Le Biomolecole I carboidrati o saccaridi o glucidi

Le Biomolecole

I carboidrati (o saccaridi o glucidi) • Esistono sia in forma semplice (monosaccaridi formula bruta Cn. H 2 n. On, dove n è maggiore di 2) sia come polimeri (oligo- e poli-saccaridi) formati dall'unione di più monosaccaridi. • I monosaccaridi hanno Ø un gruppo funzionale principale. che può essere un gruppo chetonico –C=O- (monosaccaridi chetosi) chetosi o un gruppo aldeidico -CH=O (monosacaccaridi aldosi) aldosi Ø Diversi gruppi alcolici -OH

Aldeide glicerica (Gliceraldeide) Classe Triosi aldosi Nome IUPAC 2, 3 diidrossi propanale Proiezioni di Fischer

Diidrossiacetone Classe Triosi chetosi Nome IUPAC 1, 3 diidrossi propanone Non ha centri chirali (l’unico zucchero)

5 1 2 * 4 1 3 4 5 3 * Classe pentosi aldosi 2 Noto comunemente come D-ribosio (l’-OH del 4 C, ultimo centro chirale, è a destra), esiste principalmente nella forma eterociclica a 5 vertici (un vertice è costituito da un atomo di O furanoso) furanoso e un radicale -CH 2 OH in posizione 4. * Nel desossiribosio manca il gruppo –OH in posizione 2 (c’è, ovviamente, solo l’H)

Classe esosi aldosi Noto comunemente come D-glucosio (l’-OH del 5 C, ultimo centro chirale, è a destra), esiste principalmente nella forma eterociclica a 6 vertici (un vertice è costituito da un atomo di O) e un radicale -CH 2 OH in posizione 5.

Classe esosi aldosi Noto comunemente come D-galattosio (l’-OH del 5 C, ultimo centro chirale, è a destra), esiste principalmente nella forma eterociclica a 6 vertici (un vertice è costituito da un atomo di O piranoso) piranoso e un radicale -CH 2 OH in posizione 5. La differenza con il D-glucosio è nella posizione 4 C : -H e -OH sono in posizione inversa (nel glucosio l’-OH è a destra).

1 6 2 3 4 5 2 5 4 3 1 Classe esosi chetosi 6 Noto comunemente come D-Fruttosio (l’-OH del 5 C, ultimo centro chirale, è a destra), esiste principalmente nella forma eterociclica a 5 vertici ciclo (un vertice costituito da un atomo di O furanoso) furanoso e due radicali –CH 2 OH (rispettivamente in posizione 2 e 5)

Gli otto monosaccaridi essenziali per l’uomo

I monosaccaridi naturali utilizzabile dagli organismi esistono prevalentemente in forma D-.

I disaccaridi • Un disaccaride è formato da due monosaccaridi legati tra di loro da un legame glicosidico in cui un ossigeno fa da ponte tra i due anelli. • Disaccaridi molto diffusi in natura sono il maltosio, il cellobioso, il lattosio e il saccarosio.

Il maltosio è un disaccaride prodotto della degradazione dell'amido. È composto da due molecole di glucosio legate da un legame glicosidico che unisce il C 1 di una molecola al C 4 di un’altra molecola (1 4). Entrambi i monomeri sono anomeri . H 2 O 4 1 4 Legame glicosidico 1

Il cellobioso è un disaccaride del glucosio prodotto della degradazione della cellulosa. Le due molecole sono unite dallo stesso legame glicosidico del maltosio, ma cambia l’orientazione poiché i monomeri sono anomeri di tipo . H 2 O

Il lattosio è un disaccaride formato dall’unione tra galattosio e glucosio con legame glicosidico. Anche in questo gli anomeri sono di tipo . Il lattosio si trova unicamente nel latte.

Il saccarosio è formato da fruttosio e glucosio. È un disaccaride particolare in quanto il legame glicosidico coinvolge entrambi i carboni anomerici: C 2 del fruttosio ( ) e C 1 del glucosio ( ). Il saccarosio è lo zucchero di canna e di barbabietola.

