Chimica Organica (Biochimica) - Appunti Completi

Biochimica

I glicidi o carboidrati o saccaridi

I glicidi, o carboidrati, sono una classe di macromolecole biologiche molto rappresentate sulla Terra (la più presente è la cellulosa, un polisaccaride). Queste molecole svolgono:

• Funzioni di riserva energetica
• Funzioni strutturali
• Alcune sono implicate in meccanismi di riconoscimento e segnalazione (sia fra cellule che fra organi diversi)

Queste molecole possono esistere da sole come tali, ma possono anche essere legate a molecole di altra natura, come le proteine (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi). In generale, quando i glicidi sono legati a molecole di altra natura, si parla di glicoconiugati.

Queste molecole vengono classificate in base alla loro complessità strutturale. Le molecole più semplici, le cosiddette unità costitutive, sono i monosaccaridi (zuccheri semplici); quando due o poche più unità si legano, si parla di oligosaccaridi; se queste unità sono, invece, tante (da decine a decine di migliaia) si parla di polisaccaridi.

I monosaccaridi

I monosaccaridi sono composti polifunzionali, ossia molecole che contengono più di un gruppo funzionale. I gruppi funzionali sono atomi, o raggruppamenti di atomi, che definiscono la reattività di un certo composto (per esempio il gruppo –OH per gli alcoli, il gruppo –COH per gli aldeidi, il gruppo –COOH per gli acidi carbossilici, il gruppo NH₂ per le ammine, il doppio legame fra i due atomi di C per gli alcheni, ecc.).

Possono contenere un gruppo aldeidico o, in alternativa, un gruppo chetonico (mai tutti e due insieme) e, insieme a questi, più gruppi ossidrile (–OH). Quindi, dal punto di vista chimico, possono essere poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. Sono molecole abbastanza semplici, costituite da 3 tipi di atomi (C, H, O). Il numero di atomi di C non è mai inferiore a 3 e non è mai superiore a 7 (3<C<7); i monosaccaridi più noti hanno 5 o 6 atomi di carbonio.

La formula generale di un monosaccaride è (CH₂O)_n, dove 3<n<7. A seconda del numero di atomi di carbonio e della presenza del gruppo aldeidico o chetonico, i monosaccaridi vengono distinti in aldotriosi e chetotriosi (3 C), aldotetrosi e chetotetrosi (4 C), aldopentosi e chetopentosi (5 C), aldoesosi e chetoesosi (6 C).

Il più semplice dei monosaccaridi e, in particolar modo, dei cosiddetti aldosi (sono quei monosaccaridi che contengono un gruppo aldeidico, da distinguere dai chetosi, che invece contengono il gruppo chetonico), è la gliceraldeide, a 3 atomi di C. Questa è una molecola chirale; se, infatti, la prendiamo e la specchiamo, l’immagine speculare non è sovrapponibile alla molecola di partenza: la diversità sta nella disposizione del gruppo OH legato al carbonio centrale. Se questo è a destra, abbiamo la D-Gliceraldeide, se a sinistra la L-Gliceraldeide (non ha alcuna importanza in campo biologico). Normalmente, noi troviamo tutti saccaridi della serie D, che hanno un grande ruolo in campo biologico.

Tra gli zuccheri triosi, oltre alla gliceraldeide, troviamo il suo corrispettivo chetoso, che è un isomero strutturale della gliceraldeide, detto diidrossiacetone, unico zucchero non chirale.

Dei pentosi è importante ricordare il D-Ribosio, molto importante perché entra nella costituzione dell’acido ribonucleico (RNA). Un derivato del ribosio è il 2-deossiribosio, nel quale è scomparso l’atomo ossigeno legato al carbonio 2, che costituisce l’acido desossiribonucleico (DNA).

Tra gli esosi troviamo il D-Glucosio (aldoesoso) e il D-Fruttosio (chetoesoso). Se prendiamo il D-Glucosio e invertiamo la posizione dei sostituenti sul Carbonio 4, otteniamo un epimero del glucosio, il D-Galattosio. In presenza di tanti carboni chirali, due epimeri differiscono per la disposizione di atomi su un solo carbonio chirale. Questa molecola è, quindi, l’epimero in posizione 4 del glucosio. Un altro zucchero è il D-Mannosio, che differisce per la disposizione degli atomi sul carbonio 2.

