MACROMOLECOLE

CARBOIDRATI

I carboidrati sono componenti essenziali di tutti gli organismi viventi e svolgono molteplici funzioni biologiche. Essi costituiscono la classe di composti predominante nel mondo biologico, rappresentando oltre il 50% del peso secco della biomassa terrestre. Alcuni carboidrati fungono da principale fonte di energia metabolica, infatti il termini 'carboidrato', 'saccaride' e 'zucchero' vengono spesso utilizzati come sinonimi.

Il termine 'carboidrato' deriva dall'osservazione che tali composti hanno una formula molecolare riconducibile a Cn(H2O)n, che suggerisce la presenza di acqua, sebbene ricerche successive abbiano dimostrato che non sono veri e propri idrati poiché non contengono molecole d'acqua. Tuttavia, il termine 'carboidrato' è rimasto in uso.

Il carboidrato più abbondante in natura è il D-glucosio. All'interno delle cellule, il D-glucosio subisce l'ossidazione attraverso il ciclo metabolico della glicolisi per produrre energia. Se la quantità di D-glucosio supera le necessità energetiche, viene convertito dalle cellule dell'organismo animale in glicogeno, un polimero di riserva, che poi viene riconvertito in glucosio quando la cellula ha bisogno di energia. La cellulosa, il principale componente strutturale delle piante, è un polimero del glucosio. La chitina, un carboidrato simile alla cellulosa, costituisce l'esoscheletro di crostacei, insetti e artropodi ed è il componente strutturale dei funghi. La chitina viene estratta dalle sue fonti naturali ed è biocompatibile, motivo per cui viene utilizzata per la produzione di garze impiegate nella ricostruzione della pelle in caso di ustioni. Gli animali assumono glucosio dalle piante sotto forma di amido (negli esseri umani) o cellulosa (nei ruminanti).

Le piante sono in grado di sintetizzare glucosio mediante il processo di fotosintesi clorofilliana. Durante questo processo, le piante convertono l'acqua assorbita dalle radici e la CO2 dell'aria in glucosio e ossigeno; per alimentare questo processo, le cellule vegetali utilizzano l'energia solare. Questo meccanismo rappresenta l'inverso del processo respiratorio, con il quale gli organismi producono energia attraverso l'ossidazione del glucosio in CO2 e acqua. La fotosintesi utilizza la CO2 emessa dagli animali e rilascia l'O2 assorbito dagli animali per vivere. Praticamente tutto l'ossigeno presente nell'atmosfera è stato prodotto attraverso la fotosintesi da parte delle piante.

Classificazione

Abbiamo esaminato come l'analisi elementare di queste sostanze abbia consentito di attribuire loro la formula bruta Cn(H2O)m, come ad esempio:

• Glucosio: C6H12O6 ≡ C6(H2O)6, dove n = m

• Saccarosio: C12H22O11 ≡ C12(H2O)11, dove n ≠ m

Da questa formulazione deriva il vecchio termine "idrati di carbonio" (carboidrati). Attualmente, la Commissione Internazionale di Nomenclatura di Chimica Biologica ha optato per l'uso del termine "glucidi". La definizione attuale di glucidi è la seguente: sono composti organici che contengono funzioni carboniliche (aldeidiche o chetoniche) e funzioni alcoliche; alcuni loro derivati contengono anche funzioni amminidiche e carbossiliche. Di conseguenza, i monosaccaridi vengono classificati in base alla funzione carbonilica presente come poliidrossialdeidi o aldosi e poliidrossichetoni o chetosi. Un esempio di aldoso è il glucosio, mentre tra i chetosi troviamo il fruttosio.

In base alla loro struttura, i glucidi vengono ulteriormente classificati in:

• Monosaccaridi: non subiscono idrolisi

• Oligosaccaridi: danno origine a monosaccaridi per idrolisi; sono costituiti da catene con 2 o al massimo 10 monosaccaridi.

• Polisaccaridi: formati da catene con più di 10 unità monosaccaridiche.

Monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi sono collegati tra loro attraverso reazioni di idrolisi. Ad esempio, gli oligosaccaridi derivano dall'idrolisi acida dei polisaccaridi, mentre i monosaccaridi (spesso disaccaridi) derivano dall'idrolisi acida degli oligosaccaridi.

Per rappresentare i monosaccaridi nella loro forma aperta, la proiezione di Fischer è la notazione più comune. In questa rappresentazione, il monosaccaride viene disegnato verticalmente, iniziando dal carbonio aldeidico (se aldoso) e procedendo con la catena di carboni, dove vengono rappresentati tutti i carboni tranne l'ultimo, che è parte del gruppo -CH2OH. In questa rappresentazione, si assegna la numerazione più bassa alla funzione carbonilica del carbonio carbonilico (conformemente alle regole IUPAC). Se il monosaccaride è chetoso, la proiezione di Fischer inizia dal C più vicino al gruppo carbonilico. Di solito, per i glucidi più importanti, il gruppo chetonico si trova in posizione 2. La gliceraldeide ha un centro stereogenico sul C-2 e quindi può esistere in due forme speculari, due enantiomeri chiamati D-gliceraldeide ed L-gliceraldeide. Secondo questa convenzione, la molecola va disegnata con la catena di carboni verticale, con il carbonio più ossidato in alto e con i legami su ogni carbonio rappresentati a croce. Inoltre, i legami verticali si intendono diretti sotto il foglio e quelli orizzontali sopra, verso chi guarda.

