Biochimica e principi di biochimica PDF

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appunti di biochimica con particolare riferimento ai glucidi...

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BIOCHIMICA Studia le trasformazioni che avvengono nella materia vivente: atomi che si spezzano, si rompono e si ricostituiscono. Essa si concentra sui composti organici, ossia i composti contenenti almeno un atomo di carbonio: parliamo dei composti della materia vivente (ovvio che dentro la materia ci sono anche altri composti inorganici). La biochimica analizza: glucidi, lipidi, protidi e acidi nucleici e tutte quelle trasformazioni in cui questi composti intervengono, come il METABOLISMO, ossia l’idrolisi di tutte queste sostanze introdotte attraverso la dieta (reazione di demolizione: si ricava la giusta quantità di energia per il corretto funzionamento della cellula.) I lipidi, glucidi e protidi vengono utilizzati per ricavare energia, ma gli amminoacidi delle proteine possono essere utilizzati per altri scopi, come quello strutturale. Queste macromolecole possono avere un destino comune: infatti tutte e tre vengono convertite in ACETIL COENZIMA A grazie al processo di respirazione aerobica.

GLUCIDI O CARBOIDRATI

Posso essere chiamati glicidi o glucidi. Sono dei composti formati da C, H, O e possono essere associati a elementi aggiuntivi (sia organici che non). 1. Essi sono molto importanti dal punto di vista energetico: vengono liberati nel nostro organismo, ma non sono immagazzinati come riserve di energia (come ad esempio i lipidi). Può essere riutilizzato e risentitizzato a GLICOGENO: tutti i monomeri si legano tra di loro attraverso legame glicosidico e tale catena di monosaccaridi può essere conservata nei muscoli e nel fegato. 2. Per ricavare energia il nostro organismo non utilizza i glucidi, ma i lipidi: i primi sono estremamente idrofilidi cioè si sciolgono subito nelle sostanze acquose (se per esempio immagazzinassimo glicogeno nel fegato, questo si scioglierebbe e di un grammo ne rimarrebbe 1/3), i secondi sono estremamente ridotti ed anidri, cioè non si sciolgono nell’acqua (di un grammo di lipidi rimarrà sempre lo stesso). 3. Intervengono anche nella formazione delle glicoproteine, che sono dei recettori presenti nelle superfici delle membrane e, quando si legano con specifici ligandi, trasduco una determinata informazione. 4. I glucidi intervengono anche nella formazione della cellulosa che, nelle piante, ha una funzione di sostegno e supporto. Questa però non può essere idrolizzata dai nostri enzimi, in quanto non possediamo delle alfa-cellulosa. 5. I glucidi favoriscono la peristalsi intestinale e fanno si che l’individuo che li assume abbia una sensazione di sazietà. 6. È la classe più abbondante in natura e tra questi fa parte anche la CHERATINA perché costituisce l’esoscheletro di insetti e granchi. 7. Essi vengono sintetizzati nelle piante attraverso fotosintesi. 8. Sono coinvolti nel riconoscimento cellulare (membrana-membrana). Come detto prima, sono composti formati da Carbonio, Idrogeno, Ossigeno e la loro formula generale è (CH2O)n (ciò sta a significare che il rapporto tra Carbonio e Idrogeno è di ½, così come tra ossigeno e idrogeno: questi atomi sono in rapporto tra di loro come nelle molecole di acqua  idracidi). Possono essere classificati in:   

Monosaccaridi (Disaccaridi): sono le componenti funzionali (monomero) dei glucidi. Sono costituiti da molecole più o meno grandi e formano i polisaccaridi. Oligosaccaridi: numero basso, tra gli 8 e i 10 monosaccaridi. Polisaccaridi: monosaccaridi molto elevati e raggiungono pesi molto grandi.

Dal punto di vista chimico, i carboidrati sono composti polifunzionali che contengono: un gruppo carbonilico e due o più gruppi alcolici. Tant’è vero che una prima divisione dei glucidi avviene in base a come si presenta il gruppo carbonilico (vengono classificati in base al numero dei carboni, per il gruppo carbonilico, se della serie D o L) . Per questo:  

Se il gruppo carbonilico è un’aldeide avremo degli ALDOSI Se il gruppo carbonilico è un chetone avremo dei CHETOSI

MONOSACCARIDI:I carboidrati più semplici, con N>=3, sono i monosaccaridi:  Il Chetoso più semplice è il diidrossiacetone: Il

C=O è la molecola centrale e ciascun atomo di carbonio ha una funzione alcolica attaccata ad esso. Essendo formato tra tre atomi di carbonio, viene considerato come un TRIOSO.

