CHIMICA PER LE SCIENZE BIOMEDICHE George I. Sackheim University of Illinois, Chicago Dennis D. Lehman Northwestern University Titolo dell’edizione originale: G.I. Sackheim, D.D. Lehman Chemistry for the Health Sciences - VII ed. Copyright ©, 1994, 1990, 1985, 1981, 1977, 1973, 1969, Macmillan Publishing Company CHIMICA PER LE SCIENZE BIOMEDICHE Copyright ©, 1996, EdiSES, S.r.l. - Napoli 9 8 7 6 2012 2011 5 4 2010 3 2 2009 1 Le cifre sulla destra indicano il numero e l'anno dell'ultima ristampa effettuata A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L’Editore Edizione italiana a cura di: Prof. Antonio Dello Russo Prof. Paolo Arcari dott. Mariorosario Masullo Dipartimento di Biochimica e Biotecnologie Mediche Facoltà di Medicina - Università Federico II di Napoli Fotocomposizione: EdiSES – Napoli Fotoincisione: PrintSprint – Napoli Stampato presso la Tipolitografia Celebrano – Pozzuoli (Napoli) per conto della EdiSES – Napoli ISBN 88 7959 091 X CHIMICA PER LE SCIENZE BIOMEDICHE PREFAZIONE Questo libro è stato ideato principalmente per gli studenti dei corsi di diploma universitario in Scienze Infermeristiche, Audiometria ed Audioprotesi, Logopedia, Dietologia e Dietetica Applicata, Neurofisiopatologia ed altri. Il testo cerca di porre una certa enfasi sugli aspetti pratici della chimica inorganica, della chimica organica e della biochimica. Gli aspetti teorici sono invece trattati allo scopo di facilitare la comprensione dei processi che avvengono negli organismi viventi. Organizzazione del testo La Parte I, “Chimica Inorganica”, cerca di evidenziare la relazione esistente con i processi della vita che sono argomento della Parte III “Biochimica”. Fra questi vi sono: 1. Gli acidi, le basi, i sali e gli elettroliti/l’equilibrio acido-base e l’equilibrio elettrolitico nell’organismo. 2. Le ossido-riduzioni/reazioni di ossido-riduzioni biologiche nei mitocondri. 3. Le soluzioni/l’azione dei solventi coinvolti nel processo digestivo. 4. I colloidi/la natura e le proprietà delle proteine, degli amminoacidi e degli acidi nucleici. 5. I composti con legame covalente/i legami chimici che si devono rompere e riarrangiare per la formazione di legami fosfato ad alta energia. 6. Le emulsioni/la necessità della emulsione dei grassi prima della loro digestione. 7. Chimica nucleare e radioattività/effetti biologici delle radiazioni su cellule ed organi. La Parte II, “Chimica Organica”, introduce le varie classi di composti organici e cioè gli idrocarburi, gli alcooli, gli eteri, i composti aromatici e i composti eterociclici. Questi composti sono inoltre trattati in relazione ai carboidrati, ai grassi, alle proteine, alle vitamine, agli ormoni e agli acidi nucleici. La Parte III, “Biochimica”, è trattata in relazione alle basi chimiche e molecolari della vita stessa. I diversi processi che avvengono nel nostro organismo sono descritti in termini di metabolismo normale e di metabolismo anormale. Nei capitoli che riguardano il metabolismo è particolarmente messo in risalto il ruolo dell’ATP, principale fonte diretta di energia. La formazione e la decomposizione di questo composto, l’energia con esso coinvolta, rappresentano un esempio appropriato per illustrare la complessità dei processi che avvengono nel nostro organismo. Anche il ruolo dei coenzimi, come il CoA, è descritto con particolare enfasi. L’eccesso o la deficienza delle vitamine e degli ormoni è utilizzato per mettere in rilievo la correlazione esistente tra i diversi processi metabolici. La trasmissione dei caratteri ereditari è discussa in relazione ai recenti progressi compiuti sulla struttura del DNA e sui meccanismi x Prefazione di replicazione del