LE BIOMOLECOLE

Le biomolecole

Le biomolecole sono molecole organiche che si trovano in organismi viventi. Esse includono:

CARBOIDRATI

LIPIDI

PROTEINE

ACIDI NUCLEICI

I CARBOIDRATI

Carboidrati: sostanze organiche naturali costituite da C, H e O. Svolgono due principali funzioni: - Riserva energetica - Mondo vegetale: amido - Mondo animale: glicogeno - Ruolo strutturale - Mondo vegetale: cellulosa (pareti delle cellule) - Mondo animale: chitina (esoscheletro insetti)

Si classificano in base alla loro struttura - Monosaccaridi: molecole semplici, unità costitutive - Oligosaccaridi: unione di pochi monosaccaridi, semplici - Polisaccaridi: unione di numerosi monosaccaridi, complessi I carboidrati si trovano anche associati a molecole di natura diversa da loro, come proteine e lipidi che formano rispettivamente glicoproteine e glicolipidi, questi tipi di composti si chiamano glicoconiugati (mediano la comunicazione fra cellule).

MONOSACCARIDI

Monosaccaridi: carboidrati semplici che esistono liberi in natura ma molto spesso sono legati fra loro a formare molecole più complesse, essi sono costituiti da molecole la cui formula generale è: CnH2nOn( 3<n<6). Essi si distinguono in base al numero di atomi di carbonio presenti nella loro molecola:

• triosi - 3
• tetrosi - 4
• pentosi - 5
• aldosi, se presentano un gruppo funzionale aldeidico
• chetosi, se presentano un gruppo funzionale chetonico.

I monosaccaridi contengono anche tanti gruppi ossidrile quanti sono gli atomi di carbonio - 1. L'aldoso più semplice è la gliceraldeide C3H6O3 con due possibili isomeri: L-gliceraldeide e D-gliceraldeide; sono enantiomeri (uno l'immagine speculare dell'altro con centro stereogenico); la lettera D o L si riferisce alla posizione del gruppo -OH legato all'atomo di carbonio più lontano dal gruppo aldeidico o chetonico, in natura sono la D è utilizzata negli organismi viventi. Il chetoso più semplice è il diidrossiacetone che è un intermedio a tre atomi di carbonio del metabolismo degli zucchero che non presenta centri stereogenici. Aldosi principali:

• D-Glucosio
• D-Galattosio
• D-Ribosio
• 2-Desossiribosio

Chetoso principale: D-fruttosio, contenuto in frutta e miele ed prodotto per idrolisi del saccarosio; è metabolizzato nel fegato.

In soluzione i monosaccaridi assumono struttura ciclica e formano due nuovi isomeri detti anomeri; gli anomeri del glucosio sono:

• Ⲁ-D-Glucosio
• β-D-Glucosio

Le strutture cicliche dei monosaccaridi possono essere a cinque (anelli detti furanosi) o a sei atomi(anelli detti piranosi).

I CARBOIDRATI

DISACCARIDI

Il legame tra alcune molecole di monosaccaridi porta alla formazione di oligosaccaridi (es: disaccaridi). Essi derivano dall'unione di monosaccaridi per reazione dell'ossidrile anomerico di un monosaccaride con un ossidrile dell'altro attraverso una reazione di condensazione (acetalizzazione) in cui vi è:

• la liberazione di una molecola d'acqua;
• la formazione del legame o-glicosidico;

in cui un atomo di ossigeno si pone tra ponte ai due anelli. Esempi di disaccaridi sono maltosio, saccarosio e Lattosio.

POLISACCARIDI

L'unione mediante legami glicosidici di numerose molecole di monosaccaridi porta alla formazione di polisaccaridi, essi si dividono in due gruppi:

• omopolisaccaridi: ripetizione di un solo tipo di monosaccaride;
• eteropolisaccaridi: ripetizione di due o più tipi diversi di monosaccaridi.

I polisaccaridi si classificano anche in base alla presenza di ramificazioni nelle loro molecole:

• polisaccaridi a catena lineare;
• polisaccaridi a catena ramificata.