 L’ Aldoso più semplice è la gliceraldeide: Sempre TRIOSO e molecola più importante è la prima, cioè CHO.

Tutti gli altri monosaccaridi si possono considerare derivati dalla gliceraldeide o dal diidrossiacetone per graduale aggiunta di CHOH: -tra il C1 e 2 della gliceraldeide, -il C2 e C3 del diidrossiacetone.

Tutte le macromolecole che presentano quattro atomi di carbonio vengono chiamate TETROSI. Prima molecola: chetoso, in cui aggiungo atomi al terzo carbonio; Seconda molecola: aldoso, aggiungo al secondo atomo.

La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico, meglio definito CHIRALE, ossia presenta dei gruppi legato ad esse completamente differenti gli uni dagli altri. Quando il carbonio (di valenza) è asimmetrico, si possono presentare altre configurazioni: l’OH può essere a destra della molecola o a sinistra di essa.

Guarda anche configurazione molecola gliceraldeide.

Questa classificazione si estende anche ad altre macromolecole glucidiche:

Il glucosio (molecola importante a livello energetico) fa parte degli aldosi, possiede sei atomi di carbonio (quindi ESOSO) ed appartiene alla serie D. Qui viene rappresentata la sua formula di Fisher. CHO H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH 2 OH

Esistono diversi metodi per rappresentare il glucosio e altri zuccheri: La formula sopra riportata può essere scritta anche in maniera ciclica: tale conformazione prende nome di proiezione di Haworth. Tale configurazione viene assunta dal glucide quando esso è circondato da acqua, e consiste nell’unione del Carbonio 1 con il Carbonio 5. Attraverso il legame emiacetalico (questa prima conformazione prende nome di “proiezione di Tollens) l’ossigeno fa da ponte a questa struttura ciclica, infatti esso si trova quasi sempre all’apice. Se i gruppi funzionali vengono rappresentati sotto, significa che si trovano sotto il piano della molecola (ogni vertice rappresenta un carbonio). Ovviamente, tale disposizione non è casuale e segue la posizione dei gruppi nella formula di Fisher: se sono a destra, saranno collocati nel piano inferiore, se sono a sinistra nel piano superiore. Quando ciclizza, l’alcol del carbonio 1 si può trovare sopra o sotto il piano: se sta sotto si parla di αglucosio, se sta sotto di β-glucosio. Queste due forme sono dette ANOMERI. Grazie al fenomeno della mutarotazione, in natura si presentano continuamente la forma ciclica e la forma aperta o lineare.

Come affermato prima, i monosaccaridi vengono classificati in base al numero degli atomi di carbonio:

Il mannosio e il galattosio hanno origine tutte dal glucosio: esso possiede differenti isomeri, cioè molecole uguali ma con disposizione spaziale differente (il gruppo ossidrilico OH legato in posizioni diverse). Queste molecole prendono nome di EPIMERI: il galattosio è l’epimero in C4 e il mannosio l’epimero in C2. Il FRUTTOSIO è un chetoso con gruppo carbonilico in posizione 2 e il suo capostipite è il diidrossichetone). Esso è abbastanza uguale al glucosio, solo che la ciclizzazione sarà però a 5 vertici in quanto presenta il C=O (il legame emiacetalico avviene tra il C2 e il C5) IL LEGAME GLICOSIDICO: Il legame che unisce le diverse unità monomeriche è il legame glicosidico ed avviene tramite eliminazione di acqua, in quanto si legano due gruppi ossidrilici. Se al C anomerico si lega un ossigeno diremo che è un legame O-glicosidico. Siccome tale legame interessa il C1 e il C4, si parlerà allora di legame 1,4 O-glicosidico, e venendo sostituito un ossigeno verrà eliminata una sola molecola d’acqua.

