Chimica bioorganica

CARBOIDRATI

I carboidrati sono idrati del carbonio, con formula (CH O) .

2 n

Dal punto di vista chimico sono costituiti da un gruppo carbonilico (un aldeide o un chetone) e da gruppi

ossidrilici (-OH); il gruppo carbonilico può essere libero o può formare legami acetalici o emiacetalici.

I carboidrati semplici sono i monosaccaridi, i carboidrati più complessi sono costituiti da più unità di

monosaccaridi: disaccaridi due monosaccaridi, oligosaccaridi 3-10 monosaccaridi, polisaccaridi più di 10

monosaccaridi.

Monosaccaridi

I monosaccaridi possono essere: aldosi, nei quali il gruppo carbonilico è un aldeide (CHO), o chetosi, in cui il

gruppo carbonilico è un chetone (CH OH).

2

Notazione D e L: ponendo il gruppo carbonilico in alto, se il gruppo OH legato al carbonio asimmetrico più

in basso nella proiezione di Fischer è sulla destra, lo zucchero appartiene alla serie D. Se è sulla sinistra

appartiene alla serie L.

NB: gli zuccheri L sono l’immagine speculare di tutta la molecola di zucchero, e non solo dell’ultimo centro

stereogenico.

Aldosi: tabella a pagina 954.

Chetosi: tabella a pagina 955. Un chetone ha sempre un carbonio asimmetrico in meno rispetto al

corrispondente aldoso con lo stesso numero di atomi di carbonio.

Deossi-zuccheri: i deossizuccheri sono zuccheri nei quali uno dei gruppi OH è stato sostituito da un atomo

di H, quindi avviene la perdita di un ossigeno. La molecola prende il nome dello zucchero corrispondente,

ma preceduto da “Deossi-”.

Anomeri: a partire da un carboidrato in forma aperta, si forma un carboidrato ciclico che esiste come due

diversi diastereoisomeri, i quali differiscono solo per la disposizione del carbonio carbonilico (quello che

nella proiezione di Fischer sta in alto). Questi due diastereoisomeri vengono denominati anomeri. E sono:

se la molecola in forma aperta è il D-glucosio, avremo α-D-glucosio e β-D-glucosio-.

Mutarotazione: partendo da entrambi gli anomeri, disciolti in acqua l’emiacetale si apre e riforma l’aldeide

in forma aperta, raggiungendo l’equilibrio: [α]=+52,7. Per questa ragione viene osservata la stessa

rotazione specifica sia per uno che per l’altro anomero.

Reazioni dei monosaccaridi:

1. In ambiente acido si possono formare degli acetali (o glicosidi). I glicosidi sono composti acetalici

formati da un monosaccaride in forma ciclica legato ad un gruppo alcolico di un'altra molecola; anche

in questo caso si possono avere due anomeri.

2. Si possono avere reazioni di ossidazione: il bromo Br è un agente ossidante di forza moderata che può

2

facilmente ossidare le aldeidi (ma non chetoni ed alcoli). Il prodotto della reazione di ossidazione con

bromo è un acido aldonico.

L’acido nitrico HNO è più forte come agente ossidante e può ossidare anche aldeidi ed alcoli primari. Il

3

prodotto che sito ottiene dall’ossidazione è un acido aldarico.

3. Reazioni di ossidazione con complessi metallici: sia aldosi che chetosi vengono ossidati ad acidi aldonici

+

dal reattivo di Tollens, in cui l’ossidante riducente è Ag , il quale viene ridotto ad argento metallico e

forma uno specchio luminoso. Con il reattivo di Fehling si ha invece un precipitato con colorazione

bruna.

Questi test si utilizzano per capire se uno zucchero è o meno un riducente.

4. Zuccheri riducenti: gli emiacetali in soluzione acquosa sono in equilibrio con la forma aperta dello

zucchero, per cui possono ridurre gli agenti ossidanti: se uno zucchero possiede un gruppo aldeidico,

chetonico o emiacetalico è in grado di ridurre gli agenti ossidanti e viene chiamato zucchero riducente.

Al contrario gli acetali sono zuccheri non riducenti.

5. Riduzione di monosaccaridi: aldosi e chetosi possono essere ridotti dall’agente riducente NaBH , il

4

prodotto della riduzione è un polialcol chiamato alditolo.

Disaccaridi

I disaccaridi sono molecole formate da due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico tra il carbonio

emiacetalico di una molecola ed il gruppo ossidrilico dell’altra. Sono stabili in ambiente neutro o basico, in

ambiente acido idrolizzano per riformare i due monosaccaridi da cui derivano.

Pag 969-972.

Polisaccaridi

Pag 973-974. AMMINOACIDI

I peptidi e le proteine sono polimeri di amminoacidi. Un amminoacido è un acido carbossilico con un

gruppo amminico sul carbonio in posizione α.

Gli amminoacidi si dividono in:

• Amminoacidi proteinogenici: sono 20 e possono essere utilizzati per la sintesi ribosomiale; possono

essere inoltre modificati successivamente.

• Amminoacidi derivati da modificazioni post-traduzione.

• Amminoacidi non proteici: si trovano in peptidi con funzioni speciali, vengono inglobati in peptidi

mediante una sintesi non ribosomiale.

• Amminoacidi sintetici: utilizzo farmaceutico.

A pagina 987-989 sono riportati gli amminoacidi naturali più comuni.

Amminoacidi essenziali: sono amminoacidi che l’uomo deve assumere con la dieta in quanto non è capace

di sintetizzarli oppure non ne sintetizza in quantità sufficiente. Alcuni possono essere sintetizzati a partire

da altri amminoacidi che vengono assunti tramite la dieta.