DNA e RNA. Gli Obiettivi del capitolo, descritti all’inizio di ciascuno di essi, riportano gli argomenti discussi e come essi sono correlati. Il Sommario, alla fine di ciascun capitolo, aiuta il lettore nella identificazione degli aspetti particolarmente importanti degli argomenti trattati. Le Domande e Problemi, anche esse disposti alla fine di ciascun capitolo, servono al lettore per effettuare una rassegna orale degli argomenti descritti o come lavoro da svolgere a casa. Infine, i Test sono utili allo studente per una autovalutazione sulla comprensione degli argomenti trattati. Le risposte ai vari esercizi sono riportate alla fine del libro. Cambiamenti apportati in questa edizione Gli argomenti nuovi e quelli ampliati includono: effetti biologici delle radiazioni; nuovi impieghi dei radioisotopi; teoria sulla cattura del boro, SQUID (superconducting quantum interference device); SPECT (singlephoton-emission computerized tomography); uso della anidride carbonica nella progettazione di apparecchiature per la respirazione; altri test respiratori, ruolo dell’ossido di azoto in alcune malattie; effetto dell’alluminio sul cervello; presenza di pentano nella espirazione e test per la sua determinazione; effetto velenoso del glicol etilenico e suoi antidoti; ruolo dell’NO nell’uso della nitroglicerina per il trattamento dell’angina, importanza fisiologica dei pentosi; sindrome da stress respiratorio nella sclerosi multipla; steroidi anabolici; composizione percentuale delle lipoproteine; classificazione degli enzimi in base alla loro specificità; ruolo dell’arginina nella produzione di ossido di azoto; enzimi del rene; ruolo delle fibre nelle diete; ruolo delle vitamine B nel ciclo dell’acido citrico; test sulla tolleranza al galattosio; lipolisi; malattie metaboliche causate dalla alterata ossidazione degli acidi grassi; fattori che controllano la velocità della lipolisi; accumulo di colesterolo; degradazione delle proteine; disordini metabolici associati al ciclo dell’urea; trasformazione degli amminoacidi in composti specifici; presenza nelle urine di quantità anormali di creatina e di acido urico; effetto di metalli sul sangue; tabella sulle quantità di minerali da assumere quotidianamente; ruolo della vitamina A e rischio di cancro; encefalopatia di Wernicke; effetti sulla deficienza di acido pantotenico; gravidanza e acido folico; malattia di Alzheimer; classificazione degli ormoni in base al loro meccanismo di azione; siti recettoriali anormali; NO e CO come neurotrasmettitori; fibrosi cistica; malattia di Lou Gehrig; malattia di Farber; malattia di Krabbe; classificazione delle malattie genetiche; accumulo di calcitriolo; polipeptidi pancreatici; secrezione di ormoni steroidei surrenalici; funzioni della vitamina C; utilizzo della vitamina E; test dell’APP per la malattia di Alzheimer; microscopia elettronica; forme allotropiche del carbonio incluso il fullerene; il taxolo come agente chemioterapico; tripla elica; uso della DNasi nel trattamento della fibrosi cistica. Le Domande e Problemi e i Test, posti alla fine di ogni capitolo, sono stati rivisti. Il capitolo sulla immunologia è stato abbreviato mentre è stato aggiunto al testo un capitolo sulla biochimica clinica. Una nuova terminologia chimica è stata introdotta invece come massa molecolare e massa molare in sostituzione di peso, densità di peso specifico e chirale in sostituzione di asimmetrico. INDICE PER ARGOMENTI Prima parte Chimica inorganica 1 Unità di misura 1-1 1-2 1-3 Il sistema di misura internazionale (SI) Densità Scale di misura della temperatura 3 4-7 4-8 4 5 7 2 Proprietà della materia 10 2-1 2-2 11 2-3 2-4 2-5 2-6 Cos’è la