Le biomolecole: struttura e funzione con focus sulla biochimica

La biochimica

La disciplina che si occupa dello studio di questi composti è la biochimica, che comprende lo studio delle biomolecole, della loro organizzazione, delle interazioni e delle trasformazioni che subiscono nelle cellule.

La biochimica si occupa anche dello studio degli scambi energetici e della produzione di energia, degli scambi di informazioni all'interno degli organismi, del funzionamento di strutture complesse a livello molecolare.

Le biomolecole

Tutte le biomolecole presentano alcune caratteristiche chiave:

• nella maggior parte dei casi si tratta di macromolecole, ovvero molecole complesse che possono contenere anche migliaia di atomi (principalmente C, H e O);
• dal punto di vista chimico, le biomolecole sono composti polifunzionali, sono cioè costituite da molecole che contengono due o più gruppi funzionali diversi;
• le biomolecole sono in molti casi polimeri (unione di più monomeri) formati dall'unione di composti organici più piccoli chiamati monomeri (unità di base).

Le biomolecole, in base alla loro struttura e alla funzione, si suddividono in quattro classi fondamentali: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

L'energia chimica è contenuta nei legami: durante la digestione i legami dei polimeri vengono rotti, per arrivare ai monomeri. Il metabolismo si divide in:

• Catabolismo. Quando compio una reazione di lisi (rottura) dei polimeri l'energia viene liberata (si passa da polimeri a monomeri) Si chiama reazione esoergonica.
• Anabolismo. Il processo per accumulare energia, la sintesi in cui si costruiscono i legami e si immagazzina l'energia (da monomeri a polimeri). Si tratta di una reazione endoergonica.

I carboidrati

I carboidrati (o glicidi o saccaridi o idrato di carbonio) sono un gruppo di sostanze organiche naturali costituite generalmente da tre soli elementi: carbonio, idrogeno e ossigeno.

I carboidrati svolgono due principali funzioni nel mondo vivente:

1. Riserva energetica: l'amido nel mondo vegetale e il glicogeno in quello animale sono carboidrati con funzione di riserva energetica;
2. Ruolo strutturale: la cellulosa, la biomolecola più abbondante sulla Terra, è il costituente principale della parete delle cellule vegetali, cui conferisce rigidità e resistenza; la chitina forma l'esoscheletro di insetti e crostacei e si trova anche nella parete cellulare dei funghi.

Il gruppo funzionale è una specie di etichetta: si tratta di gruppi di atomi presenti sulla molecola, che rendono il riconoscimento della sostanza più facile (zucchero, o lipide, o proteina ... ). I gruppi funzionali dello zucchero sono:

• Il gruppo carbonile (CO) caratterizza aldeidi e chetoni;
• Il gruppo ossidrile (-OH) è tipica degli alcoli.

In base alla complessità strutturale, i carboidrati sono così divisi:

• I monosaccaridi sono le molecole più semplici e rappresentano le unità costitutive di carboidrati più complessi;
• Gli oligosaccaridi sono formati dall'associazione di pochi monosaccaridi;
• I polisaccaridi sono polimeri formati da numerosi monosaccaridi (da poche decine fino a molte migliaia).

Dal punto di vista nutrizionale, si distinguono i carboidrati semplici (mono-, di- e oligosaccaridi) o zuccheri, e quelli complessi (polisaccaridi).

I glicoconiugati

I carboidrati si trovano talvolta associati anche a molecole di natura diversa, formando molecole ibride chiamate glicoconiugati.

Le glicoproteine e i glicolipidi sono esempi di glicoconiugati in cui la porzione glicidica si unisce, rispettivamente, a proteine e lipidi.

Queste molecole ibride sono importanti perché mediano la comunicazione fra le cellule.

I monosaccaridi

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici: in natura esistono liberi o, più spesso, legati in molecole complesse. Si distinguono in base al numero di atomi di carbonio presenti nelle loro molecole e al gruppo funzionale che contengono. Hanno formula molecolare generale CnH2nOn né un numero mai inferiore a tre e, salvo poche eccezioni, non superiore a sei.

I triosi hanno tre atomi di carbonio, i tetrosi ne hanno quattro, i pentosi cinque e così via (6: esosi). Gli aldosi possiedono un gruppo funzionale aldeidico ( -- C=O); i chetosi un gruppo chetonico (C=O).

In tutti i casi, le molecole dei monosaccaridi contengono anche tanti gruppi ossidrile quanti sono gli atomi di carbonio meno uno.

Il glucosio e gli altri monosaccaridi

Una molecola di monosaccaride appartiene alle serie D oppure a seconda della disposizione del gruppo -OH legato all'atomo di carbonio stereogenico più lontano dal gruppo aldeidico (o chetonico): se questo gruppo -OH è disposto a destra, la molecola appartiene alla serie D, altrimenti appartiene alla serie 1. Come nel caso della gliceraldeide, solo i monosaccaridi della serie D hanno rilevanza biologica e si ritrovano negli organismi viventi.

Le molecole dei monosaccaridi della serie D sono quelle biologicamente rilevanti: esse presentano il gruppo -OH del centro stereogenico più lontano dal gruppo aldeidico (o chetonico) legato sulla destra.

Tra gli aldosi di maggiore rilevanza biologica ci sono il D-glucosio e il D-galattosio. Il D-glucosio, un esoso di formula molecolare C6H12O6 , è lo zucchero più usato dagli organismi viventi come fonte di energia; è anche il composto di partenza per la costruzione di molecole più complesse. Il D-galattosio (C6H12O6) forma, combinandosi con il glucosio, il lattosio, lo zucchero del latte.