Quando gli zuccheri sono disciolti in soluzione, non presentano struttura lineare, ma tendono a formare un anello, perché il gruppo aldeidico tende a reagire col gruppo OH, formando un semiacetale. Nel momento in cui si forma il semiacetale, si generano due nuovi isomeri; per esempio, per il glucosio, si generano l’α-D-Glucosio e il β-D-Glucosio. Questi differiscono per la disposizione dei sostituenti sul carbonio 1. Queste forme cicliche prendono il nome di Proiezioni di Haworth: ricorda che tutto ciò che, nella forma lineare, stava a destra, va sotto al piano dell’anello, mentre tutto ciò che sta a sinistra, va sopra.

I monosaccaridi danno dei derivati molto importanti:

• Gli amminozuccheri (per esempio la glucosammina, che deriva dalla sostituzione, nel glucosio, del gruppo OH legato al carbonio 2 con un gruppo amminico);
• Gli acidi uronici, derivati normalmente degli esosi, in cui il gruppo CH₂OH viene ossidato a COOH (funzione carbossilica). Dal glucosio deriva, per esempio, l’acido glucuronico e dal galattosio l’acido galatturonico.
• I fosfozuccheri, in cui una molecola di acido fosforico è andata a legarsi a un atomo di carbonio dello zucchero. I più importanti sono il glucosio-6-fosfato, il fruttosio-6-fosfato, il ribosio-5-fosfato. Il nome indica che c’è un fosfato in una certa posizione, legato attraverso un legame estere. Sono importantissimi perché, nelle cellule, esistono solo i derivati fosforilati e mai gli zuccheri normali.

Gli oligosaccaridi

Due molecole di monosaccaride possono reagire fra loro, attraverso una reazione di condensazione. Viene eliminata una molecola di acqua e si forma un ponte ossigeno fra le due molecole. Questo legame prende il nome di legame glicosidico. Prendiamo, per esempio, due molecole di glucosio in forma ciclica (α-D-Glucosio e un altro glucosio): le posizione unite sono l’α1 della prima molecola e la posizione 4 della seconda. Questo legame prende il nome di α1,4-glicosidico. Il nome dice tutto: spiega che l’anomero α del glucosio in posizione 1 ha reagito col carbonio 4 di una seconda molecola di glucosio. Quando questo succede, si forma un disaccaride, in questo caso il maltosio.

Altri disaccaridi interessanti sono il lattosio, in cui abbiamo l’unione β-galattosio di un e di β-glucosio attraverso un legame β1,4-glicosidico, e il saccarosio, dato dall’unione di una molecola di α-fruttosio e una di α-glucosio attraverso un legame α1,2-glicosidico.

I polisaccaridi

Ci sono due grandi classi di polisaccaridi: gli omopolisaccaridi, costituiti dalla ripetizione della stessa unità costitutiva per n volte, e gli eteropolisaccaridi, costituiti dalla ripetizione di più unità costitutive diverse.

I polisaccaridi hanno più funzioni:

• Riserva energetica (amido nel mondo vegetale, glicogeno nel mondo animale)
• Ruolo strutturale (cellulosa nel mondo vegetale, chitina nel mondo animale)
• Azione lubrificante
• Ruolo dell’adesione cellulare e nell’accrescimento cellulare (processi di segnalazioni)

Amido e glicogeno (omopolisaccaridi): Vengono accumulati all’interno delle cellule sotto forma di granuli. L’amido è costituito da 2 componenti principali, l’amilosio e l’amilopectina. Il primo è costituito da catene lineari, in cui sono presenti unità di α-D-Glucosio, unite fra loro con legami α1,4-glicosidici. La seconda, oltre ad avere queste catene lineari, si hanno anche delle ramificazione, date da legami α1,6-glicosidici. Queste catene di amido tendono ad assumere un andamento elicoidale.

Il glicogeno assomiglia all’amilopectina, ma presenta più ramificazioni. Si trova nel fegato e nei muscoli. Le cellule muscolari lo utilizzano come riserva di energia, mentre il fegato lo utilizza per immettere glucosio nel sangue e mantenere la glicemia, che in un valore normale deve rimanere fra 65 e 110 mg per dl (decilitro).

Cellulosa e chitina (omopolisaccaridi): La cellulosa è un polimero del β-D-Glucosio. In virtù di questi legami, la cellulosa tende a formare delle molecole, che non hanno tendenza ad avvolgersi, ma costituiscono delle fibre, molto robuste. Questa non è da noi digeribile. La differenza fra amido e cellulosa sta nel fatto che nell’amido ci sono legami α1,4-glicosidici, che noi possiamo idrolizzare. Nel caso della cellulosa, i legami sono β1,4-glicosidici, impossibile per noi da idrolizzare. La chitina è un polimero di N-acetilglucosammina. Le fibre di chitina sono molto più resistenti delle fibre di cellulosa.

