Lezione 1: Polimeri naturali, cellule e strutture cellulari

I Polimeri Naturali: Polisaccaridi, Proteine, Acidi Nucleici

I tessuti naturali contengono acqua (70%), macromolecole, ioni e piccole molecole. Le principali macromolecole sono, in ordine di percentuale di presenza: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi.

Polimeri naturali come biomateriali

VANTAGGI SVANTAGGI Elevata affinità con l'acqua Solubili in ambiente biologico, scarse proprietà meccaniche Similitudine con ambiente biologico Potenziale innesco di reazioni avverse (immunogenicità) Biodegradabili mediante meccanismi fisiologici Degradazione non controllabile (idrolisi, degradazione enzimatica); immunogenicità Isolabili da fonti naturali Processi di estrazione e purificazione complessi e costosi; alta variabilità della fonte; trasmissione patogeni Modificabili chimicamente per migliorarne le caratteristiche Scarsa riproducibilità delle risultanti Potenziali utilizzi in diversi settori a seconda delle caratteristiche chimico-fisiche, meccaniche, morfologiche. I polimeri naturali di interesse per le applicazioni biomedicali sono polisaccaridi, proteine, acidi nucleici.

Applicazioni dei polimeri naturali

SETTORE APPLICAZIONI Riparazione ferite Cerotti bioriassorbibili .. 45% polimeri sintetici Rilascio controllato di farmaci Drug delivery systems .. 15% compositi metallici | materiali di origine naturale 5% ceramici Cosmesi Filler .. 30% Alimentare Addensanti, gelificanti .. 5% Rivestimenti superficiali di altri biomateriali Coatings di biomolecole per facilitare adesione delle cellule ..

Ruolo e rappresentazione dei polisaccaridi

RUOLO UN ESEMPIO Riserva di energia Glucosio, Glicogeno Impalcatura strutturale Chitosano, membrana cellulare (batteri e piante) Molecole segnale ed intermedi metabolici per processi cellulari Acido ialuronico Come li rappresento? Struttura di Fisher (lineare -1), proiezione di Hayworth (ciclica-2), rappresentazione conformazionale (sedia o barca-3); configurazione assoluta (4); rappresentazione spaziale (stecca-sfera).

H- H -OH OH OH CH2OH OH HO H OH OH HO- HO" WOH H 0 OH CH2OH OH OH 1 2 3 4 a-D-glucopiranosio

Polisaccaridi: caratteristiche e composizione

I polisaccaridi, o carboidrati, sono molecole/macromolecole essenziali per i processi metabolici e per la vita. Possono essere lineari o ramificati. Possono avere carica netta positiva, negativa o neutra. I polisaccaridi sono composti principalmente da Carbonio (C), Ossigeno (O), Idrogeno (H). Altri gruppi funzionali: - NH2, -SO3; -COO. Formula bruta [CH2O]n

O 0 H HO OH OH OH

Classificazioni dei carboidrati

Classificazioni: · semplici/complessi;

A RAPIDO ASSORBIMENTO (semplici) zucchero, miele, frutta, latte

MONO SACCARIDI

FRUTTOSIO GALATTOSIO

SEMPLICI

SACCAROSIO

OLIGO SACCARIDI

LATTOSIO MALTOSIO

CARBOIDRATI

MALTO DESTRINE

AMIDI

AMILOSIO AMILO PECTINA

COMPLESSI

FIBRE

FIBRE NON IDROSOLUBILI

GLICOGENO

· presenza di un gruppo aldeidico o chetonico;

H .0 H H-C-OH C=0 ALDEIDI e CHETONI Gruppo carbonilico H H ₾=0 H-C-OH HO-C-H HO-C-H aldeide chetone H-C-OH c=0 H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH2OH CH2OH H H Gliceraldeide Diidrossiacetone

· numero di atomi di carbonio: triosi (3), tetrosi (4), pentosi (5), esosi (6), eptosi (7). Esosi: gruppo di monosaccaridi con sei atomi di carbonio. Pentosi: gruppo di monosaccaridi con cinque atomi di carbonio. Gli esosi hanno più centri chirali rispetto ai pentosi: il numero di possibili stereoisomeri degli esosi è superiore a quello dei pentosi.

