GRUPPI FUNZIONALI FONDAMENTALI IN BIOCHIMICA

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1 GRUPPI FUNZINALI FNDAMENTALI IN BICHIMICA co catene idrocarburiche (alifatiche) R-CH 3 >>>>>ALANINA: composti aromatici (strutture ad anello R con doppi legami multipli, elettroni delocalizzati) >>>>>>FENILALANINA: composti aromatici eterociclici >>>>>>> IMIDAZL: l C N CH C N H H l C - + l H 3 N C H l CH 3 C - + l H 3 N C H l CH 2 l >>>>>>>>PIRIMIDINA: >>>>>>>>>PURINA:

2 ssidrilico R-H >>>>>>>ETANL H 3 C CH 2 H Aldeidico R-C-H >>>>>>>ACETALDEIDE H 3 C C H ΙΙ ΙΙ Chetonico R-C-R >>>>>>>ACETNE H 3 C C CH 3 ΙΙ ΙΙ Carbossilico R-C-H >>>>>>>AC ACETIC H 3 C C H (ac. organici) ΙΙ ΙΙ Amminico R -NH 2 >>>>>>>ALANINA H 2 N C H C H Ι ΙΙ CH 3 - H - Ι Ι Ι Fosfato R -- P - - >>>>> AC. 3-FSFGLICERIC H C CH CH 2 P - (fosfati organici) ΙΙ ΙΙ ΙΙ Sulfidrilico (Tioli ) R-SH >>>>>>> CISTEINA C - + l H 3 N C H l CH 2 l SH

3 Le biomolecole che si studiano in biochimica contengono 1 o più gruppi funzionali tra quelli elencati I gruppi funzionali delle biomolecole stabiliscono legami e interazioni. Un ACID CARBSSILIC PU REAGIRE CN: 1) ALCLI formando legami ESTEREI R C H ΙΙ + R Ö H R C R + H 2 ΙΙ ESTERE 2) AMMINE formando legami carboammidici.. R C H + R N H R C N R + H 2 ΙΙ Ι ΙΙ \ H H AMMIDE

4 3) CN ALTRI ACIDI CARBSSILICI formando legami ANIDRIDICI H 4) CN ALTRI ACIDI formando legami ANIDRIDICI MISTI R C H ΙΙ H Ι + H P H ΙΙ H Ι R C P H ΙΙ ΙΙ ANIDRIDE MISTA + H 2

5 5) GRUPPI TILICI formando legami TIESTERE R C H ΙΙ + R SH R C SR ΙΙ + H 2 Anche il gruppo fosforico può reagire con gli alcoli per formare ESTERI MISTI

6 LE BIMLECLE PSSN STABILIRE INTERAZINI DEBLI, NN CVALENTI CHE SN FNDAMENTALI IN TUTTI PRCESSI BICHIMICI 1) INTERAZINI INICHE (o ELETTRSTATICHE) tra molecole con gruppi carichi 2) LEGAMI IDRGEN tra molecole con gruppi polari 3) INTERAZINI DI VAN DER WAALS tra molecole non polari, di natura idrofobica H Ι R C H - + ΙΙ H H P H + ΙΙ H N-R H H Ι R C P H ΙΙ ΙΙ Tymoczko et al., PRINCIPI DI BICHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010 distanza alla quale si verifica la maggiore attrazione tra le molecole

7 CARBIDRATI Monosaccaridi (CH 2 ) n ligosaccaridi (da 2 a 20 residui monosaccaridici) Polisaccaridi o glicani (>20 residui) SI (poliidrossialdeidi) CHETSI (poliidrossichetoni) ppo ALDSI aldeidico (poliidrossialdeidi) R C=) (gruppo CHETSI chetonico (poliidrossichetoni) R C R ) (gruppo aldeidico H R C=) (gruppo chetonico R C R ) H Classificati all interno delle due famiglie in base al n di atomi di carbonio: minimo 3 massimo 9 (triosi, tetrosi, pentosi, esosi ) Zuccheri più semplici: aldotrioso chetotrioso 1 2 3

8 STEREISMERIA DEGLI ZUCCHERI Molecole con centri chirali (carboni asimmetrici) Se n è il numero dei centri chirali in una molecola, per essa saranno possibili 2 n stereoisomeri, che sono coppie di enantiomeri. La gliceraldeide è un composto chirale, il diidrossiacetone è achirale. * * 1 centro chirale = 2 stereoisomeri possibili, la D-gliceraldeide e la L-gliceraldeide che sono tra loro immagini speculari non sovrapponibili (ENANTIMERI).