Glicosamminoglicani (eteropolisaccaridi): Costituiti da 2 o 3 unità costitutive di derivati di monosaccaridi. Il più importante è l’acido ialuronico (costituito da acido glucuronico e N-acetilglucosammina, ripetuti moltissime volte). Di solito queste molecole si uniscono con molecole proteiche, dando vita ai proteoglicani. Queste, insieme ad altre proteine fibrose, costituiscono la matrice extracellulare. Simili ai proteoglicani sono le glicoproteine. I due differiscono per le dimensioni e per le proporzioni fra le due componenti: nelle glicoproteine prevale la componente proteica, mentre nei proteoglicani prevale la componente saccaridica.

I lipidi

Viene definito lipide tutto ciò che non è solubile in acqua, ma è solubile in solventi organici. Essi svolgono diverse funzioni:

• Riserva energetica
• Funzione strutturale
• Isolante termico
• Isolante elettrico (guaine mieliniche delle cellule nervose)
• Segnali chimici

I lipidi possono essere:

• Semplici o non saponificabili, quando non contengono acidi grassi (terpeni, steroidi e prostaglandìne);
• Complessi o saponificabili, con molecole di acidi grassi (acilgliceroli, fosfogliceridi, sfingolipidi).

Gli acidi grassi, la cui presenza ci consente di distinguere i due tipi di lipidi, sono acidi carbossilici costituiti da 4 atomi di C in su (acido butanoico, pentanoico, esanoico, eptanoico, ecc.). Un acido grasso è una molecola molto semplice: presenta un gruppo carbossilico (COOH) e una catena idrocarburica, conclusa con un CH₃. La catena, idrofoba e apolare, non si scioglie nell’acqua, nonostante sia presente anche un gruppo carbossilico, polare. Un acido grasso è costituito, quindi, da un gruppo carbossilico, una catena di CH₂ e un gruppo CH₃ in fondo. I carboni si numerano a partire dal carbonio del carbossile. Nel caso che, però, si utilizzino anche lettere greche, al carbonio del carbossile non viene assegnata nessuna lettera. Il carbonio 2 prende, quindi, il nome di carbonio α, il terzo carbonio β e via dicendo, fino ad arrivare all’ultimo carbonio, detto carbonio Ω (qualunque sia la lunghezza della catena, questo si chiama sempre così, perché l’omega è l’ultima lettera dell’alfabeto greco).

Gli acidi grassi possono essere:

• Saturi, quando la catena idrocarburica contiene solo legami semplici tra gli atomi di carbonio;
• Insaturi, quando è presente almeno un doppio legame fra due atomi di carbonio. Quando c’è un doppio legame si presenta il fenomeno dell’isomeria geometrica, ossia la isomeria cis-trans. Negli acidi grassi naturali, questi doppi legami hanno sempre una configurazione CIS: ciò implica che la catena idrocarburica non sia rettilinea, ma sia piegata. Gli acidi grassi saturi, quindi, possono impacchettarsi uno contro l’altro in maniera serrata. Quelli insaturi, invece, non possono serrarsi fra loro.

Acidi grassi saturi

Acidi grassi insaturi

L’Acido Linoleico e l’Acido Linolenico sono acidi grassi essenziali, che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare autonomamente.

I gliceridi o acilgliceroli

Molto importanti perché svolgono la funzione di riserva energetica: sono i grassi che si accumulano negli organismi animali, più precisamente negli adipociti. Questi sono cellule molto grosse, completamente riempite di grasso. Il nucleo è schiacciato contro la membrana plasmatica. Esse possiedono uno scheletro di base, costituito da una molecola di glicerolo (3 atomi di C, CH₂OH, CHOH, CH₂OH). Quando un carbossile (COOH) di un acido carbossilico reagisce con un gruppo alcolico (OH) di un glicerolo, si forma un legame estere, attraverso una reazione di condensazione in cui viene eliminata una molecola d’acqua. Questa reazione avviene 3 volte, perché nel glicerolo ci sono 3 gruppi OH: vanno via 3 molecole d’acqua e si forma un triacilglicerolo o trigliceride, molecola completamente idrofoba.

I fosfogliceridi

Gli acilgliceroli e i fosfogliceridi hanno in comune la molecola di glicerolo, come scheletro di base. Tuttavia, i primi sono lipidi di riserva, molecole fortemente apolari che vengono accumulate nel tessuto adiposo; i fosfogliceridi, invece, hanno funzione strutturale: sono, infatti, i principali costituenti delle membrane cellulari.

