B1 LE Biomolecole - “Biologia” – 6 Ecologia Zanichelli EditoreT. M. PDF

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B1: LE BIOMOLECOLE = componente più significativa dei composti organici presenti negli organismi viventi. Riconducibili a quattro classi fondamentali: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. (Fanno da complemento a queste classi le vitamine e gli ormoni). CARBOIDRATI =I carboidrati o glucidi sono biomolecole monomeriche o polimeriche costituite da 2+ gruppi idrossido (OH), e 1 gruppo aldeidico (-CHO) o un gruppo chetonico (C=O). Svolgono: RUOLI ENERGETICI (glucosio, fruttosio); RISERVA ENERGETICA (amido per vegetali e glicogeno per animali); RISERVA STRUTTURALE (cellulosa). In base alla complessità della struttura, sono classificati in: - monosaccaridi (costituiti da 1 monomero); - oligosaccaridi (pochi monomeri); - polisaccaridi (molti monomeri, in grado di costituire un polimero). Le tre classi sono in relazione tramite la reazione di idrolisi (con catalizzatore acido H+): polisaccaride + acqua →oligosaccaride + acqua → monosaccaride ➔ MONOSACCARIDI I monosaccaridi: - A seconda che il gruppo carbonile presente sia aldeidico o chetonico, sono distinti in ALDOSI/CHETOSI. - A seconda del numero di atomi di carbonio presente nella loro molecola possono essere classificati in triosi/tetrosi/pentosi/esosi/eptosi. Chiralità: i monosaccaridi (tranne il diidrossiacetone) sono molecole chirali. Essi vengono rappresentati attraverso le PROIEZIONI DI FISCHER: - disponendo la catena carboniosa verticalmente con in alto il gruppo carbonile; - omettendo il simbolo dell’atomo di C che è uno stereocentro; - numerando gli atomi di C dall’alto verso il basso. Inoltre, dove il gruppo ossidrile -OH è a dx si pone la lettera D davanti e lo stesso con la L. (la > parte di monosaccaridi presenti in natura è di serie D).

Strutture cicliche: In acqua la struttura prevalente dei monosaccaridi non è aciclica (rappresentata con le proiezioni di Fischer) ma ciclica o emiacetalica. Il gruppo carbonile delle aldeidi e dei chetoni infatti reagisce velocemente con il gruppo ossidrile per formare emiacetali.

Proiezioni di Haworth: La forma ciclica degli aldosi è un anello esatomico ed eterociclico che si rappresenta con le proiezioni di Haworth, dove l’atomo di O è posto in alto a destra dell’anello e gli atomi di C sono numerati e disposti in senso orario. Gli ossidrili stanno sotto il piano dell’anello, e il gruppo terminale -CH2OH sta sopra negli aldoesosi della serie D e sotto in quelle della serie L. Nei chetoesosi l’anello è pentatomico ed eterociclico (con O in alto).

(D-glucosio) Reazioni dei monosaccaridi: Reazione di riduzione: nella forma aciclica, il gruppo carbonile si riduce e si ottiene un poliolo detto ALDITOLO. Reazione di ossidazione: nella forma aciclica in equilibrio con quella ciclica, il gruppo aldeidico degli aldosi si ossida e forma acidi carbossilici detti ACIDI ALDONICI, avviene in presenza di un ossidante. Gli agenti ossidanti (Reattivo di Tollens e di Fehling) vengono ridotti in argento metallico e ossido di rame. L’aldoso che reagisce si chiama ZUCCHERO RIDUCENTE. ➔ DISACCARIDI N.B.= si formano in seguito ad una reazione di condensazione tra un gruppo ossidrilico e un gruppo ossidrile. Si forma così un disaccaride, dove le due unità di monosaccaridi sono unite da un LEGAME GLICOSIDICO. ↳Il legame glicosidico del disaccaride può essere di tipo a o b, a seconda che il gruppo ossidrile che l’ha formato sia di tipo � o � .

I disaccaridi più comuni hanno formula molecolare uguale (C 12H22O11), ma formula di struttura diversa: ➢ LATTOSIO= (si forma per condensazione di b-D-galattosio + b-D-glucosio). La galattosemia è una patologia ereditaria causata dalla mancanza dell’enzima necessario, comporta un accumulo di galattosio nei tessuti. ù ➢ MALTOSIO= (si forma per condensazione di 2 molecole di b-D-glucosio). ➢ SACCAROSIO= (si forma per condensazione di una molecola di a-D-glucosio e una di b-D-fruttosio). Lattosio e Maltosio sono zuccheri riducenti, il Saccarosio non lo è. ➔ POLISACCARIDI Anche qui i monosaccaridi sono legati tra loro da legami GLICOSIDICI. I più diffusi sono: ➢ AMIDO= costituito da unità di a-glucosio, e dai polimeri amilosio e amilopectina. ➢ GLICOGENO=costituito da unità di a-glucosio legate da legami 1,4 e 1,6 a-glicosidici.

