Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 Copertina 1

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 CAPITOLO 26 Indice 1. Le biomolecoleLe biomolecole 2. Le sostanze otticamente attiveLe sostanze otticamente attive 3. Isomeria otticaIsomeria ottica 4. CarboidratiCarboidrati 5. MonosaccaridiMonosaccaridi 6. DisaccaridiDisaccaridi 7. PolisaccaridiPolisaccaridi 8. AmminoacidiAmminoacidi 9. Le proteineLe proteine 10. Acidi nucleici e nucleotidiAcidi nucleici e nucleotidi 11. La struttura del DNALa struttura del DNA 12. Il codice geneticoIl codice genetico 13. La sintesi proteicaLa sintesi proteica 14. Gli enzimiGli enzimi 15. Le vitamineLe vitamine 16. I lipidiI lipidi 17. Glicerofosfolipidi (o fosfolipidi)Glicerofosfolipidi (o fosfolipidi) 18. Gli steroidiGli steroidi 2

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 Le biomolecole comprendono tutti quei composti che rendono possibile la funzionalità della cellula, cioè partecipano alle reazioni chimiche che interessano i processi vitali (metabolismo). CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE PAG Le biomolecole Le biomolecole possono essere distinte in: 3 - carboidrati - proteine - acidi nucleici - enzimi - vitamine - lipidi

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 I composti che hanno la capacità di ruotare il piano della luce polarizzata sono detti otticamente attivi, cioè presentano attività ottica. PAG Le sostanze otticamente attive Il glucosio, un composto otticamente attivo, ruota la luce polarizzata in senso orario: è detto destrogiro e si indica con (+). Il fruttosio, composto otticamente attivo che ruota la luce polarizzata in senso antiorario, è detto levogiro e si indica con (  ). 4 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 L’acido lattico presenta due strutture che ruotano la luce polarizzata in due versi opposti, cioè una è destrogira e l’altra è levogira. PAG Isomeria ottica Le due forme in cui si può trovare il composto sono dette isomeri ottici. L’isomeria ottica si presenta in quei composti che hanno un carbonio asimmetrico, detto chirale. 5 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE acido (+) lattico acido (−) lattico

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Isomeria ottica Un carbonio è detto chirale se legato a quattro gruppi atomici diversi per cui la molecola si presenta asimmetrica. Una molecola con un atomo di carbonio chirale dinanzi ad uno specchio dà una immagine che si presenta speculare e non sovrapponibile. Due molecole che si presentano speculari e non sovrapponibili rappresentano una coppia di enantiomeri. Le mani sono esempi di oggetti chirali: dinanzi allo specchio l’immagine speculare di una mano destra corrisponde alla mano sinistra. 6 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Carboidrati I carboidrati sono quei composti, detti comunemente zuccheri, che contengono un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico e, inoltre, più di un gruppo funzionale ossidrilico (  OH). I carboidrati si dividono in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. 7 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE CARBOIDRATI o zuccheri MONOSACCARIDI DISACCARIDI POLISACCARIDI

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Monosaccaridi Due monosaccaridi a sei atomi di carbonio sono il glucosio e il fruttosio. Le formule di proiezione di Fischer sono: I monosaccaridi vengono classificati secondo il numero di atomi di carbonio in triosi (3C), tetrosi (4C), pentosi (5C), esosi (6C). Il glucosio è un aldoesoso perché contiene il gruppo aldeidico; il fruttosio è un chetoesoso perché contiene il gruppo chetonico. 8 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Monosaccaridi Le molecole dei monosaccaridi contengono atomi di carbonio chirale e, quindi, possono esistere in forme enantiomere. La gliceraldeide, per la presenza di un atomo di carbonio chirale, presenta due enantiomeri che vengono indicati con D ed L. La configurazione dei monosaccaridi si ricava per confronto con la gliceraldeide. I monosaccaridi presenti in natura appartengono alla serie D. 9 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE D-gliceraldeideL-gliceraldeide

