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Polisaccaridi
Proteine
Le macromolecole
biologiche
Acidi nucleici
Lipidi
2
CARBOIDRATI
MONOSACCARIDI
POLISACCARDI
3
La sintesi biologica dei carboidrati avviene
attraverso il processo di fotosintesi
Energia luminosa
6CO2+6H2O
C6H12O6+6O2
Energia chimica
4
Struttura dei monosaccaridi
O
R
H
1
H
2
H
3
C
C
O
OH
C
OH
C
R2
Aldeide
Chetone
Aldosi
Chetosi
Funzione carbonilica ad
una estremità della catena
Funzione carbonilica non
alle estremità della catena
H
O
C
R1
H
H
Gliceraldeide, ,
l’aldosio
l’
aldosio più
semplice
1
Catena lineare di
atomi di carbonio
H
2
HO
3
H
4
H
5
H
6
C
O
H
H
1
C
H
OH
C
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
Diidrossiacetone ,
il chetosio più
semplice
H
Glucosio
2
H
3
C
C
O
OH
C
OH
2
C
O
HO
3
C
H
H
4
C
OH
H
5
C
OH
H
6
C
OH
H
OH
C
1
Catena lineare di
atomi di carbonio
H
Fruttosio
5
Nomenclatura dei monosaccarridi e
numero dei loro possibili isomeri
aldosi
chetosi
N° di atomi di
C nello
scheletro
Nome
N° di isomeri
N° di isomeri
ottici
3
3
aldotriosi
aldotriosi
1
1
22
4
4
aldotetrosi
aldotetrosi
2
2
44
5
5
aldopentosi
aldopentosi
4
4
88
6
6
aldoesosi
aldoesosi
8
8
16
16
3
3
chetotriosi
chetotriosi
1
1
11
4
4
chetotetrosi
chetotetrosi
1
1
22
5
5
chetopentosi
chetopentosi
2
2
44
6
6
chetoesosi
chetoesosi
4
4
88
6
Tutti i monosaccaridi tranne il diidrossiacetone contengono
uno o più atomi di carbonio asimmetrici, cioè atomi di
carbonio con quattro sostituenti diversi.
Un composto che contiene un atomo di carbonio
asimmetrico può essere presente sotto forma di due
stereoisomeri, detti isomeri ottici o enantiomeri.
7
Gli stereoisomeri sono composti che pur avendo la stessa
formula di struttura, ovvero la stessa sequenza di legami,
differiscono per la diversa disposizione dei vari atomi o
raggruppamenti di atomi nello spazio.
Si definiscono enantiomeri le particolari coppie di
stereoisomeri, correlati dalla caratteristica di essere l’uno
l’immagine speculare dell’altro, con la peculiarità che le due
immagini non sono sovrapponibili tra loro.
8
Le molecole che hanno la caratteristica di possedere immagini
speculari non sovrapponibili sono dette molecole chirali
Molecola
Molecola con
con quattro
quattro sostituenti
sostituenti diversi:
diversi:
la
molecola
è
chirale
la molecola è chirale
Immagine speculare della
molecola originale
A
Specchio
La molecola ruotata non si
sovrappone all’immagine speculare
della molecola originale
A
B
C
D
B
A
D
C
D
Molecola
Molecola con
con tre
tre sostituenti
sostituenti diversi:
diversi:
la
molecola
non
è
chirale
la molecola non è chirale
Immagine speculare della
molecola originale
C
B
Molecola
originale
Molecola originale
ruotata
A
Specchio
La molecola ruotata si sovrappone
all’immagine speculare della
molecola originale
A
B
C
B
B
A
B
C
B
C
B
Molecola
originale
Molecola originale
ruotata
9
Due enantiomeri differiscono tra loro per una specifica
proprietà fisica: la capacità di ruotare il piano della luce
polarizzata. Essa prende il nome di attività ottica.
Quando la soluzione di uno degli enantiomeri ruota il piano
della luce polarizzata verso destra, la soluzione dell’altro
ruota tale piano verso sinistra.
Polarizzatore
0
+ º -
a
Campione
Sorgente
Analizzatore
10
La gliceraldeide contiene un solo centro chirale, costituito
dall’atomo di carbonio centrale, essa possiede due diversi
enantiomeri, che per convenzione vengono indicati l’uno
con la lettera D, l’altro con la lettera L.
11
Gli stereoisomeri della gliceraldeide
D- gliceraldeide
L- gliceraldeide
Specchio
CHO
CHO
H
OH
CH 2 OH
HO
H
CH 2 OH
CH O
H
H
C
OH
C HO
HO
C
H
CH 2O H
C H2 OH
CH O
C HO
C
OH
CH 2O H
Modelli
Modelli aa sfere
palle ee
bastoncini
bastoncini
HO
C
H
Formule
Formule in
in prospettiva
prospettiva
Formule
Formule di
di proiezione
proiezione
di
Fischer
di Fischer
C H 2 OH
12
Sempre per convenzione, gli stereoisomeri degli altri
monosaccardi, indipendentemente dalla lunghezza della
catena di atomi di carbonio e dalla loro configurazione,
vengono divisi in due gruppi in base alla configurazione
intorno all’atomo di carbonio chirale più distante dal
gruppo carbonilico.
