PRIMA FACOLTA' DI MEDICINA E CHIRURGIA - CLUPS DIETISTA; INFERMIERE; TECNICO DI LABORATORIO
SAPIENZA UNIVERSITA' DI ROMA
La biochimica studia i composti chimici e le reazioni chimiche caratteristici degli organismi viventi. In particolare tra i composti daranno considerati in questa sede gli ZUCCHERI, i LIPIDI, gli AMINOACIDI e le PROTEINE, i NUCLEOTIDI e gli ACIDI NUCLEICI. Per cio' che attiene alle reazioni chimiche saranno considerati alcuni esempi di METABOLISMO: glicolisi, β-ossidazione degli acidi grassi, ciclo di Krebs, ciclo dell'urea, biosintesi delle pirimidine. Saranno inoltre considerati i processi della duplicazione del DNA e della sintesi proteica.
Gli zuccheri o glicidi sono composti importanti per il metabolismo ed hanno (spesso) la formula generale Cn(H2O)m. Dal punto di vista chimico sono POLIIDROSSI-ALDEIDI O POLIIDROSSI-CHETONI e possono formare polimeri anche molto grandi. Si distinguono quindi i monosaccaridi (contenenti da 3 a 7 atomio di carbonio) e i polisaccaridi (polimeri dei precedenti contenenti fino a molte migliaia di molecole di monosaccaridi legate tra loro).
ALDOSI. Gli aldosi sono i monosaccaridi appartenenti alla famiglia delle poliidrossi-aldeidi. Presentano varie forme isomeriche. Ad es.:
Nella biochimica, oltre alla gliceraldeide (unico aldoso a tre atomi di carbonio) hanno grande importanza il ribosio (un aldopentoso, cioe' un aldoso a cinque atomi di carbonio), il glucosio e il galattosio (due aldoesosi):
FORME SEMIACETALICHE DEGLI ALDOSI. Gli aldosi con piu' di tre atomi di carbonio possono formare un semiacetale interno alla molecola e assumere una struttura ciclica; questa e' preferita in soluzione acquosa (quindi nelle condizioni dell'organismo). Le forme cicliche degli aldosi possono essere rappresentate con formule analoghe a quelle lineari (rappresentazione di Fischer) o con forme geometriche (in genere esagonali o pentagonali: rappresentazione di Haworth):
Si deve ricordare che gli aldosi nella forma semiacetalica presentano carboni con ibridazione sp3 e geometria tetraedrica; pertanto le formule cicliche non assomigliano a poligoni piani; ad esempio il glucosio presenta le configurazioni a sedia e a barca analoghe a quelle del cicloesano.
CHETOSI. Si chiamano chetosi gli zuccheri che presentano il gruppo funzionale dei chetoni (sempre sul C 2); ne sono esempi il diidrossiacetone, il ribulosio ed i fruttosio:
Come gli aldosi, anche i chetosi possono dare struuture cicliche in seguito alla formazione di legami semichetalici intramolecolari.
POLIMERI. Le macromolecole biologiche sono composte da molecole piu' piccole legate tra loro; un composto cosi' costituito e' definito un POLIMERO e le sue unita' costituenti sono definite MONOMERI. Sono caratteristici del polimero il tipo di monomeri, che possono essere tutti uguali tra loro (negli OMOPOLIMERI) oppure soltanto simili (negli ETEROPOLIMERI), ed il legame che unisce i monomeri. Gli zuccheri descritti sopra possono formare omopolimeri ed eteropolimeri. Un esempio di omopolimero di monosaccaridi e' l'AMIDO, costituito da molecole di glucosio tutte uguali tra loro, legate mediante legame glicosidico; un esempio di eteropolimero di monosaccaridi e' dato dagli antigeni AB0 del sangue.