Mentre le proiezioni di Haworth rispecchiano meglio la reale struttura tridimensionale degli zuccheri. Secondo questa convenzione l’etere ciclico deve essere rappresentato come un esagono o un pentagono con il carbonio anomerico a destra e l’ossigeno eterociclico in alto 

Le proiezioni conformazionali offrono una rappresentazione più precisa della struttura tridimensionale degli zuccheri. Queste utilizzano la forma a sedia per i piranosi e a busta per i furanosi, consentendo una migliore comprensione dei dettagli strutturali, inclusa la distinzione tra legami assiali ed equatoriali. Le considerazioni relative alle forme D e L e agli anomeri α e β valide per le proiezioni di Haworth si applicano anche alle proiezioni conformazionali. Di convenzione, l'ossigeno semiacetalico viene rappresentato in alto e il carbonio anomerico a destra. 

Nella nomenclatura tradizionale dei carboidrati, vengono utilizzati nomi di fantasia come "glucosio" per identificare la disposizione specifica dei gruppi OH nei centri chirali della catena zuccherina. Tuttavia, questo metodo richiede la memorizzazione di molti nomi, uno per ogni coppia di enantiomeri. D'altra parte, nella nomenclatura sistematica, tutti i 16 isomeri aldosici vengono denominati con lo stesso nome, come "2,3,4,5,6-pentaidrossiesanale", ma questo non semplifica il riconoscimento degli zuccheri poiché richiede di specificare la stereochimica di tutti gli OH nei centri chirali. Inoltre, non evidenzia chiaramente le coppie di enantiomeri. Ad esempio, mentre il termine "(2R,3S,4R,5R)-aldoesoso" può risultare poco intuitivo, "D-glucosio" immediatamente evoca uno specifico zucchero. La nomenclatura tradizionale facilita anche il riconoscimento di enantiomeri come il D-glucosio e il L-glucosio, mentre con la nomenclatura sistematica bisogna fare riferimento ai nomi specifici. In sintesi, la nomenclatura tradizionale associa la posizione dei gruppi OH nei centri stereogenici al nome in modo mnemonico, con le coppie di enantiomeri che condividono lo stesso nome. I prefissi D e L distinguono gli enantiomeri e indicano la posizione dell'OH principale, convenzionalmente situato sull'ultimo centro chirale in basso. Inoltre, la struttura e la nomenclatura degli aldosi della serie D sono organizzate in un albero genealogico derivante dalla D-gliceraldeide. Ogni zucchero ottenuto dalla reazione di allungamento della catena produce due nuovi zuccheri, uno con l'OH a sinistra e l'altro con l'OH a destra. 

Classificazione dei carboidrati in base all’attività ottica - Mutarotazione 

I glucidi sono caratterizzati dalla presenza di carboni chirali (cioè con quattro sostituenti diversi), il che li rende otticamente attivi. Di conseguenza, per ogni famiglia di aldosio o chetosio, esiste un certo numero di isomeri, calcolabile seguendo la regola di van't Hoff.

E' osservato al polarimetro quando si misura il potere rotatorio di uno zucchero appena disciolto in acqua, poi questo potere rotatorio subisce cambiamenti per circa un'ora dopo la preparazione della soluzione, stabilizzandosi poi su un valore costante. Questo fenomeno è spiegato dalla struttura ciclica degli zuccheri, gli anomeri α e β di uno zucchero sono diastereoisomeri con diverse proprietà chimico-fisiche. Nella cristallizzazione di uno zucchero, come il glucosio, precipita solamente uno dei due anomeri, generalmente l'α che è meno solubile nel solvente di conseguenza, il glucosio commerciale cristallizza come α-D-glucopiranosio, con un potere rotatorio specifico di +112° e un punto di fusione di 146 °C. Quando si prepara una soluzione di glucosio, si scioglie inizialmente α-D-glucopiranosio puro, misurando un potere rotatorio specifico di +112°. Questo valore diminuisce gradualmente fino a +52,5°, tipico delle soluzioni di D-glucosio contenenti una miscela di anomeri α e β in equilibrio. Lo stesso avviene sciogliendo in acqua β-D-glucopiranosio puro, con un potere rotatorio specifico iniziale di +18,7° (anomero β puro) che aumenta lentamente fino a +52,5° (α e β in equilibrio). 

Questa variazione del potere rotatorio, o mutarotazione, è causata dall'isomerizzazione dell'anomero puro precedentemente sciolto in acqua, che si trasforma gradualmente in una miscela di anomeri α e β in equilibrio. Questa reazione può essere accelerata con catalisi acida o basica. La mutarotazione dimostra che il legame etereo semiacetalico si idrolizza facilmente anche in acqua pura, formando piccole quantità di aldeide libera.

Strutture Cicliche e Semiacetali

La struttura dei monosaccaridi mostra la coesistenza della funzione carbonilica con diverse funzioni ossidriliche, predisponendoli a reazioni di addizione interna che formano anelli stabili a cinque e sei termini, noti come furanosidici e piranosidici. Nel caso del glucosio, l'anello a sei atomi si forma attraverso l'attacco intramolecolare del gruppo in posizione 5 al carbonio carbonilico, e la sua struttura rappresentata come una sedia indica una stabilità maggiore dovuta alla posizione equatoriale del gruppo ossidrilico primario legato al C5. Se l'anomero è β, l'OH sarà equatoriale, mentre se è α sarà assiale. 

La formazione del semiacetale è una reazione sfavorita, ma nei monosaccaridi che contengono sia il gruppo aldeidico che quello alcolico, come il glucosio, questa reazione è favorita. Il glucosio esiste prevalentemente in forma ciclizzata, con lo 0,02% nella forma aldeidica libera. La formazione dell'anello a sei atomi è particolarmente favorita e viene chiamato glucopiranosio. Il nuovo centro stereogenico creato nella forma ciclizzata porta alla formazione di due semiacetali isomeri chiamati anomeri α e β. L'osservazione dell'OH anomerico indica l'incertezza sulla sua posizione, e impareremo a riconoscere e nominare entrambe le strutture α e β. 

