Lezioni di biochimica 2 Lezione 1 Acqua carboidrati

Lezioni di biochimica 2

Lezione 1 Acqua, carboidrati, lipidi, amminoacidi 3 © Zanichelli editore, 2014

La molecola della vita: l'acqua • L'acqua è la più importante molecola presente sulla Terra. • Costituisce il 70 -90% del peso di tutte le cellule viventi e l'ambiente acquoso è quello dove avvengono la maggior parte delle reazioni metaboliche. • Le proprietà chimiche dell'acqua, quindi, sono essenziali per la funzione di tutte le molecole biologiche. © Zanichelli editore, 2014 4

Configurazione elettronica dell'acqua Nella molecola d'acqua, ciascun atomo di idrogeno condivide una coppia di elettroni con l'ossigeno. © Zanichelli editore, 2014 5

La molecola d'acqua è polarizzata L'atomo di ossigeno è fortemente elettronegativo e nella molecola d’acqua crea parziale carica positiva (d+) sugli idrogeni, mentre l'atomo di ossigeno centrale acquista una parziale carica negativa (d-). Si dice che la molecola d'acqua è un dipolo elettrico. © Zanichelli editore, 2014 6

Le molecole d'acqua interagiscono tra di loro • Tra le molecole d’acqua si formano interazioni elettrostatiche fra le cariche d- di ogni ossigeno e le cariche d+ degli idrogeni. • Ciascuna molecola può interagire con altre quattro molecole d'acqua. Questa interazione è detta legame a idrogeno. © Zanichelli editore, 2014 7

Importanza dei legami a idrogeno • Il legame a idrogeno è più debole di un legame covalente e quindi può essere spezzato facilmente. • I legami a idrogeno hanno importantissimi ruoli nel determinare la struttura e la funzione delle proteine e degli acidi nucleici: per esempio stabilizzano le interazioni tra enzima e substrato o la struttura di una proteina o la doppia elica del DNA. © Zanichelli editore, 2014 8

L'acqua è un solvente a p. H neutro • L'acqua è il solvente universale dei sistemi biologici. • Scioglie facilmente sia i composti ionici (come il sale cloruro di sodio) sia i composti polari come zuccheri, alcoli, aldeidi e chetoni. • Due molecole d'acqua tendono a reagire formando ione idronio (H 3 O+) e ione ossidrile (OH-). Questo equilibrio determina il p. H dell'acqua che a 25°C è 7 (p. H neutro). © Zanichelli editore, 2014 9

I carboidrati • I carboidrati (o saccaridi o glucidi) hanno formula bruta (CH 2 O)n, dove n è maggiore di 3. • Esistono sia in forma semplice (monosaccaridi) che come polimeri (oligo- e poli-saccaridi) formati dall'unione di più monosaccaridi. • Sono la principale fonte di energia per gli organismi. Il monosaccaride più importante in questo senso (e anche il più abbondante) è il glucosio, da cui derivano polisaccaridi come l’amido e la cellulosa. © Zanichelli editore, 2014 10

I monosaccaridi Gli otto monosaccaridi essenziali per l’uomo © Zanichelli editore, 2014 11

Isomeria ottica D- e Ldei saccaridi (I) • I monosaccaridi contengono un centro chirale e questo fa sì che esistano due stereoisomeri. • Prendendo la gliceraldeide come riferimento, è possibile assegnare la configurazione D- o L- a tutti gli altri monosaccaridi, guardando la posizione del gruppo –OH rispetto al carbonio stereogenico. © Zanichelli editore, 2014 12

Isomeria ottica D- e Ldei saccaridi (II) Proiezioni di Fischer dei due stereoisomeri della gliceraldeide. L’asterisco indica il carbonio stereogenico. © Zanichelli editore, 2014 13

Isomeria ottica D- e Ldei saccaridi (III) I monosaccaridi naturali esistono prevalentemente in forma D-. Quattro monosaccaridi di configurazione D-. L’asterisco indica il carbonio stereogenico. © Zanichelli editore, 2014 14

Forma ciclica dei monosaccaridi I monosaccaridi esistono prevalentemente in forma ciclica e per rappresentarli si utilizzano le formule di Haworth. La forma ciclica dà luogo a due anomeri, e , a seconda che l’ossidrile legato al C 1 sia in posizione trans o cis rispetto al gruppo —CH 2 OH. © Zanichelli editore, 2014 15

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. © Zanichelli editore, 2014 16

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 . © Zanichelli editore, 2014 17

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 . © Zanichelli editore, 2014 18

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. © Zanichelli editore, 2014 19

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. © Zanichelli editore, 2014 20

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). © Zanichelli editore, 2014 21

Amido L'amido è un omopolisaccaride del glucosio che esiste in due forme: una lineare (a-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. © Zanichelli editore, 2014 22

