Riassunto esame Biochimica Agraria, prof. Spagnuolo

I carboidrati

I carboidrati sono composti polifunzionali, classificati in base al numero di molecole a cui possono dar luogo per idrolisi acida. Si distinguono quindi:

• Monosaccaridi, zuccheri semplici, le cui molecole non possono essere idrolizzate in unità più piccole (esosi e pentosi);
• Disaccaridi, che forniscono per idrolisi due unità di monosaccaridi;
• Polisaccaridi, carboidrati complessi, che forniscono fino a più migliaia di unità di monosaccaridi (eteropolisaccaridi: pectine, gomme vegetali; omopolisaccaridi: cellulosa, amido e glicogeno).

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni, in quanto nella loro struttura, oltre a più funzioni alcoliche, è presente un gruppo carbonilico, che può essere di tipo aldeidico o chetonico. Si definiscono triosi, tetrosi, pentosi o esosi, a seconda del numero di atomi di carbonio nella molecola. Inoltre, se il gruppo carbonilico è di tipo aldeidico, il monosaccaride si dice aldoso, se di tipo chetonico, si dice chetoso.

Il glucosio è un aldeide a sei atomi di C, pertanto è aldoso ed esoso, quindi si usa il termine aldoesoso. Il fruttosio è un chetoesoso. Il termine poliidrossi indica che nella molecola ci sono almeno due gruppi alcolici (OH). Pertanto, il più semplice zucchero aldeidico, sarà un aldotrioso, la gliceraldeide.

L’atomo di C 2 della gliceraldeide è uno stereocentro, dunque esistono due enantiomeri di essa: L-gliceraldeide (OH a sinistra nella p. di Fisher) e D-gliceraldeide (OH a destra nella p. di Fisher). All’aumentare del numero di atomi di C, il numero dei possibili diasteroisomeri, cresce secondo la relazione 2ⁿ, dove n è il numero di atomi di C asimmetrici presenti nella molecola. C asimmetrico da considerare per stabilire l’appartenenza alla serie D o L, è quello più distante dalla funzione carbonilica (C=O). In natura la maggior parte dei carboidrati appartiene alla serie D.

Derivati dei monosaccaridi

Derivati dei monosaccaridi possono essere:

• Composti ossidati, ossia acidi aldonici, acidi uronici e acidi aldarici o saccarici;
• Composti ridotti, ossia polialcoli e polioli (es. inositolo nei fosfolipidi, acido fitico nei cereali è un fattore antinutrizionale perché sequestrante di metalli essenziali), esteri (soprattutto fosforici nel catabolismo glucidico), acetali o glicosidi;
• Amminozuccheri, ossia componenti di polisaccaridi strutturali o di glicoproteine (es. glicosammina, N-metilglucosammina o streptomicina).

Gli aldosi, come le aldeidi semplici, vengono ossidati dalla soluzione di Fehling (Cu++ in ambiente alcalino) ad acidi aldonici. Gli zuccheri che riducono la soluzione di Fehling sono zuccheri riducenti. Il potere riducente degli zuccheri è dovuto alla presenza del gruppo aldeidico libero o α-idrossichetonico. Col reattivo di Fehling Cu++ vengono ridotti a Cu+, con formazione di Cu₂O, che precipita rosso mattone in quantità proporzionali allo zucchero ossidato.

Formazione di glicosidi

L’eliminazione di H₂O fra l’ossidrile emiacetalico o emichetalico e il gruppo ossidrilico di un altro composto, origina un acetale o un chetale. Quando è l’ossidrile emiacetalico o emichetalico di uno zucchero a reagire con un gruppo ossidrilico di un alcol o di un altro zucchero, il legame che si forma, si dice O-glicosidico e il formatosi O-glicoside. Tra i glicosidi, vi sono i disaccaridi e i polisaccaridi. Se uno zucchero è sotto forma di glicoside, la funzione aldeidica o chetonica non è libera e pertanto non può essere ossidata dalla soluzione di Fehling, quindi questi zuccheri si dicono non riducenti.

Disaccaridi

I disaccaridi sono dimeri, formati da due molecole di monosaccaride, che possono essere uguali o differenti. Esse sono unite da legame glicosidico fra il carbonio anomerico di un monosaccaride e il gruppo OH dell’altro. Il legame più comune è quello che si forma fra il gruppo OH in posizione 4 e la posizione α o β del carbonio anomerico. Questo tipo di legame si dice legame glicosidico o α-1,4 β-1,4 a seconda della configurazione dell’atomo di C anomerico.