L'effetto anomerico

E' un fenomeno sorprendente che si verifica negli zuccheri in forma piranosidica, dove la conformazione assiale è favorita nella posizione anomerica. Ad esempio, il D-glucopiranosio esiste principalmente al 36% con l'OH anomerico in posizione alfa (assiale), rispetto al 16% del cicloesanolo. Questo effetto diventa ancora più evidente con gli acetali, come nel caso del D-metil-glucopiranoside, dove il gruppo OCH3 si trova prevalentemente (67%) in posizione alfa (assiale). La maggiore stabilità del sostituente in posizione assiale, nonostante l'ingombro sterico, può essere spiegata dalle interazioni elettroniche con l'ossigeno eterociclico. L'ossigeno ha due orbitali di non legame (n), uno assiale e uno equatoriale. Quello assiale può donare elettroni all'orbitale vuoto σ* (sigma di antilegame) del C-O che regge il sostituente, ma solo se σ* è anch'esso assiale, poiché così n e σ* sono paralleli. Questa donazione di elettroni (n → σ*) è una reazione non così insolita, ed è stata precedentemente studiata in acidi carbossilici e loro derivati, come nel caso del metil acetato.

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ZUCCHERI RIDUCENTI E NON

Un glucide viene definito zucchero riducente quando è in grado di ridurre un ossidante, mentre uno che non può effettuare questa reazione è detto non riducente. La reazione di ossidoriduzione si verifica poiché viene ossidata la funzione carbonilica (aldeidica o chetonica) che caratterizza il glucide nella sua forma aperta. Pertanto, i glucidi che possono assumere questa forma, attraverso l'apertura dell'eterociclo, sono considerati riducenti, mentre quelli che non subiscono questa idrolisi circolare e non hanno uno di questi gruppi funzionali liberi, sono classificati come non riducenti.

Disaccaridi e Polisaccaridi

Quando un monosaccaride forma un legame con un gruppo -OH di un altro monosaccaride, che può essere dello stesso tipo o di tipo diverso, si forma un disaccaride. Esempi di disaccaridi molto significativi includono il maltosio, il cellobiosio, il saccarosio e il lattosio.

• Maltosio: Il maltosio è composto da due unità monosaccaridiche di glucosio legate da un legame α-glicosidico tra l'OH in posizione 1 (sul C anomerico) di un glucosio e l'OH in posizione 4 del secondo glucosio. Questo legame è noto come legame α-1,4'-glicosidico. Il secondo glucosio ha il carbonio anomerico libero, consentendo la sua configurazione sia α che β. Pertanto, il maltosio può assumere equilibrio anomerico e quindi è considerato uno zucchero riducente. Viene ottenuto per idrolisi dell'amido, un polisaccaride del glucosio, di cui costituisce l'unità ripetitiva.

• Cellobiosio: Il cellobiosio è composto da due unità monosaccaridiche di glucosio legate da un legame β-glicosidico tra l'OH in posizione 1 (sul C anomerico) di un glucosio e l'OH in posizione 4 del secondo glucosio. Questo legame è noto come legame β-1,4'-glicosidico. Il secondo glucosio ha il carbonio anomerico libero, consentendo la sua configurazione sia α che β. Pertanto, il cellobiosio può assumere equilibrio anomerico e quindi è considerato uno zucchero riducente. Viene ottenuto per idrolisi della cellulosa, un polisaccaride del glucosio, di cui costituisce l'unità ripetitiva.

• Lattosio: Il lattosio è composto da una unità monosaccaridica di glucosio e una di galattosio legate da un legame β-glicosidico tra l'OH in posizione 1 (sul C anomerico) del galattosio e l'OH in posizione 4 del glucosio. Il glucosio ha il carbonio anomerico libero, consentendo la sua configurazione sia α che β. Pertanto, il lattosio può assumere equilibrio anomerico e quindi è considerato uno zucchero riducente.

• Saccarosio: Il saccarosio è composto da una unità monosaccaridica di glucosio e una di fruttosio legate tramite l'OH anomerico del glucosio (in conformazione α) e l'OH in posizione sempre anomerica (in conformazione β) del fruttosio. Entrambe le unità monosaccaridiche del saccarosio hanno il carbonio anomerico impegnato nel legame glicosidico e, pertanto, il saccarosio non può assumere equilibrio anomerico e quindi è considerato uno zucchero non riducente. Il saccarosio ha un potere rotatorio specifico di +66,5°. Se sottoposto a idrolisi acida, il legame glicosidico si rompe, dando una miscela 1:1 di glucosio e fruttosio che ha un potere rotatorio specifico di -22°, dato dalla somma dei poteri rotatori del glucosio e del fruttosio. Per questa ragione, la miscela risultante è chiamata zucchero invertito (inverte il segno del potere rotatorio rispetto a quello del saccarosio). Poiché il fruttosio è più dolce del saccarosio, lo zucchero invertito è più dolce del saccarosio. L'enzima che provoca la rottura idrolitica del saccarosio è chiamato invertasi ed è presente nelle api. Di conseguenza, il miele che producono è una miscela di saccarosio, glucosio e fruttosio.

• Cellulosa: è il polisaccaride più comune sulla Terra ed è presente in gran parte delle pareti cellulari delle piante terrestri, nonché il componente principale di materiali come il cotone, la canapa e il legno. È composta da catene lineari di glucosio unite da legami β(1-4), che conferiscono proprietà chimico-fisiche diverse rispetto all'amilosio. L'amilosio ha legami α(1-4) che inducono la formazione di un'elica sinistrorsa stabilita da legami idrogeno intracatena e interagisce con l'acqua. È idrofilo e solubile in acqua. La cellulosa, con legami β(1-4), mantiene una struttura lineare e può formare legami idrogeno intracatena e intercatena, rendendo le catene aderenti tra loro, formando microfibrille idrofile. Tuttavia, in natura, la cellulosa può essere legata a pectine o lignina, rendendola idrofoba.