Isomeria e configurazione

· In base all'isomeria: Isomeri: sono composti diversi che hanno la stessa formula molecolare; gli isomeri strutturali sono caratterizzati da una diversa concatenazione degli atomi; gli stereoisomeri hanno stessa concatenazione degli atomi, ma diversa orientazione degli stessi nello spazio. Stereoisomeri: si suddividono in enantiomeri e diastereoisomeri; gli enantiomeri sono stereoisomeri le cui molecole sono l'una l'immagine speculare e non sovrapponibile dell'altra; i diastereoisomeri sono coppie di stereoisomeri che non sono immagini speculari; gli epimeri sono diastereoisomeri che differiscono per la configurazione presso un solo stereocentro. Configurazione assoluta (R, S):

2COOH 2COOH H OH H HOOG S - sinister, sinistro; l'ordine di priorità dei gruppi su un centro chirale è in senso antiorario. ISOMERI Direzione in cui ruota la luce polarizzata (L,D): negli zuccheri prevale la configurazione D (negli amminoacidi prevale la configurazione L).

H_do H-C-OH HO-C-H H-C-OH H_ c=0 12 Chiral molecules Receptor sites on protein -H-C-OH CH,O CH,OH D-glucosio L-glucosio ¿ R - rectus, diritto; l'ordine di priorità dei gruppi su un centro chirale è in senso orario. HO 4 TH 3 CH3 (s) 13 CH3 (r) Configurazione N (a) Acido (-)-lattico Configurazione S (b) Acido (+)daltico O H-C-OH R R- H R H-C-OH H-C-OH D-Glucosio un aldoesoso D-Fruttosio un chetoesoso - CARBOIDRATI A LENTO ASSORBIMENTO (complessi - amido) cereali, legumi, tuberi SENZA ASSORBIMENTO (complessi- fibra) frutta, verdura, legumi, cereali integrali FIBRE IDROSOLUBILI HO-C-H 13 H-C-OH Is HO-C-H- ENANTIOMERI gli amminoacidi hanno configurazione L, gli zuccheri hanno prevalentemente configurazione D GLUCOSIO DI SACCARIDI

Anomeri e legame glicosidico

Anomero: epimero incorporato all'interno di una struttura ad anello.

H .0 CHO CHO CHO HO-C-H H-C-OH H-C-OH H-2C-OH 6CH,OH HO-C-H HO-C-H HO-C-H H-C-OH H-C-OH HO-C-H - H H H-C-OH H-C-OH OH H OH H HO OH H-C-OH HO H CH2OH CH,OH 3 12 72 D-Mannosio (epimero in C-2) D-Glucosio D.Galattosio (epimero in C-4) ANOMERI ANOMERI: configurazione alfa o beta a seconda della posizione dell'ossidrile al di sotto (alfa) o al di sopra (beta) del piano della molecola. I gruppi ossidrilici e carbonilici dei monosaccaridi possono subire una reazione di ciclizzazione intramolecolare per formare emiacetali (C legato a un gruppo R, OH e un gruppo OR') o emichetali (C legato a un gruppo R, OR e un gruppo OR') che hanno cinque o sei atomi di C nell'anello. La chiusura dell'anello converte il C aldeidico in un carbonio emiacetalico asimmetrico per cui si avranno due strutture (isomeri alfa e beta) che differiscono solo per la configurazione al C-1. La differenza nella configurazione al C-1 ha impatto sulla conformazione e funzioni del monosaccaride cosi come del polisaccaride risultante. Legame glicosidico: reazione di condensazione fra il gruppo ossidrile del carbonio anomerico del primo monosaccaride ed un gruppo ossidrile del secondo (più comuni sono C1- C4 e C1-C6). Possono essere di tipo alfa (es amido) o beta (es cellulosa). Amido (legame glicosidico 1-4 tipo alfa) e cellulosa (legame glicosidico 1-4 tipo beta) sono entrambi polimeri lineari formati da glucosio ma assumono strutture e proprietà diverse: gli enzimi umani non possono degradare il legame beta della cellulosa che è anche insolubile in acqua.

Polisaccaridi come biomateriali: parametri di classificazione

Polisaccaridi come biomateriali: parametri di classificazione.

CARATTERISTICHE POLISACCARIDI Tipo di monosaccaridi Tipo di legame Peso molecolare (grado di polimerizzazione) Catena lineare o ramificata Ingombro sterico Presenza di gruppi funzionali (reattività chimica, possibili modifiche) Carica netta nelle condizioni di utilizzo (es. PH neutro) (positiva, negativa, neutra)

POLISACCARIDI USATI COME BIOMATERIALI Polisaccaridi neutri: cellulosa, destrano, glucani Polisaccaridi con carica positiva: chitina, chitosano Polisaccaridi con carica negativa: alginati, acido ialuronico, polisaccaridi con gruppi solfato (eparina, eparansolfato, dermatansolfato, cheratansolfato, condroitinsolfato)

Chitosano: polimero naturale cationico

Chitosano: polimero naturale cationico ottenuto dalla chitina. Forma prevalente: alfachitosano.

