il maltosio, il saccarosio e il lattosio. Il maltosio è dato da un legame 1-4 glicosidico tra due glucosio, il saccarosio è dato da un legame 1-2 glicosidico tra un glucosio e un fruttosio mentre il lattosio è dato da un legame B1-4glicosidico tra un glucosio e un galattosio.

I polisaccaridi, chiamati anche glicani, rappresentano un’importante classe di polimeri biologici con massa molecolare molto elevata. Essi si distinguono in omopilisaccaridi e eteropolisaccaridi. Gli omopolisaccaridi contengono solo un tipo di unità monometrica e tra questi ricordiamo: l’amido, la cellulosa, il glicogeno e la chitina. L’amido contiene due polimeri del glucosio (l’amilosio e l’amilopectina), il glicogeno è un polimero formato da residui di glucosio legati da legami a-1-4. Questo polisaccaride è abbondante nel fegato dove può costituire il 7% del peso umido dell’organo, ma è presente anche nel muscolo scheletrico.

Altri polisaccaridi hanno ruoli strutturali come la cellulosa e la chitina, la cellulosa infatti si trova nelle cellule delle pareti dei vegetali e in particolare negli steli, nei tronchi e in tutte le pareti legnose delle piante; come l’amilosio, la cellulosa è un omopolisaccaride lineare non ramificato. La chitina, infine, è un omopolisaccaride formato dalla successione di residui di N-acetilglucosammina uniti con legami B 1-4, la sola differenza con la cellulosa è la sostituzione di un ossidrile in posizione C2 con un gruppo acetilico.

Tra gli eteropolisaccaridi invece troviamo il glicosamminoglicano formato da unità disaccaridi che si ripetono e formano la matrice extracellulare (ECM) chiamata anche sostanza basale. Tra i glicosamminoglicani ricordiamo lo ialuronano e il condroitinsolfato. In quasi tutte le cellule eucariotiche, catene oligosaccaridiche specifiche sono legate a componenti della membrana plasmatica formano glicoconiugati.

Glicoconiugati

Tra i principali glicoconiugati troviamo i proteoglicani, le glicoproteine e i glicolipidi. I proteoglicani si trovano sulla superficie cellulare o sulla matrice, uniti a proteine, e formano la cartilagine e contengono molta acqua di idratazione. Le glicoproteine sono oligosaccaridi legati covalentemente a proteine di superficie; la parte saccaridica è minore di quella proteica e sono legati a Ser e Asn. Sono sia extracellulari che di membrana che citoplasmatiche.

Le lectine sono proteine che legano i carboidrati, tra queste troviamo le selectine (che mediano il riconoscimento e adesione cellula-cellula) e l’emoagglutina (lectina del virus dell’influenza). I glicolipidi sono oligosaccaridi coniugati ai lipidi e tra questi ricordiamo i gangliosidi (glicolipidi contenenti acido sialico) e i lipopolisaccaridi.

Lipidi

I lipidi o grassi sono composti organici largamente diffusi in natura e rappresentano una delle quattro principali classi di composti organici di interesse biologico insieme ai carboidrati, protidi e acidi nucleici. I lipidi costituiscono un gruppo di composti diversi che hanno in comune la caratteristica di essere insolubili in acqua (definiti per questo idrofobi) ma solubili in solventi organici come etere dietilico o acetone, alcoli e idrocarburi.

Struttura e caratteristiche

Dal punto di vista strutturale i lipidi sono costituiti prevalentemente da atomi di carbonio e di idrogeno uniti tra loro con legami covalenti scarsamente polari e disposti simmetricamente. Tuttavia alcuni lipidi presentano gruppi polari (ad esempio fosfolipidi) che presentano caratteristiche fisico-chimiche peculiari rispetto ai lipidi neutri (apolari). In particolare, i lipidi polari mostrano caratteristiche antipatiche o addirittura risultano insolubili in solventi organici e solubili in acqua.

I lipidi si suddividono a seconda della funzione in quelli di riserva, strutturali (o di membrana) e come segnali. I lipidi di riserva sono composti altamente ridotti la cui ossidazione è un processo fortemente esoegonico, tra questi troviamo gli acidi grassi e i trigliceridi.

Acidi grassi e trigliceridi

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica contenente dai 4 ai 36 atomi di carbonio, in alcuni è completamente satura e non è ramificata e in altri sono presenti uno o più doppi legami. Gli acidi grassi più comuni sono quelli a catena non ramificata con un numero di atomi di carbonio pari da 12 a 24 e la posizione dei doppi legami mostra una certa regolarità.

Gli acidi grassi possono essere saturi, che a temperatura ambiente (25°) hanno una consistenza cerosa, e insaturi con consistenza liquida oleosa. Tra i saturi troviamo: acido laurico, miristico, palmitico, stearico e arachidico; tra gli insaturi invece troviamo acido palmitoleico, oleico, linoleico, linolenico e arachidonico. Gli oli vegetali hanno generalmente un elevato livello di acidi grassi polinsaturi (80%) e contengono ceramidi, vitamine antiossidanti (soprattutto A e E) e fitosteroli.

