Percorsi di biochimica

Verso l università Massimo Stefani Niccolò Taddei Percorsi di biochimica SIENZE

Massimo Stefani Niccolò Taddei Percorsi di biochimica

opyright 2012 Zanichelli editore S.p.A., Bologna [6764der] www.zanichelli.it I diritti di elaborazione in qualsiasi forma o opera, di memorizzazione anche digitale su supporti di qualsiasi tipo (inclusi magnetici e ottici), di riproduzione e di adattamento totale o parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), i diritti di noleggio, di prestito e di traduzione sono riservati per tutti i paesi. L acquisto della presente copia dell opera non implica il trasferimento dei suddetti diritti né li esaurisce. Per le riproduzioni ad uso non personale (ad esempio: professionale, economico, commerciale, strumenti di studio collettivi, come dispense e simili) l editore potrà concedere a pagamento l autorizzazione a riprodurre un numero di pagine non superiore al 15% delle pagine del presente volume. Le richieste per tale tipo di riproduzione vanno inoltrate a Associazione Italiana per i Diritti di Riproduzione delle pere dell ingegno (AIDR) orso di Porta Romana, n. 108 20122 Milano email segreteria@aidro.org e sito web www.aidro.org L editore, per quanto di propria spettanza, considera rare le opere fuori del proprio catalogo editoriale, consultabile al sito www.zanichelli.it/f_catalog.html. La fotocopia dei soli esemplari esistenti nelle biblioteche di tali opere è consentita, oltre il limite del 15%, non essendo concorrenziale all opera. Non possono considerarsi rare le opere di cui esiste, nel catalogo dell editore, una successiva edizione, le opere presenti in cataloghi di altri editori o le opere antologiche.nei contratti di cessione è esclusa, per biblioteche, istituti di istruzione, musei ed archivi, la facoltà di cui all art. 71 ter legge diritto d autore. Maggiori informazioni sul nostro sito: www.zanichelli.it/fotocopie/ Realizzazione editoriale: oordinamento redazionale: Martina Mugnai Redazione: EDI.MAT, Bologna Segreteria di redazione: Deborah Lorenzini Progetto grafico, impaginazione, ricerca iconografica, disegni: EDI.MAT, Bologna Indice analitico: Il Nove, Bologna Rilettura critica: Maddalena Macario opertina: Progetto grafico: Miguel Sal &., Bologna Realizzazione: Roberto Marchetti Immagine di copertina: Artwork Miguel Sal &. Prima edizione: gennaio 2012 L impegno a mantenere invariato il contenuto di questo volume per un quinquennio (art. 5 legge n. 169/2008) è comunicato nel catalogo Zanichelli, disponibile anche online sul sito www.zanichelli.it, ai sensi del DM 41 dell 8 aprile 2009, All. 1/B. File per diversamente abili L editore mette a disposizione degli studenti non vedenti, ipovedenti, disabili motori o con disturbi specifici di apprendimento i file pdf in cui sono memorizzate le pagine di questo libro. Il formato del file permette l ingrandimento dei caratteri del testo e la lettura mediante software screen reader. Le informazioni su come ottenere i file sono sul sito www.zanichelli.it/diversamenteabili Suggerimenti e segnalazione degli errori Realizzare un libro è un operazione complessa, che richiede numerosi controlli: sul testo, sulle immagini e sulle relazioni che si stabiliscono tra essi. L esperienza suggerisce che è praticamente impossibile pubblicare un libro privo di errori. Saremo quindi grati ai lettori che vorranno segnalarceli. Per segnalazioni o suggerimenti relativi a questo libro scrivere al seguente indirizzo: lineaquattro@zanichelli.it Le correzioni di eventuali errori presenti nel testo sono pubblicati nel sito www.online.zanichelli.it/aggiornamenti Zanichelli editore S.p.A. opera con sistema qualità certificato ertiargraf n. 477 secondo la norma UNI EN IS 9001:2008

Massimo Stefani Niccolò Taddei Percorsi di biochimica SIENZE

Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

Indice APITL 1 1 I carboidrati 1 1.1. Aspetti generali e classificazione 2 1.2. I monosaccaridi sono le unità elementari degli zuccheri 4 1.3. La formazione di semiacetali produce forme anomeriche dei monosaccaridi 6 1.4. Alcuni derivati dei monosaccaridi hanno grande importanza biologica 7 1.5. Gli oligosaccaridi e la loro importanza in natura 8 1.6. I polisaccaridi sono le molecole organiche più diffuse in natura 11 1.7. I glicosamminoglicani sono una famiglia di eteropolisaccaridi lineari SEDE 1.1. La parete delle cellule vegetali e batteriche, p. 10 1.2. I proteoglicani sono i costituenti fondamentali della matrice extracellulare, p. 13 APITL 2 Test di autovalutazione, p. 14 Risposte e brevi commenti, p. 15 16 Nucleotidi e acidi nucleici 16 2.1. La conoscenza degli acidi nucleici ha rivoluzionato la biologia 17 2.2. I nucleotidi sono le unità costitutive degli acidi nucleici 19 2.3. Il DNA 20 2.4. Il DNA è un polimero lineare di unità nucleotidiche 20 2.5. Il modello a doppia elica del DNA di Watson e rick 22 2.6. Il modello a doppia elica del DNA ha importanti conseguenze 23 2.7. Il DNA si trova superavvolto nei cromosomi 24 2.8. L RNA è molto simile al DNA 28 2.9. Le cellule procariotiche ed eucariotiche contengono vari tipi di RNA SEDE 2.1. Il codice genetico, p. 24 2.2. Le mutazioni a livello molecolare, p. 26 Test di autovalutazione, p. 30 Risposte e brevi commenti, p. 31 Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

VI INDIE APITL 3 32 Amminoacidi e proteine 32 3.1. L importanza biologica delle proteine 34 3.2. Gli amminoacidi: le unità elementari di cui sono fatte le proteine 36 3.3. Gli amminoacidi sono acidi e basi deboli 37 3.4. Gli amminoacidi delle proteine sono uniti dal legame peptidico 38 3.5. Le proteine svolgono funzioni diverse 38 3.6. Le proteine possiedono più livelli strutturali 40 3.7. La struttura primaria differenzia un tipo di proteina dall altro 42 3.8. La struttura secondaria è il più semplice dei ripiegamenti tridimensionali della catena polipeptidica 44 3.9. La conformazione tridimensionale di una proteina prende il nome di struttura terziaria 46 3.10. La struttura quaternaria deriva dall associazione di più subunità 47 3.11. Le proteine che legano l ossigeno forniscono un esempio del rapporto tra struttura e funzione 49 3.12. L emoglobina è un esempio di proteina con struttura quaternaria 51 3.13. Il comportamento allosterico è alla base della regolazione dell attività biologica dell emoglobina 54 3.14. Il 2,3bisfosfoglicerato gioca un ruolo fondamentale nel trasporto dell 2 SEDE 3.1. Il folding delle proteine, p. 46 3.2. Il collageno è un importante proteina fibrosa, p. 52 APITL 4 Test di autovalutazione, p. 55 Risposte e brevi commenti, p. 56 58 Gli enzimi 58 4.1. Gli enzimi sono proteine 59 4.2. lassificazione e nomenclatura degli enzimi 60 4.3. Gli enzimi sono i catalizzatori biologici per eccellenza 61 4.4. Gli enzimi sono caratterizzati da elevata specificità 62 4.5. I modelli che spiegano l interazione enzimasubstrato Il modello «chiaveserratura», p. 62; Il modello dell adattamento indotto, p. 63 63 4.6. Numerosi enzimi sono presenti nei tessuti in forme molecolari diverse 64 4.7. oenzimi e cofattori partecipano all attività di numerosi enzimi 65 4.8. Attività enzimatica e numero di turnover di un enzima Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