➢ CELLULOSA=insolubile in acqua, funzione di sostegno nelle piante. Costituita da unità di b-glucosio legate da legami 1,4 b-glicosidici.

LIPIDI =classe di composti insolubili in acqua e solubili in solventi organici apolari. I lipidi possono essere distinti in due grandi gruppi: ● Lipidi saponifcabili= trigliceridi, fosfolipidi e glicolipidi. Essi contengono acidi grassi, quindi in soluzione basica formano i sali corrispondenti (saponi). ● Lipidi non saponifcabili= steroidi e vitamine liposolubili. Essi non contengono acidi grassi. ➔ TRIGLICERIDI Ruolo: RISERVA ENERGETICA, FORMANO TESSUTO ADIPOSO, ASSORBONO VITAMINE LIPOSOLUBILI. Sostituzione nucleofila acilica: i trigliceridi sono definiti anche triesteri del glicerolo perché si formano da questa reazione, che prevede eliminazione di 3 molecole di acqua e formazione di 3 legami esterei. Sono distinti in base al loro stato fisico in: - GRASSI= costituiti da acidi grassi saturi, a temperatura ambiente sono solidi; - OLI=costituiti da acidi grassi insaturi, a temperatura ambiente sono liquidi. Le molecole degli acidi grassi saturi dei grassi hanno conformazioni lineari, quindi un punto di fusione più alto. ACIDI GRASSI ESSENZIALI=acido linoleico e linolenico, perché l’organismo non è un grado di sintetizzarli e vanno quindi assunti attraverso alimenti. Reazione di idrogenazione: trasformazione degli oli in GRASSI VEGETALI SOLIDI per l’addizione di H con un catalizzatore metallico. Reazione di idrolisi alcalina: (o saponificazione), avviene fornendo calore e in presenza di basi forti, forma glicerolo e sali di acidi grassi (SAPONI). Azione detergente del sapone: Quando il sapone è mescolato con l’acqua, le code idrocarburiche costituiscono una sfera idrofobica e le teste idrofile all’esterno sono rivolte verso l’acqua (sfera detta micella). Se nell’acqua sono presenti goccioline di grasso/olio, le code penetrano nella goccia, mentre le teste rimangono fuori da essa. Le goccie circondate dalle micelle, si allontanano facilmente insieme al sapone stesso. ➔ FOSFOGLICERIDI Le loro molecole sono caratterizzate da testa polare idrofila e da una doppia coda apolare idrofobica: a causa di questo duplice comportamento sono dette ANFIPATICHE. Ruolo: sono i principali componenti delle membrane cellulari, infatti svolgono il PASSAGGIO DI IONI E MOLECOLE ATTRAVERSO ESSA. Sono chimicamente simili ai trigliceridi= derivano dall’esterificazione di 2 gruppi alcolici del glicerolo con acidi grassi e da quella del 3 gruppo alcolico con l’acido fosforico. ➔ GLICOLIPIDI Formati da una molecola di sfingosina (un amminoalcol) legata ad un acido grasso e un monosaccaride.

