Lezione 2 - Le macromolecole biologiche PDF

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Le macromolecole biologiche - Carboidrat - Lipidi - Proteine - Acidi nucleici

LE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE Il principale componente dell'organismo è l'acqua. Le cellula infatti sono composte per:  80% acqua;  1% ioni e piccole molecole;  20% macromolecole (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi). I LEGAMI COVALENTI Gli atomi che costituiscono le molecole sono tenuti insieme da legami covalenti in cui coppie di elettroni sono condivise fra due atomi. La formazione di un legame covalente è accompagnata dalla liberazione di energia che deve essere invece fornita se si vuole rompere il legame successivamente. L'acqua (H2O) è una molecola polare. L’unico atomo di O attrae gli elettroni con maggiore forza di quanto facciano gli atomi di H. L’acqua e le molecole polari (in generale) hanno una distribuzione asimmetrica delle cariche. I legami O-H sono polarizzat: quando un atomo di H è legato covalentemente ad un atomo elettronegativo (in questo caso l’O), la coppia di elettroni condivisi è notevolmente spostata verso il nucleo dell’atomo elettronegativo (che ha carica parzialmente negativa) lasciando l’atomo di H con una carica parzialmente positiva. Questa interazione debole (0,27 nanometri = 2 ÅMSTRONG) è definita legame idrogeno, e la presenza di legami fortemente polarizzati determina la reattività della molecola.  H e O sulla terra alla pressione atmosferica hanno interazioni deboli (dipolo-dipolo).  L'acqua sulla terra è un liquido perfetto (per ottenere metano liquido occorrono -161,5°). Le proprietà chimico-fisiche dell'acqua sono legate alla sua polarità elettrica e alla possibilità di formare legami a idrogeno intermolecolari. Pur essendo formata da molecole semplici, possiede una stabilità chimica e un punto d'ebollizione sorprendentemente elevati. Poiché le sue molecole sono polari è un solvente eccellente per sali e molecole che presentano legami polari (soluzioni). La proprietà più importante dell'acqua è che si tratta di un liquido a temperatura ambiente. Possiede proprietà fisiche interessanti per la termostatazione dell'ambiente, dato che una notevole quantità di calore è coinvolta nei passaggi di stato. MACROMOLECOLE Le macromolecole sono molecole di grandi dimensioni e ben organizzate che formano la struttura delle cellule e sono alla base delle attività cellulari. Sono suddivise in 4 categorie:  PROTEINE  20 amminoacidi.  ACIDI NUCLEICI  nucleotidi.  CARBOIDRATI  monosaccaridi legati per formare polisaccaridi.



LIPIDI  acidi grassi.

Le prime tre si presentano sotto forma di polimeri (con pesi molecolari >1000 g/mol o Dalton), composti da un grande numero di unità più piccole di basso peso molecolare detti monomeri. Mentre i lipidi si associano tra di loro formando aggregat e non attraverso molecole più piccole. Le loro azioni dipendendo dalle proprietà dei gruppi funzionali che contengono. GRUPPO FUNZIONALE

NOME Gruppo ossidrilico -OH

CARATTERISTICHE Polare e solubile in acqua: tende a formare lega a H

Gruppo carbossilico -COOH

Gruppo aldeidico -COH

Acido debole: tende alla forma -COO- perdendo uno ione H+. Presente negli acidi organici e amminoacidi. Base debole: tende alla forma NH 3+ acquistando uno ione H+. Presente negli amminoacidi. Polare e solubile in acqua. Presente negli zuccheri.

Gruppo chetonico C=O

Polare e solubile in acqua. Presente negli zuccheri.

Groppo fosfato PO3H2

Acido: tende alla forma PO32perdendo due H+. Presente negli acidi nucleici.

Gruppo amminico -NH2

Gruppo solfidrile (tiolico) Presente nelle proteine (amminoacido cisteina). -SH

 

I CARBOIDRATI (CmH2nOn): Immagazzinamento e trasporto di energia chimica come materiale di costruzione di lunga durata per le strutture biologiche. Scheletro per alcune molecole.

Si dividono in: - MONOSACCARIDI: zuccheri semplici. - DISACCARIDI: due zuccheri semplici legati da legami covalenti. - OLIGOSACCARIDI: da 3 a 20 monosaccaridi.