I composti appartenenti al gruppo che ha una
configurazione, a livello del centro chirale, identica a
quella della D-gliceraldeide sono detti isomeri D.
Quelli del gruppo con configurazione identica alla Lgliceraldeide, sono denominati isomeri L.
13
I monosaccaridi con una catena di cinque o più atomi di
carbonio assumono in soluzione una forma ciclica ad anello.
6
5
H
4
C
1
6
CHO
2
H C OH
3
HO C H
5
H
4
4
C
5
HO
H C OH
H C OH
C
OH
H
C
C
2
1
H
C
C
2
H
H
O
H
OH
3
H
OH
1
H
C
OH
OH
α -D-glucopiranosio
C O
6
3
6
CH2OH
C
HO
CH2OH
CH2OH
H
OH
CH2OH
5
H
4
D-glucosio
C
HO
C
H
OH
3C
H
O
1
H
OH
C
H
C
2
OH
β -D-glucopiranosio
La chiusura della catena lineare in un ciclo avviene per
formazione di un legame covalente intramolecolare tra il
carbonio del gruppo carbonilico e l’atomo di ossigeno di un
gruppo ossidrilico lungo la catena.
14
Le ragioni chimiche di questa reazione sono legate al fatto
che aldeidi e i chetoni reagiscono con gli alcoli per dare
come prodotti, chiamati rispettivamente, emiacetali ed
emichetali.
OH
O
R1
C
+ HO
H
Aldeide
R2
Alcool
R1
C O R2
H
Emiacetale
O R2
R 2OH
R1
C
OR2
H
Acetale
Emiacetali ed emichetali possono reagire con una seconda
molecola di alcol producendo, rispettivamente, acetali e
chetali.
15
Nel caso del glucosio, la reazione tra il gruppo ossidrilico
sul C-5 con il carbonio aldeidico C- 1 conduce alla
formazione di un anello a sei atomi caratterizzato da un
legame emiacetalico intramolecolare.
Tale forma è definita piranosica, dal momento che
ricorda la struttura ciclica a sei atomi caratteristica del
pirano.
H
C
H C
O
C H
H
C
C
H
H
Pirano
16
La chiusura del ciclo comporta la formazione di due diversi
stereoisomeri, che differiscono tra loro unicamente per la
configurazione intorno all’atomo di carbonio emiacetalico C-1.
6
5
H
4
C
6
CH2OH
CH2OH
C
3
C
H
C
O
H
OH
HO
5
1
H
2
H
C
OH
C
OH
α -D-glucopiranosio
α
H
4
C
H
OH
HO
3
C
H
O
1
H
OH
C
H
β
C
2
OH
β-D-glucopiranosio
Tale atomo è chiamato carbonio anomerico, mentre i due
stereoisomeri sono chiamati anomeri e vengono indicati
con le lettere α e β.
I due anomeri del D-glucosio sono chiamati:
α-D-glucopiranosio e β-D-glucopiranosio.
17
Le forme cicliche del D-glucosio subiscono in soluzione
un processo di interconversione che comporta l’apertura
e la successiva richiusura dell’anello piranosico, detto
mutarotazione.
6
5
C
H
4
C
6
5
H
4
C
HO
C
H
OH
HO
CH2OH
C
3
OH
H
OH
H
C
C
2
1
CH2OH
H
H
O
1
H
H
C
OH
C
2
OH
α -D-glucopiranosi
glucopiranosioo
C O
6
3
H
OH
CH2OH
5
C
H
4
C
HO
H
OH
3C
H
O
1
H
OH
C
H
C
2
OH
β -D-glucopiranosio
18
Nel caso di un chetoesoso come il D-fruttosio, le due forme
anomeriche α e β si formano per reazione tra il gruppo
ossidrilico sul C-5 e il gruppo chetonico sul C-2.
6
HOCH2
1
O
CH2OH
5
2
H H
4
OH
HO OH
3
H
α-D-fruttofuranosio
1
OH
6
H O H2C
C
5
H
H
OH
OH
C3
OH
2
H H
O
HO CH OH
2
1
4
3
OH
H
H
β-D-fruttofuranosio
D-fr uttosi o
Esse sono costituite da un anello
emichetalico a cinque atomi che
ricorda il furano, e viene pertanto
denominato forma furanosica.
O
5
C
2
C
4
6
HOCH2
C H2O H
O
H
H
H
H
Furano
19
Per rappresentare le forme ad anello dei monosaccaridi sono
spesso usate formule di prospettiva dette proiezioni di Haworth.
6
6
CH2OH
CH2OH
5
H
OH
4
5
O
H
H
1
4
H
HO
OH
3
H
OH
OH
1
H
HO
2
H
O
H
H
3
OH
2
H
α -D-gluco pirano sio
OH
β -D-gluco piranosio
L’anello piranosico, tuttavia, non è esattamente planare, ma
assume le due conformazioni a barca e a sedia.