Inoltre i polisaccaridi svolgono 2 funzioni:

• Riserva energetica (amido, glicogeno)
• Ruolo strutturale (cellulosa, chitina)

I CARBOIDRATI

I LIPIDI

Lipidi: gruppo eterogeneo di sostanze che hanno in comune la caratteristica di essere insolubili in acqua e solubili in solventi organici apolari come etere, cloroformio e cicloesano

Essi svolgono importanti funzioni: - riserva - strutturale - trasmissione dello stimolo nervoso - precorre le vitamine e gli ormoni - isolazione termica

Data la loro grande eterogeneità vengono classificati in: - lipidi semplici: esteri di acidi grassi con alcoli (grassi e cere) - complessi: esteri di acidi grassi con alcoli che contengono anche altri gruppi atomici (fosfolipidi); - precursori e derivati: rispettivamente acidi grassi e vitamine. Un altro criterio consente di dividerli in a seconda che siano: - saponificabili (trigliceridi) - non saponificabili (steroidi).

ACIDI GRASSI

Acidi carbossilici che possiedono quattro o più atomi di carbonio; sono presenti nei lipidi naturali prevalentemente sotto forma di esteri ma esistono anche come acidi grassi liberi. Gli acidi grassi più diffusi in natura sono provvisti di una lunga catena costituita da almeno 12 atomi di carbonio e hanno formula generale R-COOH. Gli acidi grassi a catena lunga sono insolubili in acqua ma si sciolgono in soluzione alcalina formando sali solubili detti saponi. Quelli che prendono parte alla formazione di lipidi hanno in genere numero pari di carboni compreso tra 4 e 30: acido palmitico (16) acido oleico (18). La lunga catena idrocarburica degli acidi grassi saturi ha un andamento pressoché rettilineo, ciò consente alle molecole di compattarsi strettamente e ciò a sua volta determina un punto di fusione alto, al contrario dei doppi legami che causano un cambiamento di direzione ostacolando il compattamento. Per numerare la catena si parte dal carbonio con il gruppo carbossile oppure si utilizzano le lettere greche (alfa e omega). Gli acidi grassi insaturi sono talvolta classificati in base ad un criterio che considera la distanza di atomi di carbonio fra l'ultimo doppio legame della catena e l'estremità metilica della molecola, ad esempio omega6 e omega3 che sono acidi grassi essenziali.

I LIPIDI

TRIGLICERIDI

Trigliceridi: principale riserva energetica degli organismi viventi; sono anche i costituenti: - del tessuto adiposo negli animali, dove sono presenti in forma di grassi - dei depositi lipidici delle pianti, dove sono presenti sotto forma di oli.

L'impalcatura strutturale di base è data dall'1,2,3-propantriolo o glicerolo a cui poi si legheranno tre molecole di acidi grassi attraverso reazioni di esterificazioni in cui vengono eliminate tre molecole di acqua. I grassi animali, che si trovano allo stato solido a temperatura ambiente, sono ricchi di acidi grassi saturi; negli oli vegetali, liquidi a temperatura ambiente, predominano invece gli acidi grassi insaturi.

FOSFOGLICERIDI

I fosfogliceridi contengono uno scheletro di base costituito dal glicerolo con due molecole di acido grasso esterificate sui primi due atomi di carbonio, ma al contrario dei trigliceridi, in terza posizione vi è un gruppo fosfato legato ad un gruppo X (in genere amminoalcol) la cui natura è spesso ionica o polare. L'acido fosfatidico è il fosfogliceride più semplice, il gruppo x è un atomo di idrogeno. Le molecole dei fosfogliceridi hanno una doppia natura: - in prossimità del gruppo fosfato è del gruppo X la molecola è polare (testa idrofila) - nella regione dei due acidi grassi la molecola è apolare (code idrofobiche). Le molecole con questa caratteristica vengono dette anfipatiche e tendono a formare doppi strati quando si trovano a contatto con l'acqua. Queste proprietà fanno dei fosfogliceridi i principali costituenti delle membrane biologiche, formate da un doppio strato fosfolipidico.