9 Ad eccezione del diidrossiacetone tutti gli altri monosaccaridi sono composti chirali, otticamente attivi (possono ruotare il piano della luce polarizzata verso destra (+) o verso sinistra (-)) Si definisce uno zucchero D o L in base alla configurazione dell ultimo centro chirale (cioè il centro chirale più lontano dal C-carbonilico). Nella proiezione lineare dello zucchero (proiezione di Fisher): l -H legato all ultimo centro chirale va a destra nei D-zuccheri l -H legato all ultimo centro chirale va a sinistra negli L-zuccheri Aldotetrosi: 4 atomi di carbonio, 2 centri chirali 2 2 = 4 stereoisomeri che differiscono per la configurazione dei loro centri chirali 2 D-aldotetrosi e i loro corrispondenti 2 L-aldotetrosi cioè 2 coppie di enantiomeri

10 Aldotetrosi: 2 centri chirali (C-2 e C-3) D-eritrosio D-treosio L-treosio L-eritrosio diastereoisomeri enantiomeri diastereoisomeri enantiomeri Ciascuno di questi zuccheri ha proprietà differenti e funzioni diverse. Infatti, ogni monosaccaride ha una disposizione UNICA degli atomi legati ai suoi centri chirali, che gli dà caratteristiche specifiche.

11 Gli aldosi con catena più lunga sono estensioni della gliceraldeide, che si possono ottenere inserendo gruppi H-C-H dopo il carbonio carbonilico. 1 C* serie D 2 C* D-aldotetrosi (2) D-aldopentosi (4) 3 C* D-aldoesosi (8) 4 C* Tymoczko et al., PRINCIPI DI BICHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010

12 D-glucosio L-glucosio Devo invertire la configurazione di ogni centro chirale

13 EPIMERI: stereoisomeri che differiscono tra loro solo per la configurazione di 1 centro chirale IL GLUCSI HA 2 EPIMERI: MANNSI E GALATTSI

14 CHETSI (serie D) Gruppo carbonilico in posizione 2 achirale 1 C* D-chetotetroso (1) 2 C* D-chetopentosi (2) 4 C* D-chetoesosi (4)

15 Tymoczko et al., PRINCIPI DI BICHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010

16 In soluzione acquosa gli aldosi con almeno 5 atomi di carbonio e i chetosi con almeno 6 atomi di carbonio vanno incontro ad un processo di ciclizzazione reversibile con la formazione di un legame interno emiacetalico o emichetalico Aldeide + Alcool emiacetale + alcool acetale Chetone + Alcool emichetale + alcool chetale

17 Glucosio: Legame emiacetalico fra il C-1 e il C-5 Il carbonio carbonilico diventa emiacetalico e viene chiamato ANMERIC C-1 negli aldosi diventa chirale δ+ δ- Proiezione di Haworth

18 Le due diverse forme anomeriche del monosaccaride sono in equilibrio rapido con la forma lineare, la miscela all equilibrio presenta circa 2/3 di anomero beta e 1/3 di anomero alfa, mentre la forma aperta è < 1%. ~ 33% ~ 66% Configurazione dei Carboni chirali nella struttura ciclica per uno zucchero in configurazione D: posto il gruppo alcolico primario (-CH 2 H in 6) sopra il piano dell anello, gli H che nella proiezione di Fisher stanno a destra si scrivono sotto il piano dell anello, quelli che stanno a sinistra si scrivono sopra il piano dell anello.

19 Ciclizzazione fra il carbonio carbonilico in posizione 2 e il gruppo alcolico in posizione 5: anello a 5 atomi, È la forma ciclica più comune del fruttosio. Il carbonio ANMERIC del fruttosio è il C-2, diventa chirale H Tymoczko et al., PRINCIPI DI BICHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010

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21 RIBSI: aldopentoso Ciclizzazione fra il C 1 e il C 4 5 H 5 4 H 1 4 H H H α - D- Ribofuranosio β- - D- Ribofuranosio H