• Amminozuccheri: come il peptidoglicano, la glucosammina e la galattosammina, sostituiscono uno o più gruppi OH con gruppi amminici NH2. Ad esempio, la chitina è un polimero simile alla cellulosa, composto da N-acetilglucosammina, ed è idrorepellente, costituendo l'esoscheletro di insetti e crostacei. L'acido ialuronico è un altro polisaccaride che contiene amminozuccheri ed è fondamentale per il tessuto connettivo e il liquido sinoviale. È costituito da lunghe catene di N-acetilglucosammina e acido glucuronico legate da legami glicosidici β(1-4) e β(1-3) alternati. Questo polisaccaride aiuta a mantenere l'idratazione e la tonicità della pelle e funge da lubrificante naturale nelle articolazioni.

REATTIVITA' possibile

• Reazioni dei semiacetali e reazioni del glucosio

• Formazione di osazoni 

• Allungamento e accorciamento della catena

• Isomerizzazione alcalina

• Saggi degli zuccheri riducenti

• Ossidazione con Br2 o in ambiente acido con HNO3 o con acido periodico 

• Riduzione

• Acilazione e alchilazione dei gruppi ossidrilici

Reazioni dei semiacetali 

Le reazioni chiave dei semiacetali sono l'idrolisi, che porta alla liberazione dell'aldeide originale, e la formazione dell'acetale, che coinvolge l'espulsione di acqua e la reazione con un altro alcol. Queste reazioni sono più facili nei semiacetali rispetto agli eteri e agli alcoli, che sono molecole relativamente stabili. Gli eteri possono subire scissione solo con l'uso di HI concentrato a elevate temperature, mentre gli alcoli si trasformano in eteri solo con H2SO4 concentrato a elevate temperature. La notevole facilità di queste reazioni nei semiacetali in ambiente acido è dovuta al fatto che i due ossigeni, alcolico ed etereo, sono presenti sullo stesso atomo di carbonio, ciascuno stabilizzando il carbocatione intermedio che si forma quando l'altro lascia la molecola. Nei casi di alcoli e eteri, il carbocatione non è stabilizzato, spiegando le differenze di reattività. È da notare che l'idrolisi del legame etereo semiacetalico, generando l'aldeide libera, può avvenire anche in ambiente basico, poiché il gruppo OH estrae efficacemente H+ e l'ossigeno rimanente spinge il gruppo RO- fuori dalla molecola per formare l'aldeide libera. Tuttavia, né la formazione né l'idrolisi dell'acetale sono possibili in ambiente basico, poiché non ci sono H+ disponibili sull'ossigeno etereo, il che rende gli acetali instabili agli acidi ma stabili alle basi. 

Reattività glucosio

Reazioni sull’aldeide libera: Il glucosio, una volta che l'anello è stato aperto, può subire reazioni tipiche delle aldeidi. Queste includono reazioni con fenilidrazina, acido cianidrico, idrossilammina e tioli per formare tioacetali. L'apertura dell'anello con la rottura del legame etereo semiacetalico può avvenire sia con catalisi acida che basica.

Gli zuccheri, in forma di semiacetali ciclici, possono reagire con alcoli o ammine dopo la perdita di una molecola d'acqua per formare glicosidi o N-glicosidi, rispettivamente. Ad esempio, il glucosio si trasforma in metil-glucopiranoside. Durante questa reazione, si forma un carbocatione intermedio stabilizzato per risonanza, assomigliante a una mezza sedia. Questa reazione è catalizzata solo in ambiente acido. L'attacco al carbocatione può avvenire sia da sopra che da sotto il piano molecolare, producendo una miscela di α e β metilglucopiranosidi. Sorprendentemente, il prodotto più stabile non è l'anomero beta, nonostante il minor ingombro sterico, ma l'anomero alfa (67%), caratterizzato dal sostituente OCH3 in posizione assiale, noto come effetto anomerico. In natura, queste reazioni sono mediate da enzimi, producendo solo l'isomero desiderato. Ad esempio, nella cellulosa e negli acidi nucleici si trovano solo legami β-glicosidici, mentre nell'amido e nel glicogeno si trovano solo legami α-glicosidici. Nella sintesi del glicogeno, l'UDP-glucosio viene idrolizzato e trasformato nel carbocatione intermedio a mezza sedia, il quale può reagire solo con il lato inferiore della molecola, poiché l'enzima ne blocca l'accesso all'altra faccia. Di conseguenza, reagendo con l'OH sul C-4 terminale di una catena di glicogeno in crescita, si formano solo legami di tipo alfa. 

Reattività sulla catena

Sintesi di Kiliani-Fischer: allunga la catena di carboni di un aldoso utilizzando cianidrina come intermedio chiave. Inizia con l'addizione di acido cianidrico all'aldeide libera dell'aldoso, formando due cianidrine epimere sul C-2 con un carbonio aggiuntivo. Successivamente, le cianidrine vengono idrolizzate per formare gli acidi aldonici corrispondenti, acido mannonico e acido gluconico.

Accorciamento della catena - Degradazione di Wohl: Questa serie di reazioni accorcia la catena di un aldoso utilizzando una cianidrina come intermedio chiave. L'aldeide viene trasformata in ossima, che a sua volta viene disidratata per formare il nitrile della cianidrina. Quest'ultima può quindi perdere un carbonio sotto forma di ione cianuro. Nel caso specifico del D-glucosio, la degradazione di Wohl coinvolge l'ossimazione dell'aldeide con idrossilammina, seguita dalla disidratazione a nitrile con anidride acetica. Gli esteri acetici presenti nella cianidrina acetilata vengono idrolizzati in ambiente basico anidro con metossido di sodio in metanolo. Infine, la cianidrina ottenuta elimina il gruppo CN, formando l'aldeide con un carbonio in meno, spinta a completezza con l'uso di Ag2O per precipitare gli ioni CN- come AgCN bianco.