INDIE VII 67 4.9. I fattori che influenzano l attività enzimatica 68 4.10. L attività enzimatica è finemente regolata L allosterismo, p. 69; Le modificazioni covalenti, p. 70; L inibizione enzimatica, p. 71 74 4.11. Molti farmaci agiscono come inibitori enzimatici SEDE 4.1. L utilità clinica del dosaggio degli enzimi, p. 69 4.2. Gli enzimi della coagulazione del sangue, p. 72 APITL 5 Test di autovalutazione, p. 74 Risposte e brevi commenti, p. 76 77 I lipidi 77 5.1. Aspetti generali e classificazione 78 5.2. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici a lunga catena 80 5.3. Gli acilgliceroli sono i costituenti fondamentali del tessuto adiposo 81 5.4. I fosfogliceridi sono importanti molecole anfipatiche 84 5.5. Gli sfingolipidi contengono la sfingosina 84 5.6. Struttura e funzione della membrana cellulare 87 5.7. Terpeni e steroidi sono lipidi semplici 89 5.8. Gli eicosanoidi svolgono importanti funzioni di regolazione 90 5.9. Le lipoproteine e il trasporto dei lipidi nel sangue SEDE 5.1. Il surfactante polmonare, p. 83 5.2. Il trasporto di sostanze attraverso le membrane, p. 86 APITL 6 Test di autovalutazione, p. 92 Risposte e brevi commenti, p. 93 95 Il metabolismo: concetti di base 95 6.1. Il metabolismo è il fondamento della vita cellulare 96 6.2. Il metabolismo cellulare è organizzato in vie metaboliche 99 6.3. L ATP prodotto dalle cellule è il «motore» di numerose reazioni 100 6.4. Numerosi substrati vengono attivati per essere metabolizzati 102 6.5. NAD e FAD sono i principali coenzimi ossidoriduttivi 104 6.6. Gli intermedi metabolici dentro la cellula si trovano in una condizione di equilibrio dinamico 105 6.7. I processi metabolici sono regolati SEDE 6.1. La pompa sodiopotassio, p. 100 6.2. Gli errori congeniti del metabolismo, p. 106 Test di autovalutazione, p. 108 Risposte e brevi commenti, p. 109 Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

VIII INDIE APITL 7 110 Il metabolismo dei carboidrati 110 7.1. I carboidrati rappresentano la principale fonte di energia per le nostre cellule 111 7.2. Il glucosio è presente all interno delle cellule in forma fosforilata 112 7.3. La glicolisi è una via metabolica costituita da numerose reazioni catalizzate 115 7.4. Le fermentazioni si verificano in assenza di ossigeno 116 7.5. In alcuni tessuti la glicolisi fornisce grandi quantità di energia metabolica 117 7.6. Il glucosio può essere sintetizzato o subire utilizzazioni alternative alla glicolisi 119 7.7. Il glicogeno è il polisaccaride di riserva presente in tutti gli animali 119 7.8. Glicogenosintesi e glicogenolisi sono processi caratterizzati da reazioni diverse 122 7.9. La glicemia è finemente controllata SEDE 7.1. L acido glucuronico favorisce l eliminazione di sostanze tossiche o di rifiuto, p. 124 7.2. Il diabete mellito è l espressione della rottura dell equilibrio che mantiene costante la glicemia, p. 125 APITL 8 Test di autovalutazione, p. 126 Risposte e brevi commenti, p. 127 129 Il metabolismo dei lipidi e dei composti azotati 129 I. IL METABLISM DEI LIPIDI 129 8.1. Generalità 131 8.2. Gli acidi grassi sono i principali combustibili del metabolismo 131 8.3. atabolismo e sintesi degli acidi grassi 134 8.4. La produzione dei corpi chetonici è legata al metabolismo dei carboidrati 135 8.5. Anche il colesterolo viene sintetizzato prevalentemente nel fegato 137 II. IL METABLISM DEI MPSTI AZTATI 137 8.6. Generalità 139 8.7. Alcune reazioni generali sono presenti nel metabolismo di tutti gli amminoacidi 139 8.8. Deaminazione e decarbossilazione degli amminoacidi 142 8.9. La produzione dell urea e dell acido urico L ureogenesi, p. 142; La biosintesi delle basi puriniche e pirimidiniche, p, 142; Il catabolismo delle basi puriniche e pirimidiniche, p. 144 Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

INDIE IX SEDE 8.1. La steatosi epatica è una grave condizione legata al dismetabolismo dei lipidi, p. 133 8.2. L ipercolesterolemia familiare, p. 136 8.3. Molte malattie genetiche sono causate da deficit del metabolismo di amminoacidi, p. 140 8.4. La gotta è un disturbo del metabolismo delle basi puriniche, p. 144 APITL 9 Test di autovalutazione, p. 145 Risposte e brevi commenti, p. 146 147 Metabolismo terminale e produzione dell ATP 147 9.1. La liberazione dell energia metabolica avviene prevalentemente nei mitocondri 148 9.2. Potenziale redox ed energia chimica 154 9.3. La respirazione cellulare comprende l insieme delle reazioni ossidative terminali che producono 2 156 9.4. La decarbossilazione ossidativa del piruvato 157 9.5. Il ciclo dell acido citrico 158 9.6. Gli intermedi del ciclo dell acido citrico possono essere utilizzati in altre vie metaboliche 159 9.7. Nella catena respiratoria gli elettroni passano dai coenzimi ridotti all ossigeno attraverso trasportatori intermedi 161 9.8. La fosforilazione ossidativa accoppia la catena respiratoria alla produzione di ATP 164 9.9. Aspetti energetici SEDE 9.1. La fotosintesi trasforma in energia chimica l energia luminosa del Sole, p. 151 9.2. Gli ormoni tiroidei sono tra i principali controllori della catena respiratoria, p. 162 APITL 10 Test di autovalutazione, p. 165 Risposte e brevi commenti, p. 165 167 La comunicazione tra cellule: ormoni e trasduzione del segnale 167 10.1. Molte funzioni dell organismo sono regolate e coordinate chimicamente 168 10.2. Gli ormoni 172 10.3. Molti ormoni agiscono attraverso un secondo messaggero: l importanza dell AMP ciclico 174 10.4. L amplificazione del segnale ormonale: il ruolo delle cinasi 178 10.5. Lo spegnimento del segnale ormonale 181 10.6. Gli ioni calcio come secondi messaggeri 181 10.7. Le cinasi che controllano la proliferazione e il differenziamento cellulare 184 10.8. Il meccanismo d azione degli ormoni steroidei e della tiroide Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

X INDIE APITL 11 SEDE 10.1. La funzione renale è sottoposta a un accurato controllo ormonale, p. 176 10.2. ncogeni e protooncogeni, p. 183 Test di autovalutazione, p. 185 Risposte e brevi commenti, p. 186 188 Elementi di scienza dell alimentazione 188 11.1. Aspetti biochimici dell alimentazione 190 11.2. Macronutrienti e micronutrienti 191 11.3. I glucidi alimentari assicurano la maggior parte dell apporto calorico della dieta 191 11.4. Le proteine nell alimentazione 193 11.5. I lipidi alimentari forniscono energia e vitamine 194 11.6. Le vitamine sono sostanze organiche indispensabili all organismo in piccola quantità 195 11.7. Le vitamine idrosolubili 197 11.8. Le vitamine liposolubili 200 11.9. Gli elementi minerali 200 11.10. Digestione e assorbimento delle sostanze alimentari e dei loro costituenti 205 11.11. Aspetti energetici dell alimentazione 206 11.12. I principali capitoli di spesa energetica dell organismo 208 11.13. Le modificazioni metaboliche nel ciclo digiunoalimentazione SEDE 11.1. La fibra alimentare, p. 192 11.2. L obesità è uno stato di squilibrio energetico tra fabbisogno e assunzione di calorie, p. 209 Test di autovalutazione, p. 212 Risposte e brevi commenti, p. 213 215 Verso l università 219 Indice analitico Il simbolo individua i paragrafi che prevedono approfondimenti online all indirizzo online.zanichelli.it/percorsibiochimica. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