-

POLISACCARIDI: centinaia o migliaia di monosaccaridi (per esempio, amido, glicogeno, cellulosa).

LA STRUTTURA DEGLI ZUCCHERI SEMPLICI  MONOSACCARIDI: Ogni molecola di zucchero è composta da uno scheletro di atomi di carbonio legati insieme in modo lineare mediante legami singoli. Un atomo di carbonio porta il gruppo carbonilico (C=O): - Se il gruppo carbonilico è presente all'interno della molecola (formando un gruppo chetonico) lo zucchero è detto chetoso (fruttosio). - Se il gruppo carbonilico è presente all'estremità dello zucchero, esso forma un gruppo aldeidico ed è detto aldoso (glucosio). A causa dei gruppi ossidrilici, gli zuccheri tendono ad essere molto solubili in acqua. La GLICERALDEIDE è lo zucchero più piccolo appartenente alle aldeidi. Il DIIDROSSIACETONE è lo zucchero più piccolo appartenente ai chetoni.

ALDOSI

TRIOSI GLICERALDEIDE

PENTOSI RIBOSIO

CHETOSI DIIDROSSIACETONE RIBULOSIO

  

ESOSI GLUCOSIO

FRUTTOSIO

Tutte le cellule utilizzano il glucosio (monosaccaride) come fonte di energia. Esiste come catena lineare o forma di anello (è più stabile). Forma di anello esiste come α- o β-glucosio, che può interconvertirsi.

IL LEGAME TRA GLI ZUCCHERI: Gli zuccheri possono essere uniti fra loro per costruire molecole più grandi attraverso legami glicosidici, i quali si formano per reazione tra il carbonio C1 di uno zucchero ed il groppo ossidrilico (-OH) di un altro zucchero, generando un legame -C-O-C tra i due zuccheri. Legame α o β-GLICOSIDICO: Si distinguono due tipi di legami in base alla direzione di uscita del legame stesso dal piano della molecola, rispetto al sostituente del carbonio che nello zucchero ne determina la stereoisomeria (D o L). Nel ribosio o desossiribosio il carbonio in questione è quello in posizione 5, per gli altri zuccheri è il penultimo a partire dalla funzionalità carbonilica; il sostituente in uno zucchero non modificato è un ossidrile (-OH). Il legame α sarà sul piano opposto rispetto all'-OH (sotto il piano della molecola); il legame β sarà sullo stesso piano (sopra il piano della molecola). -

-glicosidici  legame tra OH su C1 e OH su C4 o altro carbonio di un altro zucchero; -glicosidici  legame tra -OH su C1 e OH su C4 o altro carbonio di un altro zucchero.

La nomenclatura del legame: indicare se è o , il numero più piccolo indicante la posizione di un carbonio coinvolto nel legame  seguito dal numero più grande indicante la posizione del secondo carbonio coinvolto nel legame. DISACCARIDI: - LATTOSIO: glucosio + galattosio uniti con legame (14); - MALTOSIO: glucosio + glucosio uniti con legame (14); - SACCAROSIO: glucosio + fruttosio uniti con legame (12).

OLIGOSACCARIDI:  Possono includere altri gruppi funzionali.  Spesso le loro catene sono legate in modo covalente alle proteine (glicoproteine, proteoglicani) e lipidi (glicolipidi) sulla superficie delle cellule dove agiscono come segnali di riconoscimento o come componenti della matrice extracellulare.  Essendo composti da combinazioni diverse di unità saccaridiche, possono svolgere un ruolo di segnale, servono cioè a distinguere un tipo di cellula da un altro e aiutano a mediare le interazioni specifiche di una cellula con il suo ambiente.



I gruppi sanguigni umani ottengono la specificità da catene di oligosaccaridi.