22 Gli anelli dei monosaccaridi in realtà non sono planari ma possono avere diverse conformazioni. L anello del glucosio può avere conformazione a sedia o a barca. Le conformazioni a sedia sono più stabili perché minimizzano la repulsione sterica fra i sostituenti dell anello a = posizione assiale e = posizione equatoriale SEDIA BARCA La conformazione a sedia più stabile è quella in cui i gruppi più voluminosi in posizione equatoriale (sul piano dell anello)

23 Derivati dei monosaccaridi 1) ZUCCHERI ACIDI Possono derivare dall ossidazione del gruppo aldeidico degli aldosi (ACIDI ALDNICI) ad opera di un agente ossidante (ione rameico Cu 2+, complesso argento-ione ammonio Ag(NH 3 ) 2+ ) Gli zuccheri con il carbonio anomerico ossidabile sono detti zuccheri riducenti. H Cu 2+ D-glucosio Ac. D-gluconico

24 In soluzione acida gli acidi aldonici formano LATTNI (esteri intramolecolari fra il Carbossile in posizione 1 e il gruppo alcolico in posizione 5) 5 Viene persa H 2 1 Ac. D-Gluconico D-glucono-δ-lattone 1) ZUCCHERI ACIDI Possono derivare anche dall ossidazione del gruppo alcolico primario (ACIDI ALDURNICI). Dal glucosio si ottiene, per ossidazione del CH 2 H in posizione 6, l AC. β-d-glucurnic 6

25 2) AMMINZUCCHERI Un gruppo H è sostituito da un gruppo amminico, in alcuni casi il gruppo amminico è acetilato. Gli ammino-derivati di glucosio e galattosio sono abbondanti nei glicoconiugati (glico-proteine, proteoglicani, glicolipidi) β-d-galattosammina

26 3) ZUCCHERI FSFRILATI Esteri tra un gruppo alcolico dello zucchero e l acido fosforico, nelle vie metaboliche i monosaccaridi sono spesso convertiti in esteri fosforilati β-d-glucosio-6- fosfato 4) DESSIZUCCHERI (zuccheri ridotti) Un gruppo H è sostituito da un atomo d idrogeno 5 β-2-deossi-d-ribosio Costituente del DNA 4 H H

27 LEGAME GLICSIDIC È un legame acetalico in cui il carbonio anomerico di uno zucchero condensa con un alcol, un ammina o un tiolo, ne consegue la perdita di 1 molecola di H 2 emiacetale acetale I composti che si ottengono dai legami glicosidici sono detti GLICSIDI il legame glicosidico blocca lo zucchero nella struttura ciclica

28 Formazione di disaccaridi: legame -glicosidico, il C-anomerico condensa con un gruppo alcolico Emiacetale Emiacetale α-d-glucosio β-d-glucosio Il residuo che impegna il C-anomerico ha la configurazione bloccata, in questo caso è alfa. Acetale Emiacetale Il 2 residuo ha il C anomerico libero MALTSI α-d-glucopiranosil-(1 4)-D-glucopiranosio

29 È alfa perché il carbonio anomerico (C-1) impegnato nel legame glicosidico è bloccato in configurazione alfa Il C-1 del 2 residuo è libero, può essere α o β, costituisce l estremità riducente del disaccaride. È capace di ridurre ioni metallici Cu 2+, Ag + e quindi può essere ossidato. H H

30 LEGAME β-glicsidic (1 4) β-d-galattsi β α-d-glucsi H α - ma può diventare β H Estremità riducente

31 α-d-glucopiranosio 5 6 α 2 β LEGAME GLICSIDIC α-(1 2) β-(2 1) Sono impegnati i due carboni anomerici dei due residui: C-1 alfa del glucosio C-2 beta del fruttosio e un disaccaride NN RIDUCENTE β-d-fruttofuranosio α-d-glucopiranosil-(1 2)-β-D-Fruttofuranosio β-d-fruttofuranosil-(2 1)-α-D-Glucopiranosio SACCARSI

32 PLISACCARIDI (GLICANI) mopolisaccaridi Lineari ramificati Eteropolisaccaridi Lineari ramificati Con 2 o + tipi di unità monosaccaridiche Alcuni sono utilizzati come sostanze di riserva energetica Altri come elementi strutturali nelle piante, negli animali, nei batteri