APITL 1 I carboidrati Il fruttosio, lo zucchero della frutta, è del 50% più dolce del saccarosio (lo zucchero da tavola) ed è il principale componente zuccherino del miele. 1.1 Aspetti generali e classificazione 1.2 I monosaccaridi sono le unità elementari degli zuccheri 1.3 La formazione di semiacetali produce forme anomeriche dei monosaccaridi 1.4 Alcuni derivati dei monosaccaridi hanno grande importanza biologica 1.5 Gli oligosaccaridi e la loro importanza in natura 1.6 I polisaccaridi sono le molecole organiche più diffuse in natura 1.7 I glicosamminoglicani sono una famiglia di eteropolisaccaridi lineari 1.1 Aspetti generali e classificazione I carboidrati (o saccaridi, zuccheri, glicidi) sono un gruppo molto vasto di sostanze organiche, particolarmente rappresentate nella biosfera, costituite nella maggior parte dei casi da tre soli elementi chimici: carbonio, idrogeno e ossigeno. I carboidrati hanno una grande importanza biologica: nel mondo vivente assolvono due funzioni principali, una di tipo energetico, rappresentando le sostanze dalla cui ossidazione le cellule traggono la maggior parte dell energia necessaria alla loro vita, e una strutturale. A causa della grande importanza dei carboidrati dal punto di vista energetico, gli esseri viventi hanno la possibilità di accumularne riserve, soprattutto sotto forma di due polimeri: l amido, abbondante nei tessuti vegetali, e il glicogeno, molto simile all amido, ma presente nei tessuti animali. D altro canto, un carboidrato di natura polimerica, la cellulosa, è il costituente principale della parete delle cellule vegetali, cui conferisce rigidità e resistenza, mentre altri polisaccaridi più complessi, da soli o associati a proteine, sono i costituenti fondamentali delle pareti batteriche, nonché dei vari tessuti connettivi e dei delicati rivestimenti cellulari negli animali. Possiamo classificare i carboidrati in base alla loro complessità chimica: I monosaccaridi sono le molecole più semplici e possono esistere in forma libera oppure associarsi a formare polimeri più o meno complessi. Gli oligosaccaridi sono molecole costituite dall associazione di due (disaccaridi) o poche unità di monosaccaridi. I polisaccaridi sono polimeri costituiti da centinaia fino a decine di migliaia e più di unità monosaccaridiche. I carboidrati sono poliidrossialdeidi, poliidrossichetoni o sostanze che per idrolisi danno poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. I principali gruppi funzionali dei carboidrati sono il gruppo ossidrile e il gruppo carbonile. I monosaccaridi (zuccheri semplici) non possono essere idrolizzati a composti più semplici. Gli oligosaccaridi contengono poche unità di monosaccaride legate tra loro, mentre i polisaccaridi contengono molte unità monosaccaridiche. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

2 APITL 1 Gli aldosi contengono il gruppo funzionale aldeidico, i chetosi il gruppo funzionale chetonico. I triosi hanno tre atomi di carbonio, i tetrosi ne hanno quattro e così via. 1.2 I monosaccaridi sono le unità elementari degli zuccheri I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici e in natura possono esistere liberi o, più spesso, legati l uno all altro a formare molecole più grandi. Essi hanno formula generale ( 2 ) n con un numero atomi di carbonio mai minore di 3 e raramente maggiore di 7. I monosaccaridi sono definibili chimicamente come poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni, poiché le loro molecole sono costituite da una catena di atomi di carbonio tutti legati ad atomi di idrogeno e a gruppi ossidrile () tranne uno, che si presenta sotto forma di funzione aldeidica (sottogruppo degli aldosi) o chetonica (sottogruppo dei chetosi). A seconda del numero di atomi di carbonio, i monosaccaridi vengono distinti in triosi, tetrosi, pentosi ed esosi. * 2 Gliceraldeide 2 2 Diidrossiacetone online.zanichelli.it/percorsibiochimica APPRFNDIMENT La stereoisomeria ottica sservando la formula dei due monosaccaridi più semplici, la gliceraldeide (un aldoso) e il diidrossiacetone (un chetoso), due triosi, possiamo notare che la prima presenta l atomo di carbonio centrale, contrassegnato da un asterisco, legato a quattro gruppi diversi: 2 Un atomo di carbonio che si trovi in questa condizione viene detto asimmetrico, e le molecole in cui è presente possono esistere in due forme diverse, speculari, dette isomeri ottici. I due isomeri ottici di un composto contenente un solo atomo di carbonio asimmetrico sono detti enantiomeri e possiedono proprietà chimiche e fisiche sostanzialmente identiche. La differenza principale tra due enantiomeri è data dal fatto che le loro soluzioni possono ruotare il piano su cui vibra un raggio di luce polarizzata che le attraversi. Per convenzione, gli isomeri ottici della gliceraldeide vengono distinti facendo precedere il nome del composto dalla lettera D o dalla lettera L a seconda che, scrivendo la formula di questo con il carbonio più ossidato (quello aldeidico) in alto, dal punto di vista dell osservatore il gruppo si trovi a destra o a sinistra dell atomo di carbonio cui è legato. Sempre per convenzione, i composti contenenti un atomo asimmetrico la cui struttura sia riconducibile a quella della Dgliceraldeide vengono definiti D, mentre quelli la cui struttura sia riconducibile a quella della Lgliceraldeide vengono definiti L. Il chetotrioso diidrossiacetone non ha atomi di carbonio asimmetrici e quindi non presenta isomeri ottici. Se osserviamo adesso due monosaccaridi a quattro atomi di carbonio, l eritrosio e l eritrulosio, possiamo notare che il primo presenta due atomi di carbonio asimmetrici e il secondo uno. 2 * * * 2 Deritrosio 2 Deritrulosio Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 3 Figura 1.1 Esempi di Daldosi di significato fisiologico. 2 Dgliceraldeide 2 Deritrosio 2 Dribosio 2 Dgalattosio 2 Dglucosio 2 Dmannosio Quest ultimo può dunque presentarsi sotto due forme isomere diverse, De L. Il caso dell eritrosio è tuttavia più complesso: possedendo due atomi di carbonio asimmetrici, la molecola dell eritrosio può presentarsi in quattro forme isomere diverse. Ancora più complicato è il caso degli aldopentosi che, possedendo tre atomi di carbonio asimmetrici, possono presentarsi in otto forme isomere diverse, e quello degli aldoesosi, con quattro atomi di carbonio asimmetrici e 16 isomeri ottici diversi. La figura 1.1 mostra le formule dei principali Daldosi di rilevanza biologica, mentre la figura 1.2 a pagina seguente mostra le formule dei più importanti D chetosi. Definiamo epimeri due molecole con più centri chirali che differiscono tra loro per la posizione di un solo centro. Per esempio, il Dglucosio e il Dgalattosio sono epimeri per la posizione del gruppo legato all atomo di carbonio in posizione 4 (la catena carboniosa è numerata a partire dal gruppo aldeidico). ome possiamo comprendere dallo studio delle due figure, l atomo di carbonio asimmetrico che definisce l appartenenza di una molecola di monosaccaride alle serie D o L è, per convenzione, quello più lontano dal gruppo aldeidico/chetonico. Le stesse figure evidenziano come in campo biologico abbiano importanza i soli monosaccaridi della serie D. Tra gli esosi ha particolare rilevanza biologica il Dglucosio che, seppure in forme diverse, entra nella costituzione dell amido, del glicogeno, della cellulosa, del lattosio, lo zucchero del latte (insieme al galattosio) e del saccarosio, il comune zucchero da tavola (insieme al fruttosio). ome vedremo più avanti, l utilizzazione del glucosio da parte delle cellule è di fondamentale importanza per tutti gli esseri viventi, che ricavano da questa molecola la maggior parte dell energia di cui necessitano e possono anche trasformarla in altri tipi di sostanze, per esempio lipidi. Tra i pentosi ha particolare importanza biologica il ribosio costituente dei nucleotidi dell acido ribonucleico o RNA (vedi cap. 2). Ricorda: Il numero di isomeri ottici di una sostanza la cui molecola possiede n atomi di carbonio asimmetrici è pari a 2 n. online.zanichelli.it/percorsibiochimica APPRFNDIMENT Aldosi e chetosi Gli epimeri sono diastereomeri che differiscono per la configurazione di un solo centro stereogeno. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

