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LE BIOMOLECOLE
Competenze
• Comprendere il concetto di isomeria ottica.
CAPITOLO
15
• Prevedere quando un composto è chirale.
• Identificare dalle formule di struttura due molecole
come enantiomeri.
• Rappresentare le strutture, lineare e ciclica, del glucosio
e del fruttosio.
• Riconoscere gli a-amminoacidi e le proteine.
• Riconoscere l’azione di catalizzatori biologici degli enzimi.
1. Le biomolecole
Le conoscenze acquisite nello studio della chimica generale ed organica di
“Elementi di chimica” saranno adesso utilizzate per affrontare lo studio delle biomolecole, cioè di quei composti organici indispensabili per la vita della cellula e per la sua riproduzione.
Questi composti sono i carboidrati, i lipidi, le proteine, gli acidi nucleici
e le vitamine che svolgono alcune funzioni fondamentali:
• i carboidrati, assieme ai grassi, provvedono al fabbisogno energetico
della cellula;
• le proteine e le vitamine sono indispensabili per l’accrescimento corporeo e per il suo mantenimento;
• gli acidi nucleici sono responsabili della trasmissione dei caratteri ereditari e della sintesi proteica negli organismi viventi.
2. Isomeria ottica
*Un piano di luce polarizzata consiste di onde elettromagnetiche che
vibrano in una sola direzione.
Per comprendere le proprietà di alcune molecole coinvolte nelle reazioni
biologiche, è necessario introdurre il concetto di attività ottica.
Alcuni composti hanno la capacità di ruotare il piano della luce polarizzata di un certo angolo*. Si dice che questi composti hanno attività ottica
o che sono otticamente attivi. Questo effetto è misurato con uno strumento,
detto polarimetro (figura 1).
1
1.
Schema di un polarimetro.
Quando la luce polarizzata
passa attraverso
la soluzione
di un composto
otticamente attivo,
il piano della luce
polarizzata ruota
di un certo angolo (a).
lampada
a vapori di sodio
S
sorgente
di luce
monocromatica
(λ = 589 nm)
α
oculare
luce non
polarizzata
polarizzatore
luce
polarizzata
tubo con
campione
analizzatore
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
1
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
Se il composto determina la rotazione della luce polarizzata in senso
orario, cioè verso destra, è detto destrogiro e si indica con (+); nel caso
la rotazione si verifichi in senso antiorario, cioè verso sinistra, il composto è detto levogiro e si indica con (–).
Il glucosio è un composto otticamente attivo e la sua molecola è destrogira (+). Anche il fruttosio è un composto otticamente attivo, ma la
sua molecola è levogira (–).
■ Enantiomeri
La molecola dell’acido lattico o acido 2-idrossipropanoico, la cui formula è
2
H
H
CH3 – C – COOH
C
OH
OH
CH3
COOH
acido (+) lattico
H
C
COOH
CH3
OH
acido (–) lattico
2.
Isomeri ottici.
Le due strutture
non sono sovrapponibili,
comunque siano orientate.
si presenta in due forme che hanno la capacità di ruotare il piano della
luce polarizzata in due versi opposti: una è destrogira e l’altra è levogira.
Questa proprietà è legata all’esistenza nella molecola di un atomo di
carbonio asimmetrico, che viene definito carbonio chirale o centro chirale.
Un atomo di carbonio è asimmetrico quando è legato con quattro differenti atomi o gruppi di atomi che, nel caso dell’acido lattico, sono H,
OH, CH3, COOH.
La molecola dell’acido lattico, per il fatto che i quattro gruppi si possono legare in due differenti modi rispetto all’atomo centrale, esiste come coppia di isomeri ottici (figura 2).
Un esempio generico di molecola con carbonio chirale è proposto in figura 3. Questa molecola dinanzi ad uno specchio dà l’immagine della sua
seconda forma che si presenta speculare alla prima e non sovrapponibile
(figura 4).
3
4
ENANTIOMERI
ATOMO
DI CARBONIO
CHIRALE
C
C
ATOMO
DI CARBONIO
CHIRALE
3.
Modello di molecola
con carbonio
asimmetrico (chirale).
4.
Una molecola con carbonio chirale
dinanzi ad uno specchio:
lo specchio dà l’immagine
della seconda forma della molecola
con carbonio chirale,
che si presenta speculare
alla prima e non sovrapponibile.
2
C
Allo stesso modo, dinanzi allo specchio l’immagine speculare di una
mano sinistra corrisponde alla mano destra. Pertanto la nostra mano è chirale (dal greco chéir, mano).
Coppie di molecole non sovrapponibili, e immagini speculari l’una
dell’altra, sono enantiomeri.
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
3. Carboidrati
GLUCOSIO
H
O
I carboidrati sono composti costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno; i più semplici hanno formula (CH2o)n, in cui l’idrogeno e l’ossigeno hanno lo stesso rapporto esistente nell’acqua. Ad esempio, nel glucosio
C6H12O6 gli atomi di idrogeno sono il doppio rispetto a quelli dell’ossigeno.