Ruolo: essendo costituenti della superficie della membrana, svolgono la funzione di RECETTORI MOLECOLARI SU DI ESSA. Sono anche responsabili della SPECIFICITA’ DEI GRUPPI SANGUIGNI. ➔ STEROIDI =composti che derivano dallo sterano (idrocarburo di 4 anelli). Quelli più importanti sono 3: 1.COLESTEROLO (costituito da -OH, doppio legame, catena alifatica e 2 sostituenti metilici). Costituente di tessuti animali, membrane cellulari e delle lipoproteine nel sangue. Esse sono classificate in base alla loro densità: - l. a bassa densità/LDL: trasportano il colesterolo dal fegato a cellule; - l. a alta densità/HDL: prelevano colesterolo in eccesso nelle cellule e lo trasportano al fegato. Eccesso colesterolo nel sangue: ipercolesterolemia, si deposita nelle arterie (aterosclerosi). 2.ACIDI BILIARI (componenti della bile, derivano dal colesterolo). 3.ORMONI STEROIDEI: comprendono ormoni sessuali prodotti dalle gonadi o ghiandole sessuali per regolare lo sviluppo; sono principalmente androgeni, estrogeni e progestinici. Comprendono inoltre ormoni corticosurrenali. ➔ VITAMINE LIPOSOLUBILI (A,D,E,K) =indispensabili per regolare metabolismo, sono assunte con gli alimenti. A (retinolo)= presente negli organismi animali e nella frutta. Ha funzione protettiva dei tessuti e visiva (la rodopsina è responsabile dell’assorbimento della luce). D (calciferolo)= negli organismi animali e in seguito alla fotossidazione di steroidi. Ha funzione di mineralizzazione delle ossa. E (tocoferolo)= negli oli vegetali, ha funzione antiossidante. K (naftochinone)= negli organismi vegetali, contribuisce alla coagulazione del sangue.

AMMINOACIDI E PROTEINE =composti costituiti da gruppo carbossilico (-COOH) e dal gruppo amminico (-NH2). I 2 gruppi funzionali possono essere legati allo stesso C (�( ) o a uno diverso (�). La maggior parte di quelli in natura sono �-amminoacidi. Chiralità: tutti gli a-amminoacidi sono molecole chirali. Possono essere rappresentati con le proiezioni di Fischer, e tutti gli amminoacidi in natura hanno configurazione L. Nomenclatura: gli aa naturali sono denominati con un nome comune di 3 lettere se si rappresentano formule peptidiche, con l’iniziale se si descrive la sequenza di aa nei polipeptidi. Struttura ionica dipolare: negli aa si verifica una reazione intramolecolare: il COOH comportandosi da acido cede un H+ a NH2. Si forma uno ione dipolare/zwitterione (ione con due cariche opposte su due gruppi funzionali diversi).

Proprietà fisiche: alti punti di fusione, solubilità in acqua. Proprietà chimiche: comportamento ANFOTERO= possono reagire sia con acidi sia con basi: in una soluzione basica si comportano da acidi cedendo un H+, e viceversa. A causa di ciò la carica di un aa dipende dal pH: - ad alti valori del pH (soluzione basica) carica negativa; - a bassi valori del pH (soluzione acida) carica positiva. PUNTO ISOELETTRICO= valore di pH dove l’aa ha una forma ionica dipolare e carica=0.

PEPTIDI= costituiti da 2+ aminoacidi. Il legame peptidico tra i 2 aa si forma tra il C di COOH e l’N di NH2 ( C-N). Come si forma? Attraverso la reazione tra due aa, che comporta l’eliminazione di H2O e la formazione di un peptide. A seconda del numero di aa: - oligopeptidi= formati da pochi aa (da 2 a 10), - polipeptidi= max 100 aa, - proteine= 100+ aa. NB: il numero di isomeri aumenta all’aumentare del numero di aa che costituiscono il peptide (es. 3 aa=6). Reazione di idrolisi: suddivide i peptidi negli amminoacidi costituenti, attraverso enzimi. Tra gli amminoacidi di un peptide, oltre al legame peptidico, si può formare il legame disolfuro= legame covalente singolo tra S (S-S). Esso si forma per ossidazione (deidrogenazione) di 2 gruppi -SH di 2 aa.

Classificazione delle PROTEINE: In base alla composizione chimica: ● semplici: formate solo da aa; ● coniugate: costituite da aa + gruppo prostetico (lipide, glucide, acido nucleico). Funzione biologica: ● strutturali: costituiscono tessuti e organi; ● catalitiche: aumentano la velocità delle reazioni; ● contrattili e di movimento: permettono la contrazione muscolare;

● ● ● ●

di trasporto: favoriscono il trasporto di ioni o molecole; di riserva: accumulano ioni o molecole nei tessuti; di difesa: proteggono l’organismo dagli agenti patogeni; di regolazione: regolano processi metabolici.