I LIPIDI

TERPENI, STEROLI E STEROIDI

Terpeni: gruppo di lipidi non saponificabili che derivano dal 2-metil-1,3-butadiene, noto come isopropene. Questa molecola è piuttosto instabile e ha una spiccata tendenza alla polimerizzazione, che porta alla formazione di composti sia lineari sia ciclici, i terpeni (squalene, mentolo).

lcuni terpeni sono importanti anche per gli esseri umani, tipo lo squalene che è implicato nella biosintesi del colesterolo nel fegato, mentre le vitamine A, E e K ed i loro precursori sono fondamentali per alcuni processi fisiologici. Steroidi: gruppo di lipidi non saponificabili che presentano la struttura di base del ciclopentanoperidrofenantrene, molecola caratterizzata da un sistema a quattro anelli di cui tre a sei atomi di carbonio e uno a cinque. Lo sterolo più abbondante nei tessuti animali è il colesterolo, un composto a 27 atomi di carbonio in cui l'anello D della struttura a quattro anelli è legata ad una catena alchilica. Nell'uomo, il colesterolo è assunto con gli alimenti ma è anche prodotto dal fegato in modo controllato per assicurare la disponibilità ottimale ai vari tessuti. Esso è un costituente fondamentale delle membrane cellulari delle quali regola la fluidità: - alla temperatura corporea, la struttura rigida della molecola del colesterolo conferisce alla membrana cellulare la compattezza necessaria allo svolgimento delle sue funzioni - alle basse temperature, il colesterolo impedisce invece che la membrana cristallizzi perdendo la propria funzionalità. Il colesterolo è anche il precursore di numerosi steroidi importanti come la vitamina D3 e gli ormoni steroidei ma anche dei sali biliari

GLI ORMONI LIPOFILI

Ormoni: molecole organiche prodotte dalle ghiandole endocrine del nostro organismo che si riversano nel sangue e agiscono legandosi a specifici recettori posti su cellule bersaglio. Attraverso il legame con i recettori, gli ormoni sono in grado di regolare numerose funzioni fisiologiche. Essi agiscono come messaggeri chimici e sono impicati nella risposta dell'organismo a stimoli provenienti sia dall'ambiente interno al corpo sia dall'esterno. Gran parte degli ormoni sono molecole idrofile di natura proteica o derivate da amminoacidi. Fanno ecceaione gli ormoni tiroidei e quelli prodotti dalla curticale del surrene e dalle gonadi che sono molecole lipofile. Alcuni di questi ormoni sono derivati dal colesterolo e vengono classificati come derivati lipidici -> cortisolo.

LE PROTEINE

Proteine: classe di biomolecole presente in: - tutte le cellule; - ambiente extracellulare che svolgono molteplici funzioni e partecipano ad importanti processi fisiologici. Le proteine svolgono molteplici funzioni, quali: - segnalazione -> ORMONI; - catalizzazione -> ENZIMI; - difesa -> IMMUNOGLOBULINE; - trasporto -> EMOGLOBINA; - strutturale -> UNGHIE; - contrattile -> NEI MUSCOLI.

Le proteine vengono classificate in due modi, in base a: - struttura; - forma. In base alla struttura sono: - semplici: proteine costituite esclusivamente dalla componente polipeptidica; - coniugate: proteine in cui sono presenti gruppi prostetici di varia natura. In base alla forma sono: - fibrose -> svolgono funzioni strutturali e sono prevalentemente insolubili con struttura allungata; - globulari -> svolgono funzioni in soluzione ed hanno una struttura compatta; - di membrana -> immerse nel doppio strato fosfolipidico delle membrane cellulari.

AMMINOACIDI

Amminoacidi: piccole molecole organiche bifunzionali che presentano: - un gruppo carbossilico (-COOH); - un gruppi amminico. (-NH2). Quelli che comunemente prendono parte alla formazione delle proteine sono venti. I due gruppi funzionali di ciascun amminoacido sono legati allo stesso atomo di carbonio, detto carbonio α, per questo motivo sono detti α-amminoacidi. La parte evidenziata dalla formula è comune a tutti gli α-amminoacidi, essi differiscono fra loro soltanto per la natura chimica del gruppo R, la catena laterale. Tutti gli α-amminoacidi delle proteine mostrano quattro sostituenti diversi legati all'atomo di carbonio alfa, che è quindi un centro stereogenico, quindi, ogni amminoacido esiste sotto forma di isomeri diversi (D, L), tuttavia, alle proteine appartengono solo quelli L. I due gruppi funzionali: - - COOH; - - NH2. sono ionizzabili e quindi sensibili al pH dell'ambiente. L'atomo di azoto del gruppo amminico può accettare un protone e trasformarsi in -NH3+ mentre il gruppo carbossilico può cedere un protone e trasformarsi in --COO-.