POLISACCARIDI: Il glicogeno, l’amido e la cellulosa sono composti esclusivamente da subunità di glucosio, ma le loro proprietà chimiche e fisiche sono molto diverse a causa delle differenti modalità con cui i monomeri sono legati tra loro. Le molecole di glicogeno sono maggiormente ramificate, quelle di amido hanno una disposizione elicoidale mentre le molecole di cellulosa non sono ramificate e sono molto lunghe. Mentre glicogeno e amido costituiscono riserve energetiche, la cellula ha funzione strutturale e costituisce una fibra resistente. 1. GLICOGENO: polimero ramificato che contiene un solo tipo di monomero, il glucosio. Le unità di zucchero sono unite da legami α-glicosidici (14). Il glicogeno serve come deposito di energia nella maggior parte degli animali. 2. AMIDO: è un polimero del glucosio (come il glicogeno) polisaccaride dato dalla sequenza lineare di due polimeri: amilosio (molecola elicoidale non ramificata i cui zuccheri sono uniti da legami  14) e amilopectna (molecola ramificata) uniti da legami α-glicosidici (14). Serve come riserva di energia per le piante. 3. CELLULOSA: è il componente principale della parete delle cellule vegetali. È composta da monomeri di glucosio. Ma le sue proprietà differiscono dagli altri polisaccaridi perché contiene legami (14). A causa di questi legami infatti gli organismi pluricellulari (il nostro organismo) non sono in grado di degradare la cellulosa. Non tutti i polisaccaridi di interesse biologico sono costituiti da monomeri di glucosio. La CHITINA è un polimero non ramificato dello zucchero N-acetlglucosammina. La chitina è il materiale strutturale di rivestimento degli invertebrati, è resistente ma flessibile.

N-ACETILGLUCOSAMMINA: è simile al glucosio ma ha un gruppo amminico legato al carbonio 2 dell’anello.

Un altro gruppo di polisaccaridi più complessi è rappresentato di GLICOSAMMINOGLICANI (GAG) costituiti da due zuccheri diversi (A e B alternati). Zuccheri diversi hanno potere dolcificante diverso. LATTOSIO

0,16

GALATTOSIO

0,32

MALTOSIO

0,33

SACCAROSIO

1

FRUTTOSIO

1,73

ASPARTAME = acido aspartico + fenilalanina

180

SACCARINA = 1,2-benzenisotiazolin-3-one-1,1- 450 diossido I LIPIDI: Sono idrocarburi non polari, insolubili in acqua ma solubili in solventi non polari come cloroformio o benzene. Non formano polimeri veri e propri perché non sono legati covalentemente attraverso monomeri più piccoli che li compongono, ma sono aggregati di lipidi (riducono al minimo la loro esposizione della parte idrofobica) legati insieme da forze deboli di Van der Waals. Hanno funzioni diverse: i grassi e gli oli hanno funzione di riserva energetica, i fosfolipidi sono i costituenti delle strutture delle membrane e gli steroli o acidi grassi modificat servono per ormoni e vitamine. I lipidi importanti per il funzionamento di una cellula sono i: 1. TRIGLICERIDI o GRASSI NEUTRI: Consistono di una molecola di glicerolo legata mediante legami esterici a tre acidi grassi. Non avendo gruppi polari, sono insolubili in acqua e si accumulano nelle cellule sotto fora di goccioline lipidiche, che formano una riserva di energia molto concentrata.

2. ACIDI GRASSI: Sono acidi monocarbossilici alifatici. Sono gli ingredienti costitutivi di quasi tutti i lipidi complessi e dei grassi vegetali e animali. Sono lunghe catene di idrocarburi non ramificate, con un unico gruppo carbossilico all'estremità che in acqua può acquistare carica negativa. La catena idrocarburica è idrofobica, infatti in acqua la sua esposizione è ridotta, mentre il gruppo carbossilico (-COOH), che a pH fisiologico ha una carica negativa, è idrofilico. Per questo gli acidi grassi sono anfipatci. Le loro proprietà si riscontrano in un materiale famigliare, il sapone. Il sapone crea sfere che contengono un velo d'acqua racchiuso da due catene di lipidi attorno (estremità idrofilica). Ne risulta la formazione di micelle, complessi di materiale grasso che possono essere dispersi dall'acqua: le code non polari degli acidi grassi sono rivolte verso l'interno, dove interagiscono con