Stereochimica degli amminoacidi:

Ad eccezione della glicina, il carbonio α di tutti gli amminoacidi è un centro stereogenico. Anche negli

amminoacidi è utilizzata la notazione D-L, con la differenza che la maggior parte degli amminoacidi esistenti

in natura sono in configurazione L (i carboidrati erano in D).

Un amminoacido che nella proiezione di Fischer ha il gruppo carbossilico in alto sull’asse verticale ed il

sostituente R in basso è: D se il gruppo amminico si trova sulla destra, L se il gruppo amminico è sulla

sinistra.

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi:

Gli amminoacidi possono esistere sia in forma acida che in forma basica, in base al pH della soluzione in cui

sono disciolti. In generale il gruppo carbossilico ha pK =2 circa, il gruppo amminico ha pK =9 circa. Dunque

a a

in base al pH della soluzione dove si trovano disciolti possono essere entrambi acidi, entrambi basici oppure

uno acido ed uno basico.

Un amminoacido non può mai trovarsi in una forma non carica, in quanto, per non essere carico dovrebbe

+

perdere il protone del gruppo amminico NH (pK di circa 9) prima di perdere un protone dal gruppo

3 a

carbossilico (pK di circa 2); questo è impossibile perché un acido debole non può perdere un protone più

a

facilmente di un acido forte. Gli amminoacidi sono detti perciò zwitteroni: composti con una carica positiva

ed una negativa su atomi non adiacenti.

Punto isoelettrico:

Il punto isoelettrico (pI) di un amminoacido è quel pH al quale non reca alcuna carica netta: ovvero il pH in

cui la somma delle cariche positive uguaglia la somma di quelle negative. Per un amminoacido semplice il pI

è la media tra le due pK .

a

Se pH>pI l’amminoacido è carico negativamente, se pH<pI l’amminoacido è carico positivamente.

Elettroforesi e scambio ionico:

Una miscela di amminoacidi può essere separata, ad esempio attraverso queste due tecniche.

L’elettroforesi separa gli amminoacidi sulla base del loro pI. Funziona versando alcune gocce della miscela

su una carta da filtro, ponendola tra due elettrodi e applicando un campo elettrico. L’amminoacido con

valore pI maggiore del pH della soluzione avrà carica totale positiva, quindi migrerà verso il polo negativo, e

viceversa. Se due molecole hanno la stessa carica, migrerà più velocemente quella più piccola.

La cromatografia a scambio ionico è una tecnica che separa gli amminoacidi in base alla loro carica totale e

permette un’identificazione sia qualitativa che quantitativa. Si utilizza una colonna impaccata con resina

insolubile; sulla sommità della colonna si carica la soluzione contenente la miscela di amminoacidi e viene

eluita con soluzioni tampone a pH crescente, per questo motivo gli amminoacidi usciranno uno per volta.

Reazioni degli amminoacidi:

Negli amminoacidi il gruppo amminico funziona da nucleofilo, ed il gruppo carbossilico compie una

sostituzione nucleofila acilica (S 2).

N PEPTIDI E PROTEINE

I peptidi sono molecole formate da amminoacidi uniti da legami covalenti tra il gruppo carbossilico di un

amminoacido ed il gruppo amminico di quello successivo.

Il legame che unisce gli amminoacidi è chiamato legame peptidico: convenzionalmente si parte

dall’amminoacido con il gruppo amminico libero ed il gruppo carbossilico legato, e dopo l’amminoacido che

lega il gruppo amminico ed ha il gruppo carbossilico libero.

Un legame peptidico ha circa il 40% di carattere di doppio legame a causa della delocalizzazione degli

elettroni. Attorno al legame peptidico non è possibile una rotazione libera proprio a causa del parziale

carattere di doppio legame.

Gli atomi di carbonio ed azoto del legame peptidico e i due atomi a cui ciascuno di essi è legato giacciono in

un piano; la planarità ha importanti conseguenze sulla geometria tridimensionale di peptidi e proteine.

Proteine – struttura:

Le proteine possono essere descritte attraverso quattro livelli strutturali:

• Struttura primaria: descrive la sequenza di amminoacidi della catena e la posizione dei ponti disolfuro.

• Struttura secondaria: conformazioni regolari assunte da alcuni segmenti dello scheletro peptidico.

• Struttura terziaria: struttura tridimensionale dell’intera catena polipeptidica.

• Struttura quaternaria: se è presente più di una catena polipeptidica è il modo in cui le singole catene si

dispongono l’una rispetto all’altra.

Punto isoelettrico: pH a cui si ha egual numero di cariche positive e negative. Queste comprendono anche

gli ioni che sono associati alla proteina. Al punto isoelettrico le proteine hanno un minimo di solubilità e

non migrano in un campo elettrico.

Punto isoionico: pH a cui i gruppi della proteina (escludendo gli ioni esterni) danno complessivamente

carica q=0.

Solubilità dei peptidi:

• Dipende dalla sequenza.

• Dipende dalla struttura secondaria.

• È minima al punto isoelettrico.

• È maggiore in ambiente acido o basico.

• Dipende dalla concentrazione di sali.

• Dipende dalla temperatura.

Sintesi peptidica:

Il gruppo peptidico all’estremità terminale (sinistra) è protetto, quindi non sarà in grado di formare legami,

mentre il gruppo carbossilico è attivato prima dell’aggiunta del secondo amminoacido. Dopo aver protetto

il gruppo amminico di un amminoacido ed attivato il suo gruppo carbossilico si aggiunge il secondo

amminoacido.

Sintesi in fase solida:

L’amminoacido C-term