LE PROTEINE

Al valore di pH fisiologico (7,4) un amminoacido si presenta come ione dipolare (zwitterione) per trasferimento di un protone dal gruppo donatore acido al gruppo accettore basico. A valori di pH acido, un amminoacido presenta la carica positiva del gruppo amminico - NH3+ e mostra il gruppo - COOH nella forma indissociata.

A valori di pH basico, un amminoacido presenta la carica negativa del gruppo - COO- e mostra il gruppo - NH2 nella forma indissociata. Ogni amminoacido è caratterizzato da un punto isoelettrico che equivale al valore di pH in corrispondenza del l'amminoacido risulta essere elettricamente neutro, per la maggior parte di essi pI=7. I venti amminoacidi (di cui otto sono essenziali) che costituiscono le proteine si classificano in base alle caratteristiche strutturali della loro catena laterale che influenza la polarità della molecola: - amminoacidi apolari (aromatici e alifatici); - amminoacidi polari (gruppo idrofilo non ionizzabile oppure un gruppo ionizzabile che presenta carica o positiva o negativa).

IL LEGAME PEPTIDICO

In opportune condizioni gli amminoacidi reagiscono fra loro per formare catene polipeptidiche mediante reazioni di polimerizzazione. Il gruppo carbossile di un amminoacido può reagire con il gruppo α-ammino di un secondo amminoacido con perdita di una molecola d'acqua, è una reazione di condensazione e vi è la formazione di un legame peptidico. Il prodotto delle reazioni fra due amminoacidi è una nuova molecola che prende il nome generale di dipeptide. Alle estremità di ogni dipeptide compaiono ancora un gruppo - NH3+ ed uno - COOH, ciascuno dei quali è in grado di reagire con un altro amminoacido per formare un nuovo legame peptidico. Oligopeptidi: catene formate da poche unità di amminoacidi (es: tripeptidi). Quando gli amminoacidi aumentano di numero si parla di polipeptidi ed i due gruppi: - ammino; - carbossile; sono considerati l'inizio e la fine della catena. Ogni polipeptide possiede un'estremità amminoterminale (sinistra) e una carbossiterminale (destra), ciascun amminoacido in mezzo viene chiamato residuo. Ogni proteine è costituita da uno o più catene di amminoacidi, ciascuna catena si diversifica dalle altre per: - numero; - tipo; - sequenza; degli amminoacidi che contiene.

LE PROTEINE

Le istruzioni per la sintesi un polipeptide sono contenute del DNA. Nonostante la grande varietà di forme e funzioni, le proteine condividono quattro livelli comuni di organizzazione strutturale, queste conformazioni presentano una complessità crescente e prendono il nome di: - struttura primaria; - struttura secondaria; - struttura terziaria (conformazione nativa); - struttura quaternaria.

LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE

La funzione di una proteina dipende dalla sua conformazione nativa. Agenti: - fisici; - chimici possono alterarla senza che venga rotto alcun legame, quindi senza alterare la struttura primaria. La denaturazione è la perdita da parte di una proteina della struttura secondaria, terziaria ed eventualmente quaternaria. La proteina, in questo modo, perde completamente e spesso irreversibilmente la propria attività biologica.

MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA

Sono due classici esempi di proteine globulari che svolgono il loro ruolo in soluzione. La mioglobina ha la funzione di legare l'ossigeno nel tessuto muscolare, l'emoglobina fa lo stesso ma con i globuli rossi del sangue. Mioglobina ed emoglobina sono proteine coniugate: oltre alla porzione polipeptidica contengono un gruppo prostetico, detto eme, che lega l'O2.