il materiale grasso che deve essere solubilizzato, mentre le teste che presentano cariche negative, sono poste sulla superficie della micella, dove interagiscono con l'acqua circostante. Gli acidi grassi si distinguono sia per lunghezza della catena idrocarburica che per la presenza o meno di doppi legami. Gli acidi grassi compresi nelle cellule hanno una lunghezza compresa tra i 14 e i 20 atomi di carbonio; quelli che sono privi di doppi legami come l’acido stearico, sono detti saturi; quelli che possiedono doppi legami sono detti insaturi. Una maggior presenza di doppi legami comporta una riduzione della temperatura di fusione dei lipidi che contengono questi acidi grassi. Al contrario l'abbondanza di doppi legami nei grassi vegetali spiega il loro stato liquido. I grassi che sono liquidi a temperatura ambiente sono chiamati OLI. I GRASSI solidi invece sono ottenuti da oli vegetali insaturi riducendo i doppi legami con atomi di idrogeno (idrogenazione)  I carboidrati sono una sorgente di energia di breve durata e rapidamente disponibile, mentre i grassi sono riserve energetiche di lunga durata. 3. STEROLI Gli steroli sono una classe di composti chimici derivati dallo sterolo, composto policiclico formato da quattro anelli condensati (tre a 6 atomi di carbonio e uno a 5 atomi di carbonio). Il più importante è il COLESTEROLO  componente delle membrane delle cellule animali e assente nelle cellule vegetali. Presenta una caratteristica funzione alcolica in posizione tre sull'anello A, una catena ramificata sul C17 dell'anello D. Sono lipidi anfipatci (a struttura idrofoba ma con una estremità idrofila costituita dal gruppo -OH).

COLESTEROLO Gli steroidi sono dei derivati ossidati degli steroli: possiedono il nucleo sterolico (composto da quattro anelli fusi, tre a sei atomi e uno a cinque), ma non la catena alchilica 4. FOSFOLIPIDI: Queste molecole assomigliano ai trigliceridi, ma hanno solo due acidi grassi invece di 3 (diacilglicerolo). Il terzo gruppo ossidrilico della catena del glicerolo è legato covalentemente ad un gruppo fosfato, che a sua volta è legato covalentemente a un piccolo gruppo polare. - FOSFATIDILCOLINA: la molecola è formata da uno scheletro di glicerolo, i cui gruppi ossidrilici sono legati covalentemente a due acidi grassi e ad un gruppo fosfato. Il fosfato con carica negativa è legato ad un piccolo gruppo polare di colina con carica positiva.

I fosfolipidi si trovano a suddividere due ambienti, entrambi acquosi: escludono l'acqua all'interno della micella dove ci sono le code idrofobiche a contatto tra loro si organizzano in un doppio strato Così la membrana biologica ha la massima stabilità. TRIGLICERIDI

FOSFOLIPIDI

Sono legati a tre catene di acidi grassi - Sono legati a due catene di acidi grassi (idrofobiche) (idrofobiche) e a un gruppo fosfato (idrofilico). - Il fosfato ha carica elettrica negativa: l'aggiunta di un'ulteriore molecola (la colina) con carica positiva, dà alla molecola una forte polarità, anche se la carica netta risultante è zero.

 I fosfolipidi non sono gli unici componenti delle membrane biologiche, esse contengono anche colesterolo. LE PROTEINE: Le proteine sono le macromolecole da cui dipendono tutte le attività della cellula: in qualità di enzimi aumentano la velocità delle reazioni metaboliche; come ormoni svolgono funzioni di regolazione; come recettori e trasportatori di membrana selezionano ciò che reagisce con la cellula; inoltre formando filament contrattili costituiscono l’apparato per l’attività motoria, mentre formando fibre forniscono il sostegno meccanico sia alla cellula sia all'ambiente che lo circonda. Le proteine agiscono anche da antcorpi, da tossine, fanno coagulare il sangue, assorbono rifrangono la luce e trasportano sostanze da una parte all'altra del corpo. Le proteine sono polimeri costituiti da catene polipeptidiche lineari (non ramificate) di 20 differenti amminoacidi. La formazione del legame peptdico deriva dalla condensazione di due amminoacidi  unione del gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo amminico dell'amminoacido vicino, con l'eliminazione di una molecola di acqua. Una volta incorporati nella catena polipeptidica, gli amminoacidi vengono chiamati residui. Ad una estremità il residuo che presenta il gruppo alfa-amminico libero è detto N-terminale, all'altra estremità il residuo che presenta il gruppo alfa-carbossilico libero è detto C-terminale. Gli amminoacidi usati nella sintesi delle proteine sono sempre L-amminoacidi.