Con il termine carboidrati s’intendono quei composti, detti comunemente zuccheri, che contengono un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico e, inoltre, più di un gruppo funzionale ossidrilico (– oH).
I carboidrati più semplici si dividono in monosaccaridi e disaccaridi. I
carboidrati che in natura si presentano sotto forma di grosse molecole
sono detti polisaccaridi.
1C
*
H –2C – OH
*
HO –3C – H
*
H –4C – OH
*
H –5C – OH
6
CH2OH
1
CH2OH
■ Monosaccaridi
I monosaccaridi vengono classificati secondo il numero di atomi di
carbonio: quelli con tre atomi di carbonio sono chiamati triosi, quelli
con quattro atomi di C tetrosi, quelli con cinque atomi di C pentosi, con
sei C esosi.
A lato sono rappresentate le strutture di due monosaccaridi a sei atomi di
carbonio, il glucosio e il fruttosio, secondo le proiezioni di Fischer.
Il glucosio è un aldoesoso perché contiene il gruppo aldeidico; il fruttosio è un chetoesoso perché contiene il gruppo chetonico.
Per la numerazione della catena si procede in modo che il carbonio del
carbonile abbia il numero più basso. Ad esempio, nel caso del fruttosio gli
atomi di carbonio vengono numerati partendo dall’estremità più vicina al
carbonile.
Gli atomi di carbonio indicati con un asterisco rappresentano centri chirali della molecola.
Poiché il carbonio-5 è chirale, i monosaccaridi possono presentarsi in due
forme enantiomere che vengono indicate con le lettere D ed L.
Se il gruppo – OH è a destra del carbonio 5, i monosaccaridi appartengono alla serie D, come il D-glucosio, il D-fruttosio e il D-galattosio.
Gli altri monosaccaridi, che portano il gruppo – OH a sinistra del carbonio-5, sono della serie L.
I monosaccaridi presenti in natura appartengono alla serie D.
Quando i monosaccaridi vengono disciolti in acqua, la struttura a catena aperta si presenta in equilibrio con due strutture ad anello (formule di
Haworth).
Queste strutture sono le più stabili e sono la forma predominante del
monosaccaride all’equilibrio.
HO –3C*– H
H –4C*– OH
H –5C*– OH
6
CH2OH
5
5.
Il glucosio e il fruttosio
sono presenti in natura
nella frutta e nel miele.
ossigeno derivato
dal gruppo ossidrilico
6
CH2OH
H
C3
C2
H
C
1
OH
a-D-glucosio 36%
OH
carbonio derivato
dal gruppo aldeidico
(carbonio anomerico)
C
4
OH
CH2OH
5
C
6
CH2OH
OH
H
OH H
C3
C2
H
OH
▼
δ
+
δ
1
5
–
C
O
H
▼
H
OH
▼
HO
H
H
▼
C
4
O
▼
C
H
▼
5
6
C
H
D-glucosio forma aldeidica
struttura aperta 0,02%
▼
O
▼
C
: :
2
C
4
HO
O
H
OH H
C3
C2
H
OH
OH
1
C
▼
FRUTTOSIO
H
carbonio
anomerico
β-D-glucosio 64%
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
3
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
6
8
7
MODELLO
DELLA MOLECOLA
β-D-glucosio
6
HO
CH2
5
OH
O
C2
C
H
H
4
C
OH
3
1
CH2OH
C
OH H
β-D-fruttosio
MODELLO
DELLA MOLECOLA
a-D-glucosio
Per il fatto che nella struttura chiusa il carbonio-1 è chirale, sono possibili due isomeri detti anomeri che vengono indicati con a e β.
Nella forma a il gruppo OH legato al carbonio-1 è sotto il piano dell’anello, mentre nella forma β è sopra il piano dell’anello.
La struttura del β-D-fruttosio è rappresentata in figura 8.
FORMULA
DEL
SACCAROSIO
{
{
a-D-glucosio
β-D-fruttosio
■ Disaccaridi
Formalmente i disaccaridi si possono considerare derivati dalla condensazione di due monosaccaridi con eliminazione di una molecola di
acqua; un atomo di ossigeno tiene legati i due monosaccaridi (legame
glicosidico). I disaccaridi più importanti presenti in natura sono: il saccarosio, il lattosio, il maltosio.
Il saccarosio, che ha formula molecolare
C
12H22O11, è il comune zucchero da tavola e
6
viene ottenuto industrialmente dalla canna da
CH2OH
zucchero e dalla barbabietola.
O
5
H
H H
Si può considerare derivato dall’unione di
1
4
una molecola di a-D-glucosio e una di β-Dfruttosio con perdita di una molecola di acqua.