H
H
4
6
HO
4
CH2OH
5
H
HO
5
H
H
HO
2
OH
H
OH
CH2OH
O
H
3
6
HO
1
O
H
H
3
H
2
OH
1
OH
20
Gli zuccheri degli acidi nucleici
5
CH2OH
4
H
OH
O
1
H
H
H
5
CH2OH
4
H
H
H
1
H
3
2
3
OH
OH
OH
Ribosio
OH
O
2
H
2-Deossi-ribosio
21
Alcuni derivati del D-glucosio
1
6
CH2OH
CHO
2
5
H C OH
H
3
HO C H
O
OH
H
4
4
1
OH
H C OH
H
HO
5
H C OH
H
3
6
H
CH2OH
2
OH
β -D-glucosio
D-glucosio
6
CH2OH
6
6
CH2OH
5
H
O
5
OH
H
4
1
OH
H
HO
H
H
2
NH2
H
O
H
4
OH
H
3
5
COOH
OH
4
1
HO
H
1
OH
H
H
3
H
3
OH
H
H
HO
O
H
2
NH
2
OH
C O
CH3
β -D-glucosammina
Acido β -D-glucuronico
N-acetil
acetil--β -D-glucosammina
22
Alcuni derivati del D-galattosio
2
3
HO C H
4
HO C H
5
H C OH
CH2OH
CH2OH
CHO
H C OH
6
6
1
5
HO
4
H
OH
O
H
H
D-galattosio
1
2
H
OH
β -D-galattosio
HO
4
O
H
OH
H
3
6
CH2OH
5
OH
OH
1
H
H
H
3
H
2
NH2
β -D-galattosammina
23
Disaccaridi comuni
6
6
5
H
5
O
1 α
4
H
3
O
5
H
H
1 α
4
OH
H
OH
3
2
H
OH
6
CH2O H
CH 2O H
O
HO
H
H
H
H
OH
6
CH2O H
CH 2O H
H
5
O
H
H
1 α
4
OH
H
HO
2
OH
H
1 β
4
OH
H
H
H
3
OH
O
O
H
α -Maltosio
3
2
2
H
OH
OH
β -Cellobiosio
6
6
CH2O H
6
CH2O H
CH2OH
5
5
HO
5
O
H
H
1 β
4
OH
H
H
O
O
OH
H
4
OH
H
H
3
H
H
3
2
OH
β -Lattosio
1 β
H
2
OH
H
1
O
H
H
1 α
4
OH
H
HO
3
H
HO CH2
β
O
6
O
CH2OH
5
2
H
HO H
2
OH
3
OH
4
H
Saccarosio
24
Amilopectina
C H2 OH
O
O
HO
HO
C H2 OH
O
O
HO
HO
CH2 O H
O
O
CH2 OH
O
O
HO
HO
HO
O
C H2 OH
O
O
C H2O H
O
HO
HO
HO
O
HO
HO
O
C H2 OH
O
O
CH2O H
O
HO
HO
HO
HO
C H2
O
C H2 O H
O
O
O
HO
HO
HO
CH2 OH
O
O
HO
HO
Amilosio
HO
25
CH2OH
CH2OH
O
O
HO
OH
CH2OH
O
O
HO
O
O
HO
OH
OH
Cellulosa
26
Struttura tridimensionale della cellulosa
27
AMMINOACIDI E
PROTEINE
28
Proteine
Proteine strutturali
glicoproteine, collagene, elastina, cheratina
Proteine catalitiche (enzimi)
Proteine di trasporto
emoglobina, siero albumina
Proteine di regolazione (ormoni)
Proteine di protezione (anticorpi, trombina)
29
Dal punto di vista chimico, le proteine sono poliammidi
composte da unità monomeriche rappresentate da circa 20
diversi α-amminoacidi.
H
α
+
H3N
C
CO O-
R
Nelle proteine, gli amminoacidi sono legati tra di loro da
legami ammidici, chiamati legami peptidici.
Legame peptidico
R1
H3N
CH
C
OH
+
H
H
R2
N
CH
O
AA1
R1
CO O
-
H 3N
CH
C
H
R2
N
CH
COO
-
+
H 2O
O
AA2
Dipeptide AA1- AA2
30
In tutti gli amminoacidi l’atomo di carbonio α è un
centro chirale, dato che possiede quattro sostituenti
diversi: essi sono dunque otticamente attivi e presenti in
due enantiomeri denominati L e D.
Fa eccezione la glicina, nella quale l’atomo di carbonio α
possiede tre sostituenti diversi:
COO -
COO -
+
H3N
α
CH3
L-Alanina
H
+
H
NH3
α
CH 3
D-Alanina
31
Le forme L e D hanno la stessa configurazione assoluta
al carbonio asimmetrico rispettivamente della L- e DGliceraldeide.
Solo la forma L- partecipa alla costruzione delle
proteine.
32
Gli amminoacidi sono composti bifunzionali, dal
momento che contengono sia la funzione amminica che
quella carbossilica e possono pertanto esistere come ioni
dipolari.
H3N
+
CH
R
R
R
COOH
+
H3N
CH
COO
H2N
CH
COO
La concentrazione dello ione dipolare risulta massima in
corrispondenza di un particolare valore di pH, detto punto
isoelettrico, che è caratteristico di ciascun amminoacido.