POLIMERIZZAZIONE TESTA-CODA. Nei polimeri biologici (ed in molti polimeri sintetici), i monomeri hanno una polarita' e si legano tra loro con un legame di tipo testa-coda che mantiene al polimero la stessa polarita' dei monomeri. Questo e' evidente nel legame glicosidico che lega tra loro i monosaccaridi per formare i polisaccaridi: ogni monomero ha un carbonio 1 (C1) e un carbonio 4 (C4) ed il legame e' realizzato in modo tale che il C1 del primo monomero si lega al C4 del successivo ed il polimero risultante mantiene una estremita' con il C1 libero ed una con il C4 libero: C1-X-C4--C1-X-C4--C1-X-C4... Si vede in questo esempio che il monomero ed il polimero hanno la setssa polarita', avendo entrambi una estremita' C1 ed una estremita' C4.
LEGAME GLICOSIDICO. Il legame caratteristico della polimerizzazione dei glicidi e' il legame GLICOSIDICO, una forma particolare di acetale, che si forma tra il carbonio semiacetalico di una molecola di un monosaccaride in forma ciclica (C1) ed un carbonio qualunque (in gen. C4 o C6, piu' raramente C3) di un altro monosaccaride. Un esempio di legame glicosidico si trova nel maltosio, un dimero di glucosio:
DISACCARIDI. I disaccaridi sono i piu' piccoli polisaccaridi che si possono formare e sono costituiti da due sole molecole di monosaccaridi. L'organismo umano produce un solo disaccaride, il lattosio, lo zucchero del latte essenziale per l'alimentazione del neonato, ed e' in grado id digerire ed utilizzare oltre al lattosio altri tre disaccaridi eventualmente presenti nella dieta: il saccarosio (lo zucchero da cucina), il maltosio e l'isomaltosio (che derivano dalla digestione dell'amido). Le formule sono le seguenti:
POLISACCARIDI. Sono importanti sia per il loro valore nutrizionale nella dieta, sia per il loro ruolo di riserva energetica dell'organismo (il glicogeno) o per quello strutturale (ad es. dei polisaccaridi della cartilagine). Il piu' semplice polisaccaride e' l'amido, contenuto in molti alimenti di origine vegetale (farina e derivati):
I lipidi o grassi costituiscono una classe eterogenea di composti della chimica biologica che condividono la caratteristica di essere poco o per nulla solubili in acqua. Sono classificati come:
cere
gliceridi e fosfogliceridi (esteri del glicerolo)
colesterolo e suoi derivati
derivati della sfingosina: sfingomieline, glicosidi e cerebrosidi.
I GLICERIDI. I gliceridi sono esteri del glicerolo con acidi grassi (cioe' acidi carbossilici a lunga catena carboniosa); un esempio di trigliceride e' il tri-stearato di glicerolo:
I SAPONI. Si chiamano saponi i sali degli acidi grassi: ad es. il palmitato di sodio: CH3-(CH2)14-COONa. I saponi si ottengono facendo bollire i trigliceridi in ambiente fortemente basico. In acqua si dissociano negli ioni costituenti e lo ione derivante dall'acido grasso forma aggregati sferici detti micelle, che espongono sulla superficie il gruppo carbossilato, carico e idrofilico, mentre sequestrano al loro interno le code idrofobiche. Le soluzioni acquose dei saponi hanno la proprieta' di realizzare una fase idrofobica (l'interno della micella) dispersa nella fase polare (l'acqua); per questo possono disciogliere i grassi e sono quindi impiegati come detergenti.
I FOSFOGLICERIDI. I fosfogliceridi sono molecole costituite da glicerolo, due acidi grassi, una molecola di acido fosforico ed un quarto componente (in genere inositolo oppure un aminoalcol scelto tra etanolamina, serina o colina), tutti legati tra loro mediante legami estere. I fosfogliceridi partecipano alla costituzione delle membrane biologiche.
LE MEMBRANE BIOLOGICHE. Le cellule sono rivestite da membrane costituite da un doppio strato di fosfolipidi, nel quale sono immerse proteine. Il motivo per il quale i fosfolipidi formano le membrane e' connesso col fatto che essi presentano una "testa" polare, che interagisce con l'acqua, e due "code" apolari, che preferiscono interagire tra loro:
IL COLESTEROLO E I SUOI DERIVATI. I lipidi del gruppo degli steroidi si considerano derivati di un unico precursore comune, policiclico ma non aromatico, non presente nell'organismo, chiamato ciclopentano-peridrofenantrene. Il piu' abbondante composto di questo gruppo nel nostro organismo e' il colesterolo; ma dal colesterolo derivano (mantenendo la struttura del ciclopentano-peridrofenantrene) anche gli ormoni cosiddetti steroidei (tra i quali il cortisolo, l'aldosterone e gli ormoni sessuali quali testosterone, estrogeni e progesterone) e i sali biliari.
