3°Capitolo: le molecole biologiche
Lo studio delle molecole biologiche è affidato alla biochimica (bios= vita) ovvero
alla chimica della vita, le molecole che studieremo sono:
1.CARBOIDRATI O GLUCIDI O ZUCCHERI
2.LIPIDI O GRASSI
3.PROTIDI O PROTEINE
4.ENZIMI
5.DNA/RNA/ATP
6.VITAMINE
CARBOIDRATI
Sono composti ternari formati da C (carbonio), idrogeno (H) e ossigeno (O) la cui
formula generale è Cn H2n On.
La funzione principale dei carboidrati è energetica ma vedremo che in alcuni casi
può essere anche strutturale.
I carboidrati possono essere:
SEMPLICI= formate da molecole singole di zucchero a questa categoria
appartengono i Monosaccaridi
COMPLESSE= formate dall’unione di molecole semplici a questa categoria
appartengono i:
1. Disaccaridi
2. Polisaccaridi
Monosaccaridi
I monosaccaridi o zuccheri semplici possono essere formati da 3 (triosi) da 5
(pentosi) o da 6 atomi di carbonio(esosi). Il glucosio è il monosaccaride più
diffuso (Zucchero raffinato) ed è l’unità costitutiva della maggior parte dei
disaccaridi e polisaccaridi.
Il glucosio è un esoso e la sua formula chimica è C6H12O6
Gli esosi sono:
1.GLUCOSIO è lo zucchero di uso comune
1.FRUTTOSIO si trova nella frutta
2.GALATTOSIO si trova nel latte
essi hanno tutti la stessa formula grezza C6H12O6 ( numero e tipo di atomi uguali)
ma diversa formula di struttura ( diversa disposizione spaziale degli atomi) perciò
sono detti Isomeri.
H
Specificando il glucosio è un aldoso ( presenza del gruppo aldeidico
C=O ) ed il
fruttosio è un chetoso (presenza del gruppo chetonico
C=O).
I Pentosi sono:
1. DESOSSIRIBOSIO (presente nell’acido deossiribonucleico DNA)
2. RIBOSIO (presente nell’acido ribonucleico RNA)
Disaccaridi
I disaccaridi sono formati dalla condensazione di due unità di monosaccaridi per
eliminazione di una molecola di H20. Ogni volta che parliamo di condensazione
viene sempre eliminata una molecola di H20
Tra i disaccaridi di più notevole rilievo possiamo ricordare
1.SACCAROSIO (glucosio + fruttosio)-si trova nella saccarina che è lo zucchero
indicato per i diabetici
2.LATTOSIO (glucosio + galattosio)-si trova nel latte
3.MALTOSIO (glucosio + glucosio)-dalla sua fermentazione si ottengono bevande
alcoliche come ad es la birra
Polisaccaridi
I polisaccaridi sono formati dalla condensazione di molte molecole di glucosio, si
distinguono tra loro per i tipi di legami e per la più o meno ramificazione delle
molecole. I polisaccaridi possono essere di origine VEGETALE o ANIMALE
Polisaccaridi vegetali:
1.Amido
L’amido è un polimero del glucosio; è costituito da amilosio ed amilopectina, il
primo costituito da catene lineari di glucosio (legami 1-4 α glucosidici), il secondo
da catene ramificate (legami 1-6 α glucosidici) si trova nella pasta, pane, farina,
patate: i legami α-glucosidici sono dei particolari legami covalenti e permettono al
nostro organismo la sua digestione grazie alla presenza di enzimi particolari
chiamati amilasi
2.Cellulosa è un polisaccaride strutturale vale a dire che fa parte della struttura
delle pareti delle cellule vegetali e costituisce la cosiddetta fibra. La cellulosa
non è digeribile dall’uomo in quanto i suoi legami sono β-glucosidici e possono
essere scissi solo dalle β-cellulasi. I ruminanti hanno questi enzimi e quindi
possono assimilare la cellulosa.
Polisaccaridi animali:
Glicogeno chiamato anche amido animale perché è una riserva di glucosio esso si
divide in:
1. Glicogeno muscolare=riserva situata nel muscolo
2. Glicogeno epatico (dal greco epatos= fegato) riserva situata nel fegato
Quando nell’organismo non abbiamo più riserve di glicogeno vengono attaccati i
grassi
LIPIDI
i lipidi sono molecole a funzione energetica e anche strutturale, insolubili in acqua
ma solubili in solventi non polari come il cloroformio e il benzene; vengono distinti
in :
LIPIDI COMPLESSI ( per idrolisi danno alcoli ed acidi grassi; sono detti
saponificabili perché trattati con basi forti danno i saponi. Vi appartengono
trigliceridi, fosfolipidi e cere);
LIPIDI SEMPLICI (non contengono acidi grassi e perciò non sono saponificabili. Vi
appartengono terpeni e steroidi).