HO OH 2H
3
Dopo il saccarosio, il lattosio è il più abbonO
OH
H
dante disaccaride presente in natura. Esso co6
O
stituisce il 5% del latte dei mammiferi ed ha
HOH2C
formula molecolare C12H22O11.
5
2
OH
Il maltosio è un disaccaride che si ottiene per
CH2OH
H H
3
4
1
idrolisi parziale dell’amido. Il maltosio è costituito da due unità di a-D-glucosio.
HO
H
saccarosio
FORMULA
DELL’AMIDO
6
H
4
O
4
6
CH2OH
5
O
H
OH H
3
2
H
OH
H
1
H
a
4
O
CH2OH
5
O
H
OH H
3
2
H
OH
H
1
a
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
O
n
■ polisaccaridi
I polisaccaridi sono polimeri che hanno il
glucosio come unico tipo di monomero. I più
importanti sono: l’amido, la cellulosa ed il glicogeno.
L’amido è un polimero organizzato in maniera lineare, formato da tante molecole di a-Dglucosio.
L’amido costituisce una riserva energetica
per il mondo animale e vegetale.
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
La cellulosa, presente nei vegetali, è un polisaccaride del β-D-glucosio.
Non è digerita dall’organismo umano perché questo è privo degli enzimi
che permettono la degradazione del polimero.
Il glicogeno, un polisaccaride con lunghe catene ramificate di glucosio, è
contenuto essenzialmente nel fegato e nei muscoli degli animali (figura 9).
9
4. Amminoacidi
Gli amminoacidi sono composti caratterizzati dalla presenza del
gruppo carbossilico – COOH e del gruppo amminico – NH2. Il gruppo
amminico si trova legato al carbonio adiacente al gruppo carbossilico,
cioè il carbonio a.
O
carbonio a
9.
Sotto sforzo gli atleti utilizzano
il glicogeno
contenuto nei muscoli.
▼
– C – C – OH
N
H H
Al carbonio a sono uniti anche un idrogeno ed un gruppo R che può
essere alchilico, aromatico o eterociclico.
Tranne la glicina, dove R = H, gli altri amminoacidi hanno l’atomo di
carbonio a chirale in quanto legato a 4 gruppi diversi. Questi composti
sono pertanto otticamente attivi e presentano due enantiomeri che sono
l’immagine speculare l’uno dell’altro e non sovrapponibili.
O
C
OH
H
H
C
N
H
acido
R
H
H 2N
H
H
C
H
COOH
R
N
H
H
C
NH2
10
R
D – Amminoacido
COOH
R
N
H
L – Amminoacido
H
C
C
R
O
C
OH
OH
O
ENANTIOMERI
C
OHDELL
’ALANINA
COOH
H
H
10.
L’alanina, composto otticamente
attivo, presenta due enantiomeri.
Un enantiomero è l’immagine
speculare dell’altro
e non sovrapponibile.
C
NH2
R
D – Amminoacido
Negli amminoacidi, L (sinistro) e D (destro) stanno a rappresentare le
due serie in relazione alla posizione del gruppo – NH2, perché il verso
di rotazione della luce polarizzata va segnalato con il segno (+), rotazione a destra, e con il segno (–), rotazione a sinistra.
Gli amminoacidi naturali appartengono alla serie l, mentre gli amminoacidi che si trovano in alcuni prodotti di sintesi, ad esempio qualche
antibiotico, appartengono alla serie D.
Nella Tabella 1 sono rappresentati i 20 a-amminoacidi che normalmente
sono presenti nelle proteine. Dieci amminoacidi (valina, leucina, isoleucina,
fenilalanina, treonina, lisina, arginina, triptofano, istidina, metionina) sono
detti essenziali in quanto l’uomo non è in grado di sintetizzarli mediante
il proprio metabolismo, per cui deve introdurli con la dieta.
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
5
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
La carenza dei dieci amminoacidi essenziali, per una dieta sbilanciata, può provocare gravi patologie.
Un qualsiasi amminoacido allo stato puro si presenta come un solido
bianco cristallino con temperatura di fusione molto elevata rispetto ai
composti organici di pari massa molecolare. Per spiegare questo comportamento si ammette che questi composti, in seguito ad una reazione
acido-base, esistano prevalentemente come ioni dipolari.
R – CH – COO –
+
NH3
+
In un amminoacido il gruppo – NH3, ione ammonio, svolge la funzione
acida perché può cedere uno ione H +, mentre il gruppo – CO 2–, ione carbossilato, svolge la funzione basica in quanto può accettare uno ione H +.