Saggi di riconoscimento

Per gli zuccheri riducenti sono metodi chimici utilizzati per determinare la presenza di zuccheri che possono subire ossidazione in condizioni basiche. Questi zuccheri hanno un gruppo aldeidico o chetonico che può essere ossidato a un acido carbossilico, producendo un cambiamento osservabile nel colore o nella formazione di un precipitato.

Reattivo di Fehling:

• • Composto da due soluzioni A e B contenenti CuSO4, tartrato di sodio e NaOH.

  • Il tartrato complessa il Cu2+, evitando la sua precipitazione come idrossido.

  • Il Cu2+ si riduce a Cu+ formando un precipitato rosso di ossidulo di rame (Cu2O) in presenza di zuccheri riducenti.

  • Reagiscono sia aldosi (come il glucosio) che chetosi (come il fruttosio) a caldo.

  • Non reagiscono gli acetali stabili in ambiente basico, come il saccarosio.

Reattivo di Benedict:

• • Contiene CuSO4, citrato di sodio e CaCO3 per alcalinizzare la soluzione.

  • Simile al reattivo di Fehling, ma con un complessante più forte per il Cu2+.

  • Utilizzato per la determinazione qualitativa di zuccheri riducenti.

• Reattivo di Tollens - Specchio d'argento:

  • Composto da una soluzione ammoniacale di AgNO3 che forma il complesso Ag(NH3)2+.

  • Lo ione Ag+ si riduce a Ag metallico, formando uno specchio sulla superficie interna del recipiente.

  • Utilizzato per saggi qualitativi di zuccheri riducenti.

Gli aldosi e i chetosi reagiscono perché l'anello semiacetalico è in equilibrio con la forma aldeidica o chetonica libera. Gli zuccheri con legami acetalici stabili alle basi non reagiscono e sono definiti zuccheri non riducenti. L'ossidazione in ambiente basico può anche coinvolgere molecole che generano il gruppo aldeidico o chetonico per isomerizzazione alcalina.

Questi saggi sono utilizzati per la determinazione qualitativa e, nel caso del reattivo di Fehling, anche quantitativa degli zuccheri riducenti, e sono fondamentali in applicazioni diagnostiche come la determinazione della concentrazione di glucosio nel sangue o nelle urine

AMINOACIDI

Gli amminoacidi sono le unità strutturali delle proteine, composti da un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale che varia da amminoacido ad amminoacido, definendo le proprietà dello specifico amminoacido. Solo 20 degli oltre 500 amminoacidi esistenti sono coinvolti nella sintesi proteica, e la maggioranza di essi viene sintetizzata autonomamente dall’organismo, assumendo il nome di amminoacidi non essenziali. La restante parte, che l’organismo non riesce a produrre, è necessario ottenerla mediante la dieta, e tali amminoacidi sono detti amminoacidi essenziali. Ci sono 8 amminoacidi essenziali, ma tutti e 20 sono fondamentali alla vita. La loro funzione principale è rendere possibile la formazione delle proteine, necessarie per la crescita e lo sviluppo dell’organismo umano. Tali molecole possono anche partecipare alla sintesi di composti che ricoprono altre importanti funzioni biologiche. Oltre a ciò, gli amminoacidi possiedono una modesta funzione energetica.

Struttura

Gli aminoacidi sono composti organici che contengono gruppi funzionali amino (-NH2) e carbossilico (-COOH), legati allo stesso carbonio chiamato carbonio alfa (Cα). Oltre a questi gruppi fondamentali, ogni aminoacido presenta una catena laterale (o gruppo R) che varia da un aminoacido all'altro. Questa diversità nella catena laterale conferisce a ciascun aminoacido le sue caratteristiche chimiche e fisiche specifiche.

Gli amminoacidi sono composti anfoteri, ovvero possono comportarsi sia da acidi che da basi. Tutti gli amminoacidi contengono almeno due gruppi ionizzabili, il gruppo carbossilico ed il gruppo amminico. Il gruppo amminico primario in alfa di un amminoacido ha un pKa di circa 9 e quindi è più acido di un’ammina primaria di 1,5 unità di pH. Il gruppo carbossilico ha invece un pKa di circa 2. Ad un determinato valore di pH (punto isoelettrico –P.I.–) l’amminoacido non migra sotto il flusso di alcun campo elettrico. Per valori di pH superiori al punto isoelettrico, l’amminoacido si comporta come acido, mentre per valori di pH inferiori al punto isoelettrico, l’amminoacido si comporta come base. La conoscenza del valore del punto isoelettrico di un amminoacido permette di stimare la sua carica elettrica media a qualunque valore di pH 

L'equilibrio può essere spostato a valori di pH più bassi o più alti in base alla presenza di ioni H+ o OH- nella soluzione. In particolare:

• Ad un pH inferiore al punto isoelettrico (P.I.), l'amminoacido si comporta come acido, cedendo un protone dal gruppo amminico e diventando uno ione positivo.

• Ad un pH superiore al P.I., si comporta come base, cedendo un protone dal gruppo carbossilico e diventando uno ione negativo.

• Al P.I., si presenta come uno zwitterione, ovvero una molecola neutra con cariche opposte, in cui il gruppo amminico è protonato e il gruppo carbossilico è deprotonato.

• Il valore del P.I. dipende dalla natura della catena laterale e può variare da amminoacido ad amminoacido.

• L'aggiunta di una base forte sposta l'equilibrio verso la forma cationica dell'amminoacido, mentre l'aggiunta di un acido forte sposta l'equilibrio verso la forma anionica.