sono combustibili di seconda scelta o di riserva (vengono prima usati i carboidrati
poi i lipidi). Sono composti ternari formati da C,H,O, con atomi di carbonio
disposti in catene lineari di varia lunghezza, chimicamente sono diversi dai
carboidrati in quanto i loro atomi, anche se identici, hanno una diversa
configurazione spaziale. Gli’elementi costitutivi dei lipidi sono gli acidi grassi
costituiti da una lunga catena carboniosa e da un gruppo carbossilico COOH che
caratterizza gli acidi grassi. La lunga catena carboniosa costituisce il radicale
dell’acido grasso indicato con R ed il gruppo carbossilico ne rappresenta il gruppo
funzionale
ACIDI GRASSI:
GRUPPO CARBOSSILICO
O
//
-R-C
\ OH
R= LUNGA CATENA CARBONIOSA (CARBONIO 4 LEGAMI)
H H H H H H H H H
l l l
l l l
l
l
H-C- C- C- C- C- C- C- C- C-COOH
acido grasso saturo
l
l l
l l
l l
l
H H H H H H H H H
H H H H H
l l l l l
H-C=C-C=C-C-C-C=C-C-COOH
l l l l l l
H H H H H H
acido grasso insaturo
Si dividono in:
1.acidi grassi saturi
Gli acidi grassi saturi presentano legami semplici tra gli atomi di carbonio del
radicale sono legami saturati con l’idrogeno.Gli acidi grassi saturi si trovano nei
grassi animali solidi a temperatura ambiente: burro e lardo.
2. acidi grassi insaturi
Gli acidi grassi insaturi presentano il doppio legame tra gli atomi di carbonio del
radicale. Gli acidi grassi insaturi si trovano nei grassi vegetali liquidi a
temperatura ambiente: olio d’oliva, olio di semi ecc.
Il grasso più sano è l’olio extravergine di oliva spremuto a freddo in quanto i
doppi legami reggono di più la cottura.
TRIGLICERIDI:
sono formati da glicerina (alcool con 3 gruppi OH chiamati gruppi alcolici) + acidi
grassi
Il legame tra il gruppo alcolico OH dell’alcool ed il gruppo COOH dell’ acido
grasso viene detto legame estere, è una semplice condensazione in cui viene
eliminata una molecola di acqua. I trigliceridi, infatti sono esteri della glicerina.
I trigliceridi che hanno prevalentemente acidi grassi saturi sono solidi a
temperatura ambiente , vengono detti propriamente grassi e sono comuni negli
animali, quelli in cui prevalgono gli acidi grassi insaturi sono liquidi a temperatura
ambiente, vengono detti oli e sono comuni nei vegetali.
Formazione dei trigliceridi:
trigliceridi
glicerina acidi grassi
CH2–OH HOOC-R
l
CH –OH HOOC-R
l
CH2–OH HOOC-R
Per ciascun acido grasso ( R-COOH ) che si lega al gruppo alcolico o ossidrilico
(OH) viene eliminata una molecola di H2 O
FOSFOLIPIDI
Costituiscono parte integrante delle membrane cellulari. Hanno la stessa
struttura dei trigliceridi ma differiscono da essi perché al posto del 3° acido
grasso c’è l’acido fosforico H3PO4 ES:
Fosfolipidi
glicerina acidi grassi
CH2–OH HOOC-R
l
CH –OH HOOC-R
l
CH2–OH-H3PO4
STEROIDI
La loro struttura ciclica deriva dal FENANTRENE saldato con il CICLOPENTANO
(ciclopentanoperidrofenantrene); un esempio di grasso steroideo è il colesterolo
che fa parte della costituzione della membrana cellulare. Nel sangue i valori
normali del colesterolo sono fino a 200mg/ml. L’aumento del colesterolo provoca
l’ATEROSCLEROSI. L'aterosclerosi è un accumulo di sostanze grasse sulle pareti
interne delle arterie. Questo accumulo è costituito in prevalenza da colesterolo,
una sostanza presente nel sangue e in tutte le cellule dell'organismo.
L'aterosclerosi è la principale causa dell'arteriosclerosi, che raggruppa tutte le
malattie che determinano un ispessimento e la perdita di elasticità delle pareti
arteriose.
L'aterosclerosi può riguardare qualsiasi arteria del corpo umano, ma colpisce
soprattutto le arterie del cuore e la carotide, che convoglia il sangue al cervello.