materia? Stati di aggregazione della materia Cambiamenti di stato Proprietà della materia Energia Composizione della materia 4-5 4-6 11 12 13 14 16 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13 4-14 4-15 4-16 4-17 4-18 4-19 Unità di misura delle radiazioni 43 Rilevamento e misura delle radiazioni 44 I radioisotopi 45 Tomografia ad emissione di positroni (PET) 46 Tempo di dimezzamento 48 La terapia mediante cattura di neutroni da parte del boro 49 Uso di radioisotopi in medicina 50 Dosaggi radioimmunologici 53 Terapia mediante i raggi-X 53 Apparecchiature diagnostiche 54 Effetti biologici delle radiazioni 56 Sorgenti di radiazioni 60 Irradiazioni degli alimenti 61 Energia nucleare 61 Trattamento delle scorie radioattive 64 3 Struttura della materia 23 5 Il legame chimico 67 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 24 24 25 25 26 26 26 26 27 5-1 5-2 5-3 5-4 68 68 68 L’atomo All’interno dell’atomo Le particelle fondamentali Massa atomica Numero atomico Numero di massa Numero di neutroni Struttura dell’atomo Isotopi Disposizione degli elettroni in un atomo Sottolivelli di energia Gas nobili La tavola periodica degli elementi Il microscopio elettronico 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 28 29 32 5-10 5-11 32 35 5-12 5-13 4 Radioattività 38 4-1 4-2 39 5-14 5-15 5-16 5-17 3-11 3-12 3-13 3-14 4-3 4-4 La scoperta della radioattività Vari tipi di radiazioni emesse dalle sostanze radioattive Le reazioni nucleari Radioattività naturale e artificiale Le molecole Stabilità degli atomi Simboli e formule Rappresentazione della struttura elettronica Formazione degli ioni Il raggio ionico Il legame ionico Ioni poliatomici Nomenclatura dei composti ionici Il legame covalente Legami covalenti non polari e polari Risonanza Nomenclatura dei composti covalenti Forza del legame chimico Numero di ossidazione Il peso molecolare Formule minime e molecolari 69 69 71 71 72 72 74 75 76 77 77 78 80 83 39 41 6 Reazioni chimiche 88 43 6-1 89 Le equazioni chimiche xii 6-2 6-3 6-4 Indice per argomenti Reazioni di equilibrio Interpretazione delle reazioni chimiche Velocità di reazione 7 Lo stato gassoso 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 Proprietà generali dei gas La teoria cinetica dei gas Misura della pressione Le leggi dei gas Inquinanti atmosferici Lo strato di ozono 90 11-4 93 95 12 Ionizzazione 184 12-1 12-2 185 99 100 100 101 101 109 111 8 L’ossigeno e gli altri gas 114 8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 115 123 124 124 126 126 126 Ossigeno Perossido di idrogeno Superossidi Ozono Monossido di azoto Ossido di azoto Gas nocivi 9 Ossido-riduzione 130 9-1 9-2 9-3 131 132 9-4 9-5 Ossidazione Riduzione Agenti ossidanti e agenti riducenti Importanza delle reazioni di ossido-riduzione Altri test sull’aria espirata 133 137 138 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 Emulsioni Conducibilità delle soluzioni Effetto degli elettroliti sulla temperatura di ebollizione e di fusione La teoria di ionizzazione Conducibilità delle soluzioni di elettroliti Elettroliti forti e deboli Altre evidenze della ionizzazione Importanza degli ioni nella chimica dell’organismo umano 180 185 186 187 187 187 188 13 Acidi e basi 191 13-1 13-2 13-3 13-4 13-5 192 197 198 199 200 Acidi Basi Titolazioni acido-base Ionizzazione dell’acqua pH 14 I sali 204 14-1 14-2 14-3 14-4 205 205 208 208 Solubilità dei sali Reazioni dei sali Usi dei sali Soluzioni tampone 10 L’acqua 141 Seconda parte Chimica organica 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 142 142 143 143 145 145 147 147 150 150 152 155 155 156 15 Introduzione alla chimica organica 215 L’acqua Proprietà fisiche