4 APITL 1 Figura 1.2 Esempi di Dchetosi di significato fisiologico. 2 2 2 2 Diidrossiacetone 2 Dxilulosio 2 Dribulosio 2 2 2 Dfruttosio 2 Dsedoeptulosio 1.3 La formazione di semiacetali produce forme anomeriche dei monosaccaridi Le molecole dei monosaccaridi che abbiamo visto finora sono caratterizzate da uno scheletro lineare di atomi di carbonio. In soluzione acquosa e, quindi, nelle cellule viventi, la maggior parte di queste molecole esistono tuttavia in forma ciclica, a causa della reazione intramolecolare tra il gruppo aldeidico/chetonico e uno dei gruppi della molecola. Dato che in chimica organica la reazione tra il gruppo aldeidico e quello ossidrile produce composti detti semiacetali, le forme cicliche dei monosaccaridi in soluzione (soprattutto pentosi ed esosi) sono dette semiacetaliche: * ciclizzazione 2 Dglucosio (forma aperta) 2 Dglucosio (forma semiacetalica o forma piranosica) Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 5 ome possiamo notare, per effetto di questo processo si genera un nuovo centro chirale (il primo atomo di carbonio che ora è legato a quattro sostituenti diversi) e quindi si producono due nuovi isomeri ottici, detti anomeri, indicati come e e tra loro in equilibrio. Nel caso del Dglucosio, i due anomeri che si formano sono indicati come Dglucosio e Dglucosio. Dal punto di vista della reattività chimica, la formazione del semiacetale avviene con maggiore frequenza tra il gruppo legato all atomo di carbonio in posizione 5 e il gruppo aldeidico. Quindi il glucosio e gli altri aldosi a sei atomi di carbonio formano molecole cicliche a 6 atomi con struttura riconducibile a quella del pirano, un idrocarburo ciclico a 6 atomi contenente un atomo di ossigeno (forme piranosiche). Nel caso dei chetoesosi e dei pentosi prevale invece la forma ciclica a 5 atomi, poiché l ossidrile che reagisce è quello legato al carbonio in posizione 4. Queste forme hanno struttura riconducibile a quella del furano, un idrocarburo ciclico a 5 atomi contenente un atomo di ossigeno (forme furanosiche). Il carbonio semiacetalico dei monosaccaridi ciclici si chiama carbonio anomerico. Due monosaccaridi che differiscono soltanto per la configurazione del carbonio anomerico formano una coppia di anomeri. 2 2 * 2 Dfruttosio (forma aperta) 2 Dfruttosio (forma furanosica) Generalmente, per rappresentare le strutture cicliche dei monosaccaridi si usano le formule di proiezione di aworth, che rappresentano l anello penta o esaatomico della molecola con il bordo più vicino al lettore evidenziato con un tratto più spesso. Queste rappresentazioni sono inesatte perché suggeriscono che gli anelli siano planari, mentre essi in realtà presentano una geometria tridimensionale più complessa legata alla geometria tetraedrica di ognuno degli atomi del ciclo; tuttavia, grazie alla loro efficacia rappresentativa queste formule sono ormai entrate nell uso comune. Nelle formule di proiezione di aworth l anello dei carboidrati si rappresenta come se fosse piano e visto di fianco. Gli atomi di carbonio sono numerati in senso orario, con il 1 a destra. 6 2 5 4 1 ( ) 3 2 2 1 ( ) 6 1 2 2 5 2 ( ) 4 3 Dglucosio Dglucosio Dfruttosio L esistenza delle due forme anomeriche del Dglucosio, l Dglucosio e il Dglucosio, è un particolare di grande rilevanza biologica. Infatti, dobbiamo tenere presente che solo il Dglucosio può essere utilizzato dagli esseri viventi, i cui enzimi sono in grado di discriminare tra isomeri differenti, e che la sua utilizzazione è radicalmente diversa a seconda che si tratti dell anomero o. Il primo è il costituente dell amido e del glicogeno e rappresenta il «combustibile» più importante da cui gli organismi superiori, piante comprese, traggono l energia necessaria alla loro vita, mentre il secondo è il costituente della cellulosa, un polisaccaride che non può essere digerito, e quindi utilizzato a scopi energetici, dagli organismi animali superiori, con l eccezione degli erbivori (vedi più avanti). W. N. aworth. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