33
Amminoacidi non polari
34
Amminoacidi polari non carichi
35
Amminoacidi polari carichi
36
Sequenze di un numero relativamente piccolo di
amminoacidi sono chiamate oligopeptidi.
Sequenze più lunghe, fino ad un peso molecolare di circa
5000 Da, sono dette invece polipeptidi o più
semplicemente peptidi.
Le unità monomeriche di un peptide sono in genere
chiamate residui amminoacidici.
I due residui alle estremità della catena hanno l’uno un
gruppo amminico libero, l’altro un gruppo carbossilico
libero; sono chiamati rispettivamente residui amminoterminale (N-terminale) e carbossi-terminale (Cterminale).
37
Livelli di struttura delle proteine
La sequenza degli amminoacidi che danno origine alla
catena proteica rappresenta la struttura primaria della
proteina; è la struttura primaria che determina il modo e la
forma secondo i quali la catena amminoacidica si organizza,
sia localmente che globalmente, nello spazio, contribuendo
ad assegnare ad ogni proteina la particolare struttura
tridimensionale necessaria a svolgere le specifiche funzioni
biologiche.
La struttura secondaria è costituita dal modo in cui la
proteina si organizza localmente, ad esempio, in tratti di
α-elica o in segmenti estesi detti foglietti β.
38
Livelli di struttura delle proteine
L’avvolgimento globale assunto dalla catena proteica in
virtù delle interazioni che si stabiliscono tra i gruppi
presenti in catena laterale degli amminoacidi, si
chiama struttura terziaria.
In alcuni casi, più catene primarie diverse, ciascuna
dotata della sua particolare struttura secondaria e
terziaria, si aggregano per formare complessi
funzionali più grandi, nei quali si individua dunque una
struttura quaternaria.
39
Struttura primaria
Lys
Lys
Gly
Gly
Leu
Val
Ala
His
Struttura Secondaria
Struttura terziaria
Struttura quaternaria
40
Strutture secondarie nelle proteine
α-elica
β-sheet
41
Struttura quaternaria dell’emoglobina
β
β
α
α
Gruppo
eme
42
ACIDI NUCLEICI
2
Acidi nucleici
Acido desossiribonucleico (DNA)
Conserva le informazioni ereditarie.
Acido ribonucleico (RNA)
Svolge ruoli fondamentali nei
complessi processi di espressione
dell’informazione genetica che
portano alla sintesi proteica.
3
Struttura delle unità monomeriche
degli acidi nucleici: i nucleotidi
Gruppo
fosfato
O
OH
P
OH
5'
O
Ba se e teroc ic lica
CH2 O
4'
H
H
3'
OH
1'
H
H
2'
OH/H
Zucchero
4
Gli zuccheri degli acidi nucleici
5
CH2OH
4
DNA
OH
O
H
1
H
H
H
3
2
OH
H
2-Deossi-ribosio
5
CH2OH
4
RNA
H
OH
O
1
H
H
H
3
2
OH
OH
Ribosio
5
Le basi eterocicliche degli acidi nucleici
Guanina (G)
DNA
Adenina (A)
Citosina (C)
Timina (T)
Guanina (G)
RNA
Adenina (A)
Citosina (C)
Uracile (U)
6
Struttura delle basi eterocicliche
Basi pirimidiniche
Basi puriniche
NH2
NH2
N
N
N
N
H
O
H
Adenina
N
N
O
N
N
H
N
Citosina
O
N
O
N
N
H
NH2
H3C
N
N
H
H
O
H
Uracile
O
H
Guanina
Timina
7
Gli acidi nucleici sono poliesteri dato che le diverse
unità monomeriche sono collegate le une alle altre
mediante ponti fosfato di natura esterea tra il
carbonio C-5' e il carbonio C-3' di due anelli zuccherini
consecutivi.
Essi sono caratterizzati da lunghe catene lineari con
un ossidrile libero in posizione 5' ad un’estremità ed
un ossidrile libero in posizione 3' all’altra estremità.
La sequenza delle basi è variabile e questo
aspetto risulta di grande importanza per le
funzioni biologiche svolte dagli acidi nucleici.
8
DNA
9
Struttura di una catena di DNA
O
-
O
P
O
O
CH2
Base
O
H
H
H
H
O
P
O
O
O
CH2
Base
O
H
H
H
H
O
-
O
H
O
P
Nucleoside
Nucleotide
-
H
O
CH2
H
Base
O
H
H
H
O
H
10
La macromolecola di DNA consiste di due catene di
nucleotidi antiparallele che si avvolgono a spirale
attorno ad un asse centrale, dando origine ad una
doppia elica destrorsa che rappresenta la struttura
secondaria del DNA.
Lo scheletro zucchero-fosfato-zucchero-fosfato è posto
all’esterno.
Le basi sono dirette verso l’interno e sono
approssimativamente perpendicolari all’asse della
molecola stessa.