PROPRIETA' DELLE CATENE LATERALI: La catena laterale o gruppo R, legata al carbonio alfa, varia fra i 20 amminoacidi usati nelle proteine ed è proprio questa variabilità che fornisce alle proteine le loro diverse strutture e attività. Gli amminoacidi sono classificati in gruppi in base alle caratteristiche delle loro catene laterali  vedi strutture in chimica organica. POLARI CARICHI POSITIVAMENTE:  ARGININA  LISINA  ISTIDINA POLARI CARICHI NEGATIVAMENTE:  Acido Aspartico  Acido glutammico Possono essere ionizzati perché contengono acidi o basi organiche relativamente forti, possono formare quindi legami ionici con altre specie chimiche. POLARI NON CARICHI: Le catene laterali di questi amminoacidi presentano una parziale carica negativa o positiva, quindi sono capaci di formare legami a idrogeno con altre molecole, come l'acqua. Questi sono piuttosto reattivi:  ASPARAGINA  GLUTAMMINA  SERINA  TREONINA  TIROSINA APOLARI: Le catene laterali sono idrofobiche e incapaci di formare legami elettronici o di interazione con l'acqua:  ALANINA  ISOLEUCINA  LEUCINA  METIONINA  FENILALANINA  TRIPTOFANO  VALINA CON CATENE LATERALE CON PROPRIETA' PARTICOLARI:  CISTEINA: contiene un gruppo solfidrilico reattivo (-SH) e spesso si lega covalentemente a un altro residuo cisteinico, formando un ponte disolfuro (-S-S-). I ponti disolfuro aiutano a

 

stabilizzare le proteine, soprattutto quelle che si trovano fuori dalle cellule, dove sono soggette a maggiori sollecitazioni fisiche e chimiche. GLICINA: la sua catena laterale è formata solo da un atomo di idrogeno; è più flessibile degli altri amminoacidi e permette a parti della catena di muoversi o formare una cerniera. PROLINA: il suo gruppo alfa-amminico è parte integrante di un anello; è un amminoacido idrofobico, ma non si adatta facilmente in una struttura secondaria come un alfa-elica, per cui tende a produrre nodi o cerniere.

LA STRUTTURA DELLE PROTEINE: Ogni amminoacido in una proteina è localizzato in un punto specifico e contribuisce a dare alla proteine la sua forma e la sua funzione. La struttura delle proteina può essere descritta a diversi livelli di organizzazione: STRUTTURA PRIMARIA: Riguarda la sequenza lineare di amminoacidi che compongono la catena. Essendoci 20 amminoacidi diversi il numero di differenti polipeptidi che si possono formare è 20n (il numero è illimitato). L'informazione per la precisa disposizione degli amminoacidi in ogni proteine che un organismo può produrre è contenuta nel suo genoma. Tale sequenza determina la forma tridimensionale della molecola. STRUTTURA SECONDARIA: Gli amminoacidi si organizzano a formare una struttura tridimensionale. Due conformazioni: 1) ALFA ELICA, in cui lo scheletro del polipeptide assume la forma di spirale avvolta delimitata da un cilindro. Lo scheletro è all'interno dell'elica e le catene laterali si proiettano all'esterno. Questa struttura è stabilizzata da legami a idrogeno tra atomi coinvolti nei legami peptidici che si trovano adiacenti alla spirale. 2) FOGLIETTO , formato da diversi segmenti di polipeptidi affiancati in cui lo scheletro assume una struttura pieghettata. È caratterizzato da legami a idrogeno orientati in modo perpendicolare all'asse della catena polipeptidica e si proiettano trasversalmente da una regione della catena ad un’altra adiacente. I filamenti del foglietto  sono disposti sia in modo parallelo che antiparallelo. Le parti di una catena non organizzate in Alfa elica o foglietto  possono formare cerniere, giri, anse o estensioni digitiformi: queste sono le parti più flessibili di una catena dove ci sono i siti di maggiore attività biologica. STRUTTURA TERZIARIA: Descrive la conformazione dell'interno polipeptde, cioè come porzioni distanti di una proteina si dispongono nello spazio. È stabilizzata da legami non covalenti tra le diverse catene letterali di una proteina. Le superfici esterne presentano gruppi...