I disaccaridi più comuni sono:

• Saccarosio (glucosio + fruttosio), prodotto da piante fotosintetiche, in Europa principalmente dalla barbabietola, nei paesi tropicali dalla canna. Viene idrolizzato per idrolisi acida o enzimatica da invertasi. Nel miele si formano quantità equimolecolari di glucosio e fruttosio, perché le api possiedono le invertasi;
• Maltosio (glucosio + glucosio), prodotto dall’idrolisi enzimatica dell’amido. Si trova in malto e orzo germinati. Viene idrolizzato da maltasi presenti sull’orletto a spazzola dei villi intestinali;
• Lattosio (glucosio + galattosio), unico disaccaride di origine animale, si trova nel latte ed è sintetizzato dalle ghiandole mammarie. Viene idrolizzato da lattasi e per azione dei lattobacilli, forma acido lattico (yogurt e formaggi);
• Cellobiosio (glucosio + glucosio), derivante dall’idrolisi parziale della cellulosa. È idrolizzato da emulsina (β-glucosidasi) nelle mandorle amare, oltre che dai batteri.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono formati dall’unione di centinaia o migliaia di monosaccaridi mediante legami glicosidici. In natura la maggior parte di essi si trova sotto forma di polimeri ad alto peso molecolare. Sono poco solubili, non riducenti e vengono idrolizzati da acidi ed enzimi. Nei vegetali hanno funzione di riserva o strutturale e protezione. Il glucosio è il monosaccaride maggiormente presente in essi.

Se i polisaccaridi sono costituiti da un solo monomero si dicono omopolisaccaridi; se il polimero è costituito da due o più monomeri diversi si dicono eteropolisaccaridi. I principali polisaccaridi di riserva nel mondo vegetale sono l’amilosio e l’amilopectina, che costituiscono l’amido nelle piante e il glicogeno nelle cellule animali.

L’amido è un polimero di α-glucosio costituito da amilosio (20%, 50-300 molecole, a catena lineare con legami α-1,4) e amilopectina (80%, 300-500 molecole, a catena ramificata con legami α-1,4 α-1,6). L’amido viene idrolizzato dalle amilasi nella saliva e nel succo pancreatico. Per azione delle α-amilasi, che scindono i legami 1-4, riducendo la struttura a destrine limite (di colore giallo) con potere destrogiro, che vengono scisse da destrasi e industrialmente usate per la preparazione di adesivi.

Il glicogeno ha struttura simile all’amilopectina, ma è molto più ramificato e ha più alto PM. Si trova sotto forma di granuli nel fegato (glicogeno epatico), dove mantiene costante la glicemia e nei muscoli (glicogeno muscolare), a cui fornisce energia. Il glucosio forma glicogeno per glicogenesi, viceversa dal glicogeno per glicogenolisi si ottiene glucosio. Nell’animale morto il glicogeno si idrolizza rapidamente a glucosio, poi ossidato ad acido lattico, trasformazione indispensabile per frollatura e conservazione della carne.

Polisaccaridi strutturali

Tra i principali polisaccaridi strutturali vi è la cellulosa, il principale polisaccaride delle piante. Analogamente all’amilosio, la cellulosa è un polimero lineare di D-glucosio, ma in questo caso, le unità monosaccaridiche, sono unite da legami β-1,4 glicosidici. Questa differenza strutturale permette alla cellulosa di esistere sotto forma di catene planari, in cui ogni residuo di glucosio forma un angolo di 180° col residuo successivo. In questa forma le catene sono in grado di costituire strutture a nastro che si dispongono una accanto all’altra con una rete di legami H, tra ed entro le catene stesse. La cellulosa viene scissa dai batteri del rumine e intestinali che producono cellulasi.

Esistono dei carboidrati in cui uno o più gruppi ossidrilici sono sostituiti da un gruppo amminico (NH₂); questi si dicono amminozuccheri. I più diffusi in natura sono glucosammina e galattosammina, di cui sono comuni anche le forme acetilate (N-acetilglucosammina e N-acetilgalattosammina). In particolare, numerose unità di N-acetilglucosammina, unite con legami β-1,4, analogamente alla cellulosa, costituiscono il principale polisaccaride strutturale degli artropodi: la chitina. Ci sono proteine coniugate la cui quota glucidica varia dall’1 all’80%, dette glicoproteine o protoglicani. Sono importanti costituenti di membrana cellulare, immunoglobuline, collagene, ormoni ed enzimi (pepsina e colinesterasi). Determinano la specificità dei gruppi sanguigni. Possono avere legame O-glicosidico o N-glicosidico.