Il deposito di grassi in questi vasi sanguigni primari, può causare un infarto
miocardico o un ictus. Tra i fattori di rischio che provocano l'aterosclerosi, il più
rilevante è sicuramente rappresentato dall'aumento del colesterolo.
L'ipercolesterolemia, ma più in generale l'iperlipidemia, cioè l'aumento del
colesterolo e/o dei trigliceridi nel sangue, costituiscono effettivamente una
condizione in grado di aumentare sensibilmente la probabilità di andare incontro
ad aterosclerosi. Un altro importante fattore di rischio estremamente importante
è rappresentato dall'ipertensione. La pressione alta, infatti, favorisce le lesioni a
livello delle coronarie e delle arterie cerebrali. Anche il fumo di sigaretta
contribuisce notevolmente all'instaurarsi di questa patologia, come anche
l'aumento della glicemia, cioè la quantità di zucchero presente nel sangue. Tra i
fattori di rischio dell'aterosclerosi vi sono anche l'obesità e l'inattività fisica.
L’aumento del colesterolo nel sangue, non si cura ma si previene con uno stile di
vita che tenga conto di una sana alimentazione e di un’adeguata attività fisica.
TERPENI sono gli olii essenziali che rendono i fiori profumati.
PROTEINE
Sono sostanze quaternarie formate da C,H,O,N la loro funzione è strutturale
infatti esse prendono parte alla costituzione dei muscoli, ossa, sistema nervoso e
apparati. Possono essere considerate dei polimeri di molecole più semplici: gli
aminoacidi.
Struttura dell’AMINOACIDO:
si può considerare un derivato del metano CH4 esso infatti è costituito da un
atomo di carbonio centrale a cui è legato un gruppo amminico NH2, un gruppo
carbossilico COOH, un atomo di H ed un radicale R. Ogni aminoacido ha i tre
gruppi costanti e si contraddistingue dagli altri solo per la diversità nel radicale
R. In natura esistono circa 20 aminoacidi di cui solo una decina “essenziali”,
questi ultimi non possono essere fabbricati dal nostro organismo e vanno ingeriti
esclusivamente con la dieta. Gli aminoacidi essenziali si trovano nei prodotti
alimentari di origine animale come ad es latte, uova, formaggi, carne e pesce.
Un’alimentazione priva di questi prodotti porta ad un impoverimento proteico e
quindi ad uno stato di cattiva salute.
Struttura dell’aminoacido
gruppo amminico
R (radicale)
l
NH2 –C- COOH gruppo carbossilico
l
H
Gli aminoacidi si combinano tra loro mediante un legame covalente, che si instaura
tra il gruppo carbossilico di un aminoacido e il gruppo amminico del successivo con
rimozione di una molecola di acqua.
Le proteine sono costituite da un gran numero di aminoacidi e in base alla loro
costituzione chimica vengono distinte in proteine SEMPLICI (costituite solo da
proteine) O CONIUGATE (costituite da una parte proteica e da una non proteica
chiamata gruppo prostetico rappresentato per es da uno zucchero, da un grasso,
da un metallo ecc.)
Si possono assimilare tramite il cibo(essenziali) o vengono costruite dall’organismo.
Le proteina hanno un ruolo funzionale: sono componenti della cellula e regolano
molte reazioni biologiche.
LEGAME PEPTIDICO:legame tra il gruppo carbossilico di un aminoacido e quello
amminico di un altro aminoacido. È un legame di condensazione. (perdita di una
molecola di acqua).
H
H
R1–C-CO OH+H NH -C- R2
NH2
COOH
DIPEPTIDE:legame di due aminoacidi;
TRIPEPTIDE:unione di tre aminoacidi;
POLIPEPTIDE:unione di più aminoacidi.
STRUTTURA DELLE PROTEINE
Nelle proteine la funzione è legata strettamente alla forma che esse assumono.
Per definire una proteina è necessario specificare quattro tipi di struttura:
primaria, secondaria,terziaria e quaternaria.
La struttura primaria:
La struttura primaria indica la sequenza precisa degli aminoacidi. Da questa
dipendono le successive strutture, in quanto, in base alla posizione relativa dei
vari aminoacidi, si vengono a creare quelle interazioni che determinano la
conformazione della proteina.
La struttura secondaria:
La struttura secondaria specifica il tipo di disposizione assunto dalla catena degli
aminoacidi per l’azione esercitata dal legame idrogeno. In alcuni casi i legami
idrogeno si stabiliscono a distanze caratteristiche e costanti tali da far
assumere alla molecola l’aspetto di una “molla” detta α elica es: cheratina dei
capelli. In altri casi la catena peptidica assume la forma di una striscia di carta
ripiegata “a fisarmonica” detta β piani con gruppi R sporgenti da ambo lati es:
fibroina della seta. Alte temperature distruggono sia la struttura alfa che la
beta.