33 Polisaccaridi di riserva: Amido nelle piante Glicogeno negli animali Formano all interno delle cellule degli agglomerati o granuli. Le molecole di amido o glicogeno sono fortemente idratate per la presenza di molti gruppi ossidrilici che possono formare legami H con l H 2 AMID: costituito da due polisaccaridi Amilosio: lunghe catene lineari di unità di α-d-glucosio unite da legami -glucosidici α-(1 4) Amilopectina: lunghe catene ramificate di unità di α-d-glucosio unite da legami -glucosidici α-(1 4) lungo la catena e legami - glucosidici α-(1 6) nei punti di ramificazione (ogni residui)

34 Estremità non riducente AMILSI Estremità riducente Estremità non riducente Ramificazione AMILPECTINA Estremità non riducente 6 Catena principale Punto di ramificazione Estremità riducente

35 GLICGEN: polisaccaride ramificato costituito da unità di D-glucosio unite da legami -glucosidici α-(1 4) lungo la catena e legami -glucosidici α-(1 6) nei punti di ramificazione (ogni 8-16 residui) Estremità non riducente Ramificazione Estremità non riducente 6 Catena principale Punto di ramificazione Estremità riducente Glicogeno e amilopectina hanno 1 sola estremità riducente e molte estremità non riducenti, tante quante sono le ramificazioni. Le molecole di glucosio utilizzate per fornire energia vengono liberate dalle estremità non riducenti da parte degli enzimi degradativi. Questi possono quindi agire contemporaneamente in diversi punti della molecola

36 Le catene di polisaccaridi possono assumere una struttura tridimensionale, dettata dalla rotazione che può avvenire liberamente intorno al legame glicosidico. Le catene glucidiche di amilosio, amilopectina e glicogeno tendono ad avvolgersi a spirale assumendo una conformazione ad elica. Queste catene spiralizzate aggregano formando granuli di deposito. Sono stabilizzate da legami H fra i gruppi H

37 Il glicogeno negli animali è conservato sotto forma di granuli nelle cellule epatiche e nel tessuto muscolare scheletrico. È vantaggioso per la cellula conservare glucosio sotto forma di polimeri: Infatti, se gli epatociti dovessero contenere in forma monosaccaridica la quantità di glucosio immagazzinato nel glicogeno, la concentrazione di glucosio intracellulare sarebbe ~ 0.4 M, ciò significherebbe un osmolarità elevatissima che porterebbe alla lisi cellulare. Inoltre ci sarebbe una spesa energetica insostenibile per portar dentro la cellula altro glucosio contro gradiente (il glucosio plasmatico è 5 mm). La concentrazione di glicogeno è 0.01 μm, inoltre è insolubile quindi contribuisce poco all osmolarità della cellula.

38 CELLULSA: polisaccaride lineare costituito da unità di D-glucosio unite da legami -glucosidici β-(1 4). estremità non riducente estremità riducente In realtà le unità di glucosio sono ruotate di 180 l una rispetto all altra. β β β β

39 Le catene lineari di cellulosa risultano avere una conformazione rigida. Più catene lineari (circa 80) si affiancano e si associano attraverso un gran numero di legami idrogeno tra i gruppi H (intracatena e intercatena). Il risultato è la formazione di una microfibrilla molto resistente che va a costituire la parete della cellula vegetale

40 CHITINA: costituisce l esoscheletro degli artropodi. È un omopolisaccaride costituito da unità di N-acetil-D-glucosammina uniti tramite un legame β(1 4) Come la cellulosa forma delle fibre molto resistenti

41 GLICCNIUGATI PRTEGLICANI Presenti nella matrice extracellulare, costituiti da più molecole di glicosamminoglicani (etero-polisaccaridi) uniti covalentemente ad una proteina di membrana o secreta. Mediano l attività di fattori di crescita, regolano l assemblaggio delle fibre di collagene con cui interagiscono, contribuiscono alla resistenza meccanica del tessuto connettivo, modulano lo sviluppo di vari tessuti (cartilagine, tendini) GLICPRTEINE Costitute da proteine a cui sono legate catene oligosaccaridiche. Sono presenti nella membrana plasmatica, nel sangue, nei fluidi biologici e nella matrice extracellulare. Costituiscono siti di riconoscimento per altre proteine sulla superficie delle cellule, sono coinvolte nei meccanismi di comunicazione cellulare e in tante altre funzioni. GLICLIPIDI Lipidi di membrana legati a oligosaccaridi e fungono da siti di riconoscimento per diverse proteine