La parete cellulare

La parete cellulare è composta da polisaccaridi microfibrillari e di matrice, lignina, acqua, proteine e cere. Ha la funzione di conferire e mantenere la forza meccanica. Inoltre serve a:

• Controllare l’espansione cellulare e il trasporto intercellulare;
• Proteggere da microrganismi patogeni;
• Produrre molecole segnale, in particolare in relazione ad attacchi di patogeni;
• Accumulare sostanze di riserva.

La parete determina morfologia e parte delle funzioni della cellula. È coinvolta nella regolazione dell’espansione cellulare. I vegetali depongono la parete a strati, per cui si possono distinguere tre zone: lamella mediana (strato più esterno che separa due cellule adiacenti), parete primaria (strato intermedio) e parete secondaria (strato adiacente alla membrana). Quando nuovi strati di parete si formano adiacenti alla membrana cellulare, quelli più vecchi vengono via via allontanati.

I polisaccaridi microfibrillari della parete, possono essere in forma cristallina (lunghe molecole in fasci) o in forma non cristallina (matrice amorfa in cui sono immerse le microfibrille). La cellulosa è il polisaccaride microfibrillare più comune. È un polimero con grado di polimerizzazione compreso fra 2000 e 6000 nella parete primaria e fra 15000 e 16000 in quella secondaria. La catena è costituita da molecole di glucosio legate con legami β-glicosidici in posizione 1-4. La struttura è costituita da una regione cristallina e una regione paracristallina. Lungo le fibrille si trovano zone (micelle) con struttura altamente ordinata di tipo cristallino, alternate ad altre con aspetto meno organizzato. A causa di tale organizzazione, la cellulosa presenta straordinaria resistenza alla trazione e agli attacchi enzimatici.

I polisaccaridi di matrice, sono le emicellulose (solubili in basi concentrate a temp. ambiente) e le pectine (estratte con ripetuti trattamenti in acqua calda). Le emicellulose comprendono:

• Xilani che si trovano nei legni duri di angiosperme e gimnosperme;
• Mannani che si trovano nei legni teneri delle conifere;
• Galattani nei legni duri e teneri dei larici.

Costituiscono il 40-45% delle pareti primarie e il 30-33% delle pareti secondarie. Svolgono spesso un ruolo di accumulo di sostanze di riserva o di trattenimento dell’acqua. Le pectine sono costituite principalmente da acidi poliuronici, oltre che da arabinani e galattani. La presenza del gruppo carbossilico, conferisce alle pectine alcune proprietà caratteristiche: legando Ca++ e acqua, possono formare dei graticciati stabili (a nido d’ape).

La lignina è una molecola con elevato peso molecolare, ottenuta dall’unione di differenti acidi e alcoli fenilpropilici (cumarilico, coniferilico e sinapilico). Il loro accoppiamento casuale, origina una struttura tridimensionale caratteristica della lignina (polimero amorfo). È il polimero naturale più complesso. Mediante la ramificazione della lignina e eliminando l’acqua, si ha lignificazione, con cui si rafforza la parete cellulare e vengono protette le microfibrille di parete dall’attacco di agenti chimici, fisici e biologici. La parte di ogni monomero nella lignina varia in funzione di famiglia vegetale, specie, organo e tessuto biologico.

Le proteine della parete cellulare hanno funzione strutturale ed enzimatica. Per quanto riguarda la funzione strutturale abbiamo:

• Glicoproteine, ricche di idrossiprolina, serina, alanina e acido aspartico come l’estensina;
• Arabino-galattano-proteine, ricche di idrossiprolina, piccole e molto solubili;
• Proteine ricche di glicina, tipiche dei tessuti vascolari e delle risposte alle ferite;
• Proteine di adesione, che mediano le interazioni fra la parete, la membrana e i microtubuli del citoscheletro.

Per quanto riguarda la funzione enzimatica, si citano idrolasi, glucasi, fosfatasi e laccasi. L’acqua della parete cellulare svolge un ruolo:

• Chimico per l’idrolisi dei legami glicosidici nella fase di crescita della parete;
• Solvente per effetti sulla permeabilità della parete a molecole e ioni.

Quando finisce la crescita, lo spazio dell’acqua viene occupato dalla lignina che conferisce rigidità. Le cere sono rappresentate dalla cuticola, che ricopre la superficie della cellula esposta all’atmosfera e riduce perdite e guadagni eccessivi di acqua dai tessuti sottostanti. La cuticola è composta da tre strati:

• Cera epicutilare, una miscela di esteri, acidi grassi e alcoli a lunga catena, acidi grassi liberi, alcoli primari e secondari e alcani. Sono presenti anche CaCO₃ e CaSiO₃ come sostanze incrostanti;
• Cutina, una miscela di idrossiacidi grassi tenuti insieme da legami esteri in un reticolo tridimensionale. È mescolata a cera;
• Cutina, costituita da cera, polisaccaridi e tracce di proteine.