La struttura terziaria:
La struttura terziaria è anche essa dipendente dalla primaria; infatti una delle
cause del ripiegamento della molecola è determinata da un particolare aminoacido:
la cisteina, che contiene un gruppo sulfidrico
-SH. Fra due aminoacidi di questo tipo può stabilirsi un legame per l’eliminazione
di una molecola H2 tra due gruppi sulfidrilici, formando così un ponte disolfuro.
H
H
NH2-C-COOH
NH2-C-COOH
H2
CH2 SH
HSCH2
Ponte disolfuro
La struttura quaternaria:
Le proteine più complesse sono dette oligomeriche perchè formate da catene
peptidiche (monomeri) legate tra loro:la struttura quaternaria specifica il modo in
cui i singoli monomeri sono legati tra loro.
La struttura terziaria e quaternaria determinano sulla superficie della molecola
avvallamenti e protuberanze di forma particolare che serviranno da incastro per
le molecole con cui dovranno interagire. Ciò viene in corrispondenza di particolari
disposizioni dette domini. Es:l’emoglobina del sangue formata da 4 catene
proteiche legato ad un gruppo prostetico contenente l’eme che a sua volta
contiene un atomo di ferro.
IL DNA, L’RNA E L’ATP.
Gli acidi nucleici, formati da lunghe catene di nucleotidi sono detti RNA (acido
ribonucleico) e DNA (acido desossiribonucleico).
Gli acidi nucleici sono le molecole più grosse presenti negli organismi viventi. Essi
possono essere considerati dei polimeri i cui monomeri costitutivi sono detti
nucleotidi;ogni nucleotide si compone di tre parti:
Uno zucchero a 5 atomi di carbonio (pentoso)
Una base azotata
Un acido fosforico (H3PO4).
I nucleosidi o residui nucleici sono invece l’ unione di uno zucchero a 5 atomi di
carbonio (o pentoso) e una base azotata.
Gli zuccheri presenti possono essere il ribosio (RNA) o il desossiribosio (DNA).
Le basi azotate sono composti ciclici che contengono azoto, oltre che carbonio.
Esse appartengono al gruppo delle purine e delle pirimidine.
Le purine sono costituite da due anelli eterociclici uniti (uno a 6 atomi di carbonio
e uno a 5 atomi di carbonio) e sono l’ adenina e la guanina presenti sia nel DNA
che nell’ RNA.
Le pirimidine sono costituite da un anello eterociclico a 6 atomi di carbonio e sono
la timina, la citosina e l’uracile. La timina, la citosina sono presenti nel DNA
mentre nell’ RNA sono presenti la citosina e l’uracile. Il DNA è costituito da due
catene spiralizzate tra loro e assume la funzione di archivio delle informazioni
genetiche.
L’ RNA è generalmente a catena semplice e assume il compito di tradurre il
messaggio del DNA in proteine.
LA STRUTTURA DEL DNA
Nel DNA le basi adenina, timina, guanina e citosina sono disposte a coppie
tramite un rapporto fisso. La coppia adenina e timina è collegata tramite due
legami idrogeno; invece la coppia guanina e citosina è collegata tramite tre legami
idrogeno.
Riassumendo:
1. la molecola di DNA è formata da due filamenti avvolti uno sull’altro in
doppia elica;
2. ogni filamento è formato da una catena di nucleotidi;
3. ogni nucleotide è formato da un gruppo fosforico, da un desossiribosio e
una base azotata (purina o pirimidina);
4. i nucleotidi di ogni filamento sono tenuti insieme dal robusto legame tra
gruppi fosforici e zucchero (legame estereo);
5. i due filamenti sono tenuti tra loro con tenui legami idrogeno fra ogni
purina e la corrispondente pirimidina.
L’ATP
L’ ATP assolve il ruolo di trasportatore di energia.
L’ATP o adenosintrifosfato è una fonte di energia. Esso è costituito:
1. ADENOSINA, formata dal RIBOSIO (zucchero presente nell’RNA) e
l’ADENINA(base azotata);
2. 3 acidi fosforici.
AR — P ~ P ~ P
Legami costituiti da molta energia
A=adenina
R=ribosio
I legami ricchi di energia quando si spezzano la liberano e tale energia viene
utilizzata per il lavoro cellulare.
Con la corsa o il digiuno l’ATP può diventare:
1. adenosindifosfato (ADP) costituito da 2 acidi fosforici (-P~P);
2. adenosinmonofosfato (AMP) costituito da un acido fosforico (-P).