Il punto isoelettrico (pI) è il valore di pH al quale è presente prevalentemente in forma di zwitterione, ovvero una molecola neutra con cariche opposte, in cui il gruppo amminico è protonato e il gruppo carbossilico è deprotonato. Il valore del pI dipende dalla natura della catena laterale dell'amminoacido e può variare da amminoacido ad amminoacido. Ad esempio, il pI della glicina è di 5,97, mentre il pI della lisina è di 9,74. In generale, il pI degli amminoacidi varia da circa 5 a 9. Gli amminoacidi si trovano in forma zwitterionica quando il pH della soluzione è uguale al loro pI. Per calcolare il pI di un amminoacido che ha solamente un gruppo amminico e un solo gruppo carbossilico, bisogna fare la media dei valori di pKa di questi due gruppi funzionali. La formula da utilizzare è quindi: pI = (pKa1 + pKa2) / 2, dove pKa1 è il valore di pKa del gruppo carbossilico e pKa2 è il valore di pKa del gruppo amminico. Se l'amminoacido ha più di un gruppo funzionale ionizzabile, come ad esempio la lisina che ha tre gruppi funzionali ionizzabili, il calcolo del pI diventa più complesso e bisogna prendere in considerazione anche il valore di pKa della catena laterale. In generale, il pI degli amminoacidi varia da circa 5 a 9.

Classificazione

I venti amminoacidi che compongono le proteine sono: alanina, arginina, asparagina, acido aspartico, cisteina, acido glutammico, glutammina, glicina, istidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, prolina, serina, treonina, triptofano, tirosina e valina

Di questi, dodici sono definiti "aminoacidi standard" o "proteinogenici" in quanto sono i mattoni di base per la sintesi delle proteine. Gli altri otto aminoacidi, noti come "aminoacidi non standard", svolgono ruoli importanti in vari processi biologici.

Gli aminoacidi standard possono essere ulteriormente suddivisi in tre categorie in base alle proprietà della loro catena laterale:

• Aminoacidi Apolari: Questi aminoacidi hanno catene laterali idrofobiche e non reagiscono con l'acqua. Esempi includono glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano e metionina.

• Aminoacidi Polari, ma Non Carichi: Questi aminoacidi hanno catene laterali polari ma non sono carichi a pH fisiologico. Esempi sono serina, treonina, cisteina, asparagina e glutammina.

• Aminoacidi Carichi (Acidi e Basici): Questi aminoacidi hanno gruppi carichi nella loro catena laterale a pH fisiologico. Esempi di aminoacidi acidi includono acido aspartico e acido glutammico. Gli aminoacidi basici includono lisina, arginina e istidina.

Funzioni Biologiche

• Sintesi Proteica: vengono uniti tramite legami peptidici per formare le catene polipeptidiche che costituiscono le proteine. Queste ultime sono coinvolte in praticamente tutti i processi biologici, dalle reazioni enzimatiche al supporto strutturale.

• Precursori Metabolici: possono essere convertiti in molecole, come i nucleotidi (componenti del DNA e dell'RNA), i neurotransmettitori e i pigmenti.

• Regolazione del pH e Bilancio Ionico: se con gruppi funzionali acidi o basici possono agire come buffer, aiutando a stabilizzare il pH all'interno delle cellule.

• Trasporto e Stoccaggio di Azoto: L'azoto viene raccolto in forma di ammonio, incorporato in un aminoacido e trasportato ai tessuti per la sintesi proteica.

• Sintesi di Molecole Biologicamente Attive: sono precursori di ormoni e interruttori cellulari.

Separazione di amminoacidi 

Elettroforesi:

E' una tecnica che sfrutta la carica netta degli amminoacidi per separarli. In questa tecnica, una miscela di amminoacidi viene posta su un supporto elettroconduttore (storicamente carta imbevuta di un solvente a pH tamponato). Applicando un campo elettrico, gli amminoacidi si muovono in base alla loro carica netta. La scelta del pH è cruciale poiché influenza la carica degli amminoacidi. Gli amminoacidi più basici si muovono verso il polo negativo, quelli con carica zero rimangono fermi, mentre quelli più acidi si spostano verso il polo positivo. L'elettroforesi è anche utilizzata per separare proteine e frammenti di DNA.

• Gel di poliacrilammide nella separazione di proteine: (PAGE) per separare proteine in base alle loro dimensioni molecolari. Il gel agisce come una matrice porosa attraverso la quale le proteine si muovono sotto l'influenza di un campo elettrico. Le proteine più piccole si muovono più velocemente attraverso il gel rispetto a quelle più grandi, consentendo una separazione efficace. 

• Gel di agarosio nella elettroforesi di frammenti di DNA: per frammenti di DNA di dimensioni maggiori. In questo caso, il gel di agarosio agisce come una matrice tridimensionale attraverso la quale i frammenti di DNA migrano in risposta a un campo elettrico. Poiché il DNA è carico negativamente a causa dei gruppi fosfato presenti nella sua struttura, si muove verso l'elettrodo positivo durante l'elettroforesi.

Ad esempio, la tecnica di sequenziamento del DNA basata su Sanger, sviluppata negli anni '70, coinvolge l'uso di gel di poliacrilammide per separare i frammenti di DNA generati durante la reazione di sequenziamento. In questo processo, la terminazione della sintesi del DNA è indicata da nucleotidi marcati radioattivamente o fluorescenti. Ogni nucleotide terminatore produce un frammento di DNA di lunghezza diversa, e il gel di poliacrilammide consente la separazione precisa di questi frammenti.

Cromatografia su strato sottile (TLC):

La TLC è una tecnica cromatografica semplice ed economica. Il campione viene depositato su uno strato sottile di gel di silice, e il supporto viene immerso in un solvente che si muove per osmosi, trascinando gli amminoacidi meno affini alla fase stazionaria. La polarità del gel di silice favorisce la ritenzione degli amminoacidi basici e polari, mentre quelli apolari si spostano più vicino al fronte del solvente. La rivelazione degli amminoacidi avviene tramite la reazione con la ninidrina, che produce un colore blu-magenta, tranne per la prolina che forma un colore giallo.