11
Struttura secondaria del DNA
A
T
3
'
5
'
G
C
A
T
T
C
A
G
A
T
5
'
3
'
Rappresentazione della
doppia elica destrorsa
formata
dall’avvolgimento a
spirale attorno ad un
asse centrale di due
catene antiparallele di
nucleotidi
12
Struttura secondaria del DNA
A
C
C
T
T
C
A
5'
3'
T
G
A
Rappresentazione di
una singola catena di
nucleotidi
13
La stabilità dell’intera macromolecola dipende dalle
interazioni idrofobiche e dalle forze di van der
Waals che si instaurano tra le basi impilate e dai legami
ad idrogeno che si formano tra le basi delle catene
complementari.
L’insieme di queste forze tiene uniti i due filamenti.
Queste forze sono tuttavia sufficientemente deboli da
permettere alle due catene di DNA di separarsi facilmente
durante lo svolgimento di alcune attività fondamentali.
14
La pirimidina di una catena è sempre appaiata con una
purina di un’altra catena.
La complementarietà (adenina-timina e guanina-citosina)
comporta che quando è specificata la sequenza
nucleotidica su un filamento, anche la sequenza sull’altro
è fissata automaticamente.
15
Legami ad idrogeno tra le basi complementari
H
N
N
H
O
N
H
N
CH3
O
N
O
H
H
H
N
H
N
H
H
O
O
H
H
CH2
H
Adenina-Timina
H
O
CH2
O
H
N
O
H
N
N
H
N
O
H
N
O
H
H
N
H
O
H
H
N
N
H
O
H
Guanina-Citosina
O
H
H
H
CH2
H
O
CH 2
O
16
La struttura secondaria del DNA risulta determinante ai
fini della comprensione dei meccanismi attraverso i quali
le informazioni genetiche vengono conservate e
trasmesse.
La complementarietà tra le catene è la chiave mediante
cui il DNA si duplica, trasferendo le informazioni dalla
cellula madre alle cellule figlie.
17
La sequenza delle basi è responsabile della
conservazione delle informazioni genetiche
Particolari sequenze di 3
basi nucleotidiche,
triplette nel DNA, codoni
nell’mRNA ed nell’rRNA,
identificano e codificano i
diversi amminoacidi.
18
RNA
19
I tre tipi principali di RNA presenti nelle cellule
• RNA messaggero (mRNA)
• RNA ribosomiale (rRNA)
• RNA transfer (tRNA)
20
L’espressione del messaggio genetico che porta alla
sintesi delle proteine si realizza in due fasi:
• la prima, chiamata trascrizione, prevede che il
messaggio contenuto nel gene sia trascritto in termini di
mRNA. La sintesi di quest’ultimo è catalizzata da uno
specifico enzima, la RNA polimerasi, che si serve di un
filamento di DNA come stampo;
• la seconda fase, detta traduzione, richiede l’intervento
dell’mRNA che funge da stampo e del tRNA che trasporta i
singoli amminoacidi sul ribosoma dove avviene la sintesi
della catena proteica.
21
Ribosoma
3'
5'
mRNA
3'
5'
Codone dell’arginina
tRNA
Legame tra anticodone
del tRNA e codone
dell’mRNA
Tyr
Ser
Leu
tRNA
Phe
5'
3'
Scorrimento del
ribosoma verso il
codone successivo
Leu
Tyr
Ser
Phe
Arg
5'
3'
Phe
Leu
Tyr
Ser
Scorrimento del
ribosoma verso il
codone successivo
Meccanismo
della sintesi
proteica che
avviene a
livello dei
ribosomi
Arg
22
Struttura dell’mRNA
Legami ad
idrogeno
Basi
Catena zucchero-fosfato
23
LIPIDI
24
Classificazione dei lipidi
Lipidi di
riserva
(neutri)
Triacilgliceroli
Cere
Fosfolipidi
Sfingomieline
Lipidi di
membrana
(polari)
Sfingolipidi
Cerebrosidi
Gangliosidi
Steroli
25
I lipidi di riserva o lipidi neutri
Sono costituiti da esteri del glicerolo con acidi grassi,
ossia con acidi carbossilici caratterizzati da lunghe
catene idrocarburiche comprendenti da 4 a 36 atomi di
carbonio.
Quelli che a temperatura ambiente sono liquidi vengono
generalmente denominati olii.
Quelli che nelle medesime condizioni hanno consistenza
solida vengono denominati grassi.
26
O
O
CH2 OH
CH OH
+
Rx
C
CH2 O
C
O
R1
CH O
C
O
R2
CH2 O
C
R3
esterificazione
OH
CH2 OH
Glicerolo
Acido grasso
Trigliceride
I triacilgliceroli sono esteri del glicerolo con tre molecole di
acidi grassi; dal momento che non contengono gruppi
funzionali elettricamente carichi o gruppi fortemente polari,
vengono spesso definiti trigliceridi o grassi neutri.
27
Gli acidi carbossilici che si ottengono per idrolisi dei grassi
e degli olii hanno generalmente catene lineari con un
numero pari di atomi di carbonio.
I più comuni acidi carbossilici sono quelli con 14, 16 e 18
atomi di carbonio.