CH2OH

CH2OH

O

O OH

OH OH

O

OH

DISACCARIDI: Derivano dall’unione di almeno OH come il maltosio che deriva da due OHdue unità monomeriche, glicogeni. POLISACCARIDI: Sono macromolecole che si originano dall’unione di tante unità monomeriche legate con legame glicosidico. In base alla lunghezza e alle unità che si legano avremmo diversi polisaccaridi con funzionalità diverse. Degli esempi da prendere in considerazione sono l’AMIDO (di derivazione vegetale) e il GLICOGENO (di derivazione animale) i quali sono formati da tante unità di glucosio legate tra loro. Di queste non ne abbiamo grosse riserve in quanto solo i lipidi vengono immagazzinati.

Il GLICOGENO risiede nel fegato e nei muscoli e le diverse unità monomeriche sono collegate attraverso legame α-1,4 glicosidico: non è un filamento lineare ma presenta delle ramificazioni. L’AMIDO si trova nelle patate. Formato da due monomeri: l’amilosio e residui di glucosio; possiede dimensioni più piccole e non è ramificato. La CELLULOSA: è un materiale di sostegno ed è costituito da β-glucosio (noi non possiamo assumerlo e digerirlo, poiché non abbiamo gli enzimi adatti). I GLUCOSAMMINOGLICANI: si trovano nella matrice extracellulare che forma il tessuto connettivo e hanno moltissimi gruppi amminici. I PROTEOGLICANI: proteine con componenti glucidiche. STAFILOCOCCO: la cui membrana è formata da N-acetilglucosammina; inoltre è caratterizzato dalla presenza di NH e non da OH.

LIPIDI Sono molecole di interesse biologico molto importanti in quanto hanno un ruolo energetico e strutturale (molecole utilizzate come riserva energetica e come costituenti delle membrane). RISERVA DI ENERGIA: Quando l’organismo non ha abbastanza energia, la richiede ai trigliceridi. Vengono utilizzati i lipidi in quanto sono altamente idrofobici e non riescono a legare l’acqua: quando assumiamo i glucidi riusciamo ad assorbire più molecole d’acqua che zuccheri. Dal punto di vista energetico quindi convengono i lipidi: essi sono capaci di fornire sei volte più energia rispetto ad un grammo di glucidi. STRUTTURALE: I lipidi intervengono nella formazione della membrana: il bilayer è formato da un doppio strato di fosfolipidi, colesterolo e vitamine. I lipidi possono essere suddivisi in:  

SAPONIFICABILI: acilgliceroli o trigliceridi. Lipidi che possono dar luogo a saponi (Sali sodici di catena carboniosa) NON SAPONIFICABILI: steroli o terpeni. Lipidi che non danno luogo a saponi (colesterolo, acidi biliari).

ACIDI GRASSI: sono componenti di moltissimi lipidi. Sono macromolecole composte da un gruppo carbossilico (COOH) a cui è legato un numero discreto di atomi di carbonio (quando raggiungono una certa lunghezza, allora si parla di acidi grassi). Questi acidi grassi possono essere saturi se presentano legami semplici: se troviamo un acido grasso con scritto 12:0, significa che ha 12 atomi di carbonio e 0 doppi legami. Per passare allo stato liquido, si devono raggiungere temperature molto elevate, perché i legami che si devono rompere sono molto forti. (acido stearico)

Posso essere anche insaturi se presentano invece doppi legami: esso può essere rappresentato con 16:1 9, dove 16 rappresenta il numero dei carboni, 1 è il doppio legame e 9 dove si trova il doppio legame nella catena carboniosa. La temperatura di fusione è molto bassa, di -0.3, in quanto i legami sono deboli e non è richiesta molta energia. (acido oleico: la presenza del doppio legame nella sua catena è importante perché induce alla molecola un ripiegamento su di essa)

ES: acido palmitico: 16:0, anione palmitato perché costituito da O e O- [g. disegno]. Se la membrana cellulare è costituita da acidi grassi insaturi, avremo che l’impacchettamento è meno compatto rispetto ad una struttura con acidi grassi costituiti da legami semplici. Tutti gli acidi grassi che presentano doppi legami a temperatura ambiente sono liquidi (come olio di oliva). Mentre chi non li presenta sono solidi come lo strutto.