I polisaccaridi • In natura, i carboidrati si trovano sotto forma di polisaccaridi, lunghi polimeri formati dall'unione di centinaia o migliaia di unità monosaccaridiche. • Si dicono omopolisaccaridi quelli formati da un unico tipo di monosaccaride ed eteropolisaccaridi quelli formati da monosaccaridi di tipo diverso. • I polisaccaridi più importanti biologicamente sono classificabili come polisaccaridi di deposito (es. amido, glicogeno) e strutturali (es. cellulosa).

Amido L'amido è un omopolisaccaride del glucosio che esiste in due forme: una lineare ( -amilosio) e una ramificata (amilopectina) in cui catene lineari sono collegate tra di loro con legami di tipo 1 6. L'amido è il principale polisaccaride di deposito nelle piante.

Glicogeno Il glicogeno è un omopolisaccaride del glucosio. Ha una struttura altamente ramificata in cui le catene lineari 1 4 si ramificano con legame di tipo 1 6 ogni 8 -12 residui. Il glicogeno è il principale polisaccaride di deposito nelle cellule animali. Rappresenta fino al 10% del peso del fegato e l'1 -2% del peso del muscolo scheletrico.

Cellulosa La cellulosa è un omopolisaccaride del glucosio con una struttura è lineare del tutto analoga a quella del -amilosio, ma con la differenza che la configurazione anomerica del legame glicosidico è di tipo . La cellulosa è il polisaccaride più abbondante in natura e costituisce il principale componente strutturale del mondo vegetale.

I lipidi sono complesse molecole organiche insolubili in acqua che svolgono importanti funzioni: • riserva energetica; • ruolo strutturale delle membrane cellulari; • ruoli funzionali (ormoni, vitamine). Si distinguono lipidi complessi che contengono acidi grassi e lipidi semplici che ne sono privi.

I lipidi complessi sono detti saponificabili, in quanto gli acidi grassi presenti possono dare idrolisi in ambiente basico e generare i saponi (sali di acidi grassi).

Lipidi complessi: Trigliceridi e fosfolipidi I trigliceridi sono i principali componenti dei lipidi di deposito delle cellule animali. I fosfolipidi (o fosfogliceridi) sono i principali componenti delle membrane cellulari, in cui due strati di fosfolipidi si affacciano l'uno verso l'altro con le code idrofobiche, esponendo le teste polari verso l'ambiente acquoso extracellulare e quello citoplasmatico.

Lipidi complessi: Le cere sono esteri solidi di acidi grassi complessi con alcoli a lunga catena. Alcuni tipi comuni di lipidi di riserva e di membrana.

Lipidi semplici: i terpeni I lipidi semplici non contengono acidi grassi e sono quindi insaponificabili. Esistono due classi principali di lipidi semplici, i terpeni e gli steroidi. • I terpeni sono costituiti da multiple unità di isoprene e possono essere ciclici e lineari. Tra i terpeni più comuni vi sono oli essenziali profumati come la canfora o il mentolo, le vitamine A, E, K e il bcarotene. Struttura dell’isoprene, unità di base dei terpeni

Lipidi semplici: gli steroidi Gli steroidi hanno come nucleo un idrocarburo tetraciclico, il ciclopentanoperidroferantrene, formato da 3 anelli a 6 atomi di carbonio e uno a 5, fusi insieme. Dal colesterolo derivano poi altre biomolecole essenziali come gli acidi biliari e gli ormoni sessuali (androgeni e estrogeni) e il progesterone. Struttura del ciclopentanoperidrofenantrene

Lipidi semplici: esempi Colesterolo Vitamina A (tutto-trans retinolo)

Gli amminoacidi • Gli amminoacidi sono molecole formate da un gruppo amminico (—NH 2) e un gruppo carbossilico (—COOH) legati ad un carbonio centrale detto carbonio . • Al C sono legati un idrogeno e un gruppo R, detto anche catena laterale o gruppo funzionale, caratteristico di ogni amminoacido e che ne determina le proprietà chimico-fisiche. Struttura generale di un amminoacido

Sebbene possano esistere entrambi gli isomeri ottici De L-, in natura tutti gli amminoacidi sono L- (ad eccezione di alcuni amminoacidi liberi non proteici, presenti nella parete batterica).

Peptidi, proteine ed enzimi

Gli amminoacidi possono formare catene Due amminoacidi possono unirsi tra loro attraverso il legame ammidico detto legame peptidico, tra il gruppo –NH 2 di un amminoacido e quello –COOH dell'altro amminoacido, con liberazione di una molecola d'acqua. L'unione di due amminoacidi genera un dipeptide. Più amminoacidi uniti tra di loro generano un biopolimero detto polipetide.