Alcuni acidi grassi per il loro alto interesse biologico e per il fatto che il nostro organismo non può sintetizzarli vengono scientificamente definiti come EFA (Essential Fatty Acid) cioè acidi grassi essenziali, tra cui il linoleico e a-linolenico. Gli acidi grassi possono essere divisi in due principali categorie in base alla posizione del primo doppio legame: W3 e W6.

I trigliceridi o triacilgliceroli sono triesteri di acidi grassi a catena lunga con il glicerolo; sono i lipidi più semplici ma anche più abbondanti di origine naturale e costituiscono i grassi animali (solidi) e gli oli vegetali (liquidi). Servono soprattutto come deposito di energia prodotta e immagazzinata negli animali a livello del tessuto adiposo e liberati per effetto di una lipasi (ormone sensibile). Un trigliceride è un lipide costituito da una molecola di glicerolo a cui sono legati 3 acidi grassi, spesso differenti, tramite esterificazione. Il glicerolo è un alcol con tre atomi di carbonio, ciascuno con un gruppo ossidrilico.

Lipidi di membrana

I lipidi di membrana sono strutture portanti delle membrane biologiche costituite da un doppio strato lipidico che agisce come una barriera al passaggio di molecole polari e ioni. Tra questi ricordiamo i fosfolipidi che sono simili ai trigliceridi dal punto di vista strutturale ma contengono un gruppo fosfato che conferisce una carica negativa e quindi polarità alla molecola. Il risultato finale è che ogni fosfolipide presenta una testa idrofila e una coda idrofobica (costituita da due acidi grassi) e si dice quindi anfipatico.

• Ruolo strutturale nelle membrane cellulari
• Ruolo nel trasporto plasmatico dei lipidi
• Precursori di regolatori metabolici

In particolare un fosfolipide è composto da una molecola di glicerolo che si lega a due catene di acidi grassi e a un gruppo fosfato (PO₄). Esistono fondamentalmente due tipi di fosfolipidi:

• Fosfogliceridi
• Sfingolipidi (particolarmente abbondanti nel tessuto nervoso)

I fosfogliceridi, detti anche glicerofosfolipidi, hanno acidi grassi legati tramite legami estere; mentre gli sfingolipidi hanno uno scheletro di sfingosina a cui è legato un acido grasso e uno zucchero o fosfatidilcolina. Tra gli sfingolipidi ricordiamo sfingosina e sfingomielina. I gangliosidi sono sfingolipidi complessi che hanno teste polari formate da oligosaccaridi complessi che terminano con un residuo di acido N-acetil-neuroaminico (acido sialico), sono abbondanti sulla superficie esterna delle cellule e sembrano coinvolti nella differenziazione di cellule tumorali.

Per quanto riguarda i lipidi come segnale comprendono colesterolo e ormoni steroidei, fosfatidil-inositolo e derivati della sfingosina e eicosanoidi. Gli ormoni stereoidei sono potenti segnali biologici che regolano l’espressione genica e sono lipidi policiclici derivati del ciclopentanoperidrofenantrene, formato dall’unione del frenantene idrogenato con il ciclo pentano, anello idrocarburico a 5 atomi di carbonio. Gli scheletri carboniosi degli steroidi sono sempre formati da 3 anelli a sei lati (fenantrene) e un anello a cinque lati (ciclopentano).

Il colesterolo è antipatico, con una testa polare e un corpo idrocarburico non polare lungo, nella sua forma estesa come un acido grasso a 16 atomi di carbonio. Il colesterolo è lo sterolo più importante e costituisce una componente essenziale nelle membrane cellulari eucaristiche ed è il precursore di molti ormoni, oltre che il precursore della vitamina D3 e degli acidi biliari.

Il fosfatidil-inositolo e i derivati della sfingosina agiscono a diversi livelli per regolare la struttura e il metabolismo della cellula, il fosfatidil-inositolo 4,5-BP si scinde in IP3 (inositolo 3 fosfato) e diacilglicerolo. L’IP3 induce l’aumento di Ca²⁺ e l’attivazione della chinasi.

Gli eicosanoidi sono ormoni paracrini che agiscono solo sulle cellule vicine, tra queste troviamo prostaglandine, trombossani, leucotrieni e derivano tutti dall’acido arachidonico. Tra questi, i trombossani sono prodotti dalle piastrine e intervengono nella formazione dei coaguli, mentre i leucotrieni regolano la contrazione del muscolo liscio delle vie polmonari.

Nucleotidi

Essi rappresentano la forma di energia che viene utilizzata nelle attività metaboliche e sono i costituenti degli acidi nucleici: l’acido deossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). Gli RNA hanno un ampio spettro di funzioni e le cellule ne contengono molti tipi diversi tra cui ricordiamo gli RNA ribosomiali (rRNA) che sono componenti strutturali dei ribosomi, dove avviene la sintesi delle proteine, gli RNA messaggeri (mRNA) che portano informazioni da uno o pochi geni al ribosoma e gli RNA di trasferimento (tRNA) che traducono le informazioni presenti in una molecola di RNA messaggero in una sequenza di AA.