TABELLA 1. AMMINOACIDI NATURALI
COOH
H2N
C
H
formula generale
di un amminoacido
r
–R
Nome
Simbolo
PuNto
iSoelettRico
–H
glicina
gly
6,0
– CH3
alanina
ala
6,0
– CH (CH3 )2
Valina
Val
6,0
– CH2 CH (CH3 )2
leucina
leu
6,0
– CH – CH2 CH3
isoleucina
ile
6,0
Simbolo
PuNto
iSoelettRico
asparagina
asn
5,4
– CH2 CH2CNH2
glutammina
gln
5,7
– (CH2)4 NH2
lisina
lys
9,7
arginina
arg
10,8
istidina
His
7,6
Triptofano
Trp
5,9
– CH2 SH
cisteina
cys
5,1
– CH2 CH2 SCH3
metionina
met
5,7
– CH2 COOH
acido aspartico
asp
2,8
– CH2 CH2 COOH
acido glutammico
glu
3,2
–R
O
– CH2CNH2
O
NH
CH3
– (CH2)3NHCNH2
COOH
HN – C – H
H2C
Prolina
Pro
6,3
CH2
– H2C
NH
CH2
– CH2
– CH2 OH
– CH2
– CHOH
CH3
N
fenilalanina
Serina
OH Tirosina
Treonina
Phe
5,5
Ser
5,7
Tyr
5,7
Thr
5,6
nota
a. gli amminoacidi vengono designati con un codice a tre lettere.
b. in rosso sono segnati gli amminoacidi essenziali.
c. la struttura della prolina è completa.
6
Nome
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
– H2C
N
H
Capitolo 15. LE
MOdELLI
BIOMOLECOLE
MOLECOLArI dI ALCunI AMMInOACIdI
a
11
c
b
O
N
S
O
alanina
(ala)
cisteina
(cys)
lisina
(lys)
e
d
11.
(a) Alanina (Ala):
in blu è rappresentato l’azoto,
in rosso l’ossigeno.
(b) Cisteina (Cys):
in giallo è rappresentato lo zolfo.
(c) Lisina (Lys).
(d) Serina (Ser).
(e) Fenilalanina (Phe).
serina
(ser)
fenilalanina
(Phe)
5. Le proteine
Le proteine sono macromolecole che derivano dalla combinazione
chimica di amminoacidi. Questi, susseguendosi l’un l’altro come mattoni, costituiscono strutture molecolari molto complesse.
Se abbiamo N amminoacidi, una macromolecola, in modo schematico,
assume la forma:
Frederick SANGER, biochimico
inglese.
È stato insignito di due premi
Nobel per la chimica nel 1958
e nel 1980.
R
O
H – N – C – C – OH + H
H
N
La combinazione chimica degli amminoacidi prende il nome di proteina
se la massa molecolare è superiore a 20 000, di peptide se inferiore.
Gli amminoacidi in una proteina sono legati mediante un legame
peptidico, che deriva da una reazione di esterificazione tra il gruppo
carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico di un altro, con
eliminazione di una molecola di acqua a spese di – OH del gruppo carbossilico e di – H del gruppo amminico.
Il legame peptidico tra due amminoacidi è così rappresentato:
H
R
O
H
N – C – C – OH
H
▼
H
3
2
1
R
O
H
R
O
H – N – C – C – N – C – C – OH
H
H
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
7
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
■ Struttura tridimensionale delle proteine
Mediante indagine con i raggi X, Linus Pauling, premio Nobel per la
chimica nel 1954, ha proposto per l’a-cheratina, una proteina fibrosa
(capelli, unghie, lana non stirata), una struttura elicoidale, cioè una catena di amminoacidi che si avvolge a spirale attorno ad un asse: struttura a-elica (figura 12).
Nell’a-elica i gruppi R sono rivolti verso l’esterno dell’elica e, all’interno della stessa molecola, si vengono a formare legami a idrogeno
tra il gruppo NH di un legame e il gruppo CO immediatamente sovrastante.
N – H ....... O
Non tutte le proteine hanno una struttura ad a-elica.
Ad esempio, il componente principale della seta è una proteina chiamata fibroina, che è una β-cheratina, la cui struttura ipotizzata da Pauling
è a pieghe, cioè a strato ondulato (struttura β) (figura 13).
La struttura tridimensionale delle proteine è determinata dalle interazioni tra gli ammonoacidi.
Con il calore si ha rottura dei legami a idrogeno: si parla in tal caso
di denaturazione delle proteine. Infatti l’albume per riscaldamento perde
il suo aspetto gelatinoso coagulando in una sostanza bianca solida. La
denaturazione delle proteine si verifica anche a pH molto acidi o molto
basici.
H
H
α - elica
O
O
R
N
12
N
C
R
C
radicale
R
R
radicale
R
R
R
5,4 A
R
R
12.
Struttura secondaria ad a-elica
per l’a-cheratina.
8
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
13.
Struttura secondaria di una proteina:
struttura a β-pieghe
della fibroina della seta.
13
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
6. Acidi nucleici e nucleotidi
Gli acidi nucleici sono macromolecole che consistono di catene di
nucleotidi. Ciascun nucleotide è composto di tre parti: uno zucchero,
una base (una ammina ciclica) e un gruppo fosfato.