6 APITL 1 1.4 Alcuni derivati dei monosaccaridi hanno grande importanza biologica I monosaccaridi appena visti sono importanti, oltre che come costituenti di oligosaccaridi, polisaccaridi, acidi nucleici, e così via, anche come precursori di molecole a loro volta di grande importanza biologica. Per esempio, il 2desossiDribosio, prodotto dalle cellule a partire dal Dribosio entra nella costituzione delle molecole di acido desossiribonucleico o DNA (vedi cap. 2): 5 2 4 1 3 2 2desossiDribosio I derivati fosforilati dei monosaccaridi rappresentano la forma metabolicamente attiva di queste molecole. Grande importanza hanno anche i derivati fosforilati dei pentosi e degli esosi, in cui un gruppo è esterificato da una molecola di acido fosforico che li rende più reattivi. I carboidrati possono essere utilizzati dalle cellule solo in questa forma; per esempio, una volta penetrato in una cellula, il glucosio viene trasformato nell estere fosforico in posizione 6, il glucosio 6fosfato: 2 P 2 3 Glucosio 6fosfato Altri esempi di monosaccaridi utilizzati dalle cellule in forma fosforilata sono il glucosio 1fosfato, il galattosio 1fosfato, il fruttosio 6fosfato e il fruttosio 1,6bisfosfato (cap. 7). Un altra modificazione chimica degli aldosi presenti nelle cellule è l ossidazione del gruppo aldeidico, con formazione di acidi aldonici, oppure del gruppo alcolico in posizione 6, con formazione di acidi uronici. Nel caso del glucosio, il composto più importante dal punto di vista biologico, questi prodotti di ossidazione sono, rispettivamente, l acido gluconico e l acido glucuronico. 1 2 Acido Dgluconico 6 2 Dglucosio Acido Dglucuronico L acido glucuronico è utilizzato per favorire l eliminazione di sostanze tossiche endogene e esogene. Nelle cellule del fegato, l acido glucuronico, molecola particolarmente idrofila, viene legato (coniugazione) a sostanze scarsamente idrosolubili di origine endogena (ormoni steroidei e bilirubina) oppure esogena (farmaci, inquinanti), per facilitarne l eliminazione dall organismo per via biliare o urinaria (vedi cap. 7). Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 7 Gli acidi uronici (acido glucuronico, galatturonico, mannuronico) sono anche costituenti di alcuni polisaccaridi. L acido gluconico invece è un importante intermedio in una via biochimica che provvede all ossidazione diretta del glucosio e all interconversione tra esosi e pentosi (vedi cap. 7). Gli amminozuccheri, che presentano un gruppo sostituito da una funzione amminica, sono un altro importante gruppo di derivati dei monosaccaridi. Gli amminozuccheri più rappresentati nel mondo vivente sono la Dglucosammina, la cui forma acetilata (NacetilDglucosammina) è un costituente di numerosi polisaccaridi e della chitina presente nell esoscheletro di insetti e crostacei, e la Dgalattosammina, presente in alcuni lipidi complessi (cap. 5) e nei polisaccaridi del tessuto cartilagineo. Negli amminozuccheri un gruppo è sostituito da un gruppo N 2 o NR. N 2 N 3 N 2 2 Dglucosammina 2 NacetilDglucosammina 2 Dgalattosammina Altri derivati dei monosaccaridi quali l acido Nacetilmuramico, formato da NacetilDglucosammina e acido lattico, sono importanti costituenti della parete cellulare batterica, mentre l acido Nacetilneuramminico, derivato dell NacetilDmannosammina e dell acido piruvico, è presente nei rivestimenti polisaccaridici delle cellule degli animali superiori, nelle glicoproteine e nei glicolipidi. L acido N acetilneuramminico e i suoi derivati sono indicati anche come acidi sialici. 1.5 Gli oligosaccaridi e la loro importanza in natura Quando due molecole monosaccaridiche reagiscono, si forma un legame covalente tra il gruppo legato all atomo di carbonio 1 anomerico della prima (il più reattivo perché legato a un altro atomo di ) e uno dei gruppi alcolici della seconda, con perdita di una molecola di acqua: In un glicoside l anomerico viene sostituito da un gruppo R. Il legame del carbonio anomerico con il gruppo R si chiama legame glicosidico. 2 2 1 4 Dglucosio Dglucosio 2 2 legame 1,4 glicosidico Maltosio 2 Il legame covalente che si forma nella reazione viene detto legame glicosidico ed è quello che tiene unite le unità monosaccaridiche negli oligosaccaridi e nei polisaccaridi. La differenza tra la definizione di oligosaccaridi e polisaccaridi è puramente quantitativa, nel senso che i primi sono costituiti solo da poche unità monosaccaridiche legate da legami glicosidici, mentre nei secondi queste sono numerosissime. Gli oligosaccaridi più abbondanti in natura sono i disaccaridi, costituiti da due unità monosaccaridiche unite da un legame glicosidico. I principali disaccaridi sono elencati di seguito: Un disaccaride è costituito di due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico tra il carbonio anomerico di una unità e un ossidrile dell altra unità. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

8 APITL 1 online.zanichelli.it/percorsibiochimica APPRFNDIMENT Edulcoranti e potere dolcificante online.zanichelli.it/percorsibiochimica APPRFNDIMENT Nutrizione e prodotti dietetici 6 2 5 4 3 2 Il maltosio, formato da due molecole di Dglucosio unite tra la posizione 1 della prima e la posizione 4 della seconda, è uno dei prodotti della digestione dell amido. Il saccarosio, in cui sono presenti una molecola di Dglucosio e una molecola di Dfruttosio, legate tra la posizione 1 della prima e la posizione 2 della seconda, è il comune zucchero da tavola (detto anche zucchero di canna) ed è un composto assai abbondante nel regno vegetale. Il lattosio, formato da una molecola di Dgalattosio e una di o Dglucosio, legate tra la posizione 1 della prima e la posizione 4 della seconda, è presente pressoché esclusivamente nel latte, cui conferisce il sapore dolciastro. Il cellobiosio, formato da due molecole di Dglucosio, unite tra la posizione 1 della prima e la posizione 4 della seconda, dal quale viene ottenuta la cellulosa per successive aggiunte di unità di Dglucosio. 1( ) 6 2 5 4 1( ) 3 2 Lattosio 4 6 2 5 3 2 1( ) 1 2 Saccarosio 3 4 2 5 2 6 Un polisaccaride costituito da un solo tipo di unità monosaccaridica è detto omopolisaccaride; uno costituito da più di un tipo di monosaccaride è detto eteropolisaccaride. L amido è un polisaccaride costituito da unità di glucosio legate con legami 1,4 glicosidici e 1,6 glicosidici. 1.6 I polisaccaridi sono le molecole organiche più diffuse in natura I carboidrati sono presenti in natura soprattutto sotto forma di grandi molecole (macromolecole) costituite dal ripetersi di numerosissime unità di un solo tipo (omopolisaccaridi) o di più tipi diversi (eteropolisaccaridi) di monosaccaridi o di loro derivati. Nel mondo vivente i polisaccaridi assolvono soprattutto due funzioni: 1. Sono i costituenti fondamentali di strutture o sostanze extracellulari con funzioni di rivestimento, di sostegno o collegamento delle cellule in organi e tessuti, cui conferiscono forma, elasticità o rigidità. 2. ostituiscono la principale forma di riserva dei carboidrati nelle cellule. ome sappiamo, il carboidrato più utilizzato dagli esseri viventi per scopi energetici è l Dglucosio; le cellule, tuttavia, non possono accumulare grandi quantità di questo monosaccaride, che finirebbero per interferire con numerose reazioni chimiche, alterando il funzionamento della cellula e l osmolarità del contenuto di questa. Il problema è stato risolto legando le unità di glucosio tra loro a formare grosse molecole che, a causa della loro relativa inerzia chimica e scarsa solubilità, possono essere immagazzinate sotto forma di voluminosi granuli in particolari zone della cellula, senza interferire con i vari processi cellulari o turbare l equilibrio osmotico tra contenuto cellulare e liquidi circolanti. Amido e glicogeno, entrambi polimeri di Dglucosio, sono i principali omopolisaccaridi di riserva presenti in natura. Amilosio e amilopectina sono le due forme in cui si presenta l amido, il più importante polisaccaride di riserva delle cellule vegetali. L amilosio è una molecola lineare di lunghezza variabile che in soluzione assume una forma elicoidale, in cui le unità di Dglucosio sono unite da legami glicosidici tra la posizione 1 di una molecola e la posizione 4 della molecola successiva. L amilopectina è invece una grossa molecola ramificata in cui, oltre ai legami glicosidici 1 n 4 (presenti nei tratti lineari), esistono anche legami 1 n 6 che producono ramificazioni in media ogni 30 residui (figura 1.3). Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 9 6 2 4 1 Punto di ramificazione ( 1 n 6) Ramificazione atena principale 6 2 4 1 Figura 1.3 Una porzione di amilopectina che mostra due tratti di catena uniti da una ramificazione. Granuli di glicogeno Figura 1.4 Fotografia al microscopio elettronico di una cellula di fegato in cui si osservano numerosi granuli di glicogeno sotto forma di punti scuri. Le cellule animali producono come polisaccaride di riserva il glicogeno, le cui molecole somigliano molto a quelle dell amilopectina, da cui differiscono solo per il maggior numero di ramificazioni (circa 1 ogni 10 residui di glucosio) e per la maggiore compattezza. Nei mammiferi il glicogeno è abbondante soprattutto nelle cellule del fegato, ove è presente sotto forma di voluminosi granuli, e del muscolo scheletrico (figura 1.4). Mentre il glicogeno epatico ha una grandissima importanza per il mantenimento del corretto valore di concentrazione del glucosio nel sangue (glicemia), il glicogeno muscolare rappresenta una riserva energetica a uso esclusivo del muscolo. I polisaccaridi strutturali più importanti sono la cellulosa, la chitina e la porzione glicidica della parete batterica. La cellulosa è il principale costituente della parete delle cellule vegetali. Essa è formata da lunghe molecole lineari contenenti unità di Dglucosio legate tra la posizione 1 e 4 (figura 1.5). Più molecole di cellulosa si associano a formare fibre le cui caratteristiche strutturali determinano una forte resistenza alla trazione meccanica. La linearità delle molecole di cellulosa ne determina infatti la possibilità di essere fascicolate in modo da ottenere dei veri e propri cavi molto tenaci. Per la sua abbondanza nelle pareti delle cellule vegetali, la cellulosa può essere considerata la sostanza organica più diffusa nella biosfera; il legno è costituito per oltre la metà di cellulosa, e così la carta, mentre il cotone è cellulosa quasi allo stato puro. Mentre l amido e il glicogeno, formati da unità di Dglucosio, possono essere facilmente utilizzati come fonti di energia praticamente da tutti gli esseri viventi grazie all ubiquitarietà dell enzima che ne idrolizza i legami 1,4, la cellulosa, polimero del Dglucosio, può essere utilizzata per questo scopo solo dai microrganismi (batteri e funghi) e da una strettissima minoranza di organismi su Il glicogeno degli organismi animali è ancora più ramificato dell amilopectina e ha peso molecolare più alto. La cellulosa è un polimero, privo di ramificazioni, composto di unità di glucosio legate tra loro da legami 1,4 glicosidici. Figura 1.5 Struttura di un tratto di molecola di cellulosa. 2 2 2 2 Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