In base alla forma che assumono nello spazio: ● Fibrose: insolubili in acqua,sono formate da catene polipeptidiche disposte le une accanto alle altre; ● Globulari: catene ripiegate su se stesse. Struttura delle PROTEINE: Nella configurazione spaziale di una proteina si possono individuare: 1. STRUTTURA PRIMARIA= definita dalla sequenza con cui gli aa sono legati con legami peptidici e legami disolfuro. Dalla sequenza dipende la sua funzione biologica. 2. STRUTTURA SECONDARIA= definita dalla disposizione spaziale della catena. Può essere: • Configurazione ad a-elica: catena polipeptidica avvolta a spirale su se stessa, è determinata da legami a idrogeno intramolecolari con i gruppi R diretti verso l’esterno. Questa configurazione conferisce flessibilità ed elasticità; • Configurazione a b-foglietto ripiegato: più catene polipeptidiche disposte l’una accanto all’altra, è determinata da legami a idrogeno intermolecolari tra il gruppo CO e il gruppo-NH di due catene e da gruppi R che si trovano alternativamente sopra e sotto il piano della molecola. 3. STRUTTURA TERZIARIA= definita dalla forma della proteina può essere considerata come l’insieme di segmenti polipeptidici ad a-elica e a b-foglietto, ripiegati in modo da garantire alla proteina la massima stabilità. All’interno di proteine di grandi dimensioni, sono spesso presenti regioni dette domini, caratterizzate da una particolare stabilità. 4. STRUTTURA QUATERNARIA= defInita dall’associazione di 2+ catene chiamate anche subunità. Le strutture 1,2,3 (presenti in tutte le proteine), ne determinano: SOLUBILITA’, DIMENSIONE, RUOLO BIOLOGICO. Dalla struttura 1 alla 4, si verifIca un progressivo aumento della complessità strutturale. Denaturazione delle proteine: I legami chimici responsabili della struttura 2,3,4 sono deboli, quindi a temperature elevate, valori estremi di pH, solventi organici e ioni di metalli pesanti tendono a rompersi. In tal caso la proteina perde la sua funzionalità biologica (denaturazione ). Quando una proteina denaturandosi forma nuovi legami, il processo di denaturazione è irreversibile e viene chiamato coagulazione.

NUCLEOTIDI E ACIDI NUCLEICI I nucleotidi sono i monomeri degli acidi nucleici, polimeri che si occupano dell’espressione dei caratteri ereditari. I nucleotidi sono costituiti dall’unione di:

1.

Monosaccaride: a cinque atomi di carbonio in cui è presente il gruppo aldeidico, che può essere il dribosio o il d-2-desossiribosio; 2. Base eterociclica azotata: può essere una pirimidina (citosina, timina, uracile), costituita da un anello esatomico; o una purina (adenina, guanina), formata un anello esatomico e uno pentatomico. 3. Gruppo fosfato: conferisce all’acido nucleico acidità. Come si formano gli acidi nucleici? Attraverso reazioni di condensazione:

-

Il gruppo funzionale -OH di una molecola di zucchero può reagire con il gruppo amminico-NH di una base azotata. L’eliminazione di una molecola di acqua porta alla formazione di un composto chiamato nucleoside:

zucchero + base azotata → nucleoside + acqua -

Il gruppo ossidrile dello zucchero del nucleoside può reagire con una molecola di acido fosforico (H3PO4) : si ha l’eliminazione di acqua e la formazione di un composto chiamato nucleotide:

nucleoside + acido fosforico → nucleotide + acqua -

-

Il gruppo fosfato di un nucleotide può reagire con il gruppo ossidrile dello zucchero di un altro nucleotide. L’eliminazione di una molecola di acqua porta alla formazione di un composto chiamato dinucleotide. Quando più nucleotidi si legano, si costituisce un polinucleotide di un acido nucleico.

Nei sistemi viventi sono presenti 2 classi di acidi nucleici: ● acidi desossiribonucleici lo zucchero è il 2-desossiribosio e le 4 basi azotate che possono legarsi ad esso sono adenina, citosina, guanina e timina. Le molecole di DNA si trovano nel nucleo della cellula. ● acidi ribonucleici lo zucchero è il ribosio e le 4 basi sono adenina, citosina, guanina e uracile. Le molecole di RNA si trovano nel citoplasma e nei ribosomi.

B2: L’ENERGIA E GLI ENZIMI ➔ ENERGIA NELLE REAZIONI BIOCHIMICHE METABOLISMO=insieme delle reazioni chimiche che che avvengono in un sistema biologico. Esse avvengono quando gli atomi possiedono energia sufficiente a combinarsi e sostituire i vecchi legami.