GLI ENZIMI

L'etimologia della parola enzima proviene dal greco e significa "dentro il lievito". Il termine enzima è stato coniato nel 1878 dal medico e fisico tedesco Wilhelm Friedrich Kühne e dal 1897 tale denominazione è stata utilizzata nel settore scientifico per indicare tutti i biocatalizzatori in genere. Gli enzimi sono proteine specializzate per la funzione catalitica e agiscono accelerando le reazioni chimiche. La maggior parte delle reazioni che avvengono nelle cellule sono infatti così lente da non potersi svolgere se non in presenza di un enzima. Un enzima ha tre caratteristiche fondamentali: - agisce in piccolissime quantità; - si ritrova strutturalmente inalterato dopo la reazione; - svolge la sua funzione attraverso una diminuzione dell'energia di attivazione di reazione senza modificare l'equilibrio della reazione.

LE PROTEINE

Gli enzimi si distinguono dai catalizzatori inorganici per alcune proprietà: - efficienza (10^17 volte più veloci); - sono altamente specifici; - sono modulabili; - agiscono in condizioni fisiologiche.

Gli enzimi si distinguono dai catalizzatori inorganici per alcune proprietà: - efficienza (10^17 volte più veloci); - sono altamente specifici; - sono modulabili; - agiscono in condizioni fisiologiche. Come abbiamo detto, ogni enzima è specifico non solo nei confronti della molecola con cui deve interagire, ma anche della tipologia di reazione. Ciò ha reso necessaria l'introduzione di un sistema di classificazione di enzimi, operato dalla IUBMB. Essa ha definito 6 classi di enzimi sulla base della reazione catalizzata: - ossidoreduttasi -> catalizzano le reazioni di ossidoriduzione; - trasferasi -> catalizzano le reazioni di trasferimento dei gruppi funzionali; - idrolasi -> catalizzano le reazioni di rottura dei legami covalenti mediante l'introduzione di una molecola d'acqua; - isomerasi -> catalizzano le reazioni di isomerizzazione; - ligasi -> catalizzano le reazioni di formazione di legami covalenti con consumo di ATP. Viene ancora fatto largo uso della nomenclatura tradizionale. Per svolgere la propria azione catalitica l'enzima E segue un percorso ciclico, detto ciclo catalitico. Inizialmente l'enzima interagisce e lega in modo specifico il substrato S, cioè la molecola da trasformare. Il legame del substrato avviene al livello del sito attivo, una regione spazialmente delimitata dall'enzima. In seguito al legame, si forma il complesso enzima-substrato (ES); a questo punto, la catalisi enzimatica induce la reazione di trasformazione del substrato in una molecola diversa, il prodotto (P). Il prodotto a questo punto si distacca dall'enzima ed il ciclo catalitico può ricominciare con una nuova molecola di substrato. Per molto tempo, il funzionamento degli enzimi è stato spiegato con il modello chiave serratura di Fischer, secondo cui solo in presenza di una perfetta complementarietà strutturale. Questo modello non era in grado di spiegare le osservazioni sperimentali. Secondo il recente modello dell'adattamento indotto, il sito attivo dell'enzima ed il substrato non sono inizialmente del tutto complementari fra loro da un punto di vista strutturale.

LE PROTEINE

La catalisi enzimatica risente delle caratteristiche del mezzo in cui si trovano l'enzima ed il substrato e cambia soprattutto al variare di: - temperatura; - pH dell'ambiente. L'efficacia catalitica di un enzima è espressa attraverso una grandezza nota come numero di turnover.

Numero di turnover: dato dalle moli di substrato che sono trasformate in prodotto da parte di una mole di enzima in un secondo ed in condizioni di reazione ottimali. Il numero di turnover è un valore costante riferito ad una quantità ben definita di enzima. Esiste un'altra grandezza che riflette lo svolgimento della catalisi enzimatica presente: l'attività enzimatica. Attività enzimatica: quantità di substrato che viene trasformato in prodotto nell'unità di tempo in condizioni di reazione ottimali. Essa può essere espressa in unità internazionali, oppure in katal. La maggior parte degli enzimi svolge la propria funzione all'interno delle cellule, la loro attività deve essere quindi modulata in modo da rispondere alle esigenze del metabolismo cellulare. Uno dei meccanismi principali per controllare l'attività di un enzima consiste nel variare la disponibilità dei substrati, ma ci sono altri modi, come: - allosterismo; - modificazioni covalenti; - inibizione enzimatica.