10 APITL 1 SEDA 1.1 La parete delle cellule vegetali e batteriche Tutte le cellule vegetali e la maggior parte di quelle batteriche presentano all esterno della membrana citoplasmatica un involucro rigido, detto parete cellulare, che fornisce sostegno alla pianta e impedisce alla cellula di scoppiare nel caso in cui venga a trovarsi in un mezzo ipotonico, cioè con una pressione osmotica minore di quella del liquido intracellulare. Sebbene vi svolga funzioni essenzialmente analoghe, la parete cellulare ha una struttura chimica molto diversa nelle cellule vegetali e in quelle batteriche. La parete delle cellule vegetali è costituita per la maggior parte da cellulosa, ma in alcuni tessuti sono presenti anche altre sostanze, per esempio la suberina (una sostanza cerosa) nei tessuti di rivestimento, di cui assicura l impermeabilità, e la lignina (un polimero fenolico simile alla plastica) nei tessuti di sostegno, di cui aumenta la resistenza meccanica. Nelle pareti vegetali, le molecole lineari di cellulosa appaiono associate a formare aggregati di maggiori dimensioni, le microfibrille, disposte parallelamente le une alle altre e in strati successivi, spesso incrociati, immerse in una matrice amorfa cementante costituita da altre sostanze polimeriche, soprattutto emicellulose (polimeri di pentosi) e pectina (polimero di un derivato dell acido galatturonico). Fotografia al microscopio elettronico della parete di una cellula vegetale Macrofibrille o fasci Microfibrilla di cellulosa atena glucanica Glucosio La parete batterica contiene raggruppamenti atomici (antigeni) che determinano la risposta del sistema immunitario dell organismo invaso e la cui identificazione è estremamente utile nella diagnosi di molte malattie infettive. Alcuni antibiotici (per esempio, le penicilline) devono l azione antibatterica alla loro interferenza con la biosintesi della parete in numerosi ceppi batterici. La struttura chimica della parete cellulare di tutti i tipi di batteri è fondamentalmente la stessa: essa è costituita da un eteropolisaccaride consistente La chitina è presente nei gusci dei crostacei e negli esoscheletri degli insetti. periori. Ruminanti e termiti possono utilizzare la cellulosa solo grazie alla presenza di batteri (nel rumine dei primi) e di protozoi (nel tratto digerente delle seconde) che possiedono un enzima, la cellulasi, che catalizza la rottura idrolitica delle molecole di cellulosa liberando Dglucosio, immediatamente trasformato nella forma. La chitina è il componente principale dell esoscheletro degli artropodi (per esempio, crostacei, insetti, ragni) e della parete della maggior parte dei funghi. Si tratta di un omopolimero lineare di unità di NacetilDglucosammina legate tra loro con legami (1n4). hitina e cellulosa hanno una struttura simile, particolarmente adatta a resistere a sollecitazioni meccaniche. Molti batteri, al pari delle cellule vegetali, sono dotati di un involucro rigido noto come peptidoglicano o mureina che circonda la membrana cellulare, svolgendo una funzione di tipo protettivo (scheda 1.1). La struttura chimica della parete batterica è fondamentalmente costituita da un eteropolisaccaride formato da lunghe catene parallele legate covalentemente da ponti trasversali di brevi catene polipeptidiche. Il lisozima, un enzima contenuto nell albume delle uova e in molte secrezioni, come la saliva e le lacrime, dove svolge azione antimicrobica, Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 11 in lunghe catene polisaccaridiche parallele contenenti Nacetilglucosammina e acido Nacetilmuramico unite covalentemente da ponti trasversali rappresentati da brevi catene peptidiche in cui sono presenti L e Damminoacidi. È questo uno dei rarissimi casi in cui la natura ha selezionato amminoacidi della serie D per svolgere un ruolo biologico. Questa struttura macromolecolare formata da carboidrati e peptidi che circonda l intera cellula come una rete a maglie strette è nota come peptidoglicano. Staphylococcus aureus Acido Nacetilmuramico Sito di rottura a opera del lisozima (1 4) Nacetilglucosammina atena di pentaglicina LAla DGlu LLys DAla provoca la morte delle cellule batteriche idrolizzando specificamente la porzione glicidica del peptidoglicano. Anche molti antibiotici sono attivi in quanto inibitori della sintesi della parete batterica. 1.7 I glicosamminoglicani sono una famiglia di eteropolisaccaridi lineari Nei tessuti animali, la matrice extracellulare riempie gli spazi tra le cellule; in essa si trovano immersi i vasi ematici e linfatici e le terminazioni nervose e attraverso essa diffondono i segnali chimici endogeni, i nutrienti, l ossigeno, il diossido di carbonio e altre sostanze di rifiuto diretti verso le cellule o provenienti da esse. Tale matrice è costituita da un intreccio di eteropolisaccaridi e proteine fibrose. I primi vengono chiamati glicosamminoglicani e, insieme ad alcuni lipidi complessi e glicoproteine, partecipano anche alla formazione dei delicati e flessibili rivestimenti che circondano le cellule di numerosi organi e tessuti dei vertebrati. I glicosamminoglicani (in passato definiti mucopolisaccaridi) (tabella 1.1 a pagina seguente) sono una famiglia di eteropolisaccaridi lineari formati dalla ri I glicosamminoglicani sono polisaccaridi non ramificati costituiti da residui alternati di acido uronico ed esosammina. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