Esistono 2 tipi di energia: 1. Energia potenziale= associata alla posizione di un corpo o immagazzinata nei legami chimici di una molecola; 2. Energia cinetica= associata al movimento di un corpo o di una molecola. L’una si può trasformare nell’altra e viceversa, seguendo 2 principi della termodinamica: - il primo stabilisce che l’energia si converte da una forma all’altra ma NON SI CREA NE’ SI DISTRUGGE; - il secondo stabilisce che quando l’energia si converte da una forma all’altra una parte non è più disponibile per compiere lavoro. Una parte dell’energia che si libera va dispersa sotto forma di calore: una forma di energia associata al movimento disordinato delle molecole. (La grandezza che esprime il grado di degradazione o disordine di un sistema si chiama entropia. Le cellule sono sistemi ordinati). L’energia totale di un sistema comprende sia l’energia utilizzabile sia quella inutilizzabile:

energia totale = energia utilizzabile + energia inutilizzabile Nei sistemi biologici l’energia totale prende il nome di entalpia (H), l’energia utilizzabile energia libera (G) e l’energia inutilizzabile corrisponde all’ entropia (S) moltiplicata per la temperatura assoluta del sistema (T):

H= G+ TS Queste grandezze sono definite funzioni di stato, perché non sono influenzate dai processi che subiscono ma dipendono soltanto dalle loro condizioni iniziali e finali. Per questo motivo non è possibile determinare il loro valore assoluto, ma la loro variazione (∆):

∆G = ∆H-T∆S -

se il valore di ∆G è negativo si libera energia utilizzabile per compiere un lavoro; se il valore di ∆G è positivo è necessario fornire energia al sistema; in caso contrario la reazione non avviene.

Il 2 principio si può applicare agli organismi viventi perché: 1. La costruzione di complessità attraverso il metabolismo genera del disordine; 2. La vita richiede un apporto costante di energia per mantenere l’ordine: senza di essa le complesse strutture degli organismi viventi andrebbero distrutte.

Il metabolismo comprende: 1. REAZIONI CATABOLICHE= demoliscono sostanze complesse e ordinate in prodotti più piccoli, producono disordine e sprigionano energia (∆G0) e sono pertanto reazioni endoergoniche che non possono avvenire spontaneamente:

molecole semplici + energia libera → molecole complesse Le reazioni cataboliche e anaboliche sono spesso interconnesse. Il valore di ∆G dipende da numerosi fattori. I biochimici spesso calcolano ∆G nelle condizioni standard di laboratorio: 25 °C, pressione di 1 atmosfera, concentrazione 1 M dei soluti e pH 7 (energia libera standard, ∆G⁰).

➔ IL RUOLO DELL’ATP Per catturare e trasferire energia, le cellule usano l’ATP (adenosina trifosfato). Essa è formata da uno zucchero pentoso (il ribosio) legato a una base azotata (l’adenina) e a 3 gruppi fosfato. L’ATP ha due proprietà fondamentali: - quando viene idrolizzato libera una quantità elevata di energia; - può fosforilare, cioè donare un gruppo fosfato, a molti composti diversi che acquisiscono così parte dell’energia contenuta nella sua molecola. L’idrolisi di una molecola di ATP è una reazione esoergonica che produce energia libera, una molecola di adenosina difosfato (ADP) e uno ione fosfato inorganico (Pi):

ATP + H2O → ADP + Pi + energia libera La variazione di energia libera standard ∆G per questa reazione è di circa -30 kJ/mole. La reazione inversa, cioè la sintesi di ATP, è invece endoergonica e richiede altrettanta energia quanta ne risulta nell’idrolisi di ATP:

ADP + Pi + energia libera → ATP + H2O La sintesi e l’idrolisi di ATP costituiscono un accoppiamento energetico in cui l’ADP preleva l’energia dalle reazioni esoergoniche diventando ATP, che poi a sua volta dona energia alle reazioni endoergoniche. L’ATP è l’elemento che le reazioni eso ed endoergoniche hanno in comune e svolge il ruolo di agente accoppiante.

➔ COSA SONO GLI ENZIMI?

Barriera energetica Pur rilasciando energia libera, spesso le reazioni esoergoniche avvengono molto lentamente, perché tra le molecole dei reagenti e quelle dei prodotti esiste una barriera energetica che ostacola l’avvio della reazione. E’ necessario allora un apporto di energia che inneschi la reazione. Nel cosiddetto stato di transizione, la barriera energetica viene superata e la reazione avviene spontaneamente. L’apporto di energia necessario per raggiungere lo stato di transizione si chiama energia di attivazione. Essa trasforma le specie chimiche in molecole instabili e più reattive dette intermedi dello stato

di transizione. Gli inte...