Cromatografia a scambio ionico:

Questa tecnica è ampiamente utilizzata per l'analisi quantitativa degli amminoacidi e fornisce informazioni sulla composizione in amminoacidi di una proteina. Gli amminoacidi si ottengono dall'idrolisi acida di una piccola quantità di proteina. Si utilizzano resine solfoniche scambiatrici di cationi che trattengono gli amminoacidi cationici. La separazione avviene mediante una colonna cromatografica in cui si varia il pH del tampone di eluizione. Gli amminoacidi acidi vengono eluiti prima, seguiti da quelli basici. La ninidrina è nuovamente utilizzata per rivelare gli amminoacidi, producendo colori differenti per ogni amminoacido, con la prolina che forma un composto giallo.

Si procede così: si mette in una fiala di vetro il campione, si aggiungono 2 mL di HCl 6M, si raffredda la soluzione in un bagno di acetone e ghiaccio secco a ‒80 °C, si chiude sotto vuoto la fiala alla fiamma di soffieria, si idrolizza a 110° per 22 ore. Poi, si rompe la punta della fiala, si elimina l’HCl tirando a secco in evaporatore rotante, si riprende con un tampone citrato a pH 2,5. Il campione è pronto per la corsa cromatografica. La cromatografia si realizza con resine solfoniche scambiatrici forti di cationi. Si usa una resina di polistirene copolimerizzato con l’8% di divinilbenzene in cui sono stati introdotti alcuni gruppi solfonici. Il divinilbenzene serve per formare legami incrociati tra le catene che rendono più rigida la resina. 

Sintesi di amminoacidi

Legame peptidico 

PEPTIDI E PROTEINE

Le proteine sono polimeri costituiti da una sequenza specifica di amminoacidi. Ogni proteina ha una struttura tridimensionale unica che determina la sua funzione. La struttura primaria di una proteina è la sequenza lineare degli amminoacidi che la compongono. Questa sequenza primaria influisce sulla struttura successiva della proteina.

La struttura secondaria è la disposizione regolare di segmenti della catena polipeptidica in strutture come l'elica alfa e il foglietto beta. La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale globulare della proteina. Infine, alcune proteine complesse possono avere una struttura quaternaria, che coinvolge più catene polipeptidiche.

Il processo di sintesi proteica avviene in due fasi principali: la trascrizione e la traduzione. Durante la trascrizione, l'informazione genetica contenuta nel DNA viene trascritta in una molecola di RNA messaggero (mRNA). Successivamente, durante la traduzione, l'mRNA viene tradotto in una sequenza di amminoacidi che costituiscono la proteina. La traduzione avviene nei ribosomi, che sono grandi complessi proteici costituiti da due subunità, una maggiore e una minore, che contengono rRNA e proteine. Il processo di sintesi proteica avviene in più ribosomi simultanei e in tutto il citoplasma cellulare. La sintesi proteica inizia sempre dall'N-terminale di una proteina in formazione verso il suo C-terminale. Il primo amminoacil-tRNA ad essere aggiunto è invariabilmente quello con legata metionina, detto tRNA iniziatore, poiché la sequenza d'inizio di ciascun mRNA è AUG. La sequenza attuale di amminoacidi forma la cosiddetta struttura primaria delle proteine. A seconda della composizione esatta e dell'ordine degli amminoacidi nella sequenza proteica, la catena si piega in una forma tridimensionale. Quando ciò accade la proteina è completa. 

Il ruolo dell'mRNA nella sintesi proteica è quello di portare l'informazione genetica contenuta nel DNA dal nucleo al citoplasma, dove avviene la sintesi delle proteine. Durante la trascrizione, l'informazione genetica contenuta nel DNA viene trascritta in una molecola di RNA messaggero (mRNA). Successivamente, durante la traduzione, l'mRNA viene tradotto in una sequenza di amminoacidi che costituiscono la proteina. L'mRNA viene letto dai ribosomi sempre nella direzione 5′→3′, mentre la proteina viene sintetizzata sempre nella direzione ammino→carbossiterminale. Durante la fase di inizio della sintesi proteica, l'mRNA si lega alla subunità minore del ribosoma, successivamente il tRNA iniziatore si lega all'mRNA grazie all'appaiamento tra le basi del codone (sull'mRNA) e quelle dell'anticodone (sul tRNA) e, come ultimo passaggio, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso di inizio1. Durante la fase di allungamento, nuovi amminoacidi vengono aggiunti alla catena polipeptidica in formazione, mentre durante la fase di terminazione avviene la fine della sintesi proteica e il rilascio della proteina dal ribosoma. In sintesi, l'mRNA svolge un ruolo fondamentale nella sintesi proteica, portando l'informazione genetica dal DNA ai ribosomi, dove viene tradotta in una sequenza di amminoacidi che costituiscono la proteina. 