GLI AMINOACIDI. Gli aminoacidi sono molecole organiche che presentano un gruppo carbossilico, un gruppo aminico, un atomo di idrogeno ed un residuo (variabile) legati allo stesso atomo di carbonio, che e' chiamato Cα. Riporto qui sotto la formula generica dell'aminoacido e tre esempi specifici che differiscono per il residuo:
IL LEGAME PEPTIDICO. Gli aminoacidi svolgono varie funzioni nel nostro organismo: ad esempio sono i precursori metabolici di vari ormoni e di altre sostanze importanti. La loro funzione fisiologica principale pero' non e' legata alle loro molecole in quanto tali, ma al fatto che essi sono i monomeri costituenti delle PROTEINE, eteropolimeri lineari orientati caratterizzati da uno specifico legame, il LEGAME PEPTIDICO, che interviene tra il gruppo carbossilico di un aminoacido ed il gruppo aminico dell'aminoacido successivo. La proteina presenta quindi un gruppo aminico libero ad una estremita' ed un gruppo carbossilico libero all'altra, mentre tutti gli altri gruppi aminici e carbossilici sono impegnati nei legami peptidici. Il piu' semplice composto che puo' contenere un legame peptidico e' il dipeptide, composto da due soli aminoacidi, come nell'esempio seguente:
Nel legame peptidico si osserva la delocalizzazione dell'orbitale di legame π tra C, O ed N; questo conferisce al legame peptidico un parziale carattere di doppio legame.
STRUTTURA DELLE PROTEINE. Le proteine presentano una struttura complessa, descritta secondo quattro livelli di organizzazione successivi:
la struttura PRIMARIA e' datat dalla sequenza degli aminoacidi, a partire dall'estremita' amino-terminale della catena polipeptidica ; ad es. NH2-Val-...-Arg-COOH.
La struttura SECONDARIA e' dovuta al ripiegamento della catena polipeptidica su se stessa, causato dallo stabilirsi di legami idrogeno tra i gruppi NH e CO del legame peptidico; puo' essere periodica, con le forme della spirale (detta α-elica) o del foglietto β (fatto di segmenti lineari contrapposti); oppure non periodica. Dal punto di vista della chimica organica le forme assunte dalla catena polipeptidica nelle sue strutture secondarie sono specifici tipi di isomeri conformazionali.
La struttura TERZIARIA e' data dal ripiegarsi su se stessi di segmenti a struttura secondaria periodica e da alla macromolecola la sua forma tridimensionale che puo' essere globulare o fibrosa (allungata).
La struttura QUATERNARIA e' data dall'eventuale aggregazione in un'unica proteina di piu' catene polipeptidiche, ciascuna con le sue strutture primaria, secondaria e terziaria. Non tutte le proteine presentano struttura quaternaria.
Come esempio di strutture secondaria e terziaria si puo' considerare la struttura tridimensionale della mioglobina, una piccola proteina di circa 150 aminoacidi presente nei muscoli:
FUNZIONI DELLE PROTEINE. Una tipica proteina puo' essere formata da 100-1000 aminoacidi e presentarsi come una sfera piu' o meno irregolare del diametro di 50-100 Angstroms, a causa del ripiegamento ordinato della catena polipeptidica. Questo comporta che i residui di aminoacidi, anche lontani nella sequenza, possono trovarsi tra loro vicini ed orientati in modo preciso. Si vengono cosi' a creare all'interno delle proteine cavita' rivestite dai residui degli aminoacid, nelle quali possono legarsi molecole diverse, piccole o grandi.