ENERGIA-ACILGLICEROLI: Gli acilgliceroli derivano dal processo di esterificazione tra un glicerolo e tre molecole di acidi grassi. Il glicerolo è un alcool trivalente, con tre gruppi ossidrilici. Quando reagiscono un solo glicerolo e un solo acido grasso (monogliceride, digliceride) si forma un estere con conseguente eliminazione di acqua. Ovviamente, possono reagire contemporaneamente tutte e tre le funzioni alcoliche con tre molecole di acidi grassi, dando vita al TRIGLICERIDE, ossia le molecole che vengono immagazzinate nel nostro organismo. Accanto ad esso possono essere inserite altre macromolecole [fai disegno]. Da qui si può ben capire il perché essi vengono definiti anidri e ridotti: poiché non reagiscono con l’acqua e poiché eliminano una molecola d’acqua. PROTEZIONE-FOSFOLIPIDI: Questi lipidi presentano nella propria molecola un residuo di acido fosforico e assieme formano la membrana plasmatica (tra questi possono essere individuati anche i sfingolipidi). Nel glicerolo, in terza posizione, non si lega un acido grasso ma bensì un gruppo fosfato; inoltre esso può legarsi con sostanze organiche o inorganiche.

Il fosfolipide è formato da due porzioni: una testa idrofilica nella quale possono essere riscontrati diversi alcol, come etanolammina, inositolo (quindi i diversi lipidi avranno una forma diversa in base alle molecole presenti), e una coda idrofobica (rappresentata dalle code degli acidi grassi). Le sfingomieline hanno al posto del glicerolo la sfingosina, ossia un amminoalcol. Queste macromolecole sono anche PRECURSORI di molte altre sostanze/molecole: intervengono nella formazione di gruppi chiamati encosanoidi, che produce a sua volta molecole impiegate in zone infiammate, ma può intervenire anche per la formazione di molecole impiegate nell’organismo, come per esempio di alcuni degradatori. Per formare la membrana, rivolgono la testa nella parte esterna ed interna della cellula, dove c’è sostanza acquosa, e con le code verso l’interno (formano un vero e proprio spazio). In laboratorio vengono utilizzati i LIPOSOMI, ossia modelli delle membrane usati per scoprire determinati aspetti di essa.

GLICOLIPIDI: Sono differenti rispetto ai fosfolipidi perché non hanno nella loro struttura un gruppo fosfato. Di questo gruppo fanno parte i CEREBROSIDI e GANGLIOSIDI. I cerebrosidi si trovano nella membrana cellulare esterna (come ad esempio nelle cellule nervose) e possono essere costituiti da oligo o monosaccaridi. I gangliosidi intervengono nella trasmissione dell’impulso nervoso nelle cellule neuronali. Essi sono costituiti da monosaccaridi modificati. LIPIDI NON SAPONIFICABILI: Un esempio sono i terpeni e gli steroidi: hanno formule diverse e non danno origine a saponi. I terpeni si trovano nelle piante e gli steroidi nelle cellule eucariotiche. L’unità fondamentale degli isoprenoidi è l’isoprene. Molto importante è il β-carotene, il quale può essere riscontrato anche in molte vitamine. A livello dell’apparato digerente, esso viene scisso in due parti: retinolo, ossia la vitamina A, o retinale (se esso si converte in aldeide; ciò è possibile grazie a dei bastoncelli dell’occhio che serve per visione notturna). Quando viene colpito dalla luce si trasforma in isomero della vitamina A TRANS-RETINALE (anche quando vitamina A ha l’11-cis retinale). Questa proteina può essere utilizzata anche da acido retinoico. STEROLI-COLESTEROLO: Il colesterolo è una molecola formata da quattro anelli con sei lati ciascuno, con l’unica eccezione dell’ultimo che invece ne ha cinque. Formato quindi da lipidi esosi e pentosi e sono anelli condensati. Ha tutta la catena idrofobica e l’unica parte idrofilica è l’OH in corrispondenza del primo anello esoso, in posizione 3’ (i lipidi sono tutte molecole altamente idrofobiche, così pure il colesterolo). Nel nostro flusso ematico esistono dei complessi proteici che trasportano il colesterolo: sono le HDL, il colesterolo buono, e le LDL, il colesterolo cattivo. Tutti gli steroidi, tra cui il colesterolo, sono molto importanti dal punto di vista fisiologico in quanto sono i precursori di molti ormoni steroidei, intervenendo quindi sugli ormoni sessuali. Se c’è tanto colesterolo e le cellule ne sono sature, esso viene depositato dalle LDL nelle pareti delle arterie; le HDL invece, recuperano queste molecole nel sangue e le trasportano nel fegato per essere idrolizzate. Ci sono dei valori guida per il colesterolo (200) e bisogna valutare anche la concertazione dei trigliceridi. Il colesterolo è inoltre il precursore di molecole importanti come i Sali biliari (servono per operare una vera e propria digestione del cibo) e altri acidi. Gli ormoni che hanno il colesterolo come precursore sono il testosterone altri della corteccia neuronale.