Un fosfogliceride ha una struttura che, per alcuni versi, è molto simile a quella dei trigliceridi; tuttavia, mentre in questi i 3 carboni si legano a 3 acidi grassi, nei fosfogliceridi solo i primi due carboni si legano ad acidi grassi, mentre il terzo si lega con legame estere ad una molecola di acido fosforico, al quale poi si lega un’ulteriore molecola (per esempio la Colina, formando così la fosfatidilcolina). Dal punto di vista funzionale i fosfogliceridi sono così diversi, proprio perché la loro struttura è diversa. Il trigliceride è una molecola completamente apolare; il fosfogliceride, al contrario, ha una doppia natura: ha al suo interno una parte apolare (le due molecole di acido grasso, che formano una sorta di code), ma ha anche una parte polare, il fosfato (anche la molecola aggiuntiva è polare, che sia la Colina o un’altra). I fosfogliceridi, per questo, vengono rappresentati in maniera schematica, con una testa idrofila e con le code idrofobe. Se introdotti in acqua, queste molecole tendono a formare doppi strati, in cui le code idrofobe di una molecole entrano in contatto con le code di un’altra, esponendo le teste idrofile al solvente acquoso (processo di formazione delle membrane cellulari).

Sfingolipidi

Hanno come molecola di base la sfingosina. Esistono 4 principali tipi di sfingolipidi (2 dei quali sono fosfolipidi e due glicolipidi):

• Se alla sfingosina si lega una molecola di acido grasso, si viene a formare il ceramide.
• Se al ceramide si lega, poi, una molecola di acido fosforico, insieme a una colina, si genera la sfingomielina (molto abbondante nel cervello e nel tessuto nervoso, dove costituisce la guaina mielinica dei nervi). Anche queste molecole possiedono una doppia natura, come i fosfogliceridi: come queste, infatti, sono fosfolipidi. Inoltre, anche le sfingomieline hanno una parte polare e una apolare.
• Se, in testa alla sfingosina, si va a legare una singola molecola di glucosio o di galattosio, si vengono a formare dei glicolipidi, detti cerebrosidi (anche questi presenti nel tessuto nervoso, come è possibile intuire dal nome stesso, a formare le membrane cellulari).
• Se, invece di una singola molecola di glucosio o di galattosio, si legassero degli oligosaccaridi, allora si parla di gangliosidi (anche questi molto importanti a livello delle membrane; i gruppi sanguigni AB0 sono definiti da dei gangliosidi posti sulla superficie dei globuli rossi).

Steroidi

Sono lipidi semplici, che non contengono acidi grassi. Il più importante è il colesterolo, una molecola a 27 atomi di C, che possiede in gran parte una struttura ciclica, un gruppo OH, che dona una punta di polarità alla molecola. Il colesterolo è una molecola estremamente importante per noi, nel bene e nel male. Nel bene perché possiede molte funzioni, come quella strutturale: esso entra nella costituzione delle membrane citoplasmatiche. Alla temperatura corporea conferisce alle membrane una certa rigidità; se la temperatura dovesse abbassarsi, la membrana cellulare, costituita solo da fosfolipidi, tenderebbe a cristallizzare: la presenza del colesterolo impedisce questa cristallizzazione. Quindi, il colesterolo, nelle membrane cellulari, ha un ruolo di modulatore della fluidità. Inoltre, è anche importante come precursore di altre molecole: da esso deriva la Vitamina D3 (1,25-Diidrossicolecalciferolo); gli ormoni steroidei (aldosterone, estrogeni, testosterone, cortisolo, ecc.); progesterone, gli acidi e i sali biliari, prodotti dal fegato e riversati nella bile, dove fungono da agenti emulsionanti.

Il colesterolo non ha funzioni energetiche: non si accumula da nessuna parte, se non in condizioni patologiche: in questi casi si deposita sulle pareti di arterie, portando a fenomeni di tromboembolia.

Terpeni

I terpeni sono molecole idrofobe, costituite da un numero variabile di unità isopreniche (5 atomi di C, un doppio legame e una ramificazione metilica). Esistono molte molecole naturali, fondamentali per il nostro organismo, come la vitamina A, la vitamina K, la vitamina E.

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi sono composti bifunzionali: da un lato, infatti, presentano un gruppo acido, mentre dall’altro un gruppo amminico. Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono α-amminoacidi.