12 APITL 1 Tabella 1.1 Glicosamminoglicani acidi e loro localizzazione all interno del nostro organismo Polisaccaride ostituenti Localizzazione Acido ialuronico Acido glucuronico, NacetilDglucosammina Liquido sinoviale ondroitina Acido glucuronico, NacetilDgalattosammina ornea ondroitina 4solfato Acido glucuronico, NacetilDgalattosammina 4solfato artilagine Dermatansolfato Acido iduronico, NacetilDgalattosammina 4solfato Pelle heratansolfato Galattosio, galattosio 6solfato, NacetilDglucosammina 6solfato ornea Eparina Glucosammina 6solfato, acido glucuronico 2solfato, acido iduronico Polmone Le glicoproteine sono proteine a cui è legata una porzione glicidica con legame covalente. petizione di unità disaccaridiche in cui uno dei costituenti è sempre Nacetilglucosammina o Nacetilgalattosammina, mentre l altro è in genere un monosaccaride acido, spesso acido glucuronico. In alcuni glicosamminoglicani possono essere presenti gruppi solfato; si generano così polimeri acidi fortemente idratati che, a causa dell elevata presenza di cariche negative, assumono una conformazione estesa in acqua conferendo alla soluzione una elevata viscosità. Uno dei glicosamminoglicani acidi più importanti è l acido ialuronico (figura 1.6), una macromolecola a elevato peso molecolare presente sia nei rivestimenti cellulari sia nella sostanza fondamentale di tutti i tessuti connettivi dei vertebrati, nonché nel liquido sinoviale presente in numerose articolazioni, ove agisce da lubrificante, nell umor vitreo dell occhio e nel cordone ombelicale. L eparina è l unico dei mucopolisaccaridi riportati nella tabella 1.1 a essere assente nella matrice extracellulare dei tessuti connettivi; al contrario, l eparina si trova all interno dei mastociti, particolari tipi di cellule presenti lungo la parete dei vasi sanguigni, particolarmente di fegato, polmoni e cute. L eparina è una sostanza molto importante per il suo potere anticoagulante e viene dunque utilizzata come farmaco in tutti quei casi in cui la tendenza a formarsi o la presenza effettiva di coaguli di sangue (trombi) nei vasi minaccia la funzionalità di una parte o di tutto un intero organo. I glicosamminoglicani sono spesso associati a molecole di natura proteica a formare i proteoglicani che, interagendo con proteine fibrose quali il collageno e l elastina, formano una rete stabilizzata da legami covalenti che conferisce resistenza ed elasticità alla matrice extracellulare, il mezzo in cui sono immerse le cellule nei tessuti (scheda 1.2). In altre associazioni proteinecarboidrati, il contenuto di carboidrati è inferiore rispetto a quello proteico; in tale caso si parla di glicoproteine. Appartengono a questo gruppo proteine di particolare importanza come il fibrinogeno, fattore essenziale della coagulazione del sangue, le immunoglobuline, principali agenti delle difese immunitarie detti comunemente «anticorpi», alcuni ormoni ed enzimi, il collageno, la più importante proteina dei tessuti connettivi, oltre a 2 Figura 1.6 L unità ripetitiva dell acido ialuronico. Acido glucuronico N 3 Nacetilglucosammina Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 13 I proteoglicani sono i costituenti fondamentali della matrice extracellulare SEDA 1.2 I proteoglicani sono molecole costituite da proteine associate a carboidrati in cui prevale nettamente la componente saccaridica, che può arrivare a rappresentare oltre il 95% del peso totale. In questa classe di molecole, ampiamente diffuse nell organismo e di grande importanza biologica, la porzione glicidica gioca un ruolo di primaria importanza. I proteoglicani (noti in passato come mucoproteine) sono costituiti da catene di glicosamminoglicani, spesso rappresentati da cheratansolfato, dermatansolfato o condroitinsolfato, associate covalentemente a proteine della matrice extracellulare a formare le subunità del proteoglicano; a loro volta, tali associazioni sono unite a uno scheletro filamentoso di acido ialuronico. Queste formazioni sopramolecolari hanno dimensioni rilevanti (circa quelle di una cellula batterica) e sono inframmezzate a proteine fibrose, quali il collageno e l elastina, che formano una rete stabilizzata da legami covalenti che conferisce resistenza ed elasticità a tutta la matrice extracellulare. La complessa architettura della matrice extracellulare contiene punti di attacco per le cellule che vi si trovano immerse. Tali punti sono rappresentati da varie proteine dette proteine di adesione (fibronectina, laminina) che, oltre ad ancorare le cellule, svolgono un ruolo attivo nella regolazione di numerose attività cellulari e nella migrazione delle stesse nei tessuti in via di sviluppo. (A) (B) ligosaccaridi uniti con legami Nglicosidici Nucleo proteico Acido ialuronico ondroitinsolfato heratansolfato (A) Microfotografia al microscopio elettronico di un proteoglicano. (B) Rappresentazione schematica della struttura di una molecola di aggrecano, un proteoglicano numerose proteine di membrana, implicate nel riconoscimento tra cellule o con funzione recettoriale (per maggiori dettagli sulle proteine, vedi cap. 3). In generale, contengono porzioni glicidiche più o meno estese quelle proteine destinate a svolgere la loro funzione sulla membrana cellulare o al di fuori della cellula. Queste proteine vengono sintetizzate nel reticolo endoplasmatico e legate alla porzione glicidica nell apparato di Golgi man mano che procedono verso la membrana cellulare. Nella maggior parte dei casi le molecole dei carboidrati sono unite covalentemente alla porzione proteica attraverso legami con amminoacidi quali serina e treonina (legami glicosidici) o asparagina (legami Nglicosidici); in casi particolari, come nel collageno, sono invece legati a residui di idrossilisina presenti nella catena polipeptidica. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

14 APITL 1 Test di autovalutazione Nota: In rosso sono contrassegnati i quesiti tratti dalle prove di ammissione ministeriali ai corsi di laurea delle facoltà mediche. 1. Quale dei seguenti monosaccaridi non è un aldoso? a) fruttosio b) glucosio c) galattosio d) mannosio e) ribosio 2. Quale dei seguenti zuccheri non è un monosaccaride? a) glucosio b) gliceraldeide c) lattosio d) galattosio e) fruttosio 3. Quanti sono i centri chirali presenti nella molecola di Dglucosio in forma piranosica? a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 6 4. Quale delle seguenti molecole è il prodotto di ossidazione del glucosio sull atomo di carbonio 6? a) acido ialuronico b) acido gluconico c) Nacetilglucosammina d) acido ascorbico e) acido glucuronico 5. Una delle seguenti caratteristiche non è propria di una molecola di monosaccaride. a) presenza di centri di asimmetria b) è in genere costituito da tre a sei atomi di carbonio c) presenza di un legame glicosidico d) presenza di un gruppo aldeidico o chetonico e) può esistere in forma ciclica 6. Quale delle seguenti non è una caratteristica del legame glicosidico? a) si genera tra le funzioni alcoliche di due molecole di monosaccaride con eliminazione di una molecola d acqua b) nell uomo è sempre idrolizzabile attraverso reazioni enzimatiche c) è presente nelle molecole dei disaccaridi d) è un legame covalente e) è presente nelle molecole dei polisaccaridi 7. Il saccarosio è un disaccaride costituito da: a) una molecola di glucosio e una di fruttosio b) una molecola di fruttosio e una di galattosio c) due molecole di fruttosio d) una molecola di glucosio e una di galattosio e) due molecole di glucosio 8. I carboidrati sono immagazzinati a scopo energetico sotto forma di: a) omopolisaccaridi nella maggior parte degli esseri viventi b) glicoproteine c) proteoglicani d) lattosio nella ghiandola mammaria e) cellulosa nelle piante 9. Il glicogeno si distingue dall amido: a) per la presenza di legami non idrolizzabili b) per la maggior presenza di ramificazioni c) per la maggior diffusione nei sistemi vegetali d) per il maggior contenuto di glucosio relativamente ad altri monosaccaridi e) per la presenza di piccole catene polipeptidiche coniugate 10. Quale delle seguenti molecole non rappresenta un importante eteropolisaccaride? a) eparina b) acido ialuronico c) condroitinsolfato d) dermatansolfato e) chitina 11. Una sola delle seguenti affermazioni sulla cellulosa è falsa. a) è un polisaccaride lineare costituito da decine di migliaia di residui di glucosio b) presenta all interno della sua molecola legami glicosidici che non sono idrolizzabili dagli enzimi digestivi dell uomo c) ha organizzazione strutturale e funzione simili a quelle della chitina d) è la macromolecola biologica più diffusa in natura e) è una fonte di energia facilmente disponibile per piante e animali 12. I carboidrati sono poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni, con formula empirica ( 2 ) n. Sono classificati come monosaccaridi (una sola unità di aldeide o chetone), oligosaccaridi (poche unità di monosaccaridi: di tri, tetra, penta, e così via) e polisaccaridi (enormi molecole lineari o ramificate che contengono fino a decine di migliaia di unità di monosaccaridi). I carboidrati ad eccezione del diidrossiacetone possiedono almeno un atomo di carbonio asimmetrico e, quindi, presentano il fenomeno dell isomeria ottica. Quale delle seguenti affermazioni non può essere desunta dalla lettura del brano? a) tutti i carboidrati contengono gruppi ossidrilici b) le molecole dei polisaccaridi possono contenere ramificazioni c) i monosaccaridi presentano un solo atomo di carbonio asimmetrico d) tutti i carboidrati, ad eccezione del diidrossiacetone, danno luogo a forme stereoisomere e) tutti i carboidrati contengono gruppi aldeidici o chetonici 13. Descrivi le funzioni svolte dai carboidrati nel mondo vivente. 14. Indica quali sono le classi principali di derivati dei monosaccaridi e descrivi le loro funzioni. 15. Discuti le differenze strutturali e funzionali tra proteoglicani e glicoproteine. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012