Classificazione

La struttura delle proteine può essere descritta a quattro livelli di organizzazione molecolare 

• Struttura primaria: sequenza specifica di amminoacidi che costituiscono la proteina. Ogni proteina ha una sequenza unica di amminoacidi, determinata dal codice genetico. Questa sequenza è fondamentale perché determina la struttura e la funzione della proteina. Per determinare la sequenza degli amminoacidi nella struttura primaria delle proteine, si utilizzano tecniche di sequenziamento. Queste permettono di determinare l'ordine preciso degli amminoacidi nella catena polipeptidica. Una delle tecniche più comuni è la sequenziamento di Edman, che prevede la rimozione sequenziale degli amminoacidi dalla catena polipeptidica, uno alla volta, e la loro identificazione tramite reazioni chimiche specifiche. Questa tecnica è stata sostituita da tecniche più avanzate, come la spettrometria di massa

• Struttura secondaria: conformazione spaziale dei blocchi costruttivi delle catene di amminoacidi. Le strutture secondarie più comuni sono l'alfa elica e il foglietto beta. Queste strutture sono stabilizzate da legami a idrogeno tra gli atomi di ossigeno e idrogeno nella catena principale della proteina

• Struttura terziaria: configurazione tridimensionale complessiva della proteina. La struttura terziaria è determinata dalle interazioni tra i gruppi laterali degli amminoacidi, che possono includere legami a idrogeno, legami covalenti, interazioni idrofobiche e ponti disolfuro

• Struttura quaternaria: associazione di due o più catene polipeptidiche (o subunità proteiche) in una struttura complessa. Non tutte le proteine hanno una struttura quaternaria. Un esempio di proteina con struttura quaternaria è l'emoglobina, che è composta da quattro subunità proteiche

Le proteine possono essere classificate in base alla loro forma e funzione:

• Proteine Strutturali: Queste proteine forniscono supporto meccanico alle cellule e ai tessuti. Esempi includono il collagene nelle ossa e l'actina nei muscoli.

• Enzimi: Sono catalizzatori biologici che facilitano le reazioni chimiche all'interno delle cellule. Ogni enzima ha un substrato specifico su cui agisce.

• Proteine di Trasporto: Trasportano molecole come l'ossigeno (emoglobina) o gli ioni (proteine di trasporto membranoso) attraverso la cellula o il corpo.

• Proteine di Difesa: Forniscono difesa contro agenti patogeni. Gli esempi includono gli anticorpi del sistema immunitario.

• Ormoni: Le proteine ormonali svolgono un ruolo chiave nella regolazione dei processi fisiologici nell'organismo.

• Proteine di Membrana: Intervengono nel trasporto di molecole attraverso le membrane cellulari e nella comunicazione tra le cellule.

Le mutazioni che possono verificarsi nella sequenza degli amminoacidi di una proteina sono diverse e possono essere classificate in diversi tipi:

• Mutazioni silenti: non alterano la sequenza degli amminoacidi nella proteina, perché la mutazione coinvolge una base del codone che non cambia l'amminoacido codificato.

• Mutazioni missenso: alterano la sequenza degli amminoacidi nella proteina, perché la mutazione coinvolge una base del codone che cambia l'amminoacido codificato.

• Mutazioni non senso: causano la formazione di un codone di stop prematuro nella sequenza degli amminoacidi, interrompendo la sintesi della proteina.

• Mutazioni frameshift: causano l'inserimento o la delezione di una o più basi nella sequenza degli amminoacidi, alterando la lettura del codice genetico e causando un cambiamento nella sequenza degli amminoacidi a partire dal punto della mutazione.

Funzioni Biologiche

Le proteine svolgono un'ampia gamma di funzioni biologiche:

• Catalisi Enzimatica: Le proteine agiscono come catalizzatori per accelerare le reazioni chimiche all'interno delle cellule.

• Struttura e Supporto: il collagene, la cheratina e l'actina forniscono supporto meccanico alle cellule e ai tessuti.

• Trasporto: l'emoglobina trasportano ossigeno nel sangue.

• Regolazione: Alcune, come gli ormoni, regolano i processi biologici nel corpo.

• Difesa Immunitaria: Gli anticorpi sono proteine che riconoscono e neutralizzano agenti patogeni come i batteri e i virus.

• Comunicazione Cellulare: Le proteine di membrana facilitano la comunicazione tra le cellule.

Sintesi di peptidi 

--> Molecular biology

Lipidi: I Mattoni della Membrana e Riserve Energetiche

Struttura dei Lipidi

I lipidi comprendono una vasta gamma di molecole diverse, ma condividono alcune caratteristiche chiave. Essi sono generalmente idrofobici, il che significa che sono poco solubili in acqua. La loro struttura chimica è principalmente costituita da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Alcuni lipidi contengono anche fosforo e azoto.

Classificazione dei Lipidi

I lipidi possono essere suddivisi in diverse categorie:

• Trigliceridi: Sono la forma principale di deposito di grassi negli organismi. Sono costituiti da una molecola di glicerolo legata a tre molecole di acidi grassi tramite legami esterei.

• Fosfolipidi: Sono una componente essenziale delle membrane cellulari. Hanno una testa idrofila e due code idrofobiche, il che li rende particolarmente adatti a formare doppio strati lipidici.

• Steroli: Sono lipidi con una struttura a anello. Il colesterolo è un esempio di sterolo ed è fondamentale per la stabilità delle membrane cellulari.

• Cere, Cere e Grassi: Questi lipidi includono cere, che forniscono una barriera protettiva per piante e animali, e grassi che svolgono funzioni di isolamento e protezione.

• Eicosanoidi: Sono lipidi derivati dall'acido arachidonico e svolgono ruoli chiave in processi infiammatori e di segnalazione.

Funzioni Biologiche

I lipidi svolgono diverse funzioni vitali:

• Fosfolipidi e steroli costituiscono i principali componenti delle membrane cellulari, creando un ambiente separato tra l'interno e l'esterno della cellula.

• trigliceridi sono immagazzinati nel tessuto adiposo e possono essere convertiti in energia quando necessario.

• I grassi, soprattutto quelli sottocutanei, aiutano a isolare termicamente il corpo e a proteggere gli organi interni.

• Alcuni lipidi, come i prostaglandini, svolgono ruoli cruciali nella regolazione delle risposte infiammatorie e nella comunicazione cellulare.

• I surfattanti polmonari sono una miscela di fosfolipidi che rivestono gli alveoli polmonari e prevengono il collasso durante l'espirazione.