GLI ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici sono: - DNA; - RNA. Queste molecole sono depositaria dell'informazione genetica, quindi della trasmissione dei caratteri ereditari e controllano anche la sintesi di tutte le proteine. Gli acidi nucleici si trovano in: - cellule eucariotiche; - cellule procariotiche; - virus.

DNA ed RNA sono polimeri lineari che hanno come monomeri i nucleotidi. Un nucleotide è costituito da: - una base azotata; - una molecola di zucchero a 5 atomi di carbonio; - un gruppo fosfato. I nucleotidi sono distinti in due classi: - ribonucleotidi; - desossiribonucleotidi. Nei ribonucleotidi, il ribosio si trova legato ad una di 4 possibili basi azotate: - purine -> adenina, guanina; - pirimidine -> citosina, uracile. I desossiribonucleotidi si distinguono dai precedenti per: - desossiribosio al posto del ribosio; - timina al posto dell'uracile. La molecola costituita da un pentoso e da una base azotata, ma priva del gruppo fosfato, prende il nome di nucleoside. A seconda della base azotata presente, si hanno i nucleosidi: - adenosina; - guanosina; - citidina; - timidina; - uridina. La denominazione dei nucleotidi e dei derivati nucleosidici si basa sull'impiego di 3 lettere: - la prima indica il tipo di nucleoside presente (A; C; G; T; U); - la seconda indica il numero dei gruppi fosfato (M; D; T); - la terza è sempre P che sta per phosphate.

LE VITAMINE

Vitamine: sostanze organiche necessarie all'organismo in piccole quantità che nella maggior parte dei casi devono essere assunte attraverso la dieta perché non possono essere sintetizzate dal nostro organismo -> sono sostanze essenziali.

Esse si classificano in: - liposolubili; - idrosolubili.

Come la carenza di vitamine (ipovitaminosi), anche il loro eccessivo accumulo ouò essere dannoso per la salute (ipervitaminosi).

VITAMINE LIPOSOLUBILI

Le vitamine liposolubili sono: - A; - D; - E; - K. Esse regolano processi fisiologici fondamentali nell'organismo umano.

LE VITAMINE IDROSOLUBILI

Alcuni enzimi per svolgere la propria funzione, richiedono la presenza di cofattori. Cofattori: ioni metallici o piccole molecole organiche non di natura proteica necessarie per l'attività catalitica di alcuni enzimi. Un enzima legato al suo cofattore viene detto oloenzima, un enzima NON legato al suo cofattore viene detto apoenzima ed è privo di attività. In alcuni casi, gli ioni metallici contribuiscono all'attività catalitica dell'enzima costituendo parte del sito attivo e favorendo il legame e la trasformazione del substrato, in altri, svolgono un importante ruolo nella stabilizzazione della struttura tridimensionale dell'enzima. Le molecole organiche che agiscono come cofattori vengono anche chiamate coenzimi e prendono parte direttamente all'azione catalitica dell'enzima. I coenzimi rappresentano la forma attiva di una classe composti che riveste una notevole importanza nutrizionale, ovvero, le vitamine idrosolubili, in particolare quelle del gruppo B. Le vitamine idrosolubili comprendono tutte le vitamine del gruppo B e la vitamina C. Ad eccezione della vitamina B12 che si trova negli alimenti di origine animale, le vitamine del gruppo B sono contenute: - nella cuticola dei cereali; - nel lievito di birra; - nelle verdure. La vitamina C è particolarmente abbondante negli agrumi. Tutte le vitamine del gruppo B sono trasformate in derivati essenziali per la catalisi enzimatica e impiegati in varia misura nei processi metabolici a carico di: - carboidrati; - lipidi; - amminoacidi.

LE VITAMINE

La vitamina C svolge invece un ruolo antiossidante. Le vitamine del gruppo B partecipano a reazioni biochimiche dopo essere state trasformate nei coenzimi corrispondenti. Tre esempi sono: - FAD; - NAD; - NADP+.