PROTEINE

Altra classe di macromolecole funzionali e vitali. Possono essere considerate tali per le loro dimensioni e le unità funzionali sono gli AMMINOACIDI. Le loro caratteristiche fondamentali sono:  VERSATILITÀ: intervengono in moltissimi processi vitali e soprattutto hanno molte funzioni. Ad esempio, esse sono le componenti tissutali e cellulari; intervengono nella formazione di enzimi (che sono proteine con il 99% di capacità catalitica. Queste ultime rendono possibili reazioni che altrimenti non potrebbero avvenire (è molto difficile applicare le regole utilizzate nei laboratori per aumentare reagenti e prodotti, quindi la natura ha selezionato queste macromolecole). Essi formano degli ormoni: supponiamo che la glicemia si sta abbassando, il nostro corpo forma gli ormoni che, legandosi nella superficie di adipociti e altre cellule target, permettono il rilascio di trigliceridi oppure una nuova sintesi di essi. Alcune volte, per inviare semplici segnali, vengono secrete adrenalina e noradrenalina. In ultimo, esse sono considerate come messaggeri chimici che portano determinate informazioni alla cellula.  MOLECOLA DI DIFESA: sono gli anticorpi che vengono prodotti dopo un incontro con antigene; sono formati da una parte glucidica e una parte proteica. Su questo concetto si basa la formazione di vaccini.  SPECIE-SPECIFICITÀ: le proteine sono diverse da organismo ad organismo. Si pensi ad esempio all’insulina la quale presenta delle sequenze diverse da individuo ad individuo.  SPECIFICITÀ INTER-INDIVIDUALE: alcune proteine sono diverse da individuo ad individuo appartenenti ad una stessa specie.

Le unità funzionali delle proteine sono gli amminoacidi, che sono formati da un atomo di carbonio centrale con un gruppo amminico NH2. È basico e si può così per sottolineare il doppietto libero dell’azoto.

È acido e si può scrivere anche in forma dissociata

Il gruppo R fa la differenza tra i vari amminoacidi: differenziano solo per questo (infatti esso da polarità o meno alla molecola, può essere idrofobico, idrofilico ecc.). Il carbonio alfa, cioè quello centrale, è asimmetrico: ciò significa che lega 4 atomi o diverse le une dalle altre, con l’unica eccezione GLICINA, la quale nel gruppo R presenta un atomo (quindi è simmetrico). In natura sono presenti 20 amminoacidi e come essi si differenziano per il gruppo R, che può essere apolare e così via: *L’asparagina ha come gruppo R una molecola di CH2COOH.

essi si

molecole della di idrogeno detto prima polare o

*La tirosina ha un residuo finilico con annesso un ossidrile. *La serina ha un gruppo OH Ci sono anche gruppi elettricamente carichi che possono presentare caratteristiche basiche o acide, oppure amminoacidi non carici e quindi apolari: *La cisteina è importante per la formazione dei ponti disolfuro, *La metionina anche e contiene zolfo, *Fenilalanina. Gli amminoacidi vengono anche utilizzati per la biosintesi di altri composti che hanno azoto: per esempio la glicina può essere utilizzata per la formazione del gruppo EME, nella formazione delle basi azotate, della carnitina e creatinina, sostanze del metabolismo, neurotrasmettitori. Partecipa ai processi ossidoriduttivi del nostro metabolismo. Gli amminoacidi nel formare la struttura primaria, si uniscono mediante legame peptidico (o anche carboaminico): il gruppo carbonili...