Lo zucchero può essere il ribosio o il 2-deossiribosio, ambedue a cinque atomi di carbonio. Il prefisso 2-deossi indica la mancanza di un ossigeno nella posizione 2 del ribosio.
O
5
HO – CH2
OH
C4
C
H
H
C
O
5
HO – CH2
1
H
H
H
2
OH
C1
C4
H
3
OH
H
3
C
C
OH
OH
H
2
C
H
2-deossi-D-ribosio
D-ribosio
Gli acidi nucleici prendono il nome dallo zucchero che contengono:
l’acido deossiribonucleico (DNa) contiene il 2-deossiribosio, mentre
l’acido ribonucleico (RNa) contiene il ribosio.
L’altro costituente di un nucleotide è una base eterociclica azotata. Sia
nel DNA che nell’RNA sono presenti l’adenina, la guanina e la citosina.
NH2
6
1
N
5
O
7
6
1
N
HN
5
N
4
9
8
8
2
3
N
9
4
N
2
3
H2N
N
H
adenina (A)
4
3
N
H
guanina (G)
2
O
3
N
4
5
HN
5
1
O
O
NH2
7
2
6
O
N
1
6
N
3
4
5
HN
2
O
1
CH3
6
N
H
H
H
citosina (C)
uracile (U)
timina (T)
Oltre a queste nel DNA è presente anche la timina, mentre nell’RNA
l’uracile.
In un nucleotide la base è legata all’atomo di carbonio 1 del monosaccaride, mentre il gruppo fosfato è legato generalmente con l’atomo di carbonio 5.
14
14.
Nucleotide di DNA
contenente timina.
15
15.
Nucleotide di RNA
contenente uracile.
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
9
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
7. La struttura del dnA
Rosalind FRANKLIN (1920-1958),
biologa inglese del King College
di Londra, ebbe un ruolo
importante nella determinazione
della struttura del DNA.
Nel 1952, una brillante scienziata inglese Rosalind Franklin (1920-1958)
ipotizzò che la molecola del DNA dovesse avere una struttura a spirale, sulla base di alcune fotografie da lei scattate facendo attraversare la molecola
da raggi X.
Il biochimico americano Erwin Chargaff, nel 1950, utilizzando la cromatografia su carta per l’analisi degli acidi nucleici, aveva determinato per il
DNA il rapporto 1 : 1 fra adenina e timina, e fra guanina e citosina. Lo scienziato, tuttavia, non si era reso conto dell’importanza della sua scoperta. Sulla base del lavoro di Chargaff e degli spettri con i raggi X della Franklin, nel
1953 James Watson, un biologo americano, e Francis Crick, un fisico inglese, proposero una struttura tridimensionale a doppia elica del DNA.
Secondo il modello elaborato da Watson e Crick, il DNa è costituito da
una doppia elica di nucleotidi in cui una catena si avvolge a spirale attorno all’altra. La sequenza delle basi appartenenti ad una catena è complementare a quella dell’altra; le basi si accoppiano, mediante legami a idrogeno, a due a due: l’adenina con la timina, e la citosina con la guanina.
Al pari di un libro in cui una sequenza di lettere forma le parole, le frasi e i capitoli, nel DNA quattro basi nucleotidiche (le lettere) formano i geni (le frasi) e i cromosomi (i capitoli).
H
N H
N
N
16.
(a) Modello della struttura
a doppia elica del DNA.
(b) Un modello atomico
di una porzione del DNA
a doppia elica.
(c) Rappresentazione schematica
della doppia elica del DNA.
zucchero
O
H
N H
CH3
N
H N
N
N
N
O
zucchero
N
H N
N
N
O
zucchero
zucchero
H N
H
Adenina
Timina
Citosina
16
b
a
10
N
O
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
c
Guanina
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
17
In questa foto del 1953,
James D. WATSON (a sinistra)
e Francis CRICK (a destra)
osservano il loro modello
a doppia elica del DNA.
Insieme con Maurice WILKINS,
Watson e Crick ricevettero
il premio Nobel per la medicina
nel 1962.
b
a
17.
(a) Filamento di DNA in un matraccio.
(b) Cromosomi, strutture complesse
costituite da acidi nucleici e proteine,
al microscopio ottico.
8. Gli enzimi
18
Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano determinate reazioni metaboliche a livello cellulare. Intervengono sulle reazioni come i
catalizzatori inorganici, senza alterare i valori di concentrazione all’equilibrio e senza subire modificazioni alla fine della reazione.
Dai primi studi risultò evidente che gli enzimi sono generalmente proteine; infatti, si denaturano con il calore perdendo la loro azione catalitica. Ciò spiega perché l’uomo non riesce a sopravvivere alle alte temperature che denaturano gli enzimi e le proteine.