I nucleotidi sono costituiti da tre gruppi:

• Una base azotata (purina o pirimidina)
• Uno zucchero a cinque atomi di carbonio (zucchero pentoso), che insieme alla base azotata conferisce un nucleoside (ribosio per l’RNA e deossiribosio per il DNA)
• Un gruppo fosfato, che insieme al nucleoside costituisce appunto un nucleotide

L’aggiunta di uno o due altri residui fosforici nella catena produce i nucleosidi difosfato e trifosfato (NDP, NTP) di cui i più importanti sono ADP e ATP, rispettivamente adenosina difosfato e adenosina trifosfato, il passaggio da tri- a di- avviene tramite una reazione di idrolisi esoergonica con conseguente liberazione di energia che la cellula può utilizzare per le sue attività.

I nomi dei nucleotidi sono abbreviati in codici standard di tre e quattro lettere. Un’eventuale “d” iniziale sta per “deossi” cioè indica che il nucleotide in questione è un deossiribonucleotide e nel caso di un ribonucleotide semplice non è presente la “d”. La seconda lettera indica il nucleotide presente e precisamente:

• G sta per guanosina
• A sta per adenosina
• T sta per timidina, che non è presente nell’RNA al cui posto c’è l’uridina
• C sta per citidina
• U sta per uridina, che non è presente nel DNA e prende il posto della timidina nell’RNA

I nucleotidi del DNA e RNA sono uniti tra loro in successione mediante “ponti” formati da gruppi fosforici formando il legame fosfodiestere. Tutti questi legami sia nel DNA che nell’RNA hanno lo stesso orientamento lungo la catena conferendo a ciascun filamento l’estremità 3’ e 5’.

Oltre ai loro ruoli come unità strutturali degli acidi nucleici, i nucleotidi svolgono altri ruoli nella cellula, come trasportatori di energia, componenti di cofattori enzimatici e messaggeri chimici. I nucleotidi adenilici fanno parte di molti cofattori enzimatici di cui alcuni contengono adenosina come il NAD+ che partecipa al trasferimento di un idruro e il FAD che trasferisce elettroni.

Infine alcuni nucleotidi agiscono da molecole regolatrici, infatti in seguito all’interazione di recettori con i loro effettori (ormoni, segnali di crescita ecc.. definiti primi messaggeri) all’interno della cellula si producono secondi messaggeri che inviano il segnale ad altre molecole al fine di indurre l’adattamento alla nuova situazione. Tra questi abbiamo l’adenosina 3’-5’-monofosfato ciclico (AMP ciclico) e GMP ciclico.

Amminoacidi

In chimica, gli amminoacidi sono molecole organiche che nella loro struttura presentano il gruppo funzionale amminico (delle ammine, NH₂) denominato N terminus, sia quello carbossilico, degli acidi carbossilici (COOH) denominato C terminus. Proprio per questo sono molecole anfotere o zwitterioni, poiché presentano contemporaneamente un gruppo acido e un gruppo basico.

In biochimica il termine amminoacido si riferisce più spesso agli L-alfa-amminoacidi di formula generica NH₂CHRCOOH cioè quelli dove il gruppo carbonilico e il gruppo amminico sono legati allo stesso atomo di carbonio in configurazione L. Gli amminoacidi sono le unità costitutive delle proteine ed in tal caso vengono definiti proteinogenici: è possibile ottenere un infinito numero di proteine e il legame covalente che unisce il terminus N con il terminus C di due amminoacidi è definito legame peptidico o giunto peptidico.

In natura esistono classicamente 20 amminoacidi, però recentemente se ne sono aggiunti altri due: la selenocisteina (SEC) e la pirrolisina, alcuni autori ammettono anche un 23° amminoacido la N-formilmetionina, un derivato della metionina. Quindi, tutti e 20 gli AA presenti nelle proteine sono alfa-amminoacidi e hanno un gruppo carbossilico e uno amminico legati allo stesso carbonio (C_alfa) e differiscono fra di loro per la catena laterale, o gruppo R. in aggiunta a questi 20 AA ne esistono altri meno conosciuti. Ad ogni AA è stata assegnata un’abbreviazione a 3 lettere e un simbolo ad una sola lettera, quello a 3 lettere è di facile interpretazione in quanto corrisponde alle prime 3 lettere del nome inglese dell’AA, mentre il codice ad una lettera fu introdotto da Margaret Oakley Dayoff. In tutti i comuni AA ad eccetto della Glicina, il carbonio alfa è legato a quattro gruppi differenti: un gruppo carbossilico, uno amminico, un gruppo R e un H, il carbonio alfa dunque è un centro chirale.