Le catene polipeptidiche possono ripiegarsi dando origine alle proteine, che sono quindi costituite da polimeri di amminoacidi. La differenza tra un polipeptide e una proteina propriamente detta, consiste nel fatto che la catena polipeptidica della proteina assume una particolare conformazione spaziale che le conferisce le sue caratteristiche funzionali (per esempio un enzima, un anticorpo, un recettore di membrana).

La struttura della proteina è determinata dalla sua composizione amminoacidica. In particolare, la natura delle catene laterali R determina il ripiegamento dei diversi segmenti della catena secondo strutture precise. In una proteina si distinguono: • la struttura primaria, ovvero la sequenza lineare degli amminoacidi della catena polipeptidica; • la struttura secondaria, determinata da forme di ripiegamento assunte spontaneamente da segmenti della catena polipeptidica, in funzione della loro composizione amminoacidica;

• la struttura terziaria, costituita da ulteriori ripiegamenti e interazioni tra le strutture secondarie delle varie porzioni della catena. Anche questa dipende dalla natura dei gruppi R degli amminoacidi; • la struttura quaternaria, costituita dall'associazione di più catene polipeptidiche a formare proteine con più subunità.

Struttura secondaria: l'alfa-elica Le catene polipeptidiche possono avvolgersi lungo il proprio asse formando una struttura elicoidale detta alfa elica. Nella cheratina della lana, sette alfa eliche sono avvolte una sull'altra formando una fibra. α-cheratina dei capelli umani Struttura -elica 35

Struttura secondaria: il foglietto beta Se si scalda l'alfa-cheratina, si rompono i legami idrogeno tra le unità dell'elica e la proteina assume una forma più allungata e rigida: la beta-cheratina, fatta di foglietti beta. Per questo i parrucchieri per "stirare" i capelli li scaldano prima. Struttura del foglietto beta

Struttura quaternaria Molte proteine ed enzimi sono in realtà complessi formati da più subunità. Ogni subunità è una proteina essa stessa, ma solo la loro associazione conferisce al complesso le sue proprietà funzionali. Questa associazione è detta struttura quaternaria. (A) La proteina cro del fago λ (un virus) è formata da due subunità identiche (omodimero). (B) Il rivestimento esterno del virus del raffreddore (capside) è un eteromultimero costituito da 60 copie diquattro subunità diverse.

Un esempio è l'emoglobina, che ha quattro subunità di due tipi differenti. Grazie ai loro gruppi eme, le quattro subunità insieme generano il principale trasportatore di ossigeno cellulare.

Acidi nucleici

Un po’ di storia… Nel 1869 il chimico Johan Friedrich Miescher individuò, all'interno dei nuclei dei globuli bianchi (hanno un nucleo molto grande), una sostanza di carattere acido, ricca di fosfati acidi, acidi che chiamò nucleina Vetrino «a fresco» Vetrino colorato. In blu il nucleo dei globuli bianchi. Gruppo fosfato: fosfato è responsabile del carattere acido della nucleina. Provetta con nucleina

Nucleolo Il nucleo è circondato da una doppia membrana nucleare provvista di pori attraverso cui entrano ed escono varie sostanze. Dal nucleo fu estratta questa sostanza chiamata «nucleina» nucleina

Analisi chimiche stabilirono che la nucleina, oltre ai fosfati, contiene anche due carboidrati , il ribosio e il desossiribosio, desossiribosio aventi struttura pentagonale con, ai vertici, 4 atomi di C e uno di O. Un rametto laterale completa la struttura di queste molecole. Non basta…. .