Proteine

Gli amminoacidi sono composti bifunzionali, perché hanno un gruppo amminico (-NH₂) e uno carbossilico (-COOH) e sono i costituenti delle proteine. La maggior parte degli amminoacidi di importanza biologica è rappresentata da α-amminoacidi, che hanno il gruppo amminico sul carbonio adiacente al gruppo carbossilico. I due gruppi funzionali degli amminoacidi, sono uno basico (-NH₂) e l’altro acido. Questi composti esistono sotto forma di ioni dipolari o zwitterioni. In definitiva le principali proprietà degli amminoacidi sono:

• Alti punti di fusione;
• Solubilità in acqua;
• Proprietà acido-base, in quanto anfoteri.

Legando due α-amminoacidi tramite l’unione del gruppo carbossilico di uno col gruppo amminico di un altro, si ottiene un composto chiamato dipeptide. Aggiungendo man mano altri amminoacidi, il prefisso del peptide cambia, esprimendo il numero di unità: tripeptide, tetrapeptide… fino a formare un polimero, chiamato polipeptide (numero di a.a fra 10 e 50). Il legame ammidico fra gli amminoacidi, è detto legame peptidico. Si instaura un piccolo dipolo elettrico, in quanto l’ossigeno carbonilico ha una parziale carica positiva, che determina l’insorgenza di un parziale doppio legame tra C e N.

Le proteine sono catene polipeptidiche, con PM>5000, che si avvolgono in forme biologicamente attive. La conformazione che la proteina assume in condizioni fisiologiche stabili si chiama conformazione nativa. Le funzioni delle proteine sono:

• Modulare l’espressione dei geni;
• Regolare il metabolismo di enzimi e ormoni (non nelle piante);
• Trasportare ioni o molecole attraverso le membrane;
• Formare deposito di principi nutritivi.

Si possono classificare in base alla funzione in enzimatiche, ormonali, di sostegno e di trasporto; in base alle caratteristiche fisiche e funzionali in fibrose (allungate, resistenti e insolubili in acqua) e globulari (sferiche, compatte con interno idrofobico e esterno idrofilico); in base alla composizione chimica in semplici (con comp. Elementare costante, 50%C, 23%O, 16%N, 7%H, max3%S) e coniugate (glicoproteine, lipoproteine, nucleoproteine, flavoproteine, metalloproteine).

Strutture delle proteine

La sequenza lineare degli amminoacidi che formano il peptide o la proteina, si dice struttura primaria. Una catena polipeptidica può assumere differenti disposizioni spaziali. Il tipo di conformazione adottata è definita struttura secondaria. Le strutture secondarie più importanti delle proteine sono quelle ad α-elica e quella a catena estesa a pieghe (β-foglietto).

Nella struttura ad α-elica, la catena polipeptidica principale si attorciglia su sé stessa in una spirale, mentre le catene laterali si proiettano verso l’esterno. A seconda che l’avvitamento avvenga in senso orario o antiorario, si può avere un’elica destrorsa o sinistrorsa. Non tutte le catene polipeptidiche possono formare un’ α-elica stabile. La stabilità dipende dalle catene laterali degli amminoacidi e dalla loro sequenza lungo la catena. Amminoacidi con catene laterali piccole e senza carica si adattano bene alla struttura ad α-elica; quelli con catene laterali cariche dello stesso segno tendono a respingersi e destabilizzano l’ α-elica. Altro fattore che influisce sull’ α-elica è la presenza di prolina. In essa l’ α-amminogruppo, è parte di un ciclo a cinque termini e ciò rende impossibile la rotazione attorno al legame C-N. Ne consegue che, quando è presente un residuo di prolina nella catena, l’ α-elica viene distrutta, dando luogo a un ripiegamento.

Nella struttura secondaria a β-foglietto, la catena polipeptidica si estende linearmente a zig-zag e le catene adiacenti sono legate insieme da legami H tra O carbonilico di un amminoacido di una catena e H ammidico di un amminoacido di un’altra catena. Le due catene adiacenti possono essere parallele o antiparallele. Nel foglietto pieghettato parallelo, le catene vanno nella stessa direzione, dall’estremità N-terminale alla C-terminale. Nel foglietto antiparallelo, le catene adiacenti vanno in direzioni opposte.

La struttura terziaria è un’ulteriore organizzazione tridimensionale compatta della molecola. Essa riguarda le proteine globulari, ossia quelle che esplicano un’attività biologica specializzata (enzimi, ormoni, ricettori, ecc.). L’insieme dei ripiegamenti delle catene della proteina che ne determinano la corretta geometria finale, costituisce la struttura terziaria.