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Monosaccaridi In soluzione acquosa, la struttura aperta dei monosaccaridi si trova in equilibrio con strutture ad anello, dette formule di Haworth. Per il fatto che nella struttura chiusa il carbonio-1 è chirale, sono possibili due isomeri detti anomeri che vengono indicati con  e . 10 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 I disaccaridi si possono considerare derivati dalla combinazione di due monosaccaridi con eliminazione di una molecola di acqua. PAG Disaccaridi Un atomo di ossigeno tiene uniti i due monosaccaridi (legame glicosidico). Oltre al saccarosio, sono disaccaridi il lattosio e il maltosio. 11 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 I polisaccaridi sono polimeri che hanno il glucosio come unico tipo di monomero. PAG Polisaccaridi L’amido è costituito da amilosio (20-30%) e da amilopectina (70-80%). I più importanti sono: l’amido, la cellulosa ed il glicogeno. 12 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Polisaccaridi La cellulosa è una sequenza di molecole di  -D-glucosio unite con legami glicosidici 1-4. Gli enzimi del nostro organismo non riescono a spezzare il legame tra le molecole di  -D- glucosio. Solo gli animali erbivori, mediante l’enzima cellulasi, possono rompere il legame e digerire la cellulosa. 13 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Polisaccaridi Il glicogeno, un polisaccaride con lunghe catene ramificate di glucosio, è contenuto essenzialmente nel fegato e nei muscoli degli animali. 14 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Amminoacidi Gli amminoacidi sono composti caratterizzati dalla presenza del gruppo carbossilico – COOH e del gruppo amminico – NH 2 sul carbonio . Al carbonio  sono inoltre legati un H e un gruppo R. Tranne la glicina, dove R = H, gli altri amminoacidi possiedono l’atomo di carbonio  chirale, in quanto legato a 4 gruppi diversi, per cui presentano due enantiomeri. 15 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Amminoacidi 16 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE Gli amminoacidi naturali appartengono alla serie L, mentre gli amminoacidi di sintesi appartengono alla serie D.

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Amminoacidi Un qualsiasi amminoacido allo stato puro si presenta come un solido bianco cristallino con temperatura di fusione molto elevata. Per spiegare questo comportamento si ammette che gli amminoacidi esistano prevalentemente come ioni dipolari. È chiamato punto isoelettrico di un amminoacido il valore di pH a cui la sua carica elettrica netta è uguale a zero, cioè quando l’amminoacido si presenta nella forma dipolare. 17 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Le proteine Le proteine sono macromolecole che derivano dalla combinazione chimica di amminoacidi. Gli amminoacidi in una proteina sono uniti da un legame peptidico che è così rappresentato: Le proteine presentano struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. La struttura primaria è data dalla sequenza di amminoacidi di una proteina. 18 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Le proteine La struttura secondaria interessa la configurazione tridimensionale di una proteina che può essere: 19 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE - struttura ad  elica in cui una catena di amminoacidi si avvolge a spirale attorno ad un asse;

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Le proteine 20 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE Queste strutture sono dovute a legami a idrogeno. - struttura  a foglio ripiegato.

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Le proteine La struttura terziaria si forma con il ripiegamento su se stessa della struttura secondaria di una proteina, in seguito ad interazioni elettrostatiche. Alcune proteine presentano una struttura quaternaria in cui due o più sub-unità si associano tra loro mediante deboli legami elettrostatici. L’emoglobina, ad esempio, è formata da quattro segmenti polipeptidici quasi sferici, ciascuno contenente uno ione ferro (II). Le proteine possono essere classificate, se si tiene conto del gruppo prostetico presente, in: - nucleoproteine; - lipoproteine; - glicoproteine. 21 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Acidi nucleici e nucleotidi Gli acidi nucleici sono macromolecole costituite da strutture di base chiamate nucleotidi. Ciascun nucleotide contiene: - uno zucchero (un pentoso) - una base azotata - un gruppo fosfato. Gli acidi nucleici prendono il nome dallo zucchero che contengono: DNA (acido deossiribonucleico) ed RNA (acido ribonucleico). 22 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE adenina (A)guanina (G)citosina (C) Le basi presenti sia nel DNA che nell’RNA sono:

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Acidi nucleici e nucleotidi Oltre a queste, nel DNA è presente la timina, mentre nell’RNA l’uracile. Struttura generale di 2-deossiribonucleotide di DNA Struttura generale di ribonucleotide di RNA 23 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG La struttura del DNA Il DNA ha una struttura con due filamenti che si avvolgono uno sull’altro a doppia elica. I due filamenti sono legati tra loro mediante legami a idrogeno che coinvolgono l’Adenina (A) con la Timina (T) e la Citosina (C) con la Guanina (G). 24 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG La struttura del DNA Perché una cellula madre possa generare due cellule figlie è necessaria la replicazione o duplicazione del DNA. 25 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Il codice genetico Le basi nucleotidiche sono 4 per cui, se si fa l’ipotesi che una tripletta di basi corrisponda ad un amminoacido, sono possibili 4 3 = 64 triplette. Poiché gli amminoacidi sono 20, più triplette contribuiscono a formare un amminoacido. Tre triplette (UAA, UAG, UGA) svolgono la funzione di identificare la fine della sintesi proteica, mentre AUG codifica per la metionina o per l’inizio della sintesi. Il codice genetico è valido per tutti gli organismi viventi: batteri, piante e animali. 26 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG La sintesi proteica Nella sintesi proteica il primo passaggio è la trascrizione del DNA nell’RNA messaggero, mRNA, che si verifica nel nucleo della cellula. L’informazione contenuta nell’mRNA è utilizzata per dirigere la sintesi delle proteine che avviene nei ribosomi. Sul ribosoma avviene il processo di traduzione, cioè dinanzi ad una tripletta di mRNA si colloca un RNA di trasferimento, tRNA, specifico per ciascun amminoacido, che contiene la tripletta complementare. Una volta che si è verificato l’accoppiamento mediante legami a idrogeno, il tRNA rilascia l’amminoacido che va ad allungare la catena proteica. 27 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Gli enzimi Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano determinate reazioni metaboliche a livello cellulare. CLASSIFICAZIONE DEGLI ENZIMI 28 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Gli enzimi La caratteristica fondamentale degli enzimi è la specificità per il substrato che è la sostanza che deve essere trasformata dall’enzima. Un enzima, nella maggior parte dei casi, reagisce con un solo substrato. 29 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE L’enzima latticodeidrogenasi del muscolo è specifico per l’acido L-lattico.

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Le vitamine Le vitamine sono sostanze organiche necessarie all’uomo sia per l’accrescimento dell’organismo sia per il suo mantenimento. Le vitamine si dividono in due gruppi: idrosolubili e liposolubili. 30 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG I lipidi I lipidi (o grassi) sono biomolecole che si presentano insolubili in acqua mentre sono solubili in solventi organici. I componenti dei lipidi sono il glicerolo e gli acidi grassi. L’acido palmitico (16 atomi di C) e l’acido stearico (18 atomi di C) sono acidi grassi saturi. Gli acidi grassi insaturi a 18 atomi di carbonio sono: l’oleico (un doppio legame), il linoleico (due doppi legami) e il linolenico (tre doppi legami). L’olio di mais e il pesce azzurro sono ricchi di acido linolenico (omega-3). 31 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Glicerofosfolipidi (o fosfolipidi) I glicerofosfolipidi sono una classe di lipidi in cui due gruppi OH del glicerolo sono esterificati con acidi grassi, mentre il terzo è esterificato con un gruppo fosfato che, a sua volta, è legato ad una base azotata che può essere la colina o l’etanolammina. 32 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE

Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2012 PAG Gli steroidi Gli steroidi sono una classe di composti di origine vegetale o animale molto diffusi in natura che svolgono importanti funzioni biologiche. Sono costituiti da quattro anelli condensati. Gli steroidi vengono distinti in: - Colesterolo - Ormoni sessuali - Corticosteroidi - Acidi biliari. 33 CAPITOLO 26. LE BIOMOLECOLE