La caratteristica fondamentale degli enzimi è la specificità per il substrato, che è la sostanza che deve essere trasformata dall’enzima.
Per spiegare la specificità di reazione bisogna ammettere che l’enzima
possegga dei centri attivi, rappresentabili come tasche o incavi, in cui per
complementarietà vanno ad incastrarsi le molecole del substrato.
a
S
S
S
S
E
E
E
E
b
18.
(a) Rappresentazione al computer
di un complesso
enzima-substrato.
(b) Meccanismo chiave-serratura
tra enzima e substrato.
La molecola dell’enzima forma con il substrato un complesso instabile detto complesso enzima-substrato.
La complementarietà tra substrato ed enzima, con una immagine efficace, è rappresentata come una chiave che deve avere un profilo particolare
perché, mediante rotazione, possa far scattare il meccanismo di apertura o
di chiusura di una serratura.
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
11
Capitolo 15. LE
BIOMOLECOLE
9. Le vitamine
Dorothy CROWFOOT HODGKIN
(1910-1994).
Biochimica americana, premio
Nobel per la chimica nel 1964
per la determinazione
della struttura della vitamina B12,
usata per trattare l’anemia
perniciosa.
Le vitamine sono sostanze organiche necessarie all’uomo sia per l’accrescimento dell’organismo sia per il suo mantenimento. Le piante e gli
animali inferiori possono sintetizzarle, mentre l’uomo e gli animali superiori in genere, non essendo in grado di svolgere questa attività di sintesi, devono assumerle con la dieta.
La struttura delle vitamine non permette di confrontarle chimicamente;
una prima classificazione distingue le vitamine in due gruppi:
a. Vitamine liposolubili, solubili nei grassi e nei solventi dei grassi. Sono
presenti in prevalenza negli alimenti contenenti grassi (latte, uova, oli).
b. Vitamine idrosolubili, solubili in acqua. Sono presenti in prevalenza
negli alimenti contenenti acqua: carne, frutta, verdura.
Questa classificazione tiene conto della solubilità, una grandezza fisica.
La carenza di vitamine determina vere e proprie patologie. Con una dieta varia non si arriva a stati di avitaminosi, che invece si manifestavano
in tempi passati.
Le vitamine sono necessarie nella dieta in piccole quantità: per la vitamina B 12 bastano pochi μg (microgrammi), per la vitamina C qualche decina di milligrammi.
I processi biologici, come si è detto, necessitano di catalizzatori, gli enzimi. Gli enzimi sono proteine che, per svolgere la loro azione catalitica,
di frequente richiedono la presenza di molecole non proteiche, con cui
sono legate con legami covalenti.
Le molecole che interagiscono con gli enzimi sono chiamate coenzimi.
Molti coenzimi sono vitamine; queste, per il fatto di prendere parte alla catalisi enzimatica, al termine della reazione spesso si trovano modificate nella struttura e, pertanto, devono essere reintegrate con la dieta.
19
VITAMINE
IDROSOLUBILI
LIPOSOLUBILI
19.
Le vitamine assunte con la dieta
intervengono nelle reazioni
metaboliche e cellulari.
12
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
Capitolo 15. LE
LE
BIOMOLECOLE
vItAMInE
vitamiNe liPoSolubili
VITAMINA
D2
Cristalli di vitamina D2 di sintesi.
VITAMINA
K3
vitamiNa
FoNte
azioNe
alimeNtaRe
a
Burro, latte, uova
pomodori, banane.
È attiva nella crescita.
Partecipa al processo della
visione.
d calciferolo
Latte, uova, pesce.
Interviene nel processo di
accrescimento delle ossa.
e Tocoferolo
Grassi ed oli animali
e vegetali.
Non è chiara la sua azione
contro la sterilità. Previene
la distrofia muscolare.
K1
Foglie verdi e legumi.
Antiemorragico. Favorisce la
normale coagulazione del
sangue.
K2
Prodotto del metabolismo
batterico intestinale.
vitamiNe idRoSolubili
vitamiNa
Cristalli di vitamina K3 di sintesi.
VITAMINA
B1
FoNte
azioNe
alimeNtaRe
B1 Tiamina
Carne, lievito, noci.
Antineuritica e antiberiberi.
B2 riboflavina
Latte, carne.
Presente nel coenzima FAD.
B6 Piridossina
In quasi tutti gli alimenti.
Partecipa al metabolismo
degli amminoacidi.
PP niacina
Fegato e lievito.
Antipellagra. Coenzimi piridinici NAD e NADP.
ac. Pantotenico
È presente in molti
alimenti.
Partecipa al metabolismo di
tutti gli alimenti.
Coenzima A.
Biotina
In molti alimenti.
Partecipa a reazioni biochimiche. Introduce CO2 per
formare – COOH.
acido folico
Foglie verdi
Partecipa a molte reazioni
biochimiche
B12 cianocobalamina Latte, carne, pesce, molluschi. È assente nei vegetali.