Le proprietà fisiche, ed in particolare i punti di fusione degli
acidi grassi e dei composti che li contengono, sono
fortemente influenzate dalla lunghezza della catena
idrocarburica e dal numero di doppi legami presenti nella
molecola.
28
Testa polare
Acidi grassi comuni
-
O
O
C
H
O
C
H
H
-
C
C
H
H
H
H
H
H
C
H
H
C
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
C H
H
C
C
H
C H
C
H
H
C
H
C
H
C
H
H
C
H
H
H
C
C
H
C
C
H
H
H
Configurazione cis
Coda idrofobica
H
H
C
H
H
H
H
H
C
H
C
C
C
O
H
H
C
H
H
H
H
C
H
H
H
H
H
29
Nei composti completamente saturi, la libera rotazione
attorno ad ogni legame carbonio-carbonio conferisce alla
catena idrocarburica una grande flessibilità; di
conseguenza la conformazione più stabile risulta quella in
cui le catene idrocarburiche sono completamente
estese; ciò permette un migliore impaccamento tra catene
vicine.
Negli acidi grassi insaturi i doppi legami non sono quasi
mai coniugati ed adottano la configurazione cis. Tale
configurazione è responsabile del basso punto di fusione
dei grassi in quanto la non linearità delle catene
idrocarburiche, impedisce l’impaccamento compatto
ed ordinato tipico dello stato solido.
30
Le possibilità d’impaccamento delle catene degli
acidi grassi dipende dal grado d’insaturazione
Acidi saturi
Acidi insaturi
31
Lipidi di membrana
Le membrane biologiche sono costituite da un doppio strato
formato da lipidi strutturalmente caratterizzati di una testa
polare idrofilica e da una coda non polare idrofobica.
32
L’orientamento delle regioni idrofobiche ed idrofiliche
determina la disposizione e l’impaccamento dei lipidi che
caratterizzano il doppio strato della membrana.
Le molecole nelle quali sono contemporaneamente presenti
proprietà antitetiche come l’ idrofilicità e l’idrofobicità sono
dette anfipatiche.
Pertanto, a differenza dei lipidi di riserva, i lipidi di membrana
sono, in generale, anfipatici.
33
Classificazione dei lipidi di membrana
Fosfolipidi
Sfingomieline
Lipidi di
membrana
(polari)
Sfingolipidi
Cerebrosidi
Gangliosidi
Steroli
34
GLICEROFOSFOLIPIDI
35
I glicerofosfolipidi sono caratterizzati dalla presenza di una
molecola di glicerolo, le cui funzioni alcoliche sono
esterificate rispettivamente con una molecola di acido
fosforico e da due code apolari, rappresentate da acidi grassi
a lunga catena.
O
CH 2 O
C
Acido grasso saturo
O
Glicerolo
CH
O
Acido grasso insaturo
C
O
CH 2 O
P
O
X
Gruppo alcolico polare
OAcido fosforico
L’acido fosforico, a sua volta, può essere esterificato con
particolari alcoli (serina, etanolammina, colina o ancora
glicerolo, inositolo) dando così origine ai diversi
glicerofosfolipidi.
36
Struttura generale dei glicerofosfolipidi
O
CH2 O
C
Acido grasso saturo
O
Glicerolo
CH O
C
Acido grasso insaturo
O
CH2 O
P
O X
Gruppo alcolico polare
X
OAcido fosforico
X
HO
CH2 CH2 NH3
HO
Etanolammina
HO
Acido
Acido fosfatidico
fosfatidico
OH
Etanolammina
Etanolammina
Fosfatidiletanolammina
Fosfatidiletanolammina
Glicerolo
Colina
Colina
Fosfatidilcolina
Fosfatidilcolina
Serina
Serina
Fosfatidilserina
Fosfatidilserina
Glicerolo
Glicerolo
Fosfatidilglicerolo
Fosfatidilglicerolo
Inositolo
Inositolo
Fosfatidilinositolo
Fosfatidilinositolo
CH
COO
Serina
OH
H
OH
CH2 CH NH3
CH2 OH
OH
CH2 CH2 N(CH3)3
Colina
HO
H
H
H
H
H
HO
H
OH
-
OH
H
Inositolo
37
code non polari
teste polari
OH OH
H
H C
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
O
O P O
O
CH2
C H
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
Acido fosfatidico
H
H C
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
NH3 +
CH2
CH2
O
O P O
O
CH2
C H
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
Fosfatidiletanolamina
H
H C
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
N(CH3 )3+
CH2
CH2
O
O P O
O
CH2
C H
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
Fosfatidilcolina
H
H C
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
COO
CH NH3+
CH2
O
O P O
O
CH2
C H
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
Fosfatidilserina
H
H
H C
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
H
OH H
O H
O P O
O
CH2
OH
H
OH
C H
O
C O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
Fosfatidilnositolo
38
Il composto capostipite dei glicerofosfolipidi é l’acido
fosfatidico, che non ha testa alcolica. Si trova solo in
piccole quantità in forma libera ma costituisce un
importante intermedio nella biosintesi dei
glicerofosfolipidi.
Gli acidi grassi presenti nei glicerofosfolipidi hanno, in
genere, da 16 a 18 atomi di carbonio.