I ARBIDRATI 15 Risposte e brevi commenti 1. a) Il fruttosio è l unico chetoso tra i monosaccaridi elencati. Il glucosio è l aldoesoso più importante in natura. Mannosio e galattosio sono epimeri del glucosio rispettivamente in posizione 2 e 4. Il ribosio è un aldoso a cinque atomi di carbonio particolarmente importante per la sua presenza nell acido ribonucleico. 2. c) Il lattosio è un disaccaride formato da una molecola di galattosio e una di glucosio. È lo zucchero più importante del latte. Gli altri quattro sono monosaccaridi. 3. d) Nella molecola di Dglucosio sono presenti 5 centri chirali. Un atomo di carbonio rappresenta un centro chirale e viene definito «asimmetrico» quando forma quattro legami semplici con sostituenti diversi tra loro. In base a questo fatto la molecola di glucosio nella sua forma lineare presenta quattro centri chirali (25); la forma ciclica (piranosica) dello stesso glucosio presenta un centro chirale in più (il 1) dovuto alla perdita del doppio legame carbonilico nella formazione del semiacetale. 4. e) L ossidazione dell atomo di carbonio 6 della molecola di glucosio porta alla formazione dell acido glucuronico, un importante componente di alcuni polisaccaridi. Lo stesso acido glucuronico viene utilizzato dalle cellule del fegato attraverso reazioni di coniugazione per facilitare l eliminazione di molecole potenzialmente dannose. L acido ialuronico è un glicosamminoglicano. L acido gluconico è il prodotto di ossidazione del glucosio sull atomo di carbonio 1. L Nacetilglucosammina è un amminozucchero, mentre l acido ascorbico è la vitamina, un derivato del glucosio dotato di potere antiossidante. 5. c) La molecola di un monosaccaride non contiene legami glicosidici. Questo tipo di legame unisce infatti due molecole di monosaccaride per formare un disaccaride. Nelle molecole di monosaccaride sono in genere presenti uno o più centri di asimmetria (con l eccezione del diidrossiacetone che non ne contiene) e un gruppo aldeidico o chetonico. Le stesse possono presentarsi in forma ciclica (semiacetalica) e nella maggior parte dei casi sono costituite da tre a sei atomi di carbonio. 6. b) Il legame glicosidico è un legame covalente che si genera tra le funzioni alcoliche di due molecole di carboidrati con l eliminazione di una molecola d acqua. È presente nelle molecole dei disaccaridi e, a maggior ragione, in quelle dei polisaccaridi. Non sempre un legame glicosidico può essere idrolizzato all interno dell organismo umano attraverso reazioni enzimatiche. Per esempio, i legami glicosidici presenti nella cellulosa non possono essere idrolizzati dai nostri enzimi digestivi (per questo non siamo in grado di digerire la cellulosa). 7. a) Il saccarosio, o zucchero di canna, è costituito da una molecola di glucosio e una di fruttosio legate con legame glicosidico 1n2. Due molecole di glucosio formano il maltosio, uno dei prodotti della digestione dell amido. Una molecola di glucosio e una di galattosio formano il lattosio, lo zucchero del latte. Non sono noti di saccaridi naturali formati da due molecole di galattosio o da una di galattosio e una di fruttosio. 8. a) I carboidrati sono accumulati a scopo di riserva energetica sotto forma di omopolisaccaridi (amido nelle piante e glicogeno negli animali). Le glicoproteine e i proteoglicani non hanno la funzione di riserva energetica. Le prime possono svolgere una molteplicità di funzioni, i secondi sono costituenti della matrice extracellulare. Il lattosio è lo zucchero del latte e viene prodotto nella sola ghiandola mammaria durante l allattamento. La cellulosa ha invece funzione strutturale nelle piante. 9. b) Il glicogeno e l amido sono due polimeri costituiti esclusivamente da Dglucosio. In entrambi questi polisaccaridi le singole unità monosaccaridiche sono unite tra loro con legami 1,4 o 1,6glicosidici. Il glicogeno, diffuso nel mondo animale, presenta un numero di ramificazioni sensibilmente superiore rispetto all amido. In nessuna delle due molecole sono presenti catene polipeptidiche coniugate. 10. e) Tra i polisaccaridi elencati, la chitina è l unico a essere costituito da un solo tipo di molecola, l Nacetilglucosammina. La chitina è perciò un importante omopolisaccaride che costituisce l esoscheletro di insetti e altri invertebrati, svolgendo un ruolo simile a quello della cellulosa nelle piante. Acido ialuronico, condroitinsolfato e dermatansolfato sono eteropolisaccaridi che entrano nella costituzione dei proteoglicani, molecole che compongono la matrice extracellulare. L eparina è un eteropolisaccaride prodotto dai mastociti con funzione anticoagulante; pertanto è utilizzata anche come farmaco. 11. e) La cellulosa è un omopolisaccaride del glucosio con funzione strutturale. Essa contiene legami glicosidici non idrolizzabili dagli enzimi digestivi dell uomo (è indigeribile). Per molti aspetti, strutturali e funzionali, è simile alla chitina degli invertebrati. Non ha, in alcun caso, una funzione di riserva energetica. È in effetti la macromolecola biologica più abbondante in natura. 12. c) Il quesito è tratto da una prova ministeriale per l ammissione alle lauree della facoltà di medicina e chirurgia. Quesiti analoghi saranno presentati nei capitoli successivi. Tale tipologia di quesito non presuppone, in realtà, la conoscenza dell argomento trattato. Un attenta lettura del brano conduce, attraverso un ragionamento logico, alla risposta corretta. La frase tratta dal brano «I carboidrati ad eccezione del diidrossiacetone possiedono almeno un atomo di carbonio asimmetrico» indica che la risposta c), «i monosaccaridi presentano un solo atomo di carbonio asimmetrico», è quella esatta. I carboidrati contengono infatti «almeno» un atomo di carbonio asimmetrico e non uno soltanto. Tutte le altre risposte sono, in effetti, facilmente desumibili dalla lettura del testo. Stefani, Taddei PERRSI DI BIIMIA Zanichelli 2012