Vitamina c
(acido ascorbico)
Agrumi.
Antianemica. Ha influenza
nella formazione del sangue.
Antiinfettiva.
Cristalli di vitamina B1.
HO – C
= C – OH
O =C
O
CH – CH – CH2OH
OH
Vitamina C (ac. ascorbico)
O
C
NH2
N
Vitamina PP o Niacina
HO
CH2OH
CH2OH
CH3 N
Vitamina B6 o Piridossina
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
13
Capitolo 15
CONOSCENZE
ISOMERIA
H
OTTICA ED ENANTIOMERI
Verifiche
1 Quale delle seguenti affermazioni NON è corretta?
a. Un composto otticamente attivo ruota la luce ordinaria di un certo angolo
b. Un composto otticamente attivo mostra tale proprietà sia allo stato solido che in soluzione
c. Un composto otticamente attivo ruota la luce polarizzata di un certo angolo
d. Il glucosio e il fruttosio sono composti otticamente
attivi
ABILITÀ
Cl
c. CH3 – C – Cl
d.
H – C – Cl
H
Cl
7 Gli isomeri ottici sono composti con:
a. differente formula molecolare
b. differente gruppo funzionale
c. la stessa formula molecolare, ma dotati di attività
ottica
d. la presenza di un doppio legame C = C
8 Gli enantiomeri sono isomeri:
2 I composti otticamente attivi:
a. hanno un atomo di carbonio tetraedrico
b. hanno un atomo di carbonio con quattro sostituenti diversi
c. hanno un doppio legame
d. non sono capaci di cambiare l’asse di vibrazione
della luce polarizzata
a. di conformazione
b. ottici, uno l’immagine speculare dell’altro e non sovrapponibili
c. che differiscono per la presenza di gruppi funzionali diversi
d. con proprietà chimiche e fisiche differenti
3 L’attività ottica di un composto dipende:
a. dalla presenza di un doppio legame
b. dalla mancanza di un alogeno
c. dalla mancanza di simmetria molecolare
d. dalla presenza di una catena di atomi di carbonio
4 I seguenti oggetti si presentano chirali?
Rispondi con VeRO o FALSO
a. Le viti
b. Le scarpe
c. Una palla
d. Un ritratto
e. Una tazza da caffè
f. Un bicchiere
VERO
FALSO
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
5 In una molecola un atomo di carbonio è chirale se è
legato a:
a. quattro raggruppamenti diversi
b. tre gruppi alchilici diversi
c. un doppio legame e a due legami semplici
d. tre alogeni
MONOSACCARIDI
9 I monosaccaridi sono composti contenenti i gruppi:
a. amminico e carbossilico
b. alcolico e carbossilico
c. aldeidico o chetonico e alcolico
d. amminico e alcolico
10 La formula molecolare del glucosio è:
a. C6H12O6
c. C3H6O3
b. C12H22O11
d. C6H10O5
11 Il glucosio è un:
a. aldoesoso
c. chetopentoso
b. chetoesoso
d. aldopentoso
12 Il glucosio è solubile in acqua perché:
a. ha più di un atomo di carbonio chirale
b. i gruppi OH del glucosio formano legami a idrogeno
con l’acqua
c. è una molecola apolare
d. è deliquescente
13 Riguardo al potere rotatorio della luce polarizzata, un
6 Quale delle seguenti strutture presenta un carbonio
chirale?
OH
a. CH3 – C – H
H
14
OH
b.
CH3 – C – COOH
H
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
monosaccaride può essere destrogiro (+) o levogiro (–).
Ciò dipende:
a. dalla posizione del gruppo – OH più lontano
b. dalla lunghezza della catena degli atomi di carbonio
c. dall’insieme della sua configurazione
d. dalla presenza del gruppo aldeidico o chetonico
Capitolo 15
a. alla serie L
b. sia alla serie L sia alla serie D
c. alla serie D
d. né alla serie D né alla serie L
15 I simboli L e D che precedono il nome di un carboi-
drato stanno ad indicare:
a. il verso in cui il composto ruota il piano della luce
polarizzata
b.la posizione del gruppo OH vicino al gruppo aldeidico o chetonico
c. la posizione del gruppo OH del carbonio chirale più
distante dal gruppo aldeidico o chetonico
d. la posizione del gruppo aldeidico o chetonico
16 Nel passaggio del glucosio dalla forma aperta alla
POLISACCARIDI
21 La cellulosa:
Verifiche
14 I monosaccaridi in natura appartengono:
a. è un polisaccaride del β-D-glucosio
b. è attaccata dagli enzimi dell’organismo umano
c. è un disaccaride del β-D-glucosio
d. è una proteina
22 Rispondi con VeRO o FALSO alle affermazioni.
VERO FALSO
a. Il prodotto di condensazione di due
monosaccaridi è detto dimero
b. La cellulosa è digeribile
dagli esseri umani
c. Gli esseri umani digeriscono l’amido
d. Il glicogeno è contenuto nel fegato
e nei muscoli
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
struttura ad anello, il gruppo aldeidico reagisce con l’ossidrile legato al carbonio in posizione:
a. 4
c. 2
b. 5
d. 6
AMMINOACIDI
23 Per amminoacido si definisce un composto:
17 Il glucosio in soluzione acquosa è presente:
a. soltanto nella forma anomerica a
b. soltanto nella forma anomerica β
c. soltanto nella forma aldeidica
d. nelle forme a e β ed in quella aldeidica
a. ottenuto per sintesi di una ammina con un acido carbossilico
b. con un gruppo alcolico ed un gruppo carbossilico
c. con un gruppo carbossilico ed un gruppo amminico
in posizione a
d. che deriva dall’idrolisi di un polisaccaride
18 Nel passaggio del fruttosio dalla forma aperta alla
struttura ad anello, il gruppo chetonico reagisce con l’ossidrile legato al carbonio in posizione:
24 Individua l’affermazione NON corretta.
a. 6
c. 4
b. 3
d. 5
DISACCARIDI
19 Il saccarosio è un disaccaride che deriva dalla con-
densazione:
a. di due molecole di a-D-glucosio
b. di a-D-glucosio e di β-D-fruttosio
c. di due molecole di β-D-fruttosio
d. di a-D-glucosio e di β-D-galattosio
20 Il saccarosio è un disaccaride molto solubile in acqua
perché:
a. deriva dalla condensazione tra a-D-glucosio e β-Dfruttosio
b. non ha un gruppo OH anomerico libero
c. ha un numero elevato di gruppi OH
d. è destrogiro
I dieci amminoacidi detti essenziali:
a. devono essere introdotti con la dieta
b. non sono sintetizzabili dall’uomo
c. possono provocare gravi patologie in seguito ad
una loro carenza
d. sono i più abbondanti nell’organismo
25 Gli amminoacidi NON essenziali sono quelli:
a. che non partecipano alla sintesi proteica
b. sintetizzabili dall’organismo
c. non necessari per l’organismo
d. che si degradano con la luce (calore)
26 L’amminoacido Alanina è otticamente attivo perché:
a. la molecola è simmetrica
b. il gruppo – COOH forma legami a idrogeno con l’acqua
c. al carbonio centrale sono legati quattro atomi o gruppi atomici diversi
d. il gruppo – NH2 è un gruppo basico
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
15
Capitolo 15
CONOSCENZE
PROTEINE
32 Il ribosio è un monosaccaride con:
27 Se una proteina viene scaldata a 70°C, si rompono
Verifiche
i legami:
a. peptidici
b. a idrogeno
c. disolfuro
d. di London
mazioni.
a. a pH molto bassi
b. a pH molto alti
c. al pH fisiologico
d. ad alta temperatura
29 Quale gruppo funzionale è caratteristico delle pro-
teine?
O
b. – C
O–
O
H
c. – C – N –
O
a. acidi carbossilici
b. amminoacidi
c. ammine
d. carboidrati
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
❏
ENZIMI
34 Quale delle seguenti affermazioni NON è corretta?
Un enzima:
a. è un catalizzatore biologico specifico
b. è caratterizzato dalla presenza di un sito attivo
c. resiste bene al calore
d. è una proteina
NUCLEICI E NUCLEOTIDI
31 Un nucleotide è costituito da:
a. un pentoso ed un gruppo fosfato
b. un esoso ed un gruppo fosfato
c. un pentoso ed una base eterociclica
d. un pentoso, una base eterociclica ed il gruppo fosfato
16
VERO FALSO
a. Gli amminoacidi hanno il gruppo
amminico nel carbonio adiacente
al gruppo carbossilico
b. Il legame peptidico risulta
da una reazione di condensazione
c. Il glicogeno e l’amido sono
la stessa sostanza
d. I carboidrati sono prodotti mediante
reazioni di fotosintesi
e. Le proteine svolgono nel corpo umano
solo la funzione di sostegno
f. I nucleotidi degli acidi nucleici sono
uniti tra loro mediante gruppi fosfato
d. – C – H
30 Le sostanze più semplici (monomeri) che si ripetono nelle proteine sono:
ACIDI
a. due atomi di carbonio
b. tre atomi di carbonio
c. quattro atomi di carbonio
d. cinque atomi di carbonio
33 Rispondi con VeRO o FALSO alle seguenti affer-
28 La denaturazione delle proteine NON avviene:
a. N – H
ABILITÀ
Paolo Pistarà, Elementi di chimica © ATLAS
35 Individua la definizione NON corretta.
Gli enzimi sono:
a. catalizzatori biologici
b. proteine
c. catalizzatori specifici per il substrato
d. una miscela di amminoacidi