Polisaccaridi come biomateriali: chitina e chitosano

Polisaccaridi come biomateriali: chitina e chitosano.

OH NH NH HO O HO 0 HO NH OH o= OH Chitina 1 OH NH2 NH2 HO O HO 0 HO 0 O NH2 OH OH Chitosano

Processo di ottenimento del chitosano

PROCESSO DI OTTENIMENTO DEL CHITOSANO da gusci di crostacei 1. Deproteinizzazione e demineralizzazione dei gusci con acidi/basi 2. Deacetilazione della chitina estratta con idrolisi ad elevate temperature ALTERNATIVA: fermentazione da funghi È un polisaccaride lineare costituito da unità di D-glucosammina e N-acetil-Dglucosammina legate fra loro da legami beta (1-4) glucosidici. Il grado di deacetilazione può variare fra 70 e 90%. Il peso molecolare varia tra 10 e 1000kDa.

HO-C-H 5 H O. H H 3 0 OH 1 H-C-OH > 01 3 H HO ‘CH,OH H OH EPIMERI 6CH,OH H-C-OH CHỊOH OLe proprietà chimico-fisiche del chitosano dipendono dalle proporzioni relative delle unità di D-glucosammina e N-acetil-D-glucosammina.

Proprietà del chitosano per utilizzo biomedicale

PROPRIETA' CHITOSANO PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Proprietà antibatteriche (Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, ... ) Emostatico (favorisce fomazione di coaguli a contatto con sangue, utile nella cura di ferite) Degradabile (lisozima) Possibilità di modifiche chimiche (N e O) Diversi pesi molecolari e diversi gradi di acetilazione Ottenibili in diverse forme (fili, film, tessuti, polvere)

Alginato: polimero naturale anionico

Alginato: polimero naturale anionico presente in forma di sali con cationi bivalenti. È un polisaccaride lineare costituito da unità blocchi alternati di acido beta-Dmannuronico e alfa-L- glucuronico tra i quali si formano legami beta 1-4 glicosidici. L'interazione di cationi bivalenti (Calcio, Bario, Sodio) con i blocchi di alfa-L-glucuronico di catene adiacenti permette la creazione di ponti ionici con conseguente gelificazione di soluzioni acquose di alginato. Le proprietà chimico-fisiche dell'alginato gelificato in soluzione acquosa dipendono dal grado di reticolazione legata alla concentrazione degli ioni bivalenti presenti in soluzione.

Proprietà dell'alginato per utilizzo biomedicale

PROPRIETA' ALGINATO PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Approvato dall'FDA (Food and Drug administration) Bendaggi per ferite ed ustioni (cede ioni Calcio che stimolano colonizzazione cellulare) Utilizzato per rilascio controllato di farmaci Utilizzabile come cell carrier

Acido ialuronico: polimero naturale lineare anionico

Acido ialuronico: polimero naturale lineare anionico, famiglia dei glucosamminoglicani. Nel corpo è responsabile di varie funzioni tra cui: bilanciamento del contenuto acquoso della matrice extracellulare; conferimento di proprietà lubrificanti (cartilagine); molecola segnale. Si produce per estrazione da tessuti di origine animale e vegetale o attraverso biofermentazione. È un polisaccaride lineare costituito da ripetizione di unità disaccaridica composta da acido beta 1-3 D- glucuronico e beta 1-4 N-acetilglucosammina. Può essere esterificato sfruttando i gruppi carbossilici liberi dell'acido glucuronico (riduzione idrofilicità ed aumento idrofobicità). Le sue proprietà sono modificate (reticolazioe esterificazione ... ) per diminuire solubilità in acqua, aumentare tempo di degradazione, modificare funzionalità. Le proprietà chimico-fisiche variano a seconda della fonte; le proprietà dell'acido ialuronico estereficato dipendono dall'estere ottenuto (membrane, fibre, microsfere, spugne).

Proprietà dell'acido ialuronico per utilizzo biomedicale

PROPRIETA' ACIDO IALURONICO PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Eccellenti proprietà assorbenti e lubrificanti Modifiche chimiche per variare idrofobicità/idrofilicità, solubilità, tempo di degradazione Proprietà reologiche delle soluzioni dipendenti da pH, peso molecolare, concentrazione Possibilità di ottenerlo per via fermentativa a diverso peso molecolare