dell’acqua Costanti fisiche Struttura dell’acqua Il legame a idrogeno Evaporazione Punto di ebollizione Proprietà chimiche L’idrolisi Purificazione dell’acqua Acqua dura e acqua dolce Fluorurizzazione dell’acqua L’acqua come moderatore Inquinamento dell’acqua 15-1 15-2 15-3 15-4 15-5 15-6 15-7 15-8 11 Le miscele liquide 159 11-1 11-2 11-3 160 174 175 Soluzioni Sospensioni Colloidi Importanza della chimica organica Legami Formule di struttura Isomeri Orientazione tridimensionale dei legami intorno all’atomo di carbonio Capacità di legame del carbonio Composti del carbonio con altri elementi Forme allotropiche del carbonio 216 217 217 219 219 219 220 221 16 Idrocarburi 223 16-1 224 Alcani xiii Indice per argomenti 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9 Cicloalcani Alogenuri alchilici Alcheni Alchini Idrocarburi saturi ed insaturi Presenza in natura degli idrocarburi Proprietà fisiche degli idrocarburi Principali usi degli idrocarburi 230 231 232 235 236 237 238 238 17 Alcoli e eteri 243 17-1 17-2 17-3 244 250 251 Alcoli Tioli Eteri 18 Altri composti organici 255 18-1 18-2 18-3 18-4 18-5 18-6 18-7 18-8 256 259 260 261 265 267 270 270 Aldeidi Chetoni Semiacetali e semichetali Acidi carbossilici Esteri Ammine Amminoacidi Ammidi 19 Composti aromatici 275 19-1 19-2 276 282 Benzene Altri composti aromatici 20 Composti eterociclici 20-1 20-2 20-3 Alcuni composti eterociclici comuni Farmaci psicoattivi Altri composti eterociclici Terza parte 290 291 292 296 Biochimica 21 Carboidrati 303 21-1 21-2 21-3 21-4 21-5 21-6 304 305 306 310 319 21-7 Classificazione Origine Isomerismo Monosaccaridi Disaccaridi Dolcezza e sostituti dello zucchero Polisaccaridi 322 323 22 Lipidi 22-1 22-2 22-3 22-4 22-5 22-6 22-7 22-8 22-9 22-10 Proprietà generali Acidi grassi Classificazione dei lipidi Grassi e olii Saponi Detersivi Cere Liquidi complessi Lipidi derivati Steroidi anabolizzanti 330 331 331 332 334 339 340 341 341 347 350 23 Proteine 354 23-1 23-2 23-3 23-4 23-5 23-6 23-7 355 356 356 357 361 363 Fonti Funzioni Peso molecolare Aminoacidi Dipeptidi Struttura Composizione percentuale 23-8 Classificazione 23-9 Proprietà 23-10 Cromatografia 366 366 370 372 24 Enzimi 378 24-1 24-2 24-3 380 381 Reazioni enzimatiche Attivatori ed inibitori Modalità di azione degli enzimi 24-4 Apoenzimi e coenzimi 24-5 Nomenclatura 24-6 Classificazione 24-7 Enzimi del rene 24-8 Chemioterapia 24-9 Significato clinico della concentrazione degli enzimi plasmatici 24-10 Isoenzimi 24-11 Regolazione allosterica 24-12 Zimogeni 383 384 387 387 390 391 393 394 394 396 25 Digestione 399 25-1 25-2 25-3 25-4 25-5 25-6 25-7 400 400 401 403 404 405 La digestione salivare La digestione gastrica La digestione intestinale La digestione dei carboidrati La digestione dei grassi La digestione delle proteine L’assorbimento dei carboidrati 406 xiv 25-8 25-9 25-10 25-11 25-12 25-13 25-14 Indice per argomenti L’assorbimento dei grassi L’assorbimento delle proteine L’assorbimento del ferro L’assorbimento delle vitamine La formazione delle feci Le fibre alimentari I difetti della digestione e l’assorbimento dei carboidrati 407 407 408 26-3 26-4 26-5 26-6 26-7 26-8 26-9 26-10 26-11 26-12 26-13 26-14 26-15 410 Introduzione 414 Concentrazione di zucchero nel sangue (livello di zucchero ematico) 414 Fonte di energia 417 Glicogenesi 419 Glicogenolisi 420 Via metabolica di Embden-Meyerhof: glicolisi 421 Una ulteriore via metabolica ossidativa: shunt degli esoso monofosfati 425 La sequenza aerobica: il ciclo dell’acido citrico 426 Il ruolo delle vitamine del complesso B nel ciclo dell’acido citrico 428 Fosforilazione ossidativa: sistema di trasporto degli elettroni 428 