Le funzioni svolte dalle proteine nel nostro organismo sono importantissime e sono dovute proprio alla capacita' di interagire reversibilmente con altre molecole; citiamo a titolo di esempio:
l'attivita' enzimatica
le funzioni di trasporto
le interazioni ormone-recettore e antigene-anticorpo
Gli acidi nucleici, che contengono e trasmettono l'informazione genetica, sono eteropolimeri lineari orientati di nucleotidi. Esistono due tipi di acidi nucleici: l'acido RIBONUCLEICO (RNA) e l'acido DESOSSIRIBONUCLEICO (DNA).
I NUCLEOTIDI sono molecole complesse, costituite da uno zucchero (il ribosio o il desossiribosio), una base azotata, derivata dalla purina o dalla pirimidina, ed una molecola di acido fosforico:
In ciascun tipo di acido nucleico sono presenti quattro tipi di basi azotate, dei quali tre sono in comune tra RNA e DNA. Le quattro basi dello RNA sono: uracile (U), citosina (C), adenina (A) e guanina (G). Le quattro basi del DNA sono: timina (T), citosina (C), adenina (A) e guanina (G). Adenina e guanina sono le basi puriniche (la purina e' un eterociclico aromatico formato da due anelli condensati, uno a 6 atomi e uno a 5 atomi); uracile, timina e citosina sono le basi pirimidiniche (la pirimidina e' un eterociclico aromatico con un solo anello a 6 atomi). Timina e uracile si assomigliano molto: in pratica la timina e' metil-uracile. Le formule chimiche delle basi azotate sono le seguenti:
Lo zucchero presente nei nucleotidi che costituiscono lo RNA e' il ribosio un aldoso a 5 atomi di carbonio; quello presente nei nucleotidi che costituiscono il DNA e' il 2-desossi ribosio. Entrambi possono formare strutture semiacetaliche, cicliche, che per la loro rassomiglianza con il tetraidrofurano (un eterociclico non aromatico) sono chiamate strutture furanosiche:
I componenti del nucleotide si legano tra loro in questo modo: la base azotata si lega al C1' dello zucchero con un legame N-glicosidico (analogo al legame glicosidico dei polisaccaridi ma formato con un atomo di azoto al posto dell'ossigeno); l'acido fosforico al C5' dello zucchero con legame di tipo estere fosforico. Per distinguere i carboni dello zucchero da quelli della base azotata si usa la seguente convenzione: i C della base azotata sono numerati come C1, C2, etc.; quelli dello zucchero come C1', C2' etc. (e si legge C1 primo, C2 primo etc.). I nulceotidi che contengono il ribosio sono chiamati ribonucleotidi, quelli che contengono il desossiribosio desossiribonulceotidi.
Il DNA e' un polimero di desossiribonucleotidi; lo RNA e' un polimero di ribonucleotidi. Per formare il polimero, i nucleotidi devono essere dello stesso tipo (o ribonucleotidi o desossiribonucleotidi) e devono formare tra loro un legame di tipo diestere fosforico che coinvolge oltre al C5' anche il C3' dello zucchero successivo nella catena. Il polimero risultante ha una estremita' C5' ed una C3' ed e' quindi un polimero lineare orientato:
ACCOPPIAMENTO DELLE BASI AZOTATE. Due proprieta' fondamentali degli acidi nucleici sono le seguenti:
1) la sequenza dei nucleotidi del DNA o dello RNA e' LIBERA: infatti la base azotata non partecipa allo scheletro del polimero, che e' costituito da una successione di molecole di acido fosforico e ribosio.
2) Le basi azotate possono accoppiarsi tra loro mediante due sole coppie: A con T (nello RNA A con U; ovviamente sono possibili anche le coppie inverse T con A o U con A) e G con C (e la sua inversa C con G); questo perche' la coppia AT forma due legami idrogeno (A = T), mentre la coppia GC ne forma tre e con polarita' diversa (G ≡ C).
Grazie all'accoppiamento delle basi azotate il DNA (ma non lo RNA) e' costituito da due polimeri complementari, chiamati filamenti, disposti in senso inverso per la polarita' C3'-C5', accoppiati tra loro e arrotolati a spirale (doppia elica):
| C5' | C3' |
| ... | ... |
| A = | T |
| T = | A |
| C ≡ | G |
| G ≡ | C |
| ... | ... |
| C3' | C5' |
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