…furono individuate, sempre nella nucleina, anche sostanze organiche aventi carattere basico, basico contenenti atomi di azoto N legati al carbonio Tali sostanze, con struttura chiusa (ciclica) differente, furono chiamate basi azotate Guanina Adenina Basi puriniche Basi Pirimidiniche Timina Citosina Uracile

Nel 1919 Phoebus Levene dimostrò che le tre sostanze si ripetono regolarmente numerose volte formando molecole molto grandi. Introdusse, quindi il termine di nucleotide, nucleotide per indicare una terna di molecole (1 carboidrato + 1 fosfato + 1 base) e quello di polinucleotide per indicare una grossa molecola ottenuta dalla concatenazione (polimerizzazione) di molti nucleotidi. Qualche anno dopo, altri chimici riuscirono a isolare due differenti molecole polimerizzate aventi carattere acido: acido 1. L’acido ribonucleico RNA 2. l'acido desossiribonucleico DNA

DNA ed RNA sono, quindi, polimeri, più specificatamente polinucleotidi Vuol dire che sono macromolecole costituite dalla ripetizione di unità semplici (monomeri), dette nucleotidi I nucleotidi sono costituiti dalla condensazione di tre molecole chimiche differenti: uno zucchero (ribosio o desossiribosio), una base azotata e un gruppo fosfato

Indagini chimiche più approfondite dimostrarono che: Ø Il fosfato è legato allo zucchero in posizione 5’ ( al C rametto della struttura pentagonale) Ø La base azotata è legata allo stesso zucchero in posizione 1’ (al C situato a destra dell’O) 5’ 1’

Ci sono 5 tipi di nucleotidi differenti (dipende dalla base azotata) Nucleotidi purinici O Nucleotidi pirimidinici

Gli acidi nucleici sono polinucleotidi L'RNA e il DNA sono formati da catene di nucleotidi tenuti insieme da un legame indicato come legame 5'-3' fosfodiesterico. Il nome indica che un fosfato lega due zuccheri, uno al C 5‘, l’altro al C 3‘. 3‘

Acidi nucleici: struttura generale La struttura portante delle catene è fatta dalle molecole di zucchero alternate ai gruppi fosfati. Le basi azotate possono essere considerate delle catene laterali libere. RNA Le basi dei nucleotidi sono analoghe a gruppi funzionali

L’RNA è costituito da una sola catena di nucleotidi. Il DNA è costituito da due catene sistemate in modo da affrontare le loro basi azotate che, in tal modo, si agganciano a due

Nel DNA, l’aggancio tra le coppie di basi delle due catene, può avvenire sono se le due basi sono complementari (l’adenina con la timina e la citosina con la guanina). Grazie a questa particolarità, tutta la sequenza di nucleotidi di una catena è perfettamente complementare a quella dell’altra: le due catene si definiscono, perciò, antiparallele

Il DNA e l’RNA sono presenti in tutti gli organismi viventi. La loro struttura chimica è identica in tutti i tipi di cellule, la differenza consiste solo nella particolare sequenza dei 4 nucleotidi lunga le catene polimeriche. Una specifica sequenza di nucleotidi rappresenta un codice, il così detto «codice genetico» . genetico Grazie a questo codice genetico, vengono costruiti, organizzati e fatti funzionare i numerosissimi composti chimici che permettono l’esistenza di un qualsiasi organismo vivente.

Il codice è fatto in modo tale che una sequenza di tre nucleotidi, nucleotidi detta tripletta (o codone) codone corrisponda a un amminoacido specifico. Una particolare sequenza di codoni (fino a migliaia), indica una serie di amminoacidi da concatenare per formate una catena proteica (ciò avviene nei ribosomi).

Il DNA costituisce i cromosomi, cromosomi si trova in grande quantità nel nucleo, ma piccole molecole sono presenti nei mitocondri e nei cromoplasti (organelli presenti solo nelle cellule vegetali).

RNA ha diverse forme e funzioni RNA messaggero (m. RNA) E’ una catena di ribonucelotidi: viene sintetizzato «a stampo» , nel nucleo sul DNA. Inizialmente contiene l'informazione «grezza» , subisce lo splicing per poi uscire dal nucleo e dirigersi verso i ribosomi. RNA ribosomiale (r. RNA): viene sintetizzato nel nucleolo, viene spostato nel citosol dove, insieme a proteine specifiche, formerà i ribosomi Ha il compito di «leggere» il codice del m. RNA e tradurlo in catene polipeptidiche (proteine). RNA transfer (t. RNA). Le sue piccole molecole, sintetizzate nel nucleo, si spostano nel citosol. Il loro ruolo è quello di catturare singoli amminoacidi e trasportarli fino ai ribosomi, dove saranno legati l’uno con l’altro, per formare le catene proteiche.