Solitamente uno degli acidi grassi è saturo, mentre
l’altro è insaturo ed è sempre esterificato al gruppo
ossidrilico in posizione 2 del glicerolo.
L’atomo di carbonio 2 del glicerolo dei glicerofosfolipidi
è un centro chirale di configurazione L.
39
A pH fisiologico, tutti i glicerofosfolipidi hanno una carica
negativa sul gruppo fosforico; inoltre, sempre intorno a
pH 7, il gruppo alcolico di testa può fornire una o più
cariche elettriche.
I glicerofosfolipidi, per riscaldamento in presenza di acidi
o basi, si idrolizzano liberando i componenti di base: acidi
grassi, glicerolo, acido fosforico ed alcol.
Possono anche venire idrolizzati enzimaticamente da
specifiche fosfolipasi, che catalizzano l’idrolisi di particolari
legami nella molecola di fosfogliceride.
40
SFINGOLIPIDI
41
Gli sfingolipidi, come i glicerofosfolipidi, sono
anch’essi caratterizzati da una testa polare e da due
code non polari.
Diidrosfingosina
HO CH CH CH
(CH2)12
CH3
O
Acido grasso
CH N C
CH2 O X
Testa polare
A differenza dei glicerofosfolipidi, invece del glicerolo,
contengono un particolare amminoalcol, caratterizzato
da una lunga catena idrofobica che presenta una
insaturazione, la diidrosfingosina.
42
CH CH (CH2)12 CH3
CH2
HO
CH2
CH
OH
Glicerolo,
Glicerolo,
un alcol
trifunzionale
CH
OH
HO
CH2
CH
OH
NH2
Diidrosfingosina ,
Diidrosfingosina,
un amminoalcol che contiene
una lunga catena idrocarburica
insatura
43
Struttura generale degli sfingolipidi
Diidrosfingosina
HO CH CH CH
(CH2 )12
CH3
O
Acido grasso
CH N C
CH2 O X
Testa polare
X
H
H
Ceramide
Ceramide
Fosfocolina
Fosfocolina
Sfingomielina
Sfingomielina
Galattosio
Galattosio
Galattocerebroside
Galattocerebroside
Lattosio
Lattosio
Lattosilceramide
Lattosilceramide
Oligosaccaride
Oligosaccaride complesso
complesso
Ganglioside
Ganglioside
O
HO
P O CH2 CH2 N(CH3)3
O
Fosfocolina
44
La formazione di un legame ammidico tra la funzione
amminica della diidrosfingosina ed il gruppo carbossilico di
un acido grasso da luogo alla formazione del ceramide;
esso rappresenta l’unità comune fondamentale che serve a
costruire gli sfingolipidi più complessi: le sfingomieline, i
cerebrosidi ed i gangliosidi.
HO CH CH CH
(CH2 )12
CH3
O
Sfingomielina
Ceramide
CH N C
O
CH2 O HP O CH2 CH2 N(CH3)3
O
L’esterificazione della funzione idrossilica
del ceramide con fosfocolina o
fosfoetanolammina, porta alla formazione
delle sfingomieline.
O
HO
P O CH2 CH2 N(CH3)3
O
Fosfocolina
45
Le sfingomieline, a differenza di cerebrosidi e
gangliosidi, possiedono teste polari, contengono fosforo
e rappresentano la classe più semplice ed abbondante
di sfingolipidi.
La guaina mielinica che circonda alcune cellule nervose
è molto ricca di sfingomieline.
46
La glicosilazione del gruppo ossidrilici del ceramide porta
invece alla formazione di cerebrosidi e gangliosidi che
non contengono fosforo e hanno gruppi di testa neutri;
poiché il gruppo di testa consiste di una o più unità
glucosidiche, i cerebrosidi ed i gangliosidi sono spesso
chiamati glicosfingolipidi.
CH 2 OH
OH
O O
H
OH H
H
H
H OH
C H2
H H O
C N C
acido grasso a catena lunga
Galattocerebroside
H C C H C H C H2 CH2 C H2 C H2 C H2 CH2 C H2 C H2 C H2 CH2 C H2 C H2 C H3
OH
I galattocerebrosidi contengono D-galattosio e sono
caratteristici delle membrane cellulari del cervello, mentre i
glucocerebrosidi contengono D-glucosio e sono presenti
nelle membrane cellulari dei tessuti non neurali.
47
I cerebrosidi possono contenere fino a 6 unità saccaridiche,
dando luogo alla formazione di cerebrosidi più complessi,
localizzati sulla superficie esterna della membrana cellulare,
che interagiscono con enzimi, tossine, virus e batteri e
sono inoltre coinvolti in specifici processi di adesione.
48
I gangliosidi, contengono teste polari molto grandi formate
da numerose unità glucosidiche, solitamente derivatizzate
con acido N-acetilneuramminico, detto anche acido sialico;
quest’ultima molecola che è anche presente nelle porzione
saccaridica di alcune glicoproteine di membrana.