Gluconeogenesi 431 Interconversione degli esosi 432 Schema globale del metabolismo 433 Ormoni coinvolti nella regolazione degli zuccheri ematici 433 Test di tolleranza al glucosio 434 27 Metabolismo dei grassi 27-1 27-2 27-3 27-4 27-5 27-6 27-7 27-8 Livello dei lipidi nel plasma Assorbimento dei grassi Ossidazione dei grassi Corpi chetonici (acetone) Disturbi metabolici causati da alterate ossidazioni degli acidi grassi Immagazzinamento dei grassi Lipogenesi Sintesi dei fosfolipidi 449 450 28 Il metabolismo delle proteine 408 409 409 26 Metabolismo dei carboidrati 26-1 26-2 27-9 Colesterolo 27-10 Malattie da accumulo di lipidi 440 440 440 443 444 444 446 447 28-1 Funzioni delle proteine nell’organismo 454 28-2 Il ciclo dell’azoto 454 28-3 Sintesi proteica 455 28-4 Biosintesi di aminoacidi non essenziali 456 28-5 La richiesta di proteine dell’organismo 458 28-6 Catabolismo di aminoacidi 459 28-7 Disordini metabolici associati al ciclo dell’urea 461 28-8 Metabolismo della parte carboniosa di un aminoacido 463 28-9 Metabolismo dell’emoglobina 463 28-10 Sguardo di insieme al metabolismo delle proteine 464 29 Fluidi biologici: urine 29-1 29-2 29-3 29-4 29-5 29-6 29-7 Escrezione dei prodotti di rifiuto Formazione delle urine Proprietà generali delle urine Costituenti normali Costituenti patologici Diuretici Reagenti a pastiglie, su carta e su strisce 469 469 470 472 476 478 478 30 Fluidi biologici: il sangue 30-1 30-2 30-3 30-4 30-5 30-6 30-7 30-8 30-9 30-10 30-11 30-12 30-13 30-14 30-15 Le funzioni 482 La composizione 482 Sostitutivi del plasma 484 Proprietà generali del sangue 484 Le analisi del sangue 485 Il volume del sangue 485 L'emoglobina 487 La mioglobina 488 I lipidi plasmatici 489 Le proteine plasmatiche 489 Coagulazione del sangue 492 La respirazione 494 Equilibrio acido-base 496 Bilancio idro-elettrolitico 500 Importanza clinica dei cationi e degli anioni inorganici 504 xv Prefazione 31 Immunologia 31-1 31-2 31-3 31-4 31-5 31-6 31-7 31-8 31-9 31-10 31-11 31-12 31-13 31-14 31-15 31-16 Introduzione Componenti cellulari Risposta immunitario Immunità naturale e acquisita Regolazione della risposta immunitaria Cellule fagocitanti Linfociti Immunoglobuline Interleuchine Interferoni Anticorpi monoclonali Trapianti di organi e di tessuti Sierologia Allergie Autoimmunità Immunodeficienze 33-9 515 515 515 Vitamine liposolubili Vitamine idrosolubili 517 518 519 521 522 522 523 523 525 526 527 528 33-5 33-6 33-7 33-8 Classificazione degli ormoni Siti recettoriali anormali Ormoni cardiaci Ormone della ghiandola pineale Gli ormoni del sistema gastrointestinale Gli ormoni del pancreas Gli ormoni della tiroide Gli ormoni della paratiroidi 33-13 33-14 33-15 33-16 34-1 34-2 34-3 34-4 34-5 34-6 Gli acidi nucleici Il metabolismo delle nucleoproteine Il modello del DNA di Watson e Crick Il codice del DNA La replicazione del DNA Il trasferimento delle informazioni Il codice a triplette La tripla elica Malattie genetiche Classificazione delle malattie genetiche DNA ricombinante Marcatori genetici Oncogeni 34-7 34-8 34-9 34-10 557 559 559 34-11 34-12 34-13 559 Appendici Glossario Risposte alle domande e ai problemi con numerazione dispari Indice analitico 560 560 562 565 566 569 573 575 577 577 578 578 34 Ereditarietà 532 541 33 Ormoni 33-1 33-2 33-3 33-4 33-11 33-12 516 32 Le vitamine 32-1 32-2 33-10 Gli ormoni delle ghiandole surrenaliche Gli ormoni della ghiandola pituitaria (ipofisi) Ormoni dell’ipotalamo Gli ormoni sessuali femminili Gli ormoni sessuali maschili Gli ormoni del rene Gli ormoni che regolano il metabolismo del calcio Neurotrasmettitori 584 586 588 589 589 590 593 595 595 599 600 601 602 607 611 617 635