H O H-C- 2OH HO-C-H 0 .H HO-C-H H-C-OH H-C-OH HO-CSH CH2OH CH2OH D-Galactose L-Galactose

H O H = C H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH2OH 2-desossi-D-Ribosio un aldopentoso

Tra gli aldosi rientrano anche due monosaccaridi che partecipano alla formazione degli acidi nucleici. Il D-ribosio, un pentoso di formula molecolare C5H10O5, entra nella costituzione dell'RNA. Il 2-deossiribosio si ottiene dal ribosio per eliminazione dell'atomo di ossigeno legato al carbonio C-2. Questo deossizucchero entra nella costituzione delle molecole di DNA.

Appartiene ai chetosi anche il D-fruttosio, un esoso trova nella frutta e nel miele.

La struttura ciclica dei monosaccaridi in soluzione

In soluzione, le molecole dei monosaccaridi a cinque e sei atomi di carbonio formano prevalentemente strutture cicliche. La chiusura dell'anello avviene tramite una reazione di addizione nucleofila fra il gruppo -OH legato a uno degli atomi di carbonio terminali della catena e il gruppo al-deidico (o chetonico), con la formazione di un emiacetale ciclico.

In soluzione acquosa, il glucosio tende a formare anelli a sei atomi perché questi garantiscono la massima stabilità strutturale della molecola.

All'interno degli esseri viventi e negli alimenti che consumiamo il glucosio sarà sempre a forma di anello. Nel tea caldo il glucosio galleggia a forma di anello. Solo i monosaccaridi di tipo D hanno sempre la forma ciclica.

Le formule di proiezione di Haworth

(a) H. 0 1C - 6CH2OH CH2OH H-C-OH -0 5C-OH H H O H - 40 H-C-OH I \OH H O HO HO OH H-C-OH - PCH2OH 3 2 H OH H OH D-Glucose (linear form) a-D-Glucopyranose (Haworth projection)

Norman Haworth fu il primo a disegnare la struttura molecolare della vitamina C (1933). Per questo vinse il Nobel per la miglior rappresentazione dei monosaccaridi in forma ciclica. La vitamina C, antiossidante, è utilissima farmacologicamente: grazie alla conoscenza della struttura la si può oggi riprodurre. Questa scoperta ci aiutò in generale al disegno delle molecole.

5 5 I HO-C-H H H 4 1 OH H C I-U- 3 T2 CH2OH D-Ribosio un aldopentoso 0=0 CH2

Nelle proiezioni di Haworth si disegna l'anello come se fosse piano e leggermente inclinato. La tridimensionalità della molecola è evidenziata dal bordo spesso tra i due atomi di carbonio più vicini all'osservatore (C-2 e C-3).

La numerazione di atomi di carbonio è molto utile perchè aiuta a concentrarsi sulla presenza di un legame di carbonio in una molecola. Chiusi ad anello con struttura esagonale, si conservano i gruppi funzionali.

Il carbonio 1 lega entrambi gli atomi allo stesso modo. Però hanno una posizione diversa (gruppo ossidrilico).

Se ho un monomero con a, il polimero sarà diverso da quello che si formerà con B. A seconda di dove si trova l'incastro, saranno due forme geometriche diverse.

L'anomeria

Nel caso del D-glucosio, si hanno due anomeri, con diverse funzioni biochimiche:

• a-D-glucosio, con il gruppo -OH disposto sotto il piano dell'anello (in trans rispetto al gruppo CH2OH legato al C-5);
• ß-D-glucosio, con il gruppo -OH disposto sopra il piano dell'anello (in cis rispetto al gruppo CH2OH legato al C-5).

6CH2OH -0 H H 1 OH H OH OH H OH H OH

Il legame O-glicosidico e i disaccaridi

Il legame fra alcune molecole di monosaccaridi (da due fino a una decina) porta alla formazione degli oligosaccaridi. Tra questi, i disaccaridi derivano dall'unione di due monosaccaridi per reazione dell'ossidrile anomerico di un monosaccaride con un ossidrile dell'altro attraverso una reazione di condensazione (acetalizzazione): la reazione porta alla liberazione di una molecola di acqua e alla formazione di un legame O-glicosidico, in cui un atomo di ossigeno si pone a ponte tra i due anelli.

Un disaccaride è un acetale in cui il gruppo -OH anomerico è sostituito da un gruppo -OR.

Il legame glicosidico viene indicato specificando la posizione degli atomi di carbonio coinvolti nel legame tra le due molecole che si uniscono. Il maltosio, per esempio, presenta un legame a 1,4-glicosidico tra due molecole di a-D-glucosio, a indicare che il C-1 della prima molecola (anomero a) è legato al C-4 della seconda. Il C-1 può legare 4 cose: un idrogeno, un gruppo ossidrilico, un carbonio e un ossigeno. La stessa cosa vale per il C-4.

Legame @1,4-glicosidico ÇH2OH CH2OH CH2OH ÇH2OH O . H H H H H H H H H H 1 H H OH H OH H OH H OH H HO OH HO OH HO OH H OH H OH H OH H OH a-D-glucosio a-D-glucosio CH2OH H H OH H 1 OH H OH H a-D-glucosio ß-D-glucosio O O HO 1 + 4K -0 Maltosio