CH2 O H
OH
O O
H
OH
H
H
H
OH
CH2 O H
CH 2 O H
CH2 O H
O
O O
OH
H
CH2
C
O
O
O
O
OH H
H
H
H
H
H H C NH
H
H H
H
H
OH H C OH
H
NH
H
OH
C O
H C
CH2 O H
C H3
C H
H C OH
H C OH
O CO O
H
O
OH H
CH3 C N H
H
O
acido stearico
sfingosina
H
Ganglioside GM
49
I gangliosidi, di gran lunga gli sfingolipidi più complessi,
sono importanti componenti dei siti recettoriali specifici e
sono coinvolti nei processi di riconoscimento molecolare.
I gangliosidi sono particolarmente abbondanti nella
materia grigia del cervello, ma sono pure presenti, anche
se in minore quantità, sulla superficie delle membrane
cellulari della maggior parte dei tessuti.
Essi si trovano, ad esempio, in siti specifici sulle
terminazioni nervose cui si legano i neurotrasmettitori
durante la trasmissione di impulsi da una cellula nervosa
alla successiva.
50
STEROIDI
51
Gli steroidi sono lipidi strutturali presenti nella membrana
di molte cellule eucariotiche.
1
Chimicamente gli steroidi sono
molecole complesse
caratterizzate da quattro
anelli: tre esaatomici ed uno
pentaatomico, condensati tra
loro.
2
3
4
52
Il nucleo steroideo, derivato dal ciclopentanoperidrofenantrene ,
è quasi planare e relativamente rigido in quanto gli anelli
condensati non consentono alcuna rotazione attorno ai legami
C-C.
53
Gli steroidi più abbondanti sono gli
alcoli steroidei, detti steroli.
Il colesterolo è il principale sterolo
dei tessuti animali.
Il colesterolo avendo una testa
polare, rappresentata dal gruppo
ossidrilico in posizione 3, ed una
coda idrocarburica non polare
costituita dal nucleo steroideo e
dalla catena laterale alchilica
legata al C-17, è anfipatico.
HO
CH3
CH3
CH3
CH
CH2
CH2
CH2
CH
CH3 CH3
Colesterolo
54
Il colesterolo ed i suoi esteri con acidi grassi a lunga catena
sono componenti importanti delle lipoproteine plasmatiche
e della membrana cellulare esterna.
55
I glicerofosfolipidi, gli sfingolipidi e gli steroli sono composti
anfipatici, praticamente insolubili in acqua; a contatto con
questo solvente formano microscopici aggregati lipidici in
una fase separata dall’ambiente acquoso circostante.
Le molecole lipidiche si raggruppano in modo che le parti
idrofobiche siano in contatto tra loro, mentre i gruppi
idrofilici interagiscono con la fase acquosa.
Il raggruppamento dei lipidi ha lo scopo di ridurre la
quantità di superficie idrofobica esposta all’acqua e di
minimizzare il numero di molecole di acqua che si trovano
nello strato organizzato all’interfaccia acqua-lipide,
producendo un aumento di entropia.
56
AGGREGATI
DI LIPIDI ANFIPATICI
57
Quando lipidi anfipatici vengono mescolati con acqua, si
possono ottenere tre tipi di aggregati, a seconda delle
condizioni e della natura chimica dei lipidi utilizzati:
Micelle
Doppi strati
Liposomi
58
Le micelle sono strutture sferiche relativamente piccole nelle
quali le molecole di lipidi disposte in modo che le loro parti
idrofobiche siano all’interno della struttura, nascoste
all’acqua, e le parti idrofiliche siano esposte sulla superficie, a
contatto con l’acqua.
La formazione di micelle è
favorita quando l’area della
sezione trasversale della
testa polare è superiore a
quella della catena
idrofobica, come accade nei
sali degli acidi grassi, negli
isofosfolipidi (che mancano di
un acido grasso) e nel
detergente sodio
dodecilsolfato (SDS).
59
Nel doppio strato i due strati lipidici si combinano in modo
da formare un foglietto bidimensionale; le porzioni
idrofobiche dei due monostrati interagiscono tra loro
escludendo l’acqua; le teste idrofiliche si dispongono sulle
due superfici esterne del doppio strato a contatto con
l’acqua.
La formazione del doppio
strato ha luogo quando le
aree delle sezioni trasversali
delle teste polari e delle
catene idrofobiche sono
simili, come per i
glicerofosfolipidi e gli
sfingolipidi.
60
Il terzo tipo di aggregato lipidico si forma quando un
doppio strato lipidico si richiude su se stesso generando
una sfera chiamata liposoma o vescicola.
Mediante la formazione delle vescicole, i doppi strati
perdono l’idrofobicità dei bordi che nella struttura aperta
restano scoperti e acquistano la massima stabilità
nell’ambiente acquoso.
Queste vescicole a doppio
strato includono acqua
formando un
compartimento acquoso
separato dall’ambiente
circostante.
61
Come si vedrà più avanti, i doppi strati lipidici
svolgono un ruolo fondamentale per la struttura di
tutte le membrane biologiche.
I doppi strati fosfolipidici e i liposomi sono molto
studiati sia perché le loro proprietà sono molto simili
a quelle delle membrane naturali sia per le crescenti
applicazioni in campo farmaceutico.
62
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