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. © Zanichelli editore, 2014 23

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. © Zanichelli editore, 2014 24

I lipidi (I) 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. © Zanichelli editore, 2014 25

I lipidi (II) 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). © Zanichelli editore, 2014 26

Gli acidi grassi (I) • Gli acidi grassi sono costituiti da lunghe catene idrocarburiche terminanti con un gruppo carbossilico: CH 3(-CH 2 -)n-COOH. • Si dicono saturi se gli atomi di carbonio sono collegati da legami singoli e insaturi se sono presenti uno o più doppi legami. © Zanichelli editore, 2014 27

Gli acidi grassi (II) Gli acidi grassi saturi più comuni sono l'acido palmitico (16 atomi di carbonio) e l'acido stearico (18 atomi di carbonio). L'acido insaturo più comune è l'acido oleico (18 atomi di carbonio e un doppio legame tra C 9 e C 10). © Zanichelli editore, 2014 28

I lipidi complessi (I) I lipidi complessi contengono acidi grassi e comprendono i trigliceridi, i fosfogliceridi e le cere. • I trigliceridi sono esteri degli acidi grassi e del glicerolo, in cui tutti e tre i gruppi —OH del glicerolo sono esterificati. • I fosfogliceridi sono esteri del glicerolo, in cui due —OH sono esterificati da acidi grassi, mentre al terzo è legato un gruppo fosforico, a sua volta legato ad un gruppo X spesso di natura ionica (ad es. l'amminoacido serina o un alcol come il glicerolo). Questa estremità è detta testa polare. © Zanichelli editore, 2014 29

I lipidi complessi (II) • Le cere sono esteri solidi di acidi grassi complessi con alcoli a lunga catena. Alcuni tipi comuni di lipidi di riserva e di membrana. © Zanichelli editore, 2014 30

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. © Zanichelli editore, 2014 31

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 © Zanichelli editore, 2014 32

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. La sintesi degli steroidi nella cellula parte dal terpene squalene, da cui derivano il lanosterolo e il colesterolo. Dal colesterolo derivano poi altre biomolecole essenziali come gli acidi biliari e gli ormoni sessuali (androgeni e estrogeni) e il progesterone. Struttura del ciclopentanoperidroferantrene © Zanichelli editore, 2014 33

Lipidi semplici: esempi Colesterolo Vitamina A (tutto-trans retinolo) © Zanichelli editore, 2014 34

Gli amminoacidi (I) • Gli amminoacidi sono molecole formate da un gruppo amminico (—NH 2) e un gruppo carbossilico (—COOH) legati ad un carbonio centrale detto carbonio a. • 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. © Zanichelli editore, 2014 Struttura generale di un amminoacido 35

Gli amminoacidi (II) 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). © Zanichelli editore, 2014 36

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi (I) Dalla formula generale degli amminoacidi si nota immediatamente che i gruppi –NH 2 e –COOH possono ionizzarsi in risposta a variazioni di p. H del mezzo acquoso. © Zanichelli editore, 2014 37

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi (II) Il gruppo —NH 2 può accettare un protone, mentre il gruppo —COOH può cederlo: questa caratteristica rende gli amminoacidi degli anfoliti (o zwitterioni), cioè ioni dipolari in grado di comportarsi sia come acidi sia come basi. © Zanichelli editore, 2014 38

Proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi (I) Le proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi sono determinate dai loro gruppi R. Esistono 20 amminoacidi comuni e alcuni amminoacidi rari che costituiscono le unità base delle proteine. Inoltre esistono oltre 150 amminoacidi non proteici, presenti soprattutto nelle piante e nei funghi. © Zanichelli editore, 2014 39

Proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi (II) Gli amminoacidi comuni a tutte le proteine sono classificati in base alle caratteristiche dei loro gruppi R: 9 apolari (idrofobici); 6 neutri; 3 con carica positiva (basici); 2 carica con negativa (acidi). © Zanichelli editore, 2014 40

Proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi (III) Gli amminoacidi comuni a tutte le proteine sono classificati in base alle caratteristiche dei loro gruppi R: 9 apolari (idrofobici); 6 neutri; 3 con carica positiva (basici); 2 carica con negativa (acidi). © Zanichelli editore, 2014 41

Amminoacidi essenziali L'organismo è in grado di sintetizzare da sé molti amminoacidi, ma non tutti. Esistono infatti 8 amminoacidi detti essenziali, perché devono essere introdotti con la dieta. Essi sono: • fenilalanina; • isoleucina; • lisina; • leucina; • metionina; • treonina; • triptofano; • valina. © Zanichelli editore, 2014 il latte è uno degli alimenti che contengono tutti gli amminoacidi essenziali. 42